Článek

HORSCH Maschinen GmbH | Článek

Mikrobiální aktivita pro více organické hmoty v půdě

Hybridní zemědělství

 

V minulých letech enormně vzrostl zájem o schopnost půdy vázat uhlík (C) z atmosféry a mnoho studií se věnovalo dynamice a typu půdní organické hmoty. Kromě zjevných, pozitivních aspektů vázání uhlíku pro klima má tvorba půdní organické hmoty celou řadu předností pro ekosystém a pro půdní hospodářství a dokáže zlepšit produkci a rentabilitu – zcela jednoznačně je to tzv. Win-Win situace. Existuje spousta nových nápadů a modelů, které možná zpochybňují některé dosavadní představy o půdní organické hmotě. Příkladem je rozklad a stabilizace komplexních rostlinných zbytků v porovnání s jednoduchými zbytky při jejich zapravení do půdy – tzn. pevné rostlinné zbytky např. lignin a celulóza oproti produktům látkové výměny rostlin např. kořenovým exsudátům, cukru a aminokyselinám. Mluvíme tedy o komplexních, nesnadno odbouratelných látkách v porovnání s labilními, snadno odbouratelnými částmi.

Pomalý rozklad: dosavadní model

V dosavadním uvažování o tvorbě půdní organické hmoty šlo především spíše o strukturální části rostlin. Předpokládalo se, že tyto komplexní uhlíkové sloučeny se rozkládají pouze pomalu a pouze pomalu se odbourávají1–3. Čím pomaleji odbourávání probíhá, tím déle zůstává uhlík v půdě a je tak trvalým přínosem pro funkčnost půdy. V důsledku toho se při prosazování tohoto přístupu v praxi kladl větší důraz na takové praktiky jako zachovávání strniště a konzervování spíše zbytků obilí a trávy než bobovitých. To samozřejmě souvisí s poměrem C:N u těchto zbytků, přičemž jednoděložní zbytky vykazují vysoký poměr C:N a naopak zbytky bobovitých nízký poměr C:N. Tento rozdíl v poměru C:N znamená, že se zbytky bobovitých rozkládají mnohem rychleji. Proto se předpokládalo, že užitek z těchto zbytků je jen krátkodobý. Stejně tak byly opomíjely kořenové exsudáty, protože jsou příliš slabé a podle obecného mínění se rychle uvolňují jako oxid uhličitý [CO2]1. Jak však uvidíme, půdní organická hmota z kvalitních substrátů (zbytky bobovitých a kořenové exsudáty) mají zcela jiné kvality a v konečném důsledku jsou i trvanlivější než půdní organická hmota vzniklá z komplexních, nesnadno odbouratelných zbytků. Nechci tím samozřejmě říct, že se musíme vzdát postupů se zachováním strniště a vysokým podílem zbytků – zejména v regionech se suchým klimatem, kde je největším omezujícím faktorem vlhkost, je to důležitá strategie.

Problém u rostlinných zbytků s obsahem ligninu a vysokým poměrem C:N však spočívá v tom, že mikroorganismy nedokáží kvůli jejich komplexnosti uhlík v těchto zbytcích tak jednoduše asimilovat. Proto je pro odbourání těchto zbytků zapotřebí hodně mikrobiální energie. Před mikrobiální asimilací je tak zapotřebí proces předběžného rozkladu. Mikroorganismy dokážou tyto nesnadno rozložitelné uhlíkové sloučeniny odbourat jen díky produkci a vylučování různých enzymů, které poté tyto komplexní zbytky chemicky napadají a rozkládají. Pomocí tohoto enzymatického rozkladu jsou pak mikroorganismy schopné absorbovat menší, slabší produkty rozkladu. To v konečném důsledku znamená, že mikroorganismy musí vynaložit metabolickou energii, aby tyto náročné extrabuněčné enzymy dokázaly vyprodukovat. A tato vynaložená energie vede k menší míře růstu nebo nižší produkci mikrobiální biomasy. Jinými slovy: Množství mikrobiální biomasy, která se na jednu uhlíkovou jednotku z těchto komplexních zbytků získá, je menší a proto je stupeň využití uhlíku nižší4.

