^
acta
facultatis
forestalis
zvolen
51 3 2009
špeciálne číslo projektu
centra excelentnosti
adaptívne lesné ekosystémy
special issue of the project of the centre of excellence
adaptive forest ecosystems
technická univerzita vo zvolene
predseda redakčnej rady editor in chief
prof ing rudolf kropil csc vedecký redaktor managing editor
doc ing dušan gömöry csc redakčná rada editorial board
prof ing peter garaj csc doc ing juraj gregor csc prof ing iveta hajdúchová phd prof ing valéria messingerová csc prof ing ladislav paule phd prof ing milan saniga drsc doc dr ing jaroslav šálka
prof ing anton žíhlavník csc prof ing štefan žíhlavník csc technická univerzita vo zvolene issn 0231-5785
obsah contents inhalt
kropil r pichler v šálka j saniga m centrum excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy metodické aspekty 9 centre of excellence adaptive forest ecosystems methodical aspects 9
škvarenina j vida t metodologické aspekty hodnotenie sucha a rizika lesných požiarov v meniacich sa podmienkach klímy na slovensku 17 methodology aspects of drought and forest ﬁre danger assessment in changing
conditions of climate in the slovak republic 17 gömöryová e pichler v cyklus vody uhlíka a živín metodologické aspekty štúdia dynamiky a priestorovej variability vybraných komponentov cyklu uhlíka v lesných pôdach 35 water carbon and nutriet cycles 0 methodological aspects of the study of temporal and spatial variability of the selected carbon cycle components in forest soils 35 homolák m pichler v gregor j cyklus vody uhlíka a živín kvantitatívne indikátorové experimenty v lesných pôdach 45 water carbon and nutrients cycles-quantitative clye tracer experiments in forest soil 45 jakubis m jakubisová m zmeny odtoku v malých povodiach vysokých tatier po disturbancii lesných ekosystémov vetrovou kalamitou 55 the changes of runoff small watersheds of high tatras after disturbance of forest ecosystems by wind calamity 55 kmeť j ditmarová ľ kurjak d fyziologicko-biochemické parametre ako možné bioindikátory stresu zo sucha 67 physiological and biochemical parameters as potential drought stress indicators 67 saniga m balanda m jaloviar p výskum štruktúry produkcie nekromasy rizológie a regeneračných procesov prírodných lesov slovenska 77 the research of structure necromass rhizology and regeneration processes of natural in slovakia 77
gömöry d paule l ďurkovič j kučerová v hodnotenie genetickej variability endemických druhov rodu sorbus 89 assessment of the genetic variation of endemic sorbus taxa 89
fabrika m střelcová k magová d empirický model transpirácie buka v rastovom simulátore sibyla 99 empirical model for transpiration of european beech in tree gorwth simulator 99
merganič j fabrika m tvorba klimaticko-stanovištných strát na báze korigovaných klimatických rastrov pre účely modelu hustoty prirodzeného zmladenia 113 determination of climatic-site strata based on rectiﬁed climatic rasters for the
purposes of natural regeneration density model 113 fabrika m merganič j merganičová k model hustoty prirodzeného zmladenia pre účely stromového rastového simulátora 125 natural regeneration density model developed for the purposes of the individual-tree growth simulator 125 žíhlavník a možnosti regulácie ťažieb metódou matematických modelov v lesných užívateľských celkoch s nepravidelnými vekovými štruktúrami 139 the possibilites of cutting control by the method of mathematical models in forest user units with irregulator age structures 139 laurová m kačík f vznik sacharidov a prchavých látok pri predhydrolýze topoľového dreva 153 arising of saccharides and volatile compounds at poplar wood populus tremula l prehydrolysis 153 messingerová v stanovský m ferenčík m slugeň j kováčik p kindernay d metodika merania vybraných ergonomických charakteristík ťažbovo-dopravných technológií 163 design of the methodology for measurement of selected ergonomic characteristics in wood harvesting proces 163
slugeň j ferenčík m messingerová v stanovský m kindernay d kováčik p metodika stanovenia poškodzovania porastovej pôdy harvesterovými technológiami 175 methods of evaluating forest soil damage by cut-to-length technologies 175 šálka j fodrek l dobšinská z stratégia transformácie verejnoprospešných funkcií lesa na trhové statky 191 transformation strategy of forest recreational and environmental functions into market goods 191
8
9acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
centrum excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy metodické aspekty
rudolf k r o p i l viliam p i c h l e r jaroslav š á l k a milan s a n i g a
kropil r pichler v šálka j saniga m centre of excellence adaptive forest ecosys-
tems methodical aspects acta facultatis forestalis zvolen 51 3 9 16 2009 project centre of excellence adaptive forest ecosystems was approved in operational program research and development in priority line 2 support of research and development and action 2 1 support of networks of excellent workplaces of research and development as pil-
lar of regional development and support of supraregional cooperation the project objective is to interconnect cooperation among leading forestry oriented organization faculty of forestry of technical university faculty of wood sciences and technology forest research institute nfc and institute of forest ecology sas support undergoing and future research of conditions and methods of forestry and long time enlargement of area of adaptive forest ecosystems in the territory of slovakia the project solves the activities in the frame of individual speciﬁc objectives as fol-
lows 1 establishment of adaptive stand structures and increase of stability of forest ecosystems activity 1 1 dynamics of primeval and natural forest ecosystems activity 1 2 stability and conser-
vation of forest stands activity 1 3 modelling growth processes of forest ecosystems activity 1 4 ecologically suitable utilisation of forest ecosystems activity 1 5 target wood quality 2 slowing matter-energetic ﬂow through forest ecosystems activity 2 1 global and regional changes activity
2 2 water carbon and nutrition cycles activity 2 3 disturbance and meliorations of forest ecosys-
tems activity 2 4 biomass and chemical composition of wood 3 conservation of biodiversity and rational utilisation of forest ecosystems activity 3 1 diversity of wooden plants and herb layer assemblage activity 3 2 diversity of invertebrates activity 3 3 diversity of vertebrates activity 3 4 game management 4 provisioning of forest ecosystem function for increasing life quality activity 4 1 market with forestry services activity 4 2 evaluation of community functions of fo-
rest ecosystem and divisions activity 4 3 integration of community function of forests to market mechanisms activity 4 4 optimalization of intersector relations of forestry innovation of forestry politics activity 4 5 building and modernisation of information and communication technologies in the paper we characterize basic speciﬁc objectives individual activities and introduce their
methodical aspects this paper is the introductory contribution to two issues of the journal acta facultatis forestalis key words centre of excellence forestry research forest environment biodiversity forest eco- systems technologies forest policy
projekt centrum excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy bol schválený v operačnom programe výskum a vývoj v prioritnej osi 2 podpora výskumu a vývoja a opatrení 2 1 podpora sietí excelentných pracovísk výskumu a vývoja ako pilierov 10
rozvoja regiónu a podpora nadregionálnej spolupráce jeho úlohou je prepojenie spolupráce popredných lesnícky orientovaných pracovísk ktoré dlhodobo dosahujú medzinárodne uznávané výsledky podporiť prebiehajúci a budúci výskum podmienok a metód pestovania a dlhodobého zväčšovanie rozlohy adaptívnych lesných ekosystémov na území slovenska ide o pracoviská lesnícka fakulta tu drevárska fakulta tu lesnícky výskumný ústav nlc a ústav ekológie lesa sav ktoré sú nositeľmi navrhovaných aktivít tohto projektu ako aj predstaviteľov významných národných a európskych výskumných aktivít jedná sa njmä o projekty 6 rámcového programu eforwood tools for sustainability impact assesment of forestry-wood chain integrovaný projekt ktorého cieľom je integrácia nástrojov pre odhad vplyvu trvalej udržateľnosti v lesnícko-drevárskom reťazci evoltree evolution of trees as drivers of terrestrial biodiversity sieť excelencie ktorá je za-
meraná na identiﬁkáciu génov s adaptívnym významom a identiﬁkáciu evolučných pro-
cesov v rámci populácií a spoločenstiev lesných drevín ďalej spojené národné centrum výskumu pralesov temperátnej zóny pri lf tu vo zvolene a spoločné laboratórium lf tu vo zvolene a lvú pre analýzy dna ako unikátne pracoviská schválený projekt centra excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy v operačnom programe výskum a vývoj s rozpočtom takmer 1 3 mil € má týmto spôsobom vytvoriť kritickú kapacitu na kreovanie zodpovedajúceho poznatkového rámca v tomto čísle časopisu lesníckej fa-
kulty technickej univerzity vo zvolene acta facultatis forestalis je predložená prvá časť vedeckých príspevkov zameraných na metodologické aspekty parametre a modely procesov a technológii prebiehajúcich a aplikovaných v lesných ekosystémoch druhá časť bude publikovaná v prvom čísle aff v roku 2010 výskum adaptívnych lesných ekosystémov má domácu a európsku dimenziu pretože lesné ekosystémy boli dlhodobo pestované a obhospodarované spôsobom odrážajúcim relatívnu stálosť podmienok prostredia v celej temperátnej zóne európy ich transformácia na adaptívne lesné ekosystémy sa bude logicky primárne opierať o postupy a nástroje vedného odboru pestovanie lesa založené na zvýšených podieloch komponentov dynamiky prí-
rodných lesov realizácia projektu poskytne nadväzujúce impulzy pre komplexný rozvoj vidieckej krajiny a zvýšenie zamestnanosti v sociálne najcitlivejších regiónoch predovšetkým integráciou verejnoprospešných funkcií lesov do trhového mechanizmu takto deﬁnované hlavné zameranie projektu je priamou odozvou na potrebu podpory excelentného výskumu v oblasti starostlivosti o lesné ekosystémy ktoré má strategický význam pre ďalší rozvoj hospodárstva a spoločnosti nakoľko lesy pokrývajú viac ako 40 územia sr okrem toho odráža záujem väčšiny európskych krajín v oblasti lesníctva európskej technologickej platformy sektora založeného na lesoch a jej strategickej vý-skumnej agendy a má tak preukázateľný potenciál stimulovať záujem zahraničných výskumných inštitúcií o spoluprácu s riešiteľskými organizáciami navrhovaného projektu doma je to preto že globálne a regionálne zmeny vyvolávajú nerovnováhu medzi súčas-
ným stavom lesných ekosystémov podmienkami prostredia a očakávaniami spoločnosti v dôsledku toho sa zvyšuje fragmentácia lesných ekosystémov dochádza k redukcii bio-
diverzity ale predovšetkým sa v období niekoľkých posledných desiatok rokov zvyšuje frekvencia extrémnych poveternostných situácií v nadväznosti na tieto procesy dochádza 11
k ekosystémovým disturbanciám veľkého rozsahu zrýchľovaniu látkovo-energetických cyklov strate biodiverzity zhoršovaniu kvality života k limitovanej dostupnosti prí-
rodných zdrojov a celých území napr v dôsledku polomov a požiarov a tým aj k váž-
nemu obmedzovaniu možnosti uspokojovania spoločenských potrieb tento vývoj sa cestou spätnej väzby ešte znásobuje čím sa zreteľne odlišuje od prirodzenej dynamiky ekosystémov ktorá zákonite zahŕňa narušenia a obnovu rovnováhy huston 1979 nagel diaci 2006 infraštruktúra dobudovaná v priebehu navrhovaného projektu prepojenie naj-
významnejších pracovísk a ich spoločná účasť na medzinárodné kooperáciách najmä for-
mou participácie na európskych projektoch posilnia kapacity vedného odboru pestovanie lesa a ďalších príbuzných odborov lesníckych vied výsledkom toho bude generovanie poznatkovej bázy nevyhnutnej pre výchovu porastov schopných prispôsobiť sa rýchlo sa meniacim podmienkam vďaka prirodzenej ekologickej plasticite druhov ﬂexibilnému druhovému zloženiu a porastovým štruktúram s vysokým potenciálom disipovať kon-
centrované toky látok a energie zároveň však budú poznatkovo riešené aj otázky tech-
nických technologických a socio-ekonomických rámcov ktoré takéto zameranie pesto-
vania lesa ako praxe lesného hospodárstva podmieňujú pretože predchádzajúce pokusy o takýto krok priniesli iba čiastkové výsledky príčinou toho bolo že lesné hospodárstvo sa pokúšalo všetky požiadavky kladené spoločnosťou na lesné ekosystémy riešiť vlastnými silami bez analýzy dopadov a dostatočného premietnutia potrieb trvalej udržateľnosti pro-
stredníctvom medzisektorových vzťahov komplexnosti uvedeného cieľového stavu zodpovedá voľba aktivít zameraných na jeho dosiahnutie tieto sa budú prekrývať so 6-timi z 12-tich priorít dlhodobého zámeru štátnej vednej a technickej politiky do roku 2015 menovite 1 zdravie kvalita života pôjde o výskum zamedzenia kontaminácie potravných reťazcov v lesných ekosystémoch ktorých súčasťou je človek t j najmä zabránením kontaminácie lesných plodov a diviny redukciou využívania insekticídov v rámci ekologizácie produkcie potravín a požívatín prostredníctvom prírode blízkych sta-
bilných a adaptívnych porastových a ekosystémových štruktúr 3 biotechnológie výskum bude zameraný na procesy za účasti mikroorganizmov a ich enzýmov najmä prostredníctvom fermentácie a katalýzy a ich využitie na dosiahnutie požadovaných vlastností dreva z menej hodnotnej drevnej suroviny pochádzajúcej z porastov na chudobnejších stanovištiach resp zo stromov v nevýhodnom sociálnom postavení z hľadiska porastových štruktúr pre chemický a celulózo-papierenský priemysel 6 energia a energetika výskum sa bude dotýkať zvýšenia energetickej využiteľnosti bio-
masy ako obnoviteľného zdroja energie prostredníctvom štúdia procesov hydrolýzneho a pyrolýzneho spracovania zdrojov biomasy a optimalizácie týchto procesov 10 využívanie ochrana a reprodukcia biologických zdrojov z hľadiska projektu ide o kľúčovú prioritu výskum bude zameraný na podmienky a cesty kreovania a roz-
širovania rozlohy adaptívnych lesných ekosystémov vyznačujúcich sa vysokou eko-
logickou stabilitou biodiverzitou a schopnosťou adaptácie na globálne zmeny na úrovni druhov a štruktúr ktoré budú umožňovať racionálne využívanie prírodných zdrojov a funkčného potenciálu krajiny výskum sa bude dotýkať aj spôsobu využitia 12
verejnoprospešných funkcií lesov prostredníctvom ich integrácie do trhového me-
chanizmu čím sa docieli zvýšenie podielu miestneho obyvateľstva na príjmoch z využívania zdrojov pochádzajúcich z lesného prostredia a v ňom sa obnovujúcich 11 ochrana životného prostredia výskum sa zameria na vytváranie kvalitného životného prostredia pre obyvateľstvo prostredníctvom spomaľovania látkových a ener-
getických tokov prechádzajúcich cez lesné ekosystémy na zvyšovanie ich retenčnej a transformačnej kapacity ako aj na tlmenie frekvencie a rozsahu extrémnych uda-
lostí ako sú povodne alebo požiare 12 využitie domácich surovinových zdrojov výskum kvality dreva ako jedného z produktov prírodných a zmenených lesných ekosystémov bude zameraný na komparáciu týchto ekosystémov z pohľadu vlastností produkovanej drevnej suroviny a odporúčaného následného využitia pre využitie v ďalších sektoroch národného hospodárstva s vyššou úrovňou ﬁnalizácie koordináciu riešenia navrhovaného projektu vo väzbe na ciele výzvy vybrané priority dlhodobého zámeru štátnej vednej a technickej politiky do roku 2015 strategický cieľ projektu a zameranie zabezpečuje hlavný riešiteľ projektu v spolupráci s koordinátormi špeciﬁckých cieľov a aktivít na úrovni riadenia projektu je riadenie zabezpečené pro-
stredníctvom projektového manažéra prvou oblasťou je riadenie odborných aktivít spolu s asistentom projektového manažéra a koordinátormi jednotlivých špeciﬁckých cieľov žiadateľa a partnerov druhá oblasť spočíva v riadení administratívno-ﬁnančného charakteru v spolupráci s manažérmi verejného obstarávania a ﬁnančnými manažérmi žiadateľa a partnerov treťou oblasťou riadenia bude riadenie publicity a informovanosti v spolupráci s manažérom publicity štvrtá oblasť riadenia pozostáva s riadenia monitoringu projektu v spolupráci s manažérom monitoringu projektu riešenie navrhovaného projektu predpokladá dosiahnutie štyroch špeciﬁckých cieľov 1 adaptívne štruktúry a stabilita lesných ekosystémov 2 spomalenie látkovo-ener-
getických cyklov 3 ochrana biodiverzity a racionálne využívanie lesných ekosystémov 4 zvyšovanie kvality života zabezpečovaním funkcií lesných ekosystémov pre splnenie uvedených špeciﬁckých cieľov boli vybrané a zoradené príslušné aktivity ktoré vzájomne nadväzujú podľa tematickej a časovej osi obsahové zameranie a spojenie odborných a infraštrukturálnych kapacít niekoľkých pracovísk v rámci špeciﬁckého cieľa č 1 svojím uceleným riešením zásadným spôsobom novelizuje množstvo a kvalitu informácií s ktorými sa bude narábať v rámci návrhov a po-
stupov starostlivosti o lesné ekosystémy a zároveň zásadným spôsobom rozširuje spektrum dostupných nástrojov využiteľných za týmto účelom koordinátor špeciﬁckého cieľa v spolupráci s koordinátormi aktivít zabezpečí aby počas riešenia došlo k zosieťovaniu zainteresovaných pracovísk a periodicky sa uskutočňovali výmeny získaných poznatkov medzi jednotlivými aktivitami technické aspekty tejto výmeny a integrácie aktivít na báze ikt budú pravidelne riešené prostredníctvom aktivity 4 5 špeciﬁckého cieľa č 4 v rámci aktivít 1 2 stabilita a ochrana porastov a 1 5 cieľová štruktúra dreva budú deﬁnované zásadné príčiny a mechanizmy oslabovania stability lesných porastov a možnosti a spôsoby ich ochrany ako aj očakávané požiadavky drevárskeho priemyslu na vlastnosti dreva a štruktúru sortimentov koncentrácia a syntéza kvantitatívnych poznatkov 13
a parametrizovaných modelov z viacerých oblastí reprezentovaných aktivitami 2 2 3 1 3 2 a 3 3 vytvorí unikátny poznatkový rámec z hľadiska platformy pestovania lesa úzko previazaný s riešenou problematikou vstupy týchto aktivít reprezentujúcich všetky špeciﬁcké ciele budú zohľadnené ako nutné podmienky riešenia aktivity č 1 1 adaptívne štruktúry a stabilita lesných ekosystémov v jej rámci budú nadobudnuté významné poznatky o závažných znakoch štruktúry a textúry vybraných pralesov slovenska získané prostredníctvom nových metodologických prístupov ktoré budú použité pri precizovaní princípov a postulátov pestovných koncepcií založených na zásadach prírode blízkeho pestovania lesa pre lesy rôzneho zamerania pri rešpektovaní princípu nadradenosti verejnoprospešných funkcií tieto poznatky budú jedným zo vstupov pre aktivitu č 1 3 aktivita č 1 3 modelovanie rastových procesov lesných ekosystémov dodá nové výsledky modelovania za pomoci rastového simulátora sibyla ktorý bude doplnený o model prirodzeného zmladenia ako základu striedania generácií lesa to umožní prognózovať rast lesných ekosystémov aj na obdobie dlhšie ako jeden produkčný cyklus lesa kreovanie prirodzených lesných ekosystémov spojené s použitím poznatkov o chovaní sa abiotických a biotických činiteľov umožní zlepšenie ich ekologickej stability kvalitatívne nové informácie umožnia navrhovanie a overovanie nových ekologicky vhodných ťažbovo-dopravných technológií v rámci aktivity 1 4 ekologicky vhodné využívanie lesných ekosystémov v rámci aktivity 1 5 budú nakoniec vytvorené predpoklady pre ekonomicky lepšie zhodnotenie dreva z adaptívnych lesných ekosystémov náplň a riešenie špeciﬁckého cieľa č 2 vo väzbe na špeciﬁcký cieľ č 1 podstatne prispeje k želateľnému spomaleniu látkovo-energetických tokov cez lesné ekosystémy prostredníctvom zlepšeného využitia kapacity zásobníkov biogeochemických cyklov prostredníctvom lesopestovných melioračných a biotechnologických nástrojov jeho výstupom bude portfólio postupov a nástrojov na kvantiﬁkáciu a zväčšenie retenčnej akumulačnej a transformačnej kapacity abiotických substrátov v lesných ekosystémoch ich efektívne využívanie a reguláciu adaptívnymi porastovými štruktúrami pre ne bude väzbe na špeciﬁcký cieľ 1 navrhnutý variabilný pomer komponentov pestovne a prírodne podmienej dynamiky ktorej potenciál vzrastá brang 2005 v špeciﬁckom cieli č 2 spo-
malenie látkovo-energetických cyklov bude aktivita 2 1 globálne a regionálne zmeny generovať poznatky o závislosti transpiračného prúdu od vlastností lesných porastov a podmienok prostredia v podmienkach globálnych zmien na základe nepretržitého zberu údajov o vlastnostiach atmosféry dostupnosti pôdnej vody a transpirácie v rôznych typoch lesných porastov a porastových štruktúr a ich prenosu do internetovej siete aktivita poskytne tiež scenáre budúceho vývoja klímy na obdobie životného cyklu lesných eko-
systémov vzhľadom na tieto scenáre a vlastnosti adaptívnych lesných ekosystémov sa v aktivite 2 2 cyklus vody uhlíka a živín využijú poznatky o priestorovej variabilite a distribúcií vlastností a transportných procesov v pórovitom prostredí systému pôda rastlina-atmosféra na predikciu a racionálne využitie retenšnejm retardačnej akumulačnej a transformačnej funkcie substrátov svahovín pôdy pokrývkového humusu a stromovej nekromasy v prípadoch keď bude funkčný potenciál a možnosti jeho zvýšenia pestovaním adaptívnych lesných ekosystémov zhodnotené ako nedostatočné budú navrhované riešenia 14
v rámcoch lesníckych meliorácií ktoré sú náplňou aktivity 2 3 disturbancie a meliorácie lesných ekosystémov resp bude na spomaľovanie látkových tokov utilizovaný aj po-
tenciál doposiaľ málo využiteľných zložiek stromovej biomasy rýchlorastúcich drevín a drevín rastúcich na chudobnejších stanovištiach pomocou využitia biotechnológií riešenie špeciﬁckého cieľa č 3 ochrana biodiverzity a racionálne využívanie lesných ekosystémov vychádza z postavenia moderného pestovania lesa ako silného nástroja na dosahovanie želateľného stavu a vývoja biologickej diverzity pestovné postupy a opatrenia orientované na prevenciu mitigáciu a elimináciu negatívnych vplyvov a dopadov na biodiverzitu sú základom integrovanej ochrany lesných spoločenstiev v procese adaptácie na akcelerované zmeny prostredia výber konkrétnych pestovných postupov preto nut-
ne musí brať o úvahy druhovú diverzitu organizmov komplexne v ich vzájomných interakciách a v interakciách k prostrediu dajoz 2000 náplň a riešenie parciálneho cieľa 3 podstatne prispeje k želateľnému = udržateľnému manažmentu lesných ekosystémov a celkovému skvalitneniu starostlivosti o lesné ekosystémy podľa cieľa european platform for biodiversity research strategy chrániť prírodu a usmerňovať prírodné procesy v prospech človeka a spoločnosti na základe výsledkov vedeckého výskumu aktivita 3 2 a tým aj k naplneniu celkového strategického cieľa projektu portfólio originálnych poznatkov bude obsahovať množinu primárnych dát postupov a nástrojov pre prírode blízky manažment lesa zohľadňujúci ciele a záujmy lesného hospodárstva na jednej strane pri racionálnom využívaní a ochrane biodiverzity na strane druhej umožní identiﬁkáciu ekologických demograﬁckých a ďalších mechanizmov významných pre utváranie ge-
netickej resp druhovej diverzity drevín bylinnej synúzie a makromycétov aktivita 3 1 ako aj živočíchov vybrané skupiny bezstavovcov a stavovcov vrátane poľovnej zveri aktivita 3 2 3 3 a 3 4 v lesných ekosystémoch západných karpát orientácia na vzácne a ohrozené rastlinné spoločenstvá zraniteľné ohrozené a kriticky ohrozené druhy rastlín a živočíchov poskytne rámec pre hodnotenie vplyvu prírodných disturbančných faktorov a vplyvu obhospodarovania na populácie týchto druhov a súčasne vyústi do návrhu konkrétnych pestovných a ochranárskych postupov optimalizujúcich časovo-priestorové prežitie ich populácií zameranie výskumu na hospodársky významné hmyzie škodce a ich bioregulačný komplex v horských smrekových lesoch umožní predikciu vývoja ich populačnej hustoty v rozdielnych porastových štruktúrach ako i návrh pestovných opatrení na zníženie rizika ich premnoženia poznatky o vplyve hospodársky významných druhov poľovnej zveri na lesné dreviny a porasty ekologických nárokoch zveri a jej etológii vyústia do návrhu celospoločensky prínosného manažmentu populácií zveri s väzbou na pestovanie a ochranu lesa špeciﬁcký cieľ č 4 funkcie lesných ekosystémov a kvalita života rieši pro-
blematiku ktorej deﬁcit v minulosti zapríčiňoval zlyhávanie prechodu na prechod na pestovanie a racionálne využívanie adaptívnych lesných ekosystémov pretože neboli zabezpečené socio-ekonomické rámce na trvalú udržateľnosť tohto konceptu v aktivite 4 1 ide o existenciu trhu s lesníckymi službami ktorá je nevyhnutným predpokladom pre realizáciu a vyžívanie funkcií lesných ekosystémov spoločnosťou pričom špeciﬁká lesného hospodárstva predstavujú iba jeden zo súboru vnútorných faktorov ktoré ov-
plyvňujú dopyt a ponuku na tomto trhu 15
úlohou aktivity 4 2 je posúdiť prvotné účinky vplyvy vlastnosti a stavy lesných ekosystémov podľa ich užitočnosti a funkcie pri uspokojovaní potrieb človeka a spoločnosti charakterizujúcich kvalitu života hanemann 2007 funkcie lesa sú vyjadrením spo-
ločenskej objednávky ktoré lesné hospodárstvo plní na daných miestach v rôznom čase v rôznych spoločenských podmienkach s ohľadom na súčasné i predpovedané regionálne a globálne zmeny treba aktualizovať poznatkovú bázu informácií o užitočnosti lesných ekosystémov analyzovať úroveň modelov ich aktuálnej štrukturalizácie ekonomické hodnotenie funkcií lesných ekosystémov a potrebu ich inovácie toto umožní ďalšie zdokonalenie už existujúcich modelov a algoritmov jednotlivých čiastkových funkcií alebo ich skupín vo väzbe na komunikujúce ekosystémy vygenerované informácie o va-
luácii pozitívnych externalít lesných ekosystémov ktoré sú významnou funkciou pre kvalitu života jednotlivca a spoločnosti pomôžu odstrániť zlyhanie trhu ktoré doposiaľ neumožňuje ich spoločensky efektívnu produkciu bez zásahu štátu to bude náplňou riešenia problematiky v aktivite 4 3 integrácia verejnoprospešných funkcií lesov do trhového mechanizmu ktorá vyústi do návrhov efektívnych a účinných foriem optimalizácie poskytovania verejnoprospešných funkcií lesov trvalú udržateľnosť navrhnutých schém poznatkovo podporí výskum posilňovanie medzisektorovej spolupráce a jej kapacít ako dôležitého predpokladu a podmienky zvyšovania konkurencieschopnosti a ekonomickej životaschopnosti lesníctva aktivita bude zohľadňovať činnosti a opatrenia realizované iný-
mi sektormi či záujmovými skupinami ktoré ovplyvňujú schopnosť a možnosti lesníctva zabezpečovať svoje základné funkcie a ciele pretože špeciﬁcký cieľ č 4 najsilnejšie závisí od previazania informačných tokov je prirodzenou osou pre umiestnenie aktivity 4 5 riešiacej problematiku ikt v rámci navrhovaného projektu jej cieľom je jednak vytvorenie jednotnej platformy na zdieľanie dát informácií a modelovanie a jednak vytvorenie nástroja využiteľného pre výskum v rámci nadväzujúcich projektov takto nadobudnutá infraštruktúra v súhre s unikátnym systémom prírodných labo-
ratórií v podobe prírodných a prirodzených lesov reprezentujúcich temperátnu zónu na-
pomôže rozvoju ďalších medzinárodných vedeckých a odborných kooperácií za účasti technických a technologických kapacít regiónu literatúra brang p 2005 virgin forests as a knowledge source for central european silviculture reality or myth forest snow and landscape research 79 1 2 19−31 dajoz r 2000 insects and forests the role and diversity of insects in the forest environment lavoisier publishing tec & doc londress paris new york 668 pp hanemann m 2007 the concept of value in economics university of california berkeley barcelona 66 pp huston m 1979 general hypothesis of species diversity am nat 113 p 81 101 nagel t a diaci j 2006 intermediate wind disturbance in an old-growth beech-fir forest in southeastern slovenia can j for res 36 629 638 16
adresa autorov prof ing rudolf kropil csc doc dr ing viliam pichler
doc dr ing jaroslav šálka
prof ing milan saniga drsc lesnícka fakulta technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
slovakia
17
metodologické aspekty hodnotenia sucha a rizika lesných požiarov
v meniacich sa podmienkach klímy na slovensku
jaroslav š k v a r e n i n a tomáš v i d a
škvareniena j vida t methodology aspects of drought and forest ﬁre danger assessment
in changing conditions of climate in the slovak republic acta facultatis forestalis zvolen 51 3 17 33 2009 the paper is focused on drought and forest ﬁres issues in the conditions of starting climate
change in slovakia its aim is to analyze drought identiﬁcation possibilities in the forests on the
basis of drought indexes and ecosystem water balance calculation increase of bioclimatic drought danger is a precondition for increase of forest ﬁres danger incidence paper is deal with questions
of meteorological ﬁre indices calculation for forests and their suitability for moderate climate con-
ditions of western carpathians methodology and basic outcomes are presented as a results of ﬁrst
year activities of the centre excellence project adaptive forest ecosystems activity 2 1 global and regional changes key words drought meteorological ﬁre indices evapotranspiration forest ecosystems climate change
1 úvod a ciele
zmena klímy a s ňou vyvolané meniace sa podmienky krajiny sa spája s mno-
hými rizikami ako pre ľudskú spoločnosť tak aj pre iné živé systémy les ako najkom-
plexnejší živý systém na zemi má mnohé mechanizmy na prispôsobovanie sa takýmto zmenám no jednak ich súčasná intenzita ako aj významný vplyv človeka na lesné eko-
systémy znižujú účinnosť týchto mechanizmov dôsledkom týchto zmien je očakávaná zmena vodnej bilancie krajiny budyko 1980 eea 2004 minďáš et al 1996 ktorá bude mať za následok pravdepodobne posun vegetačných stupňov rožnovský a janouš 2001 škvarenina et al 2004a klimatická zmena podľa doterajšieho vedeckého nazerania na problematiku prinesie so sebou nárast extrémnosti počasia ipcc 2007 lapin et al 2000 2008 podľa citova-
ného medzivládneho panelu pre klimatickú zmenu ipcc by sa v dôsledku nastupujú-
cich klimatických zmien mohla zvýšiť frekvencia a rozsah extrémnych prejavov počasia ako sú silné búrky horúčavy suchá požiare alebo záplavy podľa viacerých klimatických modelov by mal súčasný vývoj ktorý je poznamenaný narastajúcou frekvenciou a dopa-
dom týchto javov vo svete naďalej pretrvávať v podmienkach temperátnej klimatickej acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
18
zóny teda aj lesných ekosystémov slovenska sa ako významné extrémne prejavy poča-
sia a klímy považujú sucho a s ním spojené riziko vzniku lesných a krajinných požiarov střelcová et al 2009 stúpajúca frekvencia a intenzita klimatických extrémov je zrejmá zo stúpajúcich škôd spôsobovaných národnému hospodárstvu holécy et al 2004 v prípade lesných ekosystémov sú dopady zmeny klímy tým závažnejšie že napríklad na rozdiel od poľ-
nohospodárstva zmierňovacie a adaptačné opatrenia nie je možné vyvíjať a aplikovať rýchlosťou primeranou rýchlosti klimatických zmien adaptácia na zmeny v režime kli-
matických extrémov vo forme periód sucha vetrových kalamít mimoriadnych horúčav či mrazov je komplikovaná nejasnou prognózovateľnosťou týchto javov ako aj vysokou variabilitou ich dopadov na les v rámci aktivity globálne a regionálne zmeny projektu centra excelencie lesníc-
kej fakulty technickej univerzity adaptívne lesné ekosystémy sa budeme vo výskumnej práci orientovať predovšetkým na hodnotenie klimatickej zmeny a extrémov počasia pomocou charakteristík stavu at-
mosféry v rôznych vegetačných stupňoch slovenska a v rámci nami prezentovanej aktivity predovšetkým na aspekty bioklimatického sucha a následne vyvolaného rizika vzniku podmienok pre výskyt lesných a krajinných požiarov zostaveniu metódy kontinuálneho hodnotenia výskytu a intenzity stresu suchom a in-
dexu požiarov v lesnom prostredí a porovnaniu takéhoto hodnotenia s doteraz použí-
vanými metódami 2 rozbor problematiky
meteorologický a bioklimatologický slovník deﬁnujú sucho z viacerých hľa-
dísk v princípe však ako stav nedostatku vody v pôde rastlinách a atmosfére krečmer 1980 predstavuje zložitý komplex činiteľov ktorých pôsobením vzniká nedostatok vla-
hy v krajine inak s dostatkom vody sa chápe ako mimoriadny jav prípadne sa považuje až za živelnú pohromu sucho v lesníctve predstavuje významný poveternostný streso-
vý faktor lesných ekosystémov možno povedať že až najvýznamnejší nakoľko okrem priamych škôd prísuškami rastlín vyvoláva celý rad ďalších synergicky podmienených efektov nadmerná transpirácia úpal kôry úhyn zmladenia a obnovy predčasný opad asi-
milačných orgánov predčasný nástup jesenných fenofáz rastlín nedostatočný vývoj budú-
coročných vegetatívnych a generatívnych púčikov poškodzovanie a narušovanie jemných koreňových systémov blokovanie mykorízy obmedzenie mikrobiálnej činnosti pôdy a jej zakysľovanie nadmerná eutroﬁzácia vôd premnoženie biotických škodcov lesné požiare a pod ditmarová et al 2006 hayes et al 1999 heim 2002 holécy et al 2004 paga-
nová 2007 střelcová et al 2004 sucho je normálna rekurentná črta klímy mierneho klimatického pásma sucho sa môže vyskytovať skoro všade hoci jeho prejavy môžu byť odlišné od oblasti k oblasti hayes et al 1999 deﬁnovanie sucha je zložité závisí od regionálnych rozdielov a od po-
trieb jednotlivých disciplín sucho je prechodná odchýlka a nie je totožné s pojmom aridita ktorý je obmedzený na oblasti s nízkymi zrážkami a predstavuje trvalú črtu klímy 19
sucho predstavuje neočakávateľné prírodné riziko sucho vyjadruje relatívne krát-
kodobú zápornú odchýlku vodnej bilancie od normálu a výrazne ovplyvňuje celý rad aktivít ľudskej spoločnosti hayes et al 1999 heim 2002 dubrovský et al 2005 šiška a samuhel 2007 šiška et al 2005 väčšina autorov rozlišuje sucho meteorologické poľ-
nohospodárske hydrologické a socioekonomické obrázok 1 primárnou príčinou sucha na slovensku je bez výnimky deﬁcit zrážok v určitom časovom intervale ako napr v prie-
behu vegetačného obdobia alebo jeho časti spolupôsobenie ostatných meteorologických faktorov napr vysoká teplota intenzívne prúdenie vzduchu nízka relatívna vlhkosť vzdu- chu môžu tiež významne prispieť k prehĺbeniu tohto javu nadmorská výška a reliéf terénu ako silne diferencujúce faktory klímy zohrávajú v orograﬁcky členitom území slovenska mimoriadne významnú úlohu so stúpajúcou nadmorskou výškou sa podstatne mení radiačná termická i vodná bilancia krajiny na prvoradý význam klímy z hľadiska prirodzenej vegetácie upozorňuje už zlatník 1976 opisuje vegetačné stupne vs ako základné jednotky pre nepriame vyjadrenie výškovej klímy vertikálnej stupňovitosti pomocou vegetácie biocenóz ich rozmanitosť je pod-
mienená klimatickými rozdielmi vplyvom nadmorskej výšky expozície a reliéfu ktoré vyplývajú z konﬁgurácie terénu pôsobením týchto činiteľov vznikli biogeocenózy zosku-
pené do 9 vegetačných stupňov na území slovenska sa vyskytujú podľa zlatníka 1976 vegetačné stupne nazvané podľa zastúpenia čiže dominancie významných stromových alebo krovitých ediﬁkátorov nie teda podľa ich optima výskytu vo vegetačných stupňoch sú to vegetačné stupne vs 1 dubový 2 bukovo-dubový 3 dubovo-bukový 4 buko-
vý 5 jedľovo-bukový 6 smrekovo-bukovo-jedľový 7 smrekový 8 kosodrevinový 9 alpínsky nelesný vs vegetačné stupne nižších polôh 1 vs dubový 2 vs bukovo-dubový a 3 vs dubovo- bukový sú vo vegetačnom období marec september pomerne suché deﬁcit zrážok do-
sahuje 100 až 300 mm vo vegetačnom období až 4 vs bukový je charakteristický vyrov-
nanou klimatickou vodnou bilanciou vo vyšších vegetačných stupňoch 5 vs jedľovo- bukový a 6 vs smrekovo-bukovo-jedľový humidita klímy narastá humídnosť klímy patrí k základným ekologickým podmienkam horských lesov vodná bilancia dosahuje najvyšších hodnôt v 8 vs kosodrevinovom a 9 vs alpínskom kde množstvo zrážok vý-
razne prevyšuje evaporačné nároky atmosféry v ročnej bilancii dosahuje nadbytok vody zo zrážok cca 1000 mm škvarenina et al 2004b aridita klímy a výskyt sucha následne a logicky vyúsťujú do vzniku podmienok a rizika výskytu lesných a krajinných požiarov riziko vzniku požiarov fire danger sa charakterizuje ako kombinácia viacerých prvkov ktorých spolupôsobením vzniká požiar tieto prvky sú buď konštantné ako napríklad fire risk požiarne riziko čo predstavuje pravdepodobnosť vzniku požiaru na základe počtu potenciálnych dostupných zápalných zdrojov alebo fire hazard požiarny potenciál čo predstavuje charakter dostupného pali-
va predovšetkým jeho množstvo rozmery priestorovú distribúciu najdôležitejším pre-
menlivým prvkom ktorý má rozhodujúci vplyv pre požiarne riziko je počasie určujúce vhodnosť podmienok pre vznik a šírenie požiaru 20
obrázok 1 deﬁnovanie chápania sucha pre rôzne sektory činností a jeho časová postupnosť spracované podľa viacerých autorov hayes et al 1999 heim 2002 škvarenina et al 2004b figure 1 deﬁnition of understanding drought for different sector activities and time sequence of drought according to hayes et al 1999 heim 2002 škvarenina et al 2004b dôsledky zmeny klímy na riziko vzniku požiarov sa vo svete hodnotia na základe vý-
voja požiarovosti v krajine predovšetkým pomocou počtu požiarov a plochy ktorá pri nich zhorí hodnoteniu trendu vývoja požiarov sa venuje množstvo prác práca autorského kolek-
tívu pod vedením riaňo 2007 naznačuje že podľa štatistického vyhodnotenia satelitných údajov nedošlo v rokoch 1981 2000 vo svete k štatisticky významnému nárastu v ploche požiarov dodáva ale že je možné pozorovať trend nárastu požiarov na severnej pologu-
li v stredných zemepisných šírkach a subtropických oblastiach severnej ameriky afriky a juhozápadnej ázii naopak plocha lesných požiarov poklesla v tropickej juhovýchodnej prirodzená variabilita klímy
nedostatok zrážok úhrny intenzita rozloženie zrážok v čase vysoké teploty veternosť nízka vlhkosť vzduchu vysoká slnečná radiácia málo oblačnosti
redukcia inﬁltrácie povrchového odtoku hĺbkovej perlokácie a zásob podzemnej vody
pokles evaporácie
a transpirácie
vodný stres rastlín redukcia
produkcie biomasy
a prírastku
redukcia odtoku prítoku do vodných
rezervoárov jazier rybníkov redukcia mokradí a ich pôvodných habitátov
nedostatok vody v pôde
dopady
ekonomické
dopady sociálne
dopady environmentálne
su
ch
o so
ci
oe
ko
no
m
ic
ké e
nv
ir
on
m
en
tá
ln
e su
ch
o hy
dr
ol
og
ic
ké
su
ch
o pô
do
ho
sp
od
ár
sk
e
su
ch
o m
et
eo
ro
lo
gi
ck
é
č
a
s
t
r
v
a
n
i
e
21
ázii a strednej amerike taktiež sa zvýšilo množstvo zhorenej plochy počas leta v stred-
ných zemepisných šírkach severnej pologule a oblasti sibírskej tajgy shvidenko a nilsson 2002 z iného zdroja ncdc 2007 sa dozvedáme že čo sa týka požiarov na aljaške ich počet stúpal od roku 1965 po 90 roky 20 storočia a následne je badateľný pokles v ich počte opačná situácia je ale so zhorenou plochou ktorá na konci sledovaného obdobia výrazne narástla podobný vývoj môžeme sledovať aj v rámci celého územia spojených štátov s tým rozdielom že početnosť požiarov mala svoje maximum v 80 rokoch minulého storočia podobne na nárast plochy poukazujú aj výskumy z ruska goldammer 2003 centrálnej ázie goldammer et al 2004 práce zo západu severnej ameriky gedalof et al 2005 westerling et al 2006 a tiež západu kanady gillett et al 2004 flannigan et al 2005 podobne je tomu aj v stredomorí pausas 2004 aj na základe rozsiahlej štúdie fao 2007 je zrejmé že v poslednom období narastá počet požiarov v mnohých častiach sveta čo je spôsobené predovšetkým narastajúcim rizikom ich vzniku pre režim požiarov sú v rámci európy dôležité dva limitujúce faktory v podmienkach suchej stredomorskej oblasti je limitujúcim faktorom množstvo paliva na rozdiel od vlhkej oblasti strednej a severnej európy kde je hlavným limitujúcim faktorom suché počasie päätalo 1998 územie slovenska sa nachádza na rozhraní týchto území pričom limitu-
júcim faktorom je v súčasnosti viac suché počasie ako nedostatok množstva paliva tento stav sa ale môže v budúcnosti hlavne na juhu krajiny meniť v závislosti od klimatickej zme-
ny zmena režimu požiarov sa očakáva ako v stredozemnej oblasti piňol et al 1998 tak aj v oblasti lesov mierneho pásma badeck 2004 a boreálnych lesov stock et al 1998 na základe scenára cccm o zmene klímy pre územie slovenska môžeme aj na našom území očakávať zmenu požiarneho režimu v budúcnosti v dôsledku očakávanej zmeny vodnej bilancie krajiny jej negatívne hodnoty počas hlavného vegetačného obdobia by sa mali objaviť aj vo vyšších nadmorských výškach v porovnaní s dnešnou situáciou čo bude mať za následok rozšírenie oblastí náchylnejších na vznik lesných požiarov balajka et al 2005 na výrazné zmeny v správaní sa krajiny slovenska ohľadom rizika lesných požia-
rov môžeme predpokladať v oblastiach južne od tzv zlatníkovej klimatickej deliacej čiary nakoľko už dnes predstavuje výraznú deliacu líniu pre hodnotenie výskytu klimatického sucha na slovensku škvarenina et al 2008 pre hodnotenie klimatickej zmeny na základe jej prepojenia s požiarnym režimom je podstatná kvalitná databáza požiarov v tomto bode na slovensku narážame na význam-
