Glebowe magazyny węgla – jak je chronić przed erozją?

Jak pisaliśmy niedawno w artykule Rolnictwo wpływa na klimat, klimat wpływa na rolnictwo, jednym z istotnych źródeł emisji dwutlenku węgla jest użytkowanie gruntów i przekształcanie terenów leśnych w grunty uprawne. Wynika to nie tylko z uwalniania węgla z niszczonej roślinności drzewiastej ale także z utraty zmagazynowanego w węgla z gleb . Gleby są drugim, po oceanach, największym rezerwuarem tego pierwiastka. Wszystkie procesy, które zmieniają  strukturę gleby czy właściwości  np. zabiegi uprawowe, środki produkcji  będą więc miały znaczenie dla cyklu węglowego. Z tego powodu techniki uprawy stosowane w rolnictwie wpływają nie tylko na wysokość plonów, ale i zasobność glebowych „magazynów” węgla. Część z praktyk rolniczych lub uprawiane rośliny mogą wspomagać jego gromadzenie pozwalając na uzyskanie tzw. ujemnych emisji.

Żyzna gleba o odpowiedniej strukturze to podstawa dobrych plonów, jednak jej właściwości mają także wpływ na ilość emitowanych (głównie podtlenku azotu) lub pochłanianych przez nią gazów cieplarnianych (dwutlenku węgla). Zasadniczą rolę odgrywają tutaj mikroorganizmy, które przekształcają materię organiczną oraz substancje mineralne (azot). Na skład gatunkowy i aktywności mikrobiomu glebowego wpływają m.in. zabiegi agrotechnicze. Dzieje się to zarówno bezpośrednio (np. fungicydy oprócz grzybów chorobotwórczych zabijają także pożyteczne gatunki) jak i pośrednio (np. ujednolicanie struktury gleby przez nadmierne zagęszczanie w wyniku przejazdów maszynami rolniczymi powoduje zmniejszanie ilości nisz dostępnych dla mikroorganizmów).

Mikroorganizmy są także wrażliwe na różne czynniki środowiskowe. Przykładowo w wyższej temperaturze, przy odpowiednich warunkach wilgotnościowych, stają się bardziej aktywne, a to przekłada się bezpośrednio na bilans wymiany CO₂, CH₄ i N₂O (produkty i substraty ich metabolizmu) pomiędzy glebą a atmosferą. Biorąc pod uwagę, że gleby to największy lądowy magazyn organicznego węgla (w warstwie do 1 m głębokości zawierają ok. 1500 GtC, czyli ok. dwa razy więcej niż atmosfera) wartość tego bilansu, zależna od składu gatunkowego mikrobiomu i jego aktywności, ma duże znaczenie, a zwiększenie glebowego magazynu nawet o kilka procent mogłoby zdecydowanie wpłynąć na ograniczanie tempa  wzrostu  temperatury atmosfery .

Próchnica vs. erozja

Od początków naszej cywilizacji do tej pory w wyniku „oddychania gleb” (de facto glebowych mikroorganizmów) do atmosfery trafiło ok. 40-70 Gt węgla. W XXI w. tempo jego uwalniania wzrosło wraz z intensyfikacją rolnictwa. To, wraz z innymi procesami (np. wynikającymi z erozji, , doprowadziło do utraty przez gleby uprawne 20-60% zawartego w nich węgla organicznego (w stosunku do czasów przedprzemysłowych, przed rozwojem rolnictwa). Prognozy na XXI w. pokazują, że ten trend może być kontynuowany, w najbardziej pesymistycznych scenariuszach prowadząc do dalszego zmniejszenia glebowego magazynu nawet o 37 GtC (co oznacza uwolnienie  ok. 133 Gt CO₂). Zapobieganie tym stratom ma duże znaczenie dla klimatu, ale także dla rolnictwa, gdyż gleba z mniejszą zawartością materii organicznej ma gorsze właściwości: ma mniej składników odżywczych dla roślin oraz dużo słabiej „zatrzymuje” wodę, co w rezultacie zmniejsza jej odporność na susze a zwiększa ryzyko lokalnych powodzi (woda szybciej spływa, zamiast pozostawać w glebie). 

Do zmniejszania ilości próchnicy (czyli rozkładających się w glebie szczątków organicznych) przyczyniają się różne tradycyjne formy uprawy, takie jak głęboka orka. Bezpośrednim powodem jest jednak erozja, na skutek której gleba jest zwiewana bądź spłukiwana z pola. W jej wyniku ponad 900 mln ton gleby znika co roku z europejskich pól, a tempo utraty jest ok. 1,5-2 razy większe od tempa ich formowania.  W USA, w tzw. pasie kukurydzianym, ponad 1/3 pól (ok. 40 mln ha) całkowicie utraciło wierzchnią, bogatą w materię organiczną warstwę gleby, co doprowadziło do spadku plonów soi i kukurydzy o ok. 6% (Paustian K. i in., 2016, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Panagos P. i in., 2020, Lei J. i in., 2021, Thaler i in., 2021). 

Długi cień erozji gleb

Większość cząsteczek wypłukiwanych z gleby gromadzi się tuż obok pól, ale około 15% dostaje się do rzek i dalej do oceanów. Organiczny węgiel trafia w tym przypadku głównie do ekosystemów na wybrzeżach mórz takich jak lasy namorzynowe, marsze (bagna) czy łąki podmorskie. Są to naturalne magazyny, stabilne w długim terminie. Jednak wycinka, osuszanie czy niszczenie w wyniku zmiany warunków naturalnych powoduje uwalnianie nagromadzonego w nich węgla organicznego: globalnie jest to nawet ok. 1 GtC rocznie. 

Cząsteczki gleby zwiewane z pól uprawnych są także źródłem unoszącego się w atmosferze pyłu, inaczej – aerozolu. Szacunki na podstawie zdjęć satelitarnych wskazują, że erozja gleb odpowiada za ok. 1/4 światowych emisji pyłów. W zależności od rodzaju cząsteczek wchodzących w skład aerozolu, mogą one absorbować albo rozpraszać promieniowanie podczerwone, a także służyć jako jądra kondensacji dla chmur. Emisje pyłu mogą więc wpływać na mikrofizyczne właściwości chmur, czas ich trwania czy wielkość opadów (raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Panagos P. i in., 2019, Panagos P. i in., 2020, Lal 2020). 

Ochrona gleb przed erozją ma w związku z tym znaczenie nie tylko bezpośrednio dla gospodarstw rolnych ale także dla klimatu, tym bardziej, że IPCC szacuje, że lepsze działania w tym zakresie pozwoliłyby uniknąć rocznie emisji netto w wysokości 1,36–3,67 GtCO₂. Zmniejszenie erozji można osiągnąć m.in. poprzez wysiewanie międzyplonów czy ściółkowanie, gdyż w największym stopniu jest na nią narażona  odsłonięta gleba. 

Choć materia organiczna wypłukana/wywiana z pól trafia ostatecznie w inne miejsca, nie ma to żadnego znaczenia w przypadku rolnictwa. Może jedynie ewentualnie rekompensować te straty w ogólnym, „środowiskowym” rozrachunku. Warunkiem jednak jest to, by miejsca, gdzie jest nagromadzona, pozostały nienaruszone. W wielu przypadkach jest to trudne, np. bagna są osuszane pod pastwiska, a lasy namorzynowe w Azji są coraz częściej likwidowane aby tworzyć akwakultury (raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Jak ograniczać erozję i wspomagać gromadzenie węgla w glebie?

