Observatoř kritické zóny Lysina

Výzkumy ve Slavkovském lese v rámci evropského projektu SoilTrEC.

Tři povodí ležící na geochemicky kontrastních horninách Chráněné krajinné oblasti Slavkovského lesa v západních Čechách (Krám a kol. 2012) jsou zkoumána v rámci projektu SoilTrEC (Soil Transformations in European Catchments; Půdní změny v evropských povodích; Banwart a kol. 2012) financovaného Evropskou komisí v letech 2010-2014. Tato tři povodí tvoří českou observatoř kritické zóny (critical zone observatory, CZO). Kritická zóna je obecně definována jako oblast mezi korunami stromů a nezvětralou podložní horninou a její koncept vznikl na začátku 21. století v USA, kde americká grantová agentura National Science Foundation v současné době podporuje rozsáhlý výzkum v šesti CZO (Internet 2013). Tento koncept expandoval v posledních letech i do Evropy, kde byly vybrány čtyři klíčové CZO ležící ve Švýcarsku, Rakousku, Řecku a Česku (Banwart a kol. 2012). V létě 2010 tam byly provedeny odběry na stanovení vlastností půd (Rousseva a kol. 2010).

Měrný přeliv České geologické služby na žulovém povodí Lysina ve Slavkovském lese během povodně dne 2.6.2013. Průtok při odběru vzorku byl 112 l/s. Potok byl velmi kyselý (pH 4,0), koncentrace síranů byla 3 mg/l a organického uhlíku 32 mg/l. (Autor: Dr. Pavel Krám)

Měrný přeliv České geologické služby na hadcovém povodí Pluhův bor ve Slavkovském lese během povodně dne 2.6.2013. Průtok při odběru vzorku byl 72 l/s. Potok byl neutrální (pH 6,9), koncentrace síranů byla 5 mg/l a organického uhlíku 52 mg/l (Autor: Dr. Pavel Krám)

Měrný přeliv Povodí Ohře, s.p. na amfibolitovém povodí Na zeleném ve Slavkovském lese během povodně dne 2.6.2013. Průtok při odběru vzorku byl 153 l/s. Potok byl mírně kyselý (pH 6,2), koncentrace síranů byla 9 mg/l a organického uhlíku 15 mg/l.
Hnědá barva povrchových vod je způsobena vysokým obsahem organického uhlíku, který se do potoků dostává ze svrchních organických horizontů lesních půd během povodňových stavů. (Autor: Dr. Pavel Krám)

Všechna tři zkoumaná česká povodí Slavkovského lesa jsou zalesněná smrkem ztepilým (Picea abies) a jsou od sebe vzdálená jen 5-7 km, což zaručuje podobné klima a srovnatelnou atmosférickou depozici. Povodí Lysina (plocha 27 ha, hornina: žula, půda: podzol, mocnost: 120 cm, zásoba jemnozemě 700 kg m-2, převážně písčitá hlína) se vyznačuje extrémní kyselostí odtoku (Obr. 1, Tab. 1) a bazickou saturací půd pouhých 7%. Naopak povodí Pluhův bor (22 ha, hornina: hadec, půda: stagnozem, mocnost: 90 cm, zásoba jemnozemě 1100 kg m-2, převážně prachovitá hlína) má odtok mírně zásaditý a půdy se vyznačují mimořádně vysokou bazickou saturací (93%). Tyto dva extrémy doplňuje povodí Na zeleném (55 ha, hornina: amfibolit, půda: kambizem, mocnost: 100 cm, zásoba jemnozemě 700 kg m-2, převážně hlína) s téměř neutrálním odtokem a střední bazickou saturací (30%). Modelová simulace dokumentovala pokles bazické saturace půd na všech třech povodích, který byl způsoben zejména vyluhováním půd kyselou atmosférickou depozicí mezi lety 1960-1990 (Krám a kol. 2012).