ný problém hoci sa na úrovni okresov už aj v minulosti zaznamenávali údaje o lesných požiaroch často chýbali podrobnejšie údaje ako zhorená plocha presnejšia lokalizácia porast druh porastu atď navyše tieto údaje nie sú digitalizované a pri ich získavaní človek potrebuje značné množstvo času od roku 1999 sa situácia na slovensku zmenila a požiarnotechnický a expertízny ústav mv sr každoročne vytvára celonárodnú databázu požiarov v dôsledku veľkej medziročnej variability v počte požiarov ako aj v dôsledku skutočnosti že až 95 97 požiarov na slovensku vzniká vplyvom človeka je ale dnes nemožné jednoznačne hodnotiť trend ich vývoja z tohto dôvodu budeme v rámci aktivity globálne a regionálne zmeny projektu adaptívne lesné ekosystémy hodnotiť požiarne riziko len z pohľadu charakteru počasia a teda meteorologických podmienok vhodných pre vznik požiaru 22
3 metodika
kľúčovou úlohou pri hodnotení sucha v temperátnej klimatickej zóne je okrem hodnotenia režimu atmosférických zrážok aj hodnotenie výparu a vodnej bilancie eva-
potranspirácia predstavuje výpar vody z pôdy pokrytej vegetáciou predstavuje kompli-
kovaný biofyzikálny dej ktorý v podstate pozostáva z fyzikálneho výparu evaporácie a fyziologického výparu z rastlinných orgánov transpirácie experimentálne bolo doká-
zané že v optimálnych podmienkach rastu rastlín aktuálna evapotranspirácia e dosahu-
je hodnoty potenciálnej evapotranspirácie eo t j maximálne možnej evapotranspirácie v daných klimatických podmienkach pri dostatočnej vlhkosti pôdy ako konštatujú viaceré práce napríklad budyko a zubenoková 1961 špánik šiš-
ka et al 2004 tomlain 2004 šiška a takáč 2008 nižšie uvedené indexy pomerne presne umožňujú kvantiﬁkovať sucho ako deﬁcit vody v koreňovej zóne z hľadiska opti-
málneho rastu rastlín relatívna evapotranspirácia e eo evapotranspiračný deﬁcit eo e a budykov index sucha eo p kde p je zrážkový úhrn dôležitou informáciou pre pôdohospodára je časové rozloženie sucha počas roka vegetačného obdobia pre tento účel sme na katedre prírodného prostredia tu rozpraco-
vali metódu modiﬁkovaných klimadiagramov vodnej bilancie škvarenina et al 2004b ktorá pomerne presne s mesačným krokom dokáže identiﬁkovať výskyt bioklimatického sucha počas roka na metodické aspekty hodnotenia sucha nadväzuje aj hodnotenie rizika požiarov na zmeny v charaktere počasia na slovensku v prepojení na požiare poukazujú niektoré práce ako napríklad hrvol et al 2009 škvarenina et al 2004a vida et al 2008b hodnotia sa pomocou jednotlivých meteorologických prvkov alebo ich kombináciou ale najkomplex-
nejší a vo svete najpoužívanejší spôsob je pomocou požiarnych indexov na stanovenie požiarneho rizika sa využívajú len meteorologické charakteristiky ako napríklad zrážky relatívna vlhkosť vzduchu teplota vzduchu a i tieto meteorologické indexy hodnotia len vlhkostné charakteristiky paliva prostredia ktoré majú nesporne rozhodujúci význam pri vzniku a šírení požiaru štruktúra týchto indexov môže byť jednoduchá pozostávajúca z jedného vzorca popisujúceho iba vzťahy medzi meteorologickými charakteristikami ktoré v daných podmienkach vyústia do vysokej náchylnosti ku vzniku požiaru angstrom index nesterov index ale môže byť aj značne zložitá ako je to napríklad pri kanadskom požiarnom indexe canadian forest fire weather index cffwi hoci vstupnými veli-
činami pre cffwi sú len 4 meteorologické prvky úhrn zrážok rýchlosť vetra relatívna vlhkosť vzduchu a teplota vzduchu tieto vstupujú do výpočtu tohto systému na rôznych úrovniach z ktorých každá je tvorená soﬁstikovanými matematicko-fyzikálnymi vzťahmi popisujúcimi zložitý vplyv lesného prostredia na zmenu vlhkosti jednotlivých kategórií paliva van wagner 1987 23
obrázok 2 štruktúra kanadského požiarneho indexu cffwi figure 2 structure of the canadian forest ﬁre weather index
cffwi je jeden z podsystémov ktoré zahŕňa systém hodnotenia požiarneho ne-
bezpečenstva kanadských lesov canadian forest fire danger rating system a jeho 6 zložiek posudzuje vplyv teploty vzduchu relatívnej vlhkosti zrážok a rýchlosti vetra na správanie sa požiaru prvé tri zložky fine fuel moisture code ffmc duff moisture code dmc a drought code dc predstavujú indexy vlhkosti troch palivových tried surovej formy humusu a to horizontov ol opadanka do hĺbky 1 2 cm of fermentačná vrstva humusu do hĺbky 7 cm a oh humiﬁkačná vrstva humusu do hĺbky 17 cm zvyšné tri zložky initial spread index isi buildup index bui a fire weather index fwi predstavujú potenciálne správanie požiaru a to predovšetkým rýchlosť šírenia požiaru množstvo dostupného paliva pre požiar a jeho intenzitu so stúpajúcim požiarnym nebez-
pečenstvom postupne narastajú hodnoty výsledného fwi výskyt požiarov a aj zhorená plocha územia tesne korelujú s týmto indexom predo-
všetkým v kanade kde bol tento index štandardizovaný pre palivový typ borovicových lesov kill et al 1977 stocks et al 1989 no po kalibrácii a adaptácii sa tento index úspešne využíva aj v iných častiach sveta napríklad v oblasti stredozemného mora bovio a camia 2000 alebo nového zélandu pearce 1996 z tých jednoduchších spomeňme angstrőm index vyvinutý vo švédsku meteoroló-
gom angstrőmom avšak používaný v celej škandinávii nemecku a iných európskych krajinách temperátnej a boreálnej klimatickej oblasti levin a saaroni 1999 holécy et al 2003 škvarenina et al 2004a timár et al 2008 index kalkuluje s vlhkostnými teplota vzduchu relatívna vlhkosť
rýchlosť vetra
zrážky
teplota vzduchu relatívna vlhkosť
zrážky
teplota vzduchu zrážky
rýchlosť vetra
fine fuel
moisture code ffmc duff moisture
code dmc drought
code dc initial spread
index isi buildup
index bui fire weather
index fw 24
a teplotnými parametrami pričom vlhkosť vzduchu má vo výpočte dominantné postave-
nie čo sa prejavuje rýchlymi ﬂuktuáciami hodnôt indexu veľká citlivosť môže viesť aj k nadhodnocovaniu reálneho rizika vzniku lesných požiarov na čo upozorňujú škvarenina et al 2004a a aj vida et al 2008a nesterov index je ďalší z jednoduchých indexov hodnotiacich požiarne nebezpečen-
stvo vyvinutý v podmienkach ruska nesterovom 1949 in buchholz a weidemann 2000 tento kumulatívny index po jemnej úprave sa bežne používa ako v krajine svojho vzniku tak aj v iných európskych krajinách hlavnými poveternostnými prvkami vstupujúcimi do kalkulácie sú teplota vzduchu a rosného bodu limitujúcou podmienkou kumulovanej výslednej hodnoty indexu sú atmosférické zrážky baumgartner index bi spracoval a na experimentálnom materiály overil vedec-
ký tím popredného európskeho bioklimatológa prof baumgartnera na lesníckej fakulte mníchovskej univerzity principiálne kalkulácia tohto kumulatívneho indexu vychádza zo stanovenia klimatickej vodnej bilancie potenciálna evapotranspirácia atmosférické zrážky pre výpočet rizika vzniku požiarov použijeme nasledovné požiarne indexy canadian forest fire weather index nestorov index angstrom index baumgatrner index podrobnosti kalkulácii všetkých vyššie uvedených indexov podrobne podávajú práce škvarenina et al 2004a van wagner 1987 4 predbežné výsledky a diskusia
4 1 dlhodobé priemerné hodnoty relatívnej evapotranspirácie a indexu sucha
tabuľka 1 udáva priemerné ročné hodnoty indexu sucha eo p potenciálnej evapotranspirácie eo zrážok p aktuálnej evapotranspirácie e a relatívnej evapotrans-
pirácie e eo za obdobie 1951 2005 na vybraných staniciach slovenska v priemere najmenšie ročné hodnoty e eo za spracované obdobie 1951 2005 boli zaznamenané na podunajskej nížine 1 vs dubový t j v oblasti s vysokými úhrnmi po-
tenciálnej evapotranspirácie nad 700 mm a s ročnými zrážkami menšími ako 550 mm v horských oblastiach slovenska ktoré sa vyznačujú dostatočne vysokými úhrnmi zrážok počas celého roka sa aktuálna evapotranspirácia len málo líši od potenciálnej evapotrans-
pirácie menej ako 4 rastom zrážok aktuálna evapotranspirácia sa s nadmorskou výš-
kou zväčšuje až po určitú hranicu cca po 3 vs dubovo-bukový potom ako výsledok poklesu celkovej bilancie žiarenia zväčšovanie oblačnosti relatívnej vlhkosti vzduchu počtu dní so snehovou pokrývkou poklesom teploty povrchu pôdy a vzduchu úhrny aktuálnej evapotranspirácie sa s výškou zmenšujú priemerné ročné hodnoty potenciálnej 25
evapotranspirácie sa menia od 750 mm v južnej časti podunajskej nížiny 1 vs dubový do 350 mm a menej v najvyšších horských polohách smrekový kosodrevinový až alpínsky stupeň tabuľka 1 nadmorská výška staníc priemerné hodnoty zrážok p v mm potenciálnej evapotranspirácie e
o a aktuálnej evapotranspirácie e v mm relatívnej evapotranspirácie e eo v a indexu sucha e
o p pre vybrané meteorologické stanice zaradené do príslušných vegetačných stupňov pre časové obdobie rokov 1951 2005 table 1 average annual values of precipitation p potential e
o actual evapotranspiration e drought index e
o p in mm and relative evapotranspiration e eo in at chosen localities of slovakia for the period 1951 2005
obrázok 3 a obrázok 4 prinášajú regresnú závislosť ročných hodnôt relatívnej eva-
potranspirácie e e
o a indexu sucha e
o p od nadmorskej výšky za obdobie 1951 2005 relatívna evapotranspirácia e e
o je výborný ukazovateľ vlahového zabezpečenia rastlín dosahuje v najnižších oblastiach hodnoty okolo 60 smerom k vyšším vege-
tačným stupňom hodnota tohto pomeru rastie pričom vo 4 vs už dosahuje 90 a viac v horských polohách však tento ukazovateľ čiastočne stráca na presnosti od 5 vs je rozlišovacia schopnosť e e
o už len minimálna 1 5 a to v dôsledku vyrovnávania sa hodnôt potenciálnej a skutočnej evapotranspirácie obrázok 3 podáva vzťah relatívnej evapotranspirácie od rastúcej nadmorskej výšky index sucha e
o p vyjadruje vzťah medzi energetickými možnosťami a zrážkovými vstupmi v uvažovanom vegetačnom stupni tento index bol použitý pre hodnotenie bi-
oklimatologických regiónov v celoplanetárnom merítku budyko 1955 1971 larcher 1984 baumgartner a liebscher 1990 index e
o p nad očakávanie dokázal veľmi citlivo reagovať na výškové zmeny bioklimatologických podmienok aj na relatívne malom území slovenska obrázok 4 budyko 1980 uvádza že ak je e
o p 1 územie začína mať arídny charakter lesostep step ak je hodnota indexu v intervale 0 3 e
o p 1 charakterizuje sa bióm ako lesný pri hodnote e
o p 0 3 má ekosystém charakter tajgy tundry v našom ponímaní aj horského lesa temperátnej zóny vidíme že uvedené rozdelenie plne platí aj na slovensku meteorologická stanica
h m n m p eo e e eo eo p vegetačný stupeň
hurbanovo 115 537 748 432 58 1 44 1 dubový
myjava 375 671 627 450 72 0 96 2 bukovo-dubový
kamenica n c 178 722 644 501 78 0 92 3 dubovo-bukový
plaveč 488 693 522 451 87 0 78 4 bukový
červený kláštor 474 755 507 457 90 0 69 5 jedľovo-bukový
oravská lesná 780 1114 456 432 95 0 42 6 smrekovo-bukovo-jedľový
tatranská javorina 1020 1253 422 412 97 0 35 7 smrekový
štrbské pleso 1360 995 435 407 94 0 45 7 smrekový 8 kosodrevinový
26
bochenek et al 2005 zhodnotili index sucha vo vegetačnom období apríl sep-
tember pre územie poľska zistili hodnoty od 1 6 v centrálnej časti krajiny do hodnoty 1 0 pre oblasti kde letné zrážky boli vyššie ako potenciálna evapotranspirácia t j horské polohy v južných regiónoch poľska obrázok 3 logaritmická regresná závislosť ročných hodnôt relatívnej evapotranspirácie e eo od nadmorskej výšky altitude m na území slovenska za obdobie rokov 1951 2005
figure 3 logarithmic regression dependence of relative evapotranspiration annual values e eo on altidude m a s l on the territory of slovakia for the period 1951 2005
27
obrázok 4 logaritmická regresná závislosť ročných hodnôt indexu sucha eo p od nadmorskej výšky altitude m na území slovenska za obdobie rokov 1951 2005
figure 4 logarithmic regression dependence of drought index annual values eo p on altidude m a s l on the territory of slovakia for the period 1951 2005 4 2 dlhodobý vývoj požiarneho rizika pri hodnotení požiarneho rizika na základe meniaceho sa charakteru počasia hodnoteného požiarnymi indexmi môžeme sledovať v modelovom území počas rokov 1983 2007 nárast počtu dní v ktorých boli dosiahnuté hodnoty požiarneho rizika 3 stred-
né riziko 4 vysoké riziko alebo 5 veľmi vysoké riziko obr 5 a 6 tento stúpajúci trend je zreteľný pre všetky použité indexy baumgartner bi a angstrőm ai aj kanad-
ský fwi index no priebeh tohto trendu sa u jednotlivých indexov líši pri porovnaní ai a bi môžeme sledovať už vyššie spomínané nadhodnocovanie požiarneho rizika angstrő-
movým indexom toto je spôsobené pravdepodobne lokalitou jeho vzniku škandinávia ktorá má odlišnú vlhšiu a chladnejšiu klímu ako naše územie na rozdiel od tohto in-
dexu baumgartner index ako aj cffwi vznikali v podmienkach slovensku klimaticky podobných z tohto dôvodu môžeme od nich očakávať presnejšie predpovedanie reálneho meteorologického rizika vzniku požiarov 28
obrázok 5 dlhodobý vývoj počtu dní s hodnotou baumgartnerovho bi a angstrőmovho ai indexu 3 4 ale- bo 5 v požiarnej sezóne apríl september rokov 1983 2007 pre meteorologickú stanicu bratislava koliba
figure 5 long-term development of days reached 3 4 or 5 values of baumgartner bi and angstrőm ai index at bratislava-koliba meteorological station for the ﬁre season april september of the years 1983 2007
ako môžeme ďalej vyčítať z grafov trend kanadského indexu má oveľa miernejšiu stúpajúcu tendenciu tento fakt je spôsobený konštrukciou jednotlivých indexov zatiaľ čo bi a ai vo svojich rovniciach posudzujú len jednoduchý vzájomný vzťah jednotlivých vstupných prvkov pre miesto merania meteorologickú stanicu ktorá predstavuje voľnú plochu z pohľadu vodnej bilancie resp vzdušnej vlhkosti kanadský index v rámci svo-
jej zložitej štruktúry komplexne hodnotí lesné prostredie a jeho vplyv na vlhkosť paliva v rámci schopnosti modiﬁkovať mikroklímu v porovnaní s voľnou plochou z toho mô-
žeme usudzovať že zapojené porasty sú schopné istým spôsobom regulovať meniace sa klimatické podmienky a zmierňovať ich dopad na požiarne riziko tieto tvrdenia však bude potrebné podrobnejšie preskúmať na väčšom súbore dát v rámci rôznych lesných vegetačných stupňov 29
obrázok 6 dlhodobý vývoj počtu dní s hodnotou baumgartnerovho bi a kanadského fwi indexu 3 4 alebo 5 v požiarnej sezóne apríl september rokov 1983 2007 pre meteorologickú stanicu bratislava koliba figure 6 long-term development of days reached 3 4 or 5 values of baumgartner bi and canadian fwi index at bratislava-koliba meteorological station for the ﬁre season april september of the years 1983 2007
5 záver
v spojitosti s očakávanými zmenami klímy rastie na území slovenska riziko čas-
tejšieho výskytu sucha tento nebezpečný fenomén klímy je významným predpokladom vzniku reálneho rizika rastu lesných a krajinných požiarov v práci sa podrobne analyzujú teoretické východiská sucha v podmienkach slovenska analyzujú sa jednotlivé vhodné kalkulácie indexov sucha a vodnej bilancie ekosystému ich rozloženie v podmienkach výškovo a klimaticky vertikálne rozčlenených vegetačných stupňov slovenska ukazuje sa potreba účinného boja so suchom predovšetkým v nižších vegetačných stupňoch v južných častiach slovenska na hodnotenie sucha nadväzuje kalkulácia meteorologických požiar-
nych indexov analyzuje sa vhodnosť využitia viacerých požiarnych indexov poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 30
literatúra
balajka j lapin m minďáš j šťastný p thalmeinerová d 2005 štvrtá národná správa sr o zmene klímy a správa o dosiahnutom pokroku pri plnení kjótskeho protokolu ministerstvo životného prostredia sr slovenský hydrometeorologický ústav bratislava 114 pp badeck f w lasch p hauf y rock j suckow f thonicke k 2004 steigendes klimatisches waldbran-
drisiko der wald 59 2 90 93 baumgartner a liebscher h j 1990 lehrbuch der hydrologie band 1 allgemeine hydrologie quantitati-
ve hydrologie gebrüder bornträger berlin 673 pp bochenek z dąbrowska-zielińska k ciołkosz a drupka s boken v k 2005 monitoring agricultural drought in poland in boken v k cracknell a p and heathcote r l eds monitoring and predicting agricultural drought a global study oxford university press new york 171 180 bovio g camia a 2000 computation of meteorological fire danger indices for southern europe contract n 14526-1998-11 sf1p1 isp it final report budyko m i ed 1955 atlas tephogo balansa atlas of the heat balance in russian gridometeoizdat leningrad 41 pp budyko m i 1980 klimat v proshlom i budushchem climate in the past and in the future in russian gidrometeoizdat leningrad 352 pp budyko m i zubenok l i 1961 the determination of evaporation from the land surface in russian izv akad nauk sssr ser geogr 6 3 17 buchholz g weidemann d 2000 the use of simple fire danger rating systems as a tool for early war-
ning in forestry international forest fire news 23 32 37 ditmarová ľ kmeť j střelcová k gőmőry d 2006 effects of drought on selected physiological para-
meters of young beech trees under stress conditions ekológia bratislava 25 1 11 dubrovsky m trnka m svoboda m gates m šilháte d zalud z semeradova d 2005 drought conditions in the czech republic in present and changed climate in proceedings of the european geo-
physical union vienna 25 29 eea 2004 impacts of europe‘s changing climate reprt no 2 2004 dostupné z http www eea europa eu pub-
lications climate_report_2_2004
fao 2007 fire management global assessment 2006 fao forestry paper 151 dostupné z ftp ftp fao org docrep fao 009 a0969e a0969e00 pdf
flannigan m d logan k a amiro b d skinner w r stocks b j 2005 future area burned in canada climatic change 72 1 16 goldammer j g 2003 the wildland fire season 2002 in the russian federation an assessment by the global fire monitoring center gfmc international forest fire news 28 2 14 goldammer j g davidenko e p kondrashov l g ezhov n i 2004 recent trends of forest fires in central asia and opportunities for regional cooperation in forest fire management international forest fire news 31 91 101 gillett n p weaver a j zweirs f w flannigan m d 2004 detecting the effect of climate change on canadian forest ﬁres geophysical research letters 31 18 18211 doi 10 1029 2004gl020876 gedalof z peterson d l mantua n j 2005 atmospheric climatic and ecological controls on extreme wildﬁre years in the northwestern united states ecological applications 15 154 174 hayes m j sovoboda m d wilhite d a vanyarko o v 1999 monitoring the 1996 drought using the standardized precipitation index american meteorological society 80 429 438 heim r r 2002 a review of twentieth-century drought indices used in the united states bull amer meteor soc 83 1149 1165 holécy j škvarenina j tuček j minďáš j 2003 fire risk insurance model for forest stands growing in the area of slovak paradise in forest fire in the wildland-urban interface and rural areas in europe an integral planning and management challenge institute of mediterranean forest ecosystems and forest products technology athens greece 161 172 holécy j tuček j škvarenina j minďáš j 2004 matematický model poistenia lesov slovenska proti požiarom in lesní požáry sborník referátů ze semináře s mezinárodní účastí praha česká zemědělská univerzita 28 34 31
hrvoľ j vida t škvarenina j nejedlík p 2009 fire danger trend of the period 1983-2007 in the bra-
tislava wildland-urban interface area in pribulová a bičárová s eds sustainable development and bioclimate stara lesná 2009 197 198 ipcc 2007 climate change 2007 synthesis report contribution of working groups i ii and iii to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change cambridge cambridge university press dostupná z www ipcc ch ipccreports ar4-syr htm kill a d miyagawa r s quintillo d 1977 calibration and performance of the canadian fire weather index in alberta can for serv north for res stn alta inf rep nor-x-173 edmonton 45 pp krečmer v ed 1980 bioklimatologický slovník terminologický a explikativní academia praha 242 pp lapin m melo m damborská i gera m faško p 2000 nové scenáre klimatickej zmeny pre slovensko na báze výstupov prepojených modelov všeobecnej cirkulácie atmosféry národný klimatický program sr 5 8 5 24 lapin m damborská i drinka r faško p gaál l melo m 2008 úvod k scenárom extrémnych pove-
ternostných situácií a vybrané výsledky spracovania národný klimatický program sr 12 9 30 larcher w 1984 ökologie der pflanzen auf physiologischer grundlage in germen uni-taschenbücher 232 utb für wissenschaftler ulmer stuttgart 4th revised edition 403 pp levin n saaroni h 1999 fireweather in israel synoptic climatological analysis geojournal 47 523 538 minďáš j lapin m škvarenina j 1996 klimatické zmeny a lesy slovenska národný klimatický program sr 3 5 1 96 ncdc 2007 climate of 2006 wildﬁre season summary national climatic data centre u s department of
commerce dostupné z http www ncdc noaa gov oa climate research 2006 ﬁre06 html
paganová v 2000 water stress impact on growth of wild pear progenies folia oecologica 27 35 48 pausas j g 2004 changes in fire and climate in the eastern iberian peninsula mediterranean basin clima-
tic change 63 337 350 päätalo m l 1998 factors influencing occurrence and impacts of fires in northern european forests silva fennica 32 2 185 202 pearce g 1996 an initial assessment of fire danger in new zealand’s climatic regions new zealand for res inst national rural fire authority for and rural fire res program fire technology transfer note 10 28 pp pińol j terradas j lloret f 1998 climate warming wildfire hazard and wildfire occurrence in coastal eastern spain climatic change 38 345 357 riaño d moreno ruiz j a isidoro d ustin s l 2007 global spatial patterns and temporal trends of bur-
ned area between 1981 and 2000 using noaa-nasa pathﬁnder global change biology 13 1 40 50 rožnovský j janouš d ed 2001 sucho hodnocení a predikce pracovní seminář čhmu brno shvidenko a nilsson s 2002 dynamic of russian forest forest and the carbon balance budget in 1961 1998 an assessment based on long-term forest inventory data clim change 55 5 37 stocks b j fosberg m a lynham t j mearns l wotton b m yang q jin j z lawrence k hartley g r mason j a mckenney d w 1998 climate change and forest fire potential in russian and canadian boreal forests climatic change 38 1 1 13 stocks b j lawson b d alexander m e van wagner c e mcalpine r s lynham t j dube d e 1989 the canadian forest fire danger rating system an overview the forestry chronicle 65 6 450 457 střelcová k mátyás c kleidon a lapin m matejka f blaženec m škvarenina j holecy j eds 2009 bioclimatology and natural hazards springer science business media b v 298 pp šiška b takáč j igaz d 2005 climate change impacts on winter whet yield on danubian lowland in slo-
vak republic savremena poljoprivreda 54 1-2 324 328 šiška b samuhel p 2007 modeling climate change impact on maize zea mays l yields in conditions of the danubian lowland meteorological journal 10 81 84 šiška b takáč j 2008 klimatická zmena a poľnohospodárstvo slovenskej republiky štúdia slovenskej bioklimatologickej spoločnosti pri sav ročník xxi číslo xxiv vydavateľstvo technickej univerzity vo zvolene 69 pp špánik f šiška b et al 2004 biometeorológia ves spu nitra 227 pp 32
timár g kern a molnár g németh á konkoly-bihari z szalai s bognár p virágh p 2008 leaf loss and wildﬁres in the central hungarian forests during the july 2007 heat wave in modis satelite images geophysical research abstracts 10 egu2008-a-01394 tomlain j 2004 contribution to humid conditions of slovakia acta meteorologica universitatis comenianae 33 21 30 škvarenina j minďáš j holécy j tuček j 2004a an analysis of the meteorological conditions during two largest forest ﬁre events in the slovak paradise national park meteorological journal 7 4 167 171 škvarenina j križová e tomlain j 2004b impact of the climate change on the water balance of altitudinal vegetation stages in slovakia ekológia 23 2 13 19 škvarenina j tomlain j hrvoľ j škvareninová j hlavatá h 2008 výskyt suchých a vlhkých období vo vegetačných stupňoch západných karpát a slovensku analýza časového radu 1951-2005 a prognóza očakávaných zmien klímy národný klimatický program sr 7 12 123 142 střelcová k matejka f kučera j 2004 beech stand transpiration assessment two methodical approaches ekológia bratislava 23 2 147 162 van wagner c e 1987 development and structure of the canadian forest fire weather index system can for serv ottawa ont for tech rep 35 37 pp vida t škvarenina j tuček j majlingová a fleischer p 2008a analýza meteorologických podmienok a sucha pri vzniku lesných požiarov na kalamitných plochách tanap-u v roku 2005 in šír m tesař m lichner ľ ed hydrologie malého povodí 2008 praha česká republika 335 340 vida t škvarenina j holécy j 2008b meteorologické podmienky vývoj frekvencia a príčiny vzniku kra-
jinných požiarov na území národného parku slovenský raj v období 1976 2005 in rožnovský j litsch-
mann t ed bioklimatologické aspekty hodnocení procesů v krajině mikulov česká republika 13 pp westerling a l hidalgo h g cayan d r swetnam t w 2006 warming and earlier spri ng increase western u s forest wildfire activity science 313 5789 940 943 zlatník a 1976 lesnícka fytocenológia szn praha 495 pp adresa autorov prof ing jaroslav škvarenina csc lesnícka fakulta
katedra prírodného prostredia
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
ing tomáš vida
fakulta ekológie a environmentalistiky
katedra environmentálneho inžinierstva
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail jarosk@vsld tuzvo sk vida tomas@gmail com
33
metodologické aspekty hodnotenia sucha a rizika požiarov v meniacich sa podmienkach klímy na slovensku abstrakt
článok sa zaoberá problematikou sucha lesných a krajinných požiarov na slovensku v spojitosti s nastupujúcimi zmenami klímy analyzuje možnosti identiﬁkácie sucha v lesnej krajine na základe kalkulácie
indexov sucha a vodnej bilancie ekosystému práve nárast rizika bioklimatického sucha podmieňuje zvýšené riziko výskytu lesných požiarov venuje sa otázkam výpočtu meteorologických indexov požiarov v lesnom prostredí analyzuje vhodnosť ich použitia pre podmienky temperátnej klímy západných karpát článok vzni-
kol v rámci aktivity 2 1 globálne a regionálne zmeny projektu centra excelencie lesníckej fakulty technickej univerzity adaptívne lesné ekosystémy kľúčové slová sucho meteorologické požiarne indexy evapotranspirácia lesné ekosystémy zmena klímy
34
35
cyklus vody uhlíka a živín metodologické aspekty štúdia dynamiky a priestorovej variability vybraných komponentov cyklu uhlíka v lesných pôdach
erika g ö m ö r y o v á viliam p i c h l e r
gömöryová e pichler v water carbon and nutrient cycles methodological aspects of the study of temporal and spatial variability of the selected carbon cycle components in forest soils acta facultatis forestalis zvolen 51 3 35 44 2009 as a consequence of potential global warming and weather extremes changes in the decom-
position of organic material and carbon sequestration are expected prediction of changes in the soil organic carbon pools in forest soils is still not precise due to their high spatial temporal changes in labile carbon fractions and diverging opinion about the mechanisms of carbon stabilization in the framework of the activity 2 2 we will concentrate on the determination and description of the soil carbon pools activity biomass and composition of soil microbial populations as well as factors inﬂuencing them primeval or close to nature forests are ideal areas for the study of soil organic
carbon pools because of a conservation of the natural biogeochemical cycles therefore just in such areas we suppose the study of the determination of the spatial and temporal variability of soil carbon pools especially on cambisols the most widespread forest soils in slovakia the attention will be paid to the function of dead woods in the carbon cycle in this contribution we discuss the possibilities of the utilization of different kinds of methods used for the study of carbon cycle components key words forest soils organic carbon microbial respiration soil microorganisms
1 úvod
v súvislosti s očakávanými klimatickými zmenami ktoré predpokladajú ná-
rast koncentrácie atmosférického co
2 a postupné otepľovanie atmosféry vzrastá záujem o problematiku výdaja co
2 terestriálnymi zložkami a sekvestrácie uhlíka c v pôdach napriek veľkému množstvu informácií o vplyve rôznych faktorov na jednotlivé zložky cyklu c buchmann 2000 franzluebbers et al 2001 garcia-pausas et al 2008 mode-
lovanie a predikcia ich zmien nie sú celkom presné a to kvôli vysokej priestorovej varia-
bilite stoyan et al 2000 don et al 2007 dynamike labilných frakcií c vanhala 2002 cleveland et al 2004 a často nejednotných názorov na mechanizmy jeho stabilizácie obsah organického c v lesných pôdach soc v porovnaní s pôdami poľnohospodárskymi je omnoho premenlivejší a to v dôsledku prítomnosti drevín ich vplyv sa odráža najmä v redistribúcii živín v oblasti rizosféry syntéze a inpute rôznych látok na povrch pôdy a do acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
36
jeho najvrchnejších horizontov v dôsledku rozdielov v chemickom zložení nadzemnej i podzemnej biomasy a jej odumretých častí asimilačný aparát konáriky kôra korene rozdielov vo výluhoch a exudátoch môže dôjsť k výrazným rozdielom vo vlastnostiach pôd a to už aj na veľmi malých vzdialenostiach poznatky o vplyve stromov na obsah soc v kombinácii s informáciami o priestorovom rozmiestnení stromov môžu vylepšiť naše vedomosti o priestorovej distribúcii uhlíka v lesných pôdach rýchlosť dekompozície organickej hmoty spravidla narastá so zvyšujúcou sa teplo-
tou na druhej strane niektorí autori dalias et al 2001 poukazujú na fakt že vplyvom vyššej teploty môžu byť produkované zlúčeniny ktoré sú odolnejšie voči rozkladu do akej miery sa bude organický materiál mineralizovať a humiﬁkovať závisí aj od úhrnu zrážok a jeho rozdelenia v čase a priestore v podmienkach strednej európy sa očakáva nielen nárast priemerných teplôt ale aj zmeny vo frekvencii a intenzite klimatických ex-
trémov extrémne nízke a vysoké teploty prívalové dažde a pod diskutabilnou je otáz-
ka do akej miery sa extrémy počasia odrazia na dekompozícii organickej hmoty om v lesných pôdach pôdna respirácia je výsledkom mikrobiálnej respirácie a výdaja co
2 koreňmi rastlín ktorý môže predstavovať 20 50 z celkového co
2 uvoľneného z pôdy v literatúre sa uvádza že pôdna respirácia predstavuje až okolo 25 z globálneho výdaja co
2 bow-
mann et germon 1998 jej presná kvantiﬁkácia je však veľmi problematická pretože patrí medzi najvariabilnejšie pôdne parametre variačný koeﬁcient sa môže pohybovať od 30 až do 150 v závislosti od podmienok prostredia stoyan et al 2000 predpokladá sa že i malé zmeny v pôdnej respirácii by sa mohli výrazne odraziť na koncentrácii atmosfé-
rického co
2 rustad et al 2000 aj napriek jej globálnemu významu ako i pozornosti ktorá jej bola venovaná v odborných kruhoch v posledných desaťročiach stále pretrvá-
va nedostatok informácii o jej absolútnych hodnotách v rozdielnych ekosystémoch ako i faktoroch ktoré ju ovplyvňujú pôdna respirácia a vymývanie rozpustného organického uhlíka doc predstavujú hlavné straty uhlíka z pôdy v pôdach bohatých na živiny sa rozpustná organická hmota dom veľmi rýchlo rozkladá mikroorganizmami v chudobných alebo hydromorfných pôdach môže byť značné množstvo doc akumulované vo forme monomorfných organic-
kých povlakov i keď podiel rozpustného organického uhlíka na toku c v priebehu roka je pomerne malý javí sa ako citlivý indikátor zmien zásob uhlíka zloženie dom a pôd-
neho roztoku je v značnej miere ovplyvnené stanovištnými faktormi vegetácia spôsob obhospodarovania klíma pomerne málo informácií máme o veľkosti a variabilite doc v lesných pôdach výsledky niektorých prác naznačujú že heterogénna inﬁltrácia vody a prúdenie vody cez makropórové priestory môžu zohrávať významnú úlohu v transporte doc do hlbších horizontov lesných pôd vo väčšine pôd obsah organického uhlíka klesá od pôdneho povrchu smerom do hĺbky avšak aj hlbšie horizonty môžu disponovať vysokou kapacitou pre uskladnenie značného množstva soc don et al 2007 niektoré štúdie naznačujú že biomasa a akti-
vita pôdnych mikroorganizmov môže mať iný trend pozdĺž pôdneho proﬁlu ako ich poten-
ciálne zdroje výživy dôsledkom toho je skutočnosť že relevantná časť organických látok nie je vystavená dekompozícii predpokladá sa že mikrobiálne populácie podieľajúce sa 37
na dekompozícii sú limitované aj inými faktormi nielen množstvom soc pozdĺž celého pôdneho proﬁlu možno pozorovať rozdiely medzi alokáciou uhlíka a abundanciou de-
kompozítorov výsledky z novších experimentov naznačujú že rozklad labilných frakcií c baktériami je limitovaný transportom pôdnej vody na krátke vzdialenosti a v hlbších horizontoch pôdy je závislý od miery lokálnej difúzie alebo konvekcie premena fenolic-
kých substrátov napr lignínu hubami sa obmedzuje na vrchné horizonty pôd nakoľko pre enzymatické reakcie je nevyhnutný dostatok kyslíka špecializácia dekompozítorov na rozdielne substráty a mikrohabitaty vedie k relatívne dlhšiemu pretrvávaniu všetkých druhov organických substrátov v nepreferovaných pôdnych priestoroch kde dekompo-
zícia je slabá alebo kde dochádza často k prerušeniu rozkladu ekschmitt et al 2008 výskum takýchto biologicky nepreferovaných oblastí za účelom odhadu potenciálne dl-
hodobej stabilizácie c v pôde sa javí ako veľmi aktuálny existujú tiež hypotézy o tom že premena som hubami bude viesť k vytváraniu odolnejšej frakcie c a naopak labilnejšej pri procesoch sprostredkovaných baktériami v dôsledku rozdielneho chemického zloženia ich biomasy najvýznamnejšími zložkami buniek húb sú chitín a melanín zatiaľ čo hlav-
nou zložkou bakteriálnych membrán sú fosfolipidy polyméry sú rezistentnejšie voči roz-
kladu naopak fosfolipidy sú energeticky bohaté ľahko rozložiteľné substráty prístupné širokému spektru pôdnych mikroorganizmov niektoré štúdie naznačujú že voľba takého spôsobu manažmentu pôd ktorý uprednostňuje huby by mohla viesť k zvýšenej sekves-
trácii c v pôde bailey et al 2002 v rámci aktivity cyklus vody uhlíka a živín projektu adaptívne lesné ekosysté-
my sa zameriame predovšetkým na určenie a charakterizovanie vybraných komponentov cyklu uhlíka v lesných pôdach na faktory ktoré ich ovplyvňujú a možné mechanizmy jeho stabilizácie cieľom bude určenie veľkosti a priestorovej variability jednotlivých kompo-
nentov cyklu uhlíka v lesných pôdach a to tak v horizontálnom ako aj vertikálnom smere identiﬁkovať súvislosti medzi lokálnymi stanovištnými faktormi spôsobom manažmentu plôch a jednotlivými komponentmi cyklu uhlíka zhodnotiť trendy v zmenách mikrobi-
álnej aktivity a zloženia mikrobiálnych spoločenstiev pozdĺž pôdneho proﬁlu s ohľadom na potenciálne zdroje výživy a identiﬁkovať tie pôdne a environmentálne podmienky za ktorých môže byť uhlík potenciálne sekvestrovaný v lesných pôdach prínosom by malo byť aj získanie vstupných údajov ktoré by sa následne mohli využiť pri modelovaní toku pôdneho uhlíka na úrovni krajiny alebo regiónu ako i empirických údajov pre veriﬁkáciu kalibráciu a hodnotenie modelov uhlíka 2 materiál a metodika
štúdium plánujeme uskutočniť vo vybraných prírodných lesných ekosystémoch na území slovenska prípadne aj mimo neho v súčasnosti areál prirodzených človekom neovplyvnených biogeocenóz je pomerne úzky práve tieto areály však poskytujú ideálne možnosti pre štúdium vlastností pôd a rôznych procesov ktoré v nej prebiehajú nakoľko je tu predpoklad zachovania prirodzeného kolobehu látok hoci ani tu sa nedá úplne vylú-
čiť antropogénny vplyv najmä v prírodných lesných ekosystémoch sa nachádzajú na pôd-
nom povrchu padnuté stromy tzv mŕtve drevo ktoré vďaka atmosferíliám a živej zložke 38
pôdy postupne podliehajú rozkladu ich dekompozíciou dochádza k vytváraniu lokálne zvýšenej koncentrácii organickej hmoty a k vylúhovaniu živín pre zistenie zmien v dis-
tribúcii uhlíka v pôde v dôsledku prítomnosti mŕtveho dreva plánujeme odber vzoriek aj v pôdnom proﬁle priamo pod rozkladajúcim sa drevom pre zistenie vplyvu obhospoda-
rovania lesných porastov na časť kolobehu uhlíka uskutočníme odbery aj na lokalitách s rôznym manažmentom plôch keďže územie slovenska sa vyznačuje veľmi pestrou pôdnou prikrývkou v rámci danej aktivity sa zameriame predovšetkým na naše najrozšírenejšie lesné pôdy kambize-
me prípadne na ďalšie pôdne typy podzoly a rendziny pre splnenie plánovaných cieľov bude potrebné vykonávať práce terénne a labora-
tórne terénne práce budú spočívať a vo vykopaní pôdnych sond a odberoch vzoriek pozdĺž celého pôdneho proﬁlu až po materský substrát pre určenie trendov zmien v množstvách jednotlivých zdrojov uhlí-
ka a zloženia mikrobiálnych spoločenstiev b v intenzívnych odberoch pôdnych vzoriek z najvrchnejších pôdnych horizontov pre hodnotenie priestorovej variability jednotlivých frakcií organickej hmoty v horizon-
tálnom smere c v meraní pôdnej respirácie na meranie plánujeme zakúpiť a využiť automatizovaný systém merania toku co
2 z pôdneho povrchu od ﬁrmy li-cor inc ne usa d v sledovaní dynamiky labilných komponentov cyklu uhlíka cmik doc atď a rýchlosti dekompozície organického materiálu vzorky sa budú odoberať v určitých časových intervaloch počas vegetačného obdobia z najvrchnejších horizontov pôd na zisťovanie dynamiky doc budú nainštalované lyzimetre pod pokrývkový humus a a-horizont pôd laboratórne práce budú zamerané na nasledovné analýzy a stanovenie celkového a rozpustného organického uhlíka a dusíka pomocou cns ana-
lyzátora variomacro v prípade vzoriek s obsahom karbonátov stanovíme obsah orga-
nického uhlíka vo vzorkách titračne podľa ťurina prípadne na cns analyzátore po rozklade karbonátov v pôdnej vzorke b mikrobiálna biomasa sa stanoví podľa islama a weila 1998 pri tejto metóde časť vzorky vystavíme mikrovlnnému žiareniu dochádza pri tom k usmrteniu mikroorga-
nizmov zatiaľ čo druhá časť ostane neožiarená v extrakte z ožiarenej a neožiarenej vzorky určíme obsahy uhlíka a na základe ich rozdielu vypočítame mikrobiálnu bio-
masu c bazálna respirácia výdaj co
2 len pôdnymi mikroorganizmami v laboratórnych pod-
mienkach stanovíme ju titračne absorbciou co
2 do roztoku 0 05 m naoh a následne zistením jeho množstva po 24 hod titračne pomocou 0 05 hcl na fenolftalein d selektívna inhibícia húb a baktérií stanoví sa modiﬁkovanou metódou autorov an-
derson a domsch 1975 za použitia antibiotík streptomycín a cyckloheximid e zastúpenie funkčných skupín 1 určí sa pomocou systému biolog garland 1995 hodnotenie funkčnej diver-
zity pôdnych mikroorganizmov použitím eco microplates biolog inc hayward 39
ca aktivita na jednotlivých substrátoch sa určí na základe absorbancie na prístroji sunrise microplate reader tecan salzburg rakúsko 2 hodnotenie katabolickej diverzity podľa degensa a harrisa 1997 metódou ktorá využíva rozdiely v odozve mikrobiálnych spoločenstiev na pridané orga- nické substráty f ostatné fyzikálne a fyzikálno-chemické pôdne charakteristiky reakcia pôdy zrnitosť objemová hmotnosť skeletnatosť pôd výmenná sorpčná kapacita a pod 3 diskusia jedným z najväčších problémov pri štúdiu kolobehu uhlíka je vysoká priestoro-
vá variabilita hodnôt jednotlivých parametrov najmä tých ktoré sa vyznačujú aj určitou dynamikou v priebehu roka respirácia mikroorganizmov a koreňov rastlín mikrobiálna biomasa rozpustný organický uhlík atď keďže najbohatšie na organický uhlík a živú zložku pôdy sú najvrchnejšie pôdne horizonty spravidla s týmito sa uvažuje aj pri mode-
lovaní a predikcii zmien v cykle uhlíka niektoré práce však poukazujú na skutočnosť že aj v hlbších pôdnych horizontoch môže prebiehať čulá mikrobiálna aktivita ba dokon-
ca práce talianskych pôdoznalcov dokazujú že významným obsahom organickej hmoty a mikrobiálnej biomasy sa vyznačuje nielen jemnozem frakcia menšia ako 2 mm ale aj skelet s ktorým sa pri laboratórnych analýzach neuvažuje a to dokonca aj skelet z väčších hĺbok agnelli et al 2001 certini et al 2004 niektoré pôdne typy vytvorené v našich podmienkach sú mimoriadne bohaté na obsah organickej hmoty aj vo väčších hĺbkach ako príklad môžeme uviesť výsledky analýz pôdneho proﬁlu kambizeme andozemnej
z lokality vtáčnik kde ešte aj v hĺbke 70 75 cm bol obsah organického uhlíka vyše 5 tab 1 pri odberoch pôdnych vzoriek v rámci aktivity 2 2 sa preto plánujeme zamerať aj na hlbšie pôdne horizonty za účelom podchytenia variability kvantity a kvalitatívneho zloženie pôdnej organickej hmoty v celom pôdnom proﬁle výber metód stanovenia hodnôt parametrov cyklu c môže značnou mierou ovplyv-
ňovať kvalitu výsledných hodnôt viaceré práce poukazujú na rozdiely v presnosti sta-
novenia množstva organického uhlíka rôznymi analytickými metódami pričom presnosť stanovenia kolíše pri strate žíhaním v rozpätí od 1 2 15 8 pri oxidačnej metóde wal-
kley & blacka 1 6 4 2 a pri suchom spaľovaní 1 3 7 1 goidts et al 2009 na pracovisku kpp tu vo zvolene sme porovnávali výsledky stanovenia obsahu organické-
ho uhlíka dvomi spôsobmi ťurinovou metódou oxidimetrické stanovenie a cns ana-
lyzátorom variomacro na 30 vzorkách z lokality vtáčnik nepublikované išlo o pôdne vzorky s hodnotami ph h
2
o = 3 3 4 7 takže vo vzorkách nie je predpoklad výskytu karbonátov ukázalo sa že stanovenie cns analyzátorom dávalo vo všetkých prípadoch o niečo vyššie výsledky ako titračné stanovenie a to najmä pri vyššom obsahu uhlíka v danej vzorke nad 15 predpokladáme že rozdiely neboli spôsobené heterogénnos-
ťou vzorky ale v dôsledku rôznych mechanizmov zisťovania c diskutabilné je ktorá z týchto dvoch metód poskytuje presnejšie údaje v rámci projektu plánujeme použiť cns analyzátor pretože pri jednej analýze získame informáciu tak o obsahu uhlíka ako aj du-
