AKTUALITY ŠUMAVSKÉHO VÝZKUMU II str. 84 88 Srní 4. 7. října 2004 Vliv vegetace na vodní a teplotní režim tří povodí ve vrcholovém pásmu Šumavy Influence of vegetation cover on water and thermal regime of three watersheds in the Bohemian Forest Miroslav Tesař 1, *, Miloslav Šír 1 & Eva Zelenková 2 1 Ústav pro hydrodynamiku AVČR, Pod Paťankou 5, CZ-16612 Praha 6, Česká republika 2 Správa NP a CHKO Šumava, 1. Máje 260, CZ-38501 Vimperk, Česká republika *msir@mereni.cz Abstract The air temperature (5 and 200 cm above the soil surface), the soil temperature (15 and 60 cm below the soil surface), precipitation and runoff are continuously measured on three stands differing in the vegetation cover: (1) the clearing covered by herbs, (2) the mature spruce forest, and (3) dead spruce forest with a herb undergrowth. Conclusions were obtained by the interpretation of measured data: (1) The heat regime of the stand covered by the dead forest is less stabilised compared to the stands cover by clearing or mature forest. (2) The heat regime of stands covered by mature forest and by herbs are comparable stabilised. (3) The water regime of all stands is comparable stabilised. (4) The plant transpiration in all stands was not reduced by the lack of soil water. Key words: runoff hydrology, water regime, thermal regime, plant transpiration ÚVOD Na třech šumavských povodích, krytých odlišným porostem (zdravý dospělý smrkový les, holina porostlá bylinami a mrtvý les s bylinným podrostem), se zkoumá vliv druhového složení vegetace na vodní a teplotní režim. Povodí se nacházejí v chladném klimatickém pásmu, kde srážky ve vegetační sezóně výrazně překračují potřebu vody na transpiraci rostlin. V případech kalamitního odlesnění Krušných hor, Jizerských hor a Krkonoš se ukázalo, že odlesnění nezpůsobí výrazný nárůst odtoku ani vzestup kulminačních průtoků. Důvodem je fakt, že na odlesněných plochách téměř okamžitě narostou náhradní porosty, které půdu plně zakryjí. V důsledku toho je transpirace původního stromového porostu nahrazena stejně mohutnou transpirací náhradních porostů. Proto se téměř nezmění vodní režim půd a celé krajiny. Stejným způsobem lze vysvětlit, proč radikální porostová záměna (smrk místo buku) neměla jednoznačně identifikovatelný dopad na srážko-odtokový vztah v experimentálních povodích v Beskydech (CHLEBEK & JAŘABÁČ 1988, 1994). Tento článek referuje o experimentu, jehož cílem je získat takové údaje, aby bylo možné zodpovědět klíčové otázky: (1) Je mikroklima mrtvého lesa s bylinným podrostem vyrovnanější než mikroklima holiny s bylinným podrostem? (2) Má mrtvý les s bylinným podrostem vyrovnanější odtokový režim než holina s bylinným porostem? (3) Má zdravý les nejvyrovnanější mikroklima a současně odtokový režim? 84
EXPERIMENTÁLNÍ POVODÍ Trojice malých experimentálních povodí leží ve vrcholovém pásmu Šumavy. Nacházejí se v téměř shodných přírodních podmínkách, přičemž se navzájem výrazně odlišují jen typem porostu (Tab. 1). Půdní pokryv je tvořen hnědou půdou kyselou na pararule. Jedná se o studenou klimatickou oblast. V každém experimentálním povodí je umístěno měřící stanoviště, kde se měří teplota vzduchu ve výšce 5 cm a 200 cm nad povrchem půdy, teplota půdy v hloubce 15 cm a 60 cm, tenzometrické tlaky půdní vody a zásoba půdní vody ve všech genetických půdních horizontech a srážky. V závěrovém profilu každého povodí se měří průtoky. Měření je plně automatické. Povodí Kout je kryto mrtvým lesem horskou třtinovou smrčinou. Ve stromovém patru převažuje smrk (Picea abies) s