VÝZKUM VZTAHU GLOBÁLNÍ ZMĚNY KLIMATU A LESNÍCH POROSTŮ V ČR

O. Urban, R. Pokorný - Laboratoř ekologické fyziologie lesních dřevin, ÚEK AV ČR

Globální změna klimatu je v současnosti nepochybně jednou z nejvíce diskutovaných otázek životního prostředí. Změnou klimatu obecně rozumíme dlouhodobou změnu vyvolanou jakýmkoliv vnějším či vnitřním faktorem, včetně změn způsobených lidskou činností. V Rámcové úmluvě OSN se změnou klimatu rozumí změna vyvolaná přímo nebo nepřímo lidskou činností, která vede ke změnám atmosféry v globálním měřítku a představuje přídavek k přirozené proměnlivosti (variabilitě) klimatu.

K nejaktuálnějším celosvětovým ekologickým problémům patří zesilování tzv. skleníkového jevu, jež je dáno nárůstem koncentrace plynů přítomných v atmosféře vlivem lidské činnosti, tzv. skleníkové plyny antropogenního původu.V průběhu posledních 20 let došlo k nahromadění důkazů svědčících o postupné změně globálního klimatu a jeho úzké souvislosti s lidským zásahem do přirozeného cyklu skleníkových plynů (IPCC, 2001), zejména oxidu uhličitého (CO2). Od počátku 20. století dochází v souvislosti s procesy spalování fosilních paliv a změnou využívání krajiny, spojenou zejména s intenzifikací zemědělské produkce a odlesňováním, k prudkému nárůstu koncentrace těchto plynů. Celková roční produkce uhlíku způsobená spalováním fosilních paliv byla v devadesátých letech odhadována na 6,3 gigatun (GtC=109 tC). Ve stejném období došlo k odlesnění asi 16,1 miliónů hektarů lesa, zejména v oblasti tropů, což vedlo k uvolnění celkového množství uhlíku ve výši 1,6 GtC za rok (FAO, 2001). Po odečtení uhlíku poutaného světovým oceánem (asi 2,1 GtC) a suchozemskou vegetací (asi 2,5 GtC) zůstává v atmosféře každoročně o 3,3 GtC více (IPCC, 2000).

UHLÍKOVÝ SINK

Evropské lesy jsou podle současných odhadů schopny zpětně poutat 40 až 700 mil. tC za rok, což odpovídá 20 % celkových emisí CO2 vyprodukovaných v zemích Evropské unie (EU). Z uvedeného vyplývá, že lesní porosty mají významnou roli úložiště neboli sinku v globálním cyklu uhlíku. Pojmem “uhlíkový sink” je v tomto případě myšlen jakýkoliv proces či mechanismus, který vede k odjímání CO2 z atmosféry. Rostlinná vegetace a zejména lesní porosty - díky své rozloze a dlouhověkosti - představují významné úložiště uhlíku.

Z důvodů správného ohodnocení uhlíkové bilance, úložišť uhlíku, sladění a přenesení výsledků lokálních měření až na úroveň globálních atmosférických modelů byl založen projekt CarboEurope podporovaný EU. Tento projekt sdružuje 69 institucí z 15 evropských zemí. Cílem projektu je rovněž vytvoření doporučení a praktických postupů pro pěstování lesů s ohledem na jejich funkci uhlíkového sinku, ve smyslu závěrečných doporučení celosvětových konferencí (Rio de Janeiro /1992/, Kjóto /1997/ a Marakéš /2001/).

V rámci programů spolupráce EU se zeměmi střední Evropy byla v roce 1992 do evropských projektů začleněna Laboratoř ekologické fyziologie lesních dřevin Ústavu ekologie krajiny Akademie věd ČR. Tato laboratoř na Experimentálním ekologickém pracovišti Bílý Kříž v Moravskoslezských Beskydech sleduje vliv globálních klimatických změn, zejména nárůstu koncentrace CO2, v rámci České republiky a posuzuje schopnost lesních porostů poutat vzdušný uhlík.

Řešení těchto úkolů vyžaduje zkoumání v časovém i prostorovém měřítku. Časové měřítko zahrnuje rychlé biofyzikální a chemické změny v řádu jednotek sekund, ale i změny lesních ekosystémů v řádu stovek let. Prostorové měřítko zahrnuje škálu od buněčných organel přes jednotlivé stromy a porosty až po úroveň celkové suchozemské biosféry. Na základě výsledků těchto měření jsou vytvářeny modely chování jednotlivých ekosystémů v daných klimatických podmínkách. Aby bylo možné správně předpovědět změny v chování těchto ekosystémů v budoucnu, je nutné doplnit tyto modely o výsledky tzv. účinkových (impaktových) studií. Tedy experimentů, které obecně simulují změnu vybraného faktoru vnějšího prostředí, v tomto případě nárůstu koncentrace CO2.

JAK REAGUJÍ DŘEVINY NA ZVÝŠENÍ KONCENTRACE CO2?