síka a teda aj o pomere c n čo je významný ukazovateľ kvality organického materiálu 40
hĺbka cm organický uhlík mikrobiálna biomasa �g c g 1 extrahovateľný uhlík �g c g 1 0 5 14 09 1218 109
10 15 12 43 982 101
20 25 12 36 535 86
30 35 11 66 557 64
40 45 10 36 419 72
50 55 9 37 432 50
60 65 9 2 113 96
70 75 6 4 167 82
zároveň však vo vybraných vzorkách stanovíme množstvo organického uhlíka aj titračne predovšetkým v prípade vzoriek s vyšším obsahom c a vzoriek obsahujúcich karbonáty naďalej budeme využívať možnosť porovnávania metód stanovenia c za účelom jeho precíznej kvantiﬁkácie tab 1 obsah organického uhlíka mikrobiálnej biomasy a extrahovateľného uhlíka v pôdnom proﬁle kambi- zeme andozemnej lokalita vtáčnik 1197 m n m bukový porast table 1 the content of soil organic carbon microbial biomass and dissolved organic carbon in the soil proﬁle of andic cambisol locality vtáčnik 1197 m a s l beech stand jedným z najvariabilnejších pôdnych parametrov je pôdna respirácia spočiatku sa na jej stanovenie využívali laboratórne metódy za kontrolovateľných podmienok teplota vlhkosť neskôr sa ukázala potreba kontinuálneho merania respirácie a merania na nepo-
rušených pôdnych vzorkách preto sa postupne začali využívať metódy merania in situ v súčasnosti existuje niekoľko spôsobov merania toku co2 z pôdy v terénnych podmien-
kach počnúc relatívne jednoduchými metódami ako statická s natrónovým vápnom me-
tódy s použitím komerčne vyrábaných otvorených alebo uzavretých dynamických komôr až po mikrometeorologické techniky založených na eddy kovariancii a gradientoch kon-
centrácie v posledných rokoch sa objavili viaceré práce ktoré porovnávajú pôdnu res-
piráciu zisťovanú dvomi alebo viacerými metódami avšak ucelená štúdia porovnávajúca všetky metódy ešte dosiaľ nebola zverejnená vzhľadom na problémy vznikajúce pri porov-
návaní údajov z rôznych miest je však zrejmé že každá metóda má svoje pre aj proti výhodou komorových systémov je ich ľahká obsluha rýchle získavanie údajov možnosť simultánne merať koncentráciu niekoľkých plynov na druhej strane pokiaľ sú komory dlhodobo umiestnené na jednom mieste dochádza k ovplyvneniu pôdneho prostredia nie u všetkých komôr sú vyriešené problémy s tlakovými pomermi vo vnútri komôr merania v zime sú problematické atď gradientova metóda má výhodu v tom že je možné merať koncentráciu co2 v rôznych pôdnych horizontoch aj v zimnom období avšak výsledky výrazne ovplyvňuje pórovitosť a vlhkosť pôdy difúzia co2 vo vode problematické je aj kontinuálne meranie pokiaľ ide o namerané hodnoty healy et al 1996 uvádzajú že ko-
morové systémy podhodnocujú údaje opačné skúsenosti majú goulden et al 1996 pri štúdiu pôdnej respirácie sme sa rozhodli využiť automatizovaný systém merania toku co2 41
z pôdy li-8100 ﬁrma li-cor inc usa ktorý pri porovnávacích štúdiách vykazoval najbližšie hodnoty k hodnotám referenčným keďže pôdy v lesných ekosystémoch sa vy-
značujú značnou variabilitou pôdnych vlastností zvolili sme nie stacionárny typ prístroja pre dlhodobé merania long-term chamber ale prenosný typ survey chamber ktorý nám umožní vykonávať opakované merania na viacerých miestach a podchytiť tak variabilitu pôdnej respirácie v lesných ekosystémoch huby a baktérie sú hlavné dve skupiny mikroorganizmov ktoré zohrávajú významnú úlohu pri dekompozícii organického materiálu na diferenciáciu húb od baktérií existu-
je niekoľko spôsobov mikroskopické metódy stanovenie špeciﬁckých látok vyskytu-
júcich sa v bunkových štruktúrach napr ergosterolu pri hubách alebo fosfolipidov pri baktériách či selektívna inhibícia pri metódach selektívnej inhibície ktorú plánujeme využiť pri analýze našich vzoriek sa k pôdnym vzorkám pridávajú selektívne biocídy napr streptomycín ako bakteriocíd a cycloheximid ako fungicíd táto metóda spome-
dzi ostatných má výhodu v tom že odpadajú problémy so separáciou živých a odumre-
tých mikroorganizmov nie je náročná na prístrojové či materiálové vybavenie a je rýchla a jednoduchá určitou nevýhodou je fakt že nie vždy je možné podchytiť malé zmeny v štruktúre spoločenstiev joergensen et wichern 2008 pre identiﬁkáciu metabolického potenciálu spoločenstva sme sa rozhodli použiť me-
tódu biolog garland 1995 pri tejto metóde sa na identiﬁkáciu využívajú jednoduché na uhlík bohaté substráty napr l-arginín l-asparagín d-xylóza �-d-laktóza a ďalšie ktoré sú spolu s farbivom tetrazólium umiestnené v jamkách na mikroplatniach podľa schopnosti rozkladať konkrétny substrát je následne možné identiﬁkovať fyziologický po-
tenciál spoločenstva je pravda že metódou je podchytená len časť substrátov ktoré sú mikroorganizmom prístupné v prírodných ekosystémoch na druhej strane sú medzi nimi aj také substráty ktoré sú obsiahnuté v odumretej rastlinnej hmote metóda biolog má svojich odporcov ktorí namietajú že týmto spôsobom sa podchytia len tie mikroorganiz-
my ktoré sú schopné kultivácie preston-mafham et al 2002 napriek tomu je metó-
da biolog stále bežne a často používanou metódou pre stanovenie clpp community level physiological proﬁling podľa viacerých autorov molekulárne techniky prinášajú omnoho viac informácií o diverzite mikroorganizmov v pôde molekulárne metódy pri-
najmenšom tie ktoré sa momentálne využívajú v mikrobiológii však dávajú dobrý ob-
raz len o neutrálnej genetickej variabilite štúdium sekvencií dna napr its sekvencie rdna ktoré sú najčastejším nástrojom v molekulárnej mikrobiológii je veľmi užitočné pre taxonomické účely a evolučné štúdie ale nie sú veľmi vhodné pri štúdiu adaptácie organizmov kde umožňujú študovať len medzidruhový výber u mikroorganizmov ktoré sa vyznačujú extrémne krátkou generačnou dobou v porovnaní s vyššími organizmami vysokou frekvenciou mutácií a horizontálnym prenosom génov je však široký priestor aj pre vnútrodruhovú selekciu medzi jednotlivými bakteriálnymi kmeňmi či bunkovými líniami s rozdielnym genotypom taxonomické zloženie mikrobiálnych spoločenstiev sa teda nemusí nutne podstatne meniť so zmenou prostredia na rozdiel od funkčnej variabi-
lity pre účely našej štúdie teda molekulárne metodiky nemusia plniť svoj účel a za racio-
nálnejšie riešenie považujeme použitie metód ktoré priamo odrážajú funkčnú variabilitu mikrobiálnych spoločenstiev 42
okrem spomenutej metódy biolog navrhujeme pre analýzu fyziologického proﬁ-
lu pôdnych mikrobiálnych spoločenstiev použiť aj modiﬁkovanú metódu degensa a har-
risa 1997 podľa campbella et al 2003 kde na rozdiel od predchádzajúcej metódy pracujeme s celou pôdou pričom sa nevyžaduje žiadna extrakcia či kultivácia po pri-
daní rôznych na uhlík bohatých substrátov k pôdnej vzorke nasleduje meranie po 4 6 hod na kolorimetri takže je to metóda veľmi rýchla a efektívna na rýchlu detekciu spotreby uhlíkatých substrátov predpokladáme že navrhovaná metodika a použitie uvedených metód v rámci aktivi-
ty cyklus vody uhlíka a živín významnou mierou prispeje k detailnejším kvalitatívnym i kvantitatívnym informáciám ktoré sú nevyhnutné pre prognózy vývoja koncentrácie co
2 v atmosfére a sekvestrácii uhlíka v pôde ako i pre precízny návrh opatrení z hľadiska trvalo-udržateľného rozvoja krajiny poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra agnelli a ugolini f c corti g pietramellara g 2001 microbial biomass-c and basal respiration of fine earth and highly altered rock fragments of two forest soils soil biology and biochemistry 33 613 620 anderson j p e domsch k h 1975 measurement of bacterial and fungal contribution to respiration of se-
lected agricultural and forest soils canadian journal of microbiology 21 314 322 bailey v l smith j l bolton h jr 2002 fungal-to-bacterial ratios in soils investigated for enhanced c sequestration soil biology and biochemistry 34 997 1007 bowmann a f germon j c 1998 special issue soils and climate change introduction biology and fertil-
ity of soils 27 219 buchmann n 2000 biotic and abiotic factors controlling soil respiration rates in picea abies stands soil bio-
logy and biochemistry 32 1625 1635 campbell c d chapman s j cameron c m davidson m s potts j m 2003 a rapid microtiter plate method to measure carbon dioxide evolved from carbon substrate amendments so as to determine the physiological proﬁles of soil microbial communities by using whole soil applied and environmental microbiology 69 3593 3599 certini g campbell c d edwards a c 2004 rock fragments in soil support a different microbial commu-
nity from the ﬁne earth soil biology and biochemistry 36 1119 1128 cleveland c c townsend a r contance b c 2004 soil microbial dynamics in costa rica seasonal and biogeochemical constraints biotropica 36 184 195 dalias p anderson j m bottner p coûteaux m m 2001 long-term effects of temperature on carbon min-
eralisation processes soil biology and biochemistry 33 1049 1057 degens b p harris j a 1997 development of a physiological approach to measuring the catabolic diversity of soil microbial communities soil biology and biochemistry 29 1309 1320 don a schumacher j scherer-lorenzen m scholten t schulze e -d 2007 spatial and vertical varia-
tion of soil carbon at two grassland sites implications for measuring soil carbon stocks geoderma 141 272 282 ekschmitt k kandeler e poll ch brune a buscot f friedrich m gleixner g hartmann a käst-
ner m marhan s miltner a scheu s wolters v 2008 soil-carbon preservation through habitat con-
straints and biological imitations on decomposer activity j plant nutrition and soil science 171 27 35 43
franzluebbers a j haney r l honeycutt c w arshad m a schomberg h h hons f m 2001 climatic inﬂuences on active fractions of soil organic matter soil biology and biochemistry 33 1103 1111 garcia-pausas j casals p camarero l huguet c thompson r sebastia m -t romanya j 2008 factors regulating carbon mineralization in the surface and subsurface soils of pyrenean mountain grasslands soil biology and biochemistry 40 2803 2810 garland j l 1995 analytical approaches to the characterization of samples of microbial communities using patters of potential c source utilization soil biology and biochemistry 28 213 221 goidts e van wesemael b crucifix m 2009 magnitude and sources of uncertainties in soil organic carbon soc stock assessments at various scales european journal of soil science 60 723 739 goulden m l munger j w fan s m daube b c wofsy s c 1996 measurements of carbon sequestration by long-term eddy covariance methods and critical evaluation of accuracy global change biology 2 169 healy r w striegel r j hutchinson g l livingston g p 1996 numerical evaluation of static-chamber measurements of soil atmosphere gas exchange identiﬁcation of physical processes sssaj 60 740 747 islam k r weil r r 1998 microwave irradiation of soil for routine measurement of microbial biomass car-
bon biology and fertility of soils 27 408 416 joergensen r g wichern f 2008 quantitative assessment of the fungal contribution to microbial tissue in soil soil biology and biochemistry doi 10 1016 j soilbio 2008 08 017 preston-mafham j boddy l randerson p f 2002 analysis of microbial community functional diversity us-
ing sole-carbon-source utilization proﬁles a critique fems microbiology ecology 42 1 14 rustad l e huntington t g boone r d 2000 controls on soil respiration implication for climate change biogeochemistry 48 1 6 stoyan h de-polli h böhm s robertson g p paul e a 2000 spatial heterogeneity of soil respiration and related properties at the plant scale plant and soil 222 203 214 adresa autorov ing erika gömöryová csc lesnícka fakulta technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail egomory@vsld tuzvo sk
doc dr viliam pichler
lesnícka fakulta technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail pichler@vsld tuzvo sk
44
cyklus vody uhlíka a živín metodologické aspekty štúdia dynamiky a priestorovej variability vybraných komponentov cyklu uhlíka v lesných pôdach abstrakt
v súvislosti s očakávanými klimatickými zmenami sa predpokladajú aj zmeny v rýchlosti dekom-
pozície organickej hmoty a sekvestrácii uhlíka doterajšie prognózy vývoja jednotlivých komponentov cyklu uhlíka v lesných pôdach sú diskutabilné vzhľadom na ich vysokú priestorovú variabilitu značnú dynamiku labilných frakcií a nie celkom objasnené mechanizmy stabilizácie uhlíka v pôdach v rámci aktivity 2 2 sa za-
meriame na štúdium variability celkového organického uhlíka ako aj aktivity biomasy a zloženia mikrobiálnych spoločenstiev ktoré zohrávajú kľúčovú úlohu v cykle uhlíka ideálnym priestorom pre štúdium sú prírodné či prírode blízke lesné ekosystémy nakoľko v nich je predpoklad zachovania prirodzeného kolobehu látok prá-
ve v takýchto ekosystémoch navrhujeme štúdium jednotlivých komponentov pričom sa zameriame najmä na kambizeme ktoré predstavujú najrozšírenejšie lesné pôdy na slovensku pozornosť budeme venovať aj úlohe tzv mŕtveho dreva v cykle uhlíka v príspevku diskutujeme o možnostiach využitia rôznych metód pri štúdiu vybraných komponentov kolobehu uhlíka kľúčové slová lesné pôdy organický uhlík respirácia mikroorganizmov pôdne mikroorganizmy
45
cyklus vody uhlíka a živín kvantitatívne indikátorové experimenty v lesných pôdach
marián h o m o l á k viliam p i c h l e r juraj g r e g o r
homolák m pichler v gregor j water carbon and nutrients cycles-quantitative clye tracer experiments in forest soil acta facultatis forestalis zvolen 51 3 45 54 2009 this paper is a contribution to the problematic how to simplify and accelerate the determina-
tion of hydraulic conductivity in forest soil because there are not fast methods for it and for routine use to determine the hydraulic conductivity in soil is a difﬁcult task because there is especially
in forest a considerable spatial variability of hydraulic characteristic of soils which is caused by soil surface vegetation and soil heterogeneity in order to enable a faster measurement of hydraulic conductivity we proposed a new method on the base of stochastic-convective model and we carried out corresponding ﬁeld experiments in order to be able to establish the dependences of hydraulic
conductivity k θ key words forest soil prediction of hydraulic conductivity stochastic-convective model indica- tor experiment resident concentration
1 úvod
hydraulická vodivosť pôd k θ je dôležitý hydrofyzikálny parameter potrebný pre aplikácie v oblasti pôdnej hydrológie ekopedológie a environmentalistiky benetin 1970 novák 1995 tento parameter je kľúčovým elementom pri výpočtoch a modelo-
vaní vsakovania zrážkovej vody pri predpovediach pohybu vody a rozpustených látok v pôde ibraim anderson 2002 pri skúmaní správania sa účinných látok aplikovaných na povrch pôdy a produktov ich rozpadu vryzas papadopoulou mourkidou 2006 kahl et al 2006 analýze mobility ťažkých kovov a iných kontaminujúcich látok v pôde flury 2006 afuyni et al 2006 a pri posudzovaní vnútropôdnej erózie a stability svahov keim et al 2006 priestorová variabilita obsahu vody v pôdach je podmienená časovo-priestorovou variabilitou zrážok a heterogenitou reliéfu vegetačného krytu a pôd to znamená že hydraulické vlastnosti pôdy sa menia nepravidelne a vzhľadom na platnosť hagen-pois-
seuilleovho zákona aj nelineárne stanovenie strednej hodnoty hydraulických vlastností nepostačuje k presnému kvantiﬁkovaniu prúdenia vody v zóne aerácie jednou z mož-
ností ako zrýchliť a zjednodušiť stanovenie hydraulickej vodivosti v pôdach je využitie indikátorových experimentov s cieľom nie len kvaliﬁkovať ale aj kvantiﬁkovať prúdenie vody v pôdnej matrici a na tomto základe vypočítať k θ pre pôdu ako celok acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
46
2 problematika
indikátorové metódy sa v hydropedológii využívajú na sledovanie prúdenia vody a prenosu nereaktívnych a reaktívnych rozpustných látok v pôde merania prebie-
hajú buď priamo v teréne alebo v neporušenej vzorke pôdy v laboratóriu nameraná koncentrácia rozpustnej látky závisí od použitej meracej látky v hydrológii povodí sa uplatňujú pri výskume rôznych čiastkových procesov odtoku od sledovania rýchlosti prúdenia vody v pôdnom proﬁle v nenasýtenej aj nasýtenej zóne kvantitatívneho hodno-
tenia doplňovania zásob podzemných vôd výskumu vzťahov medzi povrchovým tokom a okolitým územím až po separáciu zložiek odtoku základom indikátorových metód je označenie nejakého materiálu alebo predmetu tak aby ho bolo možné identiﬁkovať alebo detegovať v ľubovoľnom čase akerman 1972 ako indikátory sa používajú látky ktorých pohyb alebo zmeny koncentrácie mož-
no ľahko sledovať sú to najčastejšie chemické látky farbivá nuklidy ale aj baktérie bakteriofágy riasy a pod medzi niektoré základné vlastnosti indikátora aby bol vhodný na sledovanie pohybu vody patria plata 1972 moser rauert 1980 jester et al 1987 lichner 1985 1992 mal by byť dobre rozpustný v pôde mal by mať veľký súčiniteľ riedenia aby sa s malým množstvom indikátora dalo ozna-
čiť veľké množstvo vody mal by mať rovnakú pohyblivosť ako voda nemal by chemicky reagovať s vodou a materiálmi prostredia mal by mať zanedbateľnú adsorpciu na častice prostredia pri sledovaní prúdenia vody a prenosu rozpustných látok v pôde pomocou farebného indikátora je potrebné merať koncentráciu indikátora v rôznych hĺbkach pôdy možno na to využiť metódy spojené s odberom vzoriek pôdy alebo pôdnej vody vláknovo optické snímače ako aj fotograﬁckú techniku spojenú s digitalizáciou dvojrozmerného rozdelenia koncentrácie lichner holko 2001 v posledných rokoch sa indikátorové experimenty začali využívať pri skúmaní transportu vody a rozpustených látok v pôde kedy sa na povrch pôdy aplikuje nereaktívny indikátor či už v suchej práškovej forme alebo vo forme vodného roztoku po uplynutí určitého časového intervalu sa odkrývajú pôdne proﬁly na ktorých sú dobre viditeľné transportné cesty roztoku indikátora tento typ experimentov nás priviedol na myšlien-
ku využitia rezidenčnej koncentrácie indikátora k predikcii hydraulickej vodivosti pôdy ako funkcie vlhkosti pôdy je možné ho využiť ako alternatívu veľmi prácneho a málo reprezentatívneho merania priebehu hydraulickej vodivosti pôd na neporušených vzor-
kách a tiež odvodenia hydraulickej vodivosti z retenčných kriviek pôdy ako významnej transportnej charakteristiky van genuchten 1980 klute 1986 mualem 1986 zároveň je tak možné odhadnúť hydraulickú vodivosť celého objemu pôdy skutočne sa podieľa-
júceho na transporte vody na rozdiel od merania v neporušených vzorkách pôd ktoré nedosahujú reprezentatívny elementárny objem bear 1972 kutílek 1978 a hodnôt k θ odvodených z retenčných kriviek ktoré udávajú hodnoty hydraulickej vodivosti len pre určitú hĺbku navyše nedochádza k poškodeniu pôdy a meranie sa robí na neporušenej 47
pôde na rozdiel od meraní pri ktorých je vstupnou veličinou výtoková koncentrácia in-
dikátora nenasýtená hydraulická vodivosť a jej variabilita
nenasýtená hydraulická vodivosť je nelineárna funkcia obsahu vody k θ alebo vlhkostného potenciálu k h
w hrubozrnnejšie pôdy majú pri vysokej objemovej vlhkosti väčšiu hydraulickú vodivosť než pôdy s prevahou ílu nakoľko obsahujú viac hrubších pórov ktoré rýchlejšie vedú vodu ak sa však najhrubšie póry odvodnia spôsobí to dra-
matický pokles hydraulickej vodivosti zatiaľ čo v ílovitých pôdach odvodňovanie pórov a tým aj pokles hydraulickej vodivosti postupuje pomalšie jury horton 2004 prúdenie vo vodou nenasýtenej pôde opisuje richardsova rovnica 1 hydraulická vodivosť závisí od geometrie pôdnych pórov textúra a štruktúra pôdy sú základnými určujúcimi činiteľmi geometrie pórovitého prostredia a ďalej sa premietajú do vlastností ako tortuozita τ a kontinuita pôdnych pórov v pôdach s vyšším obsahom ílu zloženie pôdneho roztoku obsah koloidov a iných častíc napr baktérií môže významne ovplyvniť hydraulickú vodivosť v dôsledku interakcií medzi pôdnym roztokom a pôdnou matricou klute dirksen 1986 stochasticko-konvektívny model
v období 90-tych rokov minulého storočia sa pre stanovenie hydraulickej vodi-
vosti začal využívať stochasticko-konvektívny model využívajúci koncentráciu indikátora ako vstupnú veličinu model pre výpočet hydraulickej vodivosti na základe funkcie rozde-
lenia hustoty pravdepodobnosti navrhla o`linger et al 1997 ktorá nadviazala na práce scottera a rossa 1994 cieľom je stanoviť funkčný vzťah medzi hydraulickou vodi-
vosťou pôdy k θ a funkciou rozdelenia hustoty pravdepodobnosti prechodového času nereaktívneho roztoku pri nejakej referenčnej hĺbke z súčasná verzia modelu vyžaduje nasledujúce predpoklady ustálený tok vody j
w a obsah vody θ v transportnom objeme nemusí byť konštant-
ný výskyt gravitačného prúdenia blízko pôdneho povrchu pri vysokej rýchlosti prúde-
nia alebo v prípade hlbokej hladiny podzemnej vody 2 minimálne bočné miešanie stochasticko-konvektívne prúdenie 1
h
k
z z z
é ùæ ö¶ ¶ ¶ ÷çê ú= ÷ç ÷çê úè ø¶ ¶ ¶ë û
q w sj k - q
48
3 metodika
aplikátor indikátora
cieľom terénneho experimentu je získať proﬁly rezidenčnej koncentrácie in-
dikátora po jeho aplikácii na povrch lesnej pôdy najprv sa vyberú vhodné plochy pôdy ktorých budú na začiatku nasycované čistou vodou po dosiahnutí ustáleného toku bude na povrch aplikovaný roztok indikátora a po skončení aplikácie vyhĺbení pôdnych sond a odfotografovaní pôdnych proﬁlov sa posúdi priestorová distribúcia rezidenčnej koncen-
trácie indikátora pri plánovaných experimentoch sa použije aplikátor indikátora vlastnej konštrukcie simulované budú podmienky reálne v lesnom prostredí kde sa zrážky vyskytujú vo forme kvapiek dopadajúcich priamo na povrch pôdy alebo odkvapkávajú z povrchu vegetač-
ného krytu preto hlavnou konštrukčnou požiadavkou bolo aby aplikátor indikátora dis-
tribuoval vodu po kvapkách a nie formou hmly tiež bolo potrebné brať do úvahy ľahkú manipuláciu skladnosť a mobilitu indikátorového aplikátora aby ho bolo možné ľahko a relatívne v krátkom čase premiestňovať medzi experimentálnymi plochami z tohto dô-
vodu bol aplikátor indikátora navrhnutý tak aby bol modulárny a transportovateľný po častiach hlavnou nosnou časťou indikátorového aplikátora je drevený rám s vnútornými roz-
mermi 1 3 m × 1 3 m v rohoch rámu sú hranoly s rozmermi 0 1 m × 0 1 m s vyfrézo-
vanými otvormi 0 05 m × 0 05 m do ktorých sa vkladajú teleskopické nohy slúžiace na nastavenie ľubovoľnej výšky a pri meraní vo svahu tiež na znivelizovanie indikátorového aplikátora za pomoci nainštalovanej vodováhy do tohto rámu je vložená doska s rozmer-
mi 1 2 m × 1 2 m v ktorej sú na ploche 1 m2 umiestnené injekčné ihly v spone 0 025 m × 0 025 m spolu 1600 ihiel obr 1 na okraji dosky je pevne pripevnené vibračné zariade-
nie ktoré zabezpečuje náhodné rozdelenie kvapiek tekutiny ihly sú spárované pomocou spojok v tvare t pričom ku každému páru ihiel je voda privádzaná samostatnou hadičkou na prívod tekutiny ku hadičkám ako aj spojenie ihiel sú použité pvc hadičky kvapalina je do systému hadičiek privádzaná z 1000 l zásobní-
ka ktorý je pripojený na pretlakovú vzduchotesne uzatvorenú nádobu vyrobenú z 3 mm hrubého antikorového plechu v tejto nádobe sa vyrovnáva tlak tak aby do každej z 800 hadičiek voda vstupovala v rovnakom množstve pretlaková nádoba je zabezpečená v prípade potreby poistným ventilom obr 2 zo spomenutého 1000 l zásobníka je kvapalina do systému hadičiek čerpaná dávkovacím čerpadlom dme 150-4 b pp e c-f-31qqf od ﬁrmy grundfos obr 3 pri manuálnom nastavení množstva prečerpávanej kvapaliny dokáže toto čerpadlo pracovať v rozsahoch od 200 ml h 1 až 150 l h 1 pri tlaku 4 bary a maximálnej sacej výške 4 m presnosť dáv-
kovania kvapaliny je ±1 rýchlosť nasatia požadovaného množstva kvapaliny sa podľa údajov výrobcu pohybuje v rozmedzí niekoľkých desatín sekundy až do približne 1 2 s podľa zvoleného programu 49
analýza obrazu
pôdne proﬁly budú odfotografované zo statívu digitálnym fotoaparátom s vy-
sokým rozlíšením vo formáte raw pôdne proﬁly budú počas fotografovania zatienené za účelom dosiahnutia najhomogénnejšieho osvetlenia proces analýzy obrazu bude vy-
konaný v programe skompilovanom v prostredí r capuliak et al 2008 ktorý je modi-
ﬁkáciou postupu podľa forrerovej 1997 sivý rám vložený do pôdneho proﬁlu slúži na farebnú korekciu a geometrickú korekciu snímky obr 1 detailný pohľad na distribúciu kvapiek roztoku indikátora
fig 1 distribution of tracer solute
obr 2 pretlaková nádoba a nasýtený systém hadičiek aplikátora indikátora
fig 2 liguid distribution tank and saturated system of plastic tubes obr 3 dávkovacie čerpadlo grundfos dme 150-4 b pp e c-f-31qqf
fig 3 dosing pump grundfos dme 150 4 bpp e c-f- 31qqf
50
určenie vzťahov a výpočet hodnôt hydraulickej vodivosti pôdy
hydraulickú vodivosť a vlhkosť pôdy stanovíme podľa o`lingerovej 1998 prostredníctvom vzťahov známych z literatúry scotter ross 1994 a ich ďalšou úpra-
vou a algebrickou manipuláciou výsledné rovnice budú získané výpočtom v prostredí mathematica 6 wolfram research inc po deﬁnovaní príslušných podmienok kľúčovou informáciou pre tento výpočet sú parametre lognormálneho rozdelenia vyrov-
naného na proﬁl stanovenej rezidenčnej koncentrácie indikátora 4 diskusia
z hľadiska cieľov práce zohrávala kľúčovú úlohu konštrukcia vhodného zá-
vlahového zariadenia ktoré by zabezpečilo rovnomerné zavlaženie povrchu pôdy a teda aj pôdneho proﬁlu pre zabezpečenie rovnakých podmienok toku vody vo všetkých pó-
roch nami navrhnuté a zostavené zariadenie sa vyznačuje niekoľkými spoločnými črtami a odlišnosťami v porovnaní so zariadeniami používanými doma a v zahraničí pre závlahu malých experimentálnych plôch sú v zásade používané dva druhy simulátorov do pr-
vej skupiny patria simulátory formujúce dážď vo forme kvapiek ekern 1950 barnes costel 1957 adams et al 1957 mutchler moldenhauer 1963 chow harbaugh 1965 peterson bubenzer 1986 do druhej simulátory formujúce kvapky prostredníctvom spre-
jových hlavíc vo forme jemnej hmly z uvedených typov simulátorov sme sa pre naše potreby rozhodli použiť simulátor formujúci kvapky za hlavný nedostatok simulátorov so sprejovými hlavicami vytvárajúcimi hmlu považujeme ťažko predvídateľnú priestorovú distribúciu kvapôčok hmly z dôvodu bočného unášania vetrom a z toho vyplývajúceho nerovnomerného rozmiestnenia indikátora po povrchu pôdy za účelom redukcie tohto javu sa začalo používať ohraničenie plochy rôznymi rámami čo ghodrati et al 1990 považujú za jednu z hlavných požiadaviek kladených na simulátory hlavne pri experi-
mentoch pri ktorých sa vyžaduje zaplavenie povrchu pôdy pri týchto typoch simulátorov sú sprejové hlavice spravidla upevnené na vrchu rámu či už v statickej polohe alebo pohyblivé pri aplikácii sa ale indikátor v tomto prípade vyzráža na stenách rámu a vzniká tu preferované prúdenie vedľa stien rámu pri zaplavovaní pôdy tiež môže dochádzať k vzniku preferovaného prúdenia vedľa stien simulátora najmä ak sú tieto vtlačené do pôdy čo navyše rozrušuje povrch experimentálnej plochy náhodnosť rozloženia indiká-
tora po povrchu pôdy sa znižuje z dôvodu pevného umiestnenia hlavíc a pri pohyblivých hlaviciach tiež z dôvodu stabilných dráh pohybu kvapkové simulátory tieto nedostatky nemajú a spolu s novšími technológiami pred-
stavujú ﬂexibilnejší prostriedok pre aplikovanie indikátora v minulosti sa za hlavné ne-
dostatky kvapkových simulátorov považovali ťažkosti s rovnomerným aplikovaním in-
dikátora a s aplikovaním indikátora pri požadovanej intenzite zavlaženia rovnomernosť aplikácie indikátora sa riešila inštalovaním rôznych oscilačných a krúžiacich zariadení na dosku s rôznymi formovačmi kvapiek pričom ale tieto zariadenia po určitom časovom intervale vrátili dosku do pôvodnej polohy a celý cyklus za zopakoval tak že doska sa pohybovala po tej istej dráhe regulovanie intenzity závlahy sa v mnohých prípadoch 51
riešilo prerušením aplikácie indikátora na určitý časový interval bubenzer meyer 1965 amerman et al 1970 foster et al 1982 alebo redukovaním počtu formovačov kvapiek swanson 1965 tento spôsob aplikácie nevyhovuje v prípadoch keď je požadované rov-
nomerné časové rozloženie aplikácie a udržanie ustáleného gravitačného prúdenia z dô-
vodu vzniku drenáže pri konštrukcii zariadenia sme sa zamerali na neporušenie povrchu skúmanej plochy zabezpečenie efektívneho náhodného rozloženie dopadajúcich kvapiek a tiež na mož-
nosť meniť intenzitu zavlažovania v reálnom čase bez prerušenia aplikácie vody resp indikátora za účelom splnenia týchto cieľov sme aplikátor umiestnili na teleskopické nohy s väčším rozstupom ako je samotná efektívna plocha aplikátora čím nedochádza k nežiaducemu ovplyvneniu plochy môže však dochádzať ku kompakcii povrchu pôdy kvapôčkami o zlepšenie náhodnosti rozloženia dopadajúcich kvapiek sme sa pokúsili na-
montovaním vibrujúceho zariadenia uloženého v gumových blokoch pri tomto spôsobe je možnosť predpovedania návratu dosky a dopadu kvapiek na rovnaké miesto len veľmi malá dávkovanie indikátora počas experimentu zabezpečovalo presné dávkovacie čerpa-
dlo ktoré umožňuje zmenu intenzity aplikovania v priebehu niekoľkých sekúnd rádovo v jednotkách mm h 1 peterson a bubenzer 1986 pre simulátory so sprejovými hlavica-
mi uvádzajú ako spodnú hranicu požadovaného výkonu čerpadla 3 785 l h 1 pričom len polovica uvedeného množstva vody je potrebná na priebeh experimentu a zvyšok vody je odvádzaný bočným okruhom späť do zásobnej nádoby použitie takéhoto čerpadla je po-
trebné pre získaní dostatočného tlaku na vytvorenie jemnej hmly a rovnomerné zavlaženie plochy navyše transport takého množstva vody pre 24 h experiment v lesnom prostredí je veľmi náročný tak po technickej ako aj ﬁnančnej stránke pri navrhnutom simulátore vystačí spomínané polovičné množstvo vody t j cca 1 890 pre vykonanie dvoch celých 24 h experimentov kalibrovaná nádoba okrem toho umožňuje priebežnú kontrolu apliko-
vaného množstva indikátora 5 záver
navrhnutá metóda rozširuje sortiment používaných metód na meranie hydrau-
lickej vodivosti lesných pôd in situ keďže doteraz používané metódy sú veľmi prácne a zdĺhavé cieľom bolo skrátiť čas potrebný na meranie a stanovenie hydraulickej vodi-
vosti v reálnom čase pričom by na stanovenie postačovalo len jedno meranie z týchto dôvodov sme navrhli stanovenie hydraulickej vodivosti pôdy na základe in-
formácie obsiahnutej v proﬁle rozdelenia hustoty rezidenčnej koncentrácie ak sú splnené predpoklady lognormálneho-stochastického prúdenia navrhnuté stanovenie je po zvlád-
nutí technického riešenia menej prácne a nedochádza pri ňom k poškodeniu skúmanej plo-
chy pred začiatkom merania za týmto účelom sme navrhli odvodenie sústavy rovníc pre výpočet hydraulickej vodivosti z proﬁlu rozdelenia rezidenčnej koncentrácie pre vykonanie terénnych experimentov sme navrhli a skonštruovali indikátorový aplikátor tak aby spĺňal požiadavky použitia v našich podmienkach t j najmä na plošne rovnomerný a náhodný prísun kvapôčok vody a indikátora na skúmanú plochu a nastavi-
teľný rozsah aplikovanej kvapaliny 52
navrhnutá metóda umožňuje zistiť priemernú hydraulickú vodivosť naprieč viacerý-
mi vrstvami pôdneho proﬁlu a nie len pre určitú hĺbku ako je to napr v prípade retenčných kriviek pri tejto metóde odpadá náročnosť získavania reprezentatívnych a neporušených vzoriek pôdy a prácnosť laboratórnych meraní výsledky získané navrhnutou metódou sú k dispozícii v priebehu 24 h od začiatku experimentu pričom experiment je možné uskutočňovať sériovo v budúcnosti bude v priebehu meraní potrebné zistiť a odstrániť niektoré prípadné nedostatky aby metóda poskytovala rýchle a spoľahlivé výsledky poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
adams j e kirkham d nielsen p p 1957 a portable rainfall simulator infiltrometer and physical measure-
ments of soil in place soil sci soc am proc 21 473 477 afyuni m yeganeh m abbaspour k khoshgoftar a h schulin r 2006 transport of cadmium zinc copper and nitrate in a heavily sewage sludge amended calcareous soil in roulier s and r schulin ed 2006 preferential ﬂow and transport processes in soil abstracts swiss federeal institute of technology zürich ethz p 36 akerman k 1972 rádioindikátorová metóda v praxi alfa bratislava pp 404 amerman c r hillel d i peterson a e 1970 a variable intensity sprinkling infiltrometer soil sci soc am proc 34 830 832 barnes o f costel g 1957 a mobile inflitrometer agron j 49 105 107 bear j 1972 dynamics oj fluids in porous media elsevier new york benetin j 1970 dynamika pôdnej vody bratislava vydavateľstvo slovenskej akadémie vied pp 272 bubenzer g d meyer l d 1965 simulation of rainfall and soils for laboratory research trans asae 8 73 75 capuliak j homolák m aschenbrenner š ahmed y a r královič r 2008 influence of litter on ini-
tial water transport in soil under forest stand in šír m tesař m lichner ľ hydrologie malého povodí 2008 57 64 chow v t harbaugh t e 1965 raindrop production for laboratory watershed experimentation j geophys res 70 6111 6119 ekern p c 1950 raindrop impact as the force initiating soil erosion soil sci soc proc 15 7 11 flury m 2006 preferential ﬂow in the vadoze zone and implication for contaminant transport in roulier s and r schulin ed 2006 preferential ﬂow and transport processes in soil abstracts swiss federeal
institute of technology zürich ethz p 31 forrer i e 1997 solute transport in an unsaturated field soil visualization and quantification of flow patterns use image analysis dissertation eth no 12476 pp 128 foster g r neibling w h natterman r a 1982 a programmable rainfall simulator asae paper no 82-2570 asae winter meetings chicago american society of agricultural engineers st joseph mi ghodrati m ernst f f jury w a 1990 effective design for small flood-irrigated field plots soil sci soc am j 54 927 930 ibraim i anderson m g 2002 a new approach to soil characterisation for hydrology stability analysis models geomorphology 49 269 279 jester w a briceno m jarrett a r sakuma s h yu c 1987 evaluation of lanthanum and prase-
odynium chelates of dtpa cdta edta and nta as groundwater tracers j radional nucl chem 110 215 220 53
jury w a horton r 2004 soil physics 6th edition john wiley & sons inc hoboken new jersey usa pp 370 kahl g ingwersen j nutniyom p totrakool s pansombat k thavornyutikarn p streck t 2006 lateral transport of pesticides in a sloped soil under litchi in northern thailand in roulier s and r schulin ed 2006 preferential ﬂow and transport processes in soil abstracts swiss federeal institute of
technology zürich ethz pp 73 keim r f skaugset a e weiler m 2006 storage of water on vegetation under simulated rainfall of varying intensity advances in water resources 29 974 986 klute a 1986 water retention-laboratory methods in methods of soil analysis part 1-physical and min-
eralogical methods 2nd edition edited by a klute asa inc sssa madison 635 662 klute a dirksen c 1986 hydraulic conductivity and diffusivity-laboratory methods in methods of soil analysis part 1-physical and mineralogical methods 2nd edition edited by a klute asa inc sssa madison 687 734 kutílek m 1978 vodohospodářská pedologie sntl-alfa praha-bratislava 296 s lichner ľ 1985 modified gamma method of soil moisture velocity measurement in proc xth imeko world congress praha vol 10 92 99 lichner ľ 1992 laboratory and field measurements of solute transport in soils by means of nuclear tracer technique vodohosp čas 40 6 548 561 lichner ľ holko l 2001 indikátorové metódy v hydropedológii a hydrológii povodí bratislava veda pp 102 moser h rauert w 1980 isotopenmethoden in der hydrologie borntraeger berlín pp 400 mualem y 1986 hydraulic conductivity of unsaturated soils prediction and formulas in methods of soil analysis part 1-physical and mineralogical methods 2nd edition edited by a klute asa inc sssa madison 799 824 mutchler c k moldenhauer w c 1963 applicator for laboratory rainfall simulator trans asae 6 220 222 novák v 1995 vyparovanie vody v prírode bratislava veda pp 260 o´linger j 1998 measurement and modeling of hydraulic conductivity with solute transport experiments dissertation thesis pp 95 o’linger j pichler v jury w a 1997 measurement of saturated and unsaturated hydraulic conductivity through solute transport experiments agronomy abstracts 61 p 145 peterson a e bubenzer g d 1986 intake rate sprinkler inﬁltrometer in methods of soil analysis part 1-physical and mineralogical methods 2nd edition edited by a klute asa inc sssa madison 845 870 plata a 1972 isotopos en hidrologia madrid alhambra pp 328 scotter d r ross p j 1994 upper limit of solute dispersion soil sci soc am j 58 659 663 swanson n p 1965 rotating boom rainfall simulator trans asae 8 71 72 van genuchten m th 1980 a closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils soil sci soc am j 44 892 898 vryzas z papadopoulou-mourkidou e 2006 four year suction cup data concerning the preferential flow of bromide briliant blue and corn applied herbicides with their metabolites in clayey vadose zone a ﬁeld scale
experiment in north-east greece in roulier s and r schulin ed 2006 preferential ﬂow and transport
processes in soil abstracts swiss federeal institute of technology zürich ethz pp 37 54
adresa autorov ing marián homolák phd doc dr ing viliam pichler
doc ing juraj gregor csc katedra prírodného prostredia
lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail homolak@vsld tuzvo sk pichler@vsld tuzvo sk gregor@vsld tuzvo sk
cyklus vody uhlíka a živín kvantitatívne indikátorové experimenty v lesných pôdach
abstrakt
predkladaná práca je príspevkom k zjednodušeniu a urýchleniu stanovenia hydraulickej vodivosti lesných pôd keďže v súčasnosti nie sú k dispozícii rýchle metódy jej zisťovania umožňujúce rutinné využívanie zisťovanie hydraulickej vodivosti lesnej pôdy sťažuje aj priestorová variabilita hydraulických vlastností ktorá je podmienená časovo-priestorovou variabilitou zrážok a heterogenitou reliéfu vegetačného krytu a pôd za účelom zrýchlenia zisťovania hydraulickej vodivosti lesnej pôdy sme navrhli metódu na báze stochasticko-kon-
vektívneho modelu a vykonali terénne experimenty ktoré viedli k stanoveniu závislosti hydraulickej vodivosti od vlhkosti pôdy k θ kľúčové slová lesné pôdy predpoveď hydraulickej vodivosti stochasticko-konvektívny model indikátorový experiment rezidenčná koncentrácia
55
zmeny odtoku v malých povodiach vysokých tatier po disturbancii lesných ekosystémov vetrovou kalamitou
matúš j a k u b i s mariana j a k u b i s o v á
jakubis m jakubisová m the changes of runoff in small watersheds of high tatras after disturbance of forest ecosystems by wind calamity acta facultatis forestalis zvolen 51 3 55 65 2009 the paper deals with the simulation of changes of culmination discharges in two small wa-
tersheds of high tatras before and after disturbance of forest ecosystems by wind calamity 19 11 2004 the research was realized in torrent watershed hlboky potok watershed area sp = 4 881 km2 forest coverage before calamity sp
les
= 74 80 forest coverage after calamity sp
les k = 48 39 and skalnatý potok watershed area sp = 9 365 km2 forest coverage before calamity sp
les = 51 71 forest coverage after calamity sp
les k = 40 72 the calculations were realized by scs cn method for precipitations amount with different time of duration and different time of dura-
tion of the discharges in both of analyzed small torrent watersheds are the culmination discharges higher after disturbance of forest ecosystems by wind calamity key words runoff calculation culmination discharge mountain watershed forest cover windthrow
1 úvod a problematika
rozsiahla a zložitá problematika vplyvu lesa na odtok je medzi odborníkmi vo svete a aj u nás diskutovaná už viac ako sto rokov no napriek tomu ju z viacerých dôvo-
dov nie je možné uzavrieť ako vyriešenú túto skutočnosť potvrdzuje množstvo prác do-
mácich a zahraničných autorov niektoré s globálnym významom ktoré z dôvodu stano-
veného rozsahu príspevku nie je možné uvádzať detailnejšie v sr je v určitých kruhoch a aj v časti laickej verejnosti vznik povodňových situácií často pripisovaný nesprávnemu hospodáreniu v lesoch je to veľmi diskutabilný názor ktorý si vyžaduje širokú vedec-
kú a odbornú diskusiu medzi expertmi z viacerých súvisiacich vedných disciplín v práci sme sa zamerali na časť problematiky ktorá sa týka vplyvu lesného ekosystému na odtok v malom povodí a porovnali sme vypočítané kulminačné prietoky v bystrinách pred vet-
rovou kalamitou a po nej horné najvyššie položené časti povodí môžeme charakterizovať ako malé povodia v malých povodiach na tvorbu a priebeh odtoku veľmi významne vplývajú intenzívne zrážky s krátkou dobou trvania a spôsob využívania obhospodarovania jednotlivých acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
56
častí povodia dôležitú úlohu vo vytváraní kulminačných prietokov zohráva relatívne krátka doba koncentrácie odtoku takéto povodia sú charakteristické tým že v nich môžu vznikať rýchle a nebezpečné lokálne povodne vrátane sprievodných extrémne deštruk-
tívnych eróznych procesov tieto situácie vznikajú predovšetkým po extrémnych prívalo-
vých zrážkach a môžu byť umocňované po rôznych prírodných katastrofách vetrové ka-
lamity požiare lavíny takouto katastrofou ktorá postihla viac povodí vysokých tatier bola aj vetrová kalamita dňa 19 11 2004 táto kalamita znížila hydrickú účinnosť lesných ekosystémov v postihnutých povodiach malé horské povodia sú dôležité z hľadiska disponibilných zdrojov kvalitnej v mno-
