Čekají je zlatá léta?

V posledních dvou dekádách vědce zajímá, jak probíhající klimatické změny ovlivňují rozšíření organismů, zda se budou šířit z míst, která se pro ně stanou nevhodná, do prostředí s příhodnými podmínkami, zda všechny druhy naleznou odpovídající nová stanoviště a co se stane s druhy, které už za chladem (vlhkem, suchem…) nemají kam migrovat, neboť již jsou na vrcholcích hor nebo na severním (jižním) okraji pevniny.

Rostliny se v podstatě šíří pouze semeny. Protože se však rostlinné druhy liší v produkci a šiřitelnosti semen i ve schopnosti semen úspěšně se uchytit, je velmi těžké odpovědět na otázku budoucího rozšíření jednotlivých druhů. Co už víme? Jak jsme to zjistili a proč to zkoumáme v chladných oblastech? Odpovědi na tyto otázky přináší soubor příspěvků českých botaniků, kteří se dopadem klimatických změn na rostlinstvo zabývají.

Současné klimatické změny představují celosvětovou multidisciplinární hypotézu s praktickým dopadem na lidstvo. Tak nosná myšlenka naposledy ovlivnila ekologii v šedesátých a sedmdesátých letech. Tehdy byla inspirována zájmem světa rozvinutého o svět nerozvinutý a šlo o to zjistit, zda se zvětšující lidská populace uživí. Vedlo to k výzkumu produkce různých druhů ekosystémů na celé planetě (International Biological Program – IBP), jehož výsledky se dnes používají i k zodpovězení otázek týkajících se klimatických změn (Vesmír 91, 459, 2012/7).

Klimatické změny je poměrně obtížné zkoumat. Zvláště to platí pro hustě obydlené části planety˝, jako je Česká republika. Neexistuje tady žádná nedotčená příroda, která by ve svém vývoji pouze odrážela vliv měnícího se klimatu. Ve skutečnosti naše příroda stále ještě odráží hlavně velké změny v zemědělském využívání, které nastaly během minulého století. Proto se jako ideální nabízejí ty části světa, které nejsou tak dotčeny lidskou činností – Arktida, Antarktida a velehory. Mají i jednu další přednost – rostliny jsou tu na hranici svého rozšíření právě kvůli faktoru, jehož vliv testujeme, tedy teplotě. Je-li jaké oteplování, mělo by být vidět právě zde. Další výhodou je jednoduchost ekosystémů, malý počet druhů a krátké trofické řetězce.

Hypotéza klimatických změn způsobila synergický efekt v koncentraci logistiky a mozků do chladných oblastí (k něčemu takovému došlo i během IBP). Mozaiku velké vědy navíc mohou pomoci skládat i malé národní týmy. Dostanou se k nejnovějším metodikám, mohou školit své studenty na větších zahraničních pracovištích a zároveň je jejich přínos ceněný jako kamínek v mozaice. Náš vklad k mozaice má navíc jednu nespornou výhodu. Získáváme přístup k moderním metodám, komunikujeme se špičkou v oboru a zároveň poskytujeme něco, co už mnoho špičkových zahraničních týmů postrádá: tradiční metody, schopnost improvizace a přežití v drsnějších podmínkách (např. bez teplé sprchy každý večer). Jakými metodami pracujeme a jaké výsledky jsme už získali, představují následující příspěvky.

Vývoje vegetace v Arktidě

Rekonstrukce podle zachovalého pylu a rostlinných makrozbytků

Alexandra Bernardová

Zjišťování historie vegetace v Arktidě má rozhodně své opodstatnění. Nízké teploty a pomalý rozklad tvoří ideální podmínky pro zachování organických uloženin v sedimentu. Jedinečnost arktických sedimentů a její vegetace je umocněna i tím, že byla až do nedávné doby uchráněna před lidským vlivem. Přese všechnu atraktivitu jsou paleoekologické analýzy vegetace vcelku vzácné.

Platí to i o Špicberkách, které se jeví jako velmi vhodná základna pro vědecké bádání (obr. 2). Situace však není tak ideální, jak se může na první pohled zdát. Při hledání vhodných lokalit pro odběr sedimentů se na mnoha místech vyskytne problém se špatnou prostupností terénu. Všechny lokality navíc nejsou pro odběr sedimentů vhodné. Často bývají narušeny regelačními procesy, jež substrát promíchávají.

