Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Snížení úniků minerálního dusíku aplikací biouhlu

Cílem příspěvku je upozornit na širší souvislosti týkající se zvýšených koncentrací dusičnanů ve vodním zdroji Březová nad Svitavou, který je největším zdrojem podzemní pitné vody v ČR a který zásobuje kvalitní pitnou vodou brněnskou aglomeraci a další napojené obce v celkovém objemu 27 mil. m3.rok−1. Z výsledků dosud provedených experimentů lze usuzovat na projevy degradace půdy způsobené dlouhodobým používáním průmyslových dusíkatých hnojiv.


© Fotolia.com

Je patrné, že dochází k nepříznivým změnám fyzikálních, chemických a biologických charakteristik. Dochází ke zhutnění podorničí, k obtížnému prokořeňování plodin do větších hloubek, k deformaci kořenového systému a k větší citlivosti pěstovaných rostlin k suchu. Nejsnazším řešením by v této vodohospodářsky nejcennější oblasti bylo změnit konvenční zemědělství na zemědělství ekologické. Pokud se k této změně nenajde dost dobré vůle a nutných prostředků, autoři studie doporučují výrazné, ne-li úplné omezení minerálního hnojení a maximální možnou redukci aplikací chemických přípravků na ochranu rostlin. Chybějící živiny lze dodat prostřednictvím kompostu, případně kompostovaného biouhlu, změnou osevních postupů, zařazením vícedruhových meziplodin apod. U navrhovaných úprav lze očekávat hlubší prokořenění půd, postupnou regeneraci půdního života a tím i vodního režimu v krajině.

1. Úvod

Dusičnany jsou konečným produktem mikrobiální oxidace různých forem dusíku v půdě. Jejich vyplavování do podzemních vod je jednou ze tří cest, jakými se půda zbavuje přebytečného dusíku. Dalšími jsou denitrifikace a volatilizace amoniaku (transformace přebytečného dusíku na plynné formy a jejich únik do ovzduší). V přírodních ekosystémech k těmto únikům dochází zřídka, protože přeměny dusíkatých látek jsou důsledně kontrolovány půdními mikroorganismy. Prosperita současného konvenčního zemědělství je ale založena na zvýšení nabídky dusíku, a právě dusičnany jsou pro rostliny vyhledávanou a preferovanou formou dusíkaté výživy.

Obr. 1 Diskriminace přísunu rostlinných uhlíkatých investic kořenovými výměšky (Root exudation) vyvolaná zvyšující se dávkou průmyslového dusíku (N fertilization), která sice výrazně zvyšuje nadzemní produkci rostlin, ale na druhé straně snižuje mikrobiální a enzymatické aktivity v půdě (Microbial & enzyme activities) za současného snížení rychlosti rozkladu půdní organické hmoty (SOM decomposition) a uvolňování CO₂ z půdy (šířka šipek je úměrná míře daného procesu; podle Kumar et al., 2016).
Obr. 1 Diskriminace přísunu rostlinných uhlíkatých investic kořenovými výměšky (Root exudation) vyvolaná zvyšující se dávkou průmyslového dusíku (N fertilization), která sice výrazně zvyšuje nadzemní produkci rostlin, ale na druhé straně snižuje mikrobiální a enzymatické aktivity v půdě (Microbial & enzyme activities) za současného snížení rychlosti rozkladu půdní organické hmoty (SOM decomposition) a uvolňování CO2 z půdy (šířka šipek je úměrná míře daného procesu; podle Kumar et al., 2016).

V půdách hnojených průmyslovými dusíkatými hnojivy selhává mikrobiální kontrola osudů dusíku a úniky vyplavováním, denitrifikací nebo volatilizací jsou běžným jevem. Člověku se tak nechtěně podařilo za několik desetiletí průmyslového hnojení udělat z dusíku, z klíčové živiny, bezcenný prvek, který je s železnou pravidelností aplikován každý rok na ornou půdu. Přitom podíl plodinami nevyužitého dusíku unikajícího z orných půd do okolních vegetačních systémů, do vod a do ovzduší není zanedbatelný, dosahuje třetinu až polovinu aplikovaného dusíku (Sutton et al., 2011). Ztráty dusíku mají svůj ekonomický rozměr, jsou však vyváženy vyšší produkcí plodin. Škody působené v krajině dusíkem unikajícím ze zemědělství není snadné vyhodnotit, jsou společností akceptovány, a tak se zatím nevyčíslují. Odhaduje se ale, že převyšují přínosy z vyšší produkce potravin stimulované aplikací syntetických dusíkatých hnojiv (Sutton, 2011).