příměsí jeřábu (Sorbus aucuparia) po kůrovcové invazi jsou staré smrky suché, v současné době již značně prolámané, s přirozeným zmlazením, případně dosadbou smrku a jeřábu. V podrostu dominuje třtina chloupkatá (Calamagrostis villosa) a borůvka (Vaccinium myrtillus), místy bika lesní (Luzula sylvatica). Výška bylinného patra je asi 40 cm. Stromy v mrtvém lese mění jak svoji výšku lámou se, tak hustotu padají. Lze uvažoval výšku 5 10 m (užší rozmezí 6 8 m) a hustotu 200 300 ks.ha 1 (asi 250 ks.ha 1 ). Povodí Doupě je holina původně horská třtinová smrčina. Stromové patro nyní prakticky chybí, zčásti se projevuje přirozené zmlazení, zčásti dosadba smrku a jeřábu. V bylinném patru převažuje třtina chloupkatá (Calamagrostis villosa), bika lesní (Luzula sylvatica), metlička křivolaká (Avenella flexuosa), častá je borůvka (Vaccinium myrtillus), ale i dřípatka horská (Soldanella montana) nebo maliník (Rubus idaeus). Výška bylinného patra činí asi 30 cm. Na povodí Stolec je zdravý smrkový les acidofilní bučina. Ve stromovém patru (stáří porostů je převážně nad 140 let, asi s 20 % podílem porostů do 40 let) je významný podíl smrku (Picea abies) a buku (Fagus sylvatica), ojediněle se vyskytuje jedle (Abies alba). V bylinném patře je významná třtina chloupkatá (Calamagrostis villosa), bika lesní (Luzula sylvatica), borůvka (Vaccinium myrtillus), místy věsenka nachová (Prenathes purpurea) nebo kapraď rozložená (Dryopteris dilatata). Bylinné patro má výšku asi 10 cm, vyjímečně 20 cm. Stromový porost stáří nad 140 let má výšku asi 29 m a mlazina do 40 let je vysoká asi 6 10 m. Tabulka 1. Charakteristiky experimentálních povodí. Table 1. Characteristics of experimental catchments. povodí Kout Doupě Stolec vegetační kryt mrtvý les holina s podrostem zdravý les stáří původního lesa (let) 150 150 130 stáří nových porostů (let) 0 5 0 5 není plocha povodí (km 2 ) 0,1 0,17 0,07 nadmořská výška (m n.m.) 1210 1275 1180 1330 1105 1251 expozice severní severní severní srážkový úhrn za červen až září (mm) 361,1 342,4 322,4 odtoková výška za červen až září (mm) 25,6 40,9 28,1 odtokový koeficient (%) 7,1 11,9 8,7 Poznámka: Údaje o srážkách a odtocích jsou průměrem za sezóny 1999 a 2000. Odtoková výška značí proteklé množství uzávěrovým profilem povodí za dané období dělené plochou povodí. Odtokový koeficient je poměr srážkového úhrnu a odtokové výšky vyjádřený v procentech. 85
Všechny vegetační kryty jsou plně zapojené, takže kompletně zakrývají povrch povodí. Na všech povodích je dostatečná zásoba půdní vody po celou vegetační sezónu, takže transpirace není limitována nedostatkem vody. VÝSLEDKY Transpirace je rostlinou regulovaný výpar vody z listů nebo jehlic. Jedním z pohledů na transpiraci je názor, že jejím účelem je zabránit přehřátí rostliny nad optimální teplotu, kdy produkce fytomasy dosahuje maxima (DEKKER et al. 2000). V tomto pojetí se transpirace zapíná jen v případě, kdy rostlině toto přehřátí hrozí vlivem tepla z okolí z pohlcené sluneční radiace a/nebo z teplého vzduchu. Dojde-li k poklesu teploty rostliny spotřebou tepla na výpar a/nebo vyzářením tepla do chladnějšího vzduchu, transpirace se vypne. Jedná se tedy o regulaci s negativní zpětnou vazbou. Pro ní je charakteristické, že regulace udržuje maximální teplotu rostliny tak, že kolísá v úzkém rozmezí okolo optimální hodnoty. V chladném horském a podhorském klimatu je při oslunění optimální teplota rostlin udržována transpirací tak, aby nepřekročila asi 25 ºC ve střední hodnotě, přičemž kolísá v intervalu asi 23 27 ºC (ŠÍR et al. 2003). Obr. 1 ukazuje zahřívání vzduchu v 5 cm nad zemí ve dnech 15. a 16. srpna 2002. Příkon sluneční radiace spolu s teplotou vzduchu nezpůsobil zahřátí rostlin nad 25 ºC, takže transpirační chlazení se nezapnulo. Nárůst teploty vzduchu je proto výsledkem nechlazeného ohřívání v důsledku pohlceného slunečního záření. Polední teplota dne 16. 