Několik studií však existuje a ukazují překvapivé výsledky. Průkopníkem paleoekologických analýz byl H. Hyvärinen, který v sedmdesátých letech publikoval výsledky pylové analýzy z profilu pocházejícího ze severního pobřeží Špicberků. Pylové spektrum zachycené na bázi, datované do období před 10 500 lety, vcelku odpovídá současnému stavu. Pylovou analýzou sedimentů se v osmdesátých letech zabýval též P. van der Knaap, který v profilech pozoroval celkový pokles druhové bohatosti a vymizení některých druhů během tzv. malé doby ledové (zhruba 16.–19. století). Na druhou stranu v hnízdních koloniích ptáků se stabilní složení vegetace udrželo téměř 4000 let. K podobným závěrům došel v nedávné době i J. Rozema. Nestorka české palynologie Vlasta Jankovská také odebírala sedimenty vhodné k analýze, výsledky však dosud nepublikovala.

Všichni zmínění autoři pylových analýz naráží na shodné problémy. V sedimentu je relativně malý počet pylových zrn, který navíc bývá „kontaminován“ pylem, jenž se sem dostal z pevniny. Je proto překvapivé, že dosud byla věnována velmi malá pozornost analýze rostlinných makrozbytků (tedy semenům, listům ap.). Jediná publikovaná studie pochází z roku 1991. Na bázi analyzovaného profilu z jezera Skardtjørna (na západě Špicberků) byla nalezena vegetace, která poukazuje na teplotu zhruba o 2° vyšší, než je současná, a na bohatší druhové složení. Ve stejných vrstvách analyzovaný sediment odhalil též výskyt vrby bylinné (Salix herbacea). Ta je v současné době známa již jen z nejjižnějších částí souostroví, z ostrůvku Sørkapp. Podobný nepřímý důkaz o výskytu vrby bylinné v minulosti byl nalezen i v centrální části ostrova, kde již několikátým rokem probíhá výzkum Přírodovědecké fakulty JU a Biologického ústavu AV ČR. V jednom z odebraných profilů bylo nalezeno několik částí listů, které velmi pravděpodobně patří kříženci vrby bylinné s vrbou polární. Fragmenty se objevují jak ve starších uloženinách, tak i v těch relativně mladých (obr. 3).

Opakovaný průzkum

Zápisy druhového složení, vegetační mapy a fotografie

Karel Prach

Pro zachycení změn rozšíření rostlinných společenstev a jejich druhového složení v důsledku měnícího se klimatu máme několik metod. Všechny jsou založeny na opakovaném sledování, které ale většinou začalo před desetiletími, kdy jsme o nějakých klimatických změnách ani neuvažovali. Nejprve je třeba najít záznam popisující vegetaci před 20 a více lety, který by obsahoval podrobnosti o svém pořízení a přesné lokalizaci výzkumu. Za druhé je nutno vyloučit vliv jiných než klimatických podmínek na vegetaci (například herbivorie, eutrofizace či acidifikace). Zatímco do budoucnosti můžeme založit celou síť trvalých ploch (viz např. projekt GLORIA, s. 419), směrem do minulosti jsme odkázáni spíše na náhodné objevy ve staré literatuře.

Pro studium změn vegetace, které se udály během posledních několika dekád, můžeme použít následující typy záznamů:

a) Fotografie vegetace, včetně leteckých a družicových. Snímky mohou dobře zachytit hlavně šíření dřevin do bezlesí nebo naopak ústup lesa, podíl holé půdy ap. Publikovány byly práce o postupu dřevin do arktické tundry, o posunu horní hranice lesa v horách nebo naopak o ústupu dřevin v aridních oblastech.

b) Vegetační mapy, které je možné lokalizovat a u kterých je k dispozici podrobný popis mapovaných jednotek. Případů, kdy je možno mapování opakovat, je ale málo (obr. 4). Jednodušší je situace, kdy mapovatel může svou práci opakovat během své profesionální kariéry.

c) Fytocenologické snímky neboli soupisy všech druhů rostlin na vymezené ploše (např. 5 × 5 m) s odhady jejich pokryvnosti (čili kolik procent plochy snímku zaujímá každý druh při pohledu shora). Tento typ vegetačních zápisů je jen zřídka přesně lokalizován. Je-li však v území pořízeno zápisů hodně, lze i z opakovaného snímkování usuzovat na změny vegetace.

