Půdní organická hmota, půdníorganismy, koloběh uhlíku azemědělské využití krajiny

Jan Frouz

Ústav pro životní prostředí, PřFUKPraha

Ústav půdní biologie, BC AVČR

České Budějovice

Koloběh uhlíkuTok uhlíku úzce souvisí s tokemenergie, praktiky všechna energiev potravní síti pochází zfotosyntézy

Koloběh uhlíku

Emisní povolenky ČR86,8 milionu tun CO2 ročně

23,5 mil t C

4,7 mil ha zemědělské půdyzměna obsahu C o 0.1%

1m2 půdy do 30 cm váží 400kg0.1% je 0.4kg t.j. 4t/ha

2.574 x 4= 10 mil t C

Co je to půdní organická hmota ?

Opad(raw OM)

(prodné fragmenty OH, POC, DOC, mohou být vázány vagregátech)

(pasive OM, humus)

Fossil OM coal, kerogen

Půdní organismy

skupina počet druhů

Mikroskop. houby 25

Řasy 49

Krytenky 20

Hlístice 43 rodů

Pancířníci 16

Stonožky 7

Mnohonožky 7

Žížaly 3

Diversita půdníchorganismů

40 let stará výsypka spontánnězarostlá

43 druhů rostlin plocha 10x10m

ÚPB kolektiv autorů

min 170 druhů půdníchorganismů realisticky i2x tolik vzorkovanáplocha několik m2

min. půda94%

org. hmota

6%

edaphon7%

ko řeny9%

mrtvá org hmota

84%

makrofauna5%

mesofauna3%

žížaly14%

houby25%

bakterie aktinomycetye

s49%

mikrofauna4%

1013-1016 m-2

200 g m-2

1011-1014 m-2

100 g m-2

102 m-2

30 g m-2

Hmotnostní zastoupeníorganické hmoty aorganismů v půdě

CO2

CO2

CO2

CO2

Humification

litter

predation

Philosophy

Microflora affectcarbon mineralisation

CO2

CO2

CO2

CO2

Humification

litterPhilosophy

Fauna effect soil environmental properties

Moor Moder Mull

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

coniferous deciduous grassland

% o

f tot

al e

cosy

stem

C s

tock

mineral soil root litter aboveground biomass

Moor Moder Mull

Spodosoils Alfisoils Molisoils

Spodosoils Alfisoils MolisoilsPodzol Luvisol Černozem

Vertisol tropic

Moor Moder Mull

Srážky (srážky/teplota)

pH

písekSilt a jíl

Fe AlCa

fulvokyseliny

Huminové kys. a humin

Abundance žížal

Houby

Bakterie

Rychlost dekomposice

bioturbace

Lignin/N

Roční přísun opadu

C/N

Geologický substrát

Vlastnosti substrátu

Klima

Geologický substrát

Vlastnosti substrátu

Klima

vegetace

Typ opadu

Geologický substrát

Vlastnosti substrátu

Klima

vegetace

Typ opadu

Dekoposiční potravní síť

Geologický substrát

Vlastnosti substrátu

Klima

vegetace

Typ opadu

Dekoposiční potravní síť

Rychlost decompuvolňování živ

Spontaneous succession - 23 years old plot

0 50 100

9-10

7-8

5-6

3-4

1-2

dept

h (c

m)

area %

mineral spoil

leaf litterother litter

faecal pelcoprolit

rootpores

Spontaneous succession - 40 years old plot

0 50 100

5-6

4-5

3-4

2-3

1-2

0-1d

ep

th (

cm)

area %

mineral spoilleaf litterother litterfaecal pelcoprolitrootpores

Rekultivováno Nerekultivováno

Evropské žížaly v Sev.Americe

Porovnání vývoje půd pod různými druhy dřevin.

spontálníolšelípadubsmrkborovicemodřín

020406080

100

A T Q S L PC PN

C t

ha-1

zásoba uhlíku v nadzemní biomase

0

10

20

30

40

50

60

A T Q S L PC PN

C t

ha

-1

Zásoba uhlíku v půdě

22-32year old sites

0

100

200

300

400

500

A T Q S L PN PC

ind m

-2

0

10

20

30

40

50

60

A T Q S L PC PN

C t

ha

-1

Abundance žížal

Zásoba uhlíku v půdě

22-32year old sites

y = 1.3339x + 45.587R = 0.650

0

20

40

60

80

100

0 10 20 30 40 50 60 70

C in soil organic matter (tha-1)%

of s

oil C

in A

laye

r

b

y = 0.3165x + 3.4588R = 0.611

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 10 20 30 40 50 60 70

C in soil organic matter (t ha-1)