8. v mrtvém lese překonává o asi 2 ºC teplotu na pasece a o asi 9 ºC teplotu v lese. Nízká teplota v lese je vysvětlitelná tím, že sluneční teplo ohřívá převážně koruny stromů ve velké výšce nad terénem. Z nich vyzařující teplo je výrazně utlumeno při průniku k zemi vzdálené 29 m, takže teplota u země je výrazně nižší. Na holině a na pasece je však ohřívaný povrch bylinného porostu vzdálen od půdního povrchu jen asi 30 40 cm. Z něho vyzařující teplo je při průniku k zemi výrazně méně utlumeno, proto je teplota vzduchu v 5 cm nad zemí vyšší než teplota v lese. Obr. 2 ukazuje průběh teploty vzduchu ve dnech 19. a 20. srpna 2002. V těchto dnech je transpirační chlazení v chodu, denní úhrn transpirace činí asi 4 5 mm. Polední teplota v mrtvém lese dosahuje extrémních hodnot nad 30 ºC. Naproti tomu polední teplota na holině kolísá v rozmezí 23 25 ºC, což je interval teplot, který svědčí o plné funkci transpirač- Obr. 1. Průběh teploty vzduchu v 5 cm nad zemí ve dnech 15. a 16. srpna 2002. ML mrtvý les, HOL holina, LES dospělý les. Fig. 1. Time course of the air temperature in the high of 5 cm above the soil surface, 15 Aug 16 Aug 2002. ML dead forest, HOL clearing, LES mature forest. 86
Obr. 2. Průběh teploty vzduchu v 5 cm nad zemí ve dnech 19. a 20. srpna 2002. ML mrtvý les, HOL holina, LES dospělý les. Fig. 2. Time course of the air temperature in the high of 5 cm above the soil surface, 19 Aug 20 Aug 2002. ML dead forest, HOL clearing, LES mature forest. ního chlazení. V lese dosahuje polední teplota asi 22 ºC. Důvodem není vyšší transpirace, ale jako je tomu v předchozím případě na Obr. 1, větší útlum v důsledku velké vzdálenosti povrchu půdy od zahřívaného (a chlazeného) povrchu korun stromů. DISKUSE Vodní režim experimentálních povodí dobře charakterizují odtokové koeficienty v Tab. 1. Odtokové koeficienty se navzájem odlišují o 40,3 %, přičemž srážkové úhrny pouze o 10,7 %. Odtokové koeficienty na všech povodích (v řádu 10%) jsou velice malé. Důvodem je velká spotřeba vody na transpiraci v důsledku velkého příkonu tepla z globální radiace. Vzhledem k tomu, že srážky se běžně měří s chybou okolo 10 %, lze pokládat všechna povodí za srážkově shodná. Povodí jsou i jinak až na typ porostu podobná, proto odlišnost odtokových koeficientů lze přičíst zejména odlišnosti vegetačního krytu a hydraulických vlastností půdního povrchu. Poněkud překvapující skutečnost, že zdravý les má vyšší odtokový koeficient než mrtvý les, je vysvětlitelná např. hydrofobií povrchové vrstvy půdy pod jehličnatým opadem. Tuto myšlenku je však nutno prověřit v další etapě měření. Zvýšení odtoků na holině je obvykle přičítáno zmenšené retenční kapacitě poškozeného povrchu půdy a poničeného vegetačního krytu v důsledku pojezdů těžebních mechanismů. Obr. 1 a 2 ukazují extremalizaci chodu teploty (zvětšení denních teplot a zmenšení nočních teplot) v mrtvém lese oproti holině. Zvětšení denních teplot je způsobena tím, že mrtvé netranspirující kmeny se při oslunění ohřívají více než transpirující zeleň bylinného podrostu. Teplo, které z nich následně vyzařuje, způsobuje teplotní špičky v poledních hodinách ve dnech s velkým osluněním. Zmenšení nočních teplot je důsledkem menšího skleníkového efektu atmosféry. Lze jej vysvětlit tím, že mrtvé kmeny zmenšují plochu zelené vegetace, což způsobuje, že celková transpirace je menší. Menší celková transpirace vede k tomu, že v ovzduší je méně vodní páry. V noci to způsobuje větší vyzáření tepla z povrchu, což se projevuje poklesem nočních teplot. ZÁVĚR Experimentální materiál dovoluje s velkou jistotou odpovědět na otázky položené v úvodu: (1) Holina má vyrovnanější teplotní režim než mrtvý les. V porostu ve výšce 5 cm je mrtvý 87
