Problematika emisí skleníkových plynů a možné souvislosti rostoucí koncentrace skleníkových plynů v atmosféře se změnami globálního klimatického systému Země je záležitost velmi složitá. Přestože je k dispozici již mnoho informací, řada aspektů této problematiky je nejasná a nemá zatím odborně podložené, jednoznačné a nesporné řešení – nehledě na to se k dané problematice vyjadřuje kdekdo, často bez nutné alespoň elementární znalosti věci. Abychom se vyvarovali stejné chyby, úvodem si vymezme, čemu se v tomto dílu našeho seriálu Zdravá půda budeme věnovat a čemu ne. Nebudeme se zde zabývat možnými dopady přítomnosti skleníkových plynů v atmosféře na globální i regionální změny teploty, nebudeme spekulovat o fenoménu klimatické změny nebo změn, ani se nebudeme zabývat rozmanitými scénáři vývoje klimatu na Zemi – ne že by se nejednalo o problematiku možná zásadně významnou pro osud lidstva, ale proto, že ji musíme přenechat odborníkům v daných oblastech. Zaměříme se na to, kde, proč a jak vznikají v půdě a v zemědělském systému skleníkové plyny, dále na jejich emise do ovzduší a také na to, zda a případně jak je možné tyto emise snížit; nevyhneme se ani stručné definici a vysvětlení, co jsou tzv. skleníkové plyny a jak se v atmosféře projevují, neboť i v této oblasti stále kolují nesprávné nebo neúplné informace. Protože ani ve stručné verzi nelze text zkrátit na jeden příspěvek, aniž bychom neztratili potřebné souvislosti a mohli věc dobře pochopit, rozdělíme jej na dva články v tomto a příštím čísle Selské revue.

Obrázek 1. Jeteloviny a luskoviny zajišťují významný přísun dusíku do zemědělských půd, aniž by přitom nutně docházelo ke zvýšeným emisím oxidů dusíku, jako je tomu v případě hnojení minerálními a často i organickými hnojivy. Zejména jeteloviny mají i další pozitivní účinky na půdu a jejich pravidelné zařazování v osevních postupech je nezbytným opatřením pro udržitelnost a dlouhodobou stabilitu zemědělství. (foto Milan Kobes)

Co jsou to skleníkové plyny?

Jako „skleníkové plyny“ se označují plyny, které způsobují takzvaný „skleníkový efekt“. Všichni tyto termíny používají, ale často nesprávně; proto si v tom zjednáme hned na začátku pořádek. Nejde ale o triviální záležitost, a tak se bohužel nevyhneme použití několika odborných termínů. Za skleníkový efekt se většinou považuje nárůst teploty atmosféry – kdysi se toto označení ujalo coby analogie se skleníky pro pěstování plodin, ale vlastně chybně: sluneční záření prochází skleněným obalem skleníku a zahřívá rostliny, půdu, vzduch, konstrukce apod.; zahřáté plochy vyzařují infračervené (tepelné) záření, ale sklo brání intenzívní výměně vzduchu a tepla prouděním mezi skleníkem a okolím, a tak se teplota uvnitř zachovává vyšší. Teplota ve skleníku se tedy zvyšuje hlavně díky omezenému úniku tepla ze skleníku. Se skleníkovými plyny v atmosféře Země i jiných planet je tomu trochu jinak.

Skleníkové plyny jsou takové plyny, jejichž molekuly jsou schopny pohlcovat záření a takto zachycenou energii posléze zpětně vyzářit. Mechanismus absorpce energie spočívá (stručně a nepřesně) ve schopnosti způsobit, respektive zintenzívnit vibrace atomů vázaných v molekulách. Tato schopnost intenzivnějších vibrací je různá u různých molekul, a proto mají molekuly různých plynů různé radiační vlastnosti (proto stejné množství různých plynů absorbuje velmi rozdílné množství záření) nebo je nemají vůbec. Z plynů obsažených v zemské atmosféře jsou to především vodní pára, oxid uhličitý, oxid dusný a metan. Je-li těchto plynů v atmosféře více, pohlcují a poté vyzařují více tepla, a tak dochází ke zvyšování (průměrné) teploty na a při povrchu Země. Kromě vodní páry se jedná o tzv. stopové plyny, které se v atmosféře vyskytují v malých (stopových) koncentracích (tabulka 1). Koncentrace plynů v plynných směsích se vyjadřuje různým způsobem a s využitím různých jednotek, např. jako objemový zlomek (objem látky z celkového objemu, např. ml.l⁻¹, objemové procento (obj. %), ppm (miliontina celku) nebo ppb (miliardtina celku) apod., kdy např. koncentrace 100 molekul CO₂ obsažených v milionu molekul vzduchu se vyjádří jako 100 ppm CO₂. Jednotky ppm a ppb tedy v případě plynů vyjadřují počet molekul plynu přítomného v milionu nebo miliardě molekul vzduchu. Vzhledem k tomu, že u plynů je objem proporcionální počtu molekul, platí také, že tyto relativní jednotky zároveň vyjadřují objem daného plynu v jednotce objemu vzduchu (takže koncentrace 100 ppm CO₂ také udává, že v 1 litru vzduchu, tedy v 1 000 000 µl, je obsaženo 100 µl CO₂; vhodný zápis je ppmv, kde písmeno v značí objem - volume). Více informací viz např. Šimek a kol., 2019.

