Dusík v lesních ekosystémech

Jedním z globálních problémů, se kterým se v posledních desetiletích potýká většina ekosystémů, je nadmíra přijatelného dusíku (viz Vesmír 86, 362, 2007/6). Dusík, donedávna limitní živina pro většinu suchozemských (a spolu s fosforem i vodních) ekosystémů, se s rozvojem průmyslu, výrobou zemědělských hnojiv a růstem počtu městského obyvatelstva stal živinou často nadbytečnou, pro některé přírodní systémy dokonce škodlivou. Nadbytek dusíku vyhovuje rostlinám, které ho umějí efektivně využít (kopřiva, vlaštovičník, netýkavka, bez, jasan), a naopak vytlačuje rostliny a organizmy, které se umějí vyrovnat s jeho nedostatkem (orchideje, brusinky, lišejníky). Proto jsme v posledních desetiletích svědky „zglajchšaltování“ biodiverzity naší krajiny. Nutno podotknout, že velkou měrou se na tomto procesu podílí změna životního stylu obyvatel. Dnes jsou pojmy jako lesní pastva, hrabání steliva, travaření a lesní pařezinové hospodaření téměř neznámé, přestože ještě v první polovině 20. století bylo toto hospodaření běžné a utvářelo životní podmínky pro kriticky ohrožené druhy rostlin a živočichů.

Koloběh dusíku v přírodě

Dusík se v atmosféře vyskytuje především jako poměrně inertní molekula N₂. K tomu, aby se dostal do přírodního cyklu, vede několik cest. Za přirozenou cestu můžeme považovat vznik oxidů dusíku při bouřkách s následnou atmosférickou oxidací na kyselinu dusičnou, která se dostává do půdy spolu s deštěm. Pak tu máme rostliny (např. luštěniny), které pomocí symbiotických bakterií dokážou atmosférický dusík fixovat a do půdy dodávat jeho redukovanou formu – amonný iont. Přirozený rozklad organických látek (biomasy) je také důležitým zdrojem dusíku v půdě.

Moderní začátek cesty dusíku ekosystémy se váže na hnojiva (v amonné i dusičnanové formě), na emise amoniaku při chovu dobytka, a především na spalování fosilních paliv, ať už při průmyslové výrobě, nebo v motorech automobilů. Touto cestou se do půdy dostává dusík ve formě dusičnanu. O takto obohacený tok dusíku v půdě se pak svádí boj na úrovni mikroorganizmů, hub a rostlin. Amonný iont může být přijat jako živina (asimilován), nitrifikován na dusičnan či transformován na organický dusík v humusu. Dusičnanový iont může být denitrifikován, asimilován, transformován a také snadno vyplaven do potoků či řek. Jak vidno, dusík se dokáže v ekosystémech vrtět v různých formách, rychlostech a množstvích.

Situace našich hvozdů

Lesní horské ekosystémy v České republice jsou vystaveny průmyslovému tlaku po několik staletí (viz Vesmír 85, 398, 2006/7). V důsledku toho byly během 19. století přetvořeny ve smrkové monokultury, a poté ve 20. století vystaveny neúnosnému zatížení imisemi ze spalování hnědého uhlí. Byly to především emise síry, které ničily horské smrčiny. Nejen přímo poškozovaly jehlice, ale také způsobovaly okyselování (acidifikaci) půd, spojené s ochuzováním o bazické živiny vápník a hořčík. Dále se při okyselení v půdách mobilizuje hliník, který je pro rostliny toxický. Právě smrkové porosty v důsledku velkého povrchu jehlic efektivně „vyčesávají“ síru a dusík z atmosféry. Pod listnatými porosty je okyselování ve srovnání s jehličnany výrazně nižší. V narušených lesních systémech byly destabilizovány pochody v půdě, a tím se změnily složité propletence vztahů ovlivňujících koloběh dusíku. Lesní ekosystémy nedokázaly nadbytečný dusík spotřebovávat ani vázat, a tak byl vyplavován do potoků a řek. Společně se síranovým iontem se tak nespotřebovaný dusičnanový iont podílel a dosud podílí na okyselování půd i toků v horských oblastech.