Obraťme naši pozornost na přímou interakci mezi atmosférickou koncentraci CO2 a rostlinami. Ta spočívá v procesu fotosyntézy. Vzhledem k tomu, že CO2 je vstupní látkou tohoto procesu, lze očekávat, že zvýšená koncentrace CO2povede ke zvýšení rychlosti jeho asimilace, což se projeví ve zvýšeném růstu a produkci biomasy. Nárůst koncentrace CO2 vede rovněž k uzavírání průduchů, které ovlivňuje nejen jeho přísun do listu, ale i výdej vodní páry listem do okolního prostoru.

Pro dlouhodobé pěstování dřevin v atmosféře obohacené o CO2 se nejčastěji používají speciální růstové komory, větvové vaky nebo komory s otevřeným vrchem, které se liší různou mírou tzv. komorového efektu. V posledních letech se rozšířilo používání systémů volné atmosféry obohacené v prostoru o CO2, kdy se plyn aplikuje přímo do otevřeného lesního porostu, nebo využívání přírodních zdrojů zvýšené koncentrace CO2. Výhodou těchto postupů je plné odstranění komorového efektu. Pro dlouhodobou simulaci účinků atmosféry se zvýšeným obsahem CO2 na porosty smrku na Bílém Kříži se používají tzv. lamelové minisféry (viz obr. 1).

Smrk a vyšší obsah CO2

Jaké jsou konkrétní výsledky pěstování smrku ztepilého v atmosféře s dvojnásobnou koncentrací CO2? Krátkodobá aplikace (dny až týdny) způsobuje průkazné zvýšení rychlosti příjmu CO2 fotosyntézou, a to o 20 až 300 %. Ačkoli rychlost příjmu CO2 u rostlin dlouhodobě (měsíce až roky) adaptovaných na zvýšení jeho obsahu v atmosféře je velice variabilní, je možné převážně konstatovat jeho pozitivní (stimulační) efekt na rychlost fotosyntézy. Byly však rovněž popsány případy, kdy rychlost příjmu CO2 dosahuje hodnot nižších než u rostlin pěstovaných v přirozené koncentraci CO2. Tento stav se nazývá aklimační deprese asimilace. Míra tohoto poklesu je různá pro odlišné rostlinné druhy a pohybuje se v intervalu až do 55 %. Trvalé udržení vysokých rychlostí fotosyntézy ve zvýšené koncentraci CO2 je možné v případě, kdy vytvářené asimiláty jsou spotřebovávány na tvorbu nových pletiv, internodálních větví, sekundárního větvení nebo nových kořenů. U listnatých stromů je to rovněž listová plocha, která je každoročně nahrazována. V opačném případě dochází ke snižování stimulačního efektu zvýšené koncentrace CO2 na rychlost fotosyntézy a tím k menšímu ukládání uhlíku.

Z porovnání velkého množství výsledků dosažených na různých druzích dřevin vyplývá, že listnaté stromy mají obecně vyšší schopnost dlouhodobě profitovat ze zvýšené koncentrace CO2 v porovnání s jehličnany.

Významným pozitivním vlivem je zvýšení míry efektivnosti využití vody, která je dána sníženou transpirací listů. To znamená, že nárůst biomasy následující po období sucha je vyšší u rostlin pěstovaných při vyšších koncentracích CO2.

Doprovodné jevy změny koncentrace CO2

Změna koncentrace CO2 přináší s sebou rovněž požadavky na vyšší míru minerální výživy, zejména dusíkem. Bylo prokázáno, že nedostatek dusíku výrazně prohlubuje aklimační depresi fotosyntézy. Může však docházet i k nepřímým komplikacím ve výživě rostlin. Stromy pěstované ve zvýšené koncentraci CO2 se vyznačují výrazným nárůstem kořenového systému, zejména jehličnany. Odumírající kořeny obsahují značné množství cukrů, čímž stimulují aktivitu půdních heterotrofních mikroorganismů. Jejich růst vyžaduje rovněž dusík, který je tak odčerpáván z půdy a není k dispozici rostlině.

Hromadící se asimiláty (cukry, škroby) v listech mohou vyvolat vyšší výskyt škůdců, převážně savého hmyzu (svilušky, korovnice, puklice, mšic apod.).

Smrk ztepilý ve stádiu mlaziny pěstovaný v řídkém sponu (hustota 5 tis.ha-1) reaguje větší měrou na zvýšenou vzdušnou koncentraci CO2, a to pozitivním nárůstem nadzemní biomasy, listové plochy i tloušťkovým přírůstem kmene v porovnání s hustou výsadbou (hustota 10 tis.ha-1). Nebyl však shledán zásadní vliv zvýšené vzdušné koncentrace CO2 na počáteční fázi rašení pupenů.