Tabulka 1. Stopové plyny se skleníkovým efektem v zemské atmosféře. Koncentrace se vztahuje na suchý vzduch (tedy směs plynů tvořících vzduch zbavený vodní páry) a standardizované referenční podmínky (tedy tlak a teplotu). Přesná měření prokazují jednak sezónní kolísání koncentrace stopových plynů v atmosféře, jednak jejich stále rostoucí obsah (koncentrace v tabulce platí pro roky 2018-2020, viz Šimek a kol., 2019; v současnosti, tedy koncem roku 2021, již průměrná koncentrace CO₂ přesáhla 420 ppmv).

Poznámka. GWP (globální oteplovací potenciál, global warming potential, GWP) je celkový radiační účinek daného plynu vyjádřený hmotnostně relativně k CO₂. Více v textu.

Skleníkové plyny v atmosféře Země

Hlavním zdrojem energie na Zemi je sluneční záření. Ze Slunce k nám přichází ročně 5,4.10²⁴ J energie ve formě záření, které je z asi 9 % ultrafialové (záření o vlnové délce menší než 400 nm), 38 % připadá na viditelné záření (400 - 710 nm) a 53 % na ultrafialové záření (nad 710 nm). Pro lepší představu: celkový přísun energie od Slunce na Zemi je asi 10 000krát vyšší, než je veškerá „výroba energie“ člověkem. Sluneční záření vstupuje do zemské atmosféry, kterou tvoří směs plynů nazývaná vzduch. Atmosféra sahá až do vzdálenosti desítek tisíc kilometrů a její složení není stejné. Zatímco v nejvzdálenějších oblastech ji tvoří hlavně helium a vodík, při povrchu Země jde o vzduch, který známe důvěrně, tedy o směs dusíku (78 objemových % v suchém vzduchu bez vodní páry), kyslíku (21 %) a argonu (0,9 %), doplněnou o řadu dalších plynů. Ve skutečnosti tvoří až 3 % objemu vzduchu vodní pára, více v teplejším vzduchu, méně v chladnějším. Jak si vzápětí ukážeme, je přítomnost vodní páry ve vzduchu zásadně důležitá.

Některé normální složky vzduchu způsobují svojí přítomností a svými vlastnostmi, že atmosféra omezuje únik tepelné energie do kosmického prostoru a tím významně přispívá k ohřívání zemského povrchu a udržování přijatelné teploty na Zemi. Mechanismus oteplovacího účinku molekul plynů v zemské atmosféře je poměrně složitý jev. Jak jsme již uvedli výše, zjednodušeně se vysvětluje tak, že molekuly některých plynů (= radiačně aktivních plynů) mohou dočasně pohltit dlouhovlnné infračervené záření a poté je zase uvolnit. Záření přicházející od Slunce k Zemi je částečně absorbováno již v horních vrstvách atmosféry (zde se zadrží většina krátkovlnného, tedy ultrafialového záření). Záření, které se dostane k povrchu Země, ať již z ultrafialové, viditelné nebo infračervené oblasti spektra, je z části pohlceno a jeho energie ohřívá půdu, vodu a zemský povrch. Větší část tohoto pohlceného záření je ale zase vyzářena jako teplo, tzn. ve formě dlouhovlnného infračerveného záření do prostoru. Toto Zemí vyzařované dlouhovlnné záření samozřejmě opět prochází atmosférou a zde je dočasně zachycováno molekulami skleníkových plynů. Posléze je z nich uvolněno (vyzářeno opět jako tepelné záření), ale nyní všemi směry – část záření se proto vrací zpět k povrchu a dále jej otepluje (obrázek 2). Takto tedy molekuly některých látek přítomné v atmosféře mění radiační a tepelnou bilanci Země, přispívají k oteplování povrchu včetně oceánů a způsobují tzv. skleníkový efekt zemské atmosféry.

Obrázek 2. Schéma skleníkového efektu atmosféry. Sluneční záření přicházející k Zemi je asi z poloviny odraženo plyny, částicemi a mraky a zachyceno v atmosféře. Tím se atmosféra ohřívá. Druhá polovina záření dosáhne zemského povrchu, který ohřeje a většina záření je poté vyzářena do atmosféry jako dlouhovlnné záření. Molekuly skleníkových plynů mohou zachytit dlouhovlnné záření směřující do kosmického prostoru a vrátit jej k povrchu Země. Tím se dále zvyšuje povrchová teplota. Energie záření také zvyšuje výpar vody a způsobuje proudění atmosféry. Celkový efekt průchodu slunečního záření atmosférou a navazujících procesů v atmosféře i na povrchu se projevuje zahříváním povrchu Země a atmosféry. Ta je nejteplejší při povrchu Země (+15 °C), zatímco např. ve výšce 10 km je teplota -50 °C. Plynný obal Země, její atmosféra, funguje jako obrovská peřina, která udržuje povrch Země teplý. (zdroj Welburn, 1994, viz Šimek a kol., 2019; grafické zpracování L. Novotná)

Přirozený skleníkový efekt v atmosféře Země způsobují hlavně molekuly několika látek: vodní pára (H₂O), oxid uhličitý (CO₂), metan (CH₄) a oxid dusný (N₂O). Díky existenci přirozeného skleníkového efektu zemské atmosféry máme na Zemi průměrnou teplotu kolem +15 °C; odhaduje se, že kdyby atmosféra neměla skleníkový efekt, teplota by – podle různých autorů – byla o cca 33 až 35 °C nižší, a tedy pro život na Zemi v dnešní podobě velice nepříznivá až likvidační. Zemi asi nejpodobnější planeta Venuše má atmosféru tvořenou převážně oxidem uhličitým; kvůli tomu tamní skleníkový efekt ohřívá povrch planety na více než 450 °C, což mj. znemožňuje výskyt kapalné vody na povrchu a tím i velmi pravděpodobně života, přinejmenším v nám známé podobě.

