HODNOCENÍ ZMĚN V LESNÍCH PŮDÁCH V DŮSLEDKU OČEKÁVANÉ KLIMATICKÉ ZMĚNY
Jiří Kulhavý
Nejvážnější změny v lesních půdách odvozené od předpokládaných klimatických změn jsou očekávány v dekompozičních procesech organické hmoty a v kolobězích živin. Pro obě tyto oblasti jsou určující interní procesy v půdě, které zprostředkovávají půdní živočichové a heterogenní mikroorganismy, ale do značné míry je ovlivňuje i člověk svým způsobem hospodaření v lesích. Přestože až dosud neexistuje dostatek exaktních údajů o tom, jak předpokládané klimatické změny detailně změní tyto procesy v ekosystému, máme již dostatek znalostí k tomu, abychom mohli budoucí vývoj alespoň zčásti předpovídat. Pro účely hodnocení vlivu předpokládaných klimatických změn (KZ) na lesní půdy bylo využito výsledků z experimentálního objektu Ústavu ekologie lesa LDF MZLU v Brně situovaného na Drahanské vrchovině v Rájci n. Svit., kde je problematika vývoje lesa na úrovni ekosystému podrobně studována od 70. let. Cílem bylo zobecnit některé závěry z uvedeného projektu a využít je pro ověření metodiky odhadu KZ na lesní půdy i v oblastech, kde tak podrobné údaje o lesních ekosystémech nejsou k dispozici.
ZHODNOCENÍ DOSAVADNÍHO STAVU VÝZKUMU
Dosavadní výzkum vlivu KZ na lesy byl převážně soustředěn na hodnocení důsledků ve smyslu posunu vegetačních stupňů a na to navazujících změn ve vegetačním pokryvu a půdě (Černý, Hadaš, 1994, Kalvová 1993, Kopecká, Buček, 1994). Na území ČR bylo pro modelování vlivu klimatických změn využito vegetační stupňovitosti z registru biogeografie. Z tohoto podkladu byly na základě znalostí scénáře klimatických změn odvozeny posuny vegetačních stupňů v časových horizontech 2010 a 2030 (Macků, 2000). Použité klimatické scénáře však nebyly pokládány za dostatečně určité zejména proto, že povětšinou počítaly pouze se změnami teplot a srážek, nikoliv se zvýšenou koncentrací CO2 (Janouš, Cudlín, 1999). Reálnější scénáře vývoje klimatu byly zpracovány až v poslední době (Kalvová, 2000). Dostupné podklady o lesních půdách využitelné pro možný odhad předpokládaných změn jsou neucelené. Chybí podrobnější pedologická mapa, komplexně nejsou zpracovány výsledky laboratorních rozborů a databáze o stavu půd je neúplná. Ke kladům, které se podařilo realizovat, patří zpracování Morfogenetického klasifikačního systému lesních půd (ÚHÚL Brandýs n. L., 1993), v současné době nově připravovaný jednotný klasifikační systém půd a digitální mapa půd 1:200 000 (Němeček a kol.). K dispozici jsou rovněž typologická mapa lesních typů v měřítku 1:10 000 a na úrovni lesních oblastí charakteristiky lesních typů. Dosavadní závěry o vlivu KZ na lesní půdy ČR souhrnně uvádí Vinš a kol (1996). V závislosti na stavu zásob nadložního humusu a podmínek abiotického prostředí předpovídají uvedení autoři zpomalený rozklad organické hmoty a utlumení koloběhu látek za předpokladu poklesu srážek anebo naopak, urychlení koloběhu látek za předpokladu dostatečné vlhkosti a zvýšení teploty (zejména ve vyšších polohách). Ani tyto změny však nepovažují za dramatické, protože uvolněný dusík a další prvky budou imobilizovány. Uvedená studie je cenným podkladem pro další zaměření výzkumu. Zásadní studii o úloze klimatu na ekosystémovém základě publikoval v Německu Ulrich (1991, 1995). Negativní dopady klimatických změn na lesní půdy lze obecně podle uvedeného autora očekávat v lesích s nízkou mírou elasticity. Z tohoto pohledu lze v ČR považovat za nejvíce ohrožené lesy s nevyhovující druhovou a prostorovou skladbou lesa (stejnověké monokultury mimo přirozený areál rozšíření) a lesy v pásmech ohrožení imisemi A a B na krystaliniku (od Krušných hor po Jeseníky), ale i ve flyšové oblasti Moravy. Za obecně rizikové lze považovat i lesní vegetační stupně na obou okrajích stupnice.