Szczegółowe rozpatrywanie wpływu różnych praktyk rolniczych na emisje gazów cieplarnianych jest o tyle istotne, że IPCC uznaje sekwestrację węgla przez gleby pól i pastwisk za jedną z trzech najważniejszych opcji mitygacji (ograniczania) emisji jeśli chodzi o działania związane z zarządzaniem terenami. Dwie pozostałe to zalesianie/odtwarzania lasów i BECCS. Działania te mają potencjał techniczny* ograniczenia globalnych emisji do 2050 roku odpowiednio o: 0,4-8,6 GtCO_2e rocznie, 0,5-10,1 i 0,4–11,3. Żeby gleby mogły jednak służyć jako „pochłaniacz” gazów cieplarnianych konieczne mogą być zmiany w sposobach uprawy gleby. (zobacz też: 3 pytania o BECCS) (Panagos P. i in., 2016, Paustian K. i in., 2016, Panagos P. i in., 2019, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Baveye i in., 2020, Thaler i in., 2021).

Uprawa bezorkowa

Straty składników odżywczych na polu można zmniejszać poprzez ograniczenie orki czy zupełne jej zaniechanie (przy jednoczesnym zastąpieniu orki innymi metodami uprawy gleby). Taki sposób uprawy chroni zasoby węgla w glebie poprzez ograniczanie erozji. Korzystny efekt ochrony przeciwerozyjnej jest większy, gdy na polu pozostawione są resztki pożniwne w takiej ilości, by nie utrudniały przenikania wody w głąb gleby (mulczowanie). Pozostawianie nadmiernych ilości resztek pożniwnych na polu może spowodować pojawienie się pleśni w mulczu i w konsekwencji zwiększyć emisje gazów cieplarnianych do atmosfery (rozkład materii organicznej).  (Paustian K. i in., 2016, raport IPCC Climate Change and Land, 2019).

Międzyplony

Wysiewanie międzyplonów pozwala zapewnić przykrycie gleby i nie narażanie jej na działanie wysokiej temperatury która prowadzi do nadmiernej mineralizacji, ale także poprawiać jakość gleby i ograniczać  erozję.  Temperatura obniżana jest na skutek wyższej ewapotranspiracji – parowania wody z gleby i roślin (uwalnianie jej z aparatów szparkowych). Niższa temperatura gleby oznacza spowolnienie procesów rozkładu materii organicznej w glebie, a tym samym „ucieczki” z niej węgla (w postaci CO₂ i CH₄).

Wysiewanie międzyplonów pozwala zapewnić przykrycie gleby i nie narażanie jej na działanie wysokiej temperatury która prowadzi do nadmiernej mineralizacji, ale także poprawiać jakość gleby i ograniczać  erozję.  Temperatura obniżana jest na skutek wyższej ewapotranspiracji – parowania wody z gleby i roślin (uwalnianie jej z aparatów szparkowych). Niższa temperatura gleby oznacza spowolnienie procesów rozkładu materii organicznej w glebie, a tym samym „ucieczki” z niej węgla (w postaci CO₂ i CH₄).

IPCC szacuje, że globalny potencjał międzyplonów, jeśli chodzi o sekwestrację węgla, to ok. 0,12 GtC rocznie, a obsianie nimi 1/4  ziemi uprawnej na świecie ma według wyliczeń Kaye i Quemady potencjał mitygacyjny ok. 0,6 Gt CO_2e rocznie. 

Wysiewanie międzyplonów przynosi także bezpośrednie korzyści dla gospodarstwa. Przedstawione w zacytowanej wyżej pracy badania przeprowadzone w Hiszpanii pokazały, że obsianie pola trawą (np. życicą) lub motylkowatymi zmniejszyło – w porównaniu do nieobsianych pól – spływ wody z pola w czasie wiosny i jesieni nawet 2,5 raza. Poprawa struktury gleby uzyskana w trakcie eksperymentu dzięki międzyplonom pozwalała na utrzymanie korzystnych warunków wodnych także w trakcie wzrostu uprawy głównej, a wpływ ten był coraz bardziej widoczny z roku na rok. W przypadku suchych wiosen międzyplony były niszczone, aby transpiracja nie zmniejszała zasobów wodnych w glebie dla uprawy głównej, a pozostawione na polu resztki ograniczały dodatkowo parowanie z gleby. Można spodziewać się, że takie korzyści będą  widoczne również w przypadku pól znajdujących się w innych regionach świata. 