Vliv CO2 na celé porosty

Jak již bylo zmíněno, pro správné ohodnocení schopnosti lesních ekosystémů jako uhlíkových sinků, jsou nutná měření na úrovni celých lesních porostů, případně jejich částí. Jednou z moderních metod přímého stanovení schopnosti ekosystémů asimilovat a dlouhodobě ukládat uhlík je metoda vířivé kovariance. Tato metoda umožňuje stanovit primární produkci lesního porostu, efektivitu konverze CO2 do biomasy, efektivitu využití vody při tvorbě biomasy a společně se znalostí množství sluneční radiace vstupující do porostu také efektivitu jejího využití pro tvorbu biomasy. Metoda je založena na kontinuálním měření směru a rychlosti proudění vzduchu pomocí trojosého ultrasonického anemometru a stanovení okamžité koncentrace CO2 a vodní páry na základě infračervené spektroskopie. To umožňuje kvantifikovat celoroční uhlíkovou bilanci mezi studovaným ekosystémem a přilehlou vrstvou atmosféry, tedy vyčís-lit celkové množství uhlíku asimilovaného při fotosyntéze a transformovaného do biomasy a zpětně uvolněného do atmosféry v respiračních procesech (viz obr. 2).

LESNÍ POROSTY A VÝROBKY ZE DŘEVA JAKO FIXÁTORY UHLÍKU

Zvyšují-li se zásoby uhlíku v ekosystému, například opětovným zalesněním, změnou druhové skladby či pěstebním opatřením, dochází k odebírání CO2 z atmosféry. Avšak nově založený lesní porost plní úlohu uhlíkového sinku pouze v případě stálého nárůstu zásob uhlíku v ekosystému, ukládaného nejen v živé biomase rostlin, ale i v opadu a ve svrchních půdních horizontech. Postupně je tak dosaženo horní hranice, kdy ztráty uhlíku, tzv. negativní uhlíková bilance, způsobené zejména respirací, odumíráním, požáry, škůdci či těžbou nebo jiným hospodářským zásahem, převyšují schopnost fotosyntetické asimilace CO2. Vytěžené dřevo ve formě výrobků může hrát rovněž roli sinku, dokud jejich znehodnocení nepřesáhne přísun výrobků nových.

Jak lesní porost, tak výrobky z něj získané mají velký význam jako uhlíkový sink, jeho kapacita pro odjímání CO2 z atmosféry však není nekonečná, a tudíž nemohou plnit úlohu soustavného sinku (viz obr. 3A, 3B). Lesní porosty s daným obmýtím pěstované pro komerční produkci dřeva mají obecně nižší schopnost vázat uhlík v porovnání s tzv. “Kjóto porosty”, tedy porosty pěstovanými ve snaze maximálně využít jejich kapacity uhlíkového sinku. Jak vyplývá z obrázků 3A a 3B, oba tyto typy porostů mohou představovat aktivní uhlíkový sink. Zjevné rozdíly jsou však v konečném množství uloženého uhlíku a rovněž časovém horizontu, kdy je tohoto dosaženo.

Pracovníci Mezinárodní agentury pro energii (IAE) se pokusili vypočítat, kolik nově založené lesní plochy je potřebné k zpětné absorpci CO2 uvolněného během 30 let z tepelné elektrárny o výkonu 30 MW, jejíž roční produkce CO2 se pohybuje mezi 85 a 150 tis. t v závislosti na druhu fosilního paliva. Z výpočtů vyplývá, že by bylo zapotřebí asi 10 až 18 tisíc hektarů nově založeného lesa komerčního typu (viz. obr 3B), nebo asi 5000 hektarů nově založeného lesa dále pěstovaného s ohledem na uhlíkový sink (Obr. 3A). Za těchto okolností by absorpce uvolněného CO2 trvala v rozmezí 40 - 80 let (IEA, 2001).

ZÁVĚR

Jak rozsáhlá je tedy schopnost uhlíkových sinků v biomase snižovat emise skleníkových plynů? Budou lesní porosty schopny pojmout veškerou produkci CO2? I když se v příštích 50 až 100 letech předpokládá stimulace uhlíkových sinků v biomase rostlin, celosvětový potenciál uhlíkového sinku suchozemské vegetace se odhaduje na 60 až 87 GtC (tj. 1,2 až 1,7 GtC za rok), což však představuje pouze 7-15 % předpokládaných emisí fosilních paliv v období let 2000 až 2050 (IPCC, 2000). Rozsah uhlíkových sinků má své ekologické i praktické hranice a zejména lesní porosty se mohou stát paradoxně významnými zdroji atmosférického CO2. S ohledem na uvedené skutečnosti je zřejmé, že lesní porosty mají velkou schopnost odjímat CO2 z atmosféry a ukládat jej dlouhodobě v celém svém ekosystému. Konečná míra uloženého uhlíku v ekosystému či výrobcích ze dřeva úzce závisí na hospodářsko-pěstebních opatřeních. Lesnická praxe má tedy ve svých rukou silný nástroj k tomu, aby napomohla snížit riziko globálních změn klimatu plynoucí z nárůstu skleníkového efektu.

Příspěvek byl vypracován v souvislosti s řešenými projekty Grantové agentury Akademie věd S6087005 a MŽP VaV/740/1/00.

Použitá literatura k nahlédnutí u autora příspěvku.

Adresa autorů:
Otmar Urban, Radek Pokorný
Laboratoř ekologické fyziologie lesních dřevin, Ústav ekologie krajiny AV ČR, Poříčí 3b,
635 00 Brno