Vysvětlili jsme si základní pojmy: co to jsou skleníkové plyny, jak se chovají v atmosféře a jakými procesy vznikají. Dále jsme se soustředili na půdy a zemědělství vůbec, které představují podstatný, i když ne největší zdroj emisí plynů do atmosféry. Zdůraznili jsme také, že podíl zemědělství na celkových antropogenních emisích skleníkových plynů je velmi různý v různých zemích. Země a regiony hospodářsky orientované na zemědělství logicky emitují ze zemědělství více skleníkových plynů, než průmyslové země, apod. Podíl zemědělství na antropogenní produkci a emisích skleníkových plynů je tak v ČR velmi nízký, pouhých 6 %, zatímco naprostá většina emisí pochází u nás z energetiky a průmyslu. V této části se zaměříme na možnosti regulace a snížení emisí skleníkových plynů ze zemědělství. Dále se zamyslíme nad globálním rozměrem této složité problematiky a nad tím, jaká řešení máme coby jednotlivci i lidstvo k dispozici.

Obrázek 1. Zdravá krajina s citlivě obhospodařovanými zemědělskými i lesními půdami může být bilančně neutrální pro skleníkové plyny. Organismy nutně svým dýcháním vytvářejí mnoho oxidu uhličitého, který se ale ve stejné nebo i větší míře z ovzduší odebírá při fotosyntéze rostlin a některých mikroorganismů. Určité malé množství uhlíku se do atmosféry uvolňuje i ve formě metanu; v mnoha půdách, zejména lesních, se ovšem CH₄ také spotřebovává fyziologickými procesy specializovaných bakterií. Při uvážlivém používání dusíkatých hnojiv se mohou emise oxidu dusného, třetího významného skleníkového plynu, snížit na minimum. (foto Miloslav Šimek)

Jak na emise ze zemědělství?

Úvodem je třeba zdůraznit, že emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství vůbec jsou obecně značně variabilní a heterogenní v čase i prostoru. Je to především kvůli proměnlivým meteorologickým podmínkám, rozmanitým půdním vlastnostem, různému způsobu zemědělského a lesnického obhospodařování aj. Všechny tyto faktory spolu více či méně interagují, navzájem se narušují nebo se synergicky zesilují, přičemž jejich vliv na charakter a intenzitu biologických procesů v půdě, a tím i na produkci plynů a následné emise z půdy, je stále nedostatečně poznaný a kvantifikovaný. Důsledkem je mj. i výrazná nejistota odhadů emisí v rámci inventarizace národních i globálních emisí skleníkových plynů ze zemědělských půd (NIS, 2021, viz také první část článku v předchozím čísle Selské revue). Nehledě na to existují dnes již tisíce odborných pojednání o této problematice a každoročně jich nejméně stovky přibývají. Výsledky experimentů a terénních měření se také neustále zpřesňují díky pokrokům v technice a metodologii, viz např. nejnovější reprezentativní studie 41 odborníků z celého světa, na níž se podílel i autor tohoto článku (Zaman a kol., 2021). Naším cílem ale není zabývat se zde složitou problematikou měření emisí plynů. My se zaměříme na to, zda a případně jak se dají jednotlivé zdroje emisí regulovat a emise významně snížit. Část informací je převzata z práce Šimek a kol. (2019).

Emise CO₂

Oxid uhličitý je hlavním skleníkovým plynem emitujícím z půd. Produkce CO₂ organismy je součástí fundamentálního cyklu života a smrti: uhlík z oxidu uhličitého je základem biomasy organismů a po jejich odumření je navracen do globálního koloběhu C (obrázek 2). Eliminovat respirační produkci CO₂ v půdě (tj. omezovat respiraci půdních organismů), a tak snížit emise z půd, nedává smysl, je to přirozená součást koloběhu uhlíku. Půdy obsahují obrovské množství uhlíku v organických látkách „zakonzervovaných“ v půdní organické hmotě. Tento uhlík byl do půdy uložen v minulosti a nemá nutně žádnou souvislost s aktuálně probíhajícími procesy fixace C ve fotosyntéze a uvolňování CO₂ respirací. Došlo k sekvestraci, tzn. oddělení části uhlíku od jeho globálního cyklu a dlouhodobé uložení v organických látkách o vysoké stabilitě a pomalém rozkladu. Žádoucí sekvestraci uhlíku v půdě je možné podpořit jednak zvýšenou dodávkou organické hmoty do půdy, jednak omezením ztrát organické hmoty z půdy mineralizací, erozí a dalšími mechanismy. Mineralizaci lze potenciálně omezit například využitím minimálního zpracování půdy nebo hospodařením bez zpracování půdy, kdy se půda nekypří orbou ani jinými agrotechnickými zásahy, takže je méně provzdušněná, což vede k nižší rychlosti mineralizace. Tyto systémy obhospodařování ale nejsou vhodné ve všech podmínkách a na všech půdách, zejména mají omezené využití na půdách těžkých, jílovitých, které mají přirozenou tendenci k samovolnému zhutňování, na půdách zaplevelených vytrvalými pleveli a v dalších případech.

