Úvod význam vody. Voda je jedním ze základních složek biosféry a svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi podmiňuje vznik a existenci života.

Transkript

1 Hydrická funkce lesů

2 Úvod význam vody Voda je jedním ze základních složek biosféry a svými fyzikálními a chemickými vlastnostmi podmiňuje vznik a existenci života. Hlavní část vody, přibližně 1,360 mil. km 3 (97.1 %) je ve formě slané vody v oceánech a mořích, které pokrývají 71% povrchu Země, 2 % vody jsou v ledovcích a věčném sněhu, 0,6 % tvoří podzemní voda a pouze 0,02 % jsou obsažena v jezerech a řekách. Celkový obsah atmosférické vody je již zcela nepatrný 0,001 % (van EIMERN-HAECKEL 1984). 77% zásoby pitné vody je soustředěno v pevném skupenství v ledu a sněhu, 22% vody je voda podzemní a pouze 1% vodních zásob je voda v jezerech, řekách a v zemi (van den Leeden et al. 1990).

3 V podmínkách České republiky je podíl jednotlivých složek odlišný: Voda v půdě představuje asi 76% celkové zásoby vody, Podzemní voda asi 18%, Povrchová voda v řekách a jezerech (nádržích) činí pouze 6% celkové kapacity, Vodní zdroje představují asi 36% celkových srážek.

4 Srážky jsou hlavním zdrojem vody v České republice. Srážková voda je rozhodující činitel vodní bilance, vodohospodářská funkce lesů je zde mimořádně důležitá a zásadně ovlivňuje vodní bilanci.

5

6

7 Velký hydrologický cyklus Evaporace Pevné a kapalné srážky Infiltrace Povrchový a podpovrchový odtok

8 Malý hydrologický cyklus Je velmi důležitý především pro lesní ekosystémy, malé hydrologické cykly probíhají nad kontinenty (typ krajiny významně tento proces ovlivňuje). Pro racionální využívání vodních zdrojů a pro vlastní vodní hospodářství je nezbytná znalost všech parametrů hydrologického cyklu. Vodní bilance lesních ekosystémů je výsledkem procesů spojených s malým hydrologických cyklem.

9 Schéma vodní bilance lesních ekosystémech (N.G. Něstěrov, 1949)

10 Hlavní složky koloběhu vody (DENGLER et al. 1992).

11 Základní rovnice vodní bilance je: H = O + E + (Zk - Zz) Kde H celkové srážky, O odtok vody, který má tyto složky povrchový odtok, podpovrchový odtok, podzemní odtok do vodotečí nebo infiltrace do spodní vody, E celkový výpar, složky: výpar z půdy nebo vodní hladiny, T Transpirace, I intercepce, Zk Zz změna zásoby vody v půdě (půdní voda), konečný stav mínus počáteční stav.

12 Z dlouhodobého hlediska můžeme obsah vody v půdě považovat za konstantní, pak vodní bilanci můžeme vyjádřit takto: H = O + E Pro bývalé Československo byla vodní bilance vyjádřena takto (v mm): 720 = V našich podmínkách, kde jsou srážky jediným významným zdrojem vody, můžeme vodní bilanci vyjádřit takto: (Zk Zz) = H O E. když dz = (Zk Zz), pak 0 = H dz O E

13 Lesy a srážky Srážky jsou hlavním zdrojem vody pro lesní ekosystémy. Rozlišujeme: vertikální srážky (déšť, sníh) horizontální srážky (kondenzace vody v pevném nebo kapalném skupenství na nadzemní části rostlin a jejich pozdější pád na půdní povrch). Kromě celkového úhrnu srážek je také velmi důležité jejich rozložení během roku a jejich intenzita.

14 Kapalné srážky na holoseči ve srovnání se srážkami pod dospělým smrkovým porostem během mlžného počasí význam horizontálních srážek při různé síle srážky. Precipitation (clear-felled area) mm Stand precipitation mm % 0,44 1,60 361,2 1,80 3,16 175,1 3,63 4,51 124,2 7,25 9,53 131,3 26,43 30,57 115,7

15 Evaporace sensu lato Představuje ztrátu vody v plynné formě (vodní pára, která opustí ekosystém). Jeho hodnota závisí jednak na podmínkách prostředí, ve kterém k němu dochází, jednak i na dostupném množství vody Rozlišujeme: reálný výpar, potenciální výpar.

