| Joel Williams
W ostatnich latach zainteresowanie potencjałem gleb i wiązaniem węgla [C] z atmosfery znacznie wzrosło. Obecnie podejmuje się coraz więcej badań z dziedziny dynamiki i rodzajów materii organicznej gleby. Oprócz oczywistych pozytywnych dla klimatu aspektów wiązania węgla, nagromadzenie materii organicznej w glebie niesie z sobą wiele korzyści dla ekosystemu i rolnictwa, ponieważ może poprawić produkcję i rentowność – jest to jednoznaczna sytuacja dla wszystkich, w której każdy jest wygrany /wygrywa.
Istnieje wiele nowych pomysłów i modeli, które być może postawią pod znakiem zapytania niektóre wcześniejsze sposoby myślenia o materii organicznej gleby. Przykładem jest rozkład i stabilizacja kompleksowych pozostałości w porównaniu do prostych pozostałości roślinnych wpracowywanych w glebę, tj. stałych składników roślinnych, takich jak lignina i celuloza w zestawieniu z produktami przemiany materii roślin, takimi jak wydzieliny korzeni, cukier i aminokwasy. Mówimy więc o złożonych, słabo rozkładalnych substancjach w porównaniu z nietrwałymi, łatwo rozkładalnymi składnikami.
Dotychczasowe podejście do budowy materii organicznej gleby skupiało się przede wszystkim bardziej na strukturalnych częściach roślin – sądzono, że złożone związki węgla rozkładają się powoli i ulegają jedynie powolnemu rozkładowi1–3. Im wolniejszy rozkład, tym dłużej węgiel pozostaje w glebie, a tym samym przynosi trwałe korzyści dla jej funkcjonalności. W związku z tym, przekładając ten rodzaj myślenia na praktykę, większy nacisk kładziono na takie praktyki jak zachowanie ścierni oraz konserwacja resztek zboża i traw w porównaniu z pozostałościami roślin strączkowych. Wiąże się to oczywiście ze stosunkiem C:N w pozostałościach, przy czym rośliny jednoliścienne mają wysoki stosunek C:N, a pozostałości roślin strączkowych mniejszy stosunek C: N. Ta różnica w stosunku C:N oznacza, że pozostałości roślin strączkowych rozkładają się znacznie szybciej. Dlatego uważano, że płynące z tego korzyści są również krótkotrwałe. Zaniedbano również wysięk korzeniowy, ponieważ był on zbyt słaby i według popularnej wówczas opinii szybko uwalniał się w postaci dwutlenku węgla [CO2]1. Jak, jednak zobaczymy, materia organiczna gleby pochodząca z wysokiej jakości substratów (pozostałości roślin strączkowych i wydzieliny korzeni) ma zupełnie inną jakość i ostatecznie jest trwalsza niż materia organiczna gleby, która pochodzi ze złożonych, słabo rozkładalnych pozostałości. Oczywiście nie chcę przez to powiedzieć, że należy zaniechać metod ochrony ścierniska i wysokich pozostałości – to ważna strategia, szczególnie w regionach o suchym klimacie, gdzie głównym czynnikiem ograniczającym jest wilgoć.
Problem z pozostałościami roślinnymi zawierającymi ligninę i szeroki stosunek C:N leży w tym, że ze względu na swoją złożoność mikroorganizmy z tych pozostałości nie mogą łatwo przyswoić węgla. W związku z tym do rozłożenia tych pozostałości potrzeba dużo energii drobnoustrojów. Dlatego też przed asymilacją przez drobnoustroje konieczny jest proces wstępnego rozkładu. Mikroorganizmy mogą rozkładać te trudne do rozpadu związki węgla jedynie poprzez produkcję i wydalanie różnych enzymów, które następnie atakują chemicznie i rozkładają te kompleksowe pozostałości. W wyniku enzymatycznego rozkładu mikroorganizmy mogą wchłonąć mniejsze, słabsze produkty rozkładu. Ostatecznie oznacza to, że mikroorganizmy muszą zużywać lub marnować energię metaboliczną, aby wytwarzać te złożone, zewnątrzkomórkowe enzymy. Ta zmarnowana energia skutkuje niższym tempem wzrostu lub mniejszą produkcją biomasy robnoustrojów. Innymi słowy ilość biomasy mikrobiologicznej otrzymanej z tych złożonych pozostałości, przeliczając na jednostkę węgla, jest niższa, a zatem ma również niższy współczynnik wykorzystania węgla4.