Obrázek 2. Půdy obsahují obrovské množství uhlíku v půdní organické hmotě. Tato zásobárna je průběžně doplňována zbytky rostlin a jinou odumřelou biomasou. Přibližně dvě třetiny do půdy vstupujícího uhlíku jsou do roka mineralizovány a uvolněny do ovzduší převážně ve formě CO₂. Několik procent uhlíku je imobilizováno – dočasně uloženo – v biomase půdních organismů a zbytek tvoří různé organické sloučeniny včetně látek humusové povahy. (zdroj Brady, 1990, viz Šimek a kol., 2019; grafické zpracování L. Novotná)

Významného snížení ztrát C lze dosáhnout omezením nebo vyloučením vodní a větrné eroze, neboť erozí se odnášejí částice z povrchu půdy, tedy právě částice bohaté na organickou hmotu. Samotné omezení ztrát organické hmoty by ale ke zvýšení obsahu organického uhlíku v půdách nevedlo, pokud by nebylo doplněno dodávkou nové organické hmoty. Zvláště účinná jsou organická hnojiva, ve kterých je organická hmota již vyzrálá a alespoň částečně odolná rozkladu; hlavními takovými hnojivy jsou chlévský hnůj a komposty. Zaorávka rostlinných zbytků nebo biomasy rostlin vypěstovaných za tímto účelem (tzv. zelené hnojení) je v tomto smyslu méně účinná z důvodu vysokých ztrát lehce dostupné organické hmoty mineralizací. Problémem je, že kvalitních organických hnojiv je u nás nedostatek, což je způsobeno mimo jiné nízkými stavy dobytka, a tedy malou produkcí chlévské mrvy bohužel často navíc nesprávně ošetřované, a dále nedostatkem vhodných surovin pro výrobu kvalitních kompostů. Lal a kol. (2015) doporučují jako vhodná opatření k udržení a zvýšení obsahu půdní organické hmoty také použití mulče, pěstování meziplodin, střídání plodin (včetně zařazení hluboko kořenících víceletých pícnin, vojtěšky, jetele aj.) a podporu biodiverzity, integrovanou výživu a ochranu rostlin, zvýšení účinnosti závlah (např. kapková závlaha), rekultivaci degradovaných půd, podporu zalesňování a omezení odlesňování, ochranu před lesními požáry a vyloučení nebo alespoň omezení spalování biomasy apod. Relativně jednoduchým opatřením, které lze aplikovat i u nás, je vhodný osevní postup. Pokud je možné do něj zařadit jeteloviny nebo vytrvalé trávy (nebo jejich směsi), je dobrý předpoklad zvýšené sekvestrace C v půdě. Tyto plodiny ukládají značnou část své biomasy do podzemních částí a při jejich pěstování je půda nejméně jeden až několik roků ponechána v klidu, neoře a nekypří se. Musíme ale připomenout, že zároveň mají větší evapotranspiraci než jednoleté plodiny a půda se více vysušuje. To sice také zpomaluje rozklad organické hmoty, ale půda se ochuzuje o cennou vláhu. I při omezení ztrát a vysoké dodávce organické hmoty do půdy je nicméně zvyšování obsahu organické hmoty v půdě pomalý proces. Pomineme-li rašelinné půdy se specifickými způsoby obhospodařování, pouze dvě opatření mají podle zkušeností i výsledků polních experimentů potenciál rychlejšího a podstatného zvýšení sekvestrace uhlíku (o více než 1 t C.ha⁻¹.rok⁻¹): převod orné půdy na půdu s trvalým travním porostem (to ovšem většinou není prakticky reálné) a pravidelné a razantní doplňování organické hmoty do půdy ve formě kvalitních organických materiálů, jako je chlévský hnůj.

Klíč k řešení je tedy ve zvýšení vstupů C do půdy; jedině tak je možné zabezpečit jak sekvestraci C, tak stimulovat biologické procesy rozkladu a mineralizace; obojí je důležité a prospěšné. Teoreticky je tedy věc vyřešena, zbývá zařídit, aby se do půdy vracelo více organických zbytků, ať již přímo z plodin, nebo ve formě organických hnojiv včetně hnoje, kompostů, odpadů dřevní hmoty a jiných materiálů. Organických materiálů použitelných pro navyšování zásob půdní organické hmoty je však nedostatek a navíc se zvyšuje poptávka po „biomase“, například pro energetické využití namísto fosilních paliv jako zdroj tzv. bioenergie. Tím jsou dále snižovány zdroje organické hmoty pro půdu. Někteří nahlížejí na biopaliva jako na obnovitelný zdroj energie, který se dá lehce získávat na poli namísto (nad)produkce potravin a krmiv. Trochu se přitom ovšem zapomíná na fakt, že k produkci této „biomasy“, kterou představuje např. dřevní hmota, obilí, řepkové semeno a návazně různé vyrobené produkty: olej, etanol atd., je třeba půda, a že pěstováním plodin pro bioenergetiku se půda obvykle degraduje. A nejde jen o souběžný úbytek půdní organické hmoty, ale také o odnos minerálních živin v biomase, o zatížení prostředí pesticidy nutnými pro zajištění vysokých výnosů některých energetických plodin včetně exemplárního příkladu řepky, o spotřebu stále více nedostatkové vody aj. Ani uváděná „vyvážená bilance“ (carbon neutrality), schématická představa, že rostliny jsou levným prostředkem k zachycení sluneční energie a její zakonzervování v organických látkách, z nichž může být energie získána spálením a uvolněný uhlík (jako CO₂, CO, CH₄ aj.) se pouze navrací do atmosféry, odkud byl předtím fotosyntézou odčerpán, není správná. Jak už jsme zmínili v první části článku v minulém čísle Selské revue, při využívání půdy pro pěstování plodin se většinou rozkládá určitá část půdní organické hmoty a bilance půdního uhlíku je potom negativní (do atmosféry celkově proudí více C, než se čerpá fotosyntézou), průmyslová hnojiva aplikovaná k zajištění vysokých výnosů jsou drahá (a na jejich výrobu se spotřebuje mnoho energie, což generuje další emise skleníkových plynů), energie se spotřebovává i při kultivaci, dopravě a skladování získané biomasy aj. 

