Mitygacja, czyli ograniczanie zmiany klimatu, to wyzwanie, które wymaga szeroko zakrojonych działań w wielu sektorach gospodarki. Jednym z nich jest rolnictwo, które z jednej strony jest dziś źródłem gazów cieplarnianych a z drugiej – może pomóc w usuwaniu dwutlenku węgla z atmosfery. Pisaliśmy już w tym kontekście gleby, dziś zajmiemy się szerzej problemem nawożenia. 

Ilustracja 1. Aplikacja nawozu na polu manioku, gospodarstwo Międzynarodowego Instytutu Rolnictwa Tropikalnego (IITA), Osin Ekiti, Nigeria. Zdjęcie: IITA/flickr, licencja CC BY-NC-SA 2.0

Nawozy i nieorganiczny węgiel

Nawożenie to standardowy zabieg rolniczy, pozwalający zwiększyć plony na danym obszarze. Jest jednak jednocześnie przyczyną emisji gazów cieplarnianych z gleb. W największej mierze (w ok. ¾) odpowiadają za to nawozy sztuczne. Przynajmniej części tych emisji można byłoby łatwo uniknąć poprzez racjonalizację zużycia nawozów. 

Jest to dobrze widoczne szczególnie w przypadku podtlenku azotu, N2O. Podwyższone emisje tego gazu z gleb w największym stopniu wynikają z niedostosowania dawek nawozowych do potrzeb roślin. W skali świata ok. 50% azotu aplikowanego w postaci nawozów naturalnych i sztucznych nie jest pobierane przez rośliny. Duży wpływ na obniżenie emisji N2O w rolnictwie miałoby więc zmniejszenie dawek nawozów azotowych w regionach gdzie są one wysokie i przekraczają wymagania roślin uprawnych (np.: w Europie i Ameryce Północnej). Pomogłoby to dodatkowo ograniczać, szczególnie w przypadku nawozów sztucznych, potencjalny negatywny wpływ nawożenia na mikroorganizmy i faunę glebową (zobacz artykuł Glebowy magazyn węgla)

Przenawożenie nawozami azotowymi jest też jednym z czynników powodujących zakwaszanie gleb (Wang i in., 2016), co jest dużym problemem m.in. w Polsce, gdzie ponad połowa gruntów ornych ma odczyn kwaśny lub bardzo kwaśny. Jest to o tyle istotne, że pH gleby musi być dostosowane do wymagań konkretnych roślin, aby mogły one efektywnie pobierać składniki odżywcze – niskie pH służy tylko nielicznym gatunkom uprawnym np. borówkom (Ochal i Smreczek, 2020).

Wapnowanie

Aby podwyższyć pH gleb rolniczych stosuje się wapnowanie, jednak jego skutkiem mogą być zwiększone emisje CO2 z pola. CO2 jest uwalniany w wyniku reakcji substancji znajdujących się w preparacie (najczęściej są to rozdrobnione wapienie kredowe lub dolomity) z jonami wodorowymi (H+) w glebie. Podobne reakcje zachodzą także w glebach o wyższym pH, co powoduje wyczerpywanie występujących w nich naturalnie składników „zasadowych” (np.: węglanów) i w konsekwencji także zakwaszanie. O ile jednak w przypadku rozkładu materii organicznej dochodzi do uwalniania w postaci CO2 węgla organicznego, to w przypadku buforowania zakwaszania uwalniany jest węgiel nieorganiczny, pochodzący ze wspomnianych wyżej skał węglanowych. Powoduje to nie tylko zmniejszanie ogólnej ilości węgla glebowego, ale także wprowadzenie do atmosfery atomów węgla, które nie uczestniczyły w bieżącym, szybkim cyklu węglowym: wapienie kredowe czy dolomity tworzyły się miliony lat temu.

Naturalnie występujące w glebach węglany (głównie CaCO3) w wierzchniej, jednometrowej warstwie gleby zawierają około 750 GtC. W wyniku zakwaszania zasoby te kurczą się – szacunki zespołu Kazema Zamaniana mówią o 0,41 GtC traconych rocznie w ciągu ostatnich 50 lat i o dalszych 0,72 Gt, które będą uwalniane co roku jako CO2 do 2050 r. Wapnowanie doprowadza do dodatkowych strat ok. 0,27 GtC rocznie, co jest drugim w kolejności największym źródłem strat nieorganicznego węgla. Glebowe węglany i skały wapienne są zasobem nieodnawialnym w skali ludzkiego życia, a straty zawartego w nich nieorganicznego węgla nie są na ogół wliczane do żadnych szacunków dotyczących emisji gazów cieplarnianych z gleb (Goulding 2016, Dai i in., 2021, Raza  i in., 2021, Zamanian i in., 2021).