hých prípadoch pitnej vody vzhľadom na veľkú rozmanitosť a extrémnosť prírodných podmienok v ktorých sa malé horské povodia vyskytujú sú medzi renomovanými sveto-
vými odborníkmi charakterizované ako najčernejšie z čiernych skriniek hydrologického cyklu bandyopadhyay et al 1997 v transformácii zrážok na odtok zohráva významnú úlohu lesný ekosystém ktorý je schopný za určitých podmienok premieňať rýchly a škodlivý povrchový odtok na podpovrchový okrem toho je lesný ekosystém schopný inﬁltráciou do pôdy prijímať veľ-
ké množstvá vody šály ex valtýni 2002 uvádza že 1 m hrubá vrstva hlinitej pôdy je schopná na ploche 1 m2 prijať až 300 litrov vody čo predstavuje výšku vodného stĺpca 300 mm v dlhodobejších hydrologických bilanciách môže lesný ekosystém znižovať vo vod-
ných tokoch prietokové maximá a naopak v prípade dlhšie trvajúcich suchých období bez zrážok pozitívne ovplyvňovať minimá čo má veľký význam z ekologického a environ-
mentálneho hľadíska v prípade extrémnych prívalových intenzívnych zrážok však lesný ekosystém nie je schopný zadržať všetky spadnuté zrážky majerčáková škoda 1998 uvádzajú že hydrická funkcia lesa chápaná ako intercepčná kapacita inﬁltračná kapacita pôdy a horninového prostredia i schopnosť lesa spomaľovať odtok z malého povodia sa môže pozitívne prejaviť len v zrážkovo-odtokovom procese pri zrážkach nepresahujúcich 20 až 24 mm za 24 hodín a že význam hydrickej funkcie lesného ekosystému narastá v rámci sezónnych alebo ročných hydrologických bilancií valtýni 2002 uvádza že skutočná retenčná kapacita lesných porastov je pomerne veľká 30 až 70 mm ale nie až natoľko aby bola schopná zabrániť vzniku povodne ak sa vyskytnú extrémne zráž-
ky v čase nasýtenia lesných porastov predchádzajúcimi zrážkami stanovenie samotného vplyvu lesných ekosystémov na tvorbu a priebeh odtoku je náročné vzhľadom na veľkú variabilitu ich hydrickej účinnosti v tomto ohľade je potrebné zohľadniť druhy drevín druh lesného porastu ihličnatý listnatý zmiešaný zdravotný stav vek rozmiestnenie v povodí výškovú variabilitu hustotu porastu formu humusu a jeho hrúbku hustotu les-
nej cestnej siete atď jednou z dôležitých úloh je zhodnotenie a objektívne stanovenie hydrickej účinnosti porastov kosodreviny vplyv lesných ekosystémov na tvorbu a prie-
beh odtoku nie je možné stanoviť izolovane od iných faktorov najmä pedologických geologických geomorfologických klimatických atď vplyv lesnatosti povodia na odtok je zohľadnený vo vzorcoch ktoré sa na výpočet odtoku q
max používali v minulosti napr lauterburg čerkašin a aj v tých ktoré sa na tento účel používajú v súčasnosti vzorec intenzitného typu dub metóda scs-cn lesnatosť povodia je zohľadnená aj v zrážko-
vo-odtokových modeloch napr wasim eth rishu agnps atď problematikou 57
vplyvu lesa resp lesných ekosystémov na tvorbu a priebeh odtoku sa podrobne zaoberali v ťažiskových prácach zelený et al 1980 krečmer křeček 1981 prenner 1986 valtýni 1986 2002 krečmer et al 1998 jařabáč chlebek 2000 jones 2000 burt swank 2002 lammeranner et al 2009 a mnohí iní 2 materiál
2 1 geograﬁcké a hydrologické začlenenie povodí analyzované povodia sa nachádzajú v geomorfologickom celku tatry pod-
celku východné tatry časti vysoké tatry obe bystriny sa nachádzajú v povodí rieky poprad 2 2 základné charakteristiky povodí
základné charakteristiky povodí sú podrobne obsiahnuté v tab 2 1 hydrolo-
gické charakteristiky povodí sú spracované v tab 2 2 tab 2 1 charakteristiky povodí hlboký potok a skalnatý potok
tab 2 1 characteristics of the watersheds hlboky potok and skalnaty potok
názov označenie hlboký potok skalnatý potok
plocha povodia s
pov
4 881 km2 9 365 km2
dĺžka rozvodnice o 10 626 km 14 471 km
dĺžka hlavného toku l 3 418 km 6 320 km
dĺžka ľavostr prítokov l
l
28 516 km 6 008 km
dĺžka pravostr prítokov l
p
1 745 km 2 715 km
celková dĺžka tokov l
c
5 163 km 15 043 km
hustota vod tokov v povodí r 1 06 km km2 1 61 km km2
súčiniteľ tvaru povodia � 0 25 0 22
dĺžka údolnice l
u
4 428 km 6 525 km
stredná šírka povodia b
p
1 102 km 1 44 km
miera asymetrie povodia a 0 16 0 35
absolútny spád toku �h
t
580 m 1610 m
priemerný sklon toku i
t
16 97 25 47 absolútny spád povodia �h
p
1370 m 1744 m
priem nadm výška pov h
�pov
1304 m 1506 km
stredný sklon svahov pov i
svpov
29 90 37 70 priemerný sklon údolnice i
u
28 02 26 21 plocha lesa s
les 3 651 km2 4 843 km2
58
tab 2 1 pokračovanie
tab 2 1 continued
tab 2 2 hydrologické charakteristiky povodí
tab 2 2 hydrologic characteristics of the watersheds
vysvetlivky k tab 2 2 z priemerný ročný zrážkový úhrn mm o priemerná ročná odtoková výška mm e priemerný ročný klimatický výpar mm t priemerná ročná teplota ºc 3 metodika
na modelové výpočty kulminačných prietokov q
max sme použili metódu scs- cn soil conservation service curve number ktorú pre viaceré malé povodia sr overil s dobrými výsledkami valtýni 2002 túto metódu doporučujú na výpočet kul-
minačných povodňových prietokov v malých povodiach viacerí zahraniční autori chow et al 1988 maidment 1993 mishra singh 2003 ramakrishnan et al 2009 a iní cha-
rakteristiky povodia boli stanovené pomocou gis výsledné hodnoty q
max boli navzájom porovnané v teréne sme niveláciou odmerali geometrické a stanovili hydraulické charak-
teristiky prietokových proﬁlov oboch bystrín vypočítali sme aké sú prirodzené prietoko-
vé kapacity pokusných prietokových uzavierajúcich proﬁlov a zároveň aké kulminačné názov označenie hlboký potok skalnatý potok
plocha lesa po kalamite s
lk
2 362 km2 3 813 km2
plocha kalamity s
kal
1 289 km2 1 03 km2
lesnatosť povodia pred kal l 74 80 51 71 lesnatosť povodia po kal l
k 48 39 40 72 zastavaná plocha s
zast
0 061 km2 0 02 km2
kosodrevina s
kos
0 811 km2 1 628 km2
plocha bez vegetácie s
bv
0 358 km2 1 593 km2
skaly s
sk
0 km2 1 281 km2
max nadm výška pov h
max
2230 m 2634 m
min nadm výška pov h
min
860 m 890 m
max nadm výška toku h
maxt
1440 m 2500 m
hydrologické charakteristiky
názov toku
hlboký potok skalnatý potok
1 2 3
z mm 943 1065
o mm 565 713
e mm 378 352
t °c 3 7 2 8
59
prietoky môžu prietokovými proﬁlmi pretiecť bez vyliatia sa vody z koryta kulminačný prietok q
max sme vypočítali vzťahom m3 s 1 3 1 vo vzťahu 3 l znamená q
max maximálny kulminačný prietok m3 s 1 o
op celkový objem povrchového odtoku m3 t
pp čas trvania povodňového prietoku s celkový objem povrchového odtoku vypočítame m3 3 2 vo vzťahu 3 2 znamená h
op výška povrchového odtoku mm s
p plocha povodia km2 k rozmerový koeﬁcient k = 1000 výšku povrchového odtoku vypočítame mm 3 3 vo vzťahu 3 3 znamená h
z výška uvažovanej zrážky mm a potenciálna retencia konkrétnej časti povodia mm potenciálnu retenciu konkrétnej časti povodia vypočítame vzťahom mm 3 4 vo vzťahu 3 4 znamená cn číslo hodnota cn krivky čísla hodnoty cn curve number pre rôzne spôsoby využívania povodia ktoré v ťažiskových prácach podrobne uvádzajú chow et al 1988 maidment 1993 a iní hodnoty cn pre lesné ekosystémy s rôznou hustotou vekom rúbaniská porasty poškodené vetrovou kalamitou približova-
cie linky mladé porasty nárasty podrobne definovali ciepielowski et al 2002 čas trvania povodňového prietoku t
pp do vzťahu 1 stanovíme nasledujúcim postu-
pom s 3 5 vo vzťahu 3 5 znamená t
p celkový čas trvania koncentrácie odtoku s ktorý vypočí-
tame vzťahom s 3 6 vo vzťahu 3 6 znamená t
z čas trvania kritickej zrážky s t
ks prepočítaný čas koncentrácie odtoku s ktorý vypočítame vzťahom s 3 7 max
2 op
pp
o
q
t
= op op po h s k= 20 2 0 8
z
op
z
h a
h
h a
-
= 1000
25 4 10a
cn
æ ö÷ç= ÷ç ÷çè ø
3 pp pt t=
0 6
2
z
p ks
t
t t= min3600 60 ks kh kt t t= =
60
výpočet času koncentrácie odtoku v hodinách t kh je možné uskutočniť vzťahom h 3 8 vo vzťahu 3 8 znamená l dĺžka hlavného toku km �h
t absolútny spád hlavného toku m výpočet času koncentrácie odtoku v minútach t k min je možné uskutočniť vzťahom min 3 9 vo vzťahu 3 9 znamená l dĺžka hlavného toku m i
t priemerný pozdĺžny sklon hlavného toku m m vo výpočtoch sme vychádzali z hodnoty maximálnych denných úhrnov zrážok v predmetnej oblasti vysokých tatier dosiahnutých alebo prekročených priemerne raz za sto rokov hodnotu maximálneho denného úhrnu zrážok dosiahnutých alebo prekročených priemerne raz za sto rokov sme stanovili výpočtom z údajov ktoré publikoval heinige et al 1995 pre najbližšie odvodené údaje tatranskú lomnicu 832 m n m kde h
z = h
100 id = 91 9 mm a lomnický štít 2635 m n m kde h
z = h
100 id = 133 6 mm spomínané zrážkové úhrny v analyzovaných povodiach predstavujú v povodí hlboký potok h
� pov = 1304 m n m h
z = h
100 id = 102 8 mm v povodí skalnatý potok h
� pov = 1304 m n m h
z = h
100 id = 107 4 mm vo výpočtoch sme uvažovali s triedou predchádzajúceho zavlaženia povodia antecedent moisture class amc ii pozri chow et al 1988 čo predstavuje priemernú nasýtenosť povodí predchádzajúcimi zrážkami 4 výsledky
výsledky sú z dôvodu lepšej prehľadnosti uvedené v tabuľkovej forme v tab 4 1 sa nachádzajú hodnoty kulminačných prietokov q
max m3 s 1 pre obe analyzované bys-
triny pre odvodené 100-ročné denné zrážkové úhrny rôzne doby trvania zrážok a rôzne doby trvania prietokov výsledky potvrdzujú že v oboch povodiach sú v uzavierajúcich prietokových proﬁloch vypočítané kulminačné prietoky q
max m3 s 1 vyššie po disturban-
cii lesných ekosystémov vetrovou kalamitou hodnoty kulminačných prietokov sa menia na základe trvania zrážok a trvania prietokov rozdiely kulminačných prietokov v uzavie-
rajúcom prietokovom proﬁle bystriny hlboký potok predstavujú v relatívnom vyjadrení viac ako 52 rozdiely kulminačných prietokov v uzavierajúcom prietokovom proﬁ-
le bystriny skalnatý potok predstavujú v relatívnom vyjadrení viac ako 16 podstatne väčšie rozdiely v kulminačných prietokoch v uzavierajúcom prietokovom proﬁle hlboký potok sú spôsobené tým že v tomto povodí postihla vetrová kalamita až 35 3 plochy lesov v povodí skalnatý potok postihla vetrová kalamita menej 21 3 plochy lesov 0 3853
0 868 kh
t
l
t
h
æ ö÷ç ÷= ç ÷ç ÷ç dè ø
0 77 0 385
min 0 0195 k tt l i
-=
61
tab 4 1 kulminačné prietoky q
max m3 s 1 pre 100-ročné 24-hodinové zrážkový úhrny
tab 4 1 culmination discharges q
max m3 s 1 for 100-yearly 24-hours precipitation amounts
v oboch povodiach sa prejavili aj rozdiely vo výškach povrchového odtoku h
op mm a v hodnotách objemu povrchového odtoku o
op m3 hodnoty h
op mm o
op m3 pre obe povodia sú uvedené v tab 4 2 tab 4 2 vypočítané hydrologické charakteristiky povodí
tab 4 2 calculated hydrologic characteristics of the watersheds
trvanie
zrážky h názov toku
hlboký potok h
z = 102 8 mm skalnatý potok h
z = 107 4 mm
trvanie
prietoku t
pp s q
max m3 s 1 rozdiel m3 s 1 trvanie
prietoku t
pp s q
max m3 s 1 rozdiel m3 s 1 pred kalamitou
po
kalamite
pred kalamitou
po
kalamite
1 2 3 4 5 6 7 8 9
1 7590 21 28 32 53 11 25 8406 52 12 60 65 8 53
3 18390 8 78 13 42 4 64 19206 22 81 26 55 3 74
6 34590 4 67 7 14 2 47 35406 12 38 14 40 2 02
12 66990 2 41 3 69 1 28 67806 6 46 7 52 1 06
18 99390 1 63 2 48 0 85 106218 4 13 4 80 0 67
24 131790 1 23 1 87 0 61 132606 3 30 3 84 0 54
hydrologické charakteristiky
názov toku
hlboký potok skalnatý potok
1 2 3
q
100 m3 s 1 pred kalamitou 12 26 21 35
q
max m3 s 1 km 2 pred kalamitou 2 51 2 28
q
max m3 s 1 po kalamite 14 34 22 67
q
max m3 s 1 km 2 po kalamite 2 94 2 42
h
op mm pred kalamitou 16 55 23 39
h
op mm po kalamite 25 29 27 22
o
op mm pred kalamitou 80 769 219 076
o
op mm po kalamite 123 435 254 920
62
tab 4 3 geometrické charakteristiky pokusných prietokových proﬁlov
tab 4 3 geometric characteristics of experimental ﬂow proﬁles
vysvetlivky k tab 4 3 b šírka koryta v brehoch m h hĺbka koryta m s
pp plocha prietotokového proﬁlu v m2 o
1 čiastkový omočený obvod dno m o
2 čiastkový omočený obvod svahy m o celkový omočený obvod m r hydraulický rádius m tab 4 4 hydraulické charakteristiky pokusných prietokových proﬁlov
tab 4 4 hydraulic characteristics of experimental ﬂow proﬁles
vysvetlivky k tab 4 4 d e rozmer efektívneho zrna m n
1 n
2 čiastkové stupne drsnosti n celkový stupeň drsnosti y premenlivý mocniteľ c rýchlostný súčiniteľ pavlovského m0 5 s 1 i pozdĺžny sklon pp v priemerná proﬁlová rýchlosť m s 1 qk prietok plným prietokovým proﬁlom bankfull discharge m3 s 1 stupne drsnosti n
1 dno a n
2 svahy sme určili z tabuliek sturm 2001 podľa podmienok pp skutočná prietoková kapacita pokusného uzavierajúceho prietokového proﬁlu hl-
boký potok predstavuje q
k = 5 52 m3 s 1 skutočná prietoková kapacita pokusného uzavie-
rajúceho prietokového proﬁlu skalnatý potok predstavuje q
k = 18 73 m3 s 1 kulminačné prietoky ktoré bezpečne pretečú pokusnými uzavierajúcimi prietokovými proﬁlmi sú v tab 4 1 vyznačené hrubo zvýšenie ohrozenia povodňami v blízkosti uzavierajúcich prietokových proﬁlov upp oboch povodí nie je zvlášť významné predpokladáme že dôvody sú nasledovné analyzované povodia sú orientované v smere sever juh s pomerom šírky ku dĺžke 1 4 02 hlboký potok a 1 4 53 skalnatý potok ide o tzv predĺžené povodia re-
latívne vysoký pomer šírky ku dĺžke povodí znamená lepšiu kvalitu odtoku t j vyrov-
nanejšie prietoky v súvislosti s dlhšou kritickou dobou dobiehania poznámka lepšou kvalitou odtoku rozumej menšiu rozkolísanosť prietokov vetrová kalamita postihla dolné časti povodí ak modelovo uvažujeme že 100-ročný denný zrážkový úhrn by zasiahol celé plochy povodí rovnomerne a že odtok sa začína por č názov toku
b m h m s
pp m2 o
1 m o
2 m o m r m 1 2 4 5 6 7 8 9 10
1 hlboký potok 2 9 0 65 1 9 2 2 1 5 3 7 0 514
2 skalnatý potok 7 0 0 8 5 2 5 4 2 0 7 4 0 703
por č názov toku
d
e m n
1 n
2 n y c m0 5 s 1 i v m s 1 qk m3 s 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1
hlboký potok
0 056 0 030 0 035 0 0320 0 280 25 93 2 44 2 90 5 52
2
skalnatý potok
0 123 0 0332 0 0332 0 0332 0 280 27 29 2 48 3 60 18 73
63
vytvárať už v najvyšších častiach povodí tak kalamitou znížená hydrická kvalita lesné-
ho ekosystému v dolnej časti povodí kulminačné prietoky v upp mimoriadne významne neovplyvní kulminačné prietoky boli vypočítané k upp ktoré sme určili nad cestou slobody predovšetkým z hľadiska potenciálneho povodňového ohrozenia cesty husto zastava-
ných a obývaných lokalít a z hľadiska prijateľného prístupu k týmto proﬁlom ide o vod-
né toky najnižšieho rádu v klesajúcej stupnici postupným spájaním sa tokov najnižšieho rádu za predpokladu významných zrážkových udalostí vo viacerých povodiach súčasne sa môže zvýšenie kulminačných prietokov prejaviť na toku vyššieho rádu vetrová kala-
mita zasiahla časti povodí bystrín vysokých tatier aj pod uvažovanými upp pod ces-
tou slobody to znamená že vplyv vetrovej kalamity na zvýšenie hodnôt kulminačných prietokov sa môže významnejšie prejaviť najmä v nižších úsekoch sledovaných tokov alebo v tokoch vyššieho rádu v nižšie položených upp vo výpočtoch sme uvažovali s triedou predchádzajúceho zavlaženia nasýtenia po-
vodia antecedent moisture class amc ii pozri chow et al 1988 t j s priemernou nasýtenosťou povodí predchádzajúcimi zrážkami v prípade vyššieho nasýtenia povodia predchádzajúcimi zrážkami budú vyššie aj vypočítané kulminačné prietoky a väčšia ohro-
zenosť okolia tokov povodňami 4 záver
v súvislosti s riešenou problematikou existujú široké možnosti ďalšieho výsku-
mu máme na mysli predovšetkým objektívne stanovenie hodnôt cn pre kvalitatívne rôz-
ne lesné ekosystémy vrátane plôch postihnutých vetrovou kalamitou požiarmi a eróziou dôležitou úlohou v budúcnosti bude presnejšia špeciﬁkácia hodnôt cn pre lesné porasty ihličnaté listnaté zmiešané kosodrevinu a pod na základe ich potenciálnej a reálnej hydrickej účinnosti tieto údaje môžu slúžiť nielen ako presnejšie vstupné charakteris-
tiky do rôznych výpočtov ale predovšetkým ako dôležité vstupné údaje do zrážkovo- odtokových modelov poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
bandyopadhyay j rodda j c kattelmann r kundzewicz z w kraemer d 1997 highland waters a resource of global signiﬁcance in messerli b ives j d eds mountains of the world a global priority new york london the parthenon publishing group pp 131 155 burt t swank w 2002 forest or floods geography review 15 no 5 pp 37 41 ciepielowski a wojcik j banasik k 2002 adaptation of the unit hydrograph method to the conditions in polish forest in proceeding of the 5th international conference on hydro-science & engineering warsaw university of technology faculty of environmental engineering pp 10 64
grešková a 2001 identifikácia rizikových oblastí a rizikových faktorov vzniku povodní v malých povodiach geograﬁcký časopis 53 3 s 247 268 chow v t maidment d r mays l w 1988 applied hydrology boston massachusets mc graw-hill inc pp 572 jařabáč m chlebek a 2000 pro účinnejší protipovodňovou ochranu pod lesnatými povodími bystřin zprá-
vy lesnického výzkumu sv 45 1 2000 s 23 27 jones j a 2000 hydrologic processes and peak discharge response to forest removal regrowth and roads in 10 small experimental basins western cascades oregon water resources research vol 36 no 9 pp 2621 2642 krečmer v křeček j 1981 lesnatost jako hydrologická charakteristika povodí lesnictví 27 liv č 5 s 461 470 krečmer v krešl j rynda i švihla v 1998 vztah lesů v horských a podhorských regionech ke vzniku povodní živa 1 s 9 12 lammeranner w meixner h florineth f 2009 the influence of woody plants on the seepage of flood protection levees experiences from a test site geophysical research abstracts vol 11 egu2009-13759 1 p maidment d r ed 1993 handbook of hydrology new york mcgraw-hill inc 1423 s majerčáková o škoda p 1998 prívalové dažde na severovýchodnom slovensku vodohospodársky spravo-
dajca xli 10 s 18 19 mishra s k singh v p 2003 soil conservation servise curve number scs-cn methodology new york springer 536 p prenner g 1986 einfluss der waldaustattung af die hochwasserspitze allgemeine forstzeitung 97 no 7 pp 204 206 ramakrishnan d bandyopadhyay a kusuma k n 2009 scs-cn and gis-based approach for identifying potential water harvesting sites in the kali watershed mahi river basin india journal of earth system science 118 no 4 pp 355 368 sturm t w 2001 open channel hydraulics new york mcgraw-hill 493 p valtýni j 1986 vodohospodársky a vodoochranný význam lesa zvolen lesnícky výskumný ústav lesnícke štúdie č 38 68 s valtýni j 2002 lesy a povodne technická univerzita vo zvolene vedecké štúdie 5 2001 a 46 s zelený v jařabáč m chlebek a 1980 nástin výsledkú 25-letého lesnicko-vodohospodářského výzkumu v beskydech lesnictví 26 č 8 s 677 697 adresa autorov prof ing matúš jakubis phd katedra lesníckych stavieb a meliorácií
lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
slovenská republika e-mail jakubis@vsld tuzvo sk
ing mariana jakubisová katedra prírodného prostredia lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
slovenská republika 65
zmeny odtoku v malých povodiach vysokých tatier po disturbancii lesných ekosystémov vetrovou kalamitou
abstrakt práca sa zaoberá modelovaním zmien kulminačných prietokov v dvoch malých povodiach vyso-
kých tatier pred a po disturbancii lesných ekosystémov vetrovou kalamitou 19 11 2004 výskum bol usku-
točnený v povodiach bystrín hlboký potok plocha povodia sp = 4 881 km2 lesnatosť povodia pred kalamitou sp
les
= 74 80 lesnatosť povodia po kalamite sp
les k = 48 39 a skalnatý potok plocha povodia sp = 9 365 km2 lesnatosť povodia pred kalamitou sp
les = 51 71 lesnatosť povodia po kalamite sp
les k = 40 72 výpočty boli uskutočnené scs-cn metódou pre zrážkové úhrny s rozdielnou dobou trvania a rozdielnou dobou trvania prie-
tokov v oboch analyzovaných bystrinných povodiach sú vypočítané kulminačné prietoky vyššie po disturbancii lesných ekosystémov vetrovou kalamitou kľúčové slová výpočet odtoku kulminačný prietok horské povodie lesnatosť povodia vetrová kalmita 66
67
fyziologicko-biochemické parametre ako možné bioindikátory stresu zo sucha
jaroslav k m e ť ľubica d i t m a r o v á daniel k u r j a k
kmeť j ditmarová ľ kurjak d physiological and biochemical parameters as potential drought stress indicators acta facultatis forestalis zvolen 51 3 67 76 2009 drought and or water deﬁcit in plants results in disturbed water balance and asymmetry of water intake and water requirements of a plant during the ontogeny at semi-arid conditions wa-
ter deﬁcit is a frequent phenomenon which plants have to balance depending on their resistence
and or tolerance of drought water stress can also be induced by various ecological interactions stress signals can be transmitted by below-ground as well as above-ground organs whose position in space and time is quite stable the sole existence of a stress signal does not yet mean that plants suffer from drought the problem is complex and requires explicit deﬁnition of terms such as
drought water deﬁcit water stress which are frequenty used in a confusing way in physiology the
question is whether the primary impulse for adaptation changes in plants associated with drought is the decreased water potential or stress accompanying water deﬁcit in plants evidence for drought
signals in plant tissues is also an important question drought stress induces numerous physiological and biochemical reactions of plants a wide spectrum of methodological approaches is employed in the study of drought tolerance in plants the presented study deals in detail with practical application of the measurement of parameters of chlorophyll a ﬂuorescence gasometry assessment of photosynthetic pigment concentration mea-
surement of water potential of assimilatory organs and assessment of free praline content the working hypothesis in deﬁning the research objectives was that water deﬁcit essentially limits
physiological activity of plants the selected physiological and biochemical markers will mainly be used in the studies of the reaction of spruce trees on different levels of water supply which allows us characterizing some symptoms and consequences of drought key words drought physiology stress biomarkers norway spruce
1 úvod
fyziológia smreka obyčajného picea abies l karst je v horských polohách ovplyvnená a limitovaná mnohými spravidla interaktívne pôsobiacimi prírodnými aj an-
tropogénnymi ekologickými faktormi výsledkom tohto pôsobenia je viacnásobný stres multiple stress ktorý môže viesť k oslabeniu ochoreniu a odumieraniu jednotlivých stromov a k postupnému rozpadu porastov samotné zloženie komplexu stresových fakto-
rov ako aj ich pôsobenie je pritom premenlivé v priestore a čase v podmienkach horské-
ho smrekového lesa kľúčovú úlohu v súčasnosti zohrávajú klimatické a meteorologické faktory vysoké koncentrácie prízemného ozónu a nadmerné dávky žiarenia vo vzájomnej acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
68
kombinácii stupňujúce oxidačný stres koncom zimy a počas skorej jari je typický vý-
skyt vodného stresu z tzv zimného vysychania znečistenie atmosféry pôsobí v súčasnosti v horských podmienkach prevažne nepriamo cez mokrú a skrytú depozíciu input ky-
selín spôsobuje acidiﬁkačný stres v rizosfére čo môže spolu s poškodením povrchu ihlíc a vyplavovaním živín viesť k prehĺbeniu nutričného stresu kmeť a kol 2004 je známe že v oblasti oravy kysúc tatier a spiša sa v posledných rokoch zinten-
zívňuje hromadné odumieranie drevín najmä smreka podobne postihnuté porasty sa na-
chádzajú aj v pohraničných oblastiach poľska ale aj v českej republike nemecku a ta-
liansku sekundárne škodlivé činitele sa stávajú prvoradými a hospodársky závažnými v dôsledku toho že pôsobia na fyziologicky oslabené stromy ich vplyv v slovenských lesoch sa napriek enormnému úsiliu vynaloženému na ich elimináciu neustále zvyšuje je tomu tak preto lebo príčiny zhoršeného zdravotného stavu lesov nie sú zatiaľ presne známe len vo všeobecnosti sa predpokladá nepriaznivý vplyv komplexu faktorov ako sú globálne zmeny klímy spojené so vzrastom priemerných teplôt ovzdušia a deﬁcitom
disponibilnej pôdnej vody dlhodobé pôsobenie imisií pochádzajúcich z lokálnych ale i vzdialených zahraničných zdrojov nízka stabilita rovnovekých priestorovo málo dife-
rencovaných monokultúr smreka gradácia premnožovania biotických škodlivých činite-
ľov najmä drevokazných húb podkôrneho hmyzu a pod stres suchom alebo náhlym ožiarením na porastovej stene je považovaný za jeden z hlavných iniciátorov ďalšieho rozpadu smrekových porastov pre identiﬁkáciu porastov prípadne aj jednotlivých stromov stresovaných suchom alebo náhlym ožiarením na poras-
tovej stene potrebujeme poznať vzťah medzi relevantnými faktormi prostredia a úrovňou negatívneho pôsobenia extrémnych hodnôt týchto faktorov na dreviny napriek tomu že máme určité poznatky o pôsobení sucha na smrek a aj ostatné dreviny na úrovni fyzio-
lógie stromu chýba nám popísanie prejavov drevín identiﬁkovateľných a merateľných dostupnými a širšie aplikovateľnými metódami vzhľadom na zložitosť vzťahov medzi množstvom vody v rastline a v okolitom prostredí nie je možné stanoviť jednoduché kri-
térium podľa ktorého by bolo možné hodnotiť akému veľkému stresu zo sucha je strom vystavený priamou príčinou chradnutia lesných drevín je nesporne ich fyziologická nedosta-
točnosť fyziologická porucha toto konštatovanie bezprostredne navodzuje otázku čo je príčinou fyziologických porúch ucelené poznanie fyziológie chradnúcich stromov dote-
raz chýba je to zrejme dôsledok vedeckej zložitosti tejto oblasti a tiež atomizácie špecia-
lizácií ku ktorej vývoj vedy dospel křístek 1996 stresové situácie možno posudzovať na rôznych úrovniach biologických systémov pomocou hodnotenia makroskopických znakov fyziologických alebo fyziologicko-bio-
chemických parametrov bioindikácia stresového stavu u rastlín je zložitý proces ktorý si vyžaduje komplexný pohľad využitie fyziologicko-biochemických parametrov na deter-
minovanie skorých štádií stresu a charakterizovanie reakcie rastliny na environmentálny stres sa stáva veľmi frekventovaným postupom v rámci aktivity globálne a regionálne zmeny projektu adaptívne lesné ekosys-
témy sa zameriame predovšetkým na identiﬁkáciu stresovej záťaže a testovanie fyziolo-
gických reakcií a ich odozvy na stresové vplyvy najmä sucho a štúdium fyziologických 69
procesov drevín ako indikátorov rastu produkcie a zdravotného stavu s využitím najmo-
dernejších metód detekcie poškodenia a stresu zo sucha pri deﬁnovaní cieľov výskumu vychádzame z pracovnej hypotézy že vodný deﬁcit
zásadným spôsobom limituje fyziologickú aktivitu rastlín preto štúdium reakcie vybra-
ných druhov lesných drevín najmä smreka na rôzne úrovne zásobenia vodou prostredníc-
tvom vhodne zvolených fyziologických markérov nám umožní charakterizovať niektoré symptómy a následky pôsobenia sucha zároveň vznikne možnosť otestovať spoľahlivosť vybraných markérov stresu s možnosťou začleniť ich do procesu skvalitnenia metód mo-
nitoringu výskytu a intenzity sucha a jeho dopadov na lesné ekosystémy 2 materiál a metódy
fluorescencia chlorofylu a ako bioindikátor stresu
analýza ﬂuorescencie chlorofylu a je jednou z metód ktorá poskytuje infor-
mácie o schopnosti rastlín tolerovať environmentálny stres a tiež o rozsahu poškodenia fotosyntetického aparátu maxwell johnson 2000 v našom prípade sezónnu dynami-
ku parametrov rýchlej fázy ﬂuorescencie chlorofylu a budeme merať ﬂuorimetrom pea plant efﬁcience analyser hansatech ltd kings lynn uk po polhodinovej adaptácii na tmu je vzorka asimilačných orgánov ožiarená saturačným impulzom o intenzite 2100 �mol m 2 s 1 stanovené predbežnými pokusnými meraniami v priebehu rýchlej fázy sú sledované tieto parametre f0 minimálna ﬂuorescencia fm maximálna ﬂuorescencia z týchto sú odvodené fv variabilná ﬂuorescencia je rozdielom fm f0 fv fm ma-
ximálna fotochemická efektívnosť fotosystému ii tm čas v ms kedy bola dosiahnutá maximálna ﬂuorescencia area plocha nad ﬂuorescenčnou indukčnou krivkou na rozdiel od iných optických meraní ﬂuorescencia nemá štandardné jednotky me-
rania fluorescenčný signál je kvantiﬁkovaný termínmi relatívnej odpovede reakcie de-
tektora ﬂuorescencie v pea je reakcia detektora zobrazená ako signál medzi 0 a 4 095 bitmi zobrazená hodnota bitov môže byť považovaná za zvolenú jednotku ﬂuorescen-
cie citlivý merací obvod získava charakteristiky kinetiky emisie počas indukcie ﬂuo-
rescencie meranie výmeny plynov gazometria v asimilačných orgánoch
k štúdiu fotosyntetickej aktivity rastlín sa vo veľkej miere využívajú gazomet-
rické metódy tieto metódy sú rýchle nedeštruktívne a umožňujú hodnotenie fyziolo-
gického stavu rastlín v terénnych i laboratórnych podmienkach raven 2004 parametre listovej výmeny plynov sú veľmi vhodné ako bioindikátory stavu fotosyntetického apa-
rátu indikujú nielen zmeny fotosyntetickej výkonnosti ale taktiež umožňujú lokalizáciu primárnych miest poškodenia guidi a kol 1997 sú založené na stanovení výmeny oxidu uhličitého a vodnej pary medzi asimilačným aparátom a okolitou atmosférou na gazometrické merania bude použitý prenosný fotosyntetický systém ciras-1 pp systems uk s automatickou asimilačnou komorou na ihličnaté dreviny plc 5 pp systems uk pri meraniach sa bude postupovať podľa metodiky marek a kol 1992 70
merania budú prebiehať priamo v teréne fotosyntetická kapacita rastliny amax �mol co
2 m 2 s 1 je maximálna čistá rýchlosť fotosyntézy rastliny v danom štádiu vývinu a ak-
tivity pri prirodzenom obsahu co
2 v atmosfére a optimálnych podmienkach vzhľadom k ďalším vonkajším faktorom tento parameter sa meria pri štandardných podmienkach a možno ho používať pre charakteristiku fyziologických typov rastlín rastlinných druhov a ekotypov larcher 2003 merania amax prebiehajú v stabilizovaných klimatických podmienkach podmienky umožňuje udržiavať automatická asimilačná komora prístroja pričom nastavené hodnoty sú intenzita fotosynteticky aktívneho žiarenia far 1200 ± 5 �mol m 2 s 1 vlhkosť vzduchu 10 ± 2 mb teplota asimilačného orgánu tl 20 ± 2 °c koncentrácia co
2 350 ± 10 �mol mol 1 stanovenie obsahu pigmentov v asimilačných orgánoch pre stanovenie koncentrácie asimilačných pigmentov chlorofyly a b a b karotény xantofyly bude použitý 80 -tný vodný roztok acetónu extrakčné činidlo po degradácii vzoriek asimilačných orgánov homogenizáciou pri 35 000 n min hodnoty ab-
sorbancie roztoku budú merané spektrofotometricky spektrofotometer cintra 6 5 gbs austrália pri výpočte koncentrácie pigmentov budú použité modiﬁkované matematické vzťahy podľa lichtenthalera 1987 obsah pigmentov bude vyjadrený v mg g 1 v miligramoch pigmentu na gram sušiny danej vzorky meranie vodného potenciálu listov
z fyzikálno-chemického hľadiska vodný potenciál �
w mpa je výsledkom os-
motických síl �
s rozpustných substancií a turgescencie �
p pletiva vo voľnom stave vo vzťahu k čistej vode �
w = 0 �
w = �
s �
p
vyjadruje voľnú energiu vody v systéme voda sa pohybuje z oblasti s vyšším vod-
ným potenciálom do oblasti s nižším vodným potenciálom vodný potenciál sa najčastejšie meria psychrometricky alebo hygrometricky meraním teploty rosného bodu v druhom prípade predpokladáme že teplotný senzor termocouple psychrometra hygrometra je od prostredia teplotne izolovaný tak že latentné teplo z vody vytranspirovanej vzorkou je jediným mechanizmom transferujúcim teplo z alebo do spoja termocoupla pričom tep-
lota mokrého spoja je automaticky konvergovaná na teplotu rosného bodu ak je teplota spoja nad teplotou rosného bodu latentné teplo evaporácie bude spoj ochladzovať až na teplotu rosného bodu táto metóda umožňuje okrem iného eliminovať pôsobenie iných mechanizmov transferu tepla nastavením tzv peltierovho koeﬁcientu chladenia merania
sú pomerne presné pretože meraný výstup v mikrovoltoch je kontinuálny v prípade že koeﬁcient chladenia je presne nastavený 0 7 µv 1 °c brestič olšovská 2001 v rámci experimentov so suchom bude použitá psychrometrická metóda merania vodného potenciálu listov prístroj psy-pro wescor usa pri tejto metóde sa zatvorí 71
asimilačný orgán do psychrometrickej komory voda sa zo vzorky vyparuje až kým nedo-
siahne tlak pár v komore vodný potenciál rovný vodnému potenciálu uzavretého pletiva vodný potenciál sa určí zmeraním tlaku vodných pár a následným odčítaním hodnôt z ka-
libračnej krivky stanovenie obsahu voľného prolínu v asimilačných orgánoch
obsah voľného prolínu v listoch bude stanovovaný spektrofotometricky bates a kol 1973 zo vzoriek odoberaných priebežne počas trvania experimentov so suchom a vyjadrený v mikromóloch na gram čerstvej hmotnosti listov µmol g 1 priame terénne merania na vybraných vzorníkoch smreka sa uskutočnia na dvoch výskumných plochách iviny starší porast hriňová mladší porast na každej ploche bude vybraných 12 jedincov smreka z ktorých 6 bude v priebehu vegetačného obdobia zavlažovaných v oblasti koreňového systému pomocou hadíc zo zásobných nádob v období jún až október v jednomesačných intervaloch budú odoberané vzorky ko-
nárov z jednotlivých vzorníkov pomocou zberača horolezeckým spôsobom v ihliciach následne budú zisťované príslušné fyziologicko-biochemické parametre ako bioindikáto-
ry stresu zo sucha 3 diskusia
práce viacerých autorov poukazujú na priame prepojenie pôsobenia sucha a fy-
ziologických procesov rastlín karlsson a kol 1997 schreiber a bilger 1997 manes a kol 2001 wallin a kol 2002 blödner a kol 2005 z hľadiska identiﬁkácie reakcií rastlín na vodný stres osobitné miesto zaujímajú cha-
rakteristiky vychádzajúce zo stavu vody v rastline napr vodný potenciál buniek či ich vodný sýtostný deﬁcit najmä vodný potenciál �
w je považovaný za adekvátne vyjadre-
nie vodného stavu rastlín pretože v časovom slede citlivo reaguje na zníženie prístupnosti vody v rastlinách čím je ho možné vztiahnuť k dynamike priebehu mnohých fyziologic-
kých procesov v podmienkach rôznych ekologických limitov �
w charakterizuje celkovú voľnú energiu v bunke pletive alebo v rastline z hľadis-
ka jej dostupnosti pre priebeh fyziologických a biochemických procesov jeho hodnoty závisia od toho v akom množstve a na aké komponenty bunky je voda viazaná a teda zneprístupnená pre priebeh spomenutých procesov je výsledkom vzájomného pôsobenia osmotického tlakového a matricového potenciálu v jednotlivých častiach rastlín vodný potenciál modiﬁkuje celkovú vodnú bilanciu rastlín tým že zodpovedá za premiestňova-
nie vody v bunkách medzi bunkami ako aj v celej rastline pri bežných mezoﬁlných druhoch rastlín hodnoty �
w do 0 5 mpa indikujú mierny stres 0 5 až 1 5 mpa stres stredne silný pri hodnotách pod 1 5 mpa ide o stres veľmi silný pri ktorom už klesá turgorový tlak listov na nulu a listy začínajú vädnúť najcitlivej-
šia reakcia na nedostatok vody býva pri predlžovacom raste buniek postihnutých orgánov procházka a kol 1998 72
pri poklese vodného potenciálu buniek na hodnoty 0 2 až 0 8 mpa dochádza k rých-
lym zmenám aktivity enzýmov aktivita niektorých sa znižuje napr nitrátreduktázy iných naopak stúpa �-amylázy ribonukleázy v približne rovnakom rozmedzí dochá-
dza aj k veľkému takmer štyridsaťnásobnému nárastu koncentrácie kyseliny abscisovej predovšetkým v listoch kde má za následok zatváranie prieduchov omasa takayama 2003 pri poklese �
w od 1 0 do 2 0 mpa dochádza k vážnym metabolickým zmenám rýchlosť fotosyntézy klesá na nulu a spomaľujú sa transportné procesy to umožňuje rastlinám pri veľkom vodnom deﬁcite mobilizovať rezervy organických látok v starších orgánoch a presunúť ich do mladších predovšetkým do generatívnych orgánov pre do-
končenie reprodukčného procesu ak trvá tento stav dlhšie dochádza k zmenám ktoré sú nevratné a orgán alebo celá rastlina odumiera procházka a kol 1998 z fyziologického hľadiska sú vo všeobecnosti najcitlivejšie na pokles vodného po-
tenciálu rast a pochody tvorby bunkovej steny a tiež syntéza proteínov pri výraznejšom poklese dostupnej vody dochádza u mnohých druhov k tvorbe aminokyseliny prolín keď jeho koncentrácie často stúpnu až stonásobne predpokladá sa že prolín je schopný chrániť i primárne fotosyntetické reakcie pred poškodením vyvolaným stresom a to tým spôsobom že zvýšená akumulácia prolínu ochraňuje kyslík vyvíjajúci komplex oec psii papageorgiou a murata 1995 celková rýchlosť transportu elektrónov elektrón-
transportným reťazcom je prolínom udržaná a je redukovaná s poklesom koncentrácie prolínu poukazuje to na skutočnosť že prolín je schopný eliminovať reaktívne formy o
2 alia a kol 2001 odozva prolínu na stres zo sucha sa môže rôzniť v závislosti od druhu rastliny intenzity a trvania stresu jiang huang 2001 nárast obsahu prolínu v súvislosti s pôsobením rôznych stresorov dokumentovali mnohí autori tesche 1980 uvádza že smrek reaguje zvýšenou tvorbou prolínu i na podnety ako zvýšená koncentrá-
cia co
2 a mráz zaznamenal takmer trojnásobné koncentrácie pri komplexnom pôsobení škodlivých faktorov oproti pôsobeniu jednotlivému wohlfhart a kol 1998 sledovali koncentrácie prolínu v ihliciach smreka a jedle rastúcich na rôzne postihnutých plochách územia nemecka u najviac poškodených porastov zaznamenali niekoľkonásobne vyšší obsah prolínu v porovnaní s referenčnými plochami bode a kol 1985 sledovali 20 roč-
né smrekové porasty na dvoch navzájom blízkych lokalitách s rôznym poškodením za-
znamenali výrazne zvýšenú akumuláciu prolínu u jedincov zaradených podľa straty a za-
farbenia ihlíc medzi poškodené zmeny koncentrácie pigmentov sú často využívané pri hodnotení vplyvu environ-
mentálnych stresov na rast rastlín ako dokazujú niektoré štúdie koncentrácia chlorofylov pôsobením sucha klesá čo je dôsledkom ich spomalenej syntézy alebo urýchlenej degra-
dácie majumdar a kol 1991 intenzita reakcie je však odlišná v priamej závislosti od in-
tenzity pôsobenia sucha ako uvádzajú kurjak a kol 2008 na základe štúdia reakcie sadeníc smreka na stres zo sucha k významnému poklesu koncentrácie chlorofylov došlo až v štádiu veľmi intenzívnej dehydratácie k podobným záverom dospeli napr manes a kol 2001 duan a kol 2005 yanbao a kol 2006 kronfus a kol 1998 zazname-
nali počas 38 dní obmedzeného zalievania sadeníc smreka významný pokles obsahu � aj �-karoténu nezmenili sa však koncentrácie chlorofylov výsledky niektorých prác duan a kol 2005 yanbao a kol 2006 demonštrujú odlišné fyziologické stratégie u populácií 73
z rôznych klimatických regiónov zároveň však dokazujú možnosť využitia metódy ana-
lýzy pigmentov pri testovaní odolnosti genotypov voči stresu zo sucha v diskusiách o vhodnosti metódy merania ﬂuorescencie chlorofylu a na detekciu su-
cha panuje určitá nejednotnosť viacerí autori uvádzajú že nie je pre sledovanie odozvy na sucho vhodná tak ako je tomu pri iných stresujúcich faktoroch títo autori pozorovali štatisticky nevýznamné rozdiely v reakcii parametra fv fm na sucho lu zhang 1998 subrahmanyam a kol 2006 a i cornic a massacci 1996 uvádzajú že parameter fv fm vykazuje zmeny až v čase keď je už silno obmedzený príjem co
2 listami na druhej strane viacerí autori s úspechom využili ﬂuorescenčné parametre pri detekcii sucha a skríningu odolnejších druhov resp genotypov percival a sheriffs 2002 uvádzajú že ﬂuorescencia chlorofylu a je rýchlym a presným spôsobom detekcie a kvantiﬁkácie tolerancie rastlín voči stresu zo sucha autori testovali reakciu pomeru fv fm na dehydratáciu u tridsiatich druhov drevín pri všetkých druhoch sa potvrdili znížené priemerné hodnoty pričom u väčšiny zaznamenali signiﬁkantné zmeny za prvý viditeľný znak stresu zo sucha počas vlastného pokusu označujú autori vädnutie listov pričom vo všetkých prípadoch zmena vo ﬂuorescencii chlorofylu a predchádzala vizuálne prejavy stresu pukacki a kaminska-rozek 2005 pozorovali že silný stres zo sucha signifikant-
ne ovplyvnil primárne procesy fotochémie u ihlíc smreka obyčajného preukazné zmeny parametra fv fm pozorovali už 18 deň pokusu a na 42 deň bol pokles hodnôt u silno stresovaných jedincov až 44 po 21 dňoch regenerácie dosiahli fotosyntetické procesy úroveň blízku tej ktorá bola pozorovaná na kontrolných jedincoch z toho autori vyvo-
dzujú záver že fotosyntetický aparát sadeníc smreka je pomerne odolný voči vodnému stresu u mierne stresovaných jedincov žiadne zmeny parametra fv fm nepozorovali živčák 2006 uvádza že parameter fv fm je relatívne rezistentný na vodný deficit a o to zaujímavú a do budúcna perspektívnu preto považujeme možnosť využitia niektorých cit-
livejších parametrov ﬂuorescencie chlorofylu a zmena konduktivity prieduchov g
s ako odpoveď na sucho má za následok podstat-
né zvýšenie efektívnosti využitia vody medzi stomatálnou konduktanciou a čistou foto-
syntézou p
n je veľmi úzky vzťah teskey a kol 1986 uvedené parametre reagovali na pôsobenie sucha veľmi citlivo eastman a camm 1995 pozorovali fotosyntetickú reakciu hybridných jedincov smreka picea glauca × picea engelmanni počas stresu zo sucha pri ožiarení o intenzite 500 �mol m 2 s 1 sledovali postupný pokles prieduchovej vodivosti hodnota cca 35 55 mmol m 2 s 1 pri vodnom potenciáli 0 5 mpa aj fotosyntetickej asimilácie co
2 počia-
točná hodnota 2 5 až 3 5 �mol m 2 s 1 hodnoty oboch parametrov poklesli na minimum po dosiahnutí vodného potenciálu okolo 1 5 mpa ako uvádzajú medrano a kol 2002 g
s nie je kontrolovaná len dostupnosťou vody v pôde a často reaguje na sucho ešte pred za-
znamenaním zmien relatívneho obsahu vody a vodného potenciálu asimilačných orgánov považujú preto stomatálnu vodivosť za parameter vhodne a komplexne odrážajúci stres zo sucha u rastlín druhy s vysokou g
s v optimálnych podmienkach vykazujú vyššiu citlivosť tohto parametra voči zmenám prostredia ewers a kol 2001 74