Emise CH₄

 Jediným známým biologickým původcem metanu jsou mikroorganismy z domény Archea (viz první díl seriálu). Metanogeneze, tj. tvorba metanu těmito mikroorganismy při jejich trávení potravy, je typická pro anoxická prostředí, jaká se vytvářejí v zaplavených půdách, mokřadech, sedimentech apod. (obrázek 3). Ze zemědělských systémů jsou nejvýznamnějšími zdroji metanu rýžová pole a dále orné půdy hnojené organickými hnojivy (hnojem, kejdou, močůvkou aj.), skládky těchto hnojiv, pastevní půdy včetně specifických lokálních prostředí v pastevních areálech (zimoviště, krmiště, okolí napajedel) a také hospodářská zvířata. Pokud jde o živočichy, metanogenní archea obývají trávicí trakty mnoha skupin bezobratlých (termitů, švábů, mnohonožek aj.) i obratlovců, zejména savců, jimž velmi účinně pomáhají trávit špatně rozložitelné součásti potravy – bez těchto mikroorganismů by tito živočichové nemohli žít z potravy sestávající pouze z rostlinné biomasy tvořené celulózou, ligninem aj. Z nich globální význam z hlediska emisí metanu mají patrně pouze termiti (jejichž celková biomasa na Zemi je srovnatelná s biomasou lidí!) a přežvýkavci a snad i některé přežvýkavcům příbuzné skupiny savců, jako jsou velbloudi a lamy. Emisní příspěvek metanu ostatních skupin živočichů je řádově nižší.

Obrázek 3. Půdě škodí jak trvalé či periodické zaplavení, tak vysušení. Zamokřené půdy nejsou dobrou vizitkou sedláka. Při déle trvajícím zamokření se v půdě ustavují anoxická prostředí s převahou anaerobních procesů. Za těchto podmínek je koncovým produktem rozkladu organických látek metan, který uniká do ovzduší. Správnou péčí o půdu se takový zdroj metanu dá zcela eliminovat. (foto Miloslav Šimek)

Snížení emisí metanu z hlavních antropogenních zemědělských zdrojů, které představuje pěstování rýže (podíl 10 % na globálních antropogenních emisích metanu) a chov dobytka (podíl 17 %; Nazaries a kol., 2013), je obtížné. Většina rýže se produkuje v systémech, kde je určitou část vegetační sezóny pole zaplaveno vodou a v zatopené půdě se velmi rychle ustavují anoxické poměry. V takových podmínkách probíhá rozklad organické hmoty jinak než v provzdušněné půdě a koncovým uhlíkatým produktem rozkladu je metan. Určitá část metanu je ještě ve svrchní vrstvě zaplavené půdy, případně ve vodě, oxidována, ale často větší část metanu emituje do ovzduší. Primárním zdrojem uhlíku jsou v rýžovištích posklizňové zbytky po předchozí plodině, kterou je obvykle rýže. Ty jsou ovšem nutným a vítaným zdrojem organické hmoty v půdě a není perspektivní je omezovat, aby se snížilo množství – následně rozkládaných – organických substrátů. Stejně tak není v blízké době možný masivní přechod ze zaplavovaných pěstitelských systémů na systémy, kdy je rýže pěstována jako jiné polní plodiny, neboť zaplavované systémy poskytují několikanásobně vyšší výnosy. Slibnou cestou k podstatným redukcím emisí metanu z rýžovišť jsou vedle šlechtění nových odrůd (poskytujících vysoké výnosy zrna bez potřeby zaplavení) úpravy technologie pěstování včetně sofistikovaného řízení závlahy. Teoretickou možností, jak snížit emise metanu z půdy do ovzduší, je také zvýšení metanotrofní aktivity (tj. rozkladu metanu bakteriemi). Ta je závislá na mnoha faktorech prostředí a na půdních vlastnostech, z nichž některé mohou být cíleně řízeny, např. vlhkost půdy, obsah a formy minerálních sloučenin dusíku nebo pH půdy. Nakolik je řízení rychlosti metanotrofie reálné v praxi, je v současnosti předmětem zkoumání. Metanotrofie v půdě v lokálním a regionálním měřítku také souvisí s využitím půdy, např. je dobře známo, že v lesních půdách je obvykle nebo často vyšší, než v půdách zemědělsky využívaných. V situaci, kdy se zvyšuje poptávka po zemědělské produkci k výrobě potravin a krmiv (a také pro produkci biomasy k energetickým účelům) je ale nepravděpodobné, že by docházelo k masivnímu zalesňování na úkor zemědělské půdy a podpora oxidace metanu prostřednictvím zalesňování ve větším měřítku tak není reálná. Hlavní prakticky využitelná opatření ke snížení emisí CH₄ z rýžovišť tedy zahrnují tři mechanismy: 1) řízení závlah, zejména jejich celkové omezení a vhodné načasování jak z hlediska potřeb rostlin, tak z hlediska metanogeneze v půdě, 2) účelné hnojení minerálními hnojivy s využitím moderních forem hnojiv pomalu uvolňujících živiny a 3) šlechtění a využívání nových odrůd rýže včetně odrůd snášejících/vyžadujících kratší dobu zaplavení nebo pěstovaných bez zaplavování půdy.