16 Transpirace - hlavní složka výparu (produktivní výpar) Transpiraci rozlišujeme: stomatární (transpirace listy), rhizodermální transpirace transpirace v kapalném skupenství, probíhá především v podmínkách vysoké vzdušné vlhkosti (gutace). Transpirace představuje hlavní ztrátu vody v lesních ekosystémech (okolo 60 %).

17 Transpirační koeficient - množství vody potřebné pro vyprodukování jednotky sušiny (g/g) pro různé porosty Kultura Zemědělské kultury Lesní dřeviny - stinné - slunné BK DG SM MD BO BR DB Transpirační koeficient

18 Denní spotřeba vody na plošnou jednotku lesa v letním slunném dnu MÜLLER (1967) : bříza modřín borovice smrk douglaska buk borůvka druhově bohatý pokryv bylin třtina křovištní 4,0 4,7 mm, 4,5 6,1 mm, 2,3 2,5 mm, 4,3 4,4 mm, průměr 5,3 mm, 2,0 3,8 mm, 0,5 0,9 mm, průměr 0,7 mm, 6,8 8,8 mm.

19 Evaporace sensu stricto Výpar z povrchu půdy bez vegetačního pokryvu nebo z půdy pod vegetací část neproduktivního výparu. Výpar z půdního povrchu je v lesních ekosystémech ovlivněn především vegetací (druhové složení lesního porostu, jeho struktura, hustota a zápoj). Přibližně můžeme stanovit podíl neproduktivního výparu v různých ekosystémech takto: lesní ekosystémy 10%, louky 25%, pole 45%, holá půda 100%. Podmínky evaporace jsou ovlivněné také pěstebními opatřeními (např. holoseče).

20 Evapotranspirace = transpirace + evaporace Aktuální (skutečná) evapotranspirace - závisí na aktuálních klimatických podmínkách, vegetační době, a především na obsahu vody v půdě a její přístupnosti pro rostliny. Potenciální evapotranspirace transpirace daná existujícími klimatickými a půdními podmínkami při maximální přístupnosti a doplňování vodních zdrojů.

21 Intercepce výpar z povrchu vegetace (rostlin). Jde o velmi významný výpar především v podmínkách lesních ekosystémů kapalné skupenství srážek (významná část) pevné skupenství srážek (sníh, jinovatka sublimace) Intercepční kapacita schopnost vegetace zachytit na svém povrchu srážky (závisí na typu vegetace a rychlost větru, nejčastěji kolísá mezi 0,5-1,8 mm). Hodnota intercepce je podmíněna především: charakter vegetace (velikost stromů a jejich korun, věk porostu, jeho hustota a zápoj, struktura porostu, lesní dřeviny (forma, velikost a povrch listů)

22 Na základě výsledků pozorování z různých stanovišť je možné intercepční ztráty odhadnout podle dřevin: buk (Fagus): 8-29 %, smrk (Picea): %, borovice (Pinus): %, dub (Quercus): %, jedle (Abies): %.

23 Průměrné hodnoty intercepce jsou V lesních ekosystémech 30 %, V travních společenstvech okolo 25% V polních ekosystémech cca 15%. Maximální intercepce je zpravidla ve věku 40 let (borovice), okolo 50 let (dub) a přibližně v 60 letech u smrkových porostů.

