Jsou lesní porosty efektivními pumpami uhlíku?

Koloběh uhlíku má pro biosféru obrovský význam, neboť je neoddělitelně spjat s produkcí biomasy, klimatem a koloběhem vody i živin. Je jednou z nejdůležitějších křižovatek neživého a živého světa. Prostřednictvím fotosyntézy se anorganický uhlík stává součástí organických sloučenin. Proto je studium globálního koloběhu uhlíku zásadní pro pochopení historie životního prostředí naší planety, tolik potřebného pro předpověď a usměrňování budoucnosti životního prostředí a člověka. Cyklus uhlíku a jeho uvolňování terestrickými (suchozemskými) ekosystémy jsou však i přes značný pokrok ve vědeckém bádání stále nedostatečně prostudovány.

Člověk ovlivňuje globální cyklus uhlíku již tisíce let – zemědělskou činností, lesnictvím, průmyslovou a energetickou výrobou, dopravou ap. Sledovatelné jsou však antropogenní emise vzdušného uhlíku až ve dvou posledních staletích. Lidstvo dnes ročně vypouští do ovzduší asi 8 Gt uhlíku. Z toho je sice 5 Gt opět vázáno terestrickými ekosystémy a oceány, přesto koncentrace CO₂ v ovzduší vzrůstá zhruba o 1,5 ppm za rok.¹⁾ Tento vývoj urychlil zpětnou vazbu globálního uhlíkového cyklu, která bude mít společně s antropogenním navyšováním dalších skleníkových plynů hluboký dopad na budoucnost Země, na její ekosystémy a biodiverzitu.

Terestrické ekosystémy, a především ekosystémy lesa jsou významným úložištěm atmosférického uhlíku. Jejich kapacita je sice v porovnání s úložišti v oceánech malá, ale roční toky uhlíku mezi povrchem terestrických ekosystémů a atmosférou jsou srovnatelné s toky mezi oceány a atmosférou. V terestrických ekosystémech hrají významnou úlohu právě lesní porosty. Je to dáno podílem lesů na celkové ploše terestrických ekosystémů (asi 4,1·109 hektarů), množstvím uloženého uhlíku v lesní vegetaci a lesních půdách (1146 Pg, asi 37 % v lesích tropů) a dlouhověkostí lesů.

Terestrický uhlíkový cyklus významně ovlivňuje meziroční variabilita počasí. Vliv teploty je významný v boreálním, popřípadě i mírném pásmu, v mediteránu je zase limitujícím faktorem množství srážek. V České republice se lesní porosty nacházejí ve vertikálních vegetačních stupních. Obecně lze říci, že pod 4. stupněm limitují produkci lesů srážky, zatímco nad 4. lesním vegetačním stupněm teplota. V tocích uhlíku se však reakce fotosyntézy nebo respirace na změny příkonu slunečního záření, teploty i srážek liší. Také různé ekosystémy reagují různě. Proto i krátkodobý výkyv počasí během vegetační sezony může v určité oblasti neočekávaně a významně změnit celoroční úhrn uvolňovaného uhlíku.

Na porosty lesních dřevin se tedy můžeme oprávněně dívat jako na obrovskou soustavu pump, které dopravují vzdušný uhlík z atmosféry do biomasy a půdy, a naopak z půdy do ovzduší. Důležitá je proto ona rovnováha mezi pumpováním uhlíku do lesního ekosystému a výdejem uhlíku z lesa do atmosféry.

Terestrický globální cyklus uhlíku tvoří toky CO₂ mezi ekosystémem a atmosférou. Přímo odrážejí okamžitý podíl mezi průnikem CO₂ do listů a jeho výdejem z pletiv a půdy, čili čistou ekosystémovou výměnu uhlíku (NEE). V delším časovém měřítku jde o bilanci mezi příjmem uhlíku do ekosystému a jeho uvolňováním z ekosystému – hovoříme o čisté produkci ekosystému (NEP).

V daný okamžik rostlina určité množství vzdušného uhlíku absorbuje a zároveň určité množství uvolňuje. Rychlost příjmu uhlíku je možné vyjádřit jako rychlost hrubé asimilace ekosystému (P_E). Rychlost disimilačních procesů, ale i respirační ztrátu uhlíku v ekosystému vyjadřujeme jako respiraci ekosystému (R_E). Čistá produkce ekosystému (NEE) je pak součtem obou složek.

Nejrozšířenějším způsobem stanovení přímých toků energie a látek (CO₂) mezi porosty a atmosférou je metoda vířivé kovariance, která je založena na měření projevů vzdušných vírů (turbulencí). V podstatě jde o souběžné měření rychlosti a směru jednotlivých vírů vzduchu a s nimi spojených okamžitých koncentrací CO₂ a vodní páry. Kovarianční metoda umožňuje dlouhodobá měření turbulentních toků energie i látek mezi porostem a přízemní vrstvou atmosféry, poskytuje kontinuální a okamžité informace o vztazích ekosystémů a jejich prostředí i o jejich reakci na narušení prostředí a také kvantifikuje faktory, které způsobují variabilitu ročních toků. Jde o nejmodernější přístup aplikovatelný na celé porosty lesních dřevin. Umožňuje vyhodnotit data z více zdrojů a velice přesně sledovat výměnu pohybové energie, zjevného a latentního tepla, vodní páry a oxidu uhličitého mezi porostem a přízemní vrstvou atmosféry. Lze díky němu stanovit primární produkci lesního porostu, efektivitu přechodu CO₂ do biomasy, efektivitu využití vody při tvorbě biomasy a při znalosti dalších parametrů také efektivitu využití slunečního záření pro tvorbu biomasy. Jde tedy o přímé propojení fyzikálních výzkumů v podmínkách reálného lesního porostu s produkční ekologií lesa.

Toky uhlíku v ekosystému jsou výrazně proměnlivé během dne i v průběhu sezony. Podrobná analýza (obr. 4) ukazuje na „jemnost“ vztahů mezi porostem a jeho prostředím. Významně ovlivňují mohutnost uhlíkového úložiště ve smrkovém prostu, zvláště odlišnosti mezi jednotlivými sezonami. Zřetelný je například rozdíl ve výskytu depozičního maxima mezi roky 2004 a 2007. Roku 2004 bylo maximum v květnu až červnu, r. 2007 v červenci až říjnu. Význam konkrétního sezonního průběhu počasí je skutečně zásadní a mohutnost ekosystémových úložišť atmosférického uhlíku má výraznou meziroční variabilitu. Pro smrkový horský porost je možná překvapující doba aktivního ukládání uhlíku, která je v konkrétních podmínkách Moravskoslezských Beskyd vymezena obdobím březen až listopad.

Čistý produkční čas je čas, kdy tok uhlíku směřoval do porostu (obr. 5). Podíl času, kdy převládá asimilace nad disimilačními procesy, samozřejmě souvisí se sezonní změnou délky slunečního svitu. Ze zjištěných výsledků je dále zřejmé, že pokud se krátkodobě oteplí a jsou vhodné světelné podmínky, je smrk schopen asimilovat i v době zimního vegetačního klidu.