Lesy a vodní bilance kontinentů

Situace v biosféře Země

Řešení problému biosféry a lesů, které jsou v ní klíčovým regulátorem všech složek vodní bilance, není možné než tak, že poznáme obecné zákony vývoje Země jako složité dynamické soustavy. Právě ukončené práce v tomto směru (Kudrna, Šindelářová, JCEA 2010) ukázaly na některé nové aspekty, jež je nutno vzít v úvahu při řešení této problematiky.

Ještě nikdy se nestalo, aby tak razantně narůstal počet obyvatel na Zemi a v důsledku toho aby byl vyvíjen obrovský tlak na biosféru, zejména na spotřebu vody. Katastrofální situace v dostupnosti vody na velkých částech kontinentů, rozsáhlá území postihovaná velmi dlouhými obdobími sucha, anebo naopak katastrofálními povodněmi, šíření cyklonů do oblastí, kde se nikdy nevytvářely, rostoucí oteplování a tání ledovců spojované s vysokým obsahem CO2 v atmosféře nutně vede k zamyšlení, co se vlastně v biosféře naší planety děje.

V průběhu řešení úkolu „Struktury Země jako složité dynamické soustavy“ se ukázalo, že situace ve vodní bilanci Země na jednotlivých kontinentech není příznivá a její porušení koresponduje se zmíněnou Zprávou o světových lesích.

Co ovlivňuje vodní bilanci země?

Vodní bilanci Země je nutno sledovat jako soustavu čtyř složek: transpiraci (hstr), evaporaci (hsev), podpovrchové vody (hsp), odtokové vody (hso). Jako soustava musí tyto čtyři složky tvořit určitou symetrickou a invariantní (neměnnou) strukturu.

Abychom stanovili situaci ve vodní bilanci na jednotlivých kontinentech, využili jsme principu mezních stavů a principu dopravního zpoždění. Složky vodní bilance jsme rozdělili na zdrojové (hstr a hsp) a nezdrojové (hsev a hso). Jejich vztah je dán rovnicí:

Prokázalo se, že vodní bilance na všech kontinentech je značně porušená v nepro- spěch zdrojových veličin. Výsledky jsou patrné z tab. 1.

V přepočtu na 1 mm srážek (hs) dochází k největšímu porušení na asijském kontinentu, pak na evropském a jihoamerickém. V přepočtu na 1 km2 pak na evropském, jihoamerickém, severoamerickém a australském.

Řešení je možné jen za předpokladu, že deficit zdrojových veličin bude vyrovnán převodem odtokových vod a evaporace do složek transpirace a podpovrchových vod, neboť zde platí jednoznačná funkční závislost fotosyntézy na zdrojových složkách.

Vliv hustoty obyvatel na porušení vodní bilance

Pro porovnání vlivu počtu obyvatel (hustoty) na vodní bilanci na jednotlivých kontinentech jsme koncipovali kritérium deficitu zdrojových složek Kz (v porovnání se symetrickou strukturou vodní bilance):

kde hs – roční úhrn srážek, p – plocha kontinentu, hob  - hustota obyvatel / km2

Výsledky jsou uvedeny v tabulce 2 pro rok 1963, 2010 a 2100.

Limitní stavy jsou vyhodnoceny podle charakteristiky 1. vyzařovací konstanty Planc-kovy: 1. stupeň 3,74, 2. stupeň 3,742 (13,98) a 3. stupeň 3,743 (52,31).

Tyto hodnoty představují mezní stavy, jež charakterizují situaci na kontinentech z hlediska doby trvání extrémních jevů – extrémního sucha nebo extrémních srážek. V prvním stupni jde o poměrně krátkodobé extrémy, ve 2. stupni jde o extrémy dlouhotrvající, kde dochází k vysychání horninných horizontů vlivem enormního výparu, nebo k dlouhodobým srážkovým extrémům, jež bývají spojeny i s vulkanickými a seismickými jevy, dochází k desertifikaci půd vlivem zaklesnutí podpovrchových vod. Prudké deště vyvolávají sesuvy půd a vádí. Ve 3. stupni již dochází ke katastrofálním situacím, trvalé zaklesnutí podpovrchových vod, vadózní vody mizí, vznikají extrémně vysoké teplotní a tlakové gradienty, smrště a cyklony, totální degradace půdy a vznik pouští.