Terestrický i akvatický ekosystém na žulovém povodí Lysina trpí extrémně nízkým pH půdních a povrchových vod (Tab. 1), toxicitou hliníku a berylia a vážným nedostatkem hořčíku (Tab. 2). Tyto jevy způsobila kyselá atmosférické depozice a vyčerpané živiny (zejména hořčík a vápník) v půdě vytvořené na mimořádně chudém a citlivém podloží vyznačujícím se pomalým chemickým zvětráváním. Naopak hadcové povodí Pluhův bor bylo okyseleno jen nepatrně, díky svému podloží vyznačující se velmi vysokým zvětráváním složek umožňujících neutralizaci kyselé atmosférické depozice, zejména hořčíku. Smrkový ekosystém na hadcovém podloží se ale musí vyrovnat s příliš vysokou koncentrací hořčíku a naopak s nedostatkem některých základních živin, jako draslíku a fosforu. Hadcové podloží naopak uvolňuje do vod velmi vysoké koncentrace těžkých kovů, zejména niklu a chromu. Úplně jiná situace byla ale zjištěna na amfibolitovém povodí Na zeleném, kde nebyly odhaleny žádné závažné problémy způsobené chemickým složením půdních a povrchových vod. Tyto výsledky ukazují na enormní vliv geologického podloží na lesní ekosystémy i v oblasti tvořené téměř jednolitými smrkovými monokulturami, které obecně ekosystém okyselují prostřednictvím jak opadu jehličí, tak i zvýšeným zachycováním kyselé atmosférické depozice.

Podle modelovacích scénářů budou povrchové toky malých povodí Slavkovského lesa ohroženy očekávanými zvýšenými teplotami ke konci tohoto století, což se zřejmě projeví vysycháním drobných toků a to zejména na přelomu léta a podzimu (Benčoková a kol. 2011) a velmi pravděpodobnými také zvýšenými výskyty lýkožrouta smrkového, které mohou ohrozit stávající lesní hospodářství zkoumané oblasti.

Citace:

Banwart S., Menon M., Bernasconi S., Bloem J., Blum W., de Souza D.M., Davidsdottir B., Duffy C., Lair G., Krám P., Lamačová A., Lundin L., Nikolaidis N., Novák M., Panagos P., Ragnarsdottir K.V., Reynolds B., Robinson D., Rousseva S., de Ruiter P., van Gaans P., Weng L., White T., Zhang B. 2012. Soil processes and functions across an International Network of Critical Zone Observatories: introduction to experimental methods and initial results. Comptes Rendus Geoscience 344: 758-772.

Benčoková A., Krám P., Hruška J. 2011. Future climate and flow patterns changes in Czech headwater catchments. Climate Research 49: 1-15.

Internet 2013. http://criticalzone.org/national/

Krám P., Hruška J., Shanley J. B. 2012. Streamwater chemistry in three contrasting monolithologic catchments. Applied Geochemistry 27: 1854-1863.

Rousseva S., Kercheva M., Blum W., Lair G., Shishkov T., Regelink I., van Gaans P., Ilieva R., Bloem J. 2010. Datasets on soil physical, geochemical and biological properties, characterizing the CZOs. Výzkumná zpráva D 1.1 projektu 244118 SoilTrEC, Evropská komise, Brusel, 1-79.

Obrázek 1. Týdenní hodnoty pH povrchových vod na Lysině a Pluhově boru a měsíční hodnoty na povodí Na Zeleném přibližně v době řešení projektu SoilTrEC (leden 2010- září 2013). Odlišná hydrochemická situace mezi těmito povodími je způsobena zejména různým stupněm chemického zvětrávání podloží na třech geochemicky kontrastních povodích v reakci na kyselou atmosférickou depozici. V rámci jednotlivých povodí ale všechny hodnoty s nejvyšším pH reprezentují období nízkého průtoku. Nejnižší hodnoty pH pak na jednotlivých povodích naopak reprezentují podmínky povodňových odtoků, kdy významná část odtékající vody z povodí proudí v kyseleném prostředí mělkých organických lesních půd.

Tabulka 1. Medián (tučný font), rozpětí vybraných koncentrací v povrchové vodě a množství současně odebíraných vzorků (v závorce) na třech zkoumaných povodích v období 2001 – 2013. ANC = kyselá neutralizační kapacita (Ca2+ + Mg2+ + Na+ + K+ - SO42- - NO3- - Cl-), DIN = rozpuštěný anorganický dusík (součet NO3-N a NH4-N), DON = rozpuštěný organický dusík

Tabulka 2. Medián (tučný font), rozpětí vybraných koncentrací v povrchové vodě a množství současně odebíraných vzorků (v závorce) na třech zkoumaných povodích v období 2001 – 2013. Ali = anorganický monomerický hliník (toxická frakce), Alo = organický monomerický hliník, Alp = koloidní hliník