pokles p
n tiež tesne koreluje s redukciou rubpc aktivity pozorovanou pri vodnom deﬁcite bertamini a kol 2006 silná závislosť medzi p
n a g
s poukazuje na fakt že p
n je limitovaná predovšetkým činnosťou prieduchov ktoré tiež regulujú transpiráciu a relatív-
ny obsah vody v asimilačných orgánoch farquhar sharkey 1982 predpokladáme že navrhovaná metodika a použitie uvedených metód v rámci ak-
tivity globálne a regionálne zmeny významnou mierou prispeje k detailnejšiemu po-
znaniu reakcií drevín predovšetkým smreka obyčajného na nedostatok vody čo umožní vysloviť aj určité prognózy budúceho vývoja ako i vytvoriť precízny návrh opatrení pre eliminovanie škôd z hľadiska trvaloudržateľného rozvoja krajiny poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
alia r mohanty p matysik j 2001 effects of proline on the production of singlet oxygen amino acids 21 2 195 200 bates l s waldren s p teare i d 1973 rapid determination of free proline for water-stress studies plant soil 39 205 207 bertamini m zulini l mutchuchelian c nedunchezhian n 2006 effect of water deficit on photosynthe-
tic and other physiological responses in grapevine vitis vinifera l cv riesling plants photosynthetica 44 1 151 154 blödner c skroppa t johnsen o polle a 2005 freezing tolerance in two norway spruce picea abies l karst progenies is physiologically correlated with drought tolerance journal of plant physiology 162 5 549 558 bode j kühn h p wild a 1985 die akkumulation von prolin in nadeln geschädigter ﬁchten picea abies l karst forstwissenschaftliches centralblatt 104 6 353 360 brestič m olšovská k 2001 vodný stres rastlín príčiny dôsledky a perspektívy spu nitra 146 p cornic g massaci a 1996 leaf photosynthesis under drought stress in barker r ed photosynthesis and the environment kluwer academic publishers netherlands 347 366 duan b lu y yin c juntilla o li c 2005 physiological responses to drought and shade in two contrasting picea asperata populations physiologia plantarum 124 4 476 484 eastman p a k camm e l 1995 regulation of photosynthesis in interior spruce during water stress changes in gas exchange and chlorophyll ﬂuorescence tree physiology 15 229 235 ewers b e oren r phillips n stromgren m linder s 2001 mean canopy stomatal conductance res-
ponses to water and nutrient availabilities in picea abies and pinus taeda tree physiology 21 841 850 farquhar g d sharkey t d 1982 stomatal conductance and photosynthesis annual reviews in plant phy-
siology 33 317 345 guidi l nali c ciompi s lorenzini g soldatini g s 1997 the use of chlorophyll fluorescence and leaf gas exchange as methods for studying the different responses to ozone of two bean cultivars journal of experimental botany 48 306 173 179 jiang y huang b 2001 osmotic adjustment and root growth asociated with drought preconditioning-enhan-
ced heat tolerance in kentucky bluegrass crop science 41 1168 1173 karlsson p e medin e l wallin g selldén g skärby l 1997 effects of ozone and drought stress on the physiology and growth of two clones of norway spruce picea abies new phytol 136 265 275 kmeť j kulla l jakuš r 2004 analýza fyziologickej odozvy smreka na rôzne ekologické podmienky beskydy mzlu v brně 17 111 118 75
kronfus g polle a tausz m havranek w m weisner g 1998 effects of ozone and mild drought stress on gas exchange antioxidants and chloroplast pigments in current-year needles of young norway spruce picea abies l karst trees 12 482 489 křístek j 1996 chřadnutí lesů lesnická práce 5 166 167 kurjak d ditmarová ľ kmeť j 2008 citlivosť reakcie biomarkérov stresu zo sucha u smreka obyčajného acta facultatis forestalis 50 1 33 45 larcher w 2003 physiological plant ecology ecophysiology and stress physiology of functional groups fourth edition springer-verlag berlin heidelberg 513 p lichtenthaler h k 1987 chlorophylls and carotenoids pigments of photosynthetic biomembranes methods in enzymology 148 350 382 lu c zhang j 1998 effect of water stress on photosynthesis chlorophyll fluorescence and photoinhibition in wheat plants australian journal of plant physiology 25 883 892 majumdar s ghosh s glick b r dumbroff e b 2006 activities of chlorophyllase phophoenolpyruvate carboxylase and ribulose-1 5-bisphosphate carboxylase in the primary leaves of soybean during senescence and drought physiologia plantarum 81 4 470 480 manes f donato e vitale m 2001 physiological response of pinus halepensis needles under ozone and water stress conditions physiologia plantarum 113 249 257 marek m pirochtová m marková i 1992 production activity of mountain cultivated norway spruce stands under the impact of air pollution ii vertical distribution of photosynthetic activity in the stand canopy ekológia 11 2 121 132 maxwell k johnson g j 2000 chlorophyll fluorescence a practical guide journal of experimental botany 51 345 659 668 medrano h escalona j m bota j gulias j flexas j 2002 regulation of photosynthesis of c
3 plants in response to progressive drought stomatal conductance as a reference parameter annals of botany 89 895 905 omasa k takayama k 2003 simultaneous measurement of stomatal conductance non-photochemical quen-
ching and photochemical yield of photosystem ii in intact leaves by thermal and chlorophyll ﬂuorescence
imagin plant and cell physiology 44 12 1290 1300 papageorgiou g c murata n 1995 the unusually stabilising effects of glycine betaine on the structure and function of the oxygen-evolving photosystem ii complex photosynthesis research 44 3 243 252 percival g c sheriffs c n 2002 identification of drought tolerance woody perennials using chlorophyll ﬂuorescence journal of arboriculture 28 5 215 223 procházka s i macháčková j krekule j šebánek 1998 fyziologie rostlin academia praha 484 p pukacki p m kaminska-rozek e 2005 effect of drought stress on chlorophyll a fluorescence and electrical admittance of shoots in norway spruce seedlings trees 19 539 544 raven j a 2004 gas exchange new challenges with arabidopsis new phytologist 162 1 8 schreiber u bilger w 1986 rapid assessment of stress effects on plant leaves by chlorophyll fluorescence measurements in tenhunen j d catarino f m lange o l oechel w c eds plant response to stress functional analysis in mediterranean ecosystems springer verlag berlin 27 53 subrahmanyam d subash n haris a sikka a k 2006 influence of water stress on leaf photosyn-
thetic characteristicsin wheat cultivars differing in their susceptibility to drought photosynthetica 44 1 125 129 tesche m 1980 prolin ein unspezifischer stressindikator bei gehölzen wissenschaftliche beiträge 9 58 66 teskey r o fites j a samuelson l j bongarten b c 1986 stomatal and nonstomatal limitations to net photosynthesis in pinus taeda l under different environmental conditions tree physiology 2 131 142 wallin g karlsson p e selldén g ottosson s medin e l pleijel h skärby l 2002 impact of four years exposure to different levels of ozone phosphorus and drought on chlorophyll mineral nutrients and stem volume of norway spruce picea abies physiologia plantarum 114 192 206 wohlfhahrt s schmitt v wild a 1998 investigation of phospheonol pyruvate carboxylase an proline in damaged and undamaged needles of picea abies and abies alba chemosphere 36 4 5 877 881 yanbao l chunying y chunyang l 2006 differences in some morfological physiological and biochemical responses to drought stress in two contrasting populations of populus przewalskii physiologia plantaru-
m127 2 182 191 76
živčák m 2006 využitie diverzity fyziologických reakcií pre skríning genotypov pšenice tolerantných na sucho dizertačná práca ves spu nitra 157 p adresa autorov doc ing jaroslav kmeť phd katedra fytológie
lesnícka fakulta tu vo zvolene t g masaryka 24 960 53 zvolen
sr
e-mail kmet@vsld tuzvo sk
rndr ľubica ditmarová phd ústav ekológie lesa sav štúrova 2 960 53 zvolen sr
e-mail ditmarova@sav savzv sk
ing daniel kurjak phd katedra prírodného prostredia
lesnícka fakulta tu vo zvolene t g masaryka 24 960 53 zvolen
sr
e-mail kurjak@vsld tuzvo sk
fyziologicko-biochemické parametre ako možné bioindikátory stresu zo sucha
abstrakt v súčasnosti sledujeme procesy náhleho rozpadu lesných porastov tzv novodobé odumieranie odlišujúce sa od klasických disturbančných schém neustále zhoršovanie stavu lesov nielen na našom úze-
mí prirodzene výustilo do snahy vysvetliť mechanizmus fungovania tohto javu a eliminovať ho často dis-
kutovanou témou v tejto súvislosti je zmena klimatických podmienok ako jedna z príčin podieľajúcich sa na odumieraní najmä nepôvodných ale i prirodzených smrekových porastov zmena pôdnej i vzdušnej vlhkosti je jednou z predpokladaných príčin oslabenia stromov ktorá môže viesť k neskoršiemu rozpadu celých porastov v predkladanej práci uvádzame možnosti využitia konkrétnych fyziologicko-biochemických parametrov ako bioindikátorov stresu zo sucha predovšetkým pri výskume odumierania smrekových porastov kľúčové slová sucho fyziológia biomarkéry stresu smrek
77
výskum štruktúry produkcie nekromasy rizológie a regeneračných procesov prírodných lesov slovenska
milan s a n i g a miroslav b a l a n d a peter j a l o v i a r saniga m balanda m jaloviar p 2009 the research of structure necromass rhizology and regeneration processes of natural forests in slovakia acta facultatis forestalis zvolen 51 3 77 88 2009 the paper deals with methodology and metodics applied in research of structure necromass rhizology and regeneration processes of natural forests in slovakia mentioned methodics measu-
rements and analysis of selected dendrological features is considered as the top of natural forest research in europe the usage of field-map technology and other aforementioned measuring in-
struments allows sciential shift to forward in the problematics of canopy gaps research the usage of index methods for mathematical description of stand structure enables more precise quantiﬁca-
tion of individual developmental stages within developmental cycle of natural forest the presented procedures of sampling processing and evaluation of ﬁne roots will signiﬁcantly shift upward the
level of knowledge in this area of interest key words virgin forest texture structure research methodology rhizology
1 problematika lesnícky výskum zameraný na štúdium dynamiky štruktúry prírodných lesných ekosystémov zaznamenal od čias prvých priekopníckych prác značný pokrok za prvé koncepčne pojaté štúdie sukcesie lesného ekosystému môžeme pokladať diela cowlesa a clementsa cowles 1899 clements 1916 ex glenn-lewin and van der maarel 1992 časopriestorový vývoj lesného ekosystému môžeme charakterizovať ako zmenu v popu-
lácii jedincov spôsobenú ich zrodom rastom a smrťou tento proces vedie k neustálej zmene a vývoju priestorovej štruktúry rastlinného spoločenstva v čase a má rozhodujúci význam pre pochopenie dynamiky ekosystému gratzer et al 2004 watt 1925 1947 odvodil koncepčný model vývoja prírodného lesa vývojového cyklu ktorý popísal ako neustále striedanie vzrastajúcich a degradujúcich vývojových štádií vznik medzier považuje za spúšťací mechanizmus prirodzenej regenerácie a ini-
ciátora začiatku nového vývojového cyklu prírodného lesa cyklický asynchrónny vznik medzier na ktoromkoľvek mieste pralesa vedie v konečnom dôsledku k vzniku mozaiky neustále sa presúvajúcich vývojových štádií celý tento časový a priestorový systém ktorý remmert 1991 nazval zjednodušene mozaikový cyklus je vo všeobecnosti považovaný acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
78
za základný rámec pre popis dynamiky prírodných opadavých lesov temperátneho pásma mueller-dombois 1987 peet a christensen 1987 oldemann 1990 veblen 1992 pre oblasť zmiešaných lesov strednej európy a teda oblasť výskumu pralesov na slovensku sa používa triedenie vývojových štádií používané spravidla v germanofónnych krajinách popísané weckom 1956 a leinbundgutom 1959 podľa potrieb modiﬁkova-
né rôznymi autormi korpeľ 1989 autori ktorí sa zaoberajú štúdiom pralesov najmä európskych nie sú jednotní v používaní názvov a v rozlišovaní počtu vývojových štádií a fáz pralesa vo všeobecnosti je však možné vyčleniť tri základné vývojové štádiá pou-
žívané v podmienkach praxe pri výskume pralesov korpeľ 1989 opisuje tri základné časti vývojového cyklu ako štadiá dorastania optima a rozpadu každé štádium je pritom charakterizované typickou priestorovou výstavbou porastu štruktúra prírodných lesov je plošne a výškovo cez celý vývojový cyklus viac či menej diferencovaná základnou charakteristikou štruktúry prírodného lesa je mnohý-
mi európskymi autormi považované rozdelenie početností v rámci určitých hrúbkových kategórií tzv hrúbkové početnosti ako prvý sa toto rozdelenie pokúšal matematicky charakterizovať deliocourt 1898 pričom priradením počtu jedincov jednotlivým hrúb-
kovým kategóriám odvodil frekvenčný histogram tvaru obráteného písmena j mnohé výskumy štruktúry prírodných lesov potvrdili význam negatívne exponenciálnej funkcie ktorá je v súčasnosti považovaná za jeden zo základných znakov prirodzenosti lesov tvar tejto funkcie je možné ekologicky interpretovať ako pomer resp rýchlosť mortality medzi jednotlivými hrúbkovými kategóriami pozdĺž celého hrúbkového gradientu westphal et al 2006 priestorová štruktúra prírodného lesa závisí vo všeobecnosti od pôsobenia celého komplexu faktorov korpeľ 1989 odvodil z výsledkov systematického výskumu prírodných lesov slovenska zovšeobecnenia týkajúce sa štruktúr prírodných lesov v rámci typických rastlinných spoločenstiev jednotlivých lesných vegetačných stupňov štruktúra prírodných lesov je v rámci gradientu lesných vegetačných stupňov značne odlišná v prírodných lesoch je výskum štrukturálnej diverzity dôležitý z hľadiska hodnote-
nia ich ekologickej stability a plnenia ostatných funkcií lesa merganič 2001 porastová štruktúra človekom nenarušených lesných ekosystémov v sebe navyše nesie informácie o dynamike vývoja týchto lesov hofgaard 1993 štruktúra lesa sa popisuje rôznymi štrukturálnymi prvkami ako je priestorové rozde-
lenie hustota diferencovanie zmiešanie zenner 1999 pri správnom hodnotení štruktú-
ry porastov je však potrebné ju vnímať komplexne ako charakteristiku zloženú z horizon-
tálnej a vertikálnej štruktúry vyjadrenej rozrôznením porastu v týchto smeroch pre popis a kvantiﬁkáciu štrukturálnej diverzity je možné použiť viacero kvantita-
tívnych a kvalitatívnych metód najčastejšie používanými kvantiﬁkačnými metódami sú indexové metódy vo všeobecnosti ich môžeme rozdeliť do nasledovných skupín a to na indexy popisujúce horizontálne rozmiestnenie jedincov po ploche porastu pravdepodobne najznámejším indexom z tejto skupiny je index agregácie clark & evans 1954 kto-
rý je založený na porovnaní skutočnej vzdialenosti susediacich stromov k ich očaká-
vanej vzdialenosti susediacich stromov k ich očakávanej vzdialenosti v tzv poissono-
vom lese t j lese v ktorom sú stromy rozložené po ploche porastu náhodne tomppo 1986 in vorčák 2005 79 hodnotiace premiešanie jednotlivých druhov v poraste a to na základe hodnotenia dru-
hového zloženia mikroskupiny n susediacich stromov medzi tieto indexy radíme napr segregačný pielou 1977 index zohľadňujúci jedného najbližšieho suseda a dm in-
dex navrhnutý gadowom 1999 a upravený füldnerom 1995 ktorý berie do úvahy troch najbližších susedov cieľového stromu indexy hrúbkovej a vertikálnej diferenciácie porastu vychádzajúce z porovnania hrú-
bok resp výšok susediacich stromov takýto index je napr giniho koeﬁcient dixon et al 1987 ktorý charakterizuje stupeň vertikálnej diferencovanosti porastov alebo index hrúbkovej diferenciácie füldnerom 1995 ktorý kvantiﬁkuje vzájomné relácie hrúbok susedných stromov v poraste komplexné indexy zahŕňajúce dve a viac zložiek štrukturálnej diverzity medzi tie-
to indexy môžeme zaradiť indexy autorov pretzsch 1998 jahne & dohrenbusch 1997 zenner 1999 v poslednom období z hľadiska vitality lesných ekosystémov nadobúda na význa-
me výskum podzemnej biomasy fyziologicky aktívnych jemných koreňov za jemné korene sa podľa väčšiny rizologických štúdií považujú korene s hrúbkou do 2 mm ktoré sú prevažne fyziologicky aktívne bez vyvinutej korkovej vrstvy s prevládajúcou sacou symbiotickou a vodivou funkciou funkcia jemných koreňov nie je determinovaná vý-
hradne ich hrúbkou ale aj postavením v hierarchii koreňového systému pretziger 2002 jemné korene sa obmieňajú rýchlejšie ako asimilačný aparát a to aj v prípade opadavých drevín zhou shangguan 2007 rovnako aj ich rozklad je často rýchlejší ako rozklad a mineralizácia opadanky čím sa obmena jemných koreňov stáva veľmi významnejším komponentom uhlíkového cyklu v lesných porastoch nadelhoffer 2000 uvádza že produkcia jemných koreňov je najvýznamnejším komponentom netto- produkcie biomasy pre vysokú mieru obmeny hoci samotná aktuálne existujúca biomasa jemných koreňov ani jej podiel na celkovej biomase stromov a porastov nie je vysoký je systém efemérnych jemných koreňov dôležitou súčasťou metabolizmu terestriálnych ekosystémov odhaduje sa že viac ako 33 čistej globálnej ročnej produkcie je využitých na produkciu jemných koreňov s krátkou životnosťou a krátkou dobou dekompozície norby jackson 2000 wenk et al 2006 podľa rademachera et al 1992 predstavuje podiel jemných koreňov v dospelom smrekovom poraste približne 0 52 z celkovej biomasy stromovej zložky smrekového ekosystému meier leuschner 2008 uvádzajú hodnotu podielu biomasy jemných koreňov v rozpätí 2 3 hendrick pretziger 1993 uvádzajú životnosť jemných koreňov od niekoľkých dní po niekoľko týždňov ale jej variabilita je veľmi vysoká eissenstat et al 2000 uvádzajú že mediánová životnosť nerozvetvených jemných koreňov s hrúbkou do 0 25 mm je nižšia ako 300 dní ale korene s hrúbkou nad 0 25 mm majú mediánovú životnosť nad 600 dní vo všeobecnosti platí že jemné korene sa vždy koncentrujú v tých vrstvách pôdy ktoré obsahujú vysoké množstvá dostupných živín rozdiel medzi rôznymi ekosystéma-
mi resp pôdami je v hĺbke do ktorej je skoncentrovaná prevažná väčšina jemných kore-
ňov gale grigal 1987 použili na vyjadrenie závislosti kumulatívneho podielu jemných koreňov od hĺbky v pôde exponenciálnu rovnicu v tvare y = 1 ßd kde y je kumulatívny podiel jemných koreňov a d je hĺbka v pôde 80
okrem dostupnosti živín a vody má na priestorové rozmiestnenie jemných koreňov rovnako významný vplyv aj koncentrácia toxických látok v pôdnych horizontoch väč-
šina potenciálnych fytotoxických prvkov predovšetkým kovov je prirodzenou súčasťou pôdneho prostredia avšak vyskytuje sa vo forme ktorá nie je pre rastliny škodlivá po-
stupným znižovaním ph pôdy však dochádza k zmene chemickej charakteristiky a ich uvoľneniu z organominerálneho komplexu vo forme voľných katiónov fytotoxické pô-
sobenie al3 je známe dlhodobo podľa kochiana et al 2005 sa jedná o formu hliní-
ka s najvyššou rizotoxicitou okrem toxicky pôsobiacich zlúčenín sú lesné ekosystémy vystavené depozícii látok ktoré sú minerálnymi živinami depozícia dusíka vo forme nh
3 alebo no
2 má podľa nadelhoffera 2000 a norbyho jacksona 2000 za násle-
dok znižovanie biomasy jemných koreňov ale zároveň aj nárast miery ich obmeny aber et al 1985 uvádzajú že v lesných porastoch zaťažených vysokými depozíciami dusíka dochádza k úbytku biomasy jemných koreňov a následne k vymývaniu nitrátov 2 cieľ výskumu prírodných lesov
cieľom výskumu prírodných lesov je posúdenie štruktúry textúry regenerač-
ných procesov a dynamiky mŕtveho dreva v rámci ich vývojového cyklu tento komplex-
ný cieľ pozostáva z viacerých čiastkových cieľov kvantiﬁkovať a charakterizovať zmeny v typickej porastovej štruktúre v závislostí od jednotlivých úsekov vývojového cyklu prírodného lesa špeciﬁkovať proces striedania jednotlivých štádií vývojového cyklu v závislosti od striedania generácií hlavných porastotovorných drevín kvantiﬁkovať štruktúru mŕtveho dreva v závislosti od drevín jeho priestorovú dis-
tribúciu a charakterizovať dynamický proces vzniku a akumulácie a dekompozície nekromasy v závislosti od vývojového štádia prírodného lesa popísať priestorový poriadok a plošné rozmiestnenie medzier v porastovom zápoji stanoviť ich plošný podiel charakterizovať proces ich vzniku a stanoviť úlohu vzniku porastových medzier v procese nástupu prirodzeného zmladenia a striedania jednotli-
vých generácii pralesa zhodnotiť priestorové rozmiestnenie druhovú a vekovú štruktúru prirodzeného zmla-
denia s dôrazom na opis mechanizmu zapĺňania porastových medzier v podmienkach druhovo pestrého prírodného lesa popísať svetelné podmienky pod materským porastom a v rámci porastovej medzery s dôrazom na distribúciu priameho difúzneho a fotosynteticky účinného svetelného žiarenia v súvislosti s nástupom a priestorovým poriadkom prirodzeného zmladenia 81
3 metodika výskumu prírodných lesov založenie trvalých výskumných plôch a ﬁxácia v teréne
pre potreby výskumu štrukturálnych charakteristík a dynamiky prírodného lesa je na ploche pralesa založená jedna trvalá výskumná plocha ďalej tvp umiestneniu tvp predchádza dôsledná rekognoskácia terénu jej umiestnenie je účelové s cieľom zachytiť výrazne odlišné drevinové zloženie a štrukturálne charakteristiky v rámci celej plochy npr založená tvp je o rozmeroch 100 × 500 m rozloha 5 ha resp 200 × 300 m 6 ha kvôli lepšej orientácii a prehľadnosti je celá plocha tvp rozdelená na jednotlivé časti o rozmere 100 × 100 m tieto plochy o výmere 1 ha sú následne zahustené rastrom 50 × 50 m rastrová plocha ďalej rp v rámci každej rp sa nachádzajú štyri čiastkové plo-
chy o rozmere 25 × 25 metrov ďalej čp takýmto spôsobom vznikne na celej tvp 20 24 rastrových plôch rp a 80 96 čiastkových plôch čp stredom celej tvp prechá-
dza tranzekt o rozmeroch 50 × 500 m resp 100 × 300 m a výmere 2 50 3 0 ha v teréne sa hranice tvp vymeriavané prístrojom field-map a sústavou výtyčiek 4 zber údajov z jednotlivých tvp
na tranzekte sú merané nasledovné veličiny hrúbka stromov s d
1 3 väčšou ako 2 0 cm s presnosťou na 1 mm výška stromov s presnosťou na 0 5 m výška nasadenia ich korún s presnosťou na 0 5 m zaradenie stromov do vrstiev situácia stojacich stromov v súradnicovom systéme x y d
1 3 ≥ 2 0 cm a projekcie ko-
rún živých stromov x
1 x
n situácia padnutých stromov a ich objem situácia otvorených a rozšírených medzier ich výmeru a počet vypadnutých stromov plošná evidencia prirodzenej obnovy podľa prevládajúcej vývojovej kategórie štruktúra jedincov prirodzenej obnovy podľa druhu dreviny a výškovej kategórie na kruhových skusných plochách meranie na ostatnej ploche zahŕňa zisťovanie hrúbky stromov s d
1 3 väčšou ako 8 0 cm s presnosťou na 1 mm výšky vybraných stromov s presnosťou na 0 5 m pre zostavenie výškového graﬁkonu zaradenie stromov do vrstiev situácie padnutých stromov a ich objem situácie otvorených a rozšírených medzier ich výmeru a počet vypadnutých stromov situácie prirodzenej obnovy v plošnej forme podľa prevládajúcej vývojovej kategó-
rie určenie vývojových štádií 82
5 metodika merania jednotlivých veličín
meranie hrúbky a výšky stromov
meranie hrúbky stromov d
1 3 je vykonávané podľa všeobecne platných pravidiel priemerkovania šmelko 2000 v rámci tranzektu sú hrúbkovo zaznamenané jedince s mi-
nimálnym priemerom d
1 3 2 cm u jedincov s d
1 3 2 až 7 9 cm je hrúbka zisťovaná meraním dendrometrickou priemerkou s milimetrovým delením s presnosťou na 1 mm na ostat-
nej ploche tvp je hrúbka jedincov meraná dendrometrickou priemerkou vo dvoch na seba kolmých smeroch jednotlivé jedince sú zaznamenávané pokiaľ hrúbka d
1 3 meraná v dvoch smeroch dosiahne hodnotu 8 cm výška jedincov tranzektu je meraná laserovým výškomerom vertex iii s presnos-
ťou 0 5 m podobne je meraná i výška nasadenia koruny u stromov nachádzajúcich sa na tranzekte pre ostatnú plochu sa výšky prevezmú z výškových graﬁkonov pre jednotlivé dreviny ktoré sú zostavené na základe výšok nameraných na tranzekte a vyrovnané kriv-
kou podľa korfovej funkcie korf 1939 jednotlivé stromy sú zatriedené do stromových vrstiev hraničné hodnoty výšky stro-
mu pre jednotlivé stromové vrstvy získame pomocou hornej výšky h
0 ktorá reprezentuje priemernú výšku 10 najhrubších živých stromov tranzektu stromy sú do jednotlivých vrstiev zatrieďované nasledovne horná vrstva výška stromu ≤ 2 3 h
0 stredná vrstva 1 3 h
0 ≤ výška stromu ≤ 2 3 h
0 spodná vrstva výška stromu ≤ 1 3 h
0 pozičné zameranie živých stromov a plošné projekcie koruny
na tranzekte sú pozične zamerané všetky jedince s minimálnym priemerom d
1 3 2 cm na zameranie je použitá technológia field-map plošná projekcia koruny živého stromu je zameraná prístrojom field-map pomocou podľa potreby minimálne štyroch hraničných bodov pričom ich počet závisí na pravidel-
nosti tvaru koruny výstupom je mapa plošných projekcií korún stromov tranzektu s ich pozičným ukotvením pozičná evidencia nekromasy
plošná distribúcia nekromasy je zaznamenávaná na celej ploche tvp pomocou prístroja field-map pozične zamerané sú ležiace kmene ktoré dosahujú dĺžku minimál-
ne 2 m a priemer na tenšom konci minimálne 20 cm a stojace sucháre s výškou minimálne 2 m a priemerom d
1 3 min 8 cm po pozičnom zachytení je potrebné zmerať priemer na hrubšom d
0 a tenšom konci d
n ležiaceho kmeňa pri stojacej nekromase priemer d
1 3 pozičná situácia nekromasy je vyhodnocovaná pre celú tvp1 objem nekromasy je určo-
vaný v rámci každej čp 83
nekromasa je klasiﬁkovaná do v nasledovných štyroch stupňov rozkladu podľa al-
brechta 1990 1 čerstvo odumreté stromy 2 začínajúci rozklad uvoľnená kôra po použití sekery drevo ešte pevné hniloba jadra do 1 3 priemeru 3 pokračujúci rozklad beľ mäkká jadro ešte miestami pevné pre sekeru hniloba jadra je väčšia ako 1 3 priemeru 4 silná hniloba drevo po celej hrúbke mäkké hlavné znaky nie sú viditeľné evidencia porastových medzier
plošné zachytenie porastových medzier pomocou prístroja field-map je vykonávané na celej ploche porastu medzera je pre potreby tejto práce deﬁnovaná ako vertikálny priemet otvoru v po-
rastovom zápoji ktorý vznikol vypadnutím jedného alebo viacerých jedincov hornej vrst-
vy pomocou výškových kriviek získaných meraním výšok jedincov porastu je odvodená hraničná hrúbka stromu ktorá zodpovedá 2 3 hornej výšky h
0 porastu za jedince vy-
padnutím ktorých medzera vznikla sú považované iba tie ktoré presiahli hraničnú hrúbku reprezentujúcu 2 3 hornej výšky porastu z dôvodu podchytenia zmeny svetelných pomerov i v poraste nachádzajúcom sa v blízkosti vertikálneho priemetu otvorenej medzery je pri evidencii medzier meraná i tzv rozšírená medzera sensu runkle 1992 zozšírená medzera je teda deﬁnovaná ako plocha ohraničená bázami kmeňov stromov tvoriaci hranicu otvorenej medzery runkle 1992 otvorená a uzavretá medzera sú evidované iba v prípade ak sú na pôdnom povrchu medzery ešte identiﬁkovateľné zvyšky odumretých jedincov ktorých vypadnutím medze-
ra vznikla a následný porast generácia nedosiahne výšku 1 3 hornej výšky porastu h
0 tz kým nedosiahne výškové postavenie strednej vrstvy porastu evidencia prirodzeného zmladenia
plošné zachytenie prirodzenej obnovy je vykonávané pomocou prístroja field- map na celej ploche porastu prirodzená obnova je zároveň klasiﬁkovaná do kategórií podľa výšky resp hrúbky jedincov na klasiﬁkáciu jedincov prirodzenej obnovy na celej ploche tvp je použitá nasledovná klasiﬁkačná schéma uvedená v tabuľke 1 84
tab 1 klasiﬁkačná schéma na plošné hodnotenie prirodzenej obnovy podľa priemernej výšky resp hrúbky röhring gussone 1990 ex tabaku 1999 upravené table 1 the classiﬁcation scheme for areal evaluation of natural regeneration röhring gussone 1990 ex tabaku 1999 modified evidencia prirodzeného zmladenia na tranzekte je na jednotlivých čiastkových plo-
chách z dôvodu vysokej početnosti prirodzeného zmladenia evidovaná na piatich kruho-
vých skusných plochách o polomere 2 m jednotlivé získané dáta sú následné prepočítané na hektárové početnosti skusné plochy sú umiestnené v rohoch čp pričom piata plocha je umiestnená do stredu čp jedince prirodzenej obnovy ktoré nedosiahli d
1 3 2 cm sú na ploche tranzektu klasiﬁkované podľa výšky do kategórií uvedených v tabuľke 2 jedince prirodzenej obnovy ktoré na tranzekte dosiahli d
1 3 2 cm sú pozične zamerané v pomocou prístroja field-map podobne ako dospelé jedince plošné zameranie prirodzenej obnovy bude konfrontované s plošnou distribúciou medzier v hornej vrstve porastu a mapou ploš-
nej distribúcie mŕtveho dreva
tab 2 klasiﬁkačná schéma na hodnotenie jedincov prirodzenej obnovy na tranzekte korpeľ 1989 table 2 the classiﬁcation scheme for individual evaluation of natural regeneration korpeľ 1989 6 metodika vyhodnotenia dendrometrických veličín
pre analýzu a stanovenie textúry vývojových štádií pralesov budú použité štruk-
turálne indexy clark-evens fuldner jähne-dohrenbusch gini hrúbková výšková trieda popis kategórie
1 jedince do výšky 20 cm
2 jedince s výškou 21 50 cm
3 jedince s výškou 51 80 cm
4 jedince s výškou 81 130 cm
5 jedince s výškou 131 cm jedince s hrúbkou d
1 3 2 0 cm
trieda popis kategórie
1 zapojená obnova do 50 cm výšky
2 prevládajúce jedince od 50 cm do 1 0 m výšky
3 prevládajúce jedince od 1 0 m výšky do 2 0 m výšky
4 prevládajúce jedince od 2 0 m výšky do 2 0 cm hrúbky v d
1 3
5 prevládajúce jedince od 2 1 cm do 4 0 cm hrúbky v d
1 3
6 prevládajúce jedince od 4 1 cm do 6 0 cm hrúbky v d
1 3
7 prevládajúce jedince od 6 1 cm do 8 0 cm hrúbky v d
1 3
8 plocha pod ostatným porastom bez zapojeného zmladenia
85
štruktúra a usporiadanie stromov v rastovom produkčnom priestore pralesa a rozdelenie nekromasy na ploche bude vyhodnotené v systéme svs štruktúra porastových medzier a plošná evidencia prirodzenej obnovy bude vyhodnotená systémom field-map svetelné pomery v medzerách budú vyhodnotené softvérom winscanopy 7 metodika rizologického výskumu
pre stanovenie biomasy a nekromasy jemných koreňov je pri odbere vzoriek potrebné zachovanie presne deﬁnovaného objemu pôdy spolu s koreňmi v pôvodnom prirodzenom uložení v takomto prípade sa ako najvhodnejší spôsob ukázal odber pôd-
neho monolitu pomocou dutého vrtáka s priemerom 80 mm t j s prierezom cca 50 cm2 a s dĺžkou dutej časti 200 mm murach 1984 vzhľadom na to že sa pri plánovaní expe-
rimentov vychádza z predpokladu že jemné korene sú kumulované vo vrstve nadložného humusu a v minerálnej pôde do hĺbky 30 40 cm jackson et al 1996 gale grigal 1987 meinen et al 2009 meier leuschner 2008 šály 1988 vykonávajú sa odbery v dvoch prípadne troch krokoch tak aby bola dosiahnutá hĺbka aspoň 40 cm spracovanie vzoriek začína vymytím jemných koreňov z pôdy triedenie jemných koreňov na živé a odumreté sa vykonáva na základe zohľadnenia niektorých všeobecne platných kritérií göbl 1995 hertel leuschner 2002 richter et al 2007 leuschner et al 2001 murach 1984 v sporných prípadoch sa na deﬁnitívne posúdenie používa farbenie pomocou trifenyltet-
razólium-chloridu ttc ruf brunner 2003 na stanovenie základných biometrických parametrov jemných koreňov sa použil systém winrhizo 2004b regular règent instru-
ments inc ktorý na nepriame meranie dĺžky povrchu objemu a počtu zakončení jem-
ných koreňov využíva analýzu digitálnych snímok jemných koreňov vhodnosť programu ako aj niektoré obmedzenia z hľadiska dosiahnuteľnej presnosti meranie dĺžky priemeru a rozdelenia jemných koreňov do hrúbkových kategórií testovali bauhus mesier 1999 z ich výsledkov vyplýva že pri vhodnom rozmiestnení častí jemných koreňov na skeno-
vanej ploche nie je relatívna chyba merania dĺžky nikdy väčšia ako 5 čo sa vzhľadom na komplikovanosť merania dĺžky jemných koreňov považuje za veľmi dobrý výsledok obraz jemného koreňa sa sníma pomocou skenera epson perfection 4 870 photo s vysokou rozlišovacou schopnosťou 6 400 dpi vymytý koreň sa uloží do obdĺžnikovej plastovej nádoby naplnenej vodou jemné korene sa pritlačia ku dnu misky príložným sklom tak aby nedošlo ku skresleniu dĺžky v dôsledku ohnutia vo vertikálnom smere vzorka sa skenuje ako transparentný materiál pri skenovaní koreňov je potrebné použiť rozlíšenie minimálne 800 dpi častejšie sa však pracuje s rozlíšeniami nad 1 000 dpi hoci aj mierne zvyšovanie rozlíšenia podstatne predlžuje čas skenovania a ďalšieho spraco-
vania snímku veľkosť zachyteného bodu je 0 032 mm pri 800 dpi a 0 021 mm pri 1 200 dpi na druhej strane je nastavenie vyššieho rozlíšenia dôležité preto lebo ako dokumen-
tujú bauhus messier 1999 použitý software vykazuje tendenciu podhodnotiť dĺžku v konkrétnej hrúbkovej triede ak je skutočná hrúbka analyzovanej časti koreňa nižšia v porovnaní s hornou hranicou hrúbkovej triedy o menej ako je rozmer 1 bodu snímka je uložená formáte bitovej mapy t j nekomprimovaného obrazu napr tiff tif obraz je čiernobiely počet stupňov šedosti je 256 od hodnoty 0 biela po hodnotu 255 čierna 86
program predstavuje štandardnú metodiku na zisťovanie uvedených parametrov jeho vý-
stupom sú údaje o celkovej dĺžke a priemernej hrúbke celkovom povrchu objeme a počte zakončení koreňového systému resp jeho analyzovanej časti druhou časťou výstupu je rozdelenie týchto veličín okrem priemernej hrúbky po hrúbkových triedach stanovených pred analýzou voľba triedneho intervalu je kompromisom medzi potrebou zachytiť roz-
diely v hrúbkovej štruktúre jemných koreňov a zároveň zachovať prehľadnosť výstupu triedny interval má najčastejšie hodnotu 0 5 mm zriedkavejšie 0 25 mm alebo 1 0 mm poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
aber j d melillo j m nadelhoffer k j mc claugherty c pastor j 1985 fine root turnover in forest ecosystems in relation to quantity and form of nitrogen availability a comparison of two methods oecologia 66 317 321 albrecht l 1990 grundlagen ziele und methodik der waldökologischen forschung in naturwaldreservaten naturwaldreservate in bayern schriftenreihe des bayerischen staatsministeriums für ernährung landwirt-
schaft und forsten gemeinsam mit dem lehrstuhl für landschaftstechnik band 1 münchen 221 s und anhang bauhus j messier ch 1999 evaluation of fine root length and diameter measurements obtained using rhi-
zo image analysis agronomy journal 91 142 147 clark p j evans f c 1954 distance to nearest neighbour as a measure of spatian relationship in populati-
ons ecology 35 p 445 453 deliocourt f 1898 de l’amenagement des sapiniers bul soc for franche- compte´ et belfort 396 409 dixon p m weiner j mitchell-olds t woodley r 1987 bootstrapping the gini coefficient of inequa-
lity ecology 68 p 1548 1551 eissenstat d m wells c e yanai r d whitbeck j l 2000 building roots in a changing environment implications for root longevity new phytologist 147 33 42 füldner k 1995 strukturbeschreibung von buchen-edellaubholz-mischwäldern dissertation forstliche fa-
kultät göttingen cuvillier verlag göttingen 146 p gadow k 1999 waldstruktur und diversität afjz 170 7 s 117 121 gale m r grigal d f 1987 vertical root distributions of norhern tree species in relation to successional status canadian jornal of forest research 17 829 834 glenn-lewin d c and van der maarel e 1992 patterns and processes of vegetation dynamics in glenn- lewin d c peet r and veblen t eds plant succession chapman and hall pp 11 59 göbl f 1995 mykorrhiza- und feinwurzeluntersuchungen in einem wald- und weidegebiet fbva berichte 87 201 213 gratzer g canham c dieckmann u fischer a iwasa y law r lexer m j sandmann h spies t a splechtna b e szwagrzyk j 2004 spatio-temporal development of forests current trends in field methods and models oikos 107 3 15 hendrick r l pregitzer k s 1993 the dynamics of fine root length biomass and nitrogen content in two northern hardwood ecosystems canadian journal of forest research 23 2507 2520 hertel d leuschner ch 2006 the in situ root chamber a novel tool for the experimental analysis of root competition i forest soils pedobiologia 50 217 224 hofgaard a 1993 structure and regeneration patterns in a virgin picea abies forest in northern sweden jour-
nal of vegetation science 4 p 601 608 jackson r b canadell j ehleringer j r mooney h a sala o e schulze e d 1996 a global analysis of root distributions for terestrial biomes oecologia 108 389 411 87
jahne s dohrenbusch a 1997 ein verfahren zur beurteilung der bestandesdiversität forstw centralblatt 116 p 333 345 kochian l v pineros m a hoekenga o a 2005 the physiology genetics and molecular biology of plant aluminium resistance and toxicity plant and soil 274 175 195 korf v 1939 příspěvek k matematické definici vzrůstového zákona hmot lesních porostů lesnická práce 18 s 339 379 korpeľ š 1989 pralesy slovenska bratislava veda sav 332 s leibundgut h 1959 über zweck und methodik der struktur- und zuwachsanalyse von urwäldern schwei-
zerische zeitsschrift für forstwesen 110 111 124 meier i c leuschner ch 2008 belowground drought response of european beech fine root biomass and car-
bon partioning in 14 mature stands across a precipitation gradient global change biology 14 2081 2095 meinen c hertel d leuschner ch 2009 biomass and morphology of fine roots in temperete broad-lea-
ved forests differing in tree species diversity is there evidence of below-groung overyielding oecologia 161 99 111 merganič j 2001 regionálna inventarizácia lesa s dôrazom na kvantifikáciu biodiverzity dizertačná práca tu zvolen 176 p mueller-dombois d 1987 natural dieback in forests biosci 37 8 575±583 murach d 1984 die reaktion der feinwurzeln von fichten auf zunehmende bodenversauerung göttinger bodenkundliche berichte 77 127 s nadelhoffer k j 2000 the potential effects of nitrogen deposition on fine-root production in forest eco-
systems new phytologist 147 131 139 norby r j jackson r b 2000 root dynamics and global change seeking an ecosystem perspective new phytologist 147 3 12 oldemann r a a 1990 forests elements of silvology springer-verlag berlin heidelberg new york pp 624 peet r k christensen n l 1987 competition and tree death biosci 37 8 586±595 pielou e c 1977 mathematical ecology new york wiley 385 p pretziger k s 2002 fine roots of trees a new perspective new phytologist 154 267 270 pretzsch h 1998 struktural diversity as a result of silvicultural operations lestnictví-forestry 44 10 p 429 439 rademacher p ulrich b michaelis w 1992 bilanzierung der elementvorräte und elementflüsse inner-
halb der ökosystemkompartimente krone stamm wurzel und boden eines belasteten fichtenbestandes am standort postturm in luftverunreinigungen und waldschäden am standort postturm forstamt farchau ratzeburg 149 187 remmert h 1991 the mosaic-cycle concept of ecosystems an overview in remmert h ed the mosaic- cycle concept of ecosystems springer-verlag berlin heidelberg ecological studies 85 pp 1±21 richter a k walthert l frossard e brunner i 2007 does low base saturation affect fine root proper-
ties of european beech fagus sylvatica l plant and soil 298 69 79 ruf m brunner i 2003 vitality of tree ﬁne roots reevaluation of the tetrazolium test tree physiology 23 4 257 63 runkle j guidelines and sample protocol for sampling forest gaps general technical report 1992 31 s šály r 1988 pedológia a mikrobiológia všld zvolen 39 103
šmelko š 2000 dendrometria vysokoškolská učebnica tu zvolen 399 s veblen t t 1992 regeneration dynamics in glenn-lewin d c peet r k veblen t t eds plant suc-
cession theory and prediction chapmann and hall pp 152±187 vorčák j 2005 štrukturálna diverzita vybraných horských lesov oravských beskýd a západných tatier vo väzbe na ich ekologickú stabilitu dizertačná práca zvolen- tvrdošín 135 p watt a s 1925 on the ecology of british beechwoods with special reference to their regeneration part ii sections ii and iii the development and structure of beech communities on the sussex downs continued j ecol 13 p 27 73 watt a s 1947 pattern and process in the plant community j ecol 35 1 22 weck h 1956 entwicklungsstufen und gefűgetypen von baumbeständen forstwiss centralblatt ½ p 108 114 88
wenk r c battles j j jackson r j bartolome j w allen-diaz b 2006 an accurate and efficient method for sorting biomass extracted from soil cores using point-intercept sampling soil science society of america journal 70 851 855 westphal ch tremer n von oheimb g hansen j von gadow k härdtle w 2006 is the reverse j-shaped diameter distribution universally applicable in european virgin beech forests forest ecology and management 223 p 75 83 zenner e k 1999 eine neue methode zur untersuchung der dreidimensionalität in waldbeständen univer-
sität freiburg 11 p zenner e k 1999 eine neue methode zur untersuchung der dreidimensionalität in waldbeständen univer-
sität freiburg 11 p zhou z shangguan z 2007 vertical distribution of ﬁne roots in relation to soil factors in pinus tabulaeformis carr forest of the loess plateau of china plant soil 291 119 129 adresa autora prof ing milan saniga drsc katedra pestovania lesa
tu zvolen masarykova 24
960 53 zvolen slovenská republika
e-mail saniga@vsld tuzvo sk
výskum štruktúry produkcie nekromasy rizológie a regeneračných procesov prírodných lesov slovenska
abstrakt príspevok pojednáva o metodológii a metodike výskumu vybraných častí štruktúry textúry re-
generačných procesov a rizológie pralesov slovenska metodika analýzy merania a vyhodnotenia vybraných biometrických znakov a veličín predstavuje vrcholovú úroveň výskumu pralesov v európe použitie field-map a ďalších meracích prístrojov umožní posun poznatkov v oblasti štúdia porastových medzier presnejšiu kvantiﬁ-
