Zvláštní číslo

Ochrana přírody 2009 — 1. 9. 2009 — Zvláštní číslo

Výzkum účinků globální změny klimatu na úrovni ekosystémů

Autor: Michal V. Marek

Koloběh uhlíku je pro biosféru zásadní, neboť je neoddělitelně spjat s podnebím, koloběhem vody a živin a s produkcí biomasy na souši i v oceánech. Je vhodné připomenout, že právě uhlík je jednou z nejdůležitějších křižovatek neživého a živého světa. Prostřednictvím fotosyntézy se anorganický uhlík stává součástí organických molekul uhlovodíků, které jsou základní kostrou všech organických sloučenin. Správné pochopení globálního koloběhu uhlíku je proto zásadní pro porozumění historii naší planety, její osídlení lidmi a hlavně pro předpověď a usměrňování společné budoucnosti prostředí i člověka.

Ovlivňování globálního cyklu uhlíku člověkem probíhá již tisíce let. Člověk na něj působí zemědělskou činností, lesnictvím, průmyslovou a energetickou výrobou a dopravou. Ovšem až za dvě poslední uplynulá století jsou antropogenní emise vzdušného uhlíku sledovatelné v měřítku přirozených uhlíkových toků.To, že globální klimatické změny jsou především důsledkem lidské činnosti, dokládá řada literárních údajů, které zachycují nárůst globální koncentrace CO₂a ostatních skleníkových plynů od poloviny 18. století. V této době činila koncentrace CO₂v atmosféře 270–280 mmol mol^-1, zatímco současná koncentrace CO₂dosahuje 382 mmol mol^-1, tedy o 35% více v porovnání s předindustriálním obdobím, tj. s obdobím před rokem 1750. Tehdy v Anglii začala průmyslová revoluce a s ní období rychlého průmyslového růstu spojeného s masivním využíváním fosilních paliv. Značná je i dynamika ročních nárůstů koncentrace CO₂v atmosféře. Zatímco v období 1970–1979 činil tento roční nárůst 1,3 mmol mol^-1,v letech 2000–2006 to bylo 1,9 mmol mol^-1.

Eddy-kovariační systém pro měření toků uhlíku umístěny nad smrkovým porostem v lokalitě Bílý Kříž v Moravskoslezských Beskydech.

Foto K. Pavelka

Člověkem je do ovzduší ročně uvolňováno asi 8 Gt uhlíku. Z tohoto množství je sice 5 Gt přímo zpětně pohlceno suchozemskými ekosystémy a oceány, přesto však koncentrace CO₂v ovzduší vzrůstá tempem asi 1,5 ppm za rok. Tento vývoj urychlil zpětnou vazbu globálního uhlíkového cyklu, která společně s antropogenním navyšováním množství dalších skleníkových plynů bude mít závažný dopad na budoucnost Země. Mezivládní panel pro změnu klimatu (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) dospěl k závěru, že klimatická změna je s velkou pravděpodobností důsledkem zesíleného skleníkového efektu atmosféry se souvisejícími dopady na ekosystémy a bio­diverzitu (Parry et al.2007, Solomon et al. 2007).

Současná měření ukazují, že suchozemská (terestrická) biosféra pohlcuje více atmosférického uhlíku než uvolňuje. V 80. letech 20. století dosahovala terestrická absorpce 1,9 Gt uhlíku za rok, zatímco v 90. letech vzrostla na 2,3 Gt uhlíku za rok, prostorové a časové rozmístění tohoto sinku je však prakticky neznámé (Houghton et al.2001). Uvedená čísla se mohou z roku na rok lišit. Vzhledem k tomu, že emise fosilních paliv meziročně kolísají v rozmezí méně jak 4 % a oceánický koloběh uhlíku je dosti stabilní, lze vyvozovat, že většina meziroční variability toků CO₂souvisí právě s jeho suchozemským cyklem.

Terestrický uhlíkový cyklus je významně určován meziroční proměnlivostí počasí (Miller 2008). Obecně může platit, že vliv teploty je významný v pásu severského lesa (tajgy) a případně i mírném pásu, ve Středomoří představuje limitující činitel množství srážek. V České republice můžeme zobecnit, že v lesních vegetačních stupních pod 4. stupněm převažuje vliv nedostatku srážek, zatímco nad 4. lesním vegetačním stupněm limituje produkci lesů teplota. Výsledné účinky reakcí fotosyntézy nebo dýchání (respirace) na změny příkonu sluneční radiace, teploty i srážek se však v tocích uhlíku liší. Také různé ekosystémy reagují na vnější podněty různě. Proto i krátkodobý výkyv počasí během vegetační sezony může v určité oblasti neočekávaně způsobit významnou změnu celkové roční sekvestrace uhlíku.

