Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Pôda

Sekvestrácia pôdneho organického uhlíka na poľnohospodárskej pôde

31-05-2022
Doc. RNDr. Gabriela Barančíková,CSc.; RNDr. Štefan Koco, PhD. | gabriela.barancikova@nppc.sk
NPPC - Výskumný ústav pôdoznalectva a ochrany pôdy

Pôdna organická hmota (POH) je zložitý heterogénny súbor organických látok  predovšetkým rastlinného ale aj  živočíšneho pôvodu, ktoré sa nachádzajú v dynamickej rovnováhe procesov humifikácie, tvorba stabilnej časti POH - pôdneho humusu a mineralizácie. POH zohráva ústrednú úlohu v zachovávaní pôdnych funkcií a chráni pôdu pred degradáciou. Základnou zložkou POH je pôdny organický uhlík (POC) a pôdny ekosystém disponuje najväčšou zásobárňou POC na Zemi. Zásoba POC v pedosfére má nezastupiteľnú úlohu pri regulácií klímy a zmierňovaní klimatickej zmeny vďaka sekvestrácii POC. Z uvedeného dôvodu má POC strategický význam pri adaptácií a zmierňovaní dôsledkov klimatickej zmeny a jeho svetové zásoby by sa mali stabilizovať, resp. tam, kde je to možné, aj postupne zvyšovať. Strata POC v dôsledku nevhodného využívania, nesprávneho hospodárenia na pôde a nevhodných pestovateľských postupov môžu spôsobiť významný pokles kvality pôdy, zhoršenie pôdnej štruktúry a zvýšiť pôdnu eróziu, čo môže viesť k emisiám uhlíka vo forme predovšetkým oxidu uhličitého (CO2) do atmosféry. Na druhej strane vhodné hospodárenie a využitie pôdy môže viesť k zvýšeniu POC, zlepšeniu kvality pôdy a čiastočne aj zmierniť nárast atmosférického CO2.

POC je primárnym indikátorom pôdnej kvality vo vzťahu k poľnohospodárskym i environmentálnym funkciám pôdy a je tiež kľúčovým faktorom všetkých skupín ekosystémových služieb, ktorými pôda disponuje.

V súčasnosti POH už nie je vnímaná iba ako jedna z mnohých vlastností pôdy a ako jeden z indikátorov úrodnosti a kvality pôdy, ale v posledných rokoch sa stala jednou z prioritných tém pedologického výskumu. V roku 2012 bolo v rámci FAO (Food and Agriculture Organisation) vytvorené Svetové partnerstvo o pôde (Global soil partnership - GSP), ktoré je svetovým lídrom pri riešení otázok a problémov POC. GSP na pôde FAO spolu s IPCC (Medzivládnym panelom o klimatických zmenách), Svetovou meteorologickou spoločnosťou a Európskou komisiou zorganizovalo v roku 2017 svetové sympózium: POC – uvoľňovanie potenciálu zmierňovania a prispôsobenia sa zmene klímy, na ktorom všetci prednášajúci vo svojich príspevkoch zdôraznili potrebu udržovania optimálnej úrovne POC nielen z dôvodu zmiernenia klimatických zmien, ale aj preto, že POC participuje pri plnení všetkých ekosystémových služieb pôdy, ktoré majú ďalekosiahle socio-ekonomické dôsledky. V roku 2018 GSP pripravilo kompiláciu prvej verzie svetovej mapy POC (GSOC), na príprave ktorej participovalo za Slovenskú republiku NPPC – VÚPOP. V roku 2020 GSP zorganizovalo svetový webinár o POC, RECSOIL: Rekarbonizácia globálnych pôd, na ktorom okrem popredných svetových vedcov, ktorí prezentovali priaznivé účinky sekvestrácie uhlíka v pôde na všetky pôdne funkcie, ale aj ciele trvalo udržateľného vývoja ľudstva, teda ekosystémové služby, sa zúčastnili aj predstavitelia EÚ a zástupcovia globálnej siete farmárov. Na webinári bola predstavená iniciatíva prípravy svetovej mapy sekvestrácie POC (GSOCseq) a tiež nevyhnutnosť finančných stimulov, uhlíkových kreditov pre farmárov pri zabezpečovaní takého hospodárenia na pôde, ktoré by zabezpečovalo sekvestráciu POC. Predstaviteľka EÚ na tomto webinári zdôraznila, že EÚ prostredníctvom Európskej Zelenej dohody, ako vlajkovej lode pri uhlíkovej pôdnej iniciatíve podporuje sekvestráciu POC na európskych pôdach. Cieľom EÚ je do roku 2023 vytvoriť pravidlá pre certifikáciu finančných stimulov za množstvo uhlíka, ktoré farmári udržia na pôde pri „uhlíkovom hospodárení na pôde“, ktoré bude stimulovať sekvestráciu POC v závislosti od potenciálu konkrétneho pôdneho typu. Na zabezpečenie sekvestrácie POC je nevyhnutné prijať zásady trvalo udržateľného hospodárenia na pôde a spoľahlivé metódy monitorovania POC v dlhšom časovom období prostredníctvom mapy GSOCseq.