káciu vývojových štádií pralesa a matematický popis štrukturálnej diverzity umožní použitie vybraných druhov indexových metód prezentované postupy odberu spracovania a vyhodnotenia jemných koreňov významne posunú poznatky v oblasti rizológie v skúmaných pralesoch klúčové slova prales textúra štruktúra metodika výskumu rizológia
89
hodnotenie genetickej variability endemických druhov rodu sorbus
dušan g ö m ö r y ladislav p a u l e jaroslav ď u r k o v i č veronika k u č e r o v á
gömöry d paule l ďurkovič j kučerová v diversity of trees and ground-layer vegeta-
tion ii assessment of the genetic variation of endemic sorbus taxa acta facultatis forestalis
zvolen 51 3 89 97 2009 formation of the genetic differentiation is the principle mechanism of speciation the common metaphor of the evolutionary process namely phylogenetic tree does not conform to reality in many cases as reticulations among already diverged taxa frequently occur one of the mechanisms of reticulation is represented by alloploid hybridization the genus sorbus may be a good example of alloploidy several hybridogenous sorbus taxa were described the study will focus on hybrid taxa among s chamaemespilus s aria and s aucuparia which occur naturally in subalpine com-
munities of slovakia in addition to the methods of classical taxonomy morphometry and the study on the variation of wood elements and wood structure will be performed the determination of the origin of hybridogenous taxa and mechanisms of their formation will be based on gene markers we suggested a combination of maternally inherited chloroplast markers cppcr-rflp and cpvntr for the identiﬁcation of the maternal taxon completed by biparentally inherited nuclear aflp mar-
kers for the determination of the participating paternal taxon or taxa the possibilities of the use of individual methods for the study of alloploid hybridization in sorbus are discussed key words sorbus sp hybridization alloploidy endemic taxa
1 úvod
genetická diferenciácia je základným predpokladom speciácie vzniku nových taxónov základ druhovej diverzity spočíva v charaktere genetickej premenlivosti a me-
chanizmoch ktoré ju ovládajú evolúcia druhov bola dlho prezentovaná ako proces vet-
venia alebo odštepovania nových taxónov retikulátne sieťovité vzťahy medzi taxónmi však boli popísané v celom rade situácií v rastlinnej ríši je najdôležitejším mechanizmom ich vzniku hybridizácia a introgresia až 25 rastlinných druhov sa podieľa na medzi-
druhovej hybridizácii mallet 2005 hybridizácia a introgresia sú teda skôr pravidlom než výnimkou v rastlinnej ríši najmä u krytosemenných rastlín a výskyt hybridov sa ani zďaleka neobmedzuje len na špeciﬁcké stanovištia arnold 2006 cronn a wendel 2004 rieseberg a carney 1998 acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
90
v prípade alopolyploidie je hybridizácia spojená so zväčšením genómu polyploidi-
zácia je veľmi častým mechanizmom diverziﬁkácie a speciácie rastlín rieseberg 1997 aj keď mnohé z alopolyploidných druhov sú apomiktické neplatí to všeobecne takže v niektorých rodoch vznikajú komplikované hybridné komplexy aloploidia ako mechanizmus speciácie sa vo veľkom rozsahu uplatňuje v rode sor-
bus v ktorom sú niektoré taxóny dokonca považované za produkty kríženia troch či via-
cerých druhov bernátová a májovský 2003 nelson-jones et al 2002 rod sorbus obsahuje 5 diploidných druhov zaraďovaných k rôznym podrodom sorbus aria sorbus aucuparia sorbus torminalis sorbus chamaemespilus a sorbus domestica podrod aria zahŕňa okrem nominátneho diploidného druhu s aria sensu stricto aj celý rad triploidných a tetraploidných taxónov ich status je sporný často sú označované ako samostatné druhy ale väčšinou sú považované za súčasť agregátneho druhu s aria sensu lato triploidy boli identiﬁkované aj u ďalších podrodov liljefors 1955 okrem týchto základných druhov existuje celý rad morfologicky prechodných taxónov je sporné nakoľko možno hovo-
riť o samostatných druhoch u ktorých sa predpokladá hybridogénny pôvod motorom medzidruhovej hybridizácie je agregát s aria s l zúčastňuje sa na nej aj jeden alebo niekoľko ďalších základných druhov aas et al 1994 stace 1997 nápadné sú taxóny s účasťou jarabiny mišpuľky s chamaemespilus ktorá je jediným druhom jarabín s ru-
žovými kvetmi ružové zafarbenie sa v tej či onej forme celoplošné zafarbenie okvet-
ných lístkov ružový okraj a pod objavuje u každého hybridného taxónu tejto skupiny bernátová a májovský 2003 všeobecne sa predpokladá že ide o polyploidné taxóny avšak v rode sorbus existujú aj homoploidné hybridy napr s thuringiaca či s vagensis nelson-jones et al 2002 rovnako paušálny je predpoklad že tieto hybridy sa množia sčasti alebo úplne apomikticky jankun 1993 naša predbežná štúdia hybridov na loka-
lite npr skalná alpa však naznačuje opak jadrové mikrosatelitné markéry vykazovali variabilitu práve v hybridných taxónoch aj keď priestorová genetická štruktúra svedčí o veľkom rozsahu klonálneho šírenia naopak u jedincov s chamaemespilus boli úplne monomorfné gömöry a krajmerová 2008 retikulátna evolúcia sa neobmedzuje len na medzidruhovú úroveň evolúcia v rámci druhu takisto zahŕňa výmenu genetického materiálu medzi odlišnými jedincami a populá-
ciami častou príčinou tejto odlišnosti je pôvod z rozdielnych glaciálnych refúgií pozdĺž línií stretu migračných prúdov sa vytvárajú hybridné zóny ktorých šírka závisí od mecha-
nizmov toku génov hewitt 2001 pre získavanie lesného reprodukčného materiálu a deﬁnovanie vhodných opatrení pre zachovanie genetických zdrojov najmä in situ je teda nevyhnutné poznať rozsah a smer vnášania cudzích génov do genofondu populácie iným spoločensky významným aspek-
tom je ochrana prírody často bol ako druh popísaný jediný aloploidný genotyp množiaci sa apomikticky vzhľadom na obmedzený výskyt potom takéto taxóny podliehajú druho-
vej ochrane ktorá v tomto prípade nie je zmysluplná objasnenie mechanizmov hybridnej speciácie a udržiavania druhov môže byť významným podkladom pre vypracovanie efek-
tívnych postupov ochrany aktivita biodiverzita drevín a bylinnej synúzie v rámci projektu adaptívne les-
né ekosystémy sa z hľadiska hodnotenia genetickej variability endemických taxónov 91
a objasňovania mechanizmov ich vzniku zameriava na proces aloploidnej hybridizácie komplexu vysokohorských druhov jarabín cieľom projektu v tejto oblasti je upresnenie taxonomickej klasiﬁkácie slovenských resp stredoeurópskych hybridogénnych taxónov rodu sorbus štúdium ich morfologickej a fyziologickej premenlivosti veľkosti a usporia-
dania ich genómu ich genetickej variability jej priestorového rozdelenia a reprodukčnej biológie má prispieť k objasneniu ich fylogenézy predovšetkým k odpovedi na otázky či ide o monofyletické alebo polyfyletické taxóny a aká je úloha apomixie v ich rozmnožo-
vaní a tým k položeniu racionálnych základov pre taxonomickú klasiﬁkáciu prínosom bude okrem spresnenia morfologického popisu hybridných taxónov aj ich štrukturálna charakteristika štruktúra sekundárneho xylému obsahové zastúpenie hlavných drevných komponentov a zhodnotenie základných fyziologických parametrov výsledky by mali prispieť k objasneniu mechanizmov umožňujúcich vznik hybridných taxónov ich preží-
vanie a udržanie ich taxonomickej identity 2 materiál a metodika aktivita 3 1 sa zameriava na tzv ružovokveté hybridné taxóny v rode sorbus t j taxóny v ktorých jedným z rodičovských partnerov je jarabina mišpuľka s chamae-
mespilus podobne ako mišpuľka aj u hybridných taxónov sa jedná o subalpínske druhy s centrom rozšírenia v 8 l v s na slovensku je ich výskyt koncentrovaný do vrcholových polôh vysokých pohorí stredného slovenska veľká fatra krivánska malá fatra západná časť nízkych tatier popísaných bolo celkovo 9 hybridných taxónov tejto skupiny na základe morfo-
lógie sa u niektorých predpokladá pôvod z jednoduchej hybridizácie medzi s aria a s chamaemespilus u iných sa predpokladá aj prímes génov s aucuparia tab 1 cf ber-
nátová a májovský 2003 tab 1 prehľad ružovokvetých hybridogénnych taxónov rodu sorbus
tab 1 list of rosy-ﬂowezed hybridogenous taxons of the genus sorbus
taxón
rodičovské druhy
s chamaemespilus s aria s aucuparia
s zuzanae x x
s haljamovae x x
s montisalpae x x x
s atrimontis x x x
s salatini x x x
s margittaiana x x x
s caeruleomontana x x x
s sudetica x x
s diversicolor x x x
92
ako modelové lokality boli vybrané npr skalná alpa a npr suchý npr skalná alpa v np veľká fatra má výmeru 524 ha a zahŕňa spoločenstvá 3 lesných vegetačných stupňov s výškovým rozpätím 940 1 463 m n m podložím sú triasové dolomity spo-
ločenstvá vo vrcholovej časti patria k asociácii adenostylo-pinetum mughii a sú tvorené nízkymi porastami kosodreviny s prímesou jarabiny vtáčej a roztrúsenými jedincami smreka okrem s aucuparia tu bolo identiﬁkovaných 6 ďalších taxónov jarabín s chamaemespilus s aria s zuzanae s haljamovae s montisalpae a s atrimontis ber-
nátová a májovský 2003 npr suchý sa nachádza na juhozápadnom výbežku np malá fatra na rozlohe 429 ha zasahuje od 5 po 8 l v s na rozmanitých podložiach vrcholová časť je opäť tvorená dolomitmi a pokrytá porastami kosodreviny s prímesou jarabiny vtáčej a viacerých druhov vŕb s aria sa priamo vo vrcholovej časti nenachádza ale možno ju nájsť v blízkosti hornej hranice lesa v porastoch kosodreviny má pomerne bohaté zastúpe-
nie s margittaiana a je možné nájsť aj niekoľko jedincov s chamaemespilus projekt stavia čiastočne na predchádzajúcich aktivitách v oboch npr boli zozbie-
rané vzorky ako materských druhov tak aj predpokladaných hybridogénnych taxónov a archivované v herbároch herbárové položky budú použité pre morfomet-
rické analýzy z každého jedinca bude vybraný štan-
dardný list brachyblast 3 list od apexu oskenovaný a pomocou softwaru tpsdig v 2 rohlf 2004 budú zmerané morfometrické údaje obr 1 okrem základ-
ných rozmerových premenných budú prostredníctvom svetelnej mikroskopie posudzované aj charakteristiky povrchu listov hustota a veľkosť trichómov a štruk-
túry listov hrúbky mezofylu a palisádového parenchý-
mu pre analýzu bude použitá kanonická diskriminač-
ná analýza proc candisc sas 1988 z hľadiska fotosyntetickej výkonnosti v konštantných podmien-
kach koncentrácie co
2 teploty a relatívnej vzdušnej vlhkosti sa in situ porovnajú parametre výmeny plynov rýchlosť asimilácie co
2 transpirácia stomatálna kon-
duktancia a ﬂuorescencie chlorofylu a fotochemická účinnosť fv fm potenciálna elektrónová kapacita a fo-
tosyntetická kapacita fv f0 projekt počíta na menšom počte vzoriek s kom-
paratívnou analýzou štruktúry dreva prostredníctvom skenovacej elektrónovej mikroskopie a svetelnej mik-
roskopie sa naša pozornosť zameria na sledovanie veľkosti lumenov ciev typy per-
forácie ciev a frekvencie zastúpenia ciev v sekundárnom xyléme dospelých jedincov z hľadiska zastúpenia hlavných drevných komponentov sa stanoví percentuálny podiel celulózy hemicelulóz lignínu a extraktívnych látok pomocou gélovej permeačnej chromatograﬁe sa určí priemerný polymerizačný stupeň celulózy medzi sledovanými ta-
obr 1 príklady meraných charakteris- tík pre morfometrickú štúdiu
fig 1 examples of characteristics me- asured for morfometric study
93
xónmi a nitrobenzénovou oxidáciou sa stanoví zastúpenie monomérnych podjednotiek v makromolekule lignínu pomer medzi syringylovými a guajacylovými štruktúrami pre analýzu genetických markérov bola z herbárových vzoriek izolovaná celková ge-
nomická dna z listov boli vystrihnuté dva krúžky s priemerom cca 8 mm a rozomleté vo vibračnom mlyne retsch na jemný prášok dna bola extrahovaná štandardnou metó-
dou ctab podľa doyla a doyla 1987 modiﬁkovanou pre menšie množstvo materiálu do použitia pre analýzy je uskladnená pri 80 °c pre identiﬁkáciu rodičovských taxónov a smeru hybridizácie bude použitá kombiná-
cia maternálne a biparentálne dedených markérov ako maternálne budú použité chloro-
plastové pcr-rflp markéry metodikou podľa raspé et al 2000 a minisatelitný vntr markér podľa kinga a ferrisa 2002 ako biparentálne dedené markéry budú použité aflp markéry analyzované štandardnou metodikou podľa vos et al 1995 a protoko-
lu applied biosystems applied biosystems 2005 s miernymi úpravami mereďa et al 2008 3 diskusia
aplikácia molekulárnych metód v taxonómii predovšetkým od čias keď ju pcr technológia umožnila v masovom meradle priniesla množstvo nových poznatkov o úlohe hybridizácie a rekurentnom vzniku predovšetkým u pohlavne sa rozmnožujúcich homoploidných hybridogénnych taxónov leitch a bennett 2004 rieseberg a carney 1998 podstatne menej je však známe o evolúcii aloploidných taxonomických komple-
xov najmä preto že vznikajúce taxóny sú často agamické alebo sa rozmnožujú iným nepohlavným spôsobom nelson-jones et al 2002 dreviny napriek niektorým vlast-
nostiam sťažujúcim ich použitie pre genetický výskum môžu byť v tomto smere dobrým modelom zásadnou otázkou je výber vhodných genetických markérov ktorý závisí od účelu pre ktorý majú byť použité gillet 1999 maternálne dedené markéry umožňujú pri štú-
diu hybridizácie identiﬁkáciu materského druhu resp materského jedinca možnou kom-
plikáciou tohto prístupu je introgresia teda spätné kríženie hybridov f
1 s rodičovským druhom a tým postupné zavádzanie génov jedného druhu do genofondu druhého a štie-
penie znakov v následných generáciách rieseberg a carney 1998 v populácii sa po niekoľkých generáciách môžu nájsť jedinci vykazujúci fenotyp jedného druhu a súčasne chloroplastový genóm druhého introgresia za normálnych okolností vedie k vytváraniu hybridných rojov teda populácií s kontinuálnou fenotypovou premenlivosťou zahŕňajú-
cou všetky stupne fenotypových prechodov medzi rodičovskými druhmi asymetrická hybridizácia teda preferenčné kríženie v jednom smere v spojení s ekologickou dife-
renciáciou rodičovských taxónov však môže viesť k vzniku celých populácií v ktorých chloroplastový genóm vykazuje taxonomickú príslušnosť odlišnú od jadrového genómu bacilieri et al 1996 pri vysokohorských jarabinách sme síce žiadne explicitné informá-
cie o existencii introgresie a jej rozsahu nezaregistrovali ovšem túto hypotézu nie je mož-
né a priori vylúčiť komplikované pomery ploidie a predpokladaná existencia taxónov v ktorých sa stretávajú genómy viac ako dvoch druhov naznačujú že f
1 hybridy môžu 94
byť plodné a ak sú schopné kríženia s tretím taxónom nie je možné vylúčiť ani spät-
né kríženie vzhľadom na doterajšie poznatky o genotypovej štruktúre hybridogénnych taxónov gömöry a krajmerová 2008 však nepredpokladáme masový rozsah spätných krížení niektoré z hybridných taxónov vykazujú istú mieru vnútrodruhovej genetickej va-
riability s haljamovae t j jednoduchý hybrid s aria × s chamaemespilus ale masové opakovanie rovnakých genotypov svedčí o veľkom rozsahu apomixie hypoteticky možno existenciu tohto typu premenlivosti vysvetliť buď prevládajúcou ale nie úplnou agamo-
spermiou v tomto prípade majú hybridogénne taxóny monofyletický pôvod a pokiaľ sa jedná o relatívne recentný vznik čo je v prípade jarabín vysoko pravdepodobné mali by vykazovať rovnaký chloroplastový genóm alebo opakovaným vznikom fenotypovo rov-
nakých f
1 hybridov z viacerých krížení s následnou apomixiou z čoho vyplýva polyfyle-
tický pôvod hybridogénnych taxónov a potenciálne rozdiely v chloroplastovom genóme medzi klonmi analýza chloroplastových markérov by mala umožniť rozhodnúť medzi oboma hypotézami pochopiteľne výsledok závisí od dostatočnej miery polymorﬁzmu preto pripadla voľba na vysoko variabilný minisatelitný markér podľa kinga a ferrisa 2002 markéry použité v štúdii raspé et al 2000 sú odvodené zo sady univerzálnych chloroplastových markérov vyvinutých demesure et al 1995 vhodná kombinácia pri-
merov a restrikčných endonukleáz by mala odhaliť variabilitu v príslušných úsekoch chlo-
roplastovej dna pokiaľ existuje porovnanie chloroplastových génov hybridogénnych taxónov a lokálnej populácie rodičovských taxónov by mohlo vniesť svetlo do otázky či sa v prípade hybridov jedná o recentný produkt lokálneho kríženia čo sa nedá vylúčiť najmä v prípade úzko endemických taxónov s jedinou lokalitou výskytu napr s salatini alebo o starší stabilizovaný taxón ktorý sa na jednotlivé stanovištia rozšíril migráciou chloroplastové markéry umožňujú identiﬁkovať len základný materský taxón urče-
nie ďalšieho rodičovského taxónu prípadne taxónov si vyžaduje použitie jadrových mar-
kérov štandardným nástrojom molekulárno-taxonomických štúdií je sekvenovanie spa-
cerov v géne kódujúcom malú podjednotku ribozómu its hoci tento markér sa ukázal byť veľmi efektívny pri diploidných druhoch máme obavu z jeho použitia a interpretácie sekvencií v taxónoch ktoré sú predpokladanými hexaploidmi z tohto dôvodu sme za naj-
rozumnejšiu voľbu pokladali aflp markéry ich jednoznačnou nevýhodou je dominan-
cia aj keď niektorí autori uvádzajú že intenzita signálu z jednotlivých fragmentov môže byť interpretovaná ako miera homo- či heterozygotnosti van eck et al 1995 na dru-
hej strane reprezentujú náhodný a pomerne rozsiahly výber z celého genómu a vykazujú pomerne vysokú variabilitu čo môže byť pre naše účely vhodné vendramin a hanson 2005 ostatne aflp markéry sa v posledných rokoch priradili k najčastejšie používa-
ným typom markérov pre taxonomické a biogeograﬁcké štúdie kardolus et al 1998 pochopiteľne molekulárna štúdia v taxonómii musí byť prepojená s morfologickou determináciou prípadne morfometrickou štúdiou morfometrii je občas vytýkaná tauto-
logickosť rovnaké znaky sú použité ako pre určenie druhov tak aj pre ich následnú diskrimináciu aj toto je motivácia pre zaradenie štruktúrnych znakov dreva do projektu predchádzajúce práce potvrdili mimoriadnu užitočnosť anatómie dreva pre taxonomické a fylogenetické štúdie lens et al 2004 schweingruber 2006 martinez-cabrera et al 95
2008 esteban et al 2009 alebo pri identiﬁkácii evolučných trendov v štruktúre sekun-
dárneho xylému lens et al 2007 2008 okrem prínosu v oblasti základného poznania je spoločensky významným aspek-
tom tejto časti projektu ochrana prírody často bol ako druh popísaný jediný aloploidný genotyp množiaci sa apomikticky vzhľadom na obmedzený výskyt potom takéto taxóny podliehajú druhovej ochrane ktorá v tomto prípade nie je zmysluplná najmä ak sa jedná o rekurentne vznikajúce hybridy objasnenie mechanizmov hybridnej speciácie a udržia-
vania druhov môže byť významným podkladom pre vypracovanie efektívnych postupov ochrany endemických taxónov poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
aas g maier j baltisberger m merzger s 1994 morphology isozyme variation cytology and repro-
duction of hybrids between sorbus aria l crantz and s torminalis l crantz botanica helvetica 104 195 214 applied biosystems 2005 aflp plant mapping protocol foster city ca pe applied biosystems arnold m l 2006 evolution through genetic exchange oxford university press oxford bacilieri r ducousso a petit r j kremer a 1996 mating system and asymmetric hybridization in a mixed stand of european oaks evolution 50 900 908 bernátová d májovský j 2003 new endemic hybridogeneous species of the genus sorbus in the western carpathians biologia 58 4 781 790 cronn r wendel j f 2004 cryptic trysts genomic mergers and plant speciation new phytologist 161 133 142 demesure b sodzi n petit r j 1995 a set of universal primers for amplification of polymorphic nonco-
ding regions of mitochondrial and chloroplast dna in plants molecular ecology 4 129 131 doyle j j doyle j l 1987 a rapid dna isolation procedure for small quantities of fresh leaf tissue phyto-
chemical bulletin 19 11 15 esteban l g de palacios p 2009 comparative wood anatomy in abietoideae pinaceae botanical journal of the linnean society 160 184 196 gillet e m 1999 purposes classification and desired marker characteristics in gillet e m ed which dna marker for which purpose final compendium of the research project development optimisation and validation of molecular tools for assessment of biodiversity in forest trees in the european union dg-
xii biotechnology fw iv research programme http webdoc sub gwdg de ebook y 1999 whichmarker index htm
hewitt g m 2001 speciation hybrid zones and phylogeography or seeing genes in space and time mole-
cular ecology 10 537 549 gömöry d krajmerová d 2008 spatial structure of a natural mixed topodeme of subalpine sorbus taxa acta societatis botanicorum poloniae 77 305 311 jankun a 1993 evolutionary signiﬁcance of apomixis in the genus sorbus rosaceae fragmenta floristica et geobotanica 38 627 686 kardolus j van eck h j van den berg r g 1998 the potential of aflps in biosystematics a first appli-
cation in solanum taxonomy solanaceae plant systematics and evolution 210 87 103 king r a ferris c 2002 a variable minisatellite sequence in the chloroplast genome of sorbus l rosaceae maloideae genome 45 570 576 96
leitch i j bennett m d 2004 genome downsizing in polyploid plants biological journal of the linnean society 82 651 663 lens f kron k a luteyn j l smets e jansen s 2004 comparative wood anatomy of the blueberry tribe vaccinieae ericaceae s l annals of the missouri botanical garden 91 566 592 lens f baas p jansen s smets e 2007 a search for phylogenetically informative wood characters within lecythidaceae s l american journal of botany 94 483 502 lens f endress m e baas p jansen s smets e 2008 wood anatomy of rauvolfioideae apocyna-
ceae a search for meaningful non-dna characters at the tribal level american journal of botany 95 1199 1215 liljefors a 1955 cytological studies in sorbus acta horticulturae bergiani 17 47 113 mallet j 2005 hybridization as an invasion of the genome trends in ecology and evolution 20 229 237 martinez-cabrera d terrazas t flores h ochotorena h 2008 morphology anatomy and taxonomic position of plocaniophyllon brandegee rubiaceae a monospeciﬁc genus endemic to mesoamerica taxon
57 33 42 mereďa p jr hodálová i mártonﬁ p kučera j lihová j 2008 intraspeciﬁc variation in viola suavis in europe parallel evolution of white-ﬂowered morphotypes annals of botany 102 443 462 nelson-jones e b briggs d smith a g 2002 the origin of intermediate species of the genus sorbus theoretical and applied genetics 105 953 963 raspé o saumitou-laprade p cuguen j jacquemart a -l 2000 chloroplast dna haplotype varia-
tion and population differentiation in sorbus aucuparia l rosaceae maloideae molecular ecology 9 1113 1122 rieseberg l h 1997 hybrid origins of plant species annual review of ecology and systematics 28 359 389 rieseberg l h carney s e 1998 plant hybridization new phytologist 140 599 624 rohlf f j 2004 tpsdig version 2 software to digitize the coordinate locations of landmarks and to record other morphometric data stony brook university stony brook nysas 1988 sas stat user’s guide release 6 03 edition sas institute inc cary nc 1028 pp schweingruber f h 2006 anatomical characteristics and ecological trends in the xylem and phloem of bras-
sicaceae and resedacae iawa journal 27 419 442 stace c a 1997 new flora of the british isles cambridge university press cambridge van eck h j rouppe van dervoort j draaistra j van zandvoort p van enckevort e segers b peleman j jacobsen e helder j bakker j 1995 the inheritance and chromosomal localization of aflp markers in a non-inbred potato offspring molecular breeding 1 397 410 vendramin g g hanson o k 2005 molecular markers for characterizing variation in forest trees in t geburek j turok eds conservation and management of forest genetic resources in europe arbora publishers zvolen p 337 368 vos p hogers bleeker m reijans m van de lee t hornes m frijters a pot j peleman j kuiper m 1995 aflp a new technique for dna fingerprinting nucleic acids research 23 4407 4414 adresa autorov dušan gömöry
ladislav paule
jaroslav ďurkovič
veronika kučerová
technická univerzita vo zvolene
lesnícka fakulta
t g masaryka 24
960 53 zvolen
97
hodnotenie genetickej variability endemických druhov rodu sorbus abstrakt
genetická diferenciácia je základným mechanizmom speciácie bežná metafora fylogenetického procesu teda evolučný strom v mnohých prípadoch nezodpovedá skutočnosti časté sú sieťovité prepojenia medzi už vyvinutými taxónmi jedným z mechanizmov retikulácie teda evolučného spájania fylogenetických vetiev je aloploidná hybridizácia rod sorbus môže slúžiť ako dobrý model aloploidie bol v ňom popísaných celý rad hybridogénnych taxónov predmetom štúdia budú hybridné druhy s účasťou s chemaemespilus s aria a s aucuparia ktoré sa prirodzene vyskytujú v subalpínskych spoločenstvách slovenska okrem metód klasickej taxonómie sa predpokladá použitie morfometrie a štúdia variability drevných elementov a štruktú-
ry dreva základom pre určenie pôvodu hybridných taxónov a mechanizmov ich vzniku bude použitie gene-
tických markérov navrhujeme využitie kombinácie maternálne dedených chloroplastových markérov prl- rflp a cp ssr na identiﬁkáciu materského taxónu a biparentálne dedených aflp markérov pre determináciu
zúčastneného otcovského taxónu prípadne taxónov práca rozoberá možnosti využitia jednotlivých metód pre štúdium aloploidnej hybridizácie v rode sorbus kľúčové slová sorbus sp hybridizácia aloploidia endemické taxóny
98
99
empirický model transpirácie buka lesného v rastovom simulátore sibyla
marek f a b r i k a katarína s t ř e l c o v á dagmar m a g o v á fabrika m střelcová k magová d empirical model for transpiration of european be-
ech in tree growth simulator acta facultatis forestralis zvolen 51 3 99 112 2009 nowadays tree growth simulators are preferred in forest modeling the models are able to predict forest development regarding wide range of input parameters silva bwin moses prognaus sibyla climate data are usually one of them and they allow estimate impact of climate change to forest growth and production recently climate change is evident by planet war-
ming and drying greenhouse gasses and their reduction by wood sequestration are modeled nowa-
days but questions of water outgo by tree transpiration models are not well investigated till now the paper presents methodology of the transpiration model and its software implementation the model is based on tree growth simulator sibyla developed on technical university zvolen the growth simulator was already successfully applied for impact of climate change to slovak forest development the transpiration model is based on measurements of tree transpiration ﬂow on per-
manent research plots in slovakia with detailed measurements of tree parameters regarding tree co-ordinates and crown parameters and climate parameters the model is statistically oriented the model estimates amount of transpired water by tree crown surface mean daily temperature in vegetation season number days of vegetation season and number of rainy days during vegetation season climatic scenarios and sibyla growth prognosis produce amount of transpired water at forest stand level the paper provides examples of model usage stand models in different vegetation zones and ele-
vation levels are used for mentioned purposes changing management concepts are applied and impact on forest transpiration is discussed key words global and regional climate change forest modeling transpiration european beech growth simulators
1 úvod a problematika
transpirácia predstavuje v klimatických podmienkach európy približne po-
lovicu z celkového ročného úhrnu zrážok denmead & shaw 1962 podiel transpirácie na celkovej vodnej bilancii povodia alebo lesného porastu je predovšetkým závislý od 1 klimatických podmienok územia teda množstvo a rozdelenie zrážok obsahu pôdnej vlhkosti a evaporačných podmienok atmosféry 2 vegetačného krytu a jeho vlastnos-
tí pretože transpirácia je určovaná nielen fyzikálnymi zákonmi ale aj anatomickými morfologickými a fyziologickými vlastnosťami rastlín střelcová et al 2004 množstvo vyparenej vody z lesného porastu je predovšetkým určované druhom vekom štruktúrou acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
100
zloženia a zdravotným stavom porastov a vzájomným vzťahom medzi porastom a prostre-
dím energetická spotreba na transpiráciu predstavuje významný podiel na energetickej bilancii zeme regulácia transpirácie pomocou prieduchov zohráva dôležitú úlohu v pro-
cesoch výmeny hmoty a energie medzi vegetáciou a atmosférou pôdne sucho môže pred-
stavovať faktor ktorý významne ovplyvňuje transpiračný prúd a teda aj podiel energie na energetickej bilancii vyparujúcich sa povrchov lagergren & lindroth 2002 množstvo vytranspirovanej vody určuje vlastnosti hraničnej vrstvy atmosféry wilson & baldocchi 2000 a jeho znižovanie vodným stresom môže mať významný vplyv na klímu shukla & mintz 1982 z tohto dôvodu sa výskum transpirácie stáva dôležitým zvlášť v poslednom desaťročí keď sa zvyšuje frekvencia fenoménu extrémneho počasia karl et al 1995 čermák et al 2004 střelcová et al 2009 získanie údajov o transpirácii a evapotranspirácii lesných porastov si vyžaduje špe-
ciálne metodologické experimentálne a modelové postupy výber vhodných metód má rozhodujúcu úlohu aj kvôli veľkému množstvu vnútorných a vonkajších faktorov ktoré ovplyvňujú transpiráciu pre stanovenie transpirácie lesných porastov bolo vyvinutých niekoľko metodologických postupov hodnotenie množstva transpirovanej vody môže byť chápané na rôznych úrovniach z hľadiska stromov lesných porastov povodí či re-
giónov výskumy úrovne stromov napr lagergren & lidroth 2002 střelcová et al 2004 čermák et al 2007 poskytujú odpoveď na väčšinu nelineárnych fyziologických procesov a preto sa viac používajú pre empirické modelovanie takéto výskumy môžu byť použité pre modelovanie tokov niektorých lesných porastov a plôch extrapolácia zo skupiny jednotlivých stromov na celý porast by mala byť vykonávaná s ohľadom na exis-
tujúce prirodzené odchýlky medzi stromami pod vplyvom rôznych environmentálnych faktorov pre tento účel je vhodné použitie biometrických parametrov získaných z jed-
notlivých stromov a porastových úrovní čermák et al 2004 rastové modely predsta-
vujú do budúcnosti ďalšiu možnosť modelovania procesov na úrovni lesných porastov modelovanie rastových a fyziologických procesov drevín a lesných porastov sa v súčas-
nosti dostáva do popredia lesníckeho a ekofyziologického výskumu jednou z možností je modelovanie pomocou rastových simulátorov tieto modely umožňujú predpovedať vývoj lesa týkajúci sa širokého rozsahu vstupných parametrov silva bwin moses prognaus sibyla napr klimatických parametrov ktoré umožňujú odhadnúť vplyv klimatických zmien na rast stromov a produkciu pretzsch 1992 nagel 1996 hasenauer 1994 sterba 1995 fabrika 2005 posledné desaťročie môžeme z hľadiska klimatických zmien hodnotiť ako veľmi teplé a suché veľká pozornosť sa v modelovaní zameriava na znižovanie skleníkových plynov pomocou prirodzeného viazania do biomasy ale otázky výdaja vody cez transpiráciu stromov neboli doteraz veľmi preskúmané cieľom tohto príspevku je predstaviť metodiku modelovania transpirácie lesných drevín a prezentovať príklad jej softvérového riešenia model je založený na rastovom simulátore sibyla ktorý bol vyvinutý na technickej univerzite vo zvolene fabrika 2005 tento rastový simulátor bol doteraz úspešne používaný na modelovanie vplyvov klimatických zmien na vývoj lesných ekosystémov na slovensku model transpirácie spracováva namerané údaje štatisticky a je založený na kontinuálnom meraní transpirácie na výskumnej ploche poľana hukavský grúň spolu s detailným meraním parametrov 101
jednotlivých stromov súradnice stromov a parametre korún a meraním klimatických pa-
rametrov model odhaduje množstvo vytranspirovanej vody pomocou veľkosti povrchu korún stromov priemernej dennej teploty počas vegetačného obdobia počtu dní vegetač-
ného obdobia a počtu daždivých dní cez vegetačné obdobie klimatické scenáre a rastový simulátor sibyla predpovedajú množstvo vytranspirovanej vody z celého lesného po-
rastu v práci uvádzame použité príklady modelovania lesných porastov v rôznych vege-
tačných stupňoch a nadmorských výškach a tiež vplyv rôznych prístupov obhospodarova-
nia na transpiráciu 2 materiál a metodika merania
experimentálny výskum sa uskutočnil v dospelom zmiešanom jedľovo-smre-
kovo-bukovom poraste abieto-fagetum na výskumnej ploche poľana hukavský grúň ktorá sa nachádza v juhovýchodnej časti biosférickej rezervácie poľana zapísanej do unesco na strednom slovensku � = 48°39' n � = 19°29' e v nadmorskej výške 850 m n m výskumný porast bol vybratý na svahu so severovýchodnou expozíciou 5 10° v klimaticky chladnej oblasti s priemernou ročnou teplotou 5 8 °c 1951 1980 a s roč-
ným úhrnom zrážok 853 mm pôdny typ ktorý sa tu vyskytuje je kambizem andozemná s priemernou hĺbkou 80 cm skúmaný lesný porast má vek okolo 100 rokov so 70 za-
stúpením buka lesného fagus sylvatica l 20 zastúpením smreka obyčajného picea abies l karst 3 5 zastúpením jedle bielej abies alba mill a ostatný doplnok do 100 zastúpenia tvoria jednotlivé stromy jaseňa štíhleho fraxinus excelsior l a javora horského acer psedoplatanus l porast je vertikálne diferencovaný od mája do konca septembra úplne zapojený s indexom listovej plochy lai 5 89 ktorý bol určovaný v jú-
ni charakteristiky jednotlivých vzorníkov stromov sú uvedené v tab 1 a ich priestorové usporiadanie na výskumnej ploche je znázornené na obr 1 obr 1 štruktúra lesného porastu na výskumnej ploche s vyznačenými stromami na ktorých sa meral transpiračný prúd tmavé body fig 1 sample plot with individual tree data and sample trees red ones with transpiration measurements
102
tab 1 biometrické parametre modelových stromov
tab 1 measured variables of sampled trees
merané charakteristiky
transpiračný prúd na meranie transpiračného prúdu vybraných vzorníkov buka sme použili priamu nedeštruktívnu a kontinuálnu metódu tepelnej bilancie thb ktorá je založená na vnútornom vyhrievaní xylémových pletív konkrétne bol použitý sap ﬂow meter p4 1 vyrábaný ﬁrmou environmental measuring systems brno česká republika zobrazený na obr 2 táto metóda je často využívaná pri stanovení transpirácie stromov a porastov cienciala et al 1999 střelcová et al 2004 a bola overená expe-
rimentálne lundblad et al 2001 v práci sme použili hodnoty intenzity transpiračného prúdu ktorý bol meraný kontinuálne v 15 minútových intervaloch na šiestich vzorníkoch buka počas vegetačného obdobia 1995 1996 a 1997 od 1 mája do 30 októbra obr 2 meranie transpiračného prúdu v kmeni stromu metódou tepelnej bilancie
fig 2 measurements of sap ﬂow by the tree-trunk heat balance method
vzorník
biosociologické postavenie stromu
rok merania transpirácie
výška m d
1 3 cm horizontálna korunová projekcia m2 buk 1 zatienený 1995 28 0 21 3 18
buk 2 vrastavý 1995 32 0 33 1 30
buk 3 úrovňový 1995 37 0 43 9 75
buk 4 zatienený 1996 1997 32 0 25 5 19
buk 5 úrovňový 1996 1997 37 0 44 1 78
buk 6 predrastavý 1996 1997 37 5 49 8 69
103
obr 3 schematické znázornenie meteorologickej veže a jednotlivých meraných charakteristík na výskumnej ploche poľana hukavský grúň v rýchlosť vetra sv smer vetra gr globálna radiácia tv teplota vzduchu rv relatívna vlhkosť vzduchu tp teplota pôdy vp vodný potenciál pôdy tr transpiračný prúd d datalogger nb notebook
fig 3 meteorological tower in the research plot poľana hukavský grúň v wind speed sv wind direction gr global radiation tv air temperature rv relative air humidity tp soil temperature vp soil water potential tr transpiration sap ﬂow d datalogger nb notebook
mikroklimatické merania na výskumnej ploche bola nainštalovaná meteorologická veža kde sa použitím prístrojov delta-t vyrábané vo veľkej británii ﬁrmou delta v 10 minútových intervaloch zaznamenávali a merali údaje o teplote a vlhkosti vzduchu tv rv globálnej radiácií gr zrážkach p a rýchlosti vetra v nad porastom vo výške 34 37 m nad zemou meteorologická veža je znázornená na obr 3 teplota pôdy sa merala v hĺbke 0 1 m a vodný potenciál pôdy sa meral raz za týždeň pomocou tenzio-
metrov umiestnených do vzdialenosti 0 5 a 1 0 m od jednotlivých vzorníkov stromov do hĺbky 15 30 50 a 70 cm 104
3 metodika
na základe údajov meraní transpiračného prúdu stromov bol vytvorený regres-
ný model medzi povrchom koruny stromu resp hrúbkou stromu priemernou dennou teplotou a denným množstvom transpirovanej vody na vyrovnanie bola použitá mit-
scherlichova funkcia mitscherlich 1948 hodnota denného množstva transpirovanej vody je modelovaná touto funkciou v závislosti od priemernej dennej teploty pričom prvý koeﬁcient je konštantný a druhý koeﬁcient je modelovaný polynómom druhého stupňa v závislosti od povrchu koruny stromu resp hrúbky stromu 1 2 kde tr
h20 je denné množstvo transpirovanej vody v litroch za deň cs je veľkosť korunové-
ho plášťa stromu v m2 d
1 3 je hrúbka stromu v cm t je priemerná denná teplota v °c a a
0 a
1 a
2 a a
3 sú regresné koeﬁcienty tab 2 povrch koruny stromu je pritom stanovený na základe vzťahov pretzscha 2001 a je závislý od hrúbky a výšky stromu tab 2 koeﬁcienty regresných modelov transpirácie stromu
tab 2 regression coefﬁcients for tree transpiration model
stredná chyba m
x modelu 1 je 59 66 litra vody na strom a pre model 2 58 69 litra vody na strom stredná chyba pre n stromov je 3 celková skutočná suma transpirovanej vody stromov za celé obdobie merania bola 80 223 litrov vody pričom podľa modelu 1 je to 79270 litrov a podľa modelu 2 84792 litrov skutočná priemerná denná transpirácia stromov je 77 litrov vody za deň pričom podľa modelu 1 je to 76 litrov vody za deň a podľa modelu 2 je to 81 litrov vody za deň oba modely sú vhodné pre použitie prvý model sa hodí pre účely rastového simulá-
tora sibyla ktorý počíta priamo povrch koruny stromu druhý model sa hodí skôr pre praktickú inventarizáciu lesa kde sú známe iba hrúbky stromov ročné množstvo transpirovanej vody stromu sa vypočíta podľa vzťahu 4 kde tr
h2o je ročné množstvo transpirovanej vody stromu v litroch mt
vp 10 je priemerná 21 2 3
2 0 1
a a cs a cs t
h otr a e æ ö÷ç= ÷ç ÷çè ø 21 2 1 3 3 1 3
2 0 1
a a d a d t
h otr a e æ ö÷ç= ÷ç ÷çè ø
x
x
m
m
n
= 2 2 10 10 7 5 1 h o h o vp vp vp r trtr tr cs mt days k i k = a
0
a
1
a
2
a
3
i
yx
model 1 35 895 0 03306 0 000774 0 0000011 0 708
model 2 37 907 0 014461 0 000593 0 0000224 0 723
105
denná teplota počas krátkeho vegetačného obdobia keď priemerná denná teplota je väčšia ako 10 °c days
vp 10 je počet dní krátkeho vegetačného obdobia k
vp 7 5 je ko-
rektor dlhého vegetačného obdobia keď priemerná denná teplota je väčšia ako 7 5 °c i
r je index daždivých dní a k
tr je korektor dní so zanedbateľnou transpiráciou teplotná hranica 7 5 °c pre dlhé vegetačné obdobie bola stanovená na základe empirických údajov terénnych meraní ide o teplotnú hranicu kedy začínajú stromy trans-
pirovať obrázok 4 obr 4 model dennej transpirácie stromu a teplotná hranica začiatku transpirácie fig 4 the model of daily tree transpiration and limit of temperature for beginning of transpiration
obr 5 model korektora dlhého vegetačného obdobia fig 5 the model of corrector for long vegetation period
106
korektor dlhého vegetačného obdobia k
vp 7 5 je závislý od nadmorskej výšky bol odvodený na základe lineárnej závislosti znázornenej na obrázku 5 použili sa údaje slo-
venského hydrometeorologického ústavu kolektív 1991 empirické údaje pozostávajú z priemerného počtu dní vegetačného obdobia v roku za obdobie rokov 1951 1980 s prie-
mernou teplotou 5 °c a 10 °c pre 145 meteorologických staníc z územia slovenska na základe týchto údajov bol lineárnou interpoláciou určený počet dní s priemernou dennou teplotou 7 5 °c a bol vypočítaný index medzi počtom dní s priemernou dennou teplotou 7 5 °c a teplotou 10 °c tento index bol vyrovnaný regresnou priamkou v závislosti od nadmorskej výšky meteorologickej stanice index daždivých dní i
r predstavuje relatívny počet dní vegetačného obdobia s den-
nými zrážkami presahujúcimi 1 mm hranica 1 mm zrážok za deň predstavuje štatisticky významný rozdiel v úrovni transpirácie stromov obr 6 obr 6 hranica denného úhrnu zrážok pre odvodenie indexu daždivých dní
fig 6 the limit of daily precipitation for calculation of rainy days index
korektor dní so zanedbateľnou transpiráciou k
tr vyjadruje relatívny počet dní z počtu daždivých dní keď denná globálna radiácia poklesne pod 2 5 kwh m 2 z pozo-
rovania empirických údajov sa preukázalo že pod touto úrovňou radiácie prestáva pre-
biehať proces transpirácie stromov keďže v bežných prevádzkových údajoch sa veľmi ťažko stretneme s údajmi o globálnej radiácií bol počet dní kedy neprebieha transpirácia odvodený z počtu daždivých dní počet daždivých dní so zrážkami nad 1 mm sa stanoví v prevádzke omnoho jednoduchšie z pozorovania empirických údajov sa ukázalo že po-
čet dní so zanedbateľnou radiáciou a teda aj transpiráciou je rovný konštante 0 40 pre praktické použitie modelu je potrebné odvodiť index daždivých dní index daždi-
vých dní bol odvodený na základe údajov 145 meteorologických staníc z územia sloven-
ska kolektív 1991 je vypočítaný ako podiel počtu daždivých dní počas vegetačného obdobia od 1 apríla do 30 septembra voči dĺžke periódy 183 dní 5 1 4 30 9 1 4 30 9
1 4 30 9 183
r
rdays rdays
i
days
- -
= =
107
pre každú meteorologickú stanicu bol takýmto spôsobom vypočítaný index daždi-
vých dní medzi indexom daždivých dní a nadmorskou výškou meteorologickej stanice bol odvodený regresný model na základe digitálneho modelu reliéfu slovenska a regres-