Růst rostlin a herbochronologie

Jitka Klimešová, Petra Šťastná, Jiří Doležal

Růst rostlin vysokohoří a polárních oblastí je limitován nízkými teplotami a krátkou vegetační sezonou, proto ho může i mírné oteplení výrazně ovlivnit. Jak víme z experimentů, po oteplení rostliny opravdu většinou rostou bujněji a často více kvetou. Tyto výsledky, získané v posledních dvaceti letech, byly potvrzeny i několika pozorováními přímo v přírodě (Vesmír 91, 459, 2012/7). Chudost výsledků z nemanipulovaných podmínek je způsobena tím, že v Arktidě a ve vysokohoří nemůžeme použít například letokruhovou analýzu, protože tam žádné stromy nerostou. Tím vlastně přicházíme o jednu velmi užitečnou metodu, pomocí níž můžeme studovat růst rostliny (nebo reakce rostlin na měnící se podmínky) desítky let do minulosti. Byliny, které v tundře převládají, sice také vytrvávají po dlouhou dobu, ale nemají vytrvalé stonky s letokruhy, i když některé si zachovávají oddenky či vytrvávající kmínky. Letokruhy zkrátka nejsou jedinou morfologickou značkou, kterou lze využít na rostlinách k měření jejich růstu v minulosti (Vesmír 87, 328, 2008/5).

Použití metod letokruhové analýzy na bylinách se jmenuje herbochronologie. Velice vhodný modelový druh na zkoumání vlivu klimatických změn v tundře je vždyzelený keřík Cassiope tetragona, který není spásán, a proto nerušeně roste. Délka ročních přírůstků jeho větví a počet listů vyprodukovaných za rok koreluje s teplotami během roku, proto lze podle velikosti přírůstků v minulosti usuzovat na klimatické podmínky v době, kdy daný přírůstek rostl. Tak byla s úspěchem rekonstruována teplota v době přibývání ledovců v malé době ledové (asi před 400 lety) podle kmínků Cassiope, které byly konzervovány postupujícím ledovcem a při jeho odtávání se dostaly do rukou výzkumníkům na Ellesmerově ostrově v arktické Kanadě.

Podobný nástroj na sledování reakce bylin na změny klimatu se nám ve středoevropských horách nabízí v podobě šťovíku alpského (Rumex alpinus). Mělce pod povrchem půdy tvoří oddenky, které se zachovávají 10 až 20 let. Lze na nich podle morfologických značek zjistit, kolik listů rostlina v tom kterém roce vyprodukovala, zda kvetla nebo se větvila. Stáří oddenků není sice příliš velké, uděláme-li však analýzu jejich růstu s odstupem 20 let na jedné lokalitě, získáme dostatečnou řadu měření na zajímavé závěry (obr. 7).

Klimatické změny v budoucnosti

Síť trvalých ploch pro budoucí sledování vlivu klimatických změn na vegetaci vysokých hor

Miroslav Dvorský, Zuzana Chlumská, Jiří Doležal

Nejpřesnější způsob, jak podchytit a zaznamenat, co se děje s vegetací, je její dlouhodobé sledování na trvalých plochách. Díky jejich přesnému vyznačení v terénu je možné je vždy znovu dohledat, vegetaci „přeměřit“ a posoudit změnu za určitý časový úsek. Při takovém měření se zaznamenávají přítomné druhy cévnatých rostlin, mechorostů či lišejníků a jejich procentuální pokryv. Velmi užitečná a zpřesňující je v tomto ohledu fotografie a digitální analýza obrazu. Každá trvalá plocha nebo jejich skupiny bývají doplněny detailním klimatickým měřením z automatických čidel (dataloggerů), které umožňují korelovat změny určitého klimatického faktoru se změnami vegetace (tab. I). Přes sto takových trvalých ploch jsme založili v Ladáku v západním Himálaji na výškovém gradientu 5200–6030 m n. m.¹⁾

Naší snahou je také připojení k mezinárodnímu projektu GLORIA (Global Observation Research Initiative in Alpine Environments), a proto zakládáme ještě další monitorovací stanoviště. Tento projekt v současnosti představuje největší koordinované úsilí při sledování vlivu klimatických změn na alpínskou vegetaci. Podle jednotné metodiky, vyvinuté vědci z Vídeňské univerzity, jsou již na více než stovce míst všech klimatických pásů aktivní monitorovací místa.²⁾