Další, a možná větší možnosti snížení emisí metanu ze zemědělství, než je snížení emisí z půdy včetně rýžovišť, představují pastevní systémy a chovy dobytka (obrázek 4). V první řadě se intenzivně zkoumají možnosti omezení tvorby metanu ještě v samotných zvířatech. Metanogeneze v trávicím traktu do značné míry závisí na skladbě stravy zvířat, a proto by se mohl vhodný krmný režim stát účinným preventivním opatřením ke snížení emisí metanu z chovů hospodářských zvířat. Například skot, který se pase na směsných porostech trav a bylin včetně jetelovin produkuje až poloviční množství metanu, než zvířata odkázaná na mnohem chudší stravu z porostů samotných trav (vysvětlení je nasnadě: hůře stravitelná biomasa trav aktivuje v trávicím traktu zvířete mikrobiální společenstva schopná rozložit i nejméně stravitelné substráty; významnou komponentou těchto společenstev jsou metanogenní archea produkující metan). Podobně pastevní systémy, kdy se zvířatům pravidelně přiděluje jen malá výměra kvalitního pastevního porostu, jsou z hlediska tvorby a emisí metanu vhodnější, než extenzivní pastva na rozsáhlých pastvinách, kde vesměs převládají monokultury trav nebo na živiny chudší a hůře stravitelné rostliny. Bohužel se většina (75 - 80 %) skotu a buvolů chová extenzivním způsobem na pastvinách. V několika zemích probíhají již delší dobu studie zaměřené na obohacování krmiva ovcí a jiných zvířat mořskými či sladkovodními řasami, a tak bychom mohli pokračovat. Je jisté, že krmivářsky orientovaný výzkum stále hledá cesty, jak učinit výživu zvířat efektivnější a jak omezit ztráty energie ve formě neužitečně produkovaného metanu, čímž by se zároveň snížil dopad chovu dobytka na nárůst koncentrace atmosférického metanu. Emise metanu z nepřežvýkavců, např. prasat a koní, jsou mnohem menší než z přežvýkavců, což souvisí s různými způsoby a schopnostmi trávení potravy u různých živočichů. Metan formou krkání a pšoukání produkují dokonce i lidé, avšak kvantitativní odhady našeho příspěvku ke globálním emisím metanu nejsou k dispozici.

Obrázek 4. Pastevní hospodářství mohou být lokálním zdrojem emisí všech významných skleníkových plynů: CO₂ z půdy, výkalů a respirace dobytka, CH₄ z trávicích procesů zvířat, z výkalů a ze zamokřených nebo utužených půd a N₂O z výkalů i půd. Podíl chovu dobytka na všech antropogenních emisích ČR je sice pouhých 2,3 % (resp. 38 % na emisích ze zemědělství), nicméně i tomuto zdroji je třeba věnovat přiměřenou pozornost. Řešení k omezení emisí skleníkových plynů ovšem nespočívá v bezhlavé redukci živočišné výroby, ale v dodržování zásad správné praxe a ve zlepšování technologií chovu. Hospodářská zvířata nutně potřebujeme nejen pro produkci masa a dalších komodit, ale neméně nutně pro produkci organických hnojiv, kterých je u nás kritický nedostatek vedoucí k degradaci půd. (foto Miloslav Šimek)

Metanogenní společenstva v trávicích traktech zvířat lze regulovat i přímo omezením abundance (množství) a aktivity metanogenů. Takto bylo vyzkoušeno mnoho látek, které sice někdy potlačovaly metanogeny, ale jejich účinek rychle vymizel nebo měly různé nežádoucí vedlejší účinky či byly jedovaté pro hostitelská zvířata. Zkoušelo se také použití antimetanogenních vakcín nebo dokonce virů, které napadaly metanogeny. Ani manipulace s bachorovou mikroflórou skotu, ani vakcíny a nejrůznější potravní doplňky nepřinesly zatím kýžený výsledek, tj. snížení produkce metanu při současném nenarušení trávicích pochodů a celkových životních podmínek hospodářských zvířat. V poslední době se zkoumají i možnosti genetických manipulací metanogenů. Nejspornějším aspektem všech těchto potenciálních opatření, která by zásadně pozměnila aktivity a složení mikrobiálních společenstev v trávicích traktech přežvýkavců i jiných skupin chovaných zvířat je to, že metanogeni představují přirozenou a podstatnou součást těchto společenstev. Nelze ani odhadnout, jak by se při jejich případné razantní redukci výsledné mikrobiální společenstvo chovalo, fungovalo a jak by se takové změny promítly do fyziologie trávení zvířat. Zřejmě dost podstatně, protože mikrobiální konsorcia v trávicím traktu jsou jednak výsledkem milionů let evoluce, jednak jsou založena na vzájemné spolupráci, díky níž dokáží zvířata jejich prostřednictvím strávit i relativně těžko stravitelnou potravu. Samozřejmě se nabízí i možnost snížení stavů dobytka a hospodářských zvířat vůbec, což by nepochybně globální emise metanu snížilo, ale současné tendence jsou spíše opačné a chovaných zvířat přibývá. Tohoto aspektu se ještě dotkneme v další části článku.