A zatímco se v zemědělských systémech každoroční sklizní úrody celému agroekosystému od dusíkaté zátěže částečně uleví, sousední vegetace funguje jako akumulátor unikajícího dusíku, který stimuluje byliny, keře a stromy k nadzemní produkci bez odpovídajících uhlíkatých investic do půdy, do rhizosféry. Mechanismus diskriminace přísunu rostlinných uhlíkatých investic kořenovými výměšky byl na základě pokusů se značenými sloučeninami uhlíku a dusíku nedávno popsán (Kumar et al., 2016) a je názorně představen na obr. 1. Vyšší příjem dusíku necílovými rostlinami na sousedních pozemcích zvyšuje atraktivitu jejich pletiv pro hmyzí škůdce a snižuje jejich odolnost vůči mrazu a suchu. Vyplavování dusičnanů svědčí o vyčerpání akumulační kapacity půdy a vegetace, svědčí o narušení bilance dusíkatých látek v daném místě. To platí také pro vodu ve svrchní zvodni vodního zdroje Březová nad Svitavou, ve které se koncentrace dusičnanů začala v roce 2004 blížit hodnotě 45 mg.l−1. Tehdy byla navázána spolupráce BVK, a.s., s Mendelovou univerzitou v Brně s cílem omezit únik dusičnanů ze zemědělských půd do podzemních vod.

2. Výsledky výzkumů

Obr. 2 Kumulativní záchyt minerálního dusíku v iontoměničových pouzdrech vložených do půd různých typů ekosystémů (do hloubky 20 a 50 cm) za pětileté období sledování (Záhora et al., 2011)
Obr. 2 Kumulativní záchyt minerálního dusíku v iontoměničových pouzdrech vložených do půd různých typů ekosystémů (do hloubky 20 a 50 cm) za pětileté období sledování (Záhora et al., 2011)

V první fázi výzkumu šlo o zjištění, zda se na zvyšování koncentrace dusičnanů v podzemních vodách podílí spíše bodové zdroje, např. polní hnojiště nebo zimovací obůrky s vysokými stavy dobytka, nebo jde-li o plošnou zátěž dusíkatými látkami. Byla upravena již dříve publikovaná terénní metoda pro dlouhodobé terénní sledování úniků minerálního dusíku (Záhora, 2001), pomocí níž bylo zjištěno, že se úniky minerálních forem dusíku v půdách pod bodovými zdroji výrazně neliší od plošných a že by se další pozornost měla zaměřit na plošnou zátěž dusíkem, resp. její snížení. Nicméně na základě tohoto sledování bylo možno doložit únik minerálních forem dusíku z různých druhů ekosystémů v jímací oblasti vodního zdroje Březová nad Svitavou a tím i vyčerpání akumulační kapacity vegetace, luk a lesů sousedících s ornými půdami – viz obr. 2. (Záhora et al., 2011). Dále bylo zřejmé, že z lučních a lesních ekosystémů uniká jenom třetinové množství minerálního dusíku ve srovnání s půdami ornými (obr. 2).

Obr. 3 Stabilita půdních agregátů ve třetím (2015) a čtvrtém (2016) roce pokusu. Značení variant N0, N25, N50, N100 odpovídá dávce hnojení v procentech doporučené dávky ~ 35, 69, 138 kg N.ha⁻¹rok⁻¹) pomocí symbolů „+K“, „+C“ jsou vyjádřeny přídavky kompostu (+K) nebo lignohumátu (+C); zdroj: Brtnický et al. (2017).
Obr. 3 Stabilita půdních agregátů ve třetím (2015) a čtvrtém (2016) roce pokusu. Značení variant N0, N25, N50, N100 odpovídá dávce hnojení v procentech doporučené dávky ~ 35, 69, 138 kg N.ha−1rok−1) pomocí symbolů „+K“, „+C“ jsou vyjádřeny přídavky kompostu (+K) nebo lignohumátu (+C); zdroj: Brtnický et al. (2017).