Od roku 2000 je výzkum dopadů klimatické změny vyvolané zesílením skleníkového efektu na lesy řešen v rámci dílčího úkolu projektu VaV/740/1/00 (Janouš, 2000, 2001). Při řešení tohoto výzkumného úkolu je pozornost věnována zejména metodickým otázkám hodnocení vlivu klimatické změny na lesy ČR na příkladu vybrané modelové oblasti. Předběžné výsledky z tohoto řešení uvádíme v předkládaném příspěvku.
STRUČNÁ CHARAKTERISTIKA MODELOVÉ OBLASTI
Pro modelové řešení byla vybrána Přírodní lesní oblast Drahanská vrchovina (dále jako PLO 30). Podle údajů Oblastního plánu rozvoje lesů (OPRL) má převažující zastoupení 3. dubobukový lesní vegetační stupeň (lvs) (44 %) a 4. bukový lvs (28 %). Nižší je zastoupení 2. dubobukového lvs (15 %) a 5. jedlobukového lvs (10 %). Okrajově je zastoupen 1. dubový lvs (1 %) a 6. smrkobukový lvs (2 %). Nepatrné je zastoupení borů. Převažují zonální stanoviště, z nichž nejčastěji je zastoupena řada živná (67 %) s nejvíce zastoupenou kategorií S - středně bohatou (39 %) a kategorií B - bohatou (14 %), vyskytující se převážně na kambizemích, kategorií H - hlinitou (7 %) na sprašových hlínách a deluviích, C - vysýchavou (4%) a W - bázickou (2 %), dále řada kyselá (17 %), s nejvíce zastoupenou kategorií K - kyselou (15 %), řada obohacená (10 %), s nejvíce zastoupenou kategorií A (5 %), řada oglejená a podmáčená (4 %) a nakonec řada extrémní ( Ī%). Převládající formou povrchového humusu pod jehličnatými porosty je moder, pod listnáči mull-moder nebo mull.
Současný stav koloběhu živin ve smrkových porostech na Drahanské vrchovině lze hodnotit jako vcelku vyrovnaný. Výjimkou je dusík, který v důsledku zpomalené dekompozice organické hmoty zůstává blokován v organických vazbách a v přístupných formách je jeho obsah pro růst nedostatečný. Pěstování jedné generace smrku v monokulturách náhradou za původní smíšené porosty znamenalo zvýšení zásoby povrchového humusu z 18 t ha-1 na 50 t ha-1 (Klimo, 1992), a přestože zásoba dusíku v povrchovém humusu činí téměř 800 kg ha-1 (Klimo, Kulhavý, 1994), je jeho uvolňování do půdy nedostatečné. Příčinou je široký poměr C/N v organických zbytcích a poměrně nízká výkonnost mikrobiálních rozkradačů (Grunda, 1990) Tento problém je dále umocňován ve smrkových porostech 2. generace, kdy k jejich obnově dochází převážně metodou holých sečí. Změna klimatických poměrů na holině a zvýšený přístup čerstvé organické hmoty z těžebních zbytků na holinách sice přechodně zvyšují mikrobiální aktivitu, ale neznamenají výraznější odbourávání nahromaděné organické hmoty a zvýšení zpřístupnění dusíku pro růst. Krátkodobý efekt uvolnění dusíku ze zásob často nastává v počátečním stadiu holiny, kdy funkci porostu při odběru dusíku plní paseční vegetace.
Metodické přístupy
Zkladním scénářem KZ pro účely této studie byl scénář 04 Národního klimatického programu (NKP) (Janouš, 2001) a v modelovém příkladu hodnocení změn v půdě byla zvláštní pozornost věnována smrkovým porostům. Na základě dostupných literárních pramenů a vlastních výsledků jsme za zásadní považovali předpokládané změny teplot vzduchu, resp. teplot půdy, za méně závažné změny srážkových poměrů, resp. vlhkostních poměrů v půdě. Důsledky teplotních změn pro změny v půdě již dokážeme zčásti pomocí matematických modelů odvodit, důsledky zvýšené koncentrace CO2 a od nich odvozené změny v růstu a produkci biomasy na změny v půdě můžeme pro jejich neurčitost pouze odhadovat. K přijetí těchto závěrů nás opravňují následující skutečnosti:
- Vzájemné vztahy mezi teplotami vzduchu resp. půdy a dekompozičními aktivitami půdních organismů jsou v našich zeměpisných polohách velmi těsné (r2 = 0,80-0.90).
