Vplyv skleníkových plynov na životné prostredie

1. Úvod do problematiky

Zmena klímy a jej vplyv na poľnohospodárstvo a lesníctvo boli zaznamenané v priebehu posledných 50 rokov. Ohrozujú stabilitu ekosystémov a blaho ľudí. Zvyšujúce sa teploty, suchá a biotický stres a vplyv extrémnych udalostí neustále znižujú odolnosť agro-lesníckych systémov voči zmene podnebia (Castro et al. 2019).

2. Úloha vegetácie na globálnom kolobehu uhlíka

Kolobeh uhlíka má nesmierny efekt na fungovanie a udržiavanie takého stavu planéty, ktorý je priaznivý pre život na Zemi v dnešnej forme, a teda aj pre blahobyt človeka. Kolobeh uhlíka hrá kľúčovú úlohu pri regulácii klímy Zeme tým, že určuje koncentráciu oxidu uhličitého (CO₂) v atmosfére. Spolu s inými plynmi, CO₂ prispieva k zosilňovaniu skleníkového efektu, ktorý spôsobuje, že časť tepla vzniknutého pôsobením slnečného žiarenia na zemský povrch je zachytená v atmosfére. Skleníkový efekt je sám o sebe prírodný jav a bez neho by Zem bola ďaleko chladnejšia. Nadmerné hromadenie skleníkových plynov v atmosfére môže spôsobiť ohrievanie planéty.

Suchozemské ekosystémy obsahujú uhlík v telách rastlín, v živočíchoch, v pôdach a mikroorganizmoch. Najviac uhlíka obsahujú rastliny a pôdy, zatiaľ čo ostatné zásobníky (organizmy) môžeme pri globálnom pohľade zanedbať. Na rozdiel od zemskej kôry, sa uhlík vyskytuje v suchozemských ekosystémoch väčšinou v organickej forme. V tomto kontexte slovo „organický“ označuje látky vyprodukované živými organizmy. Výmena uhlíka medzi rastlinami a atmosférou prebieha relatívne rýchlo prostredníctvom fotosyntézy a dýchaním. Dokopy je vo všetkých rastlinách na Zemi uložených približne 560 Pg (1 Petagram = 1015 g) uhlíku, pričom  najväčšie množstvo je v stromoch. Kmene stromov majú zo všetkých možných rastlinných pletív najväčšiu schopnosť ukladať veľké množstvo uhlíka, pretože drevo má vysokú hustotu a stromy dosahujú značných rozmerov.

V lese prebieha jedna z rozhodujúcich fáz kolobehu uhlíka. Lesy si s atmosférou vymenia obrovské množstvá CO₂  a iných plynov a zároveň v stromoch a pôde v rôznej forme viažu (uskladňujú) uhlík. Uhlík viazaný v rastlinách, resp. pôde sa nazýva „sekvestrovaný uhlík.” Uhlík, ktorý sa navráti do atmosféry po tom, čo bol stromami a inými organizmami využitý ako zdroj energie na rast, sa nazýva „predýchaný uhlík.” Väčšina CO₂ nad lesmi je pri fotosyntéze pohlcovaná stromami a slúži ako stavebný kameň a zdroj energie pri raste stromov.

3. Reakcia rastlín na zvyšujúcu sa koncentráciu uhlíka

Na zvyšujúcu koncentráciu CO₂ reagujú rastliny hlavne prostredníctvom zvýšenej rýchlosti fotosyntézy. Tento efekt je viditeľný u C3 rastlín, medzi ktoré patrí väčšina lesných drevín. Pri súčasnej koncentrácii CO₂ v ovzduší nie je ich fotosyntéza plne saturovaná oxidom uhličitým. Saturácia u rastlín C3 nastáva až pri 1000 ppm (parts per million: 1 ppm znamená 1 milióntina, t.j. 0,000001) (Körner, 2006). C4 rastliny sú pri súčasnej koncentrácii CO₂ takmer plne saturované oxidom uhličitým, takže ich fotosyntéza už nebude reagovať na zmeny koncentrácie CO₂ (Hlaváčová, 2011). Pri C3 rastlinách dochádza k nárastu rýchlosti fotosyntézy a zvýšeniu rastu rastlín o 20 – 40 % pri zdvojnásobení koncentrácie CO₂ oproti súčasnej koncentrácii (Sulzman, 2000).