Pokud se hodnotí tzv. zvýšený, člověkem způsobený (antropogenní) skleníkový efekt, vodní pára se ke skleníkovým plynům neřadí, protože přítomnost vodní páry v atmosféře je téměř nezávislá na lidské činnosti v tom smyslu, že produkce vodní páry člověkem je zanedbatelná v porovnání s produkcí přírodními procesy. (Poznámka. Na vodní páru v ovzduší připadá cca 65 % skleníkového efektu, tedy podstatně více než na všechny ostatní plyny. V moderní době se ale do přirozených procesů stále více „míchá“ člověk. Pokud přijmeme fakt, že průměrná teplota povrchu Země a přízemní vrstvy atmosféry se zvyšuje, vstupuje do hry pozitivní zpětná vazba: s nárůstem teploty se zvyšuje výpar, a tedy množství vody v atmosféře. Čím více vodní páry atmosféra obsahuje, tím větší je její skleníkový efekt a teplota se zvyšuje. A tak stále dokola, ovšem ne v kruhu, ale po spirále. A pokud přijmeme hypotézu, že na nárůstu teploty se podílí člověk svými aktivitami, ovlivňuje i člověk množství vodní páry v ovzduší a zvyšuje skleníkový efekt atmosféry.) Dále je třeba počítat se skleníkovým efektem freonů a jiných umělých a člověkem do prostředí uvolňovaných látek. Tyto látky mají 5 - 20 000krát silnější skleníkový efekt než oxid uhličitý a navíc způsobují destrukci molekul ozonu v atmosféře. Kvůli tomuto jejich efektu se je podařilo identifikovat a v současné době se jejich uvolňování do atmosféry významně snížilo. Kromě radiačních vlastností se do účinku skleníkových plynů promítá i doba jejich existence v atmosféře. Celkový radiační účinek daného plynu se a označuje jako globální oteplovací potenciál (global warming potential, GWP) (viz tabulka 1). V česky psané literatuře je tato problematika srozumitelně popsána např. v publikaci Nátr (2006; viz také Šimek a kol., 2019). Pro zjednodušení úvah a výpočtů jsou radiační účinky různých plynů uváděny relativně k CO₂ v hmotnostním vyjádření a jsou vztaženy na určitou dobu existence plynu v atmosféře. GWP 1 kg těchto plynů tedy odpovídá násobku GWP 1 kg CO₂. Z tabulky 1 je vidět, že radiační účinek všech ostatních skleníkových plynů je mnohonásobně vyšší než účinek CO₂. GWP se mírně liší podle různých autorů (způsobu výpočtu).

Problém se skleníkovými plyny spočívá v tom, že koncentrace všech hlavních skleníkových plynů v atmosféře se zvyšuje a zdá se, alespoň podle některých odhadů, že zvyšující se koncentrace skleníkových plynů již má nebo bude mít za následek zvyšování teploty na Zemi, které mnozí považují za nežádoucí. Odborníci se ale v dopadech kumulace skleníkových plynů v atmosféře neshodují. Je jisté, že tzv. skleníkové plyny, tedy vodní pára, oxid uhličitý, metan, oxid dusný a další látky, mají radiační účinek, jejich molekuly dočasně absorbují a pak uvolňují dlouhovlnné záření. Je také jisté, že koncentrace většiny nebo všech skleníkových plynů v atmosféře narůstá. Tato fakta platí. Globální ekosystém Země je nicméně velmi komplikovaný a skutečně spolehlivých údajů např. o změnách teploty a změnách klimatu na Zemi v dávnější minulosti je málo. Proto ani vědci zkoumající klima a jeho proměny a odborníci na jevy v atmosféře nejsou zajedno v otázce příčinných souvislostí mezi současným, spolehlivě zdokumentovaným, zvyšováním koncentrace skleníkových plynů a vývojem klimatu v blízké budoucnosti. Konec konců ani hojně užívaný pojem globální oteplování není příliš šťastný, některé oblasti na Zemi se mohou nebo by se mohly ochlazovat, a lépe by bylo hovořit o globálních změnách klimatu (k tématu viz např. Marek a Ač, 2011). K nim ovšem na Zemi docházelo vždy a nepochybně dochází i nyní, klima se prostě měnilo a mění; dnes ovšem nesrovnatelně rychleji, než tomu bylo kdy v minulosti. Za posledních asi 100 let se průměrná globální teplota zvýšila přibližně o 0,5 °C, avšak poměrně konzervativní scénáře předpokládají další stejné navýšení již kolem roku 2050 a méně konzervativní ještě dříve. Jde samozřejmě o střednědobé a dlouhodobé trendy, teplota z roku na rok může kolísat, jak se koneckonců i děje, a to různě na různých místech na Zemi. Například v letech 1998–1999 bylo u nás chladněji, než by odpovídalo dlouhodobému trendu a naopak roky 2015 a 2016 byly extrémně teplé, rok 2018 (i předchozí roky) ještě k tomu velmi suchý; kromě těchto jevů je také zřejmé, že se čím dál častěji vyskytují klimatické a povětrnostní extrémy (různé na různých místech Země), někdy zcela překvapivě – viz naše nedávná zkušenost s katastrofickým tornádem na jihovýchodní Moravě.