Manipulace s lokálním mikroklimatem

Vliv otevřených komor na bezcévné rostliny

Josef Elster, Jana Kvíderová, Tomáš Hájek

Nejvýznamnějšími primárními producenty polárních hydroterestrických a terestrických ekosystémů³⁾ jsou sinice, řasy, lišejníky a mechorosty, tradičně označované jako bezcévné rostliny. Úloha bezcévných rostlin jako primárních producentů stoupá se vzrůstající zeměpisnou šířkou. V polárních pouštích vysoké Arktidy a Antarktidy jsou často bezcévné rostliny jedinými autotrofními organismy, které byly schopny se přizpůsobit extrémním přírodním podmínkám – nedostatku vody v tekutém stavu, nízkým teplotám, velkým sezonním změnám teplot, krátkému vegetačnímu období atd. Zabezpečují zde vstup uhlíku, dusíku a energie do ekosystémů.

Bezcévné rostliny postrádají kořeny, kterými by přijímaly vodu. Proto se jejich fyziologická aktivita omezuje na období, kdy je voda dostupná v kapalném stavu. Mezi těmito obdobími mohou bez újmy zcela vyschnout. Proto tyto tzv. poikilohydrické organismy citlivě reagují na probíhající klimatické změny, především teplot, a tím i dostupnosti vody.

Pro simulaci vlivu mírného oteplení (2–3 °C) na polární a vysokohorské ekosystémy byly zkonstruovány svrchu otevřené komory (OTC, Open Top Chambers, „otevřené skleníčky“) a různé typy sněhových zábran. Zatímco sněhové zábrany jsou jednoduché desky z čirého organického skla, za nimiž se hromadí sníh, OTC jsou experimentální komory, ve kterých se díky omezenému proudění vzduchu mírně otepluje nebo hromadí sníh. Tyto komory mohou mít různou podobu. Při našich experimentech používáme jednoduché zástěny a šestiboké komory zhotovené z čirého organického skla. Každá OTC je vybavena sestavou čidel zaznamenávajících teplotu vzduchu a půdy a obsah vody v půdě. Měření probíhá i na kontrolních plochách mimo OTC. Tato jednoduchá metoda se používá již od osmdesátých let 20. století a na jejím vývoji se podílel také český arktický rostlinný ekolog, profesor na torontské univerzitě, Josef Svoboda (Vesmír 75, 277, 1996/5). Dnes je tento experimentální přístup široce aplikován v polárních i vysokohorských oblastech a je koordinován mezinárodní vědeckou společností ITEX (International Tundra Experiment), jejíž vznik byl iniciován právě těmito experimenty.

Naši přírodovědci se podílejí na studiu vlivu klimatických změn na polární hydroterestrické a terestrické ekosystémy. Pracují na lokalitách v Antarktidě v blízkosti české vědecké stanice Johanna Gregora Mendela (viz rámeček na s. 429) i v Arktidě na souostroví Špicberky poblíž české vědecké stanice Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích.⁴⁾

Z výsledků pětiletého studia vlivu mírného oteplení na nárosty lišejníků na náhorních vulkanických plošinách ostrova Jamese Rosse je patrné, že dochází ke změně ve složení společenstva. Ve větší míře se začíná uplatňovat foliozní lišejník Leptogium puberulum, který je v porovnání s keříčkovitými druhy rodu Usnea náročnější na vlhkost.

První výsledky mikroklimatických měření v kopečkové tundře v zátoce Petunia (Špicberky) ukazují, že otevřené komory jednak významně prodlužují vegetační sezónu, po kterou mohou být organismy metabolicky aktivní, jednak zde dochází k výrazné diferenciaci prostředí. Vrcholy kopečků rychle vysychají a v decimetrovém měřítku vytvářejí mozaiku pouštního a mokřadního prostředí. Mírné oteplení (o 0,9 °C v průběhu vegetačního období) se zatím neprojevilo na změnách fotosyntetické a nitrogenázové aktivity sinice Nostoc commune s. l. Vedlejším, zato ale nejnápadnějším efektem experimentu s otevřenými komorami bylo zjištění, že vegetační pokryv kopečkové tundry je zásadně ovlivňován pastvou sobů a hus.