Efektivní asimilace: nový model

Otázka zní: Co by se stalo, kdybychom mikroorganismům od začátku jednoduše dodávali slabší materiály s menším poměrem C:N? Pak by mikroorganismy nepoužívaly pro produkci externích enzymů metabolickou energii a mohly by mnohem efektivněji vytvářet více mikrobiální biomasy. Toto pojetí mikrobiální aktivity pro více půdní organické hmoty je stále rozšířenější: Pokud se mikroorganismy vyživují z uhlíkových sloučenin s vyšším stupněm využití uhlíku, např. ze slabých kořenových exsudátů a zbytků s nízkým poměrem C:N, mohou mikrobiální biomasu vytvářet mnohem efektivněji4,5. Je důležité najít ten nejefektivnější způsob tvorby biomasy, protože aktuální studie ukazují, že mrtvá mikrobiální biomasa [nekromasa] představuje více než 50 % organického uhlíku v půdě6–8. Tento mikrobiální přínos je větší, než jsme doposud mysleli. Vycházíme z toho, že většina uhlíku v půdě pochází z rostlinného materiálu v různých stádiích rozkladu. Tyto uhlíkové vstupy, tedy nepřerušovaný řetězec rozkládajících se rostlinných zbytků, které kvůli jejich strukturální komplexnosti živá mikrobiální biomasa ještě nevstřebala, se nazývají částečná organická hmota9. Rozhodujícím bodem je, aby ještě nebyly integrovány do mikroorganismu nebo mikroorganismem. Půdní organická hmota je tak ve skutečnosti směs uhlíkových vstupů, které pochází z rostlin a mikroorganismů10. Je tedy nanejvýš důležité poskytnout mikroorganismům v půdě výživu; a to tak účinně jak je to jen možné11. S ohledem na budoucnost platí: Polní management pro další generaci znamená podporovat tvorbu mikrobiální biomasy a udržení nekromasy tak, abychom získali zdravou půdu, zdravé ekosystémy a zdravé klima7.

Více než jen vázání uhlíku: Stabilizace

Tak moc se zaměřujeme na vázání uhlíku v půdě a tak moc o tomto tématu diskutujeme, že bych chtěl vyzdvihnout i jeden kritický aspekt. Neexistuje vázání bez stabilizace. Je pěkné a správné vázat uhlík v půdě (lhostejno zda z rostlin nebo mikroorganismů), ale uhlík v ní musí také zůstat! Pokud ne, jsme jen součástí celosvětového uhlíkového koloběhu – nadechnout, vydechnout. Ale jak se dá vázaný uhlík stabilizovat? Existují významné chemické a fyzikální procesy, které stabilizují uhlík v různých zásobnících půdní organické hmoty12. K chemické stabilizaci dojde, jakmile se uhlíkové směsi úzce napojí na minerální povrchy a tím vznikne půdní organická hmota navázaná na minerály9. Stále zřetelněji se ukazuje, že mikrobiální nekromasa a kvalitní rostlinné zbytky [nízký poměr C:N] jsou společně lépe schopné vytvořit tento trvalý podíl půdní organické hmoty9,13. Oběh půdní organické hmoty navázané na minerály probíhá velmi pomalu, proto tato půdní hmota zůstává v půdě dlouho. Životnost se odhaduje na 10 až 1000 let14.

Na druhé straně, fyzikální procesy, které mohou stabilizovat uhlíkové vstupy, známe lépe. Probíhají formou fyzikálního hromadění v mikro a makro agregátech v půdě. Ačkoliv zpočátku mají určitý vliv chemické a fyzikální půdní podmínky, je syntéza agregátů podporována především biologickými procesy – komplexní souhrou kořenů, kořenových exsudátů, mikroorganismů, mikrobiálních metabolických produktů a makrofauny15. Tyto procesy působí společně, přičemž spojují půdní částice do agregátů různých tvarů a velikostí a standardně generují i objem pórů a navzájem spojené póry, které optimalizují výměnu plynů a vody16. Zdá se, že u všech těchto biologických vzájemných vztahů hrají obzvláště významnou roli mykorhizní houby, a to díky rozsáhlému rozvětvení hyf a syntéze glomalinu – to je obzvláště pojivé a trvale mikrobiální pojivo17. V půdních agregátech se dá takováto půdní organická hmota stabilizovat fyzikálně18 – tento mechanismus je obzvláště důležitý pro stabilizaci částečné organické hmoty, která nemá tuto silnou chemickou vazbu s minerálními povrchy. Částečná organická hmota se tedy stabilizuje spíše pomocí tohoto fyzikálního shlukování do agregátů, do nichž se uzavírá kyslík a tím se chrání uhlík. Agregáty však neexistují věčně. Mají omezenou životnost a neustále se mění; stále znovu mění tvar a rozdělují se a kvůli této neustálé změně je částečná organická hmota méně trvanlivá než minerálně stabilizovaný uhlík. Oběh částečné organické hmoty proto probíhá rychleji a její životnost se pohybuje od cca 1 do 50 roků14.