Vedle samotných zvířat uvolňují mnoho metanu i jejich exkrementy ukládané na povrch půdy při pastevním chovu nebo hromadící se v zásobnících kejdy a na skládkách chlévské mrvy při ustájení zvířat. Metanogeni se dostávají do exkrementů spolu s ostatními zástupci mikrobiomu trávicí soustavy a pokud zde najdou vhodné podmínky, zůstávají aktivní. Podobně jsou aktivní v půdě, kam se chlévský hnůj a ostatní organická statková hnojiva aplikují. Omezovat produkci metanu po aplikaci hnojiv do půdy je obtížné a prakticky nemožné, kromě obecného principu dodržování zásad správné agrotechniky a nepřehnojování: v tomto případě jde zejména o udržování určitého stupně provzdušnění půdy a zabránění výskytu dlouhodobě přetrvávajících anoxických poměrů. I tak ale bude aplikace hnoje, kejdy a některých jiných organických hnojiv vždy spojena se zvýšenou produkcí a emisemi metanu. Stájové chovy hospodářských zvířat mají ovšem větší příležitost k omezení produkce metanu než pastevní hospodaření, jednoduše proto, že jak zvířata, tak jejich exkrementy jsou ve stájích pod mnohem lepší kontrolou. V současnosti jde bohužel v naprosté většině pouze o teoretickou možnost, ale příslušné technologie jsou už dnes k dispozici: metan uvolňovaný zvířaty ve stáji i metan ze skladovaných exkrementů, tedy chlévské mrvy, kejdy, močůvky apod., lze poměrně efektivně jímat a využít jej energeticky (jako určitou formu „bioplynu“). Exkrementy by sice z hlediska omezení ztrát organické hmoty a snížení emisí metanu měly být co nejdříve zapraveny do půdy, což je ovšem v protikladu se zásadami péče o chlévskou mrvu, která by měla nejprve vyzrát na kvalitní chlévský hnůj. Většímu rozšíření technologií k jímání metanu a dalších skleníkových plynů, oxidu uhličitého a oxidu dusného (vždy se totiž jedná o jejich směs, i když se hovoří hlavně o metanu) ze stájí a skládek brání zejména ekonomické hledisko, tyto technologie a technická zařízení jsou nákladné. Když už jsme vzpomněli využití bioplynu, je třeba zdůraznit, že jeho výroba z exkrementů hospodářských zvířat je tou nejhorší a zavrženíhodnou variantou, jak se těchto exkrementů „zbavit“. Je třeba je považovat za neocenitelný zdroj půdní organické hmoty, živin a biologicky aktivních látek, které by se měly vracet do půdy. Půda poskytla biomasu plodin, které se použily na krmení zvířat, ať již přímo nebo nepřímo ve formě všelijakých krmiv. Maximum této zbytkové biomasy, kterou chovaná zvířata nevyužila ve svém metabolismu, je třeba do půdy vrátit. Právě to se ovšem nejen v našem zemědělství neděje a právě to přispívá k prohlubující se degradaci půd. 

Emise N₂O

 Emise N₂O z půdy jsou zpravidla závislé na velikosti vstupů a množství reaktivních sloučenin dusíku (N) přítomných v půdě. Proto je lze do jisté míry omezovat snižováním vstupů N. Větší dostupnost N ale zvyšuje rostlinnou produkci, tedy umožňuje poutání většího množství C v biomase rostlin a živých organismů obecně. Tím se vytvářejí podmínky pro větší sekvestraci C a tvorbu humusu při přeměnách organické hmoty v půdě, takže je více uhlíku vázáno v půdní organické hmotě a výsledná produkce a emise CO₂ jsou nižší. Nárůst biomasy vyžaduje kromě zdroje uhlíku i poměrně velké množství minerálních živin (N, P, K, S). Při nedostatku těchto živin je půdní organismy čerpají z půdy a půdní organické hmoty, které tak může ubývat a z půdy uniká více CO₂. Naopak, dostatek živin umožňuje růst mikroorganismů na zdrojích C při omezené produkci CO₂. Nadměrné zvyšování vstupů N ale zase snižuje oxidaci CH₄, která může v řadě půd výrazně snižovat čistou produkci CH₄. Tyto příklady ilustrují značnou provázanost procesů přeměn sloučenin C a N, z níž vyplývají možné komplikace při jednostranném ovlivňování jejich průběhu. Snadno totiž může nastat situace, kdy se sice produkce určitého skleníkového plynu sníží, ale zároveň se stimuluje produkce jiného (obrázek 5).

Obrázek 5a, b. Měření v terénu umožňují kvalifikované odhady emisí všech významných skleníkových plynů z půd. Fotografie zachycuje sérii kovových komor používaných na měření velikosti toků plynů mezi půdou a atmosférou (5a).

Ve stanovených intervalech se z komor odebírají vzorky vzduchu, jejichž složení se posléze analyzuje v laboratoři (5b).
(foto Miloslav Šimek)

Zemědělské systémy jsou vystaveny rostoucímu tlaku ke zvýšení produkce, což se jen těžko dá realizovat bez intenzivního hnojení dusíkem i ostatními živinami. Spíše než omezování vstupů N se tak jeví reálnou cestou ke snížení emisí N₂O zvýšení efektivity využití N z hnojiv – výběr hnojiva, načasování aplikace a stanovení dávky s ohledem na aktuální potřebu a zejména dělení dávek hnojiv. Platí zásada, že se hnojí rostlina, ne půda, hnojivo je třeba dostat co nejblíže kořenům rostlin a v době, kdy jej rostliny potřebují a efektivně využijí. Omezení emisí mohou napomáhat inhibitory ureázy a nitrifikace, dnes již dosti rozšířené v zemědělství, byť je jejich reálná účinnost často sporná nebo přinejmenším kvantitativně nejistá. Stále častěji se používají hnojiva se zvýšenou efektivitou využití živin (tzv. EEFs, tedy enhanced efficiency fertilizers). Formulace hnojiv EEF (nejčastěji jsou to obalované granule) umožňuje pozvolné uvolňování dusíku do půdy a snížení ztrát N napomáhají zmíněné inhibitory ureázy a nitrifikace, s nimiž jsou hnojiva často kombinována. Ureáza je enzym štěpící močovinu, která je dnes hlavním vyráběným a používaným dusíkatým hnojivem; zpomalení rozkladu jinak dobře rozpustné a pohyblivé močoviny vytváří předpoklady pro lepší příjem N, který se při rozkladu uvolňuje do půdního prostředí. Nitrifikací se přeměňuje relativně nepohyblivá forma N (NH₄⁺, případně organické látky) na velmi pohyblivou formu (NO₃⁻) dusíku, čímž dochází k zpřístupnění N jako živiny rostlin i mikroorganismů.