Předpokládá se, že k nejvýznamnějším místům příjmu uhlíku patří oblasti lesů mírného pásu severní polokoule. Avšak toto tvrzení může být s ohledem na značné rozdíly výsledků, získaných různými metodami a metodickými přístupy, velice kontroverzní. Např. na základě metod inventarizace lesa byl v členských státech Evropské unie stanoven roční záchyt uhlíku ve výši 0,1 Gt, výsledky vycházející z lokálních měření toků uhlíku však hovoří o 0,4 Gt zachyceného uhlíku a z měření koncentrací uhlíku v atmosféře vyplývá hodnota 0,7 Gt (Lindner et al.2004, Ciais et al.2008, Dolman et al.2008, Kauppi et al.2008, Nabuurs et al.2008).

I přes výše citované nesrovnalosti závěrů vědeckých výzkumů je prokázáno, že v posledních desetiletích evropská lesní deponia (úložiště) uhlíku vykazují zřetelnou vzrůstající tendenci. Určující faktory tohoto trendu jsou zřejmě spojeny s přihnojováním přirozených i umělých ekosystémů jak zvyšujícím se obsahem dusíku v atmosféře, tak i oxidu uhličitého. Další pozitivní faktory zahrnují změny využívání území, změny hospodaření v lesích spojené se změnami věkové struktury, s celkovým ozdravěním lesů v důsledku významného poklesu znečištění ovzduší a možná také převládající pozitivní reakce ekosystémů na evropském kontinentu na vlastní změnu klimatu (EEA 2008).

Jak bylo uvedeno, terestriální biota (živá složka suchozemských ekosystémů) v současné roční bilanci zadrží okolo 2,3 Gt uhlíku. Toto zadržené množství přibližně vyrovnává ztrátu uhlíku způsobenou odlesňováním tropických lesních ploch. Při odlesňování se ročně do ovzduší dostává přibližně 2,0 Gt uhlíku. Současné poznatky dokládají, že hospodářské lesy ročně zachytávají na 6 tun uhlíku/ha. Také původní sibiřské lesy, stejně jako amazonské pralesy dnes zachytí ročně přibližně stejné množství uhlíku jako lesy hospodářské, i když se předpokládalo, že uhlíková bilance těchto klimaxových ekosystémů se blíží nule (Luyssaert et al.2008). Podmínky rovnováhy těchto ekosystémů však byly narůstající koncentrací CO₂v atmosféře změněny.

Suchozemské, především lesní ekosystémy jsou potenciálními „úložišti“ atmosférického uhlíku. Suchozemské ekosystémy v porovnání s oceány sice představují malé „úložiště – deponium“ uhlíku v porovnání s oceány, ale roční toky uhlíku mezi povrchem terestrických ekosystémů a ovzduším jsou srovnatelné s toky mezi oceány a atmosférou. Navíc nejméně 20 % molekul uhlíku v atmosférickém CO₂ se ročně vyměňuje právě mezi atmosférou a suchozemskou ­biotou.

Proč vůbec mají lesní porosty tak významnou úlohu v globálním suchozemském cyklu uhlíku? Uvedená skutečnost je dána především podílem rozlohy lesů na celkové ploše suchozemských ekosystémů, která podle současných odhadů činí asi 4,1 ´ 10⁹hektarů, a množstvím deponovaného uhlíku v lesní vegetaci a půdách, které činí 1 146 Pg C, přičemž asi 37 % je fixováno v lesích tropického pásma. Dlouhověkost je příčinou toho, že se v lesích na jistou dobu ukládá značná část uhlíku. Mimo depozit ve stromech je nesmírně významný i depozit uhlíku v lesních půdách (Naaburs et al.l.c.). Můžeme se tedy na lesní ekosystémy, porosty lesních dřevin, oprávněně dívat jako na obrovskou soustavu pump, která dopravuje vzdušný uhlík z atmosféry do biomasy, půdy, a naopak jej dýcháním a uvolňováním z půdy do ovzduší vydává.

Připomeňme, jak je důležitá rovnováha mezi pumpováním uhlíku do lesního ekosystému a výdej uhlíku z lesa do ovzduší. Celosvětový suchozemský cyklus uhlíku tvoří toky CO₂mezi globálním ekosystémem a atmosférou. Tyto toky přímo odrážejí okamžitou bilanci mezi difuzí CO₂do listů při fotosyntéze a difuzí CO₂z pletiv a půdy při jeho produkci v autotrofním a heterotrof­ním dýcháním. V této souvislosti hovoříme o čisté ekosystémové výměně uhlíku (NEE). V delším časovém měřítku se jedná o bilanci mezi procesy nárůstu množství uhlíku v ekosystému (fotosyntéza, přírůst biomasy, hromadění uhlíku v půdě) a procesy uvolňování uhlíku (autotrofní respirace, mikrobiální rozklad opadanky, oxidace půdního uhlíku, poškozování a ničení lesa): proto hovoříme o čisté produkci ekosystému (NEP).