Siew międzyplonów z gatunków z  rodziny krzyżowych (kapustowatych np. rzepak) o dużym, głębokim systemie korzeniowym, jest też korzystne w przypadku bardzo zagęszczonych gleb (np. ze względu na używanie ciężkiego sprzętu rolniczego), gdyż „rozluźnia” ich strukturę i pozwala roślinom plonu głównego korzystać z głębiej położonych zasobów wody. Resztki międzyplonów pozostawiane na polu czy zaorywane służą także jako „zielony” nawóz wzbogacający ją w materię organiczną czy – w  przypadku roślin z rodziny motylkowatych – także azot. 

Międzyplony pozwalają więc osiągać szereg korzyści, w tym takich, które pozwalają lepiej adaptować gospodarstwo do zmiany klimatu. Jest to także działanie mitygacyjne mogące zwiększać zawartość węgla organicznego w glebie niskim kosztem, a nawet w jakimś stopniu generować zyski dla rolników (poprzez np.: nasiona czy paszę z zebranego międzyplonu) (Smith i Olesen, 2010, Aguilera i in., 2013, Kaye i Quemada, 2017, Singh i Singh, 2017, Abdalla i in., 2019, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Demenois i in., 2020). 

Rośliny wieloletnie w miejsce jednorocznych

Wśród działań, które mogłyby pomóc w lepszych gromadzeniu węgla organicznego przez gleby, IPCC wskazuje również zmianę uprawianych roślin – z jednorocznych na wieloletnie, które mają głębszy system korzeniowy i nie wymagają corocznych zabiegów w postaci orki. I nie chodzi tu tylko o zastępowanie np. zbóż krzewami owocowymi, ale o nowe gatunki i odmiany znanych roślin. Przykładem jest wieloletni ryż, który ma plony podobne do najlepszych odmian jednorocznych uprawianych w prowincji Yunnan. Prowadzone są też prace nad wieloletnim gatunkiem perzu, produkującym ziarno podobne nieco do pszenicy a nazywane „kernza”. Choć na ten moment te rośliny mają niższe plony od pszenicy, to może się to zmienić w wyniku selekcji hodowlanej. Uprawa roślin wieloletnich może zmniejszyć ilość koniecznych zabiegów agrotechnicznych (co przekłada się np. na mniejszą ilość paliwa zużywaną w  gospodarstwie), ale też ograniczyć erozję czy zwiększyć ilości azotu i wody zatrzymywanych w glebie (raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Agroleśnictwo

Za pewną odmianę systemu rolnego, w którym stosowane są rośliny wieloletnie można uznać agroleśnictwo. Tutaj, oprócz związanej z obecnością drzew poprawy funkcji ekologicznych obszaru rolnego (np.  zwiększania zawartości węgla w  glebie czy ograniczania erozji) osiągane są także cele gospodarcze. Na przykład sadzone w państwach afrykańskich gatunki drzew z rodziny motylkowatych zwiększają zawartość azotu w glebie, co przynajmniej częściowo kompensuje brak nawozów  naturalnych. Co więcej, badania pokazały, że afrykańskie systemy agroleśne są trzecim największym magazynem węgla (po lasach pierwotnych i wieloletnich nieużytkach) na kontynencie. Drzewa tworzą także mikroklimat, który poprawia plony niektórych roślin np. kawy – chronią krzewy przed słońcem, łagodzą ekstrema temperaturowe, zwiększają wilgotność powietrza, zmniejszają temperaturę gleby. 