24 Vodní bilance a její složky v borových porostech (mm) Moločanov 1952 Věk srážky kondenzace výpar intercepce transpirace odtok

25 Intercepce ve smrkových kmenovinách chlumní oblasti v závislosti na taxačních parametrech (KREČMER FOJT 1981; upraveno). Porost Počet stromů Výčetní základna Zakmenění Zápoj Intercepce (ks.ha -1 ) % (m 2.ha -1 ) % % % % index , , , , ,7 79 1, , , ,6 53 0, , , ,3 63 0, , , ,0 28 0, , ,5 50

26 Úhrn porostních srážek v teplém období roku a relativní intercepce ve smrkové kmenovině po různě silné probírce (LANG 1970). Síla probírky slabá střední silná Hustota porostu (ks.ha -1 ) Výčetní základna (m 2 ) 68,8 54,3 39,8 Střední výška (m) 25,1 24,1 25,6 Střední výčetní tloušťka (cm) 22,4 22,4 26,2 Štíhlostní kvocient 112,1 107,6 97,7 Podkorunové srážky (mm) 290,1 312,3 345,3 Stok po kmeni (mm) 12,0 8,5 5,5 Porostní srážky celkem (mm) 302,1 320,8 350,8 Srážky na nelesní půdě (mm) 499,3 499,3 499,3 Relativní intercepce (%) 39,5 35,8 29,7

27 Intercepční ztráty v závislosti na celoročním úhrnu srážek (ULRICH 1980). Úhrn srážek Intercepce (%) mm. rok -1 borovice buk smrk jedle

28 Srážky porostní (Sp) v procentech srážek mimo les ve smrkových kmenovinách při různé velikosti kruhové (m2) plochy a různé síle srážek (mm) - (LANG 1970).

29 Odtok povrchový odtok, jeho podíl z celkových ročních srážek je: v jehličnatých porostech 0,1-2,7 %, (průměrně asi 1%), v listnatých porostech 0,1 5%, (průměrně asi 1,5%) infiltrace (gravitační voda) - podpovrchový odtok, - infiltrace vytvářející zdroje podzemní vody.

30 Lesy ve srovnání s ostatními ekosystémy velmi efektivně transformují povrchový odtok na odtok podpovrchový. Infiltrační schopnost lesní půdy je značná a lesní hospodaření ji může významně ovlivňovat. Intenzita infiltrace je závislá na: lesním porostu a jeho struktuře, textuře půdy, vodivosti, pórovitosti půdy, vlhkosti půdy, mechanické erozi.

31 Infiltrační schopnost v různých porostech lesních ekosystémů (mm.min -1 ) Ekosystém (Porost) Zamokřená holina SM 6, BK 4 SM kmenovina (zak. 0,9) SM kmenovina (zak. 0,7) SM tyčovina (zak. 0,9) SM 6, DB 4 SM kmenovina (zak. 0,9) vypásaný les Vsak na počátku měření 1,00 1,62 4,27 11,81 13,08 13,38 29,62 56,40 Průměrný vsak za 120 min 0,34 0,55 1,45 1,68 1,86 4,55 14,22 19,18

32 Intercepce a výše srážky, Vyšrafován je maximální rozdíl intercepce při srážce 2 5 mm (podle ULRICHA 1980).

33 Změna hladiny podzemní vody vyvolaná holosečí v bukovém porostu (75 let) na morénové půdě (HOLSTENER JØRGENSEN 1967).

34 Faktory, které ovlivňují povrchový odtok a infiltraci 1) Meteorologické a klimatické podmínky (trvání a intenzita deště, vodní a vlhkostní režim, proudění vzduchu) 2) Půdní podmínky (pórovitost, distribuce a stabilita pórů, podíl kapilárních a nekapilárních pórů) 3) Topografie (svažitost, reliéf terénu, drsnost povrchu) 4) Kvalita vody (teplota vody, zakalení, obsah minerálů) 5) Hospodářská opatření 6) Vegetační podmínky

35 Možnosti při ovlivňování vodní bilance lidskými zásahy 1) Zvýšení lesnatosti území v hydrologicky významných oblastech lesní půdní kryt ve srovnání s ostatními ekosystémy efektivně transformuje povrchový odtok na podpovrchový. 2) Volba hospodářských způsobů (eliminace holosečí) 3) Úprava hustoty lesních porostů I pro nevýznmané zvýšení odtoku vody z povodí je zapotřebí radikální snížení zakmenění porostů (Reinhart et al. 1963, Mayer 1980, Mitscherlich 1981, Dengler 1992) Např. 10% zvýšení odtoku vody z bukového povodí ve středních horských polohách vyžaduje snížení zakmenění porostů na 0,6 (Führer 1990). To je však spojené s významnými ztrátami na ostatních funkcích lesa (Assmann 1961, Freist 1961). 4) Úprava druhové skladby lesních porostů