Obr. 1 Závislost čistého příjmu CO₂ lesním ekosystémem (NEE) na intenzitě dopadající fotosynteticky aktivní radiace (PAR). Červené body představují hodnoty toku CO₂naměřené eddy-kovariační metodou během jasných dnů, modré hodnoty toku CO₂naměřené ve dnech s difuzní radiací.

Jak bylo uvedeno,NEE je okamžitou bilancí asimilačních a disimilačních procesů. V daný okamžik je určité množství vzdušného uhlíku rostlinou pohlceno a současně je určité množství uhlíku v důsledku auto­trofního i heterotrofního dýchání uvolněno. Rychlost příjmu uhlíku při asimilačních procesech je možné vyjádřit jako rychlost hrubé asimilace ekosystému (P_E). Rychlost disimilačních procesů, ale i respirační ztrátu uhlíku v ekosystému popíšeme jako respiraci ekosystému (R_E).

Pro lesní porost můžeme NEE vyjádřit vztahem:

NEE = P_E+ R_E

Při vyčíslení toků CO₂mezi biosférou a atmosférou se tok uhlíku do ekosystému obvykle vyjadřuje zápornou hodnotou. Proto jsou ve výše uvedeném vztahu hodnoty P_Ezáporné. Ztráty porostu způsobené dýcháním mají opačný směr toku, jsou vyčísleny kladnými hodnotami. Z hlediska absolutních hodnot jednotlivých toků je tedy NEE vlastně rozdílem P_Ea R_E. Hodnoty NEE jsou záporné, převládá-li asimilace nad disimilací, uhlík teče do porostu.

Výzkum toků uhlíku do lesních ekosystémů je uskutečňován na Experimentálním ekologickém pracovišti (EPBK) Bílý Kříž, které se nachází v lokalitě Bílý Kříž v Moravskoslezských Beskydech v nadmořské výšce 973 m. Bylo založeno v roce 1987 a v roce 2002 bylo Evropskou komisí, Generálním ředitelstvím pro výzkum se sídlem v Bruselu vybráno jako jediná evropská výzkumná infrastruktura ekologického výzkumu. Provozovatelem EPBK je Laboratoř ekologické fyziologie lesních dřevin Ústavu systémové biologie a ekologie AV ČR, v.v.i. Podstatná část výzkumu probíhá díky finanční podpoře projektů 5. rámcového programu Evropského společenství (ES) pro výzkum a vývoj CARBOEUROPE a ESFRI infrastruktura ICOS. Domácí podporu zajišťovalo Ministerstvo životního prostředí (projekt Czech­Carbo – kolektiv 2007).

Nejrozšířenějším způsobem stanovení přímých toků energie a látek (CO₂) mezi porosty a atmosférou zůstává metoda vířivé kovariance, která je založena na měření projevů vzdušných vírů (turbulence). Principem je, že vertikální tok jakékoliv skalární veličiny (veličina, která je s ohledem na zvolenou jednotku plně určena jediným číselným zdrojem) v ovzduší, např. obsahu CO₂nebo H₂O, je součtem průměrného svislého (vertikálního) toku a jeho kolísání (fluktuací). V podstatě se jedná o souběžné měření rychlosti a směru jednotlivých vírů vzduchu a s nimi spojených okamžitých koncentrací CO₂a vodní páry. Kovarianční metoda umožňující dlouhodobá měření turbulentních toků energie a látek mezi porostem a přízemní vrstvou atmosféry poskytuje souvislé a okamžité informace o ekosystémech, jejich reakci na narušení prostředí a také vyčísluje faktory, které způsobují proměnlivost ročních toků (obr. 2 a 3). Jedná se o nejmodernější přístup aplikovatelný na celé porosty lesních dřevin, umožňuje vyhodnotit údaje z více zdrojů a velice přesně v denních chodech sledovat výměnu pohybové energie, zjevného a skrytého (latentního) tepla, vodní páry a oxidu uhličitého mezi porostem a přízemní vrstvou atmosféry. Pomocí něho dokážeme stanovit primární produkci lesního porostu, účinnost konverze CO₂do biomasy a využití vody při tvorbě biomasy a spolu se znalostí vstupu fotosynteticky aktivního záření (radiace) do porostu také účinnost využití slunečního záření pro tvorbu biomasy (Marková et al.2008, Urban et al.2007, 2008). Jde tedy o přímé propojení fyzikálních výzkumů v podmínkách skutečného lesního porostu s produkční ekologií lesa.