V diskusi kolem skleníkových plynů jde zejména o to, zda lidské aktivity skutečně prokazatelně zvyšují skleníkový efekt atmosféry Země a zda tedy vyvolávají zvýšený čili antropogenní skleníkový efekt, který vede ke zvyšování teploty na Zemi, a dále o to, zda nás to má zajímat a zda je rozumné proti tomu něco podnikat. Tématem se dlouhodobě zabývá Mezivládní panel pro změnu klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC). Shrnutí nálezů a doporučení IPCC z roku 2021 lze najít na internetu (viz např. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg1/downloads/report/IPCC_AR6_WGI_SPM.pdf); poslední zpráva IPCC ze srpna 2021 mj. konstatuje, že je nesporné, že lidské aktivity vedou k oteplování Země a že způsobené změny jsou hlavním důvodem a mechanismem změn v povětrnostních extrémech, kterých bude stále přibývat. Například západní a střední Evropa má být vystavena stále častějším případům extrémních srážek a záplav. Je ale férové podotknout, že ne všichni se se závěry IPCC ztotožňují a zejména tzv. klimaskeptici je neuznávají a často zesměšňují, nazývajíce jejich zastánce klimaalarmisty apod. V důsledku bohužel nejde o nějaké malicherné hašteření a spory o to, kdo má pravdu. V důsledku jde, a to doslova, o život. Pokud by totiž byly prognózy o pokračujícím vlivu člověka na zemské klima pravdivé, a nic nepodnikneme, mělo by to rozsáhlé až katastrofické důsledky, a to v časovém horizontu desítek až maximálně stovek roků. Pokud by pravdivé nebyly, nemělo by smysl investovat do opatření ke snížení emisí skleníkových plynů a do dalších opatření omezujících neblahé působení člověka na planetu Zemi, ale bylo by spíše vhodné soustředit se na adaptaci ke změnám. Kde je pravda? Máme se chovat podle principu takzvané předběžné opatrnosti (tedy investovat do omezujících opatření), i když si nejsme jisti příčinami a důsledky globálních změn na Zemi? Ve druhé části tohoto dílu v příštím čísle Selské revue se pokusíme nastínit, co je a co není možné či rozumné dělat v oblasti nám blízké, tedy v zemědělství.

Emise skleníkových plynů v ČR

Z emisí skleníkových plynů se stalo velké politické téma, kdy fakta a skutečnosti jsou rozmanitě využívány a zneužívány. Nehledě na to probíhají významné výzkumné a odborné aktivity. Jednou z nich je snaha o co nejlepší odhad, kolik skleníkových plynů člověk produkuje a při jakých činnostech. Tyto odhady se provádějí na celém světě. V Evropské unii došlo ke sjednocení metodických postupů a již mnoho let i u nás probíhá tzv. inventarizace emisí skleníkových plynů podle metodiky IPCC. Inventarizace nyní pokrývá antropogenní emise přímých skleníkových plynů CO₂, CH₄, N₂O, HFC, PFC, SF6, NF3 a nepřímých skleníkových plynů NO_X, CO, NMVOC (nemetanové těkavé organické látky) a SO₂. Nepřímé skleníkové plyny nepřispívají přímo ke skleníkovému efektu, ale jejich přítomnost v atmosféře může různým způsobem klima ovlivnit. Všechny podstatné informace o principu, metodice i výsledcích inventarizace antropogenních emisí skleníkových plynů podle IPCC jsou dostupné na stránkách Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ) se sídlem v Praze (http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/nis/nis_uv_cz.html), z nichž jsou převzaty vybrané informace uvedené v dalším textu této kapitoly.

Antropogenní emise činily v České republice v roce 2019 kolem 136 milionů tun CO₂eq (ekvivalentu CO₂, na nějž se přepočítávají emise ostatních skleníkových plynů). Stejně jako v předchozích letech jednoznačně převažovaly emise z energetiky (68,7 % všech emisí), následované průmyslem (11,4 %), využitím půdy včetně lesnictví (10,0 %), zemědělstvím (6 %) a odpady (3,9 %). Detailnější informace o jednotlivých zdrojích emisí a způsobech jejich odhadu jsou k dispozici v Národní inventarizační zprávě ČR. Poslední vyšla v červnu 2021 a obsahuje údaje pro roky 1990 - 2019 (NIS, 2021).