Výzkum horských lesních ekosystémů

Ve srovnání s polovinou osmdesátých let 20. století klesly v České republice emise síry o 90 % a emise dusíku o 45 %. Na rozdíl od emisí síry, které byly redukovány především díky odsíření hnědouhelných elektráren, se emise dusíku od devadesátých let pohybují zhruba na stejné úrovni a v budoucnu můžeme očekávat v souvislosti s přibývající automobilovou dopravou spíše mírný nárůst (obrázek 1). Vysoká úroveň depozice dusíku do lesních ekosystémů spolu s dlouhodobě zhoršeným stavem našich horských lesů a půd je stále příčinou vysokého vyplavování dusíku ve srovnání s oblastmi poměrně čistými.

Od roku 1994 probíhá v České geologické službě intenzivní výzkum dopadu kyselé atmosférické depozice na koloběh prvků v lesních ekosystémech. K tomu účelu byla založena síť malých lesních povodí (GEOMON). Zahrnují jak velmi poškozené oblasti našich hor v severním pohraničí, tak poměrně nepostižené oblasti Šumavy a Beskyd. V roce 1994 byla také speciálně pro výzkum vlivu kyselé depozice na smrkové lesy založena výzkumná plocha Načetín v Krušných horách.

Koloběh dusíku zrcadlem zdravotního stavu lesa

Jak již bylo uvedeno, množství vyplavovaného dusíku zrcadlí schopnost ekosystému dodávaný dusík využívat. Je-li nabídka přístupného dusíku dlouhodobě vyšší než jeho poptávka, ekosystém je postupně saturován a přebytečný dusík se vyplavuje v podobě dobře rozpustných dusičnanů. Saturován dusíkem může být při dlouhodobě zvýšených vstupech dusíku, při snížené schopnosti dusík vázat (u stresovaných rostlin a půdních mikroorganizmů) či ve stárnoucích porostech, kde klesá produkce biomasy. Podíváme-li se na vývoj koncentrace dusičnanů v potocích na sledovaných povodích a na koncentraci dusičnanů v půdních vodách (např. v Načetíně), vidíme ve všech případech výrazné sezonní výkyvy. Nejniž ší koncentrace připadají na letní měsíce, kdy produkce ekosystému vrcholí, a nejvyšší koncentrace se objevují v zimních měsících, kdy poptávka po dusíku klesá na minimum. Výrazné sezonní rozdíly v chodu dusíku byly pozorovány i v oblastech, kde v osmdesátých letech odumíraly rozsáhlé části lesa (povodí Jezeří v Krušných horách, Uhlířská v Jizerských horách a U dvou louček v Orlických horách). To znamená, že koloběh dusíku je i v těchto velmi narušených ekosystémech kontrolován biologickými pochody. Nicméně poměrně vysoké koncentrace v letních měsících varují, že se ekosystémy nacházejí ve fázi postupné saturace, kdy nabídka dusíku značně překračuje jeho poptávku. Ve srovnání se severní Evropou a Amerikou jsou koncentrace dusičnanů v lesních potocích u nás několikanásobně vyšší.

I při poměrně stabilním množství vstupujícího dusíku v posledních letech prokazatelně klesla na všech sledovaných lokalitách koncentrace dusičnanů v odtoku. Nejpřekvapivější vývoj byl pozorován ve smrkové monokultuře na výzkumné ploše Načetín v Krušných horách, kde se vyplavování dusíku v půdním profilu pod kořenovou zónou úplně zastavilo. Pokles dusičnanů v odtoku byl zaznamenán jak v poměrně čistých oblastech Šumavy (v povodích Na Lizu a Spálenec), tak na lokalitách silně kyselých (Lysina ve Slavkovském lese, Jezeří v Krušných horách, Uhlířská v Jizerských horách, U dvou louček v Orlických horách i Načetín). Velká část povodí Jezeří v Krušných horách byla v osmdesátých letech po imisním odumření lesa znovu zalesněna přípravnými dřevinami (břízou, olší, modřínem, smrkem pichlavým), které dnes chřadnou. Přesto zde pozorujeme silnou biologickou kontrolu a výrazný meziroční pokles koncentrace dusičnanů v potoce.