Testování horní hranice výskytu cévnatých rostlin

Miroslav Dvorský, Zuza na Chlumská, Jiří Doležal

Proč vlastně rostliny nerostou ve vyšších nadmořských výškách? Zvláště když jsou horské druhy na takové prostředí adaptované a těm nejotužilejším stačí k vegetativnímu růstu a dlouhodobému přežívání pouhých 60–70 dnů s průměrnou teplotou svrchní půdní vrstvy nad 0 °C? Jako první jistě každého napadne drsné klima velehorských poloh – nízké teploty, velmi krátká vegetační sezona, riziko zasněžení a silný vítr. Existuje hranice, od které je život pro rostliny bezesporu nemožný, mimoto je většina vysokých hor zaledněná, zasněžená, skalnatá či suťovitá. Zkrátka pro rostliny zde není místo, i kdyby v klimatu dané výšky byly schopné přežívat. Existují však i polohy, kde rostliny nenalezneme, ačkoliv by tam podmínky vhodné byly. To platí například pro Malý Tibet ve východním Ladáku (západní Himálaj). Ledovce jsou zde kvůli aridnímu klimatu vyvinuté jen omezeně a sněžná čára začíná mnohem výš, než je současné rozšíření rostlin. Díky pozvolně klesajícím svahům náhorní plošiny jsou zde i relativně dobře vyvinuté půdy – místa pro rostliny je tedy dost. Malý Tibet je tak ideální přírodní laboratoří pro přesazovací pokusy.

V současnosti se vědci přiklánějí k hypotéze, že uchycení populací v nejvyšších polohách umožnil přísun diaspor z nižších poloh, kde semena za relativně mírnějších podmínek ještě stačí dozrávat. Tyto horní populace se pak samy generativně nerozmnožují. Jen se vegetativně rozrůstají, přičemž z fyziologického hlediska by hypoteticky mohly růst ještě výše. Přesazení rostlin z nižších poloh nad horní hranici jejich výskytu by nám umožnilo posoudit, zda jsou skutečně schopné snášet současné klima těchto míst. Pokud rostliny nepřežijí, můžeme se domnívat, že současná hranice rozšíření je určena klimaticky anebo že výše již nejsou vhodná mikrostanoviště. Pokud ovšem rostliny přežijí, dostáváme určitý důkaz o tom, že klimatická hranice leží výše. Takové závěry je ovšem nutné potvrdit přesným měřením teplot, protože je prokázáno, že v horském prostředí se mikroklima velmi silně liší i na krátkou vzdálenost v závislosti na reliéfu.

Největší znalec ladácké flóry, český vědec Leoš Klimeš, při svých expedicích v letech 1997–2006 nalezl nejvýše rostoucí cévnatou rostlinu pro Ladák ve výšce 6030 m v oblasti Malého Tibetu. Současný tým českých vědců ve stejné oblasti objevil v roce 2011 tři druhy rostlin ve výšce 6150 m. To by mohlo poukazovat na výškový posun vegetace v důsledku vyšších letních teplot a prodloužené růstové sezony. Bez přesných měření sice jde o pouhé spekulace, jsou však podpořeny výsledky přesazovacích experimentů.

V roce 2001 provedl L. Klimeš experiment, v němž přesadil 14 druhů rostlin vyskytujících se v extrémně vysokých nadmořských výškách do míst, kde normálně rostou, a výše, kde dosud nebyly nalezeny. Přesazené rostliny přežily pouze na hranici rozšíření svého druhu, výše už nikoliv. To by odpovídalo domněnce o tvrdé (nepřekonatelné) klimatické hranici (obr. 15). Rostliny přesazené v druhém transplantačním pokusu (celkem 11 druhů) r. 2009 však přežily dvě sezony i ve výšce 6100 m (obr. 16-17 a obr. 18). Nový výsledek podporuje hypotézu výškového posunu areálů rostlin. Naznačuje, že rostliny nejsou omezeny klimatem, ale ve vyšších polohách chybějí kvůli absenci diaspor nebo proto, že nepřežívají fázi klíčení či semenáčků. Ke zjištění, o jaký typ limitace jde, je nutné provést sledování přísunu diaspor ve výškách nad současným výskytem cévnatých rostlin. K tomu nám poslouží pasti na semena a výsevové pokusy se zralými semeny z nižších poloh.

Výzkum byl podpořen granty:

V Ladáku: GAAV-IAA600050802, GAJU-138/2010/P

Na Špicberkách: INGO LA341, LM2010009 CzechPolar, Kontakt ME934, Norway Funds B/CZ0046/3/0043, CZ.1.07/2.2.00/28.0190.

V Antarktidě: Kontakt ME 945

V Nízkých Tatrách: GD206/03/H034, GD206/08/H044