36 Vliv lesnatosti povodí na kvality odtékající vody (Moldan, Pačes 1980). Obsahy prvků vmg.l -1 Povodí Lesnatost % Na K Mg Ca N SO 4 P SiO 2 celková mineralizace ph Hartíkov 100 4,7 1,0 1,3 3,2 0,083 11,5 0,028 20,9 58,3 7,15 Salačova Lhota 100 4,8 1,2 3,1 7,0 0,28 26,4 0,024 22,1 82,3 7,18 Vočadlo 4,4 8,5 2,8 7,0 21,3 9,0 31,8 0,024 11,6 154,3 6,14 Šamšín 0 16,1 8,8 27,7 83,9 29,0 134,4 0,029 12,9 511,7 5,98

37 Závislost celkové kapalné intercepce na ploše listů ve smrkové mlazině a tyčkovině I (%) = -9,12 + 0,97ha (Chroust 1982) Podkorunové srážky (mm) ve smrkové mlazině (přerušovaná čára), blízko kmenů a v pozici mezi stromy (sloupce).

38 Povrch listů (LA) a celková intercepce v porostu bez výchovy (plná čára) a v porostu po výchovné zásahu ve věku od 13 do 24 let (Chroust 1982)

39 Hydrická funkce lesů Je samovolným důsledkem existence lesů, jejichž obhospodařování není nijak vodohospodářsky motivováno (teorie úplavu). Hydrická funkce má Kvalitativní účinky Ovlivňování režimu ve vodních tocích zadržováním (retencí) a zpomalováním (retardací) odtoku srážkových vod. Jde o ovlivňování způsobu odtoku srážkových vod přeměnou povrchového odtoku v odtok podzemní. Cílená retence srážkových vod a retardace odtoku vede k výrazné proměně časového rozložení odtoku vod na malých tocích, k útlumu povodňových vln, ke snižování rozkolísanosti vodních stavů a k příznivému ovlivnění jakosti vody vyloučením splachů i útlumem vodní eroze

40 Kvantitativní účinky Působení na vodní bilanci a její složky (evapotranspiraci, intercepci, horizontální srážky apod.). Jde především o ovlivňování množství disponibilní vody k vodohospodářským účelům. Jeho zvýšení (nebo alespoň účelné potlačení zbytečných ztrát vody) vyžaduje změnu vodní bilance lesů v povodích prostřednictvím snížení hydrologických ztrát evapotranspirací porostů, akumulací zásob vody ve sněhu či zachycováním horizontálních srážek z mlhy.

41 Vodohospodářská funkce lesů Je výsledkem záměrné hospodářské činnosti, které zahrnují biotechnická opatření posilující nebo vyvolávající vodohospodářsky žádoucí efekty lesů a potlačují efekty záporné (vytváření podmínek pro takové ovlivnění hydrologických parametrů a charakteristik povodí, podle potřeb vodohospodářů).

42 Rajonizace lesů vodohospodářského významu a) Lesy v povodí vodárenských nádrží a toků s prvořadým požadavkem na způsoby hospodaření chránící kvalitu vody. Nejdůležitější skupina lesů vodohospodářského významu, část jejich plochy (12 tis. ha) tvoří pásmo hygienické ochrany. V bilančně nedostatkových povodích může také jít o záruky nesnižování kvantity vodních zdrojů. Optimální péče o jakost vody znamená vyloučení přímých splachů chemických a biologických škodlivin či půdních suspenzí do vodárenských nádrží. Boj proti erozi a znečištění vod je kardinálním bodem vodohospodářské funkce lesů vodárenských povodí.