Na základě dosavadního měření můžeme konstatovat, že výrazný pokles kyselé depozice, zejména síry, se příznivě odrazil na schopnosti lesních ekosystémů vázat dusík. Jednak se částečně zlepšil zdravotní stav porostů, především však bylo nastartováno zpětné zabudování dusíku do půdního prostředí. Snížená koncentrace hliníku a zvýšení pH půdy podněcují schopnost mikroorganizmů a symbiotických hub účinně vázat dusík. Tím se regeneruje půdní prostředí, které je největším rezervoárem dusíku v lesním ekosystému. Po velkém poklesu depozice síry v devadesátých letech 20. století lze očekávat, že příznivý trend zvyšující se schopnosti lesních ekosystémů zpětně zabudovat dusík bude pokračovat.

Kritická zátěž

Jak jsme ukázali v předchozích částech, atmosférická depozice dusíku dlouhodobě převyšující určitou kritickou hodnotu nasytí ekosystém dusíkem. Přísun dusíku překročí množství, které spotřebovávají mikroorganizmy nebo vegetace. V roce 1979 byla v Ženevě podepsána konvence o dálkovém přenosu vzdušných polutantů. ¹⁾ Jejím úkolem bylo dosáhnout snížení emisí a přenosu nebezpečných látek na území Evropy. V roce 1999 byl podepsán protokol k této konvenci s cílem snížit riziko okyselení (acidifikace), živinového nabohacení (eutrofizace) a přízemního ozonu. ²⁾ V roce 2004 jej ratifikovala i Česká republika. V rámci této konvence vznikl již v osmdesátých letech 20. století koncept kritických zátěží. V našem případě je kritická zátěž dusíku definována jako nejvyšší přísun dusíku, který dlouhodobě nepoškozuje nejcitlivější složku ekosystému.

Podle současných poznatků je pro středoevropské jehličnaté lesy touto kritickou zátěží depozice zhruba 10 kg dusíku na hektar za rok. Překročením této hodnoty výrazně klesá biodiverzita lesa, protože se ztrácejí druhy rostlin citlivé na nadbytek dusíku. Jde o hodnotu orientační, pro některé citlivé druhy je nižší. Například švédské zdroje nově udávají pro brusinku jako kritickou zátěž již 6 kg dusíku. Pokud je tato hranice překročena, brusinka dlouhodobě mizí. Tento empirický poznatek můžeme potvrdit i z našich lesů. Zatímco ještě v padesátých letech 20. století byla u nás brusinka poměrně hojná, v devadesátých letech téměř vymizela a byla nahrazena nejrůznějšími druhy nitrofilních trav, zejména třtinou chloupkatou. Sporadicky se znovu začala objevovat po roce 2000.

Průměrná hodnota celkové depozice dusíku se v České republice pohybuje v rozmezí 10–20 kg dusíku na hektar za rok a kritická zátěž dusíku je překročena na velké části území (obrázek 2). V porovnání s jinými ekosystémy jsou hospodářské smrkové lesy schopny vázat poměrně velké množství dusíku, přesto i v těchto lesích bývá horní mez překročena, zejména v severním pohraničí.