Zemědělství ČR produkovalo v roce 2019 podle oficiálního odhadu celkem 8 199 kt (kilotun, tisíc tun) CO₂eq. Z toho připadal největší podíl 46 % na obhospodařované půdy, dalších 38 % na enterickou fermentaci, 12 % na organická hnojiva a po 2 % na vápnění a minerální hnojiva (tabulka 2). Je ale pravděpodobné, že tento odhad, byť prováděný zkušenými odborníky, pečlivě a jistě co nejlépe, skutečné emise podhodnocuje, a to z řady důvodů (viz mj. poznámky pod tabulkou).

Tabulka 2. Oficiální odhad antropogenních emisí skleníkových plynů ze zemědělství ČR v roce 2019.

(a) Odhad 3 805 kt CO₂eq zahrnuje pouze emise N₂O v souvislosti s nitrifikací a denitrifikací v půdě, které činily celkem 12,8 kt N₂O. Z toho připadalo na emise původem z minerálních hnojiv 5,2 kt N₂O, ze zbytků plodin 2,7 kt N₂O, z organických hnojiv 1,3 kt N₂O; ostatní zdroje již byly menší. Největším zdrojem jsou tedy minerální hnojiva, kdy se předpokládá, že 1 % N aplikovaného v hnojivu se posléze uvolní do vzduchu ve formě N₂O. To ovšem platí jen v lepším případě, kdy se důsledně dodržují zásady hospodaření včetně včasného zapravení hnojiv do půdy, což je sice žádoucí, ale u nás nereálný stav. Vzhledem k časté technologické nekázni v pastevních areálech jsou i emise z pastevních půd pravděpodobně podhodnocené. Odhady také vůbec nezahrnují emise CH₄ z půd.

(b) Odhad 3 094 kt CO₂eq odpovídá emisím cca 123,8 kt CH₄ a zahrnuje emise z jednotlivých kategorií skotu (celkem 119 kt CH₄, tj. 96 %) a dalších hospodářských zvířat (prasat, ovcí, koz, koní; celkem 4,8 kt CH₄, tj. 4 %). Emise z každé dojnice byly odhadnuty na 156,4 kg CH₄/rok, emise z ostatních kategorií skotu průměrně 58,8 kg CH₄/rok. Emise na jeden kus ovcí byly 8 kg, koz 5 kg, prasat 1,5 kg a koní 8 kg, vše v kg CH₄/rok. Odhad nezahrnuje emise z jiných druhů zvířat včetně drůbeže, divokých prasat aj.

(c) Odhad 958 kt CO₂eq zahrnuje emise CH₄ (515 kt CO₂eq, podíl 54 %) a emise N₂O (443 kt CO₂eq, podíl 46 %). Kromě skotu se vyhodnocují emise z organických hnojiv od ovcí, koz, koní, prasat a drůbeže. Odhady nezahrnují emise CH₄ a N₂O z výkalů a hnojiv od jiných kategorií zvířat.

(d) Vápněním se vnáší do půdy mletý vápenec nebo dolomitický vápenec. Po rozpuštění se část C uvolní ve formě CO₂. V roce 2019 se aplikovalo 418 kt vápenných hmot, což mělo vést k uvolnění 193 kt CO₂. Tyto odhady jsou ale zatíženy velkou nejistotou.

(e) Spotřeba močoviny v zemědělství v roce 2019 byla 132 kt, spotřeba DAM s podílem močoviny 32,6 % byla 72 kt. Po hydrolýze v půdě měla tato hnojiva uvolnit celkem 149 kt CO₂.

Emise skleníkových plynů v Evropě a na světě

Antropogenní emise skleníkových plynů v zemích Evropské unie činily v roce 2019 zhruba 4 067 Mt (megatun, milionů tun) CO₂eq (po odečtení propadů, tedy jímání skleníkových plynů v souvislosti s využíváním půdy a lesnictvím – tzv. LULUCF) (EEA, 2021). Z toho připadalo 81 % na emise CO₂, 11 % na emise CH₄, 6 % na emise N₂O a 2 % na emise freonů. Zemědělství se podílelo na emisích EU asi 10 %. Celkové emise 136 milionů tun CO₂eq staví ČR na 8. místo v EU (data pro rok 2016). Zajímavější a více vypovídající než celkové absolutní číslo může být kalkulace emisí na osobu, kdy připadá na obyvatele ČR průměrně 12,4 t CO₂eq/rok. Podle internetového zdroje (https://faktaoklimatu.cz/infografiky/emise-eu-poradi) nám proto patří nelichotivé 4. místo v EU, po prvním nejhorším Lucembursku, a dále Estonsku a Irsku. Nejnižší emise 5,6 t CO₂eq/rok vykazují Švédsko (s podobnou populací jako ČR) a Malta. V našem případě se na relativně velmi vysokých emisích zásadně projevuje tzv. špinavá energetika založená na spalování hnědého uhlí (viz podíl energetiky 69 % na emisích ČR).