Následující výzkum, realizovaný v letech 2012 až 2016, byl zaměřen na možnosti snížení úniků dusíku ze zemědělství. Byl realizován ve spolupráci s Centrem výzkumu globální změny AV ČR, v.v.i. za podpory Ministerstva zemědělství ČR a Brněnských vodáren a kanalizací, a.s. V průběhu řešení projektu se v České republice začínalo projevovat narušení retenční a infiltrační schopnosti orných půd, které je dáváno do souvislosti s narušením stability půdních hrudek, půdních agregátů. Shodou okolností byl popisovaný projekt zaměřen také na stabilitu půdních agregátů. A jedním z nejdůležitějších zjištění byl pokles stability půdních agregátů ve čtvrtém roce experimentu o více než 10 % ve variantě nejvíce hnojené dusíkem (Brtnický et al., 2017); přičemž ještě ve třetím roce experimentu nebyly rozdíly ve stabilitě agregátů příliš významné (viz obr. 3). Pro úplnost je nutno dodat, že experimentální plodinou byla ozimá pšenice pěstovaná v odstupňovaných dávkách minerálního dusíkatého hnojiva (0, 35, 69, 138 kg N.ha−1rok−1).

Rozpad půdních agregátů, na kterém se podílí snížení produkce kořenových výměšků a následné snížení aktivit mikroorganismů v režimu intenzivního dusíkatého hnojení (viz obr. 1), může relativně dlouhou dobu unikat pozornosti. Zvláště tam, kde je dbáno na dodávání organické hmoty a kde se střídají plodiny v předepsaném osevním sledu. Kde tomu tak není, je proces degradace stability půdních agregátů rychlejší. V takové půdě jsou ze strany pěstovaných plodin omezovány dodávky uhlíkatých látek nutných pro život půdních organismů, zastavuje se produkce mikrobiálních tmelů, je redukována tvorba houbových vláken a půdní agregáty se rozpadají na minerální složky: na jíl, prach a písek.

Rozpadem půdních agregátů se pěstovaným plodinám paradoxně zpřístupňují zdroje fosforu, dříve účinně chráněné uvnitř půdních agregátů. Po prudkých deštích dochází ale k nežádoucímu transportu nejjemnějších půdních materiálů uvolněných z půdních agregátů do větší hloubky. Obvykle je tento transport zastaven na rozhraní orniční a podorniční vrstvy, vytváří se základ jemnozrnné impregnační vrstvy, která může být zpevněna sekundární karbonatizací, tvorbou uhličitanů. Sekundární karbonatizace souvisí s antropogenním okyselováním, s antropogenní acidifikací. Ta je z více než jedné poloviny spojována s nadměrným používáním acidifikujících průmyslových hnojiv s dusíkem a sírou (ale i statkových hnojiv s nízkým poměrem C:N, např. kejdy). V zemědělských půdách je acidifikace půd zmírňována každoročním odběrem dusíku a síry v biomase plodin, a naopak zvětšována odběrem bazických kationtů (Ca2+, Mg2+, K+) ve sklízené biomase plodin.

Obr. 4 Zhutnělé podorničí odkryté po plošném smyvu ornice přívalovou srážkou (foto 29. 5. 2016). Proces sekundární karbonatizace zpevňuje nově vytvářenou vrstvu a blokuje vydatnější infiltraci srážkových vod. Zřetelně je vidět, že se jedná hlavně o plošné zhutnění podorničních horizontů, a nikoliv o zavinění způsobené těžkou mechanizací. Kulturní plodiny mohou „operovat“ pouze v mělkých povrchových vrstvách a celková situace se zhoršuje ještě výrazněji.
Obr. 4 Zhutnělé podorničí odkryté po plošném smyvu ornice přívalovou srážkou (foto 29. 5. 2016). Proces sekundární karbonatizace zpevňuje nově vytvářenou vrstvu a blokuje vydatnější infiltraci srážkových vod. Zřetelně je vidět, že se jedná hlavně o plošné zhutnění podorničních horizontů, a nikoliv o zavinění způsobené těžkou mechanizací. Kulturní plodiny mohou „operovat“ pouze v mělkých povrchových vrstvách a celková situace se zhoršuje ještě výrazněji.