Omezování emisí může být dosaženo zvýšením podílu N₂ na produktech denitrifikace. Denitrifikace je stěžejním procesem vzniku N₂O (viz obrázek 5 v předchozí části článku v minulém čísle Selské revue). Pokud probíhá dokonale, je hlavním nebo jediným produktem dusík (N₂). Často však denitrifikace probíhá neúplně a N₂O, vznikající jako meziprodukt, není dále redukován. Tento stav může nastat z několika důvodů. Jedním z nich je nadbytek NO₃⁻ vzhledem k množství oxidovaného C. Pokud je NO₃⁻ více, než kolik je možné využít k oxidaci, není N₂O dále redukován a stává se hlavním produktem denitrifikačních reakcí. K omezení emisí N₂O proto může přispívat dostatečný vstup C do půdy, i když je často považován za faktor podporující emise. Poměrně vysoký poměr N₂ : N₂O, a tedy nižší zastoupení N₂O v denitrifikačních produktech, jsme při našem výzkumu pozorovali v půdě zimoviště skotu, která se vyznačuje vysokými vstupy C. Také při vyšší hodnotě pH se zvyšuje poměr N₂ : N₂O a klesá množství produkovaného N₂O.

Důležitým zdrojem emisí N₂O jsou, stejně jako v případě CH₄, organická hnojiva, především tzv. statková hnojiva, která se někdy považují za odpady z chovů zvířat. I pro ty v podstatě platí zásada, že hnojivo by se mělo dostat co nejrychleji do půdy a živiny ke kořenům rostlin. Prakticky se ovšem tato hnojiva shromažďují a nějakou dobu skladují, než mohou být použita. Při jejich skladování a zpracování dochází často k velkým ztrátám organické hmoty i živin, a do ovzduší emituje mnoho CO₂, CH₄ i N₂O (viz výše, emise metanu). Ztráty C ve formě CO₂ je možné snížit utužením zrající mrvy a případně převrstvením půdou, aby se omezil kontakt s kyslíkem. Sice se tak pozitivně omezí mineralizace organické hmoty, ale zároveň se nastolí anaerobní podmínky umožňující metanogenezi a produkci CH₄ a často také zvyšující denitrifikaci, tj. produkci N₂O. Všechny manipulace s organickými hnojivy je tedy třeba provádět s rozmyslem a znalostí procesů probíhajících ve zrající mrvě a hlavně chlévský hnůj zbytečně dlouho neskladovat, ale zapravit jej včas do půdy; tím se (do jisté míry nevyhnutelné) ztráty organické hmoty a emise skleníkových plynů sníží na minimum.

Emise CO₂, N₂O i CH₄ vznikají také při kompostování nejrůznějších organických substrátů a odpadů. K jejich omezení přispívá vyrovnání poměru C : N (podle okolností, buď přídavkem dusíkatých hnojiv, nebo řidčeji přídavkem hmoty bohaté na C), přiměřené, ale ne nadměrné překopávání a převrstvování a další opatření, směřující k optimalizaci procesu. Během kompostování se může hromadit dusík ve formě dusitanů (NO₂⁻), které jsou dalším možným zdrojem N₂O. K omezení produkce N₂O může přispět inokulace čerstvého materiálu zralým kompostem, který do kompostovaného substrátu vnáší nitrifikační bakterie a pak jsou dusitany rychleji odbourány, což emise N₂O snižuje.

Obecně platí, že snížení emisí N₂O ze zemědělství lze dosáhnout buď snížením vstupů N do zemědělství (těžko realizovatelné při stoupající poptávce po produktech) nebo modifikací používaných hnojiv a technologií na úrovni farmy a využíváním vědeckých poznatků a informací; cílem by mělo být snížení emisí N₂O na jednotku produkce (rostlinné nebo živočišné biomasy) nebo na jednotku plochy půdy.

Snížení emisí ze zemědělství a z produkce potravin: globální měřítko

Od světového zemědělství se očekává a vyžaduje taková produkce potravin, která bude schopná uživit stále narůstající lidskou populaci. Lapidárně vyjádřeno, jde o to vyprodukovat (podstatně) více potravin než dosud a zároveň minimalizovat nežádoucí dopady, mezi něž lze počítat například nadměrnou spotřebu nedostatkové vody, znečistění prostředí i zemědělských produktů tzv. agrochemikáliemi (hnojiva, pesticidy aj.) a farmaky a znečistění ovzduší skleníkovými plyny. Jak jsme ukázali v předchozích částech textu, půdy a využívání půd pro produkci potravin a biomasy vůbec jsou zdrojem emisí všech významných skleníkových plynů, oxidu uhličitého, metanu a oxidu dusného. Zároveň ale existuje i řada možností, jak emise snížit a někdy jim i zcela zamezit.