Globální antropogenní emise činí v posledních letech kolem 45 - 55 000 Mt CO₂eq. Nejvíce antropogenních emisí produkuje Čína (26,1 %), Spojené státy americké (13,4 %), Evropská unie (7,6 %), Indie (6,5 %), Ruská federace (5,6 %), Japonsko (2,6 %) a Brazílie (2,1 %) – celkem 63,9 % celosvětových emisí; na všechny ostatní země připadá zbytek, tedy 36,1 % (vyjádřeno v CO₂eq; data platí pro rok 2018; všechna data v tomto odstavci viz CCES, 2021 a zdroje tamtéž). Největší podíl celosvětových emisí připadá na CO₂ (76 %), dále na CH₄ (16 %), N₂O (6 %) a freony a podobné látky (2 %). V přepočtu na obyvatele mají největší emise USA (18,8 t CO₂eq/obyvatele), dále Ruská federace (17,7), Japonsko (9,2), Čína (8,5), Evropská unie (7,8), atd., celý svět 6 t CO₂eq/obyvatele. V přepočtu na HDP mají z velkých emitorů největší emise nejméně efektivní hospodářství, na prvním místě Ruská federace (0,7 t CO₂eq / 1000 US dolar HDP), dále Čína (0,48), svět (0,35), USA (0,32), atd., EU pouze 0,17 t CO₂eq / 1000 US dolar HDP). Zájemce o další a aktuální informace odkazujeme na internetové zdroje včetně těch citovaných na konci článku.

Skleníkové plyny ze zemědělství

V celosvětovém měřítku se odhaduje podíl zemědělství, lesnictví a dalšího využití půdy na antropogenních emisích skleníkových plynů podle různých zdrojů na 18 - 24 %, v ČR je to 16 %, z čehož na samotné zemědělství připadá 6 % antropogenních emisí. Hlavním zemědělským zdrojem skleníkových plynů je u nás půda. Měření emisí ze zemědělských půd napovídají, že k emisím uhlíkatých plynů (CO₂, CH₄) dochází hlavně v podmínkách trvalé nebo dočasné kumulace organických látek a k emisím oxidu dusného (N₂O) v podmínkách kumulace dusíkatých látek včetně minerálních forem N, a to ve smyslu jednoduché logiky: je-li něčeho příliš, příroda se s tím umí vyrovnat, i když třeba i způsobem, který nemusí být člověku vítaný (tedy likvidací „přebytku“ a tvorbou plynů, které ze systému uniknou).

Procesy tvorby skleníkových plynů v půdách, vodách, sedimentech aj. jsou z převážné většiny procesy biologické, provádějí je rozmanité skupiny mikroorganismů, a to obvykle za účelem získání energie nebo jiného profitu. Podívejme se tedy, jaké procesy a jaké mikroorganismy se při tvorbě skleníkových plynů uplatňují. Z uhlíkatých plynů se v souvislosti se skleníkovým efektem soustřeďuje pozornost zejména na oxid uhličitý a na metan. Oba tyto plyny vznikají při různých procesech, ale dominuje tvorba při rozkladu organických látek. Jak ukazují obrázky 3 a 4, rozklad uhlíkatých sloučenin končí tvorbou CO₂ nebo CH₄. Vzniklý CO₂ uniká do ovzduší nebo může být využit jako substrát pro tvorbu metanu unikátní skupinou mikroorganismů, tzv. metanogenními archei (poznámka: archea jsou podobně jako bakterie prokaryotní organismy, byla dlouho pokládána za bakterie, jimž se podobají morfologicky, ale dnes víme, že se v řadě znaků odlišují a že tvoří třetí doménu života na Zemi, vedle bakterií a eukaryot). Metan může být naopak rozkládán činností metanotrofních bakterií nebo archeí na CO₂ nebo emituje do ovzduší. Tvorba CO₂ je spojena s aerobními i anaerobními podmínkami, zatímco CH₄ typicky vzniká při anaerobním rozkladu organické hmoty, a to jak v půdách, tak v sedimentech i vodách, a dále při trávení rostlinné potravy mnoha živočichy. V ekosystému se poutá CO₂ ze vzduchu fotosyntézou a uhlík se ukládá do organických látek v biomase rostlin a jiných fotosyntetizujících organismů, např. různých skupin bakterií včetně sinic. Jejich biomasa slouží jako potrava živočichům a fixovaný uhlík putuje potravním řetězcem, aby se posléze biomasa uhynulých organismů rozložila a uhlík převážně jako CO₂ emitoval do vzduchu. Všimněme si na tomto místě důležité skutečnosti: největší přenosy uhlíku (ve formě CO₂) zahrnují jeho poutání fotosyntézou z atmosféry do biomasy a poté jeho uvolnění rozkladem z biomasy (respirací) do atmosféry. Výdej CO₂ z půdy se někdy nazývá „respirace půdy“ a v globálním měřítku několikrát převyšuje současné emise CO₂ ze spalování fosilních paliv: respirace cca 75 až 80 Gt C.rok^-1 versus spalování 9,4 Gt C.rok^-1 (Gt = gigatuna, tedy miliarda tun); respiraci půdy a rostlin ovšem vyrovnává stejně velké nebo větší odčerpávání CO₂ z atmosféry fotosyntézou. Globální údaje jsou těžko představitelná velká čísla, proto může být užitečné přepočítat je na hektar nebo metr čtvereční plochy. Soudobé zdroje odhadují respiraci zemědělské nebo lesní půdy na 25 - 30 kg CO₂, tj. asi 6 kg C.ha^-1.den^-1, což by odpovídalo 2,2 t C.ha^-1.rok^-1. V přepočtu na metr čtvereční jsou průměrné emise z půdy 2,5 - 3 g CO₂, tj. 0,6 g C za den (0,22 kg C.rok^-1), což v objemovém vyjádření činí 1,3 - 1,5 litru CO₂ denně. Protože se tedy respirace vyrovnává poutáním ve fotosyntéze, emise CO₂ z biomasy se neuvažují, jak je také vidět i na prvním řádku tabulky 2. Pokud by se neměnil obsah uhlíku vázaného v organických látkách v půdě, byla by tato úvaha oprávněná. Bohužel půdy (u nás i jinde) trpí postupným snižováním obsahu uhlíku (rozkladem organické hmoty), a to činí zmíněný předpoklad o totožné velikosti poutání a uvolňování uhlíku velmi diskutabilním, respektive je evidentní, že převažuje tok C do atmosféry, a to jednoznačně v důsledku nesprávného hospodaření s půdní organickou hmotou. K emisím N₂O z půdy by tedy bylo třeba přičíst emise CO₂, avšak není jasné, jak vysoké (příslušná metodika chybí). Navíc inventarizační metodika nepředpokládá ani emise CH₄ z půd, což je další zřejmý nedostatek, neboť existuje mnoho dokladů o těchto emisích, které byly skutečně změřeny na polích, loukách či pastvinách. To vše podporuje názor, že přinejmenším některé antropogenní emise odhadované v rámci inventarizace emisí podle IPCC jsou podhodnocené.