Nadbytek dusíku má ještě jeden negativní aspekt. Zvyšuje rychlost růstu stromů. Stromy v horských lesích mají na jedné straně nadbytek dusíku, na druhé nedostatek bazických kationtů vyplavených kyselým deštěm z půd. Při rychlejším růstu, který je v Evropě prokázán od padesátých let 20. století, vznikají disproporce ve výživě. Takto rychle rostoucí smrkové dřevo špatně vyzrává, délkové přírůstky jsou enormně velké a stromy jsou náchylné k mechanickému poškození – velmi snadno se lámou při silných větrech, námraze či mokrém sněhu. Také bylo prokázáno, že zvýšené množství dusíku v tkáních stromů je velmi atraktivní pro patogenní škůdce – tkáně bohaté dusíkem jsou pro ně energeticky velmi výhodné.

Přehnaná péče může škodit

Přestože je na většině území České republiky kritická zátěž dusíkem překračována, horské lesní ekosystémy vykazují v posledních letech zvýšenou schopnost dusík vázat. To ale neznamená, že zároveň neklesá druhová rozmanitost.

Nepřekvapí nás, že i pomalu se regenerujícím ekosystémům hrozí (někde už i akutně) nezanedbatelná rizika. Jde především o neuvážené narušení půdního prostředí, ať už těžbou, nebo aplikací hnojiv (ano, nejen pole se u nás hnojí a vápní). Většina z nás vnímá les především jako porost stromů, které by měly být hlavně zelené. Za těch zhruba posledních 200 let jsme si zvykli ztotožňovat les se smrkovou monokulturou a představa něčeho jiného nás děsí (důkazem budiž polemika o Šumavě, kde snaha ponechat část národního parku přirozenému vývoji naráží na iracionální argumentaci o zániku lesa a nutnosti „udržet Šumavu zelenou“ za každou cenu). Pro lesního hospodáře je navíc les zdrojem dřeva, tudíž i zisku. Jako takový musí být pěstován co nejefektivněji. Jinak by tomu mělo být v oblastech, kde činností člověka schopnost produkce dřeva poklesla na minimum. Tato situace platí pro naše lesy v územích se silně kyselou půdou, ochuzenou o živiny (obrázek 3). Jde asi o 5 % z celkové rozlohy našich lesů. V současné době chřadnou porosty zejména v Krušných horách (viz komerční prezentaci Vesmír 86, 556, 2007/9). Zčásti je to způsobeno mimořádně kyselými půdami a nevhodnou přípravou půdy v minulosti (organická vrstva se shrabovala buldozerem!), zčásti přemnožením jelení a srnčí zvěře, která v posledních 30 letech znemožnila jakékoliv přirozené zmlazení. Špatně rostoucí a produkčně nekvalitní porosty smrku můžeme pozorovat také v Jizerských horách, Krkonoších či Orlických horách. Opětovná snaha zalesňovat (zase především smrkem) vede k drastickým zásahům do půdního prostředí. Tím je znovu narušena pozvolna se ustavující rovnováha mezi stále ještě značně kyselou depozicí a půdou, která si vydechla poté, co úhyn smrků umožnil její částečnou regeneraci. V nejhorším případě se můžeme dočkat, že opět klesne schopnost půdy vázat dusík, vzroste vyplavování dusíku, přijde další vlna okyselení a ochuzení lesních půd o živiny. Podobného konce se dobereme i při vápnění lesů, které se dnes plošně používá jako způsob dodání chybějících živin. Při vápnění ale jednorázově drasticky vzroste pH svrchní vrstvy půdy bohaté na organické látky, což urychlí její rozklad a uvolní množství reaktivního dusíku. Ten se vyplaví z ekosystému i s dodanými živinami.

Zvykněme si na postižený les!

To, že nyní někde pozorujeme chřadnoucí porosty, ještě neznamená, že les potřebuje naši „pomocnou“ ruku. Naopak, zjevné ještě nemusí znamenat podstatné. Zejména oblasti našich pohraničních hor jsou důkazem, že přehnaná starost může vést k dlouhodobé degeneraci. Nejjednodušším řešením, zdá se, je zvyknout si po několik příštích generací na „tělesně postižený“ les, neboť dosavadní pokusy o léčbu radikální operací končily dříve nebo později nezdarem.