4. Metódy skúmania ukladania uhlíka do rastlinnej biomasy

Rozoznávame 4 metódy skúmania ukladania uhlíka do rastlinnej biomasy. A to:

• uzavreté komorové systémy,
• otvorené komorové systémy,
• polo uzatvorené systémy - Eddy kovariančná technika,
• systém Free Air CO2 enrichment.

4.1. Uzavreté komorové systémy

Uzavreté systémy sa používajú pri pokusoch s jednotlivými rastlinami alebo niekoľkými málo jedincami. Najjednoduchšou metódou je použitie kyviet pre expozíciu jednotlivých vetiev alebo ich častí (Nátr, 2000). Podľa Nátra (2000; in Hlaváčová, 2011) je tento postup použiteľný skôr pre krátkodobé merania. Nevýhodou tejto metódy je skutočnosť, že v pokuse je zahrnutá iba časť rastliny. Ďalšou  nevýhodou je obtiažne získanie konštantných podmienok v kyvete.

Používanejšou metódou sú uzatvorené komory. Jedná sa o sklenené komory rôznych veľkostí, menšie pre použitie v laboratóriu; väčšie skleníky sa dajú použiť aj pre sledovanie rozsiahlych častí  porastu v poľných podmienkach. Nevýhodou tejto metódy je zníženie ožiarenosti rastlín v komore. Výhodou je možnosť regulácie teploty a vzdušnej vlhkosti (Nátr, 2000; in Hlaváčová, 2011).

4.2. Otvorené komorové systémy

Otvorené komory, v angličtine nazývané „open top chamber“, eliminujú hlavnú nevýhodu uzavretých komôr, a tou je zníženie ožiarenosti rastlín slnečným žiarením. Princíp je podobný ako u uzavretých systémov, líšia sa hlavne v otvorenej hornej časti. Tieto komory môžu slúžiť pre pozorovania od jedného stromu až po časti ekosystému. Nevýhodou zostáva oddelenie od okolitých zmien, ako je napr. pohyb vzduchu či zmeny vlhkosti počas dňa a pod. Medzi výhody systému patrí zachovanie koreňového systému rastlín, do ktorého nie je nutné zasahovať (Nátr, 2000; in Hlaváčová 2011).

4.3. Polo uzatvorené systémy - Eddy kovariančná technika

Prostredníctvom tejto metódy možno sledovať uhlíkovú bilanciu na úrovni ekosystému, merať jeho produktivitu, analyzovať efekt riadiacich premenných a slúži tiež pre pochopenie globálnych tokov oxidu uhličitého (CO₂), ktorý je hlavný skleníkový plyn uvoľňovaný ľuďmi. Eddy kovariančná metóda zaznamenáva bilanciu uhlíka porovnávaním cyklov fotosyntézy a respirácie. Sleduje výmenu CO₂ medzi zemským povrchom a atmosférou. Zaznamenávaný je turbulentný transport CO₂ prostredníctvom vzdušných vírov, ktoré sú vytvorené drsnosťou porastu a poháňané slnkom. Vzduch chudobný na CO₂ je transportovaný nahor, vzduch bohatý na CO₂ je transportovaný nadol (Obr. 1). Záporný tok CO₂ zodpovedá príjmu CO₂ ekosystémom.

Najdôležitejšími vlastnosťami Eddy kovariančnej metódy je:

1. umožnenie merania toku energie a látok;
2. jedná sa o najpriamejšiu a najpresnejšiu dostupnú metódu;
3. merania (výstupy) poskytuje na úrovni ekosystému;
4. pozorovania sú dlhodobé (roky), kde merania sú na vysokých frekvenciách (10 – 20 Hz) zaznamenávaných desaťkrát za sekundu (prípadne dvadsaťkrát za sekundu), pričom sú následne vyhodnotené v polhodinovom kroku.