Obr. 2 Roční bilance položek, kdy lesní porost skutečně „pumpuje“ CO₂z atmosféry, je tedy uhlíkovým „sinkem“, či CO₂vydává v důsledku dýchání, tlení apod.

Obr. 3 Sezonní toky uhlíku v jednotlivých hodinách dne do smrkového lesního porostu. Barevná škála určuje situaci, kdy je uhlík do porostu „pumpován“ a kdy je naopak z porostu vydáván.

Rychlost pumpování atmosférického uhlíku je závislá na množství zachyceného světelného záření Slunce, které dodává energii fotosyntetické asimilaci. Uvedenou závislost přibližuje tzv. světelná křivka NEE. Je zajímavé, nakolik se odlišuje rychlost NEE ve dnech s přímým slunečním ozářením a dnech, kdy je zataženo a převládá difuzní sluneční radiace. Difuzní záření proniká hlouběji do korun stromů, je tedy osvícena větší část asimilačního aparátu a aktivně poutá vzdušný uhlík (Pavelka et al.2008, obr. 1).

Dynamika příjmu/výdeje CO₂mezi lesním porostem a ovzduším má zřetelný sezonní charakter, tedy období příjmu v závislosti na sezonním rozvoji asimilační aktivity a dynamiky respirace v lesním porostu (obr. 3). Konečná bilance je pak dána poměrem období, kdy lesní porost je úložištěm uhlíku a kdy naopak uhlík vydává (obr. 2).

Závěr

Lesy ve střední Evropě mají pro koloběh uhlíku značný význam. Výzkum toků uhlíku do lesních ekosystémů pomáhá nejen zlepšovat naše znalosti o jejich produkční ekologii a ekofyziologii rostlin, ale i o možnostech, jak rozumným způsobem snižovat koncentrace CO₂ v ovzduší.

Michal V. Marek je ředitelem Ústavu systémové biologie a ekologie Akademie věd České republiky, v.v.i., Brno a profesorem Mendelovy zemědělské a lesnické univerzity Brno

Literatura

Ciais P., Schelhaas M. J., Zaehle S., Piao S., Cescatti A. et al. (2008): Carbon accumulation in European forests. Nature Geoscience1: 425-429. – Dolman a. j., Valentini R. & Freibauer A. eds. (2008): The continental scale greenhouse gas balance of Europe. Springer New York, 390 pp. – EEA (2008): Impacts of Europe’s changing climate – 2008 indicator-based assessment. Joint EEA-JRC-WHO publication. Office for Official Publications of the European Communities Luxembourg, 246 pp. – Houghton J. T., Ding Y., Griggs D. J., Nogver M., Linden van der P. J., Dai X., Maskell K. & Johnson C. A. eds. (2001): Climate change 2001: The scientific basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press Cambridge, 881 pp. – Kauppi P. E., Saikku L. & Rautianen A. (2008): The sustainability challenge of meeting carbon dioxide targets in Europe by 2020. Energy Pol.36: 730-742. – kolektiv (2007): Závěrečná zpráva řešení projektu VaV/640/18/03 Czech-Carbo – studium cyklu uhlíku v terestrických ekosystémech České republiky. Ústav systémové biologie a ekologie AV ČR Brno, IFER – Ústav pro výzkum lesních ekosystémů Jílové u Prahy a Ústav pro hospodářskou úpravu lesa Brandýs nad Labem, 282 pp. – Lindner M., Lucht W., Bourlaud O., Green T. & Jansens I. A. eds. (2004): Specific study on forest greenhouse gas budget. CarbonEurope GHG Report SS1. University of Tuscia, Italy, 62 pp. – Luyssaert S., Schulze E.-D., Börner A., Knohl A., Hessenöller D. et al. (2008): Old-growth forests as global carbon sinks. Nature 455: 213-215. – Marková I., Janouš D. & Marek M. V. (2006): Total net radiation of the mountain Norway spruce stand at the locality Bílý Kříž (Czech Republic). Ekológia (Bratislava)25: 352-365. – Miller J. (2008): Carbon cycle: Sources, sinks and seasons. Nature451: 140-150. – Nabuurs G. J., Thurig E., Heidema N., Armolaitis K., Biber P. et al. (2008): Hotspots of the European forests carbon cycle. Forest Ecol. Manage.256: 194-200. – Parry M. L., Canziani O. F., Palutikof J. P., Linden van der P. J. & Hanson C. E. eds. (2007): Climate change 2007: Impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of Working Group II to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press Cambridge, 1000 pp. – Pavelka M., Acosta M., Pokorný R., Janouš D. & Marek M. (2008): Seasonal variation in CO₂afflux of stems and branches of Norway spruce trees. Ann. Bot.101: 469-477. – Solomon S., Qin D., Manning M., Chen Z., Marquis M., Averyt K. B., Tignor M. & Miller H. L. eds. (2007): Climate change 2007: The physical science basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press Cambridge, 916 pp. – Urban O., Kalina J., Pokorný R., Špunda V. & Marek M. (2008): Působení oxidu uhličitého na fyziologické procesy dřevin. Eko 17 (6): 16-19. – Urban O., Janouš D., Acosta M., Czerný R., Marková I. et al. (2007): Ecophysiological controls over the net ecosystem exchange of mountain spruce stand. Comparison of the response in direct vs. diffuse solar radiation. Global Change Biol.13: 157-168.