Z tabulky 2 je patrno, že takovému stupni podle rostoucího Kz zřejmě nedojde, protože, jak předpokládají demografické studie OSN – dojde k vyrovnání demografické křivky po roce 2100. To však nic nemění na složité situaci v porušení vodní bilance, zejména v Asii. Zcela to odpovídá i poměrům, které vznikají ve střední a západní Asii (jak uvádí zpráva FAO), kde nastává desertifikace půd, mnohdy totální degradace a v aridní a semiaridní oblasti jsou 3/4 půd již pouštěmi. Podobný jev jsme pozorovali v Aralském regionu v Kazachstánu na povodích Syrdarji a Amudarji. Příčiny se hledají v extrémních klimatických podmínkách, v lidských aktivitách – jako rozšiřování intenzivní pastvy a odstraňování vegetace. Jak uvádí zpráva FAO – ve středoasijských republikách je voda nejkritičtějším přírodním jevem. Asijské země jsou již dnes, jak ukazuje Kz, ve stavu značně narušené vodní bilance, čemuž odpovídají i situace nedostatku vody v Číně, Mongolsku, Indii, Pákistánu, kde se tyto země brání desertifikaci celých regionů zaváděním integrovaného obhospodařování polí a lesů, zaváděním ochranných pásů a větrolamů. Jednotlivé státy začínají reagovat na tíživý stav vyvolaný porušenou vodní bilancí. Jsou to cenné snahy, avšak řešení to zatím není, neboť od začátku 18. století ubylo 6 mil. km2 lesa a podle W. C. Clarka se od 100 do 3 600 km3 vody ztrácí z hydrologického obvodu.

Jaké jsou možnosti řešení porušené vodní bilance?

Řešení spočívá v realizaci uzavřeného hydrologického obvodu, který pracuje jako autooscilační a relaxační systém v daném hydrogeomorfologickém regionu. Klíčové postavení v něm mají komplexy lesů na rozvodnicích jako zónách primárního sycení podpovrchových vod, kde mají funkci zpožďujícího členu.

Lesy vlivem intercepce v korunách a kmenech stromů rozptýlí – zpozdí srážky a připraví k infiltraci do půdy a horninných horizontů.

Ve směru sklonu pak zpožďují proudění vadozních vod, spotřebou na transpiraci a zabraňují vzniku vývěrů, které odsunují až na okraje lesních masivů. Vzniká příčné proudění vadózních vod.

Toto zpoždění odtoku vadózních vod vyvolává jiný velmi důležitý efekt na rozvodnici (zóně primárního sycení), kde vytvoří v důsledku zpoždění podmínky pro infiltraci srážek do profundálních/hlubinných vod a vytvoří podélné proudění, na jehož směru vznikají rezervy-zásoby podpovrchových hlubinných vod (Hsp) v celém horninném horizontu – zvodni.

Odtud hlubinné vody přicházejí do soutoků povrchových toků, v nichž vznikají vývěry hlubinných vod. Jestli vývěry vadózních vod jsou charakterizovány přechodem dvou mezních stavů laminárního a turbulentního proudění vyjádřeného Darsyho a Chézyho rovnicí, pak i přechod hlubinných vod do soutoku vod povrchových je určen mezním stavem bystřinného a říčního proudění. Větší objem vody pak vyvolá erozi koryta vodního toku a říční proudění je zachováno. Zpozdí-li lesy odtok a nasytí zvodně, pak tím regulují i průtok povrchových vod, snižují deficit – (hstr + hsp), vlivem dostatku podpovrchových vod se zvyšuje transpirace a fotosyntéza, zvyšuje se absorpce CO2, nastává vyšší přírůstek organické hmoty, biosféra se dostává na vyšší energetickou úroveň – přechází do progresivního vývoje. Vyrovnají se teplotní a tlakové poměry nad oceány a pevninou, omezí se výskyt tlakových a teplotních gradientů v atmosféře, jež jsou příčinou extrémních jevů. Obvod pracuje jako uzavřený autooscilační relaxační systém, v němž proudění prochází mnoha mezními stavy, které regulují jeho rychlost.

Růst hustoty obyvatel na Zemi a porušení vodní bilance nemůže ponechat nikoho na pochybách, že skončila doba náhodných struktur jak zemědělského, tak lesního a vodního hospodářství, které byly přijatelné při nízké hustotě obyvatel na Zemi a byly determinovány zcela jinými zájmy a okolnostmi. Jak ukazují tab. 1 a 2, stav se vyhrocuje, dochází k desertifikaci a devastaci půd, voda se stává nedostupnou.

Při řešení této problematiky vůbec nejde o to, zda půda je využívána zemědělským či lesním hospodářstvím, nýbrž o to, aby v daném regionu byla koncipována taková soustava, v níž uspořádání zemědělského a lesního fondu již nebude náhodnou veličinou, ale bude utvářet unitární soustavu zemědělského, lesního a vodního hospodářství (USZLVH), jejíž teritoriální a vnitřní struktura bude odpovídat hydrogeomorfologickým zákonům daného biosférického pásma.

Zjištěné výsledky byly získány s finanční pomocí grantu MSM 600765806.

Autoři:

prof. Ing. Karel Kudrna, DrSc.

Ing. Marie Šindelářová, CSc.

Zemědělská fakulta JČU

E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.