Obrázek 3. Koloběh uhlíku v prostředí. Přirozené procesy zahrnující metabolismus rostlin, živočichů a mikroorganismů produkují a spotřebovávají uhlíkaté plyny, zejména oxid uhličitý a metan. Velkým dynamickým zásobníkem uhlíku je proto atmosféra, z níž se CO₂ odnímá fotosyntézou a následně CO₂, CH₄ i CO do atmosféry emitují. Přirozený globální cyklus C narušuje člověk, v posledních staletích zejména využíváním a spalováním fosilních paliv, ale i intenzivní zemědělskou výrobou včetně chovu hospodářských zvířat. (zdroj Šimek a kol., 2019; grafické zpracování L. Novotná)

V některých suchozemských ekosystémech je mineralizace organických látek zpomalena, a tak se zde organická hmota hromadí. Typickým příkladem jsou mokřady a podobné ekosystémy s převládajícími anoxickými poměry. Kromě CO₂ mohou v procesech rozkladu organických látek za anoxických podmínek vznikat i další uhlíkaté sloučeniny, a to zejména metan (obrázek 4). Na produkci metanu se podílejí jak přirozené procesy, tak lidská činnost. Emise metanu související s lidskou činností jsou několikanásobně vyšší než emise z přirozených procesů. Největší podíl emisí CH₄ připadá na zemědělství (rýžová pole, trávicí trakty hospodářských zvířat) a na spalování biomasy a fosilních paliv. Významné jsou také emise ze skládek odpadů a z odpadních vod. Metan je naopak spotřebováván v některých lesních půdách, které jsou relativně provzdušněné, a tedy příznivé pro oxidaci metanu metanotrofními bakteriemi. Podle různých odhadů je v současnosti celková produkce metanu na Zemi 500–610 mil. t CH₄.rok⁻¹ a celková spotřeba o něco nižší, takže nárůst v atmosféře je cca 10 - 30 mil. t CH₄.rok⁻¹.

Obrázek 4. Schéma aerobních a anaerobních procesů při tvorbě a spotřebě CO₂ a CH₄. Uhlík ve formě CO₂ je vázán ve fotosyntéze do organických sloučenin biomasy, odkud je respirací posléze uvolňován. Metanogenezí může být CO₂ přeměněn na metan, který buď uniká do atmosféry, nebo je zpětně oxidován metanotrofií na CO₂. Metan vzniká i při anaerobním rozkladu organických látek. (zdroj Šimek, 2020; grafické zpracování L. Novotná)

U dusíkatých látek se v souvislosti s emisemi věnuje pozornost zejména oxidu dusnému (N₂O) a dále i amoniaku (NH₃). Dusík je nezbytnou složkou biomasy všech organismů a je zabudován do velkého množství organických látek v biomase. Dusíkaté látky v odumřelé biomase jsou činností mikroorganismů rozkládány a mineralizovány. Tak se vytvářejí běžné minerální formy N, tj. NH₄⁺, NO₃^- a NO₂^-. Rozmanitými mikrobiálními procesy jsou minerální formy N transformovány a mimo jiné se přitom vytváří několik plynných sloučenin: oxid dusný (N₂O), oxid dusnatý (NO) a molekulární dusík (N₂), jak ukazuje obrázek 5. Tyto plyny mají v důsledku existence koncentračních a tlakových gradientů tendenci ze systému (půdy, vody) unikat a dochází k jejich emisím do ovzduší. Obrázek 6 schematicky znázorňuje nejvýznamnější přeměny dusíkatých látek v prostředí. Při přebytku dusíku v (eko)systému se jej ochotně ujímají mikroorganismy a při jejich činnostech, které si popisujeme jako přeměny forem dusíku, se vytváří i plynné formy unikající do atmosféry. Z dusíkatých plynů budí pozornost zvláště N₂O, jehož molekuly „vynikají“ velmi vysokým radiačním účinkem, téměř 300krát vyšším než mají molekuly CO₂ (uvědomme si tento údaj: jedna molekula N₂O má stejný účinek jako 298 molekul CO₂! – viz hodnoty GWP v tabulce 1).