Na prvej verzii tvorby mapy GSOCseq participovalo aj Slovensko prostredníctvom NPPC - VÚPOP . Tvorba globálnej mapy sekvestrácie POC bola založená na prístupe „zdola nahor“, čo znamená, že každá členská krajina OSN vytvorila mapu sekvestrácie POC pre svoje národné územie na základe implementácie modelov a štandardizovaných postupov stanovených FAO a INSII (International Network of Soil Information Institutions). Tento prístup umožnil vytvoriť a najmä overiť výsledné mapy sekvestrácie POC v národných podmienkach prostredníctvom miestnych odborníkov. Zároveň poskytol priestor na spresnenie modelovania integráciou dostupných národných dát. Pre zabezpečenie kompatibility jednotlivých národných príspevkov bol celý proces tvorby mapy založený na naprogramovaných postupoch v jazyku R a hlavne jeho modulu SoilR, ktorý implementuje postupy modelovania modelu RothC. Priestorový rámec modelovania predstavuje gridová sieť s veľkosťou jedného štvorca 1x1 km. Zároveň národným štátom bola poskytnutá základná báza priestorových vstupných údajov, ktoré sú z pohľadu modelovania sekvestrácie POC prostredníctvom modelu RothC nevyhnutné. Išlo o globálne dostupné produkty ako sú klimatické údaje z Climate Research Unit (CRU), iniciálne zásoby POC z GSOCmap, obsah ílu v hĺbke 0-30 cm z Harmonized World Soil Database (HWSD) či údaje o krajinnej pokrývke z ESA (European Space Agency) land cover Global dataset. Tieto globálne produkty mohli jednotlivé štáty nahradiť svojimi vlastnými dátami ak nimi disponovali. Pred samotnou tvorbou mapy sekvestrácie POC FAO zorganizovalo týždňové školenie pre všetkých národných expertov, ktorí boli za jednotlivé štáty nominovaní. Príspevok Slovenskej republiky do tvorby mapy sekvestrácie POC v tejto prvej verzii predstavoval integráciu viacerých národných datasetov vstupných údajov. V procese mapovania a modelovania boli použité národné klimatické údaje transformované z gridovej siete 10x10 km do siete 1x1 km, iniciálne zásoby POC z národného príspevku do globálnej mapy POC (GSOCmap) a podiel ílovej frakcie vychádzajúci z Komplexného prieskumu poľnohospodárskych pôd. Sekvestračný potenciál poľnohospodárskych pôd SR bol modelovaný pre viacero scenárov hospodárenia na pôde – štandardné hospodárenie a tri scenáre zvyšovania sekvestrácie POC do pôdy o 5, 10 a 20%. Výsledky modelovania poukazujú na pomerne nízky sekvestračný potenciál poľnohospodárskych pôd Slovenskej republiky. Výnimkou sú poľnohospodárske plochy vo vyšších nadmorských výškach (Obr.1). V prípade implementácie postupov hospodárenia, ktoré zabezpečia vyšší prísun POC do pôdy sa môže sekvestračný potenciál poľnohospodárskych pôd miernejšie zlepšiť.

Obr. 1

Obr. 1: Sekvestrácia POC poľnohospodárskymi pôdami SR pri štandardnom spôsobe hospodárenia

Prvá verzia mapy GSOCseq, ktorá bola publikovaná v jeseni 2021 predstavuje iba veľmi hrubý odhad potenciálnej sekvestrácie POC na národnej úrovni.

Na lokálnej úrovni, sa NPPC - VÚPOP problémom sekvestrácie POC na poľnohospodárskych pôdach Slovenska zaoberá už niekoľko rokov predovšetkým v rámci projektu Manažment hospodárenia na poľnohospodárskych pôdach vzhľadom na ich udržateľnosť. V tomto projekte okrem riešenia iných úloh, sa venujeme aj hodnoteniu vývoja zásob POC na modelových podnikoch lokalizovaných v rozdielnych geograficko-klimatických a pedologických podmienkach modelom RothC, ktorý využíva aj mapa GSOCseq. V roku 2021 bol v rámci tohto projektu zhodnotený vývoj zásob POC na farme Agroracio Liptovský Mikuláš.