Pytanie na dzisiaj: co by było, gdybyśmy od samego początku karmili mikroorganizmy słabszymi materiałami o mniejszym stosunku C:N? Wówczas mikroorganizmy nie wykorzystywałyby energii metabolicznej do produkcji zewnętrznych enzymów i mogłyby znacznie wydajniej budować więcej drobnoustrojowej biomasy. Pomysł na aktywność mikrobiologiczną w celu uzyskania większej ilości materii organicznej rozprzestrzenia się coraz bardziej: jeśli mikroorganizmy żywią się związkami węgla o wyższym stopniu wykorzystania węgla, np. słabymi wydzielinami korzeni i pozostałościami o mniejszym stosunku C:N, wtedy znacznie efektywniej mogą wytwarzać mikrobiologiczną biomasę4,5. Znalezienie najbardziej efektywnego sposobu budowy tej biomasy jest ważne, ponieważ ostatnie badania pokazują, że martwa mikrobiologiczna biomasa (nekromasa)·stanowi ponad 50% węgla organicznego w glebie6–8. Mikrobiologiczny wkład jest większy, niż wcześniej sądziliśmy. Założono, że większość węgla w glebie składa się z materiału roślinnego znajdującego się na różnych etapach rozkładu. Te wsady węgla – nieprzerwany łańcuch rozkładających się resztek roślinnych, które ze względu na swoją złożoność strukturalną nie zostały jeszcze wchłonięte przez żywą biomasę mikroorganizmów – nazywane są cząsteczkową materią organiczną9. Chodzi o to, że nie zostały jeszcze zintegrowane z mikroorganizmem lub przez niego. Zatem materia organiczna gleby jest rzeczywiście mieszaniną węgla, który pochodzi z rośliny oraz mikroorganizmów10. Dlatego niezwykle ważne jest zapewnienie mikroorganizmom w glebie pożywienia – i to tak wydajnie, jak to tylko możliwe11. Patrząc przyszłościowo, zarządzanie polem przez następne pokolenia oznacza tworzenie mikrobiologicznej biomasy i wspieranie zachowania nekromasy w celu utrzymania zdrowych gleb, zdrowych ekosystemów i zdrowego klimatu7”.
Chociaż skupiamy się na wiązaniu węgla w glebie i tak intensywnie dyskutujemy na ten temat, chciałbym wyraźnie podkreślić jeden krytyczny aspekt tego zagadnienia. Nie ma wiązania bez stabilizacji. Wiązanie węgla w glebie (czy to z rośliny, czy z mikroorganizmów) wygląda pięknie i ładnie, ale również tam musi pozostać węgiel! Jeśli nie, jesteśmy tylko częścią globalnego cyklu węglowego – wdech, wydech. Jak zatem stabilizować związany węgiel? Istnieją ważne procesy chemiczne i fizyczne, które w równym stopniu stabilizują węgiel w różnych organicznych pulach/ bankach substancji gleby12. Stabilizacja chemiczna zachodzi wtedy, gdy mieszaniny węgla mocno wiążą się z powierzchniowo z minerałami, tworząc glebową materię organiczną9, która jest związana z minerałami. Obecnie staje się coraz bardziej jasne, że mikrobioloczna nekromasa i wysokiej jakości pozostałości roślinne [niski stosunek C: N] mogą razem lepiej tworzyć stałą część materii organicznej gleby9,13. Cykl organicznej materii glebowej związanej z minerałami jest bardzo powolny, dlatego ta substancja glebowa pozostaje w glebie przez długi czas. Jej długość życia szacuje się od 10 do 1000 lat14.