Oenema a kol. (2014) analyzovali v obsáhlé studii reálné možnosti snížení emisí N₂O z globálního systému produkce potravin. Ten podle nich produkoval ročně (odhad pro rok 2010) 4,1 - 4,4 mil. t N₂O-N. Domnívají se, že při započítání zvýšené zemědělské produkce bez přijetí mitigačních (omezujících) opatření (tzv. BAU scénář, tedy business as usual) narostou globální emise na 7,5 mil. t N₂O-N v roce 2050, ale zároveň je reálné jejich snížení na 3,3 mil. t N₂O-N, a to využitím rozmanitých mitigačních opatření. Mezi ně zahrnují nejméně 5 základních principů (které se do značné míry týkají i snížení emisí metanu):

• zvýšená efektivita produkce plodin,
• zvýšená efektivita živočišné produkce,
• zlepšená péče o statková hnojiva,
• zlepšené využití potravin,
• nižší podíl živočišných bílkovin ve stravě.

Produkce zemědělských komodit a výroba potravin představují v globálním měřítku nesmírně složitý dynamický systém zahrnující politické, sociální, ekonomické a environmentální aspekty. Problematika emisí skleníkových plynů je významná, ovšem představuje jen jeden z mnoha aspektů, které s výrobou potravin a krmiv souvisejí. Pro mnohé regiony, Českou republiku v posledních letech nevyjímaje, je nebo začíná být strategickou komoditou voda, zejména pitná voda, ale i voda pro zavlažování plodin. Obrovský problém představuje pokračující degradace půd včetně eroze. Erozí je půda odnesena pryč z pozemku a již není k dispozici, degradací se poškozují biologické, chemické a fyzikální vlastnosti půdy, zhoršuje se její kvalita a klesá úrodnost půdy. To vše je samozřejmě v situaci zvyšující se poptávky po zemědělských produktech velký problém.

Nyní se krátce zamysleme nad jedním paradoxem. Významnou součástí zemědělství v globálním měřítku i v mnoha regionech je živočišná výroba – produkce masa, mléka a dalších komodit zejména k přímé výživě lidí, ale také pro mnoho dalších užitků. Vedlejším, ale neméně významným, produktem chovu hospodářských zvířat je chlévská mrva, hnůj a další organické materiály, které mohou být vhodně využity pro udržování a potřebné navyšování obsahu organické hmoty v půdě. V našem seriálu jsme opakovaně připomínali, že například české zemědělství trpí nedostatkem statkových hnojiv, a bohužel nejsme žádnou výjimkou. Kvalitních statkových hnojiv není u nás dost kvůli razantnímu snížení počtů hospodářských zvířat po roce 1990 a také kvůli špatnému hospodaření se stávajícími hnojivy. Tento stav se negativně projevuje zvýšenou degradací půd a snižováním jejich úrodnosti a kvality. Paradoxně tím ovšem dramaticky poklesly emise metanu a oxidu dusného z českého zemědělství, což je jistě vítaný efekt. A na globální úrovni? Současný populační vývoj vytváří velký tlak na zvyšování zemědělské produkce a navíc stále více lidí vyžaduje navýšení podílu masných bílkovin ve stravě, což se vnímá jako určitá forma blahobytu. Tyto tendence rozhodně nepřejí jakémukoli omezování živočišné výroby. Zároveň je ale velmi dobře známo, a vyplývá to i z našeho textu, že „výroba masa“ je zatížena nejen velkými emisemi skleníkových plynů, ale i dalšími vážnými environmentálními dopady, například velkou spotřebou a znečištěním vody a její eutrofizací, znečištěním prostředí dusíkem aj. Navíc je výroba živočišných bílkovin mnohem méně efektivní, než výroba rostlinných produktů, váže mnoho půdy a vyžaduje velké externí vstupy. Přesto má chov hospodářských zvířat řadu pozitivních účinků, které lze jen těžko nahradit, nebo které jsou nenahraditelné: jde například o zúrodňující vliv pícnin, konverze málo hodnotné biomasy na kvalitní bílkovinu a recyklace biomasy do formy kvalitního hnojiva, to všechno nelze bez skotu (v našich podmínkách) či jiných skupin hospodářských zvířat zajistit.

Paradox potřeby organických hnojiv pro zajišťování úrodnosti a kvality půdy na jedné straně a nadměrné zatěžování půd a prostředí živočišnou výrobou na straně druhé nemá jednoduché řešení. Lidstvo potřebuje stále více potravy a zároveň při jejím zabezpečování stále více poškozuje své prostředí. Osvětou by snad bylo možné snížit spotřebu masných produktů a zřeknutí se živočišné stravy a veganský způsob života jsou teoreticky jednoduchým a účinným způsobem, jak snížit emise skleníkových plynů a obecně zmírnit environmentální dopady zemědělství. Je to ale scénář reálný v globálním měřítku? Nemyslím.

Snížení emisí ze zemědělství a z produkce potravin: praktické možnosti sedláků

Každý dobrý hospodář by měl usilovat o snížení nebo vyloučení emisí skleníkových plynů ze svých půd. Emise totiž neznamenají „pouze“ nárůst koncentrace skleníkových plynů v atmosféře s možnými dopady na ekosystém Země. Emise znamenají, že dochází ke ztrátám uhlíku a dusíku z půd a celého zemědělského systému.