43 b) Lesy pramenných oblastí se v podstatě kryjí s chráněnými oblastmi přirozené akumulace vod. Jde o území druhého významového pořadí. Jejich masivy mají bezprostřední význam pro řízení odtokového režimu srážkových vod. Tyto oblasti se významně podílí na tvorbě vodního fondu státu (jde o cca 600 tis. ha 23 % lesní půdy). Hospodářská opatření mají směřovat k maximální převodu povrchového odtoku na odtok podzemní. Někde půjde i o zplošťování povodňových vln.

44 c) Lesní porosty vodoochranné místního významu Jednotlivé lesních porosty určené k bezprostřední ochraně zejména zdrojů podzemních vod (cca 50 tis. ha). Jde o ochranu břehů toků i nádrží, k pohlcování nesoustředěného svahového odtoku infiltrací do půdy, k lokální hygienické ochraně vodárenských objektů a pod.

45 Chráněné oblasti přirozené akumulace povrchových vod

46 Příklady experimentů pro vyhodnocení hydrické funkce v České republice (Fakulta lesnická a environmentální v Praze, Lesnická a dřevařská fakulta Brno

47 Základní metody měření infiltrace 1) Použití lyzimetrů 2) Měření srážek a odtoku (v rámci celých povodí) 3) Balancování v rámci jednotlivých půdních horizontů. 4) Využití infiltrometrů - zátopový typ - dešťový simulátor

48 Experiment s využitím dešťového simulátoru pro měření infiltrace a odtoku Byly vybrány 3 různé lesní porosty: a) Smíšený porost (smrk 50, buk 25, borovice 15, modřín 5, dub 5), nadmořská výška 430 m, sklon svahu 5-8 b) Jehličnatý porost (smrk 85 %, borovice 13 %, modřín 3 %), nadmořská výška 360 m, sklon svahu 6-9 c) Listnatý porost (buk 60 %, dub 20 %, borovice 10 %, smrk 10 %), nadmořská výška 345 m, sklon svahu 7-10

49

50

51

52 Průměrná hodnota infiltrace a odtoku na jednotlivých lokalitách % ze srážky Locality

53 Průměrná intenzita odtoku (mm/min)

54 Průměrná hodnota infiltrace a odtoku na jednotlivých lokalitách s rozdílnou intenzitou deště % ze srážky Lokalita

55 Experimentální povodí v NP Šumava Cílem studie byly porovnání hydrologické účinnosti (funkčnosti tří rozdílných typů lesních ekosystémů. Každý ekosystém byl zastoupen jedním experimentálním povodím. Kontinuální měření teploty vzduchu, srážek a průtoků byl zahájen v srpnu Od roku 1999 byly měřena i vodivost vody a její kvalita. Výsledky hydrologického výzkumu indikují, že zdravý les má schopnost redukovat maximální odtoky z povodí a současně zvyšovat odtoky minimální. Jsou zde také prezentovány výsledky chemických a fyzikálních analýz půdy, které byly odebrány z experimentálních povodí v minulých letech.

56 Popis experimentálních povodí v NP Šumava Stanice Lokalita Vegetace Plocha [ha] Nadm. výška [m n. m.] Expozice Modrava 1 pod Roklanem Mrtvý les Severní Modrava 2 Malá Mokrůvka Holina Severní Modrava 3 pod Vysokým stolcem Zdravý les Severní

57 Stanice Vegetace Max. specifický odtok [l.s -1.ha-1] Modrava 1 Mrtvý les 16,07 Modrava 2 Holoseč 9,02 Modrava 3 Zdravý les 3,14 Průměrný specifický odtok [l.s -1.ha -1 ] 0,076 0,081 0,072

58 Locality 1998 H s H o φ q max q min [mm] [mm] [%] [l.s -1.ha - [l.s -1.ha - 1 ] 1 ] M VIII.199 M M M IX M M M X M M M VIII-X. M M

59 Retenční potenciál svrchní vrstvy půdy v lesních porostech s různou druhovou skladbou případová studie na ŠLP Kostelec n.č.l. Studie byla zaměřena na vyhodnocení změn retenčního potenciálu půdy (v horizontech nadložního humusu a ve svrchní vrstvě minerální půdy) v závislosti na změně druhové skladby lesních porostů. Tento retenční potenciál je závislý na množství holorganického materiálu a na fyzikálních vlastnostech svrchní vrstvy minerální půdy. Výsledky potvrzují rozdílnou dynamiku organického materiálu v jehličnatých porostech ve srovnání s listnatým porostem a také menší rozdíly v pedofyzikálních vlastnostech minerální půdy. Tyto poznatky se odráží ve srovnatelné retenční kapacitě porostů s různým druhovým složením. Degradační změny mohou být předpokládány na holině.

