Dálkový průzkum krušnohorských lesů

Co je dálkový průzkum Země ¹⁾ a k čemu slouží? Je to jedna z metod, jíž lze získávat informace o objektech a jevech na zemském povrchu. Co se touto metodou měří? Elektromagnetické záření odražené, ale i emitované zkoumaným objektem. Průzkum lze provádět ze zemského povrchu (například z vysokého kopce), z letadla nebo z družice na oběžné dráze Země. Přístroje, které se k tomuto průzkumu používají, např. skenery, mohou získávat informace v oblastech elektromagnetického spektra, na něž není citlivé lidské oko ani fotografický film. Takový způsob pozorování zemského povrchu lze využít mimo jiné v přírodovědeckém výzkumu, např. v ochraně životního prostředí, botanice a také v lesnictví, kde slouží ke klasifikaci lesních ekosystémů, k hodnocení škod způsobených požáry či k zkoumání zdravotního stavu lesních porostů. Využívá se také k sledování úbytku stromů zaviněného lidskými činnostmi, ať již v důsledku přímé těžby lesa nebo v důsledku vzdušného znečištění.

Protože digitální skenery v družicích „zviditelňují neviditelné“ podobně jako mikroskopy, ale zároveň umožňují pohled na velkou oblast najednou, můžeme jim říkat „makroskopy“. Přírodovědci studují rostliny na různých úrovních, počínaje mikroskopickými detaily (např. řezy smrkovými jehlicemi), tato data však mohou vztáhnout na makroskopickou úroveň (např. na celé smrkové porosty) a využít je k hodnocení celkového zdravotního stavu lesa. V uplynulém desetiletí byl tímto komplexním způsobem zkoumán zdravotní stav smrčin v Krušných horách.²⁾

Krušnohorské porosty smrku ztepilého (Picea abies) začaly chřadnout již dávno. První velkoplošné poškození zdejších lesů bylo zaznamenáno již r. 1947. V padesátých až osmdesátých letech 20. století byly Krušné hory vystaveny vysokým koncentracím znečištění, jehož hlavní složkou byl oxid siřičitý (podrobněji viz Vesmír 80, 576, 2001/10). Kritický stav se projevil koncem sedmdesátých let a ještě hůře v letech osmdesátých (kolapsy zhruba odpovídají vrcholům emisí oxidu siřičitého). Nejvíc bylo znečišťováno ovzduší na východní straně Krušných hor, nejméně na straně západní (viz modelovou studii rozptylu emisí z elektráren Prunéřov, Tušimice, Ledvice a Počerady v již citovaném článku ve Vesmíru). Tomu odpovídal i rozdíl v poškození smrkových porostů.

Pro ověřování metod dálkového průzkumu sloužících k hodnocení zdravotního stavu smrkových porostů (viz rámeček) jsou krušnohorské lesy obzvlášť příhodné. Převládají zde vysazené stejnověké smrčiny, které přitom i na poměrně malé ploše vykazovaly ve zdravotním stavu velké rozdíly. Na východní straně Krušných hor, která byla silně zatížena vzdušným znečištěním, se v době výzkumu nacházely velmi poškozené až odumírající porosty, zatímco o několik desítek kilometrů dále byly poškozené jen málo. Především kvůli tomuto nápadnému rozdílu ve zdravotním stavu lesa na poměrně malém území byly Krušné hory vybrány jako modelové lesní ekosystémy pro výzkum sponzorovaný NASA. Studie zahájená r. 1991 využívala multispektrální snímky z družice Landsat, ³⁾ pozdější studie z r. 1998 již pracovala s daty z hyperspektrálního leteckého skeneru ASAS. Cílem výzkumu bylo najít co nejspolehlivější metody pro hodnocení vývoje „onemocnění“ krušnohorských lesů, především vyhledávat i časné změny signalizující ohrožení porostu, na jejichž základě je možné lépe plánovat ochranná a nápravná opatření k záchraně horských lesních ekosystémů.

Co přineslo zpracování dat

• V roce 1991 byl na základě analýzy multispektrálních dat (viz barevné obr. pod článkem) charakterizován proces odumírání lesních porostů v Krušných horách během let 1972–1989. ⁴⁾ Největší úbytek plochy lesa byl zaznamenán v nadmořské výšce 800–1000 m (obr. 1). Toto výškové pásmo bývá nejvíce zasaženo (mimo jiné) kyselou oblačností, obzvláště během atmosférických inverzí (viz Vesmír 78, 438, 1999/8). Velmi nízké pH (často méně než 3, což odpovídá kyselosti koncentrovaných kyselin) poškozuje povrchové vosky jehlic i buňky v jehlicích.

  Krom toho se tenkrát zjišťovalo, která ze spektrálních pásem multispektrálního skeneru rozlišují stupeň poškození stromů nejpřesněji. Zjistilo se, že důležité jsou především hodnoty v červené a blízké infračervené oblasti spektra. Nicméně multispektrální skener má v této oblasti spektra pouze jedno široké pásmo, a tedy neposkytuje detailní informaci potřebnou pro postihnutí jemných změn zdravotního stavu lesa. Řešením bylo použít hyperspektrální skener.

• V letech 1997–2000 se k výzkumu Krušných hor ⁵⁾ využívala letecká hyperspektrální data (viz též barevný obr. pod článkem). Zjistilo se, že hyperspektrální data lépe postihují drobné změny ve zdravotním stavu smrkových porostů než data multispektrální. Nejdříve klesá odrazivost jehlic v blízké infračervené části spektra, a pak se teprve mění odrazivost v červené oblasti. Protože se změna projeví dříve v infračervené části spektra, kterou lidské oko nevidí (obr. 2), je možné takto zjistit jemné změny ve zdravotním stavu lesa, ještě než je zaznamenáme pouhým okem (než si např. všimneme, že listy změnily barvu).