Lapání (sekvestrace) uhlíku není nic jiného, než snaha zpomalit vytváření skleníkových plynů tím, že je oxid uhličitý udržován mimo ovzduší jako plyn či jeho uhlíková složka. Jakýkoli proces, činnost nebo mechanismus, který odstraňuje z ovzduší skleníkový plyn, aerosol nebo látky (perkusory), z nichž skleníkové plyny či aerosoly vznikají, označujeme jako sink.Pro ekosystémy, které na rozdíl od zdrojů skleníkových plynů uhlík z ovzduší odebírají, se vžilo označení místa propadu uhlíku v biosféře, úložiště (deponia) nebo zásobníky uhlíku či místa záchytu, příjmu nebo lapání tohoto biogenního plynu. Uhlík se dostává zpátky do atmosféry především dýcháním rostlin, rozkladem organické hmoty v půdě nebo lesními požáry: zdaleka nejvíce CO₂ uvolňují do ovzduší sopečné výbuchy a dýchání mořské bioty.

Co dokáže jeden hektar horského smrkového porostu v České republice?

• na 1 ha porostu je rozložena plocha 22 ha jehličí, která zachytí více než 90 % dopadajícího slunečního záření
• v biomase lesa se uloží asi 2 % dopadající energie. Za vegetační sezonu je takto jediným hektarem zachycena energie odpovídající 8 t hnědého uhlí
• 1 ha porostu vyprodukuje 10 t kyslíku za rok, což je množství kyslíku dostačující na rok pro 38 lidí
• na 1 ha je uloženo:

– 44 t suchého dřeva v kmenech (současný roční přírůst 4 t)

– 20 t suchého dřeva ve větvích (současný roční přírůst 2 t)

– 22 t sušiny jehlic (současný roční přírůst 2 t)

• porost na 1 ha pohltí tolik oxidu uhličitého (CO₂), kolik vyprodukuje osobní auto, když ujede 90 000 km (15 t CO₂)
• za jasného dne 1 ha porostu přečerpá a odpaří až 40 000 litrů vody
• za jasného dne se chladící výkon jednoho smrku ztepilého rovná výkonu 10 ledniček

V červnu 2009 uveřejnila u příležitosti Světového dne životního prostředí odborná instituce Programu OSN pro životní prostředí (UNEP), Světové informační středisko ochrany přírody (WCMC), zprávu o úloze hlavních typů ekosystémů při zachycování uhlíku (Trumper et al.2009). Autoři v ní mj. upozorňují, že lesy mírného pásu ukládají více uhlíku než vydávají do ovzduší a že se v této části světa podařilo do značné míry zastavit velkoplošné odlesňování. Celková zásoba uhlíku se v lesích mírného pásu odhaduje na 150–320 t/ha, přičemž 60 % této hodnoty připadá na rostlinnou biomasu, zejména na nadzemní dřevní hmotu a kořenový systém rostlin. Zbytek uhlíku je v evropských lesích vázán v půdě. Odhadujeme, že evropské lesy pohlcují 7–12 % emisí uhlíku produkovaných na našem kontinentě. Pokračující zalesňování a zlepšená péče o les by mohly příjem uhlíku evropskými lesními ekosystémy krátkodobě ještě zvýšit.

Trumper K., Bertzky M., Dickson B., van der Heijden G., Jenkins M. & Manning P. (2009): The natural fix? The role of ecosystems in climate change mitigations. A UNEP Rapid Response Assessment. UNEP-World Conservation Monitoring Centre Cambridge, U.K., 65 pp.