% o

f wor

m c

ast i

n so

il vo

lum

e

y = 3.8728x + 30.796R = 0.548

0

100

200

300

400

500

0 10 20 30 40 50 60 70

C in soil organic matter (t ha-1)

earh

thw

orm

den

sity

ind

m-2

0

200

400

600

800

0 10 20 30 40 50 60 70

C is soil organic matter (t ha-1)

litte

r in

put (

g m

-2 y

ear-1

)

tree litter herb litter total litter

LF (Oa Oe)A

Půdní fauna krátkodobě urychluje ale dlouhodobě zpomalujedekomposici - přispívá k akumulaci organické hmoty v půdě

020406080

100120140160180200

-100 -50 0 50 100 150

time [hours]

resp

iratio

n [m

l CO

2 g-1

hou

r-1]

litter gut (larva)

0

20

40

60

80

100

5 měsíců 8 měsíců 11 měsíců

čas

% pů

vodn

í hm

otno

sti

exkrementy listy exk. s započtením asimilace

In long term decomposition of excremens is slower tnandecomposition of leaf litter

0

20

40

60

80

100

5 měsíců 8 měsíců 11 měsíců

čas

% pů

vodn

í hm

otno

sti

exkrementy listy exk. s započtením asimilaceexcrement litter excrem assimilation incl.

% o

rigin

al w

eigh

t

Fragmentace opaduFragmentace opadu zvětšuje jeho povrch a rychle zpřístupňujemísta kam by se mikrorganismy dostali až za delší dobu.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 100 200 300 400

time h

resp

iratio

n C

O2

µL/

min

Alder litter Quercus litter

Alder excrement Quercus excrement

Alder ground litter Quercus ground litter

Ale u některých druhů opadu může fragmentace podpořit uvolněnífenolů a zpomalit dekomposici

F df pTree species 0.1 1 47 nsLitter vs excrement 6.2 2 47 0.00475Soil C content 13.0 1 47 0.00092

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Alder L Oak L Alder Ex Oak Ex Alder GL Oak GL

Res

pira

tion

chan

ge

(ml C

O2 g

-1)

High C Low C

Introduction of Bibio fecal pellets in to soilcause smaller increase of soil respiration thanlitter addition

0

2

4

6

8

10

12

14

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

týdny

mg

C-C

O2/

den

přídavek opadu

0

2

4

6

8

10

12

14

16

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31

týdny

mg

C C

O2

/den

opad drceno žížaly

Písek Jíva

Jíl Olše

accumulated in soil

litter remaining on soil surface

respirated & leached

13 y

ears

40 y

ears

Macrofaunaexcluded

Accessible formacrofauna

0102030405060708090

100

Frouz(2002)

Frouzet al

(2006)

Frouzet al.

(2008)

Frouz(2008)

% o

f C lo

st f

rom

mic

roco

sm

No fauna Fauna

47:42, p=0.05

prismatic spherical

Light POM 0.34±0.21 0.84±0.55

Bounded light POM 0.18±0.12* 1.34±0.43*

Other aggregates Earthworm created aggregates

0

10

20

30

40

50

60

WHC FC WP

% o

f vol

ume

of s

oil

without fauna with fauna

Effect of SOM accumulation on soil water budget

Vltavská kaskáda při maximálním vzdmutí cca 820 mil m3

Půdní voda v povodí Vltavy (28090 km2) do hloubky 0,5m (25% objemu půdy) cca 3370 mil m3

odvodnění

• Snižuje vlhkost půdy

• zvyšuje dostupnost pro techniku

• zvyšuje teplotu

• urychluje mineralizaci OH

• poměr povrchového apodpovrchového odtoku

Table 1. Comparison of soil physical and chemical properties in undrained and drained patchesnear Senotín (Czech Republic).