Déletrvající sucha a následující prudké srážky jsou dnes spojovány s „epizodickou acidifikací“, která je potenciální hrozbou regenerace ekosystémů (Laudon et Westling, 2005).

Epizodická acidifikace souvisí s procesem nitrifikace půdního dusíku nevyužitého ani rostlinami ani mikroorganismy. Vyprodukované dusičnany se v půdě hromadí, není o ně v suché půdě zájem. Případnou následnou prudkou srážkou jsou pak vyplavovány společně s bazickými kationty (Ca2+, Mg2+, K+) do hlubších půdních horizontů, případně jsou zastaveny zhutnělou půdní vrstvou. Po odběru dusičnanů kořeny plodin nebo po mikrobiální denitrifikaci reagují bazické kationty s kyselinou uhličitou a vytváří se sekundární karbonáty, které mohou dále zhutňovat povrch podorničních horizontů, což souvisí se zhoršením infiltrace a rizikem eroze (obr. 4). V diagnostických laboratořích je konstatován pokles zásoby bazických kationtů v ornici, tyto jsou poté dodány a nežádoucí procesy akcelerují. Jev sekundární karbonatizace je dobře známý ze semiaridních oblastí. U našich orných půd se zatím čeká na objektivní posouzení souvislostí mezi prodlužujícími se periodami sucha a narušením retenční a infiltrační schopnosti orných půd způsobených destabilizací půdních agregátů, epizodickou acidifikací a sekundární karbonatizací.

Neblahý stav orných půd u nás se dává do souvislosti s dramatickým úbytkem organické hmoty v půdách. Obsah organické hmoty v půdě je ale možno udržovat a regenerovat jedině prostřednictvím interakcí mezi kořeny rostlin, půdními mikroorganismy a půdou (obr. 1). Zapravování různých druhů organických aditiv (organických hnojiv, kompostů atd.) upravuje obsah organické hmoty v půdě pouze kosmeticky a krátkodobě (Liang et al., 2008). Situace se mění s přídavkem biouhlu. Biouhel je produktem termochemické transformace rostlinné biomasy za nepřístupu vzduchu. Byl používán pro zlepšení úrodnosti půd již předkolumbovskými civilizacemi v Amazonii, kterým je připisován vznik černé indiánské půdy, tzv. „Terra Preta“. Dnes je biouhel celosvětově v tisících studií uváděn jako půdní aditivum, které zlepšuje retenční a akumulační schopnosti půdy pro vodu, zvyšuje kumulativní plochu pro interakce všech živých složek půdy, zvyšuje pH půdy, kationtovou výměnnou kapacitu, atd. (Liang et al., 2008). Kvůli obtížné rozložitelnosti některých kosterních uhlíkatých sloučenin v biouhlu mohou sloužit vnitřní prostory zuhelnatělých rostlinných buněk k ochraně specializovaných skupin mikroorganismů před aktivitou robustnějších bakteriálních predátorů. Dochází ke zvyšování mikrobiální diverzity a k dlouhodobým pozitivním změnám podmínek v celém půdním subsystému.

Obr. 5 Snížení úniků minerálního dusíku po aplikaci kompostovaného biouhlu v hloubce 50 cm (t = doba měření /od 18. 11. 2016 do 8. 3. 2017/; N0 = varianta bez hnojení minerálním dusíkem, N100 = varianta s hnojením minerálním dusíkem ve třech aplikacích v celkové dávce 137 kg N. ha⁻¹.rok⁻¹; N0 kb = varianta bez hnojení minerálním dusíkem s přídavkem kompostovaného biouhlu; N100 kb = jako N100 s přídavkem kompostovaného biouhlu).
Obr. 5 Snížení úniků minerálního dusíku po aplikaci kompostovaného biouhlu v hloubce 50 cm (t = doba měření /od 18. 11. 2016 do 8. 3. 2017/; N0 = varianta bez hnojení minerálním dusíkem, N100 = varianta s hnojením minerálním dusíkem ve třech aplikacích v celkové dávce 137 kg N. ha−1.rok−1; N0 kb = varianta bez hnojení minerálním dusíkem s přídavkem kompostovaného biouhlu; N100 kb = jako N100 s přídavkem kompostovaného biouhlu).