Kvalitní a doprovodná hmota

Jak bylo popsáno výše, kvalita zbytků nebo uhlíku pronikajícího do půdy ovlivňuje kvalitu a životnost půdní organické hmoty. Zbytky nižší kvality nebo s vysokým poměrem C:N se do mikroorganismů nedostávají tak snadno, a proto vytváří převážně částečnou organickou hmotu. Částečná organická hmota se stabilizuje převážně v agregátech, je tak ale náchylná ke ztrátě vlivem oxidace během změny agregátu12. Naproti tomu kořenové exsudáty a zbytky vysoké kvality nebo s nízkým poměrem C:N mikroorganismy v půdě rychle rozloží. Jakmile jsou tyto uhlíkové sloučeniny vstřebány a stanou se mikroorganismy [a tím součástí mikrobiálního procesu], vytváří trvanlivější podíly uhlíku v půdě, pokud mikrobiální nekromasa přilne na minerální povrchy19. Existuje zde tedy souvislost s různým vazebním potenciálem jílu – na rozdíl od písčitých půd. Protože středně hrubé a jemně strukturované půdy mají více minerální povrch, mohou vytvářet spíše půdní organickou hmotu navázanou na minerály. Písčité a lehčí půdy s méně minerálním povrchem nedokáží produkovat tolik půdní organické hmoty vázané na minerály, a proto pravděpodobně více hromadí částečnou organickou hmotu14. To ale nemusí snižovat potenciál částečné organické hmoty – může vytvářet méně trvanlivý podíl půdní organické hmoty nižší kvality. Ale v lehčích půdách je větší podíl a to ukazuje, jak je důležité minimalizovat narušování půdy a zachovávat stabilitu agregátů v takovýchto písčitých půdách. Snad se dá vyvodit následující závěr: Strniště je optimální na lehčích půdách a v regionech se suchým klimatem, zatímco živý porost je výhodný v krajině s mírným klimatem a půdami střední struktury.

Souhrn

Ponechání strniště je vhodnou metodou pro podporu zdravé půdy, která je velmi důležitá. A nesmíme ani zapomenout na jeho výhody při ochraně půdy a udržení vlhkosti. Stále více se však ukazuje, že zbytky bobovitých a živé kořeny s jejich exsudáty vytváří více účinné mikrobiální biomasy a nekromasy. Proto by mělo být pokud možno nejvyšší prioritou všech zemědělců prosazovat princip zdravé půdy pomocí „trvale živých kořenů“. Tento princip půdního zdraví přispěje především k optimalizaci mikrobiální aktivity pro získání většího množství půdní organické hmoty. Vázání však není možné bez stabilizace. A proto je velmi důležitá chemická a fyzikální stabilizace nekromasy a substrátů pocházejících z rostlin. Pokud se pak půda navíc narušuje co nejméně, dá se pozitivní efekt živých kořenů, exsudátů a navazujícího mikrobiálního vzájemného působení a stabilizace uhlíku ještě zvýšit.

Odkazy na zdroje

  1. Leveraging a New Understanding of how Belowground Food Webs Stabilize Soil Organic Matter to Promote Ecological Intensification of Agriculture. In: Soil Carbon Storage. (2018). doi:10.1016/b978-0-12-812766-7.00004-4
  2. Soil organic matter turnover is governed by accessibility not recalcitrance. (2012). doi:10.1111/j.1365-2486.2012.02665.x
  3. How relevant is recalcitrance for the stabilization of organic matter in soils? (2008). doi:10.1002/jpln.200700049
  4. Managing Agroecosystems for Soil Microbial Carbon Use Efficiency: Ecological Unknowns, Potential Outcomes, and a Path Forward. (2019). doi:10.3389/FMICB.2019.01146
  5. Evidence for the primacy of living root inputs, not root or shoot litter, in forming soil organic carbon. (2019). doi:10.1111/nph.15361
  6. SOM genesis: Microbial biomass as a significant source. (2012). doi:10.1007/s10533-011-9658-z
  7. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter. (2019). doi:10.1111/gcb.14781
  8. Divergent accumulation of microbial necromass and plant lignin components in grassland soils. (2018). doi:10.1038/s41467-018-05891-1
  9. Conceptualizing soil organic matter into particulate and mineral-associated forms to address global change in the 21st century. (2019). doi:10.1111/gcb.14859
  10. Microbial and plant-derived compounds both contribute to persistent soil organic carbon in temperate soils. (2018). doi:10.1007/s10533-018-0475-5
  11. The importance of anabolism in microbial control over soil carbon storage. (2017). doi:10.1038/nmicrobiol.2017.105<
  12. Mechanisms of carbon sequestration in soil aggregates. (2004). doi:10.1080/07352680490886842
  13. Soil organic matter is stabilized by organo-mineral associations through two key processes: The role of the carbon to nitrogen ratio. (2020). doi:10.1016/j.geoderma.2019.113974
  14. Soil carbon storage informed by particulate and mineral-associated organic matter. (2019). doi:10.1038/s41561-019-0484-6
  15. Soil Aggregate Stability: A Review. (1999). doi:10.1300/J064v14n02_08
  16. Soil structure as an indicator of soil functions: A review.(2018). doi:10.1016/j.geoderma.2017.11.009
  17. Soil aggregation and carbon sequestration are tightly correlated with the abundance of arbuscular mycorrhizal fungi: Results from long-term field experiments. (2009). doi:10.1111/j.1461-0248.2009.01303.x
  18. Sub-micron level investigation reveals the inaccessibility of stabilized carbon in soil microaggregates. (2018). doi:10.1038/s41598-018-34981-9
  19. Nitrogen-rich microbial products provide new organo-mineral associations for the stabilization of soil organic matter. (2018). doi:10.1111/gcb.14009
Zpět