les výrazně méně teplotně stabilizován než holina. (2) Mrtvý les má vyrovnanější odtokový režim než holina. Avšak vzájemný rozdíl, měřeno odtokovým koeficientem, je nevýrazný. (3) Mrtvý les má dokonce vyrovnanější odtokový režim než zdravý les, ale rozdíl není podstatný. Teplotní režim lesa je podle očekávání ze všech variant porostu nejvyrovnanější. Tím je zdůvodněno, proč plošně malé holiny a mrtvé lesy nemění vodní a teplotní režim krajiny v chladném klimatu, pokud jsou plně porostlé transpirující vegetací. Občasné selhávání chlazení v mrtvých lesích je z hydrologického hlediska nevýrazné, je-li jejich plocha malá. Nevznikají extrémní odtoky, protože dostatečná transpirace prázdní půdní nádrž, která je následně schopna zachytit srážku o úhrnu až několik desítek milimetrů. Ani se nevyvolávají extrémní místní srážky, neboť dostatečné transpirační chlazení zabraňuje vzniku teplotní nerovnováhy mezi lesem a bezlesím, která by je mohla způsobit. Plošně velké mrtvé lesy však mohou být hydrologicky nebezpečné, neboť extremalizace teplot na nich nebude tlumena plně transpirujícím okolím. Potvrdila se zkušenost získaná na jiných experimentálních povodích: Je-li v půdě dostatek vody pro transpiraci a je-li povrch pokryt transpirující zelení, pak se vodní a teplotní režim krajiny nemění v důsledku proměny druhového složení vegetačního krytu (ELIÁŠ et al. 2002, CHLEBEK & JAŘABÁČ 1988, 1994). Všechna tvrzení se týkají chladného klimatu a teplého období roku, kdy transpirace rostlin výrazně spoluurčuje klimatické a odtokové poměry. Poděkování. Práce vznikla za finanční podpory AVČR (projekt v Programu podpory cíleného výzkumu a vývoje č. IBS2060104, projekt v Programu rozvoje badatelského výzkumu č. KSK3046108 a Výzkumný záměr č. AV0Z2060917). LITERATURA DEKKER S.C., BOUTEN W. & VERSTRATEN J.M., 2000: Modelling forest transpiration from different perspectives. Hydrological Processes, 14: 251 260. ELIÁŠ V., TESAŘ M., ŠÍR M. & SYROVÁTKA O., 2002: Stabilita a extremalizace hydrologického cyklu pramenných oblastí [Stability and extremalization of hydrologic cycle in head water areas]. In: Povodně: prognózy, vodní toky a krajina, PATERA A. (ed.) Fakulta stavební ČVUT v Praze a Česká vědeckotechnická vodohospodářská společnost, Praha, pp. 363 385 (in Czech). CHLEBEK A. & JAŘABÁČ M., 1988: Důsledky porostních obnov na odtok vody z beskydských experimentálních povodí [Consequences of the forest renewal on the runoff from the experimental catchments in the Beskydy Mts.]. Zprávy lesnického výzkumu, 4: 7 12 (in Czech). CHLEBEK A. & JAŘABÁČ M., 1994: 40 let trvání lesnicko-hydrologického výzkumu v Beskydech [40 years of forestry-hydrology research in the Beskydy Mts.]. Vodní hospodářství, 9: 21 24 (in Czech). ŠÍR M., TESAŘ M., LICHNER Ľ. & SYROVÁTKA O., 2003: Autoregulace hydrologického cyklu [Self-control of hydrological cycle]. In: Functions of energy and water balances in bioclimatological systems, ŠIŠKA B. et al. (eds) Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre, CDROM (in Czech). posl 88