ného modelu bol v prostredí arcgis odvodený raster indexu daždivých dní pre každú meteorologickú stanicu bol vypočítaný rozdiel medzi skutočným indexom daždivých dní a indexom odvodeným z regresného modelu tieto rozdiely boli potom interpolované pre všetky body rastra na základe metódy idw inverse distance weighting s použitím 6 najbližších meteorologických staníc ku každému bodu takto vznikol raster rozdielov k rastru indexu daždivých dní bol potom pripočítaný raster rozdielov pomocou mapovej algebry takto bol odvodený ﬁnálny korigovaný raster indexu daždivých dní tento raster zabezpečuje že index daždivých dní v bodoch meteorologických staníc sa zhoduje so skutočnosťou pričom sa zohľadňuje nielen vzťah k nadmorskej výške ale aj priestorová variabilita celý postup je názorne zobrazený na obr 7 obr 7 odvodenie indexu daždivých dní v prostredí gis
fig 7 derivation of rainy days index in gis environment
kvôli praktickému použitiu bola z korigovaného rastra indexu daždivých dní odvo-
dená tabuľka klimatickej amplitúdy pre 74 lesných oblastí slovenska bola na základe modelu reliéfu odvodená minimálna a maximálna nadmorská výška pre každú lesnú ob-
lasť bol potom urobený regresný model medzi nadmorskou výškou a indexom daždivých dní regresný model bol odvodený v prostredí gis na základe rastra modelu reliéfu a ko-
rigovaného rastra daždivých dní operácie boli robené zonálne zvlášť pre každú lesnú 108
oblasť vzniklo 74 regresných rovníc pre každú lesnú oblasť sa do príslušnej regres-
nej rovnice dosadila minimálna a maximálna nadmorská výška takto sa odvodil spodný a horný index daždivých dní odvodenie indexu daždivých dní potom závisí na lesnej oblasti a nadmorskej výške lesného porastu na základe príslušnosti porastu do lesnej oblasti sa z tabuľky klimatickej amplitúdy odvodí spodný a horný index daždivých dní potrebný index daždivých dní sa potom vypočíta interpoláciou na základe nadmorskej výšky porastu 4 výsledky
uvedená metodika výpočtu ročného objemu transpirovanej vody stromu sa im-
plementovala do programového riešenia rastového simulátora sibyla toto programové riešenie zabezpečuje že výpočet transpirácie stromov je plne automatizovaný pričom výsledky sú na úrovní jednotlivých stromov ako aj súborne pre celý lesný porast a to pre každú periódu rastovej simulácie použitie tohto modelu je znázornené na príklade troch lesných porastov prvý bukový porast sa nachádza v nadmorskej výške 400 m n m v zvolenskej pahorkatine druhý lesný porast sa nachádza v orograﬁckom celku veľkej fatry v nadmorskej výške 800 m n m je to zmiešaný bukový porast so 65 zastúpením buka a 35 zastúpením jedle posledný porast tvorí jedľovo-bukovo-smrekový zmiešaný les percentuálne zastúpenie buk 27 jedľa 14 a smrek 59 v lokalite kráľova hoľa s nadmorskou výškou 1000 m n m znázornenie jednotlivých lokalít je na obr 8 obr 8 znázornenie troch lesných oblastí vybratých pre simuláciu lesných porastov
fig 8 location of 3 forest eco-regions selected for simulation of the forest stands vybrané porasty predstavujú v podmienkach slovenska typické lesné porasty so za-
stúpením buka pre zistenie produkcie porastov sme použili slovenské rastové tabuľky halaj et al 1987 ako vstupné porastové parametre boli vybraté priemerná bonita 24 109
kritické zakmenenie porastu halaj 1985 a vek 60 rokov podľa metodiky regionalizá-
cie klímy na slovensku sme v závislosti od nadmorskej výšky a lesnej oblasti vytvorili typické klimatické parametre pre vybrané porasty fabrika et al 2005 okrem toho sme vypracovali prognózy vývoja lesných porastov pre obdobie 70 rokov použili sme dva va-
rianty prvý variant predstavuje prirodzený vývoj bez akéhokoľvek prebierkového režimu druhý variant uvažuje s metódou budúcich rubných stromov cieľových stromov počet vybratých stromov bol 200 na hektár s prihliadnutím na rovnomerné rozdelenie medzi dreviny pričom na každý budúci rubný strom pripadal jeden konkurent perióda prebierky bola 5 rokov výsledky sa prepočítali pre 100 zastúpenie buka a prognózy sú znázorne-
né na obr 9 môžeme vidieť že maximálnu transpiráciu vykazuje lesná oblasť s najniž-
šou priemernou nadmorskou výškou zvolenská pahorkatina 400 m n m a minimálnu transpiráciu lesná oblasť s najvyššou nadmorskou výškou v oblasti kráľová hoľa 1000 m n m tieto výsledky potvrdzujú logický dôsledok klimatických parametrov typických pre zmenu nadmorskej výšky prvý variant prirodzeného vývoja mal vyššiu transpiráciu ako variant druhý uvažujúci s metódou budúcich rubných stromov ako je vidieť na obráz-
ku 9 variant metódy budúcich rubných stromov má svoj vývoj typický lomenou čiarou čo vyjadruje rozdiely medzi stavom pred a po prebierke počas periódy 5 rokov obr 9 vývoj porastovej transpirácie pre 3 modelované bukové porasty 1 = zvolenská pahorkatina 400 m n m 2 = veľká fatra 800 m n m 3 = kráľová hoľa 1000 m n m a = variant prirodzeného vývoja b = metóda budúcich rubných stromov fig 9 development of stand transpiration for 3 simulated beech stands 1 = zvolenská pahorkatina 400 m a s l 2 = veľká fatra 800 m a s l 3 = kráľová hoľa 1000 m a s l a = natural development b = crop trees method 110
4 záver
uvedený príspevok prezentuje prvotné riešenie empirického modelu transpi-
rácie pre bukové stromy a porasty požadované údaje potrebné pre modelovanie dennej dynamiky transpirácie vychádzajú z povrchu korún stromov a dennej priemernej teploty povrchy korún stromov môžu byť v prípade ak nie sú známe dopočítane na základe rov-
níc pretzscha 2001 podľa hrúbok a výšok stromov pre modelovanie ročnej dynamiky sú potrebné ďalšie vstupné údaje priemerná teplota počas vegetačného obdobia počet dní vegetačného obdobia lesná oblasť a nadmorská výška model je vhodný pre dospelé bukové porasty staršie ako 60 rokov a použiteľný pre výpočet transpirácie jednotlivých stromov a prognózovanie vývoja porastovej transpirácie vzhľadom na štruktúru porastu klimatické údaje vrátane klimatických zmien a výchovné zásahy ďalšie úlohy výskumu sa objavujú v súvislosti so zovšeobecnením použitého modelu chceli by sme rozšíriť model transpirácie bukových porastov pre rôzne vekové kategórie a sociálne postavenie stromov taktiež by sme chceli model rozšíriť pre ďalšie dreviny smrek jedľu borovicu dub a aj smrekovec pre potvrdenie správnosti modelu je do budúcnosti potrebný ďalší výskum vo forme analýz senzitivity modelu na široký rozsah vstupných parametrov poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci realizácie projektu centrum exelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja vznikla na základe spolupráce aktivity 1 3 modelovanie rastových procesov lesných ekosystémov 50 a aktivity 2 1 globálne a regionálne zmeny 50 literatúra
čermák j kučera j nadezhdina n 2004 sap flow measurements with some thermodynamic methods flow integration within trees and scaling up from sample trees to entire forest stands trees 18 529 546 čermák j palát m penka m 1976 transpiration flow rate in a full grown tree of prunus avium l estimated by the method of heat balance in connection with some meteorological factors biologia plan-
tarum 18 111 118 čermák j ulehla j kučera j penka m 1982 sap flow rate and transpiration determination in full grown oak quercus robur l in floodplain forest exposed to seasonal floods as related to potencial evapotranspiration and tree dimensions biologia plantarum 24 446 460 cienciala e lindroth a čermák j hällgren j e kučera j 1994 the effects of water availability on transpiration water potential and growth of picea abies during growing season j hydrol 155 57 71 cienciala e kučera j lindroth a 1999 long-term measurements of stand water uptake in swedish boreal forest agric for meteorol 98 99 547 554 denmead o t shaw r h 1962 availability of soil water to plants as affected by soil moisture content and meteorological conditions agron j 54 385 390 fabrika m 2005 simulátor biodynamiky lesa sibyla koncepcia konštrukcia a programové riešenie simu-
lator of forest biodynamics sibyla conception construction and software solution habilitation work technical university of zvolen zvolen 238 p fabrika m ďurský j pretzsch h sloboda b 2005 regionalisation of climatic values for ecological site classiﬁcation using growth simulator sibyla with gis in remote sensing and geographical informa-
tion systems for environmental studies application in forestry edited by klein ch nieschultze 111
j and sloboda b band 138 universität göttingen j d sauerländer’s verlag frankfurt am main 245 255 halaj j 1985 kritické zakmenenie porastov podľa nových rastových tabuliek critical stand density by new yield tables lesnícky časopis 31 4 267 276 halaj et al 1987 rastové tabuľky hlavných drevín čssr yield tables for main tree species in czechoslova-
kia príroda bratislava 361 p hasenauer h 1994 ein einzelbaumsimulator für ungleichaltrige fichten-kieferen- und buchen-fichten-
mischbestände forstliche schriftenreihe universität für bodenkultur wien band 8 152 s nagel j 1996 anwendungsprogramm zur bestandesbewertung und zur prognose der bestandesentwicklung forst ind holz 3 p 76 78 karl t r knight r w plummer n 1995 trends in high-frequency climate variability in the twentieth century nature 377 217 220 kaufmann m r kelliher f m 1991 estimating tree transpiration rates in forest stands in j p lassoie t m hinckley eds techniques and approaches in forest tree eco-physiology crc press boca raton fl 117 140 kolektív 1991 zborník prác shmú 33 11 kučera j čermák j penka m 1977 improved thermal method of continual recording the transpiration flow rate dynamics biologia plantarum 19 413 420 lagergren f lindroth a 2002 transpiration response to soil moisture in pine and spruce trees in sweden agric for meteorol 112 67 85 lundblad m lagergren f lindroth a 2001 evaluation of heat balance and heat dissipation methods fro sapﬂow measurements in pine and spruce ann for sci 58 625 638 �
mitscherlich a 1948 die ertragsgesetze deutsche akademie der wissenschaften zu berlin vorträge und schriften h 31 akademie-verlag berlin 42 p nagel j 1996 anwendungsprogramm zur bestandesbewertung und zur prognose der bestandesentwicklung forst ind holz 3 p 76 78 pretzsch h 1992 konzeption und konstruktion von wuchsmodellen für rein- und mischbestände forstliche forschungsberichte münchen nr 115 332 p pretzsch h 2001 modellierung des waldwachstums parey buchverlag berlin 341 p shukla j mintz y 1982 influence of land-surface evapotranspiration on the earth’s climate science 215 1498 1501 sterba h 1995 prognaus ein absandsunabhängiger wachstumssimulator für ungleichaltrige mischbestände dvff sektion ertragskunde joachimstahl p 173 183 střelcová k matejka f kučera j 2004 beech stand transpiration assessment two methodical approach-
es ekologia 22 supplement 2 2004 147 162 střelcová k mátyás cs kleidon a lapin m matejka f blaženec m škvarenina j holécy j 2009 bioclimatology and natural hazards springer book 298 p wilson j b baldocchi d d 2000 seasonal and interannual variability of energy fluxes over a broadleaved temperate deciduous forest in north america agric for meteorol 100 1 18 112
adresa autorov doc ing marek fabrika phd katedra hospodárskej úpravy lesov a geodézie
lesnícka fakulta
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail fabrika@vsld tuzvo sk
doc ing katarína střelcová phd ing dagmar magová
katedra prírodného prostredia
lesnícka fakulta
t g masaryka 24
960 53 zvolen
empirický model transpirácie buka lesného v rastovom simulátore sibyla abstrakt
modelovanie rastových a fyziologických procesov drevín a lesných porastov sa v súčasnosti do-
stáva do popredia lesníckeho a ekofyziologického výskumu jednou z možností je modelovanie pomocou ras-
tových simulátorov tieto modely umožňujú predpovedať vývoj lesa týkajúci sa širokého rozsahu vstupných parametrov silva bwin moses prognaus sibyla článok predstavuje metodiku modelovania transpirácie a jej realizáciu pomocou softvéru model je založený na rastovom simulátore sibyla ktorý bol vyvinutý na technickej univerzite vo zvolene tento rastový simulátor bol doteraz úspešne používaný na mo-
delovanie vplyvov klimatických zmien na vývoj lesných ekosystémov na slovensku model transpirácie spraco-
váva namerané údaje štatisticky a je založený na kontinuálnom meraní transpirácie na výskumnej ploche poľana hukavský grúň spolu s detailným meraním parametrov jednotlivých stromov súradnice stromov a parametre korún a meraním klimatických parametrov model odhaduje množstvo vytranspirovanej vody pomocou veľ-
kosti korún stromov priemernej dennej teploty počas vegetačného obdobia počtu dní vegetačného obdobia a počtu daždivých dní cez vegetačné obdobie klimatické scenáre a rastový simulátor sibyla predpovedajú množstvo vytranspirovanej vody z celého lesného porastu v článku uvádzame použité príklady modelovania lesných porastov v rôznych vegetačných stupňoch a nadmorských výškach a tiež vplyv rôznych prístupov ob-
hospodarovania na transpiráciu kľúčové slová globálne a regionálne zmeny klímy modelovanie lesa transpirácia buk lesný rastové simulátory
113
tvorba klimaticko-stanovištných strát pre účely tvorby modelu hustoty prirodzeného zmladenia
ján m e r g a n i č marek f a b r i k a merganič j fabrika m determination of climatic-site strata based on rectiﬁed climatic rasters
for the purposes of natural regeneration density model acta facultatis forestalis zvolen 51 3 113 124 2009 the work presents the methodology of the development of climatic-site strata and their relati-
onship to initial density of young tree individuals which was quantiﬁed using reineke´s rule cli-
matic-site strata are determined on the base of two main ecological variables mean air temperature in vegetation season from april to september and mean precipitation sum in vegetation season from april to september taken from rectiﬁed climatic rasters stratiﬁcation was performed using
cluster and discriminant analyses in total 15 climatic-site strata were distinguished the overall correctness of the discriminant model used for determining climatic-site stratum is 94 4 it ran-
ges from 87 to 100 the distinguished climatic-site strata are closely related to other climatic and site variables air temperature amplitude length of vegetation season aridity index elevation relative soil moisture relative nutrient content in soil the analyses showed that the quantiﬁcation
of density of young tree individuals performed with regard to speciﬁed climatic-site strata is sen-
sitive to ecological conditions the speciﬁed climatic-site strata can be regarded as an appropriate
modiﬁcation of ecological site quality classiﬁcation applied in the individual-tree growth simulator
sibyla key words cluster analysis discrimination model growth simulator sibyla natural regenera- tion model 1 úvod a rozbor problematiky
výskum ekologických vzťahov medzi vegetáciou a prostredím je veľmi zlo-
žitý ekologické faktory ovplyvňujú mnohé rastové zákonitosti v lesných ekosystémoch ich existenciu i produkciu v lesníckej terminológii sa pre určovanie produkčnej schop-
nosti stanovišťa zaužíval pojem bonita bonitu stanovišťa určujú vlastnosti pôdy štruktú-
ra prevzdušnenosť hĺbka pôdy chemické zloženie obsah vody obsah živín humiﬁkácia a pod reliéf a poloha terénu ako aj klimatické faktory teplota zrážky a pod bez ohľa-
du na to aká drevina stanovištne vhodná alebo nevhodná a aký porast normálny alebo netvárny momentálne na danom stanovišti rastie halaj 1978 takýto prístup sa využíval v počiatočných pokusoch o klasiﬁkáciu bonity pred viac ako 200 rokmi nazýva sa geocen-
trický pretože je založený na poznatkoch o zemi skovsgaard a vanclay 2008 v lesníc-
tve sa však častejšie využíva tzv dendrocentrický prístup skovsgaard a vanclay 2008 acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
114
v rámci ktorého je bonitácia stanovišťa vykonávaná prevažne cez porastové charakteris-
tiky pressler 1870 eichhorn 1904 gerhard 1921 wiedeman 1951 assman a franz 1963 halaj a řehák 1979 ako sú horná výška porastu stredná výška porastu prírastok a pod s rozvojom počítačovej techniky sa od tejto klasickej bonitácie ustupuje a začínajú sa opäť presadzovať trendy priamej bonitácie cez prírodné a ekologické charakteristiky botkin et al 1972 shugart a west 1977 klimatické faktory patria medzi fenomény ktoré sa v priestore súvislo menia rela-
tívne dobre korelujú s ľahko dostupnými informáciami o teréne a jednoducho sa priesto-
rovo modelujú ich dlhotrvajúci vplyv determinuje mnohé z pôdnych vlastností buol et al 2003 a zároveň aj hlavnú drevinovo špeciﬁckú klasiﬁkáciu prostredia vyjadrenú vege-
tačnou stupňovitosťou zlatník 1976 kde veľkú úlohu zohráva teplota vzduchu a pôdy a množstvo zrážok implementácia priamej bonitácie do rastových simulátorov zvyšuje ich ﬂexibilitu i praktickú upotrebiteľnosť pretože rastové modely predstavujú systémy vzťahov kde pri širokej škále podmienok je možné prognózovať rast a vývoj lesného porastu a to na rozdielnych časových a priestorových úrovniach stratiﬁkáciou gradientu klíma stanovište na podklade rastrovo reprezentovaných modelov ďurský et al 2002 sledujeme zachovanie senzitivity stromového rastového si-
mulátora na ekologické podmienky aj pri submodeli prirodzeného zmladenia ktorý sa vy-
víja ako jedna z piatich riešených úloh v rámci aktivity 1 3 modelovanie rastových proce-
sov lesných ekosystémov projektu centrum excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy 2 materiál
pre tvorbu klimaticko-stanovištných strát boli použité jednak stanovištné in-
formácie z inventarizačných plôch ip národnej inventarizácie a monitoringu lesov sr niml sr šmelko et al 2006 a jednak rastrovo reprezentované modely ďurský et al 2002 s rozlišovacím obrazovým prvkom 90 × 90 m pre nasledovné klimaticko-stanovišt-
né premenné počet dní v roku s priemernou dennou teplotou vzduchu vyššou ako 10 °c dĺžka vegetačného obdobia ročná teplotná amplitúda vzduchu priemerná teplota vzdu-
chu počas vegetačného obdobia apríl až september a priemerný úhrn zrážok počas vege-
tačného obdobia apríl až september na vytvorenie rastrovo reprezentovaných modelov boli použité údaje z výsledkov meraní staničnej siete slovenského hydrometeorologické-
ho ústavu ktoré boli vydané v priebehu rokov 1966 1991 priemerné hodnoty teplotných charakteristík sa štandardizovali na jednotné časové obdobie rokov 1951 1980 pre tento účel bolo použitých 172 meteorologických staníc priemerné hodnoty zrážkových cha-
rakteristík boli štandardizované na jednotné časové obdobie rokov 1901 1980 z 522 me-
teorologických staníc fabrika 2005 borgoň 2003 stanovištné informácie z ip niml sr boli zisťované na plochách o výmere p = 500 m2 s polomerom r = 12 62 m niml sr bola realizovaná v rokoch 2005 2006 ako výberová reprezentatívna metóda s komplex-
ným zisťovaním informácií na pravidelnej sieti trvalých inventarizačných plôch v spone 4 × 4 km na celom území sr šmelko et al 2006 celkový počet ip bol 3071 a z toho na 1419 ip sa nachádzal les pre účely konštrukcie modelu prirodzeného zmladenia sa použili údaje ktoré sa viažu na rovnorodé časti ip subplochy a ich celkový počet je 1507 pre 115
účely tejto práce sa z údajov z niml sr použili informácie o lesnom type hančinský 1972 a počte jedincov s výškou nad 1 3 m a hrúbkou do 7 cm 3 metodika
tvorba klimaticko-stanovištných strát je založená na dvoch základných pria-
mych ekologických faktoroch a to na priemernej teplote vzduchu počas vegetačného ob-
dobia apríl až september a priemernom úhrne zrážok počas vegetačného obdobia aj keď stratiﬁkačnými veličinami sú iba klimatické údaje z analýz vyplýva že tieto veli-
činy majú vplyv aj na stanovištné veličiny preto sa použil súborný pojem klimaticko- stanovištné stratá klimaticko-stanovištné stratá boli deﬁnované za použitia zhlukovej analýzy metódou k-priemerov statsoft inc 2004 pre dosiahnutie relatívne podrobnej stratiﬁkácie klimatického gradientu sa zvolilo vytvorenie 15 zhlukov strát pri tvorbe zhlukov sa hľadala podobnosť pri súčasnom pôsobení oboch klimatických faktorov in-
terakcia teploty a zrážok pre spätné zatriedenie jednotky lokality skusnej plochy a pod do klimaticko-stanovištného strata bola použitá prediktívna diskriminačná analýza coo-
ley a lohnes 1971 huberty 1994 statsoft inc 2004 pre analýzu vplyvu klimaticko- stanovištných strát na jednotlivé klimatické a stanovištné premenné bola použitá analýza variancie anova stanovištné premenné zisťované v teréne na ip a integrované do určeného lesného typu boli transformované pomocou fuzzy množín podľa fabriku 2005 t j pre každý les-
ný typ sa pomocou prevodových tabuliek a funkcií fuzzy množín určili relatívne hodnoty pôdnej vlhkosti a zásoby živín v pôde pre účely implementácie klimaticko-stanovištných strát do stromového rastového simulátora je ich vplyv prezentovaný na analýze drevinovo nešpeciﬁkovaných údajoch o hustote prirodzeného zmladenia získaných v rámci niml sr 2005-2006 hustota prirodzeného zmladenia je odvodená pomocou reinekeho funkcie reineke 1933 bližšia charakteristika údajov je v práci fabrika et al 2009 4 výsledky
aplikáciou metódy k-priemerov zhlukovej analýzy bolo vytvorených 15 klima-
ticko-stanovištných strát rozdiely medzi jednotlivými stratami sú prezentované na ob-
rázku 1 z obrázka je vidieť že rozdiely medzi aritmetickými priemermi stratiﬁkačných veličín sú štatisticky signiﬁkantné na 95 hladine spoľahlivosti z pohľadu faktora prie-
mernej teploty vzduchu počas vegetačného obdobia tevo je stratum 12 spodným ex-
trémom priemer 9 3 °c a stratum 15 horným extrémom priemer 17 8 °c k uvedeným stratám prináležia aj extrémy faktora priemerného úhrnu zrážok počas vegetačného obdo-
bia uzvo stratum 12 je možné charakterizovať priemerom priemerného úhrnu zrážok počas vegetačného obdobia vo výške 953 mm a stratum 15 priemerom vo výške 325 mm pre spätné zatriedenie skusnej plochy do jedného z 15 klimaticko-stanovištných strát sa odvodila diskriminačná funkcia diskriminačný model má nasledovný tvar 1 kde i klimaticko-stanovištné stratum 1 15 i i i idiskrimskóre a b tevo c uzvo= ´ ´
116
parametre diskriminačného modelu a b c sú uvedené v tabuľke 1 vlastná kvanti-
ﬁkácia klimaticko-stanovištného strata spočíva v tom že po zadaní konkrétnej hodnoty tevo a uzvo do diskriminačného modelu sa vypočíta 15 diskriminačných skóre hod-
notená jednotka lokalita skusná plocha patrí do toho klimaticko-stanovištného strata v ktorom je hodnota diskriminačného skóre maximálna obr 1 rozdiely medzi klimaticko-stanovištnými stratami pri priemernej teplote vzduchu počas vegetačného obdobia tevo a a priemernom úhrne zrážok počas vegetačného obdobia uzvo b legenda priemer 95 interval spoľahlivosti
fig 1 differences of mean air temperature in vegetation season 1tevo a and mean precipitation sum in vegetation season 3uzvo b between speciﬁed 2climatic-site strata legend average 95 conﬁdence interval
tab 1 parametre diskriminačného modelu klimaticko-stanovištnej stratiﬁkácie
tab 1 coefﬁcients of the discriminant model used for climatic-site stratiﬁcation
1klimaticko-stanovištné stratum
2absolútny koeﬁcient 3tevo 4uzvo
a b c
1 886 968 25 647 2 554
2 829 094 25 815 2 443
3 784 986 26 319 2 344
4 961 691 25 413 2 690
5 1057 710 24 790 2 860
6 736 859 26 557 2 239
7 698 372 26 780 2 150
8 665 603 27 369 2 056
9 1208 960 24 560 3 100
10 638 459 28 061 1 966
11 1470 580 24 330 3 460
117
tab 1 pokračovanie
tab 1 continued
1climatic-site stratum 2intercept 3regression coefﬁcient of mean air temperature in vegetation season 4regression coefﬁcient of mean precipitation sum in vegetation season
výsledky klasiﬁkačnej matice parametrizačného súboru sú uvedené v tabuľke 2 z nej vyplýva že celková úspešnosť klasiﬁkácie klimaticko-stanovištného strata je 94 4 naj-
vyššia pravdepodobnosť správnej klasiﬁkácie sa dosiahla pri stratách 9 11 a 12 100 a najhoršia pri strate 8 87 v ďalšej tabuľke 3 uvádzame testovacie charakteristiky modelu na základe fische-
rovej štatistiky f a willkinsovej štatistiky lambda môžeme s 99 9 pravdepodobnosťou tvrdiť že navrhovaný diskriminačný model je štatisticky veľmi významný hodnota will-
kinsovej štatistiky lambda sa blíži k 0 čo indikuje že model je vhodný v ďalšom stĺpci tabuľky sú uvedené parciálne hodnoty willkinsovej lambdy na základe ktorých môžeme posúdiť príspevok jednotlivých vstupných veličín ku diskriminácii závislej veličiny oba použité ekologické faktory sú štatisticky významné čo značí že prispievajú ku diskri-
minácii klimaticko-stanovištného strata väčší vplyv má úhrn zrážok počas vegetačného obdobia nasledujúca analýza je smerovaná na posúdenie vzťahu medzi vytvorenými klima-
ticko-stanovištnými stratami a ďalšími klimatickými a stanovištnými charakteristikami dostupnými napr z rastrovo reprezentovaných modelov resp stanovištných prieskumov vyjadrených lesným typom informácie zisťované v teréne a previazané na lesný typ boli transformované pomocou fuzzy množín podľa fabriku 2005 prezentované veličiny tep-
lotná amplitúda vzduchu dĺžka vegetačného obdobia index aridity de martone 1926 sú v úzkej korelácii so vstupnými premennými preto sa ich vzájomný vzťah očakával prezentácia polohy priemerných hodnôt uvedených premenných môže byť však zaujíma-
vá z pohľadu charakteristiky vylíšených klimaticko-stanovištných strát na obrázku 2 je znázornená poloha priemerných hodnôt teplotnej amplitúdy vzduchu a dĺžky vegetačné-
ho obdobia v jednotlivých klimaticko-stanovištných stratách na nasledovnom obrázku 3 vidíme polohu priemerných hodnôt indexu aridity a nadmorskej výšky ako topograﬁckej
veličiny ktorá je v úzkom vzťahu ku klimatickým veličinám 1klimaticko-stanovištné stratum
2absolútny koeﬁcient 3tevo 4uzvo
a b c
12 2131 470 23 620 4 230
13 606 896 28 522 1 869
14 573 271 29 050 1 756
15 524 640 29 364 1 598
118
tab 2 klasiﬁkačná matica diskriminačného modelu
tab 2 classiﬁcation matrix of the discriminant model
legend 1climatic-site stratum 2percentage of correct classiﬁcation 3climatic-site stratum determined with the discriminant model 4sum correctly determined climatic-site stratum tab 3 štatistická charakteristika diskriminačného modelu
tab 3 statistic description of the discriminant model
1discriminant model 2number of variables 3number of groups 4individual independent variables 5independent variable 6mean air temperature in vegetation season 7mean precipitation sum in vegetation season 1diskriminačný model
2počet premenných 2 3počet skupín 15
wilks‘ lambda 0 01461 f 28 2982 = 774 45 4jednotlivé vstupné premenné
5vstupný parameter wilks‘lambda partial lambda f 14 1491 99 9 6priemerná teplota vzduchu počas vegetačného obdobia tevo °c 0 017 0 840 20 2 7priemerný úhrn zrážok počas vegetačného obdobia uzvo mm 0 185 0 079 1238 9 119
obr 2 poloha priemerných hodnôt teplotnej amplitúdy vzduchu a a dĺžky vegetačného obdobia b v jednotlivých klimaticko-stanovištných stratách legenda priemer 95 interval spoľahlivosti
fig 2 position of 1average values of air temperature amplitude a and of the 3length of vegetation season b in speciﬁed 2climatic-site strata legend average 95 conﬁdence interval
obr 3 poloha priemerných hodnôt indexu aridity de martone 1926 a a nadmorskej výšky b v jednotlivých klimaticko-stanovištných stratách legenda priemer 95 interval spoľahlivosti
fig 3 position of average values of 1aridity index de martone 1926 a and 3elevation b in speciﬁed 2climatic-site strata legend average 95 conﬁdence interval
na obrázku 4 môžeme vidieť polohu priemerných hodnôt transformovaných stano-
vištných parametrov v jednotlivých klimaticko-stanovištných stratách rozdiely v hodno-
tách relatívnej pôdnej vlhkosti a zásoby živín sú medzi jednotlivými klimaticko-stanovišt-
nými stratami menej výrazné ako pri klimatických údajoch obr 1 a 2 najnižšia relatív-
na pôdna vlhkosť sa zaznamenala v strate 13 ktoré patrí z pohľadu teploty k teplejším ale na druhej strane na zrážky chudobnejším stratám stratum 12 je druhým extrémom t j stratom s najvyššou relatívnou pôdnou vlhkosťou reprezentuje polohy s nadmorskou výškou okolo 1 490 m n m s vysokým úhrnom zrážok a nízkou teplotou vo vegetačnom období toto stratum je zároveň na živiny najchudobnejším klimaticko-stanovištným 120
stratom najbohatším klimaticko-stanovištným stratom na obsah živín v pôde je stratum 15 ktoré je zároveň reprezentantom najteplejších ale na zrážky chudobnejších polôch obr 4 vplyv stratiﬁkácie na priemerné hodnoty relatívnej pôdnej vlhkosti a relatívnej zásoby živín v pôde v jednotlivých klimaticko-stanovištných stratách legenda priemer 95 interval spoľahlivosti
fig 4 effect of stratiﬁcation on average values of 1relative soil moisture and 3relative nutrient content in soil of 2climatic-site strata legend average 95 conﬁdence interval
na obrázku 5 je prezentovaný vplyv vytvorených klimaticko-stanovištných strát na východiskovú hustotu jedincov mladých rastových fáz výška nad 1 3 m a hrúbka d
1 3 do 7 cm z obrázku vyplýva že stratá 12 a 15 vykazujú najnižšie východiskové hustoty ide o stratá ktoré reprezentujú extrémy jednak teplotné zrážkové ale aj troﬁcké zásoba živín najvyššiu hustotu vykazujú stratá 4 a 5 ktoré z pohľadu klimatických a stanovišt-
ných charakteristík reprezentujú stanovištia priemerných vlastností určitým spôsobom sa tu prejavuje tzv efekt podkovy arch effect vcelku je možné konštatovať že signi-
ﬁkantné rozdiely v počiatočnej hustote jedincov mladých rastových fáz nastali vplyvom vytvorených klimaticko-stanovištných strát v 33 prípadoch zo 105 možných vzájomných kombinácií obr 5 vplyv stratiﬁkácie na východiskovú hustotu počet jedincov s výškou nad 1 3 m a hrúbkou d
1 3 do 7 cm na hektár v jednotlivých klimaticko-stanovišt- ných stratách legenda priemer 95 interval spoľahlivosti
fig 5 stratiﬁcation impact on the initial per hectare 1density number of trees higher than 1 3 m and with a diameter at breast height below 7 cm in indi- vidual 2climatic-site strata legend average 95 conﬁdence interval
121
5 diskusia
z ekologických štúdií je známe že hustota lesného porastu je podobne ako viaceré rastové veličiny lesného porastu previazaná s kvalitou stanovišťa reineke 1933 sterba a monserud 1993 stanovištno-klimatické premenné sú implementované vo via-
cerých rastových simulátoroch napr rastový simulátor prognaus sterba 1995 vyu-
žíva vo svojich submoduloch ako nezávislé premenné nadmorskú výšku sklon expozíciu hrúbku humusu hĺbku pôdy reliéf vlhkosť pôdy lesný typ pôdny typ rastovú oblasť v stromovom rastovom simulátore silva 2 2 pretzsch et al 2002 sú rastové funkcie špeciﬁkované na základe troch agregovaných ekologických faktorov teplo voda živiny obdobne aj náš domáci stromový rastový simulátor sibyla fabrika 2005 je konštruovaný na podobnom princípe ekologickej bonitácie ako simulátor silva 2 2 klíma a stanovište ovplyvňujú nielen samotný rast a produkciu lesného ekosystému ale aj proces jeho regenerácie z toho dôvodu sa so stanovištnými a klimatickými charakteristi-
kami uvažuje nielen v modeloch rastu stromu resp lesa viď napr pretzsch et al 2002 ale aj v modeloch zmladenia častou vstupnou veličinou ktorá v modeloch zmladenia charakterizuje stanovište je nadmorská výška implementovaná napr autormi ledermann et al 2001 alebo trasobares et al 2004 pretože ide o dostupnú a ľahko zistiteľnú informáciu v nami navrhovanom modeli s nadmorskou výškou priamo neuvažujeme keďže ide o nepriamu veličinu úzko prepojenú na klimatické faktory čo dokumentuje aj obr 3b kde je zrejmé že jej vplyv je už zakomponovaný v klimaticko-stanovištných stratách podobne ani schweiger a sterba 1997 nezakomponovali do svojho modelu dorastu nadmorskú výšku pretože využívajú diskrétne veličiny charakterizujúce rasto-
vé oblasti a vegetačné typy ktoré do modelu vstupujú ako dummy premenné podobný prístup zvolili aj ek et al 1996 ktorí vo svojom systéme deliacich tabuliek využili tzv lesné typy pokrytia špeciﬁkované pre usa a kanadu obe tieto klasiﬁkácie predstavujú analógiu k v tejto práci navrhnutým klimaticko-stanovištným stratám kým vzťahy medzi parametrami hustoty prirodzeného zmladenia a klimaticko-stanovištnými parametrami sú v globále veľmi slabé v určitých úsekoch pozdĺž gradienta klíma-stanovište sú tieto vzťa-
hy tesnejšie majú však rôzny zmysel a priebeh tvorba klimaticko-stanovištných strát teda predstavuje doplnkovú modiﬁkáciu ekologickej bonitácie ktorá vyplynula z analýz pri konštrukcii modelu prirodzenej obnovy hoci stratiﬁkácia bola založená len na dvoch parametroch t j teplote a zrážkach po-
čas vegetačného obdobia ďalšie analýzy potvrdili že vytvorené stratá odrážajú rozdiely aj v ďalších klimatických a stanovištných charakteristikách obr 2 až 4 na základe tých-
to výsledkov môžeme teda tvrdiť že vyvíjaný model zmladenia bude vďaka stratiﬁkácii stanovištne citlivý 122
6 záver
predkladaná práca prezentuje metodiku tvorby klimaticko-stanovištných strát a ich vzťahu k rastovej veličine lesného porastu východiskovej hustote jedincov mladých rastových fáz klimaticko-stanovištné stratá sú vytvorené na podklade dvoch hlavných priamych ekologických veličín a to na priemernej teplote vzduchu počas vegetačného ob-
dobia apríl až september a priemernom úhrne zrážok počas vegetačného obdobia apríl až september analýzy poukázali že kvantiﬁkácia hustoty jedincov mladých rastových fáz na základe vytvorených klimaticko-stanovištných strát je senzitívna k ekologickým podmienkam prostredia poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
assmann e franz f 1963 vorläufige fichten-ertragstafel für bayern institut für ertragskunde der forstli-
chen forschunganstalt münchen 104 s borgoň m 2003 odhad klimatických a stanovištných charakteristík ako podklad pre ekologickú bonitáciu lesných porastov technická univerzita zvolen diplomová práca 71 s botkin d b janak j f wallis j r 1972 some ecological consequences of a computer model of forest growth journal of ecology 60 s 849 872 buol s w southard r j graham r c mcdaniel p a 2003 soil genesis and classification 5th ed iowa state press blackwell publishing company cooley w w lohnes p r 1971 multivariate data analysis wiley new york de martone e 1926 aréisme et indice d´aridité cr séanc acad sci paris 182 1395 1398 ďurský j minďáš j konôpka m 2002 klimatické rastre pre ekologickú bonitáciu nepublikovaný výsledok geograﬁckej analýzy v prostredí idrisi32 v rámci vedeckej spolupráce eichhorn f 1904 bezirhungen zwischen bestandshöhe und bestandsmasse allgemeine forst-und jagdzei-
tung 80 p 45 49 ek a r robinson a p radtke p j walters d k 1996 regeneration imputation models and analysis for forests in minnesota staff paper series no 115 st paul minnesota 47 pp fabrika m 2005 simulátor biodynamiky lesa sibyla koncepcia konštrukcia a programové riešenie habilitačná práca technická univerzita vo zvolene 238 s fabrika m merganič j merganičová k 2009 model hustoty prirodzeného zmladenia pre účely stromové-
ho rastového simulátora acta facultatis forestalis li 3 115 127 gehrhardt e 1921 eine neue kiefern-ertragstafel allg forst jagdztg 97 145 156 halaj j 1978 výškový rast a štruktúra porastov slovenská akadémia vied v bratislave 284 s halaj j řehák j 1979 rastové tabuľky hlavných drevín čssr bratislava príroda 352 s hančinský l 1972 lesné typy slovenska príroda bratislava 307 s huberty c j 1994 applied discriminant analysis wiley new york ledermann t h golser m moser m sterba h 2001 validierung eines einwuchsmodells aus den daten der österreichischen waldinventur 1981-1996 cbl f d ges forstw 119 1 p 40 76 pressler m 1870 forstliche ertrags- u bonitirungstafeln nach cubicmeter pro hectar baumgärtner’sche buchhandlung leipzig pretzsch h biber p dursky j 2002 the single tree-based stand simulator silva construction application and evaluation for ecol manage 162 s 3 21 123
reineke l h 1933 perfecting a stand density index for even-aged forests journal of agricultural research 46 7 627 638 shugart h h west d c 1977 development of an appalachian deciduous forest succesion model and its ap-
plication to assessment of the impact of the chestnut blight journ environ manag 5 161 179 schweiger j sterba h 1997 a model describing natural regeneration recruitment of norway spruce picea abies l karst in austria forest ecology and management 97 107 118 skovsgaard j p vanclay j k 2008 forest site productivity a review of the evolution of dendrometric con-
cepts for even-aged stands forestry 81 1 13 31 statsoft inc 2004 statistica cz softwarový systém na analýzu dat verze 7 www statsoft cz
sterba h 1995 prognaus ein absandsunabhängiger wachstumssimulator für ungleichaltrige mischbe-
stände dvff sektion ertragskunde joachimstahl s 173 183 sterba h monserud r a 1993 the maximum density concept applied to uneven-aged mixed-species stands forest science 39 3 432 452 šmelko š merganič j šebeň v raši r jankovič j 2006 národná inventarizácia a monitoring lesov slo-
venskej republiky 2005-2006 metodika terénneho zberu údajov pracovné postupy 3 doplnená verzia národné lesnícke centrum zvolen s 129 s isbn 80-88852-98-2 trasobares a pukkala t miina j 2004 growth and yield model for uneven-aged mixtures of pinus sylvestris l and pinus nigra arn in catalonia north-east spain annals of forest science 61 9 24 wiedemann e 1951 ertagskundliche und waldbauliche grundlagen der forstwirtschaft d sauerländer’s ver-
lag frankfurt am main zlatník a 1978 lesnická fytocenologie státní zemědělské nakladatelství praha 495 s adresa autorov doc ing marek fabrika phd katedra hospodárskej úpravy lesov a geodézie lesnícka fakulta technická univerzita vo zvolene t g masaryka 24 960 53 zvolen
e-mail fabrika@vsld tuzvo sk
ing ján merganič phd katedra hospodárskej úpravy lesov a geodézie
lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail merganic@vsld tuzvo sk
124
tvorba klimatickostanovištných strát pre účely tvorby modelu hustoty prirodzeného zmladenia
abstrakt
práca prezentuje metodiku tvorby klimaticko-stanovištných strát a ich vzťahu k východis-
kovej hustote jedincov mladých rastových fáz kvantiﬁkovanej podľa reinekeho pravidla klimaticko- stanovištné stratá sú vytvorené na podklade dvoch hlavných priamych ekologických veličín a to na priemernej teplote vzduchu počas vegetačného obdobia apríl až september a priemernom úhrne zrážok počas vegetačného obdobia apríl až september z podkladov rastrovo reprezentovaných modelov na tvorbu strát sa použila zhlu-
ková a diskriminačná analýza celkovo bolo vytvorených 15 klimaticko-stanovištných strát celková úspešnosť vytvoreného diskriminačného modelu pre klasiﬁkáciu klimaticko-stanovištného strata je 94 4 pohybuje sa od
87 do 100 vytvorené stratá majú relatívne tesnú väzbu aj k ďalším klimatickým a stanovištným veličinám teplotná amplitúda vzduchu dĺžka vegetačného obdobia index aridity nadmorská výška relatívna pôdna vlh-
kosť relatívna zásoba živín v pôde analýzy poukázali že kvantiﬁkácia hustoty jedincov mladých rastových fáz
na základe vytvorených klimaticko-stanovištných strát je citlivá k ekologickým podmienkam prostredia kľúčové slová zhluková analýza diskriminačný model rastový simulátor sibyla model prirodzeného zmladenia
125
model hustoty prirodzeného zmladenia pre účely stromového rastového simulátora
marek f a b r i k a ján m e r g a n i č katarína m e r g a n i č o v á fabrika m merganič j merganičová k natural regeneration density model developed for the purposes of the individual-tree growth simulator acta facultatis forestalis zvolen 51 3 125 137 2009 models of natural regeneration represent an important amendment to complex growth models they allow making prognoses behind one production cycle of a forest and simulating the develop-
ment of natural and virgin forests this work deals with modelling natural regeneration density which is the ﬁrst step towards the complex model of natural regeneration the model will be a part
of the individual-tree growth simulator sibyla the model was developed using the data from national forest inventory and monitoring of the slovak republic nfim sr and using the clima-
tic rasters with the pixel of size of 90 × 90 m which capture spatial distribution of all important climatic characteristics the model itself consists of an empirical part which simulates regenera-
tion density number per hectare at a stand level and of a process-based part which simulates seed production and seedling germination at a tree level the empirical part of the model is based on the data of nfim sr and climatic rasters and simulates regeneration density for individual tree species in relation to quadratic mean diameter of the parent stand and its crown coverage in addition the model is site-speciﬁc the process-based part of the model is based on seeding functions and fuzzy
logic it is based on the prediction of seed yield of individual trees in relation to such characteristics as seed purity seed quality germination capacity absolute weight of seeds seed production per an adult tree etc the production is further modiﬁed with regulators and reduction factors which
describe other conditions necessary for the germination survival and the establishment of the next generation in the next step empirically-derived regeneration density is reduced in relation to the ratio of individual tree species to the total production of all individuals estimated from the process- based model key words regeneration density empirical model process model growth simulator sibyla
1 úvod