Systemy agroleśne pozwalają drobnym producentom afrykańskim lepiej zaadaptować się do zmiany klimatu, chociażby poprzez poprawę wysokości plonów, ochronę upraw przed uszkodzeniami przez wiatr czy wodę, dostarczanie paszy dla zwierząt lub nowych produktów (np. owoców) zwiększających zysk gospodarstwa. Wszystko to ma wpływ na bezpieczeństwo żywnościowe lokalnych społeczności. 

Systemy agroleśne, gdzie hoduje się zwierzęta (sylwopastoralizm), jak np. hiszpańska dehesa, pozwalają jeszcze bardziej zróżnicować produkcję. Początki rozwoju dehesy sięgają kilku tysięcy lat wstecz i przetrwała ona w praktycznie niezmienionej formie do dziś. Te agrosystemy są zróżnicowane, wytrzymałe na niekorzystne warunki, wymagają małego nakładu finansowego, a dodatkowo są siedliskiem różnych dzikich gatunków zwierząt (Joffre i in., 1999, Smith i Olesen, 2010 Mbow i in., 2014, Kaye i Quemada, 2017, Singh i Singh, 2017, raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Płodozmian, nawozy naturalne i biowęgiel

Innymi technikami, które pozwalają zwiększyć zawartość węgla w glebie jest odpowiedni płodozmian (czyli zmianowanie upraw w kolejnych latach), stosowanie nawozów organicznych (np. obornika, kompostu) oraz dodawanie do gleby biowęgla (biochar). W przypadku płodozmianu dodatkowymi korzyściami z rolniczego punktu widzenia są: zwiększanie jakości gleby (wpływ na jej strukturę) i poprawa plonów dzięki oddziaływaniu na krążenie składników odżywczych czy cykle życiowe szkodników. Obornik/kompost pozwala m.in. zwiększyć różnorodność mikroorganizmów glebowych i napowietrzenie gleby a przede wszystkim przyczyniać się do odbudowy materii organicznej gleby. Stosowanie nawozów organicznych może podnieść dwukrotnie zawartość węgla i azotu w glebie w ciągu 40 lat. 

Zastosowanie rolnicze biowęgla, wytwarzanego w wyniku pirolizy biomasy, mogłoby wedle ustaleń IPCC zmniejszyć antropogeniczne, roczne emisje dwutlenku węgla netto o 0,03–4,9 Gt. Duże niepewności wynikają m.in. z tego, że globalny efekt takiego działania jest słabo zbadany. Biowęgiel jest stosunkowo odporny na rozkład – jego mineralizacja zachodzi 10-100 razy wolniej niż nieprzetworzonej biomasy – co powoduje, że jest długotrwałym (dekady) magazynem węgla organicznego. Z tego względu jest wskazywany jako potencjalna technologia „ujemnych emisji” (czyli po prostu usuwania dwutlenku węgla z atmosfery). Gazy uwalniane w trakcie pirolizy biomasy mogą zostać użyte do produkcji ciepła lub elektryczności zastępując paliwa kopalne. 

Należy się jednak liczyć z tym, że jeśli technologia biowęgla jest wdrażana w sposób zrównoważony (np. produkcja biomasy potrzebnej do wytworzenia biowęgla nie konkuruje z uprawami żywnościowymi), jej potencjał mitygacyjny jest ograniczony: według szacunków mogłaby wtedy zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych o 0,5–2 GtCO_2e rocznie. Klimatyczne zalety biowęgla mogą dodatkowo zostać zredukowane, jeśli np. jest on rozprowadzony na powierzchni jasnych gleb (zmniejszanie albedo). 

Z punktu widzenia rolnictwa zaletą biowęgla jest m.in. zmniejszenie wymagań dotyczących nawożenia azotowego (zwiększonemu biologiczne wiązanie azotu ogranicza straty związane z wymywaniem i utlenianiem) czy poprawa plonów szczególnie w przypadku gleb piaszczystych i kwaśnych tropikalnych (Paustian K. i in., 2016, Singh i Singh, 2017, raport IPCC Climate Change and Land, 2019). 