Schemat pokazujący krążenie glebowego węgla organicznego i nieorganicznego.
Ilustracja 2: Krążenie glebowego węgla organicznego (SOC, po lewej) i uwalnianie nieorganicznego      węgla  glebowego na skutek zakwaszania (SIC, po prawej) Źródło: Raza  i in., 2021

Nawozy naturalne

Problem zakwaszania można częściowo mitygować poprzez używanie nawozów naturalnych. Trwające 20 lat badanie zespołu Wanga pokazało, że o ile nawozy sztuczne (azotowy, fosforowy i potasowy) obniżały pH gleby na polu doświadczalnym o 0,07 rocznie, to organiczne zwiększały o 0,04 rocznie. Ich dodanie podnosiło ponadto ilość materii organicznej w glebie i ograniczało straty azotu, jednak ostateczny efekt może być różny dla poszczególnych gleb w różnych strefach klimatycznych. Na pewno jednak w wielu aspektach są one lepsze niż długotrwałe stosowanie samych nawozów mineralnych, które powoduje spadek jakości gleby ze wszystkimi tego negatywnymi konsekwencjami (np. ucieczka azotu, większa dostępność metali ciężkich dla roślin). 

Dodawanie organicznych nawozów pomaga osiągnąć stabilne plony w długim horyzoncie czasu, a ze względu na pozytywny wpływ na stan gleby jest korzystne dla gospodarstwa pod względem adaptacji do zmiany klimatu (Singh i Singh, 2017, Menšík i in., 2018, Wang i in., 2019, Waqas i in., 2020, Dai i in., 2021, Xie i in., 2021).

Emisje z pastwisk 

Wedug IPCC (raport IPCC Climate Change and Land, 2019) ważnym źródłem emisji N2O w rolnictwie są także tereny pastwiskowe, głównie w Ameryce Północnej, Europie oraz Azji Południowej i Wschodniej. Odpowiadają globalnie za 1/3 całkowitych emisji antropogenicznych N2O. Tutaj podobnie – problemem jest nawożenie – a także pozostające na pastwiskach odchody zwierząt. Intensywnie użytkowane pastwiska wymagają nawożenia aby uzupełniać w glebie składniki mineralne zjedzone z trawą przez zwierzęta. Same odchody nie są w stanie zrównoważyć tych strat, do tego proporcje składników odżywczych w  nich zawartych mogą być mało korzystne dla traw. 

IPCC nie rozgranicza w swoich wyliczeniach pastwisk, które są np. pielęgnowane zgodnie z regułami wzbogacania gleby w materię organiczną i takich, które są używane intensywnie. Emisje z tych pierwszych mogą być dużo niższe, jednak zasadniczo w ujęciu świata przeważają te drugie, które dodatkowo w sytuacji przekspolatowania są także źródłem emisji związanych z erozją gleby (zobacz też: Ujemne emisje? Jak to osiągnąć w swoim gospodarstwie? Tłumaczy Marcin Wójcik i Klimatyczny ślad kotleta).

Ze względu na rosnące od dekad pogłowie zwierząt hodowlanych, emisje z terenów pastwiskowych wzrosły od 1960 r. do początku XXI w. o ok. 80%. Choć teoretycznie zmiana pól uprawnych w pastwiska może zwiększać przez pewien czas gromadzenie węgla organicznego w wierzchniej warstwie gleby, to korzyści netto zostają zniwelowane jak tylko wpuści się na trawę zwierzęta – ze względu na emisje metanu (raport IPCC Climate Change and Land, 2019

Mikroorganizmy gleb i oceanów

Oprócz emisji bezpośrednich, na polu czy pastwisku, nawożenie jest także źródłem pośrednich emisji N2O. Jest to skutek wypłukiwania z pól niewykorzystanych przez rośliny składników odżywczych. Związki azotu (a także fosforu) trafiają poprzez strumienie i rzeki ostatecznie do mórz i oceanów, gdzie przyczyniają się do powstawania tzw. martwych stref. Ponieważ ilość tlenu rozpuszczonego w wodzie silnie wpływa na produkcję N2O, to odtlenione, zeutrofizowane wody przybrzeżne są miejscem największych emisji tego gazu z oceanów (zobacz też: Globalne ocieplenie, prądy morskie i życie w oceanach) (Zhang i Ye, 2021). 

Mapy pokazujące zawartość tlenu rozpuszczonego w wodach oceanicznych oraz wysokość emisji N2O z poszczególnych regionów Wszechoceanu.
Ilustracja 3 a) Średnia, roczna koncentracja rozpuszczonego tlenu (μmol/kg) na głębokości 150 m, w kółkach znajdują się „martwe strefy” oceaniczne omawiane w pracy, źródło: Naqvi i in., 2010, b) Przepływy N2O w oceanach (g N/m2 rocznie) na podstawie modelowania. Wartości dodatnie wskazują na emisje netto z  oceanu do atmosfery, źródło: Ji i in., 2018
Ilustracja 4: Wykresy klinowe pokazują ilość azotu stosowanego na polach (w kg N/ha rocznie) w poszczególnych państwach europejskich w 2010 r.. Zielona część pokazuje jaka ilość azotu powinna być maksymalnie stosowana jeśli chcemy ograniczyć ilość azotu w wodach powierzchniowych (czyli docelowo ograniczyć eutrofizację), a czerwona o ile ta ilość jest w rzeczywistości przekraczana. Kreskowane okręgi pokazują progi ilości kg N/ha rocznie od 0 do 400   dopuszczalną ilość azotu a czerwona o ile ta ilość jest przekraczana Przekroczenie Źródło: De Vries i in., 2021

Jak ograniczać emisje podtlenku azotu (N2O)?

