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