Pomocou tejto metódy, resp. meraním toku CO₂, je možné zistiť čistú ekosystémovú výmenu (NEE), t.j. kde biotický tok CO₂ reprezentuje čistú ekosystémovú výmenu. Zohľadňuje aj tok CO₂, ktorý sa hromadí pod korunami stromov („storage“). Pri vyhodnocovaní meraní je potrebné prípadné odstránenie dát nameraných za podmienok s nízkou intenzitou turbulencie. Takéto podmienky vznikajú počas nočných meraní, ktoré sú najviac problematické, čo spôsobuje medzeru v dátach. Namerané údaje teda pokrývajú asi 65 %, ale ročná suma NEE vyžaduje kontinuálnu časovú radu NEE. Údaje sa teda následne dopĺňajú empirickými technikami a parametrizujú pomocou jednoduchých modelov. Empirický prístup predpokladá, že toky CO₂ sú rovnaké za rovnakých podmienok počasia (intenzita svetla, teplota…). Údaje sa doplnia na základe vyhľadávacej tabuľky s priemernými tokmi CO₂ pre vybraný rozsah podmienok a spomínanými modelmi. Kontinuálna časová rada NEE sa porovnáva s rôznymi lokalitami, rokmi a vyhodnocuje sa produktivita rôznych ekosystémov. Existuje a neustále sa buduje celosvetová sieť Eddy kovariančných staníc prispievajúcich k pochopeniu kolobehu uhlíka na pevnine. Údaje z týchto staníc sú voľne prístupné v databáze Fluxnet. Astrofyzici majú Hubblov teleskop, jadrový fyzici majú CERN, biochemici majú Fluxnet (Valentini et al., 2000).

Obr. 1 Princíp merania Eddy kovariančnej metódy; c1 a c2: tok uhlíka, w1 a w2: rýchlosť prúdenia vzduchu (Burba, Anderson, 2010)

4.4. Systém Free Air CO2 enrichment

Free Air CO₂ enrichment (FACE) znamená obohacovanie voľného vzduchu CO₂. Systém FACE sa dá použiť pre väčšie plochy než predchádzajúce systémy, a tým je vhodný pre skúmanie reakcie ekosystému na zvýšenie CO₂ v ovzduší. Prakticky jedinou nevýhodou toho systému je finančná náročnosť prevádzky, ale aj vlastná inštalácia. Systém sa skladá z trubíc rozostavaných do kruhu, ktorými je privádzaný CO₂ a uprostred kruhu je anemometer, odkiaľ sa privádza vzorka vzduchu k infračervenému analyzátoru. Prívody CO₂ sa automaticky zatvárajú a otvárajú v závislosti na konkrétnych podmienkach okolia (Hlaváčová, 2011).

5. Použitá literatúra

Burba, G., and D. Anderson, 2010. A Brief Practical Guide to Eddy Covariance Flux Measurements: Principles and Workflow Examples for Scientific and Industrial Applications. LI-COR Biosciences, Lincoln, Nebraska, USA, 212pp.

Castro, P., Azul, A. M., Leal Filho, W., Azeiteiro, U. M. (Eds.), Climate change-resilient agriculture and agroforestry (pp. 137-156). Springer, Cham.

Forestportal, 2015. Národné lesnícke centrum, Zvolen. [cit. 2019-09-27]. Dostupné na internete: <http://www.forestportal.sk/odborna-sekcia/podpory-a-dotacie/biomasa/Stranky/cyklus-uhlika-v-lese.aspx>

Hlaváčová, L. 2011. Sekvestrace uhlíku lesními ekosystémy v měnícím se klimatu. Bakalářská práce. Univerzita Karlova, Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy. 18 s.

Körner, C. 2006. Plant CO₂ responses: an issue of definition, time and resource supply. New Phytologist. 172. s. 393-411.

Sdružení TEREZA, 2012. Program GLOBE. [cit. 2019-09-26]. Dostupné na internete:  <https://www.globe.gov/documents/10157/59263168/Kolobeh+uhliku+Metodika2012.pdf/7be7a570-b3ab-428f-a13a-774b55070bae>

Sulzman, Elizabeth W. The Carbon Cycle [online]. [s.l.]: University Corporation for Atmospheric Research, 2000 [cit. 2011-04-26]. [cit. 2019-09-26]. Dostupné na internete:  <http://www.ucar.edu/communications/gcip/m2ccycle/m2html.html>

Valentini, R., et al. 2000, Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests, Nature, 404, 861–864, doi:10.1038/35009084.