Sposobem na ograniczenie emisji pośrednich N2O (ale także bezpośrednich) jest wysiewanie międzyplonów, szczególnie jeśli nie wymagają one (dużego) nawożenia. Rosnące rośliny pobierają azot z gleby (co zmniejsza jego ilość dostępną dla mikroorganizmów), a ich korzenie stabilizują wierzchnią warstwę gleby, ograniczając spływ powierzchniowy, a tym samym wymywanie składników odżywczych do wody. Międzyplony z roślin motylkowatych, które ze względu na symbiozę z bakteriami potrafią “wiązać” azot atmosferyczny,  pozwalają dodatkowo obniżyć zużycie nawozów azotowych.

Wyliczenia Kaye i Quemady dla upraw kukurydzy na obszarach klimatu umiarkowanego, wysiewanych po roślinach motylkowatych pokazały, że w porównaniu do innych międzyplonów potrzebne jest około 5 g/m2 mniej nawozu. Ponieważ w wyniku syntezy sztucznych nawozów azotowych emitowane jest ok. 4 g CO2e na 1 gram, to redukcja o 5 g/m2 oznacza zmniejszenie emisji o ok. 20 g CO2e/m2 (Kaye i Quemada, 2017) (zobacz też: Glebowe magazyny węgla – jak je chronić przed erozją?) . 

Emisje N2O można także ograniczać (nawet do 40%) poprzez substancje chemiczne wpływające na mikroorganizmy glebowe, np.: nitrapirynę, która zabija bakterie m.in. z gatunku Nitrosomonas. Problem w tym, że mikroorganizmy są kluczowe dla zdrowia gleby. Spadek ich biomasy i różnorodności, który obserwuje się np.: na obszarach, gdzie używa się intensywnie nawozów sztucznych czy tradycyjnej orki obniża jakość gleby, a tym samym jej odporności na zmianę klimatu.

Międzyplony także w tym przypadku są pewnym remedium. Badania pokazały, że mogą o ok. 25% podnieść ilość mikroorganizmów glebowych, o ok. 20% ich aktywność i o ok. 2,5% ich różnorodność (w porównaniu do „gołego pola”). Choć potencjalnie międzyplony mogą obniżać o kilka % plon głównej uprawy, to naukowcy wskazują, że można temu przeciwdziałać dobierając odpowiednie gatunki roślin, w zależności m.in. od rodzaju gleby i warunków klimatycznych, co może wręcz zwiększyć plon główny o ok. 10% (Smith i Olesen, 2010, Paustian K. i in., 2016, Schmidt i in., 2018, Abdalla i in., 2019, Baveye i in., 2020, Kim i in., 2020).

Kluczowa w temacie emisji N2O jest oczywiście gospodarka nawozowa. Dawki powinny być dostosowane do typu gleby, wymagań roślin itp. i wyliczane bardzo skrupulatnie dla wszystkich składników odżywczych. Oprócz korzyści środowiskowych przynosi  to też oczywiście  korzyści finansowe  dla  rolnika. Badania pokazują, że w  przypadku ograniczania strat azotu z pól istotne są także inne czynniki np. moment aplikacji (faza wzrostu rośliny), gdzie nawet kilka dni może mieć wpływ na sumaryczne emisje N2O z pola. Dodatkowo odtwarzanie lub tworzenie terenów podmokłych, które poprawiają retencję wody na terenie gospodarstwa pozwala zmniejszać odpływ składników odżywczych do wód, co ogranicza ich eutrofizację (McLellaan i in., 2018). 

Coraz więcej czynników przemawia za koniecznością odchodzenia od stosowania nawozów mineralnych. Są to m.in. wyczerpywanie zasobów (nieodnawialnych) fosforytów potrzebnych do produkcji nawozów fosforowych czy zanieczyszczanie gleby i wody, w tym zbiorników podziemnych, prowadzące min. do zagrożenia zdrowia ludzi poprzez większą mobilność metali ciężkich w glebie.  (Cordell i White, 2011, Khan i in., 2018)

Tak jak inne działania, które wpływają na ograniczenie emisji rolniczych (np. siania międzyplonów), również poprawa sposobu aplikacji nawozów pozwala na jednoczesne uzyskanie korzyści różnego rodzaju. Możliwe jest jednoczesne obniżenie kosztów prowadzenia gospodarstwa, utrzymanie lepszego stanu gleby (np.: poprzez ograniczenie jej zakwaszania) – co jest istotne z punktu widzenia adaptacji do zmiany klimatu- a także obniżenie emisje gazów cieplarnianych z pól. Odpowiednie techniki rolnicze mogą więc odegrać nie tylko rolę w  zmniejszaniu tempa globalnego ocieplenia, ale także przekształcić rolnictwo w bardziej ekonomiczne, odporne i zrównoważone rolnictwo przyszłości. 

Autor:
Anna Sierpińska
Konsultacja naukowa:
dr hab. Paulina Kramarz