  Zdravotní stav lesa se v Krušných horách zjišťoval nejen hyperspektrálními metodami, ale i tradičními metodami lesnického výzkumu, jako je odhad odlistěnosti koruny a počet ročníků jehlic. U jehličnanů přetrvávají jehlice na stromě několik let a počet ročníků jehlic je velmi důležitým ukazatelem zdravotního stavu, protože pod vlivem stresových faktorů jehlice opadávají dříve. Na počátku devadesátých let měly smrky v nejvíce poškozených oblastech Krušných hor i méně než tři ročníky jehlic. Koncem let devadesátých měly silně poškozené stromy v průměru alespoň čtyři ročníky jehlic a zdravé i více než deset.

  Pro interpretaci hyperspektrálních dat se zjišťoval skutečný zdravotní stav stromů více metodami. Jehlice se analyzovaly v laboratoři, zkoumala se například jejich spektrální odrazivost, obsah fotosyntetických barviv. Pod mikroskopem se na řezech tenkých několik mikrometrů zkoumaly mikroskopické změny struktury jehlic (obsah buněk a mikroskopická struktura podmiňují odrazivost několikerým způsobem). Především jsou důležité změny mezofylových buněk listu, protože v nich probíhá fotosyntéza. Např. na rozdíl od zdravých mezofylových buněk, v nichž jsou chloroplasty zřetelně ohraničené, ztrácejí chloroplasty v jehlicích poškozených zploštělý oválný tvar, postupně přestanou fungovat a nakonec se rozloží. Porovnání analýzy řezů jehlicemi z let 1991, 1995 a 1998 ukázalo, že se v průběhu devadesátých let zlepšily i mikroskopické parametry jehlic.

  Měření odrazivosti jehlic přenosným laboratorním spektroradiometrem stejně jako biochemické analýzy jehlic ukázaly, že oproti kritickému stavu v roce 1991 množství chlorofylu ve vzorcích jehlic z Krušných hor vzrostlo. Jehlice odebrané z nejpoškozenějších stromů v r. 1998 měly stále ještě více chlorofylu než poškozené stromy v roce 1991. Zdravotní stav krušnohorských smrkových lesů se tedy během devadesátých let postupně zlepšoval.

  Ohrožené lesy

  Krušnohorský lesní ekosystém zkolaboval a opět se obnovuje, ale zatím zůstává ohrožený a může dojít k dalšímu kolapsu. Od roku 1989 výrazně klesly emise znečišťujících látek, které byly jednou z hlavních příčin kolapsu tohoto ekosystému. Především poklesly emise SO₂, které zde bývaly hlavním zdrojem kyselého spadu (viz Vesmír 78, 272, 1999/5). Hladiny přízemního ozonu zůstávají vysoké a jsou dnes jednou z nebezpečných znečišťujících látek v lesích celé severní polokoule. Emise oxidů dusíku (druhá hlavní součást kyselého znečištění) klesly jen mírně, protože oxidy dusíku se tvoří z atmosférických N₂ a O₂ katalyzovaných na horkých površích, jako jsou motory aut, těžký průmysl apod. Problém nepříliš uspokojivého stavu (nejen) krušnohorských lesů není pouze ve znečištění. Většinu našich lesů tvoří pro danou oblast nepůvodní, vysazené monokultury, které nejsou vůči podmínkám svého prostředí tak odolné. Je třeba si uvědomit, že není les jako les. V přirozeném pralese vytvořená biomasa zůstává, je to úplný ekosystém i s rozkladovou (detritovou) fází. Naše lesy jsou naproti tomu převážně plantáže pro získávání dřeva, to znamená, že se pravidelně vytvářená biomasa z lesa odváží. V pralese se stromy dožívají několika stovek let, po staletí se ustanovuje rovnováha ekosystému, zatímco v našich lesích se kácejí stromy staré okolo 80–100 let. Zatímco pralesy prostředí utvářejí, naše lesy jsou jím výrazně ovlivňovány a ke změnám vnějšího prostředí jsou mnohem citlivější.

  Přestože se zdravotní stav smrkových porostů v Krušných horách během posledního desetiletí zlepšuje, neměli bychom být ohledně jejich dalšího vývoje přespříliš optimističtí. Problém zřejmě ještě neskončil, jak naznačují některé události, například velkoplošné odumírání porostů v celých Krušných horách po zimě 1995/1996 či velkoplošné žloutnutí smrčin v západním Krušnohoří od roku 1998. Je zřejmé, že porosty jsou nadále ovlivňovány negativními změnami v půdě vyvolanými extrémními hodnotami kyselého spadu v minulosti. Důsledkem je nedostatek živin, například hořčíku, prvku nezbytného pro tvorbu chlorofylu. Nedostatek hořčíku se pak projevuje žloutnutím jehlic. Proto Ministerstvo zemědělství ČR přistoupilo koncem devadesátých let k velkoplošným hospodářským opatřením. V roce 1999 se na postiženou oblast aplikovala tekutá hnojiva a od r. 2000 se přistoupilo k velkoplošnému vápnění drceným dolomitem, obsahujícím vápník a v menším množství též hořčík. Je otázka, zda a nakolik toto opatření zlepší zdravotní stav ohrožených lesů – výsledky různých studií jsou zatím rozporuplné. ⁶⁾