60 Popis zkoumaných porostů Plocha Porost 118B5 118B3 118B5 118B2 118B3 121A Lesní typ 3S1 3S1 3S1 3S1 3S1 3S1 Nadmořská výška Druhové složení Dub, habr Douglaska Smrk Smrk Jedle obrovská Holina Věk

61 Hmotnost nadložního humusu ve zkoumaných porostech (sušina v tunách na 1ha) Porost Dub - habr Douglas ka Smrk Smrk Jedle obrovská Holina Hor. L + F 1 0, ,24 6,02 4,38 F 2 2,68 6,8 7,00 5,00 H 6,10 15,2 11,17 22,62 12,15 20,00 Suma 9,74 21,80 24,47 28,64 16,53 25,00

62 Druh Objemová hmotnost Objemová hmotnost Specifická hmotnost Pórovitost Maximální vodní kapacita (Novák) Minimální vzdušná kapacita % g/cm 3 g/cm 3 % % % Dub habr 31,1 d 0,82 a 2,50 a 67,5 d 45,0 d 22,5 b Douglaska 13,1 ab 1,05 c 2,57 b 59,0 b 38,8 bc 20,2 ab Smrk 16,1 c 0,92 ab 2,57 b 64,1 cd 33,7 a 30,4 c Smrk 12,3 a 0,97 bc 2,58 b 62,4 bc 42,1 cd 20,3 ab Jedle obrovská 15,4 bc 0,97 bc 2,58 b 62,3 bc 43,9 d 18,4 ab Holoseč 29,8 d 1,25 d 2,55 ab 51,0 a 36,4 ab 14,6 a

63 Maximální vodní kapacita v půdě lesních porostů s různou druhovou skladbou Druh Max. retenční schopnost povrchového humusu Max. retenční schopnost svrchní vrstvy minerální půdy (10 cm) Celková potenciální vodní kapacita mm mm mm Dub - habr 3,7 45,0 48,7 Dougaska 8,1 38,8 46,9 Smrk 9,2 33,7 42,9 Smrk 10,7 42,1 52,8 Jedle obrovská 6,2 43,9 50,1 Holoseč 9,4 36,4 45,8

64 Vodní bilance smrkového a bukového porostu ve vegetační době v Orlických horách (Prof. Kantor LDF Brno) Experimentální plochy: Nadmořská výška 890 mnm, svah 16 věk: buk počet stromů na 1ha: buk 433 smrk smrk 400 D1,3: buk 22.8 cm Zásoba porostu: buk 404 m 3 smrk 25.6 cm smrk 574 m 3 Zakmenění porostu: buk 1 smrk 1

65 Parametry vodní bilance Buk Smrk množství (mm) podíl (%) množství (mm) podíl (%) Intercepční ztráty Transpirace Výpar z povrchu půdy Povrchový odtok Horizontální odtok půdou Vertikální vsak srážek půdou, následovaný podpovrchovým odtokem Srážky na volné ploše

66 Výsledky 1. Hledisko kvalitativní vodohospodářské funkce (prevence povrchového odtoku, snížení rizika záplav a snížení výkyvů odtoku vody z povodí) Bukový stejně jako smrkový porost plní úspěšně své poslání i ve svažitém terénu. 2. Vliv druhového složení porostů na parametery kvantitativních aspektů vodohospodářské funkce (množství vody pro všeobecné využití) Bukový porost je schopný produkovat o 1350 m 3 více vody ročně než porost smrkový Na základě těchto výsledků je možné prohlásit, že v oblastech s vyššími požadavky na množství vody bude nutné v budoucnu zvýšit v lesních porostech podíl buku na úkor smrku

67 Děkuji za pozornost