Obrázek 5. Procesy cyklu dusíku a tvorba plynných forem, zejména N₂O. Hlavní vstupy dusíku do přirozeného ekosystému představuje fixace N₂ (f) a spady (suché i mokré depozice; s). Dusík podléhá v půdě, vodě nebo sedimentu mnoha transformacím, amoniak i dusičnany jsou asimilovány do biomasy (a), amoniak je oxidován nitrifikací (nitritací a dále nitratací; n), organický N je mineralizován (m) na různé minerální formy, dusičnany i dusitany mohou být redukovány asimilačními i disimilačními procesy (r), redukovány nerespirační (i) i respirační (d) denitrifikací, dusičnany mohou být respirovány (k). Mobilnější formy jako např. dusičnany, jsou vyplavovány (l) a amoniak uniká také volatilizací (vypařováním; v), pokud není fixován na jílových minerálech (j). Při nedostatku O₂ se může uplatnit i heterotrofní nitrifikace (hn). V sedimentech i půdách může být významná i anoxická oxidace amoniaku na dusitany, které mohou být redukovány na N₂ v procesu nazvaném anammox – analogicky s denitrifikací nitrifikátorů uvedené v pravé horní části obrázku. Při mnoha transformacích dusíkatých látek vznikají jako hlavní nebo vedlejší produkty i plyny včetně N₂O. (zdroj Šimek, 2020; grafické zpracování L. Novotná)

Obrázek 6. Hlavní přeměny dusíku a mechanismy jeho ztrát. V důsledku určitého přebytku dusíku jsou průvodním jevem biologických i abiotických přeměn dusíkatých látek ztráty N do ovzduší i do vod. Z některých ekosystémů, typicky z agroekosystémů nebo z hospodářsky využívaných lesů, případně z rybníků, se dusík odnáší také v biomase rostlin nebo zvířat. (zdroj Šimek, 2020; grafické zpracování L. Novotná)

Zopakujme si: skleníkové plyny v atmosféře Země mají důležitou roli, udržují zemský povrch přiměřeně teplý. K přirozeným zdrojům skleníkových plynů se v posledních staletích přidaly antropogenní zdroje související s lidskou činností: průmyslem, dopravou, zemědělstvím, odpady atd. Antropogenní emise skleníkových plynů vedou k jejich stále se zvyšující koncentraci v atmosféře. Podle některých hypotéz to má za následek narůstající průměrnou teplotu na Zemi a také častější výskyt extrémních jevů, jako jsou sucha, přívalové deště, záplavy, tornáda apod. Zemědělství v Evropské unii se podílí na celkových emisích asi 10 % a v České republice 6 %. Podle oficiálního odhadu produkovalo zemědělství ČR v roce 2019 celkem 8 199 kt (kilotun, tisíc tun) CO₂eq. Z toho připadal největší podíl 46 % na obhospodařované půdy, dalších 38 % na enterickou fermentaci, 12 % na organická hnojiva a po 2 % na vápnění a minerální hnojiva.

Citovaná literatura

CCES, 2021. Global emissions. Center for Climate and Energy Solutions (online, cit. 20. 9. 2021). Dostupné z https://www.c2es.org/content/international-emissions/

EEA, 2021. Annual European Union greenhouse gas inventory 1990–2019 and inventory report 2021 online, cit. 20. 9. 2021). Dostupné z https://www.eea.europa.eu/publications/annual-european-union-greenhouse-gas-inventory-2021

EPA, 2021. Global Greenhouse Gas Emissions (online, cit. 19. 9. 2021). Dostupné z https://www.epa.gov/ghgemissions/global-greenhouse-gas-emissions-data

MAREK, M. V., AČ, A., 2011. Globální změna klimatu a cyklus uhlíku. In: MAREK, M. V., a kol. Uhlík v ekosystémech České republiky v měnícím se klimatu. Praha: Academia, s. 17 - 32.

NÁTR, L., 2006. Země jako skleník. Proč se bát CO₂? Praha: Academia, 142 s.

NIS, 2021. National greenhouse gas inventory report of the Czech Republic. Praha: ČHMÚ (online, cit. 3. 8. 2021). Dostupné z https://www.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/nis/nis_do_cz.html

OWD, 2021. CO₂ and Greenhouse Gas Emissions Country Profiles (online, cit. 19. 9. 2021). Dostupné z https://ourworldindata.org/co2-and-other-greenhouse-gas-emissions

ŠIMEK, M., a kol., 2019. Skleníkové plyny z půdy a zemědělství. Vlastnosti, produkce, spotřeba, emise a možnosti jejich snížení. Praha: Academia, 191 s.

Šimek, M.: Dobře pohnojené rybníky. Vodní hospodářství, 4, 2020, s. 26 - 28.

ŠIMEK, M., a kol., 2021. Živá půda – praktický manuál. Praha: Academia, 323 s.

V příštím dílu našeho seriálu Zdravá půda – náš odkaz dalším generacím dokončíme téma emisí tzv. skleníkových plynů z půd a ze zemědělství.

Článek vznikl s podporou programu Akademie věd ČR Strategie AV21: Záchrana a obnova krajiny.

text: Miloslav Šimek, Biologické centrum AV ČR, v. v. i.