Výzkum i praktické zkušenosti již přinesly řadu poznatků o možnostech agrotechniky snižovat emise skleníkových plynů. Vždy ovšem záleží na místních podmínkách a možnostech sedláka. Co je možné a dobré v jednom případě nemusí být proveditelné jinde a jindy (tabulka 1). Je tedy třeba při aplikaci konkrétních opatření postupovat obezřetně a se znalostí věci i souvislostí. Také je třeba vážit celkový přínos – příkladem může být vápnění zemědělských půd. Vápnění je nutné a rozumné opatření k vyrovnávání okyselující tendence půd. Zároveň ale se z vápence nevyhnutelně uvolní část uhlíku do ovzduší (obrázek 6). Tyto emise musíme strpět, abychom zajistili vhodnou půdní reakci.

Tabulka 1. Možnosti snížení emisí skleníkových plynů ze zemědělství (tabulka je převzata z publikace Šimek, Macková, 2015). (Zdroj: Smith a kol., 2008)

Snížení emisí jednotlivých plynů: + nižší emise nebo zvýšení spotřeby, - vyšší emise nebo snížení spotřeby, + nejistý efekt nebo obě předchozí možnosti podle okolností. Efektivita opatření – shoda: počet hvězdiček udává míru shody podle různých autorů, např. *** udává vysokou pravděpodobnost efektu daného opatření. Efektivita opatření – účinnost: počet hvězdiček udává míru účinnosti daného opatření, např. *** udává vysokou účinnost.

Obrázek 6. Vápnění zemědělských půd je jedním z opatření k omezení degradace půdy a zlepšení jejích vlastností. Je neobyčejně prospěšné pro půdu a nelze je pominout. Tento pozitivní účinek vápnění vysoce převyšuje negativní aspekt, kdy část uhlíku z vápence se po přeměně v půdě uvolňuje ve formě CO₂ do ovzduší. Při současné úrovni vápnění je podíl tohoto důležitého opatření na všech antropogenních emisích v ČR pouhých 0,14 % (resp. 2,4 % na emisích ze zemědělství). (námět Miloslav Šimek, výtvarník Hana Kárová)

Závěrem si připomeňme, že zemědělské půdy a zemědělství (někdy i lesnictví) jsou zdrojem všech významnějších skleníkových plynů, CO₂, CH₄ i N₂O. Celosvětově přispívá zemědělství asi 20 % k antropogenním emisím plynů, v ČR je tento podíl kolem 6 %. To není mnoho, struktura zdrojů emisí je u nás jiná. V přepočtu na osobu je ale ČR v rámci EU na nelichotivém 4. místě, s emisemi, které se odhadují na těžko uvěřitelných 12,4 tun CO₂/rok a obyvatele (to je přes 6,3 milionů litrů CO₂ na osobu); největší podíl na tom má energetika založená na spalování hnědého uhlí. Nehledě na relativně nízký podíl našeho zemědělství na celkových emisích ČR je nutné se emisemi ze zemědělství zabývat a činit opatření ke snížení emisí. Základním opatřením je důsledné dodržování technologické kázně a předcházení situacím, které podporují zvýšenou tvorbu skleníkových plynů a jejich emise do ovzduší. Opatření ke snížení emisí mají navíc často i mnohem širší dopad, např. šetří organickou hmotu v půdě nebo zlepšují efektivitu využití živin z hnojiv, a tak jsou zajímavá i ekonomicky. Na evidentní ekonomický aspekt ztrát uhlíku a dusíku z půd (ve formě skleníkových plynů, ale také např. nitrátů) nemůže rezignovat žádný odpovědný hospodář a musí všemi dostupnými a finančně opodstatněnými prostředky, nikoli ale tzv. „za každou cenu“, usilovat o snížení emisí a jiných ztrát C a N, je to v první řadě v jeho zájmu a pochopitelně i v zájmu obecném. Jde ale o cestu pomalou; i proto je třeba se souběžně zaměřit na adaptační opatření, tedy na to, jak obstát v podmínkách klimatické změny, rozkolísaného klimatu a zvýšeného výskytu extrémních jevů včetně sucha nebo záplav, které se, bez ohledu na nejistou souvislost s emisemi skleníkových plynů, stávají realitou.

Citovaná literatura

LAL, R., NEGASSA, W., LORENZ, K., 2015. Carbon sequestration in soil. Current Opinion in Environmental Sustainability, 15, s. 79–86.

NAZARIES, L., MURRELL, J. C., MILLARD, P., BAGGS, L., SINGH B. K., 2013. Methane, microbes and models: fundamental understanding of the soil methane cycle for future predictions. Environmental Microbiology, 15, s. 2395–2417.

NIS 2021. National greenhouse gas inventory report of the Czech Republic. Praha: ČHMÚ, 526 s. online, cit. 3. 8. 2021: https://www.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/nis/nis_do_cz.html

OENEMA, O., a kol., 2014, Reducing nitrous oxide emissions from the global food system. Current Opinion in Environmental Sustainability, 9-10, s. 55–64.

ŠIMEK, M., MACKOVÁ, J., 2015. Degradace půdy a emise skleníkových plynů z půd a ze zemědělství – nutné zlo? Edice Strategie AV21. Praha: Středisko společných činností AV ČR, 48 s.

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

ZAMAN, M., .... ŠIMEK, M., a kol., 2021. Measuring emissions of agricultural greenhouse gases and developing mitigation options using nuclear and related techniques. Berlin: Springer, ISBN 978-3-030-55595-1.

V příštím díle našeho miniseriálu Zdravá půda – náš odkaz dalším generacím si shrneme informace z předchozích dílů a zaměříme se na roli společenstev půdních organismů při vzniku, vývoji a fungování půdy a dále na problematiku kvality a degradace půdy.

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

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