Hospodársky obvod poľnohospodárskeho subjektu Agroracio s.r.o. Liptovský Mikuláš má výmeru 3904 ha poľnohospodárskej pôdy z toho 1803 ha orných pôdach (OP) a 2101 ha trvalých trávnych porastoch (TTP). Pokiaľ v roku 1970 a 2000 na danom území prevládali TTP, v súčasnosti je podiel OP a TTP na tomto území takmer vyrovnaný. Z pôdnych typov sú na  území poľnohospodárskeho subjektu Agroracio najviac zastúpené kambizeme (60%) a pseudogleje (20%) na OP a v menšej miere rendziny na TTP, gleje a čiernice na OP. Hodnotenie vývoja zásob POC sa realizovalo v období 1970-2020 a jeho následná predikcia v období 2020 – 2100. V tomto príspevku je prezentovaný vývoj zásob POC na kambizemi, ktorý je dominantný pôdny typ na sledovanom území, ale kambizeme sú aj najrozšírenejším pôdnym typom na Slovensku a na čiernici, ktorá patrí medzi najúrodnejšie pôdy.

Medzi rokmi 1970-2010 sa na kambizemi udržiavala rovnaká zásoba POC, teda vstupy aj straty organického uhlíka na uvedenom pôdnom type boli v rovnováhe. O sekvestrácii POC môžeme hovoriť až v poslednom desaťročí, keď hodnota zásob POC na kambizemiach vzrástla (Obr.2), čo súvisí s výrazne vyššími dávkami maštaľného hnoja v tomto období. Za celé modelované obdobie (1970-2020)  sekvestrácia POC na orných pôdach kambizemí bola +0,174 t C.ha-1.r-1.

Obr. 2

Obr. 2: Vývoj priemerných modelovaných zásob POC (t.ha -1) a ich porovnanie s nameranými zásobami POC v priebehu modelovaného obdobia 1970 – 2020 na orných pôdach kambizemí na farme Agroracio Liptovský Mikuláš

Modelované hodnoty zásob POC z roku 2019 boli porovnané s nameranými hodnotami zásob POC z pôdnych vzoriek odobratých v roku 2019. Ako je zrejmé z obr. 2, modelované hodnoty zásob POC sa nachádzajú v rozsahu nameraných hodnôt POC, takže môžeme konštatovať, že RothC model je vhodný pre modelovanie zásob POC na tomto pôdnom type.

V roku 1990 došlo na časti kambizemí k zmene využívania pôdy z OP na TTP. Ako je zrejmé z obr. 3. od roku 1990 pozorujeme nárast zásob POC.

Obr. 3

Obr. 3: Vývoj priemerných modelovaných  zásob POC (t.ha-1) a ich porovnanie s nameranými zásobami POC v priebehu modelovaného obdobia 1970 – 2020 na kambizemi pri zmene využívania pôdy z OP na TTP

Pri konverzii z OP na TTP dochádza k zvýšeniu zásob POC nakoľko na lúkach a pasienkoch sú výrazne vyššie vstupy organického uhlíka z nadzemnej časti rastlín ako aj z koreňového systému v porovnaní s ornými pôdami, kde sa podstatná časť vypestovanej rastlinnej produkcie z pôdy odstraňuje. Pri intenzívnom pasení sa do pôdy dostáva aj značné množstvo organického uhlíka z exkrementov hospodárskych zvierat.

Na poľnohospodárskom pôdnom fonde Farmy Agroracio Liptovský Mikuláš sa nachádzajú aj čiernice. Ako bolo uvedené vyššie tento pôdny typ patrí medzi naše najúrodnejsie pôdy, čo potvrdzuje aj vysoká hodnota zásob POC na tomto pôdnom type na začiatku modelovaného obdobia. Ako je však zrejmé z obr. 4, v priebehu celého monitorovacieho obdobia dochádzalo ku kontinuálnemu poklesu zásob POC.

Obr. 4

Obr. 4: Vývoj priemerných modelovaných  zásob POC (t.ha-1) a ich porovnanie s nameranými zásobami POC  v priebehu modelovaného obdobia 1970 – 2020 na čiernici na OP

Príčinou poklesu zásob POC na OP čiernice sú postupne klesajúce vstupy organického uhlíka predovšetkým absencia dodatočných vstupov organického uhlíka z maštaľného hnoja. Na tejto lokalite je jasne viditeľné, že vstupy organického uhlíka z pozberových zvyškov, resp. z koreňového systému pestovaných plodín nie sú postačujúce na vyrovnanú bilanciu zásob POC na orných pôdach. Na intenzívne obhospodarovaných orných pôdach pre vyrovnanú bilanciu zásob POC sú nevyhnutné aj externé zdroje organického uhlíka z organického hnojenia napríklad vysoké dávky kvalitného maštaľného hnoja.