Zagrożony magazyn

Gleby nie mogą niestety gromadzić węgla w nieskończoność. W pewnym momencie osiągają coś w rodzaju „stanu nasycenia”, co oznacza spadek tempa sekwestracji do znikomego poziomu w bardzo krótkim czasie (kilka dekad). Jednak lepsze zarządzanie glebą mogłoby zrównoważyć w przeciągu 20-30 lat nawet 5-20% obecnych antropogenicznych emisji gazów cieplarnianych, co pozwoliłoby „kupić” nam nieco czasu. Co więcej, inne niż CO₂  gazy mogą być pochłaniane przez gleby właściwie w nieskończoność.

„Glebowy magazyn” jest w dodatku cały czas zagrożony z powodu zmiany klimatu – wyższa temperatura może powodować nasilone oddychanie, w wyniku zmian w opadach może zwiększać się erozja. Dodatkowo intensywne techniki uprawy czy wypasu powodują stałą utratę  z niego węgla.

Na świecie ciągle jest także powiększany areał ziem rolnych kosztem naturalnych ekosystemów – magazynów organicznego węgla, takich jak lasy i torfowiska. Pochłanianie CO₂ przez rośliny uprawne posadzone na tych terenach nie jest w żaden sposób w stanie zrekompensować zniszczenia tych ekosystemów. Jest to szczególnie wyraźnie widocznie w przypadku torfowisk, gdzie ślad węglowy produktów pochodzących z upraw na osuszonych torfowiskach jest co najmniej kilka razy większy od podobnych produktów pozyskiwanych z upraw na glebach mineralnych. 

Ochrona naturalnych ekosystemów a rolnictwo

Niszczenie terenów podmokłych przyczynia się nie tylko do zwiększenia emisji CO₂ i N₂O z powodu rozkładu materii organicznej, ale także do zmiany stosunków wodnych w okolicy, co może nasilać negatywne skutki susz (patrz Bagna a klimat. Wysuszone torfowiska na świecie emitują 2 mld ton CO2 rocznie).

Zachowanie naturalnych terenów może więc wbrew pozorom przynosić korzyści z punktu widzenia rolnictwa. Oprócz zwiększania lokalnej retencji wody, takie obszary są także m.in. siedliskami pożytecznych owadów (zapylaczy czy drapieżników jedzących szkodniki). Tworzą również korzystny mikroklimat (chłodniej, bardziej wilgotno), a zadrzewienia chronią przed erozją. 

Na kontynencie afrykańskim lasy, ale także zadrzewienia w ramach systemów agroleśnych mogą mieć istotne znaczenie dla ograniczania susz, gdyż redukcja pokrywy roślinnej powoduje spadek ilości opadów poprzez system sprzężeń zwrotnych związanych z ewapotranspiracją i albedo (zobacz też: Podniebne rzeki: jak wylesianie wpływa na globalny cykl hydrologiczny) 

Usługi świadczone przez naturalne ekosystemy mogą więc wpływać na rentowność gospodarstwa. Dodatkowo mogą stać się elementem wspomagającym adaptację do zmiany klimatu np. służąc jako rezerwuar dzikich gatunków, które potencjalnie mogą zostać udomowione czy bufory ograniczające eutrofizację zbiorników wodnych (a tym samym jakość wody pitnej dla zwierząt czy możliwość hodowli ryb). 

Postrzeganie rolnictwa bardziej w kontekście współdziałania z naturą, zamiast opierania się głównie na zdobyczach technologicznych (jak chociażby nawozach mineralnych, które zapoczątkowały „zieloną rewolucję”) staje się pewnego rodzaju koniecznością w sytuacji zmieniających się warunków na Ziemi. Pozwala bowiem nie tylko ograniczać koszty, ale także kształtować rolnictwo bardziej odporne na zmianę klimatu   (Smith i Olesen, 2010, Mbow i in., 2014, Locatelli i in., 2015, raport IPCC Climate Change and Land, 2019, Meijide A. i in., 2020).