Z drugiej strony lepiej znamy procesy fizyczne, które mogą stabilizować uwolniony węgiel, które zachodzą poprzez fizyczną akumulację w mikro- i makroagregaty w glebie. Chociaż w początkowej fazie chemiczne i fizyczne warunki glebowe wywierają wpływ, to jednak synteza agregatów jest napędzana głównie przez procesy biologiczne – złożone wzajemne oddziaływanie korzeni, wydzielin korzeniowych, mikroorganizmów, mikroorganicznych produktów przemiany materii i makrofauny15. Procesy te oddziałują razem, dzięki czemu łączą cząsteczki gleby w agregaty o różnych kształtach i rozmiarach oraz aby standardowo generować pojemność porów i wzajemnie połączone pory, które optymalizują wymianę gazu i wody16. We wszystkich tych wzajemnych powiązaniach biologicznych grzyby mikoryzowe wydają się odgrywać szczególnie ważną rolę ze względu na rozległe rozgałęzianie strzępek i syntezę glomaliny – szczególnie lepkiego i trwałego kleju mikrobiologicznego17. Każda materia organiczna w glebie może zostać fizycznie ustabilizowana w agregatach glebowych18. Ten mechanizm jest szczególnie ważny dla cząstkowej stabilizacji substancji organicznej, która nie ma tak silnego wiązania chemicznego z powierzchniami mineralnymi. Cząstkowa substancja organiczna z większym prawdopodobieństwem ustabilizuje się poprzez fizyczną akumulację w agregatach, w których zamknięty jest tlen, co chroni węgiel. Jednak agregaty nie są wieczne. Mają ograniczoną żywotność i nieustannie się zmieniają – są wciąż przekształcane i dzielone. Ta ciągła zmiana sprawia, że cząsteczkowa substancja organiczna jest mniej trwała niż węgiel stabilizowany mineralnie. Dlatego też cykl rozdrobnionej materii organicznej przebiega szybko, a jego żywotność wynosi od 1 do 50 lat14.
Jak opisano powyżej, jakość pozostałości lub węgla, który przenika do gleby, wpływa na jakość i długowieczność materii organicznej w glebie. Pozostałości o niskiej jakości lub o szerokim stosunku C:N nie przechodzą tak łatwo przez mikroorganizmy i dlatego tworzą głównie cząsteczkową materię organiczną. Cząsteczkowa materia organiczna jest głównie stabilizowana w agregatach i w związku z tym podatna na straty w wyniku utleniania podczas zmian agregatu12. Z drugiej strony wydzieliny korzeniowe i pozostałości o dużej jakości lub mniejszym stosunku C:N są szybko rozkładane przez mikroorganizmy w glebie. Kiedy związki węgla zostaną wchłonięte i staną się mikroorganizmami [a tym samym częścią procesu mikrobiologicznego], tworzą trwalsze udziały węgla w glebie, gdy mikrobiologiczna nekromasa przylega do powierzchni mineralnych19. Istnieje zatem związek z różnym potencjałem wiązania np. gliny w porównaniu z glebami piaszczystymi. Ze względu na to, że gleby o średniej i drobnej strukturze mają większą powierzchnię mineralną, są bardziej skłonne do tworzenia organicznej substancji glebowej związanej z minerałami. Gleby piaszczyste i lżejsze o mniejszej powierzchni mineralnej nie są w stanie wytworzyć tak dużej ilości materii organicznej związanej z minerałami, a zatem gromadzą prawdopodobnie więcej cząsteczkowych substancji organicznych14.
Nie powinno to pomniejszać potencjału cząsteczkowej substancji organicznej, gdyż może ona tworzyć mniej trwałą część o niższej jakości organicznej substancji gleby. Jednak na glebach lżejszych ten udział jest dużo większy, co pokazuje, jak ważne jest zminimalizowanie naruszania gleby i utrzymanie stabilności agregatu w glebach piaszczystych.
Być może można by wyciągnąć z tego następujący wniosek: ściernisko jest optymalne na glebach lżejszych i w regionach o klimacie suchym, podczas gdy przykrycie zielone jest korzystne na glebach o klimacie umiarkowanym i glebach o średniej strukturze.
Pozostawianie resztek pożniwnych to dobry sposób na wspieranie zdrowia gleby i nadal ma swoje uzasadnienie. Nie należy też lekceważyć korzyści dla ochrony gleby i zatrzymywania wilgoci. Istnieje jednak coraz więcej dowodów na to, że pozostałości roślin strączkowych i żywe korzenie wraz z ich wydzielinami wytwarzają wydajniejszą mikrobiologiczną biomasę i nekromasę. Dlatego też, o ile to możliwe, najwyższym priorytetem dla wszystkich rolników powinno być wdrożenie zasady zdrowia gleby, czyli „trwale żyjących korzeni”. Ta zasada zdrowia gleby pomoże przede wszystkim zoptymalizować aktywność mikroorganiczną w celu uzyskania większej ilości substancji organicznej w glebie. Jednak wiązanie nie jest możliwe bez stabilizacji. Dlatego istotna jest chemiczna i fizyczna stabilizacja nekromasy i substratów pochodzących z roślin. Jeśli jeszcze do tego gleba będzie minimalnie naruszana, to wtedy będzie można wzmocnić pozytywny wpływ żywych korzeni, wysięków i późniejsze wzajemne oddziaływanie mikrobiologiczne. Będzie też można dodatkowo zwiększyć stabilizację węgla.
Wykaz materiałów źródłowych