Moderní světové zemědělství je zemědělství založené na poznatcích o rhizosférních mikroorganismech, o jejích rolích mikrobních výměníků a mikrobních mediátorů biologických procesů v půdě, procesů, které podporují růst rostlin. Tyto mikroorganismy jsou zodpovědné za kontrolu patogenity půdního prostředí, za indukovanou systemickou rezistenci, iniciují formování laterárních a adventních kořenů, ovlivňují vnitřní hormonální rovnováhu rostlin a jejich reakci na stresy, indukují produkci kořenových depozit, aktivují systémy symbiotické a nesymbiotické fixace dusíku, zpřístupňují půdní fosfor a půdní draslík, zpřístupňují stopové prvky rostlinám výměnami ligandů a chelatizací apod. Využití biouhlu ke zlepšení půdní úrodnosti a ke zvýšení produkce plodin na bázi zlepšení vzájemných interakcí mezi klíčovými půdními organismy a kořeny rostlin je jednou z nadějných možností, které se pro moderní světové zemědělství otevírají. Tímto směrem je nasměrován nový výzkum, zahájený v roce 2018. Je podporován Centrem výzkumu globální změny AV ČR, v.v.i. a Brněnskými vodárnami a kanalizacemi, a.s. Již předběžné experimenty vyhodnocené z období vegetačního klidu 2016 / 2017 se zdají být nadějné (obr. 5). Ze zachycených úniků minerálního N na iontoměničích se po jednom roce projevuje vliv přídavku kompostovaného biouhlu jako nejpříznivější. Při aplikaci tohoto materiálu dochází k zadržení minerálního dusíku i při zvýšené dávce minerálního hnojení (obr. 5).

3. Závěr

Dosud fungující legislativní opatření na ochranu zdrojů vod selhávají. Dílem proto, že degradovaná půda se silně redukovanými aktivitami živých organismů není schopna chránit podzemní vody před průsakem dusičnanů a pesticidů a dílem proto, že zemědělská krajina je vystavena větším výkyvům klimatu (výkyvům, které jsou ale podle odhadů téměř z 50 % generované samotným konvenčním zemědělstvím). Funkčnost současného modelu zemědělství je možná jedině tehdy, pokud se příjmy a náklady vedou na oddělených účtech. Příjmový účet je „privatizován“ jednou společenskou skupinou a výdajový účet, který zahrnuje nutné náklady na nápravu škod, je „spravedlivě socializován“ ze státních pokladen, přičemž náklady na nápravu dopadů na prostředí již v současnosti převyšují přínosy z vyšší produkce potravin stimulované aplikací syntetického dusíku (Sutton, 2011).

Státní správa, která určuje pravidla zemědělského hospodaření ve zranitelných oblastech, má ve srovnání s minulostí výhodu, má dostatek argumentů pro iniciování zásadní změny. Nejdůležitějším argumentem je neoprávněný zisk vytvářený používáním průmyslových dusíkatých hnojiv a pesticidů na úkor znehodnocování podzemních zdrojů pitných vod. Tento argument je tím významnější, čím více se používají agrochemikálie ve zranitelných oblastech pro pěstování plodin pro jiné než potravinářské účely. Pro státní správu by mělo být snadné připomenout zemědělcům hospodařícím ve zranitelných oblastech, že existuje relevantní alternativa pro jejich hospodaření a tou je ekologické hospodaření. Rentabilita ekologického zemědělství je z racionálních důvodů cíleně podporována MZe. V pásmech ochrany vodních zdrojů by měla být podpora státu vyšší s ohledem na nutnost nedobrovolného přechodu k ekologickému hospodaření (finanční podpora by měla být časově limitovaná, pomoc poradců pro oblast ekologického hospodaření by na sebe měla převzít Agrární komora nebo jiný státní subjekt). V této oblasti jde o klíčovou odpovědnost státní správy za změnu trendu zvyšování dusičnanového a pesticidového znečištění vod v pásmech ochrany vodních zdrojů. Již nyní platí občané v agregované platbě za vodné a stočné pravidelné analýzy vzorků vod na přítomnost reziduí pesticidů a jejich metabolitů. Proč? A celkový počet analyzovaných látek stoupá. V současnosti se blíží k jednomu stu a cena za rozbor jednoho vzorku vody přesahuje 2 300 Kč (!). Jde o celospolečensky velmi citlivé téma a v budoucnosti nebude obhajitelné takové zemědělské hospodaření ve zranitelných oblastech, které je s podporou MZE postavené na pravidelné aplikaci průmyslových hnojiv a pesticidů.