- Předpokládané zvýšení teplot vzduchu v 3. 4. lvs PLO 30 je v průměru vysoké (až 2,45 °C)
- Předpokládané snížení srážkových úhrnů je nepatrné (do 3 mm)
- Literární prameny o vlivu zvýšené koncentrace CO2 na změny v půdě jsou nedostatečné a nejednoznačné
V prvním kroku výpočtu byly z naměřených dat a s použitím regresní analýzy odvozeny závislosti mezi teplotou vzduchu a půdy. Parametry těchto rovnic byly využity pro výpočet teplot půdy na 2913 bodech LO pro normálové období 1961-90 a pro klimatický scénář 04 (Hadaš, 2001). Rovnice funkcí pro jednotlivá stanoviště a hodnoty spolehlivosti jsou uvedeny v tabulce 1. Vstupními daty byly denní záznamy o průměrné teplotě vzduchu a půdy na stanovištích A - mladý smrkový porost 2. generace a B - dospělý smrkový porost 1. generace v Rájci n. Svit. v období od 1.1.1993 do 31.12.1995 (Kučera, 1993-1995). Obě sledovaná stanoviště se nacházejí ve vzdálenosti 40 km severozápadně od Brna (48°29ęN, 16°43ęE) v oblasti Drahanské vrchoviny v nadmořské výšce 625 m. Teplota vzduchu byla měřena ve výšce 2 m nad povrchem země a teplota půdy v hloubce 15 cm pod povrchem půdy na týchž místech. K měření teplot byly použity termočlánky (Pt100). Data byla měřena v minutových intervalech a pro každou hodinu byly uloženy průměrné hodnoty měřených veličin. V dalším kroku byly na základě modelového výpočtu s použitím Arrheniovy rovnice (Matteucci et al., 2000) vypočteny podobně pro celou LO hodnoty půdní respirace. Vstupními parametry pro tuto rovnici byly hodnoty půdní respirace měřené na stejných stanovištích v letech 1993 - 1995 (Kulhavý, Formánek, 2000). Vypočtené hodnoty půdní respirace jsme v dalším kroku využili pro odhad možných změn v dekompozičních procesech a mineralizaci uhlíku a dusíku.
OČEKÁVANÉ ZMĚNY V PŮDĚ
Klimatické změny podle scénáře 04 budou v závislosti na mocnosti povrchového humusu a charakteru porostů znamenat zvýšení půdních teplot a urychlení dekompozičních procesů. K odhadu těchto změn jsme v dalších úvahách použili výsledky měření půdní respirace. Výsledky posunu teplot podle scénáře jsou uvedeny v tabulce 2 a údaje o respiraci CO2 z půdy v tabulkách 2 a 3. Výsledky jsou uvedeny vždy pro normálové období a pro scénář 04 na všech bodech PLO, pro které byl vypočten klimatický scénář. Přestože výsledky platí pro smrkové porosty ve stáří 20 roků a 98 roků, dá se obdobný průběh s určitým omezením očekávat obecně. Při použití naměřené teploty v půdě v jiné hloubce, než bylo použito v tomto případě, lze libovolně získat přepočet teploty půdy pro jinou hloubku, např. 5, 10 cm. Na základě zjištěných výsledků v konkrétní situaci ve smrkových porostech výzkumné plochy Rájec n. Svit. a následného výpočtu lze při realizaci scénáře 04 očekávat zvýšení půdních teplot v rámci PLO průměrně o 1,2 °C. Zvýšením teplot půdy diferencovaně podle hustoty zápoje se poněkud zvýší hodnoty výparu z půdního povrchu. Toto, spolu s poklesem srážek, způsobí na stanovištích s nižšími srážkami zhoršení vodní bilance. Hodnocení změn vodního režimu lesních porostů nebylo předmětem této studie, pozornost byla věnována dekompozičním procesům. Z důvodu vyšších teplot půdy se až o 15 % zvýší denní průměrná respirace CO2 z půdy, tj. o 445 mg CO2 m-2 24 hod-1 více v dospělých porostech a až o 700 mg CO2 m-2 24 hod-1 v mladých porostech. Celková výše respirace bude představovat ztrátu 3,5 resp.5,7 t C ha-1 rok-1. Za významnou položku cyklu C, která bude pozměněna vyšším teplotami, lze považovat množství mineralizovaného uhlíku v půdě (Schulze, 2000) .Hodnota uhlíku mineralizovaného