Pri predikcii zásob (modelované obdobie 2020-2100) POC boli pripravené pre orné pôdy dva manažérske scenáre, štandard a optimal. Hospodárenie na pôde pri manažérskom scenári štandard  bolo rovnaké ako za posledných 10 rokov na danej lokalite. Optimálny manažérsky scenár na ornej pôde zohľadňoval najvhodnejší osevný postup pre danú lokalitu s plodinami, ktoré dodávajú organický uhlík do pôdy a vysoké dávky kvalitného maštaľného hnoja. Boli tiež pripravené dva klimatické scenáre A2, B1, pričom klimatický scenár A2 predpovedá vyššie teploty ako scenár B1.

Na orných pôdach kambizemí pri všetkých variantoch použitých scenárov stúpali zásoby POC, pričom najvyšší nárast bol zaznamenaný pri optimálnom manažérskom scenári a klimatickom scenári B1, čo predstavuje sekvestračný potenciál 0,33 t C.ha-1.r-1 a najnižší nárast pri štandardnom manažérskom scenári a klimatickom scenári A2 so sekvestráciou iba 0,18 t C.ha-1.r-1 (obr.5).

Obr. 5

Obr. 5: Porovnanie vývoja zásob POC v období 2020 – 2100 pre manažérsky scenár štandard a optimal a klimatické scenáre A2 a B1 na ornej pôde kambizemí

Na čiernici vstupy organického uhlíka manažérskeho scenára štandard nepostačujú na vyrovnanú bilanciu zásob POC a na tomto pôdnom type došlo k postupnému znižovaniu zásob POC pri oboch klimatických scenároch. Pri optimálnom manažérskom scenári pri oboch klimatických scenároch pozorujeme v prvej fáze modelovaného obdobia mierny nárast a následne ustálený stav zásob POC (obr.6).

Obr. 6

Obr. 6: Porovnanie vývoja zásob POC v období 2020 – 2100 pre manažérsky scenár štandard a optimal a klimatické scenáre A2 a B1 na ornej pôde čiernice

Ako je zrejmé z prezentovaných výsledkov zásoba POC v poľnohospodárskych pôdach vo výraznej miere závisí od vstupov organického uhlíka do pôdy. Na intenzívne obhospodarovaných orných pôdach na dosiahnutie vyrovnanej bilancie, resp. zvýšenia zásob POC, teda jeho sekvestráciu, je nutný aj externý zdroj organického uhlíka z organického hnojenia. V menšej miere zásoba POC závisí aj od zmeny klímy nakoľko pri modelovaní vývoja zásob POC boli hodnoty zásob POC pri klimatickom scenári B1, ktorý predpovedá nižšie teploty ako klimatický scenár A2, vyššie ako pri klimatickom scenári A2.

Uvedené výsledky zmien v zásobách POC sa však vzťahujú iba na konkrétny poľnohospodársky podnik a nemôžu byť extrapolované na celé územie poľnohospodárskeho pôdneho fondu Slovenska. Z tohto dôvodu v súčasnosti riešime v rámci projektu „Údajová a vedomostná podpora pre systémy rozhodovania a strategického plánovania v oblasti adaptácie poľnohospodárskej krajiny na klimatické zmeny a minimalizáciu degradácie poľnohospodárskych pôd“ úlohu, ktorej cieľom je na regionálnej úrovni analyzovať faktory sekvestrácie organického uhlíka v poľnohospodárskych pôdach Slovenska a kvantifikovať súčasný a budúci sekvestračný potenciál poľnohospodárskych pôd Slovenska v odozve na historickú (2000 – 2020) a očakávanú (2020 – 2050) zmenu klímy a spôsob aktuálneho a optimálneho využitia pôdy z pohľadu udržateľného hospodárenia s POC.

Poďakovanie

Táto práca bola podporená Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-14-0087.Táto publikácia vznikla tiež vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: „Údajová a vedomostná podpora pre systémy rozhodovania a strategického plánovania v oblasti adaptácie poľnohospodárskej krajiny na klimatické zmeny a minimalizáciu degradácie poľnohospodárskych pôd“ (kód ITMS2014+ 313011W580), spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.