Poděkování

Výzkum byl prováděn za výrazné podpory Brněnských vodáren a kanalizací, a.s. a obětavé práce výzkumných pracovníků Mendelovy univerzity v Brně. Poděkování patří také vlastníkům pozemků, na nichž jsou zřízena experimentální políčka.

Literatura

  • BRTNICKÝ, M., ELBL, J., DVOŘÁČKOVÁ, H., KYNICKÝ, J., HLADKÝ, J. 2017. Changes in Soil Aggregate Stability Induced by Mineral Nitrogen Fertilizer Application. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 65(5): 1477–1482.
  • KUMAR, A.,KUZYAKOV, Y., PAUSCH, J. 2016. Maize rhizosphere priming: field estimates using 13C natural abundance. Plant Soil 409: 87–97.
  • LAUDON, H., WESTLING, O. 2005: Drought induced episodes: Can they counteract the acidification recovery in southern Sweden? In: Acid rain 2005, 7thInternational Conference on Acid deposition, Prague, Czech Republic, June 12–17, 2005 (Conf. abstracts), 384.
  • LIANG, B., LEHMAN, J., SOLOMON, D., SOHIi, S., THIES, J., SKJEMSTAD, J. O., LUIZÃO, F. J., ENGELHARD, M. H., NEVES, E. G. a S. WIRICK. 2008. Stability of biomass-derived black carbon in soils. Geochimica et Cosmochimica Acta 72(24): 6069–6078.
  • SUTTON, M. A.,OENEMA, O., ERISMAN, J. W., LEIP, A., VAN GRINSVEN, H., WINIWARTER, W. 2011. Too much of a good thing. Nature 472, 159–161.
  • ZÁHORA, J., 2001. Dostupnost dusíku v půdě vřesovišť Národního parku Podyjí. Thayensia, 4: 169–181.
  • ZÁHORA, J., NOHEL, P. KINTL, A., 2011. Vyplavování minerálního dusíku z orných, lučních a lesních půd v OPVZ II. st. Březová nad Svitavou. Sborník přednášek Voda Zlín 2011, Zlín: Moravská vodárenská, a. s., 1: 49–54.
  • ZÁHORA, J., NOHEL, P., VAVŘÍKOVÁ, J. 2018. Vodní zdroj Březová nad Svitavou – dusičnany v podzemních vodách. Sborník přednášek Voda Zlín 2018, Zlín: Moravská vodárenská, a. s., 1: 111–116.
English Synopsis
Reduction of mineral nitrogen issues using biocoal

The aim of the paper is to draw attention to the broader context of increased nitrate concentrations in the Březová nad Svitavou water source, which is the largest source of underground drinking water in the Czech Republic. It supplies the Brno agglomeration and other surrounding municipalities with quality drinking water with a total volume of 27 million cubic meter per year. Based on the results of the experiments carried out so far, it is possible to describe some undesirable effects of soil degradation caused by the long-term use and overuse of industrial nitrogen fertilizers. There are adverse changes in physical, chemical and biological characteristics. The subsoil is compacted, it is difficult for crops to penetrate into greater depths, the root system is deformed, and as a result the plants are more sensitive to drought. The easiest solution in this most vulnerable area would be to change conventional farming into organic one. If there would be not enough goodwill and necessary resources for this change, the authors of the study recommend a significant, if not complete, reduction of mineral fertilization and the maximum possible reduction of applications of plant protection products. Missing nutrients could be delivered through compost, possibly through composted biochar, by changing of crop rotation, by multi-species intercrops or covercrops, etc. In the proposed modifications could be expected deeper rooting into the soil, progressive regeneration of soil life and thus also the water regime in the landscape.