v půdě bude činit 1,3 resp. 2,1 t C ha-1 rok-1. Průměrné zvýšení půdních teplot odvozené od scénáře KZ je poměrně vysoké, ale je třeba si uvědomit, že výraznějšího efektu, pokud jde o úpravu teplotního režimu v lesních porostech, lze dosáhnout např. úpravou hustoty porostů (v našem případě byl rozdíl průměrných teplot půdy v porostech s různou hustotou až 2,5 °C. Klimatická změna poněkud zkrátí dobu rozkladu uhlíkatých látek na půdním povrchu a v nejsvrchnější vrstvě půdy v závislosti na jejich charakteru. Za normálních okolností probíhá rozklad čerstvého opadu řádově v jednotkách roků, v minerální půdě řádově v desítkách až stovkách roků. Změny v hlubších vrstvách půdy budou malé a projeví se mírným zvýšením C v půdních zásobách. Dá se předpokládat, že přibližně 80 % uhlíku z opadu je uloženo v povrchovém humusu na místě a 20 % je přemístěno do hlubších vrstev minerální půdy (Zak, 2000).
Do jaké míry mohou být tyto změny významné z hlediska cyklu dusíku, bude dále předmětem šetření. Rozkladem organické hmoty dojde k uvolnění části dusíku ze zásob, ale tento dusík bude v minerální formě využit kořeny a půdními mikroorganizmy. S ohledem na skutečnost, že dusík je v dané oblasti převážně deficitním prvkem, nebude jeho uvolněním hrozit výraznější ztráta vyluhováním do podzemních vod. Významnou inhibiční roli v dekompozičních procesech může sehrávat v budoucnu i malé zvýšení depozice N do půdy (Harrison, Harkness, 1994). Určitým způsobem se v celkovém koloběhu půdy může projevit i zvýšená podzemní alokace uhlíku v kořenovém systému, ale tyto změny budou ve srovnání se změnami v povrchových vrstvách půdy malé (Thomas, et. al., 2000). V důsledku předpokládané klimatické změny se dá s určitým omezením předpovědět zvýšení přírůstu biomasy lesních porostů, zvýšení celkového množství opadu a vyšší akumulace povrchového humusu. Tyto změny budou významnější na živných stanovištích, méně již na chudších stanovištích, kde růst bude limitován nedostatkem živin. Dá se předpokládat, že množství povrchového humusu se pod smrkovými porosty zvýší na přibližně 50 a 60 t ha-1 a pod bukovými porosty na hodnotu 25 až 30 t ha-1, přičemž poměr C/N v sušině zůstane přibližně zachován, tzn. 20-45 v povrchovém humusu smrkových porostů a 15-20 v povrchovém humusu bukových porostů. Urychlení dekompozičních procesů sice povede k rychlejšímu zpřístupňování dusíku a dalších minerálních živin do koloběhů, ale na stanovištích s organickou hmotou chudou na dusík to může vést k prohloubení jeho deficitu v důsledku zvýšené imobilizace dusíku mikroorganismy.
ZÁVĚR
Teplota svrchní vrstvy půdy se v šetřeném území při realizaci scénáře klimatických změn zvýší oproti normálu průměrně o 1,2 °C. Z důvodu vyšších teplot půdy dojde ke zvýšení biologické aktivity mikroorganismů a urychlení rozkladu organické hmoty. To povede ke zvýšení koncentrace CO2, zvýšení celkového množství opadu a další akumulaci povrchového humusu. Podpoření dekompozičních procesů bude znamenat rychlejší zpřístupňování dusíku a dalších minerálních živin do koloběhů. Na živných stanovištích to může vést k akceleraci růstu, na stanovištích s organickou hmotou chudou na dusík to může vést k prohloubení jeho deficitu v důsledku zvýšené imobilizace mikroorganismy. S ohledem na určitou protichůdnost působení jednotlivých vlivů nelze předpokládat, že uvedené změny v půdě budou mít dramatický charakter.
Adresa autora:
Doc. Ing. Jiří Kulhavý, CSc.
Lesnická a dřevařká fakulta MZLU v Brně
Ústav ekologie lesa
Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.