Sekwestracja węgla w ekosystemach lądowych. Dlaczego stawiamy na gleby?

Czy globalne ocieplenie jest potwierdzonym faktem?

Czasy, kiedy mogliśmy się spierać i mieć wątpliwości, mamy już za sobą – wpływ człowieka na klimat naszej planety jest niepodważalny. Ewentualny spór może dotyczyć co najwyżej rozmiaru i tempa katastrofy. Według danych Międzynarodowego Zespołu ds. Zmian Klimatu, całkowita globalna emisja gazów cieplarnianych systematycznie wzrasta i o ile w latach 1970-2000 wzrost ten wynosił ok. 1,3% rocznie, to w latach 2000-2022 wynosił 2,5% rocznie (1). W całkowitej puli gazów cieplarnianych największy udział ma CO₂. Według ekspertów emisja gazów cieplarnianych w największym stopniu odpowiada za obserwowane ocieplanie klimatu. Skutki zmian klimatycznych, w tym związanych ze zmianą wzorców pogodowych, podniesieniem poziomu mórz oraz ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi są widoczne dla każdego (rys. 1).

Rys. 1. Klęski żywiołowe – skutki zmian klimatu

W celu zmniejszenia i/lub złagodzenia potencjalnych negatywnych skutków wzrostu temperatury na ekosystemy i gospodarkę, konieczne jest podjęcie działań na rzecz zmniejszenia stężenia CO₂ w atmosferze. Główne strategie, które można w tym celu zastosować to: zmniejszenie globalnej emisji CO₂ do atmosfery, opracowanie alternatyw dla paliwa na bazie węgla oraz wychwytywanie dwutlenku węgla i długoterminowe składowanie w formacjach geologicznych, oceanach i ekosystemach lądowych (2). Sekwestracja w ekosystemach lądowych obejmuje magazynowaniem CO₂ w biomasie roślin oraz w glebie. Procesy te określane są odpowiednio jako fitosekwestracja i sekwestracja węgla glebowego.

Dlaczego stawiamy na glebę?

Gleba stanowi największy ziemski rezerwuar węgla szacowany na około 2500 Gt, w tym 1550 Gt węgla organicznego i 950 Gt węgla nieorganicznego przechowywanych w górnej 20 cm warstwie gleby (3), co stanowi 80% zasobów węgla w ekosystemach lądowych. Ponadto węgiel w glebie występuje w stabilnych wiązaniach: średni czas retencji węgla w glebie szacuje się na około 25 lat, podczas gdy żywotność węgla w biomasie wynosi około 5 lat. Wskazuje to, że możliwe jest magazynowanie części CO₂ w materii organicznej gleby.

Wiązanie CO₂ w glebie, czyli wzrost zawartości próchnicy, skutkuje dodatkowymi korzyściami, m.in.: poprawą właściwości fizycznych, chemicznych i biologicznych gleb (rys. 2). Jako przykład można wykazać poprawę właściwości wodnych i zwiększenie pojemności kompleksu sorpcyjnego, co jest istotne dla zwiększenia ilości wody dostępnej dla roślin i wiązania zanieczyszczeń chemicznych. W konsekwencji wzrasta produkcja pierwotna – co przyczynia się do zwiększenia ilości wiązanego CO₂ w biomasie roślinnej, a większy dopływ biomasy roślinnej będzie stanowił dodatkowy substrat dla nowo powstających związków próchnicznych.

Rys. 2. Korzyści ze zwiększenia zawartości próchnicy w glebach.

Z punktu widzenia geologicznego sekwestracja to wiązanie CO₂ w bardzo długiej skali czasowej. W tym podejściu wiązanie CO₂ w związkach organicznych gleby nie jest sekwestracją. Z punktu widzenia ludzkiej skali czasowej wiązanie węgla do gleby w związkach odpornych na mineralizację można uznać za sekwestrację. Sekwestracja węgla w glebie została zdefiniowana przez Olson (4) jako proces przenoszenia dwutlenku węgla z atmosfery do gleby przez rośliny, pozostałości roślinne i inne stałe substancje organiczne, który jest przechowywany jako część materii organicznej gleby (próchnicy). Według Soil Science Society of America sekwestracja obejmuje magazynowanie węgla w stabilnej stałej postaci w glebie w wyniku bezpośredniego i pośredniego wiązania atmosferycznego CO_2.

Czynniki sprzyjające sekwestracji węgla w glebie możemy podzielić na 2 grupy: (i) zwiększające dopływ świeżej materii organicznej – substratu dla związków próchnicznych, (ii) zmniejszające straty związków próchnicznych (rys. 3).

Straty próchnicy w glebie powodowane są przez jej mineralizację oraz erozję. Do czynników ograniczających straty możemy zaliczyć: uprawę mechaniczną – uprawa konserwująca i bezorkowa, warunki wodno-powietrzne gleby, a na glebach zagrożonych erozją wprowadzenie roślin okrywowych. Zwiększenie dopływu biomasy może wynikać z zwiększenia produktywności gleby, zmiany systemu uprawy, doboru roślin w zmianowaniu oraz nawożenia. Ponadto zmiana sposobu użytkowania – zalesienia, trwałe użytki zielone czy rekultywacja gleb zdegradowanych wpływa na zwiększenie globalnej sekwestracji węgla w glebie (5).

