Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Dálkový průzkum krušnohorských lesů

Z mikroskopu do makroskopu a zase zpátky
 |  5. 6. 2003
 |  Vesmír 82, 323, 2003/6

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)

Obrázky

Poznámky

1) Více se o dálkovém průzkumu Země a jeho použití dozvíte například na těchto internetových stránkách: www.nature.cz/infoservis_dpz_cz.htm, www.gisat.cz/dpz/index.php, www.sci.muni.cz/~dobro/intro.html, www.zememeric.cz, www.eurimage.com, www.spaceimaging.com.
2) Na zmíněném projektu se sešli vědci a studenti ze dvou univerzit (z americké University of New Hampshire v Durhamu a z Univerzity Karlovy v Praze), vědci z NASA a pracovníci v lesnictví.
3) Podrobnější informace o družicovém programu Landsat najdete na: geo.arc.nasa.gov/sge/landsat/landsat.html či www.gisat.cz/dpz/prehled/landsat.php.
4) Více informací a podrobností Ardo J. a kol., Ambio 26, 158–166, 1997.
5) O tomto projektu NASA viz Albrechtová J. a kol., Lesnictví 47, 26–33, 2001.
6) Například je známo, že vápník a hořčík si mohou vzájemně konkurovat v příjmu živin rostlinou. To znamená, že při vápnění směsí obsahující málo hořčíku oproti vápníku nemusí vzrůst příjem hořčíku rostlinou, a tedy nevzroste ani obsah chlorofylu.

DÁLKOVÝ PRŮZKUM: OD ŠIROKÝCH PÁSEM K TENKÝM PROUŽKŮM


  • Multispektrální skenery – Landsat. První družice byla vypuštěna na oběžnou dráhu v roce 1972 a nazývala se Landsat 1. Nesla čtyřkanálový skener, který zaznamenával odraženou sluneční energii ve dvou pásmech viditelného spektra (zeleném a červeném) a ve dvou pásmech blízké infračervené oblasti. Družice Landsat 4 již spadá do druhé generace landsatových družic. Vypuštěna byla r. 1982 a měla skener pokrývající sedm širokých pásem (tři ve viditelné oblasti spektra, jedno v blízké infračervené oblasti, dvě v krátkovlnné infračervené oblasti a jedno v termální infračervené oblasti). Tento skener měl navíc vyšší rozlišovací schopnost, díky níž postihoval v terénu jemnější detaily. Jako zatím poslední z této řady nejstaršího programu v historii civilního družicového dálkového průzkumu byl r. 1999 vypuštěn Landsat 7. Pro studii v Krušných horách byla použita data z družic Landsat 1 až 4. Multispektrální skenery mají tu nevýhodu, že získávají data v pásmech širokých 50–100 nm, která na sebe nenavazují, a proto některé jemné spektrální vlastnosti vůbec nezachytí. Například nepokrývají důležitou část spektra za viditelnou oblastí, červený okraj.

  • Hyperspektrální skenery. Koncem osmdesátých let vyvinul NASA novou formu dálkového průzkumu, který využívá velmi úzká pásma (2–10 nm) a pokryje spojitě všechny spektrální oblasti podobně jako laboratorní spektroradiometry. Hyperspektrální skenery pokrývají červený okraj, díky čemuž zachycují i jemné změny ve zdravotním stavu lesa, které pouhým okem není vidět. Pro studii v Krušných horách v r. 1998 byl použit hyperspektrální skener ASAS umístěný v letadle. Díky tomu měly snímky lepší rozlišení než z družicových skenerů. Tehdy byl vůbec poprvé použit hyperspektrální skener pro sledování zdravotního stavu lesa. V roce 2000 vypustil NASA satelit s hyperspektrálním skenerem Hyperion, který má dosud nejlepší hyperspektrální vlastnosti, umožňující vztahovat pozorování z mikroskopu na pozorování „makroskopem“. Hyperspektrální satelitní metody dálkového průzkumu by tedy již mohly rozlišovat i jemné změny zdravotního stavu lesa, což multispektrální metody neumožňují. Využijí se data z tohoto satelitu pro výzkum lesa?

Barrett N. Rock

Pozor na vápnění a hnojení!


Vápnění a hnojení smrkových monokultur Krušných hor je velmi diskutabilní způsob zlepšování stavu lesů. Sledování zdravotního stavu lesa dálkovým průzkumem se totiž zaměřuje zejména na důsledky poškození (fyziologický stav jehlic), ale neříká mnoho o příčinách těchto změn. Autoři ukazují zlepšení zdravotního stavu jehlic v devadesátých letech minulého století, ale zároveň upozorňují, že od r. 1998 se stav opět zhoršuje. Je jasné, že po prudkém poklesu emisí síry se snížilo přímé poškození jehlic vysokými koncentracemi SO2 v ovzduší. Co však nezmizelo, je dlouhodobé okyselení a vyčerpanost lesních půd, která se může i nadále prohlubovat, protože emise síry a dusíku byly omezeny, ale v žádném případě nezmizely. Depozice dusíku dokonce v posledních letech opět mírně rostou, zřejmě v důsledku rostoucí intenzity dopravy. Půdy mají velký nedostatek vápníku a hořčíku, jsou velmi kyselé a mají nadbytek rozpuštěného hliníku, který fyziologicky brání příjmu hořčíku a vápníku z půdy. Tento stav bude trvat nejméně několik dalších desetiletí a nadále se zhoršuje pěstováním smrkových monokultur (podrobněji viz Vesmír 81, 568, 2002/10). Právě vápnění a hnojení představuje velké riziko v tom, že sice nedostatkové živiny do lesa dodá, ale pouze jednorázově. V krátkém časovém horizontu několika let se zásah jeví jako výborný, protože po krátkodobém nadbytku přístupného hořčíku se rychle a viditelně zlepší stav jehlic, ale v horizontu několika desetiletí se jeví jako nesystémové opatření, které nevede ke skutečnému zlepšení stavu ekosystému. Krušné hory již byly opakovaně vápněny v sedmdesátých a osmdesátých letech, a to bez zjevného zlepšení dlouhodobé situace.

Pravidelným vápněním a hnojením se navíc dostáváme k principům zemědělství, kdy vysoký výnos je možný jen neustále opakovaným chemickým zásahem (rozumněj hnojením). Je tedy otázka, zda si přejeme mít lesnictví jako regulérní zemědělskou výrobu, anebo jako rozumné využívání obnovitelných přírodních zdrojů. Hospodářské smrkové monokultury zatěžují půdy již samy o sobě tím, že zvyšují kyselou atmosférickou depozici, mají větší nároky na výživu a samy jsou vlastně výraznou příčinou svých potíží (viz již citované číslo Vesmíru). Z dlouhodobého hlediska je žádoucí převést hospodaření v Krušných horách na smíšené a listnaté lesy. Ty mají vzhledem k půdám mnohem lepší vlastnosti a jsou schopné současný i výhledově špatný stav půd snášet mnohem lépe než smrkové monokultury. Jediné, co může horským lesům dlouhodobě pomoci, je změna lesnického paradigmatu a respektování lidové moudrosti, že vápnění přináší bohatství otcům a chudobu synům.

Jakub Hruška

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Ekologie a životní prostředí

O autorech

Jana Albrechtová

Barret N. Rock

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné