Vliv uhlíku na ekologii rostlin a jejich růst

Toto téma bude naprosto zásadní pro pochopení toků oxidu uhličitého. Jeho množství budeme uvádět v gigatunách uhlíku (GtC, Gigatons of carbon) - jedna gigatuna se rovná jedné miliardě tun. 38 000 GtC je obsaženo ve vodách moří a oceánů. Pouze 1 000 GtC se nachází ve svrchních vrstvách moří a oceánů, které se účastní výměny s atmosférou. 2300 GtC se nachází v půdě a to jak v anorganické podobě, tak v organické podobě jako např. 800 GtC najdeme v atmosféře a to hlavně ve formě oxidu uhličitého. Drtivý podíl uhlíku v biosféře je uložen v rostlinách, obzvláště ve stromové vegetaci.

Koloběh uhlíku a jeho dynamika

Toky uhlíku mezi jednotlivými zásobníky se dají dělit podle různých hledisek, ale nám se bude hodit dělení na pomalé a rychlé toky. Vynecháme pomalé toky, které zahrnují horninové pochody - vznik vápence a procesy související s pohybem pevninských desek. Začněme tím, co se mění nejdynamičtěji, a to je atmosférický oxid uhličitý. Schopnost oceánů pohlcovat CO2 se stejně jako u každé kapaliny silně odvíjí od teploty. Čím vyšší teplota, tím méně je voda schopna rozpuštěný CO2 v sobě udržet. Jako přímý následek absorpce CO2 se mění chemické prostředí moří a oceánů. Na jedné straně máme dýchání rostlin a živočichů, které odebírá z atmosféry kyslík a dodává CO2, rozklad těl rostlin a zvířat bez přístupu kyslíku uvolňující metan. To jsou procesy emitující skleníkové plyny. Na druhé straně máme fotosyntézu rostlin, která odebírá CO2 z atmosféry a nahrazuje jej kyslíkem.

Vliv lidské činnosti

V historii člověk pro rozvoj své civilizace potřeboval více a více jídla a energie, které získával zemědělstvím a odlesňováním. Spalováním fosilních paliv a výrobou cementu člověk vzal uhlík, který by jinak zůstal uložený v zemi a ve formě CO2 jej vypustil do atmosféry. Dobrá zpráva je, že ne všechen CO2 v atmosféře zůstává. Zhruba 1/3 pohlcuje vegetace, 1/3 oceány a 1/3 v atmosféře zůstává.

Izotopy uhlíku a důkazy o původu CO2

Uhlík na Zemi se nachází ve třech formách: C-12, C-13, C-14. Uhlík má vždy 6 protonů a může mít v jádru k tomu 6, 7 nebo 8 neutronů. Číslo za písmenem C vždy značí součet protonů a neutronů v jádru uhlíku. Důležitý je pro nás izotop C-14. Uhlík C-14 je radioaktivní, má poločas rozpadu zhruba 5 700 let, tzn. že za tuto dobu se jej polovina rozpadne na jiný prvek. Vidíme, že jeho poměrné množství vůči zbývajícím izotopům klesá. Nyní se zamysleme nad tím, jaké uhlíkové zásobníky v sobě mají uhlík tak chudý na izotop C-14. Tato skutečnost jako původce nárůstu CO2 v atmosféře vylučuje zásobníky jako vegetaci, moře a půdu, protože v nich dochází k pravidelné výměně uhlíku s atmosférou a uhlík C-14 v nich najdeme. Naopak nás utvrzuje v tom, že tento nárůst musel být způsobem přesunem uhlíku z velice starých zdrojů (např. fosilní paliva).

Koncentrace oxidu uhličitého a kyslíku v atmosféře

Na tomto grafu od vidíme průběhy koncentrací oxidu uhličitého a kyslíku v atmosféře v posledních desítkách let. To, že koncentrace oxidu uhličitého rostou nás již nepřekvapí. Na modré křivce však vidíme pokles koncentrací kyslíku o cca 120 ppm za 30 let. Odpověď zní, že byl spotřebován při spalování fosilních paliv. To víme nejen kvůli znalosti, že ke spalování je nutný kyslík, ale také kvůli izotopovému složení vzniklého CO2. Spalování fosilních paliv tedy jako jediný uhlíkový zásobník odpovídá oběma podmínkám - izotopové složení uhlíku a schopnost odebírat kyslík z atmosféry. Sopky sice vypouštějí CO2, nejsou však schopny snižovat množství kyslíku v atmosféře. Navíc sopky v současnosti emitují mezi 130-380 milionů tun CO2 ročně oproti více než 36 miliardám tun CO2 vypuštěných lidskou civilizací, tedy méně než 1 %.

Čtěte také: Ekosystémy ČR a uhlíková stopa

Význam lesů pro poutání uhlíku

V odborné literatuře lze zaznamenat rostoucí počet studií publikovaných v nejrenomovanějších časopisech (jako Nature či Science), které dokládají nezastupitelný význam ochrany lesů pro poutání uhlíku. Necelá polovina sušiny nadzemní biomasy stromů je tvořena uhlíkem, a tak většina těchto výzkumů opírá své výsledky o výpočty objemu nadzemní biomasy a jejích změn v čase. Lesy mírného pásma a starší porosty byly přitom donedávna pokládány za málo efektivní v poutání uhlíku. Každý les může vytvořit určité maximální množství nadzemní biomasy, v níž je poutaný uhlík z atmosférického CO2. Po dosažení největšího objemu biomasy je další poutání uhlíku v nadzemní biomase vyváženo uvolňováním uhlíku při jejím rozkladu.

Růstový potenciál a klimatické změny

Ukazuje se, že růstový potenciál (schopnost lesa vytvořit maximální biomasu) není v čase neměnný, ale že se v posledních desetiletích v lesích mírného pásma zvětšuje. Znamená to, že i lesy, které již vytvořily maximum biomasy odpovídající jejich stanovištním podmínkám, získaly potenciál k vytváření další biomasy, který naplňují. Zvýšení tohoto potenciálu může souviset se samotnou klimatickou změnou (prodloužení vegetačního období), ale i atmosférickou depozicí sloučenin dusíku i samotnou vyšší koncentrací CO2 v atmosféře. V důsledku toho nadzemní biomasa narůstá i v nejstarších lesních porostech, které se v Evropě dochovaly. Dočasnost poutání uhlíku v nadzemní biomase dřeva lze nahlédnout z jiné perspektivy, uvědomíme-li si, že zhruba polovina uhlíku vázaného v současné nadzemní biomase lesa byla v této studii z ovzduší do biomasy akumulována před více než 100 lety, více než pětina pak před více než 300 lety.

Výsledky měření v lesních porostech

Pro posouzení efektivity lesů poslouží opět nejlépe výsledky měření změn nadzemní biomasy v konkrétních lesních porostech v Dolním Sasku, které byly před 30 až 50 lety vyhlášené za přírodní rezervace. Jedná se o čisté bukové porosty, jejichž věk se v době úvodního měření nadzemní biomasy pohyboval mezi 81 a 115 roky, smíšené dubobukové porosty (71 až 124 let staré) a doubravy (78 až 212 let staré). Výsledky ukázaly relativně malý, ovšem vcelku stabilní roční přírůst nadzemní biomasy lesa (3 - 5 t C.ha-1.rok-1) projevující se poměrně velkou pozitivní změnou zásoby uhlíku za 50 let. Nejvyšší akumulace uhlíku dosáhly čisté bučiny, jejichž nadzemní biomasa vzrostla po padesáti letech od prvního měření o celých 60 % (z 287 na 478 t C.ha-1). Zbývá doplnit, že ve všech typech porostů v popisovaném výzkumu podíl mrtvé nadzemní biomasy, jejímž rozkladem se uhlík rychleji uvolňuje zpět do atmosféry, za dané období vzrostl jen velmi mírně (v čistých bučinách z 2 % při prvním měření na necelá 4 % po padesáti letech).

Půdní organická hmota a ukládání uhlíku

Část uhlíku, který je akumulován v nadzemní a podzemní biomase stromů není po jejich odumření a rozkladu uvolněna zpět do atmosféry, ale zůstává po (ne)určitou dlouhou dobu součástí půdní organické hmoty. Množství uhlíku v půdní organické hmotě je přitom zpravidla (mnohem) vyšší ve srovnání s nadzemní biomasou dřevin. Zásoba organické hmoty se dále zvyšuje s kontinuitou samovolného vývoje lesa, ačkoli zatím nemáme dostatečně robustní výsledky, které by přesvědčivě dokumentovaly velikost této změny v čase i ve vztahu k lesnickému hospodaření a přírodním disturbancím.

Biodiverzita v lesních porostech

Vyšší kvalitu nejstarších lesních stanovišť pro lesní biodiverzitu lze na základě současných znalostí očekávat. Podložené je i vysvětlení pozitivního vlivu pralesní kontinuity na přítomnost vzácných druhů, které se v mladších porostech nevyskytovaly. Pokud je pro další přežití těchto druhů nezbytnou podmínkou zachování pralesní kontinuity, pak jsme šanci na jejich zachování (v daném případě na Šumavě) promarnili již v minulosti. Pokud je však alespoň část těchto druhů schopná alespoň po přechodnou dobu kolonizovat i lesní prostředí s přerušenou pralesní kontinuitou, které se svými stanovištními podmínkami jinak pralesním porostům blíží, pak mohou tuto podpůrnou roli v blízké budoucnosti plnit i v současné době nevyhovující mladší porosty.

Čtěte také: Formy výskytu uhlíku

Tabulka: Porovnání akumulace uhlíku v různých typech lesních porostů v Dolním Sasku

Vzájemné interakce rostlin a půdních organismů

Rostliny jsou nenahraditelným zdrojem živin a energie pro půdní organismy, které by v půdě bez rostlin nemohly dlouhodobě existovat. A naopak, půda bez myriád půdních mikroorganismů a živočichů by nemohla poskytovat vhodné podmínky pro růst plodin. Rostliny jsou nejvýznamnější primární producenti na Zemi. Mají totiž unikátní schopnost vytvářet v procesu fotosyntézy z jednoduchých anorganických sloučenin organické látky, v jejichž molekulách je původní energie ze světelného záření uložena v energeticky bohatých vazbách. Během svého života totiž rostliny do půdy uvolňují obrovské množství organických látek. Tyto látky zahrnují hlavně nejrůznější organické sloučeniny ve formě kořenových exsudátů a také biomasu odumřelých buněk kořenů a jiných podzemních orgánů, které zůstávají v půdě, kde se postupně rozkládají.

Představu o osudu uhlíku fixovaného rostlinou ve fotosyntéze nám dá jednoduchý příklad, např. pšenice: uvažujme hektarový výnos 6,0 t zrna a 3,5 t slámy, další cca 1,5 t biomasy připadá na kořeny. Rostliny potřebují ke svému růstu a vývoji prostor - plochu, na níž se mohou rozvíjet a půdu, do níž mohou růst svými kořeny, dále potřebují světlo a teplo (sluneční záření), oxid uhličitý, vodu a minerální živiny. Rostliny tedy ještě za svého života investují až polovinu vytvořených organických látek na podporu organismů a biologických procesů v půdě. Stálý přísun energie, uhlíku a živin je nutný pro udržení a rozvoj života v půdě.

Kořenový systém a půdní struktura

Kořeny rostlin pronikají v dostatečně hlubokých půdách do značné hloubky desítek metrů. Svým růstem vytlačují půdní částice a po odumření kořenů a rozkladu mrtvé biomasy zůstávají v půdě jimi vytvořené kanálky. Jednotlivé druhy rostlin se od sebe značně liší ve schopnosti pronikat do hlubších vrstev půdy i v tlaku, který vyvíjejí na okolní půdu. Rostliny také vytvářejí agregáty slepováním půdních částic pomocí kořenových exsudátů, které dále stabilizují mechanicky růstem kořenů.

Rhizosféra a mykorhizosféra

Rhizosféra je část půdy v těsné blízkosti kořenů, která je pod přímým (chemickým) vlivem rostlin; tloušťka rhizosféry je nejčastěji několik milimetrů až 1 - 3 cm. Kořeny rostlin uvolňují do rhizosféry aktivně i pasivně velké množství organických látek a občas i ionty, např. fosforečné. Mikroorganismy za pomoci extracelulárních enzymů (a živočichů) rozkládají organické látky a mineralizují je na nejjednodušší sloučeniny včetně dusíkatých, fosforečných, sirných aj. minerálních látek a iontů, které pak slouží jako minerální živiny samotných mikroorganismů a rostlin pro produkci nové biomasy. Rhizosféra kořenů a hyfosféra hub vytvářejí společně mykorhizosféru.

Čtěte také: Přírodní izotopy uhlíku

Oxid uhličitý a fotosyntéza

Pro existenci života na Zemi je výskyt oxidu uhličitého (CO2) v ovzduší naprosto nezbytný. Tento plyn se totiž významně podílí na přirozeném skleníkovém efektu atmosféry, jenž na zemském povrchu vytváří vhodné teplotní podmínky pro život. Oxid uhličitý obsažený v ovzduší je nepostradatelná látka pro fotosyntézu rostlin a zdroj uhlíku pro vytvářenou biomasu. V procesu fotosyntézy je CO2 rozkládán na uhlík a kyslík pomocí energie slunečního záření dopadajícího na danou rostlinu. Uhlík tvoří základní kostru organických látek (biomasy) a kyslík je uvolňován zpět do atmosféry.

Vliv zvýšené koncentrace CO2

Člověk v současné době zvyšuje obsah CO2 v ovzduší, mění tak dosavadní rovnovážný stav a opět urychluje fotosyntézu. To se projevuje ve zvýšené tvorbě asimilátů, zvýšené rychlosti růstu rostlin a produkci jejich biomasy. Ve zvýšené koncentraci CO2 je jeho vstup do rostliny mnohem snazší. Reálně to znamená, že rostlina méně otevírá své průduchy v listech a při dlouhodobém působení listy vyrůstají s menším počtem průduchů. A protože průduchy regulují i hospodaření rostliny s vodou, přivíráním průduchů se omezuje výpar vody (rostlina méně transpiruje), lze říci, že pro svůj růst spotřebovává méně vody. A současně s tím, že vytváří mohutnější kořenový systém, je důsledkem zvýšené koncentrace CO2 i vyšší odolnost rostliny vůči suchu.

Negativní dopady změny klimatu

Zdálo by se tedy, že zvyšující se koncentrace CO2 v ovzduší bude mít na rostliny vesměs pozitivní účinky. Bylo by tomu tak, kdyby CO2 nezesiloval skleníkový efekt atmosféry a nezpůsoboval změnu klimatu. Probíhající změna klimatu však znamená, že stanovištní podmínky rostlin se rychle mění. Dalším významným negativním důsledkem je vylepšení podmínek pro některé invazivní druhy rostlin, které snáze zamořují naši krajinu. Obrovským nebezpečím je rychlost migrace škůdců a nemocí rostlin, pro které se vytvářejí vhodné podmínky, ale rostliny nejsou schopny stejně rychle získávat proti nim odolnost.

Podzimní listí a jeho význam

Podzimní listí, které padá ze stromů, hraje klíčovou roli v ekosystémech. Spadané listí tvoří první vrstvu, která se postupně rozkládá a stává se organickou hmotou bohatou na živiny. Tento proces uvolňuje důležité minerály a živiny, jako je dusík, fosfor a draslík, které jsou nezbytné pro růst rostlin. Vrstva spadaného listí poskytuje úkryt a ochranu mnoha drobným živočichům, jako jsou hmyz, plži, žížaly a pavouci. Spadané listí tvoří na podzim přirozenou izolační vrstvu, která pomáhá regulovat teplotu půdy. Rozkládající se listí hraje roli v koloběhu uhlíku, protože rozklad organické hmoty uvolňuje oxid uhličitý (CO₂) zpět do atmosféry.

Podzemní biomasa rostlin

S klimatickými změnami dochází k časovým posunům ve vývojových fázích rostlinných druhů, a tím i celých společenstev. Přitom se přehlíží zásadní fakt, že rostlinu netvoří jen to, co vidíme nad zemí, ale často i velké množství živé podzemní hmoty, která nejenže zůstává naším zrakům ukrytá, ale často žije i svým svébytným životem. Opomíjení podzemních procesů je poměrně překvapující, protože právě podzemní rostlinná biomasa je klíčovým elementem fungování celého ekosystému. Hlubší vhled do časového průběhu růstu kořenů během vegetační sezony naznačuje některá překvapivá zjištění. Především kořeny nerostou synchronně s nadzemní částí rostlin. Období růstu pod povrchem země tak může být až o 50 % delší než jeho délka pozorovaná nad zemí. Pro aktivitu kořenů zakrslých rostlin adaptovaných na drsnější podmínky vyšších zeměpisných šířek a nadmořských výšek je překvapivě důležitější roční období než teplota.

tags: #uhlík #ekologie #rostlin #vliv #na #růst

Oblíbené příspěvky:

• Parky v Polsku a ochrana přírody
• Složení ekologických čisticích prostředků
• Likvidace odpadu v Kolíně
• Výchova v přírodě v praxi
• Průvodce instalací sifonu u umyvadla