undrained drained T testmin max Mean SD N min max Mean SD N p

sil moisture % 1 31 715 119 114 30 14 60 36 11 30 0.0002water level depth cm 0 100 32 30 30 4 85 34 23 30 0.7833bulk density g cm-3 0.2 0.6 0.32 0.13 7 0.7 1.5 1.07 0.23 7 0.0001specific density g cm-3 1.2 2.3 1.59 0.34 7 2 2.5 2.27 0.17 7 0.0025porosity % 2 63.6 89.1 79.95 8.14 7 41 65.7 53.29 7.38 7 0.0001water holding capacity %2 62.7 90.4 76.42 8.8 7 29.6 69.3 56.73 11.72 7 0.0072field capacity %2 42 75.1 58.47 12.6 7 39.9 57.4 50.34 5.848 7 0.1768

stones above 2mm 0 29.1 8.54 11.5 53 14.0 35.3 20.4 6. 7 7 0.1131clay <0.01 mm 3.4 18.6 10.24 5.8 53 1.7 18.6 11.6 5.6 7 0.7202silt 0.01-0.05 mm 9 32.2 20.1 7.7 53 18.6 28.8 22.1 3.2 7 0.6412fine sand 0.05 –0.1 mm 12.7 18.6 14.58 2.1 53 5.1 15.3 11.5 3.9 7 0.1455sand 0.1 mm – 2 mm 33.1 74.6 54.76 14.9 53 40.7 66.1 54.7 8.6 7 0.9971

pH 3.72 5.22 4.76 0.48 7 4.78 5.79 5.18 0.35 7 0.1076Conductivity mS cm-1 0.08 0.25 0.167 0.06 7 0.05 0.15 0.08 0.03 7 0.0422P total mg kg-1 743 1596 1346 279 7 699 1459 930 252 7 0.0130P availabe mg kg-1 18 79 39 23 7 3 40 15 13 7 0.0528P watersoluble mg kg-1 13 75 34 23 7 1 14 6 4 7 0.0221Mg available mg kg-1 107.6 171.2 149.4 19.8 7 36.3 163.5 107.7 50.2 7 0.0981Cox % 7.42 29.06 19.04 6.79 7 2.95 11.32 5.32 3.19 7 0.0018

Orba

Nebezpečí kultivaceZtráta organické hmotyZtráta organické hmotyomezení činnosti omezení činnosti edafonu edafonu ztráta půdní strukturyztráta půdní strukturyutuženíutuženíseelingseelingerozeeroze

Co můžeme udělat

• Rotace plodin

• větší podíl TTP a DTP

• omezení plochy neporostlé půdy(meziplodiny zelené hnojení

• větší přísun OH do půdy

• bezorebné technologie

Bezorebné technologie

• Výnos někdy větší někdy menší

• Úspora energie

• Menší erose větší zadržení vody v krajině

• Sequestrace uhlíku

• rozvoj půdní bioty

• horší potlačení plevelů

• složitější agrotechnika

• nižší teplota půdy zejména na jaře

Země s největší výměrou bezorebných technologiízemě plodina výměra mil. ha % celkové výměryUSA celkem 22,3 20

soja 10,5 45kukuřice 6,1 19

Brasilie celkem 13,5 21Argentina celkem 9,5 32Australie celkem 8,7 -Kanada celkem 4,1 -Paragvay celkem 1,0 52

Periodická orba

Například i dočasné TP na orné půdě jeteloviny etc.

Přísun organické hmoty

Dynamika půdní organické hmoty písčítá půda,Missouri, (1) pšenice (2) pšenice min hnojení; (3)pšenice min hnojení hnůj 12t ha; (4) kukuřice;(5) kukuřice min hnojení hnůj 12t ha; (6)travina (7) travina min hnojení hnůj 12t ha.

G. Buyanovsky and G. Wagner, 1998. "Carbon cycling incultivated land and its global significance." Global ChangeBiology 4:131–141.

Shrnutí

• Organická hmota půdy hraje významnouroli v koloběhu uhlíku ale i v lokálníchekologických procesech

• akumulace organické hmoty závisí namnožství OH vstupujícím do půdy a najejím zpracování půdními organismy.

• Technologie, které přinášejí více OH a vícespoléhají na činnost půdních organismůmohou akumulovat více OH v půdě