Rys. 3. Czynniki sprzyjające sekwestracji węgla w glebie

Zalesienie gruntów marginalnych (słabej jakości) jest uznawane za skuteczny sposób zwiększenia sekwestracji węgla w glebach. Według szacunków potencjał sekwestracji C przez zalesianie gleb marginalnych jest uzależniony od lokalnych warunków klimatycznych i wprowadzanych gatunków drzewostanów i wynosi od 3 Tg C/rok do 117 Tg C/r (6).

Zwiększenie sekwestracji węgla w glebach można osiągnąć poprzez zmianę użytkowania ornego na trwały użytek. Wyniki badań wskazują, że po 20-40 latach od zamiany gruntów ornych w trały użytek zielony zwiększenie zawartości węgla organicznego wynosi ok. 20 Mg C/ha w wierzchniej 0–30 cm warstwie gleby (7). Potencjał sekwestracji węgla praktyk rolniczych stosowanych przez co najmniej 20 lat, warstwie gleby (0-20b cm) przedstawia rysunek 4.

Rys. 4. Potencjał sekwestracji węgla dla różnych praktyk rolniczych obserwowany w wierzchniej warstwie gleby (0-20/30 cm) przez co najmniej 20 lat (8).

Reasumując, obserwowane rosnące stężenie gazów cieplarnianych, w puli których największy udział ma CO₂powoduje wzrost zainteresowania wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla w glebach różnych ekosystemów jako środkiem łagodzącym zmiany klimatu. Gleby są największym rezerwuarem węgla na lądach, a węgiel występuje we względnie trwałych połączeniach, dlatego gleby możemy traktować jako potencjalne miejsce sekwestracji CO₂. Zwiększenie zasobów węgla w glebie ma też dodatkowe korzyści, takie jak poprawa fizycznych, fizykochemicznych i biologicznych właściwości gleb, zwiększenie produktywności gleb i ich zdolności do pełnienia pozostałych funkcji ekosystemowych.

Właściwe zarządzanie sposobem zagospodarowania gleb i stosowanie zabiegów agrotechnicznych sprzyjających sekwestracji węgla w glebach może istotnie zwiększyć zasoby glebowej substancji organicznej, a najlepsze rozwiązania różnią się w zależności od klimatu, rodzaju gleby i sposobu jej zagospodarowania.

Do praktyk rolniczych o największym znaczeniu dla zwiększenia potencjału gleb agroekosystemów do sekwestracji węgla można zaliczyć zalesienie gleb słabej jakości, zmianę użytkowania gruntów ornych na trwałe użytki zielone, optymalizację doboru roślin w płodozmianie, stosowanie roślin okrywowych, ograniczenie uprawy mechanicznej gleb poprzez zastosowanie uprawy uproszczonej i bezorkowej, nawożenie organiczne i azotowe. Przyjęcie takich środków na szeroką skalę mogłoby nastąpić dość szybko, ponadto dla zwiększenia efektów można praktyki sprzyjające sekwestracji węgla w glebie stosować łącznie.

dr inż. Magdalena Myszura-Dymek,
dr hab. Grażyna Żukowska, prof. Uczelni
Instytut Gleboznawstwa, Inżynierii i Kształtowania Środowiska
Wydział Agrobioinżynierii

2022. Climat change. 2022.
Nogia P., Sidhu G.K., Mehrota R., Mechrota S. Capturing atmospheric carbon: biological and nonbiological methods. Int. J. of Low Carbon. 2016, 11 (2), 266-274.
Stockmann U., Adams M., Crawford J.W., Field D.J., Henakaarchchia N., i in. The knowns, known unknowns and unknowns of sequestration of soil organic carbon. Agriculture. Ecosystems and Environment. 2013, 164, 80-90.
Olson K.R. Soil organic carbon sequestration, storage, retention and loss in U.S. croplands: Issues paper for protocol development. Geoderma. 2013, 195-196, 201-206.
Wiesmeier M., Urbanski L., Hobley E., Lang B., Marin-Spiotta E., van Wesemael B., Rabot E., Liess M., Garcia-Franco N., Wollschlager U., Vogel H.J., Kögel-Knabner I. Soil organic carbon storage as a key function of soils – A review of drivers and indicators at various scales. Geoderma. 2019, 333, 149-162 .
Lamb D., Erskine P., Parrotta J. Restoration of degraded tropical forest landscapes. Science. 2005, 310, 1628-1632.
Poeplau C., Don A. Sensitivity of soil organic carbon stocks and fractions to different land-use changes across Europe. Geoderma. 2013, 192, 189–201.
Tiefenbacher A., Sandén T., Haslmayr H.-P., Miloczki J., Wenzel W., Spiegel H. Optimizing Carbon Sequestration in Croplands: A Synthesis. Agronomy. 2021, 11, 882.