ľudia sa od pradávna snažili pochopiť prírodu a jej chovanie významným výsledkom snahy o pochopenie rastu lesa boli rastové tabuľky s rozvojom metód mate-
matického modelovania a výkonnosti výpočtovej techniky sa modely lesa postupne zdo-
konaľujú od vývoja celého porastu sa postupne prechádza na rast jednotlivých stromov ba dokonca aj na rast jednotlivých orgánov stromov potreba takýchto modelov sa javí acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
126
o to aktuálnejšou že sa človek začína zaujímať viac o lesné ekosystémy ktoré sa svo-
jou štruktúrou blížia k prirodzeným a teda aj zložitejším a ekologicky stabilnejším od rovnorodých monokultúr sa prechádza na zmiešané horizontálne a vertikálne zložitejšie formované lesné porasty na takéto lesné porasty už nevystačia klasické rastové tabuľky preferovanie zložitejších porastových štruktúr a snahy o prírode blízke koncepty hospodá-
renia vedú odborníkov k tvorbe a vývoju modelov ktoré umožnia modelovať a prognózo-
vať vývoj takýchto lesných ekosystémov vývoj modelov začal v 60-tych rokov minulého storočia v súčasnosti existuje viacero typov modelov ktorých použitie závisí od časovej a priestorovej úrovne stromové modely procesné modely sukcesné modely atď jeden takýto model sa vyvíja aj na technickej univerzite vo zvolene stromový rastový simulátor sibyla fabrika 2005 keďže modelovanie zložitých porastových štruktúr a procesov nie je jednoduché rastový simulátor je zvyčajne zložený z viacerých submodulov ktoré medzi sebou komu-
nikujú na základe predom deﬁnovaných vzťahov stromový rastový simulátor sibyla už v sebe integruje viaceré submodely prírastkový model korunový model konkurenčný model mortalitný model prebierkový model model prirodzeného zmladenia je ďalší dô-
ležitý submodul potrebný pre simuláciu a prognózu zložitých lesných ekosystémov a to hlavne z nasledovných dôvodov model umožní simulovať rastové prognózy lesných ekosystémov aj na obdobie dlhšie ako jeden produkčný cyklus lesa umožní prognózovanie vývoja porastových štruktúr a hospodárskych foriem ktoré sú založené na prirodzenom zmladení prírode blízkom pestovaní lesa podrastové for-
my výberkové lesy umožní simulovať a prognózovať vývoj prírodných lesov pralesov v súčasnosti sa model prirodzeného zmladenia pre stromový rastový simulátor si-
byla vyvíja ako jedna z piatich riešených úloh v rámci aktivity 1 3 modelovanie ras-
tových procesov lesných ekosystémov projektu centrum excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy cieľom predkladaného článku je predstaviť model hustoty prirodzeného zmladenia ako prvého čiastkového výstupu projektu 2 rozbor problematiky
potrebu simulovať fázu regenerácie porastu po rubnej ťažbe si uvedomovali vedci modelári už v 70 rokoch minulého storočia kedy boli navrhnuté prvé modely zmla-
denia monserud a ek 1977 počas viac ako 30 rokov bolo vyvinutých viacero modelov od najjednoduchších tabelárnych ktoré poskytujú informácie o rozdelení zmladenia me-
dzi jednotlivé dreviny a hrúbkové stupne ek et al 1996 až po komplexné modely si-
mulujúce čiastkové procesy vrátane produkcie semena klíčenia mortality a konkurencie materského porastu monserud a ek 1977 z hľadiska počiatku simulovania zmladenia sa rozlišuje niekoľko typov modelov miina et al 2006 modely regenerácie regeneration models simulujú vývoj zmladenia od semena napr lexer a hönninger 2001 modely založenia zmladenia regeneration establishment models začínajú so simu-
láciou v čase zabezpečenej obnovy napr schweiger a sterba 1997 127 modely dorastu ingrowth models modely s počiatkom v čase keď stromčeky mla-
dej generácie dosiahli určitú predom deﬁnovanú hranicu napr prsnú výšku 1 3 m modely dorastu do hlavného porastu recruitment models modely ktoré simulujú počet a dimenzie nových stromov ktoré vstupujú do najmenšej triedy hlavného poras-
tu napr prekročia hrúbku 7 cm napr trasobares et al 2004 tradičné modely zmladenia využívajúce štatistický prístup simulovania sú založené na veľmi veľkých databázach pretože údaje o zmladení sa vyznačujú vysokou variabili-
tou ek et al 1996 alternatívne prístupy k regresným technikám predstavujú neparamet-
rické metódy deliace tabuľky imputation tables podľa eka et al 1996 metódy knn kmsn t j k-najbližších susedov neurónové siete hasenauer a merkl 2001 a rozhodo-
vacie stromy kindermann et al 2002 samotný model zmladenia sa zvyčajne skladá z čiastkových submodelov ktoré si-
mulujú jednotlivé procesy produkciu semien klíčenie resp jednotlivé veličiny prav-
depodobnosť zmladenia počet a dimenzie nových jedincov v závislosti od stanovištných nadmorská výška sklon skeletnatosť klimatických teplota a porastových hustota po-
rastu stredná hrúbka charakteristík úroveň detailnosti a vstupy sa medzi jednotlivými modelmi líšia v závislosti od dostupných informácií a účelu pre ktorý boli modely vyvi-
nuté hypponen et al 2005 3 materiál
konštrukcia modelu hustoty prirodzeného zmladenia vychádza z databázy úda-
jov národnej inventarizácie a monitoringu lesov sr niml sr niml sr bola realizo-
vaná v rokoch 2005 2006 ako výberová reprezentatívna metóda s komplexným zisťova-
ním informácií na pravidelnej sieti trvalých inventarizačných plôch ip v spone 4 × 4 km na celom území sr šmelko et al 2006 celkový počet ip bol 3071 a z toho na 1419 ip sa nachádzal les pre účely tejto práce sa využili prevažne údaje o stromoch obnove lesa poraste a stanovišti zisťované v zmysle pracovných postupov pre niml sr šmelko et al 2006 tieto údaje boli zisťované na troch druhoch inventarizačných plôch a základná in-
ventarizačná plocha konštantný kruh o výmere p = 500 m2 s polomerom r = 12 62 m slúžila pre zisťovanie stanovištných porastových a ekologických charakteristík a pre in-
ventarizáciu mŕtveho ležiaceho dreva a pňov b dva konštantné kruhy pre inventarizáciu stromov s hrúbkou d
1 3 ≥ 7 cm s kôrou a to b
1 veľký kruh pre stromy s d
1 3 ≥ 12 cm po-
lomer r = 12 62 m p = 500 m2 ktorý je totožný s kruhom a a b
2 malý kruh pre stromy s d
1 3 ≥ 7 cm a 12 cm polomer r = 3 m p = 28 26 m2 a napokon c variabilný obnov-
ný kruh pre inventarizáciu náletu nárastov kultúr a mladín s výškou od 0 1 m a hrúbkou d
1 3 7 cm vrátane kôry ktorého optimálna veľkosť výmera p a polomer r sa zvolila individuálne na každom stanovisku podľa konkrétnej hustoty sponu jedincov v prípade silnej heterogenity ip spôsobenej napr hranicou les neles les bezlesie rozdielnym ras-
tovým stupňom v rámci ip a podobne sa ip rozčlenila na menšie homogénnejšie časti subplochy šmelko et al 2006 pre účely konštrukcie modelu prirodzeného zmladenia sa použili údaje ktoré sa viažu na subplochy a ich celkový počet je 1507 128
pre účely konštrukcie modelu hustoty prirodzeného zmladenia pre stromový rastový simulátor sibyla sa stromy s výškou nad 1 3 m a hrúbkou do 7 cm zaradili do kategó-
rie prirodzené zmladenie pre analýzy vzťahov medzi porastovými údajmi a stanovišt-
no-klimatickými údajmi boli použité jednak stanovištné informácie z ip transformova-
né pomocou fuzzy množín podľa fabriku 2005 a jednak korigované klimatické rastre ďurský et al 2002 s rozlišovacím obrazovým prvkom 90 × 90 m pre všetky potrebné klimaticko-stanovištné premenné počet dní v roku s priemernou dennou teplotou vyššou ako 10 °c ročná teplotná amplitúda priemerná teplota v mesiacoch apríl až september a priemerný úhrn zrážok za mesiace apríl až september podľa fabriku 2005 3 metodika
dôležitým východiskovým submodelom modelu prirodzeného zmladenia je submodel hustoty zmladenia je skonštruovaný na podklade matematického vzťahu deﬁ-
novaného reinekem 1933 kde počet stromov závisí od strednej hrúbky porastu d
g 1 hodnota ea vyjadruje maximálny východiskový počet jedincov a exponent 1 605 vyjadruje sklon reinekeho krivky reineke svoje pravidlo použil pre odvodenie maxi-
málnej hustoty plne zapojených porastov pri 100 zastúpení dreviny pri aplikácii tohto pravidla na údaje z niml sr bolo potrebné prepočítať údaje o stromoch na plne zapojený porast pri 100 zastúpení dreviny ako najvhodnejšia veličina na prepočet sa ukázala stanovisková plocha stromu sps ktorá je aplikovateľná aj pre jedince ktoré ešte nemajú prsnú hrúbku t j pre jedince s výškou do 1 3 m merganič 2007 model stanoviskovej plochy jednotlivého stromu bol odvodený na podklade údajov získaných v rámci niml model je zatiaľ generalizovaný pre kategóriu ihličnatých a listnatých drevín pri jedincoch s výškou do 1 3 m je stanovisková plocha stromu funkciou výšky a pri jedincoch s výškou nad 1 3 m je stanovisková plocha stromu funkciou hrúbky d
1 3 stanovisková plocha stro-
mu udáva plochu dreviny pri plnom zápoji a 100 zastúpení počet stromov na hektár pre i-ty druh dreviny na subploche ip sa určí nasledovne 2 kde n počet stromov štandardizovaný na rovnakú výberovú reprezentatívnosť sps stanovisková plocha stromu pri aplikácii rovnice 1 na upravené údaje z niml je jedinou neznámou exponent a úpravou rovnice 1 do tvaru
321
200ln ga n d
æ ö÷ç ÷= ×ç ÷ç ÷çè ø
sa vyčítali hodnoty parametra a pre každú subplochu a drevinu za n sa dosadil počet stromov príslušnej dreviny s výškou nad 1 3 m 1 605a
gn e d
-= ×
1
1
10000
ii in
i
j
n ha n
sps
-
=
× = ×
å
129
a hrúbkou do 7 cm na hektár n ha 1 za d
g stredná hrúbka kvadratický priemer mater-
ského porastu stromy s hrúbkou d
1 3 ≥ 7 cm je všeobecne známe že hustota porastu i zmladenia značne závisí okrem iného aj od bonity stanovišťa na bonitu stanovišťa vplývajú prevažne klimatické faktory ako zrážky a teplota využitím údajov z korigovaných klimatických rastrov a to priemernej teploty v mesiacoch apríl až september a priemerného úhrnu zrážok za mesiace apríl až september najvplyvnejšie faktory sa vykonala klasiﬁkácia ip do 15 klimaticko-stanovištných kate-
górií pomocou zhlukovej a diskriminačnej analýzy vyhľadaním maximálnej hodnoty pa-
rametra a v možných kombináciách drevina a klimaticko-stanovištná kategória sa stanovili maximálne východiskové hustoty jedincov s výškou nad 1 3 m a hrúbkou do 7 cm pre po-
súdenie štatistickej významnosti a vplyvu klimaticko-stanovištnej kategórie na maximálne hustoty jedincov zmladenia príslušnej dreviny sa simuláciou na počítači odvodili chyby maximálnych hodnôt ktoré závisia od rozsahu výberu počtu stromov v kombinácii ďalším významným faktorom ovplyvňujúcim hustotu prirodzeného zmladenia je zápoj porastu za týmto účelom sa vybralo 36 typických homogénnych ip prevažne dvojetážové ktoré reprezentovali plochy so zápojom 0 až 10 zápoj stromov s hrúbkou d
1 3 ≥ 7 cm model redukcie zápoja je vzhľadom na povahu empirického materiálu kon-
štruovaný ako drevinovo nešpeciﬁcký počet stromov prirodzeného zmladenia sa vyjadril ako index k maximálnej hodnote hustoty pri nulovom zápoji pre analýzu vzťahu medzi indexom hustoty a zápojom sa použila nelineárna regresia 4 výsledky
výsledné modelovanie hustoty prirodzeného zmladenia je znázornené vývo-
jovým diagramom na obrázku 1 model sa skladá z dvoch vetiev prvá vetva vyjadruje model na úrovni dreviny a druhá vetva na úrovni stromu na úrovni dreviny sa modeluje najskôr maximálna hustota prirodzeného zmladenia na hektár hustota vyjadruje maximálny počet jedincov prirodzeného zmladenia s výškou jedincov nad 1 3 m a hrúbkou do 7 cm hustota prirodzeného zmladenia 0in je závislá na strednej kvadratickej hrúbke dreviny materského porastu d
i ako bolo uvedené v časti metodika koeﬁcient a je odvodený pre každú vyskytujúcu sa kombináciu drevina a kli-
maticko-stanovištná kategória ksk pomocou ktorého sa deﬁnovali maximálne hustoty jedincov na hektár celkovo sa maximálna hustota deﬁnovala pre 127 kombinácií tvo-
rených 29 druhmi drevín abies alba acer campestre acer negundo acer platanoides acer pseudoplatanus alnus glutinosa alnus incana betula pendula carpinus betulus fagus sylvatica fraxinus excelsior fraxinus ornus larix decidua padus racemosa picea abies pinus sylvestris populus tremula prunus avium prunus domestica pyrus pyraster quercus cerris quercus petraea robinia pseudoacacia salix caprea salix fragilis sorbus aria sorbus aucuparia tilia cordata ulmus minor v tabuľke 1 uvá-
dzame hodnoty parametra a reinekeho funkcie pre drevinu buk fagus sylvatica a smrek picea abies v jednotlivých ksk 130
obr 1 vývojový diagram modelu hustoty prirodzeného zmladenia fig 1 algorithm of the model simulating natural regeneration density 1start 2forest stand 3tree species 4tree 5tree species model 6tree model 7regeneration density 8reduced regeneration density 9calculation of tree species regeneration density 10seed yield 11reduced seed yield 12percentage of seed yield per tree species and per tree 13end
pri drevine buk sa východisková maximálna hustota na hektár pohybuje v rozpätí hodnôt od 21 452 496 ks ha 1 ksk 5 do 7 959 388 ks ha 1 ksk 7 pri drevine smrek je toto rozpätie užšie keď sa maximálna hustota pohybuje medzi hodnotami 9 402 371 ks ha 1 ksk 9 a 678 444 ks ha 1 ksk 8 vplyv jednotlivých ksk na maximálny výcho-
diskový počet jedincov je vidieť na obrázku 2 131
tab 1 maximálne hodnoty parametra a reinekeho funkcie pre dreviny buk fagus sylvatica a smrek picea abies v jednotlivých klimaticko-stanovištných kategóriách
tab 1 maximum values of the coefﬁcient a of reineke´s function for two tree species common beech fagus sylvatica and norway spruce picea abies in individual climatic-site categories 1climatic-site category 2coefﬁcient a 3number per hectare 4number of subplots
obr 2 vplyv klimaticko-stanovištnej kategórie na parameter a reinekeho funkcie pre drevinu buk fagus sylvatica a a drevinu smrek picea abies b fig 2 relationship between the climatic-site category and the coefﬁcient a of reineke´s function for two tree species common beech fagus sylvatica a and norway spruce picea abies b 1climatic-site category 2coefﬁcient a
klimaticko-stanovištná kategória ksk 1
fagus sylvatica picea abies
parameter a2
počet na ha3
počet subplôch4
parameter a2
počet na ha3
počet subplôch4
1 16 16 10406951 19 14 93 3055725 8
2 16 22 11052226 12 14 26 1554672 5
3 16 68 17615779 22 15 75 6903363 10
4 16 49 14573290 27 15 64 6206168 8
5 16 88 21452496 11 15 03 3383976 11
6 16 46 14073559 13 14 67 2345602 4
7 15 89 7959388 14 15 9 8006544 5
8 16 57 15706186 10 13 43 678444 1
9 15 99 8775384 13 16 06 9402371 7
10 16 87 21188557 8 15 59 5869989 1
11 16 54 15276760 9 15 76 6997441 6
12 14 46 1911572 2
13 16 64 16904337 9
132
ako je vidieť z obrázka 2 vplyv ksk na maximálne východiskové hustoty jedincov sú výraznejšie pri drevine buk signiﬁkantné rozdiely sú hlavne medzi ksk 7 a 3 4 5 10 ďalej medzi ksk 9 a 3 5 pri drevine smrek sa rozdiel zaznamenal medzi ksk 2 a 3 4 7 8 11 ďalej medzi ksk 5 a 9 v druhom kroku sa redukuje hustota zmladenia na základe zápoja materského po-
rastu cc 3 so zvyšovaním zápoja materského porastu hustota zmladenia výrazne klesá obr 3 model vyjadruje relatívnu redukciu hustoty zmladenia v závislosti na percentuálnom zápoji materského porastu vypočítaného podľa vzťahu crookston a stage 1999 štatis-
tické charakteristiky parametrov modelu sú uvedené v tabuľke 2 tab 2 parametre nelineárneho modelu redukcie hustoty zmladenia tab 2 coefﬁcients of the non-linear model reducing regeneration density
1coefﬁcient 2estimated value of the coefﬁcient 3error of coefﬁcient estimation 4student t-test 5signiﬁcance
level
obr 3 priebeh modelu redukcie hustoty zmladenia v závislosti od zápoja materského porastu
fig 3 performance of the model of the reduction of regeneration density in relation to crown coverage of the parent stand materského porastu 1crown coverage of the parent stand 2density reduction index 1 0
1
ca b cc
n n e
i i
æ ö÷ç × ÷ç ÷= × ç ÷ç ÷ç ÷çè ø
parameter1
odhad hodnoty parametra2
chyba odhadu parametra3
studentov test4 t
32
hraničná hladina
významnosti5
a 0 83646211 0 07 12 28 0 000 b 0 16788563 0 07 2 25 0 032 c 5 78913678 2 21 2 62 0 013 133
na úrovni stromu sa najprv modeluje plná úroda semien podľa vzťahu 4 kde č je čistota semien v k je klíčivosť semien v s je sypavosť semien v ah je absolútna hmotnosť 1000 kusov semien v gramoch a úp
kg je množstvo kilogramov plodov na 1 dospelý plne zrelý strom pri 100 úrode hodnoty sú závislé od dreviny a sú prevzaté z publikácií šmelková 2003 hoffmann et al 2005 a podľa schreibera messera siegla a michaelisa in rohmeder 1972 plná úroda semien každého stromu je následne regulovaná pomocou regulátorov úrody semien reg
k a redukovaná pomocou reduktorov hustoty zmladenia red
l bolo využitých 5 regulátorov a 5 reduktorov regulátory úrody semien majú hodnotu od 0 po 1 a sú vyjadrené na základe fuzzy funkcií regulátor biosociologického postavenia stromu reg
light je závislý na konku-
renčnom postavení stromu a počíta sa na základe normalizovanej odchýlky konkurenčné-
ho indexu stromu pretzsch 2001 od priemernej hodnoty z
α 2 5 regulátor plodivosti reg
fertilityy stromu je závislý od jeho veku t a zápoja poras-
tu cc a je vyjadrený podľa vzťahu 6 kde r t 0 a r t 1 sú fuzzy funkcie pre solitér a strom v plnom zápoji fabrika 2005 regulátor kvality stanovišťa reg
site sa určí na základe koncentrácie co
2 v ovzduší koncentrácie no
x v ovzduší relatívneho obsahu živín v pôde priemernej teploty počas vegetačného obdobia a úhrnu zrážok počas vegetačného obdobia vychádza zo vzťahu odvodeného pre redukciu prírastkového potenciálu kruhovej základne stromu v rastovom simulátore sibyla fabrika 2005 regulátor periodicity semenných rokov reg
periodi-
city sa vypočíta podľa 7 kde p je periodicita semenných rokov r je východiskový rok simulácie a x je aktuálny rok simulácie periodicita semenných rokov závisí od dreviny a stanovišťa bola prevzatá podľa šmelkovej 2003 a jej stanovenie je uvedené v práci fabrika 2005 regulátor vitality stromu reg
vitality závisí od veľkosti povrchu koruny stromu cs podľa 8 koeﬁcient a závisí od druhu dreviny a je publikovaný v práci fabrika 2005 reduktory množstva semenáčikov majú tiež hodnotu od 0 po 1 a sú zadané užíva-
teľom modelu využíva sa reduktor kvality substrátu red
substrat reduktor abiotických 3 6 20 903113 0 257922 z
lightreg e
a- = 0 1 0 100fertility
cc
reg r t r t r té ù= ê úë û 2 0 5 0 5 sinperiodicity
x r
reg
p
é ù-ê ú= ê úë û
p 1 a csvitalityreg e
-= 0 kg
jn =
č k s úp
ah
134
strát na semenách red
abiotloss reduktor biotických strát na semenách red
biotloss reduktor konkurencie bylín a krovín red
herb a reduktor škôd zverou red
damage re-
duktory sú špeciﬁkované zvlášť podľa druhov drevín na základe hodnoty regulátorov a reduktorov sa vypočíta výsledná agregovaná hodnota pomocou fuzzy operátora and ^ vyjadreného vzťahom podľa reynoldsa 1999 táto hodnota sa aplikuje na konečnú redukciu úrody semien daného stromu 9 na základe úrody semien jednotlivých stromov sa vypočíta celková úroda semien porastu a vyjadrí sa percentuálny podiel úrody za drevinu d
i a za jednotlivé stromy s
j napokon sa prepočíta hustota zmladenia dreviny pomocou percentuálneho podielu úrody semien danej dreviny 10 5 diskusia
z hľadiska dynamiky predstavuje proces zmladenia zložitý vedecký problém pretože sa nejedná o typický kontinuálny proces ako je rast stromu ale skôr o dej typu všetko alebo nič robinson 2008 ktorý spúšťajú zmeny materského porastu spôsobené človekom ťažba alebo prírodou kalamity navyše sa proces založenia budúcej generá-
cie skladá zo súboru čiastkových procesov počínajúc kvitnutím cez oplodnenie produk-
ciu semena a ich rozširovanie až po ich klíčenie a rast semenáčikov hoci z biologického hľadiska by bolo najsprávnejšie simulovať celý vývoj v skutočnosti sa takýto detailný prístup využíva len zriedka lebo vyžaduje veľké množstvo ťažko deﬁnovateľných para-
metrov miina et al 2006 v jednotlivo-stromových rastových simulátoroch sa často aplikujú modely dorastu ingrowth alebo recruitment models schweiger a sterba 1997 trasobares et al 2004 detailnejší prístup modelovania zmladenia zväčša využívaju sukcesné modely napr pi-
cus simuluje produkciu semena rozširovanie semena vrátane zoochórie klíčivosť semien a rast mladých jedincov lexer a hönninger 2001 po zhodnotení jednotlivých prístupov sme na modelovanie zmladenia v simulátore sibyla zvolili detailnejší prístup keď v pr-
vom kroku simulujeme úrodu semien a v druhom kroku vzídené zmladenie obr 1 na rozdiel od jednotlivo-stromových rastových simulátoroch kde sa v prvom rade modeluje pravdepodobnosť či sa zmladenie na ploche objaví alebo nie schweiger a sterba 1997 miina et al 2006 sa v nami navrhovanom modeli výskyt zmladenia simuluje priamo na základe charakteristík stromu a alebo porastu podobne ako v picus-e sa v sibyle najskôr stanoví skutočná úroda semien každého stromu ktorá sa ďalej redukuje čím sa získa množstvo potenciálne vzídeného semena v závislosti od kvality substrátu a strát spô-
sobených abiotickými a biotickými činiteľmi na rozdiel od picus-u sa však množstvo skutočne vzídených semenáčikov zo semena vzhľadom k priestorovému usporiadaniu 1 0 j j k ln n reg red= ù ù
1 i i in n d=
135
v poraste určí až v ďalšom kroku na úrovni dreviny kedy sa maximálna hustota zmladenia redukuje v závislosti od zápoja hlavného porastu obr 2 závislosť skutočnej hustoty zmladenia od stavu hlavného porastu zistili a do svo-
jich modelov začlenili aj iní autori pričom najčastejšie používanou veličinou je porastová kruhová základňa moser 1972 ek 1974 trasobares et al 2004 burk 1978 in shiﬂey et al 1993 použil zakmenenie a shiﬂey et al 1993 kompetičný faktor ccf v našom prípade sme použili veličinu stupeň zápoja porastu cc podľa crookston a stage 1999 pretože uvedený algoritmus je relatívne jednoduchý ľahko implementovateľný a je v úz-
kom vzťahu s hustotou prirodzeného zmladenia 6 záver
predstavený model hustoty prirodzeného zmladenia tvorí prvý čiastkový vý-
stup v rámci modelovania prirodzenej obnovy v stromovom rastovom simulátore siby-
la model kombinuje porastový empirický prístup so stromovým procesným prístupom empirický prístup zabezpečuje previazanosť výstupov modelu na reálne experimentálne údaje ktoré zachytávajú územie celého slovenska procesný prístup zasa zabezpečuje ﬂexibilitu modelu vzhľadom na príčinno-následné súvislosti ovplyvňujúce úrodu seme-
na jeho vyklíčenie ujatie a prežitie vo forme zabezpečených jedincov prístup sa snaží zachovať reálne proporcie medzi jednotlivými drevinami a stromami modelovanie hus-
toty prirodzeného zmladenia rieši východiskový problém budúceho komplexného mode-
lu v rámci ﬁnalizácie modelu sa budeme sústreďovať na ďalšie problémy bez ktorých nebude môcť model fungovať vo svojej komplexnosti ide o modelovanie frekvenčnej funkcie prirodzeného zmladenia modelovanie výšky jedincov a ich umiestnenia v lesnom poraste na tieto problémy sa budeme koncentrovať v rámci ďalšieho výskumu poďakovanie uvedená publikácia bola vytvorená realizáciou projektu centrum excelentnos-
ti adaptívne lesné ekosystémy na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancovaného z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 na odvodenie modelu hustoty prirodzeného zmladenia boli využité údaje národnej inventarizácie a monitoringu lesov sr ktoré nám boli poskytnuté národným lesníckym centrom vo zvolene v rámci spolupráce v projekte centra excelentnosti literatúra
crookston n l stage a r 1999 percent canopy cover and stand structure statistics from the forest ve-
getation simulator gen tech rep rmrs-gtr-24 ogden ut u s department of agriculture forest service rocky mountain research station 11 s ďurský j minďáš j konôpka m 2002 klimatické rastre pre ekologickú bonitáciu nepublikovaný výsle-
dok geograﬁckej analýzy v prostredí idrisi32 v rámci vedeckej spolupráce ek a r 1974 nonlinear models for stand table projection in northern hardwood stands canadian journal of forest research 4 23 27 136
ek a r robinson a p radtke p j walters d k 1996 regeneration imputation models and analysis for forests in minnesota staff paper series no 115 st paul minnesota 47 pp fabrika m 2005 simulátor biodynamiky lesa sibyla koncepcia konštrukcia a programové riešenie habilitačná práca technická univerzita vo zvolene 238 s hasenauer h merkl d 2001 predicting rereneration establishment within mixed species stands using neural networks in proceedings 21st iufro world congress 7-12 august 2000 kuala lumpur malaysia frei-
burg forschungsber 37 145 154 hoffmann j chválová k palátová e 2005 lesné semenárstvo na slovensku bratislava lesmedium k s 193 s hyppoenen m alenius v valkonen s 2005 models for the establishment and height development of naturally regenerated pinus sylvestric in ﬁnnish lapland scandinavian journal of forest research 20 347 357 kindermann g hasenauer h gasch j 2002 ankommen und wachstum von naturverjüngung in mischbestän-
den centralblatt für das gesamte forstwesen 119 159 186 lexer m hönninger k 2001 a modified 3d-patch model for spatially explicit simulation of vegetation com-
position in heterogeneous landscapes forest ecology and management 144 43 65
merganič j 2007 model stanoviskovej plochy jednotlivého stromu pre ihličnaté a listnaté dreviny čiastková správa pre projekt niml sr forim 2 p miina j eerikäinen k hasenauer h 2006 modeling forest regeneration in hasenauer h ed sustainable forest management growth models for europe p 93 110 monserud r a ek a r 1977 prediction of understory tree height growth in northern hardwood stands forest science 23 391 400 moser j w jr 1972 dynamics of an uneven-aged forest stand for sci 18 184 191 pretzsch h 2001 modellierung des waldwachstums parey buchverlag berlin 341 s reineke l h 1933 perfecting a stand density index for even-aged forests journal of agricultural research 46 7 s 627 638 reynolds k m 1999 netweaver for emds user guide version 1 0 a knowledge base development system gen tech rep pnw-gtr-xx portland or u s department of agriculture forest service paciﬁc
northwest research station 88 p robinson d c e 2008 development of external rgeneration models for fvs another wrench in the toolkit usda forest service proceedings rmrs-p-54 p 225 234 rohmeder e 1972 das saatgut in der forstwirtschaft verlag p parey hamburg und berlin 273 s schweiger j sterba h 1997 a model describing natural regeneration recruitment of norway spruce picea abies l karst in austria forest ecology and management 97 107 118 shifley s r ek a r burk t e 1996 a generalized methodology for estimating forest ingrowth at multiple threshold diameters forest science 39 4 776 798 šmelko š merganič j šebeň v raši r jankovič j 2006 národná inventarizácia a monitoring lesov slo-
venskej republiky 2005-2006 metodika terénneho zberu údajov pracovné postupy 3 doplnená verzia národné lesnícke centrum zvolen s 129 s isbn 80-88852-98-2 šmelková ľ 2003 zakladanie lesa vysokoškolské skriptá technická univerzita vo zvolene 256 s trasobares a pukkala t miina j 2004 growth and yield model for uneven-aged mixtures of pinus sylvestris l and pinus nigra arn in catalonia north-east spain annals of forest science 61 9 24 adresa autorov doc ing marek fabrika phd katedra hospodárskej úpravy lesov a geodézie
lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24 960 53 zvolen
e-mail fabrika@vsld tuzvo sk
137
ing ján merganič phd katedra hospodárskej úpravy lesov a geodézie
lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail merganic@vsld tuzvo sk
dr nat tech ing katarína merganičová forim
výskum inventarizácia a monitoring lesných ekosystémov
huta 14
962 34 železná breznica
www forim sk
e-mail k merganicova@forim sk
model hustoty prirodzeného zmladenia pre účely stromového rastového simulátora abstrakt
modelovanie prirodzeného zmladenia predstavuje dôležitý doplnok komplexných rastových mode-
lov umožňuje vykonávať prognózy presahujúce jeden produkčný cyklus lesa modelovať vývoj prírode blízkych lesov a prírodných lesov práca sa zaoberá modelovaním hustoty prirodzeného zmladenia ktoré predstavuje prvý krok ku komplexnému modelu prirodzenej obnovy model bude súčasťou stromového rastového simulátora sibyla na odvodenie modelu boli použité údaje národnej inventarizácie a monitoringu lesov sr niml sr a klimatické rastre s obrazovým prvkom veľkosti 90 × 90 m ktoré zachytávajú priestorovú distribúciu všetkých dôležitých klimatických charakteristík samotný model je zložený z empirickej časti ktorá modeluje hustotu zmladenia na úrovni porastovej plochy a z procesnej časti ktorá modeluje produkciu semien a potomkov na úrovni stromu empirická časť modelu vychádza z údajov niml a klimatických rastrov modeluje hustotu zmla-
denia pre jednotlivé dreviny v závislosti od strednej kvadratickej hrúbky materského porastu a od jeho zápoja model je zároveň stanovištne špeciﬁcký procesná časť modelu je založená na semenárskych rovniciach a fuzzy
logike vychádza z predpovede úrody semien jednotlivých stromov v závislosti od parametrov ako sú čistota se-
mien klíčivosť semien sypavosť semien absolútna hmotnosť semien úroda plodov zrelého jedinca a podobne úroda je následne regulovaná pomocou regulátorov a reduktorov ktoré vyjadrujú ďalšie podmienky pre vznik vyklíčenie a prežitie následnej generácie jedincov empiricky odvodená hustota prirodzeného zmladenia podľa jednotlivých drevín je potom redukovaná v závislosti od podielu jednotlivých drevín na celkovej produkcii je-
dincov odvodenej z procesného modelu kľúčové slová hustota zmladenia empirický model procesný model rastový simulátor sibyla
138
139
možnosti regulácie ťažieb metódou matematických modelov v lesných užívateľských celkoch s nepravidelnými vekovými štruktúrami
anton ž í h l a v n í k
žíhlavník a the possibilities of cutting control by the method of mathematical models in fo-
rest user units with irregulár age structures acta facultatis forestalis zvolen 51 3 139 151 2009 the paper deals with possibilities of solving forest cut regulation in forest user units that forest user units have disordered age structures the selected ﬁle of forest user units was used
with assigned to largeness class between 1300 and 1600 ha evaluation of the real age structures situation of forest user units resulted from that despite the large area is the age structure unequal and their age class distribution is disordered the disordered of the age structures were evaluated by use of variation coefﬁcients presented as variability in individual decades age structure control-
ling has been realized by using of various variants of mathematical models achieved results have supported possibility of equalization of disordered age structures point to point control during the regeneration period the ﬁrst ﬁve decades are adjusted variability of forest user units reasonably big variability differences between decades exist in forest user units where the age classes are extremely distributed compared to normal distribution key words cutting control forest management unit
1 problematika a cieľ práce vplyv obnovených vlastníckych a užívateľských vzťahov k lesu sa výrazne prejavuje vo všetkých oblastiach hospodárskej úpravy lesov i napriek tomu že od roku 1990 je dosť dlhé obdobie na ich vyriešenie ide hlavne o oblasť priestorovej úpravy lesa kde dochádza k neustálym zmenám základných jednotiek pre vypracovanie lesných hos-
podárskych plánov uvedené zmeny sa následne dotýkajú aj zmien základných jednotiek pre ťažbovú úpravu lesa od roku 1990 do roku 2009 bolo vykonané niekoľko zmien v priestorovej úprave lesov vo väzbe na zmeny legislatívy dochádza k vytváraniu rôznych veľkostných vlastníckych jednotiek a to rozdeľova-
ním ucelených lesných častí na menšie jednotky toto ovplyvňuje ich obhospodarovanie a zabezpečovanie požiadaviek plnenia mimoprodukčných funkcií lesa i napriek tomu že acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
140
do priestorovej úpravy lesa sa zaviedla novým lesným zákonom 326 2005 z z 360 2007 a vyhláškou č 453 2006 z z o húl a ochrane lesa nová jednotka a to lesný celok a vlast-
nícky celok naďalej sa ešte používa podľa predchádzajúcich právnych predpisov do ukon-
čenia platnosti príslušných lesných hospodárskych plánov lesný užívateľský celok luc preto aj problematika uvádzaná v práci je zameraná na luc získané poznatky z luc sa následne budú aplikovať aj v lesných celkoch keď sa naplní dostatočne databá-
za údajov o lesných celkoch zavedením luc do priestorovej úpravy lesa došlo k určitým zmenám v postupoch riešenia problematiky ťažbovej úpravy lesa veľkosť tejto jednotky výrazne ovplyvnila metódy ťažbovej úpravy lesa problémy v stanovení výšky obnovnej ťažby sa prejavovali už v minulosti aj keď sa jednalo o väč-
šie ucelené lesné časti vzhľadom na súčasné vlastnícke a užívateľské vzťahy nie je mož-
né úplne použiť doterajšie metódy ťažbovej úpravy lesa preto sa skúmajú rôzne možnosti použitia metód ťažbovej úpravy lesa v luc k zabezpečeniu určitej vyrovnanosti ťažieb čo úzko súvisí s vyrovnanosťou vekovej štruktúry a následne s ekologickou stabilitou týchto luc uplatňovanie jednotlivých hospodárskych spôsobov a ich foriem v tejto jednotke sa musí odrážať aj v rôznych prístupoch riešenia ťažbovej úpravy lesa veková štruktúra týchto jednotiek je veľmi nepriaznivá čo sa týka zastúpenia jednotlivých vekových stup-
ňov skúma sa preto možnosť dlhodobého sledovania vývoja takýchto vekových štruktúr luc vzhľadom na zmeny ktoré nastali v oblasti hospodárskej úpravy lesov je potrebné využiť všetky možné metódy ťažbovej úpravy lesa na zabezpečenie možnosti regulácie ťažieb v takýchto vekových štruktúrach luc dosiahnuté výsledky je možné následne použiť pri prognózovaní a regulácii ťažieb na dlhšie obdobie ďalej je ich možné využiť v nových jednotkách a to lesných celkoch resp vlastníckych celkoch stav vekovej štruk-
túry luc v príslušnom sledovanom období vplýva na stanovenie vhodnej výšky ťažby pre praktickú hospodársku úpravu lesov húl je významný stav vekovej štruktúry sle-
dovanej počas troch až piatich desaťročí z teoretického hľadiska je potrebné sledovať vekovú štruktúru počas celej rubnej doby a následne odvodzovať určité závery v priebehu vývoja húl vznikol celý rad spôsobov riešenia ťažbovej úpravy lesa ktoré vychádzali z rôznych hospodársko-úpravníckych prvkov boli vypracované deduk-
tívne riešenia ťažbovej regulácie ktoré vychádzali jednak z veľkých výmer základných jednotiek pre ťažbovú úpravu lesa a jednak neboli ovplyvnené vlastníckymi vzťahmi k le-
su v súčasnosti vzhľadom na problematiku ťažbovej úpravy lesa je potrebné neustá-
le hľadať nové metódy ťažbovej úpravy lesa ktoré zohľadňujú vlastnícke a užívateľské vzťahy k lesu žíhlavník a 2000 2001 2003 2004 2005 2008 k rozšíreniu a zdoko-
naleniu metód ťažbovej úpravy lesa je potrebné využiť všetky doterajšie riešenia greguš 1976 herich 1994 poznaňski 2001a 2001b 2004 používané metódy ťažbovej úpravy lesa v súčasnom období je potrebné zamerať na jemnejšie hospodárske spôsoby i napriek tomu že týmito jemnejšími hospodárskymi spô-
sobmi sa zaoberá málo autorov napr saniga 2006 uplatnenie ťažbových ukazovateľov založených na ploche v nadväznosti na mož-
nosť plochovej kontroly je snahou pri hospodárení v lesoch od vzniku ťažbovej úpravy 141
lesa prvé začiatky ťažbovej úpravy lesa boli spojené výlučne s plochovou úpravou za-
čína sa používať ako plochový ukazovateľ tzv normálne ročné rúbanisko ktoré sa už v súčasnej ťažbovej úprave lesa nepoužíva vzhľadom na jeho charakter a použiteľnosť len pri dodržaní určitých podmienok plochové ťažbové ukazovatele sú považované za jednoduché a presné hlavne pri použití foriem hospodárskeho spôsobu holorubného ich použiteľnosť je však čiastočne obmedzená novou právnou úpravou ktorá na prvé miesto kladie v rámci použitia jednotlivých hospodárskych spôsobov hospodársky spôsob podrastový kritika spoľahlivosti plochových ťažbových ukazovateľov a údajov v podrastovom lese je len čiastočne opodstatnená v súvislosti s výskytom prekrývajúcich sa etáží na tej istej ploche zdôvodňovanie potreby použitia plochových ťažbových ukazovateľov potreby ná-
vratu ku plochovej kontrole nie je snaha o presadzovanie holorubného hospodárskeho spôsobu vychádza len z nutnosti usmerňovania nepriaznivého stavu vekovej štruktúry lesa a z nutnosti dosiahnutia priaznivého pomeru jednotlivých vekových stupňov v prí-
slušných jednotkách toto je možné len s takou veličinou ktorá je presná ľahko zmerateľ-
ná ktorá nepodlieha zmenám v priebehu vývoja v jednotlivých obdobiach výpočtu a zá-
roveň je ľahko kontrolovateľná tieto kritériá spĺňa v prvom rade plocha ktorá sa počas celého obdobia výpočtu vo väčšine vekových stupňov nemení a ostáva stála zmeny vo výmerách nastávajú len vplyvom obnovnej ťažby vo vekových stupňoch obnovovaných a v najmladšom vekovom stupni vplyvom presunu obnovených plôch celková výmera sledovanej jednotky sa však pri dodržaní stanovených podmienok hospodárenia počas celého obdobia výpočtu vo väčšine prípadov vôbec nemení a nemajú na ňu vplyv výchov-
né ani obnovné zásahy na rozdiel od zásob ktoré sa týmito zásahmi v každom desaťročí neustále menia vo všetkých vekových stupňoch žíhlavník a 2005 k problému nepravidelnosti až extrémnosti vekových štruktúr luc pristupuje prob-
lém určenia výmer a hraníc jednotlivých luc riešenie problematiky vývoja vekovej štruktúry luc a zároveň prognózovanie ťažieb predpokladá požadovanú presnosť túto je možné dosiahnuť len za predpokladu presného určenia výmer luc podrobne uvedenú problematiku rozoberá žíhlavník š 2004a 2004b cieľom tejto práce je poukázať na možnosť riešenia regulácie ťažieb matematických modelov v luc s nepravidelnými vekovými štruktúrami vo väzbe na postupné zlepšova-
nie ekologickej stability týchto luc ďalej cieľom tejto práce je zhodnotenie vekových štruktúr luc a to jednak zhod-
notenie zastúpenia jednotlivých vekových stupňov a jednak zhodnotenie variačných ko-
eﬁcientov vekových štruktúr luc počas 5 desaťročí získané poznatky potom následne využiť v nových jednotkách priestorového rozdelenia lesa a to v lesných celkoch ďalej sa v práci posúdil vplyv regulácie na formovanie vekových štruktúr luc s možnosťou postupného odstraňovania ich nepravidelností uvedená problematika je výsledkom riešenia v rámci projektu centrum excelent-
nosti adaptívne lesné ekosystémy aktivita ekologicky vhodné využívanie lesných ekosystémov 142
2 podkladový materiál a metodický postup prác ako podkladový materiál boli použité lesné hospodárske plány lhp s rôznou platnosťou vypracované bývalým lesoprojektom zvolen údaje z rôznych oblastí slo-
venska poskytlo národné lesnícke centrum zvolen problematika sa riešila v luc ktoré patrili do kategórie lesov hospodárskych z databázy sa urobil výber 5 luc s výmerami od 1 300 do 1 600 ha jedná sa o luc ktorých rubná doba bola 110 rokov a obnovná doba 30 rokov z pre-
hľadových tabuliek sa získali a použili údaje o plochách drevín po vekových stupňoch zásoby po vekových stupňoch a výška ťažieb charakteristika a zhodnotenie vekových štruktúr bolo zamerané na skutočné zastúpenie vekových stupňov v porovnaní k normál-
nemu zastúpeniu jednotlivé luc sú označené číslom aby nedošlo k zneužitiu údajov o vlastníctve a majetku príslušných subjektov treťou osobou luc 1 5 6 7 9 na obrázkoch 1 5 je znázornené skutočné a normálne zastúpenie vekových stupňov jednotlivých luc veková štruktúra jednotlivých luc je nepravidelná a vzájomne rozdielna zhodno-
tenie vekovej štruktúry je vykonané v nasledujúcej kapitole stručná charakteristika sledovaných luc je nasledovná luc č 1
výmera lesných porastov kategórie hospodárskych lesov tvaru vysokého je 1 342 08 ha rubná doba je 110 rokov a obnovná doba stanovená na 30 rokov celková zásoba predstavuje 287 640 m3 z toho zásoba rubných porastov je 31 347 m3 výmera rubných porastov je 81 11 ha a ťažbová plocha je 61 31 ha stanovená výška obnovnej ťažby je 23 694 m3 luc č 5
celková výmera lesných porastov kategórie hospodárskych tvaru vysokého je 1 937 53 ha rubná doba bola stanovená na 110 rokov a obnovná doba na 30 rokov cel-
ková zásoba lesného užívateľského celku predstavuje 319 699 m3 zásoba rubných po-
rastov je 72 493 m3 a výmera rubných porastov je 325 77 ha etát obnovnej ťažby bol stanovený na 4 705 m3 luc č 6
celková výmera lesných porastov predstavuje 1 615 14 ha rubná doba je 110 a ob-
novná doba 30 rokov celková zásoba porastov je 287 941 m3 zásoba rubných poras-
tov predstavuje 54 001 m3 výmera rubných porastov je 166 25 ha na základe lhp bola výška obnovnej ťažby stanovená na 37 500 m3 pričom ťažbová plocha dosiahla výmeru 137 55 ha luc č 7
výmera lesných porastov kategórie hospodárskych lesov tvaru vysokého je 1 442 03 ha rubná doba je 110 rokov a obnovná doba 30 rokov celková zásoba lesného užívateľského celku je 249 652 m3 zásoba rubných porastov je 68 581 m3 výmera rub-
143
ných porastov je 245 14 ha stanovená výška obnovnej ťažby je 24 542 m3 na ťažbovej ploche 89 49 ha luc č 9
výmera porastov patriacich do kategórie hospodárskych lesov tvaru vysokého pred-
stavuje 1 631 10 ha rubná doba lesného užívateľského celku je 110 rokov a obnovná doba má dĺžku 30 rokov celková zásoba v hospodárskych lesoch je 234 154 m3 z to-
ho 2 179 m3 sa nachádza v rubných porastoch výmera rubných porastov je 10 06 ha čo predstavuje 3 39 z normálnej výmery rubných porastov obnovná ťažba bola predpísa-
ná vo výške 31 292 m3 na ťažbovej ploche 136 66 ha výpočet plochového ťažbového ukazovateľa ktorým sa následne upravovala veková štruktúra luc sa vykonal použitím metódy matematických modelov s rôznymi varianta-
mi žíhlavník a 1998 1999 2000 2004 2005 2008 formulácia matematických mo-
delov a úprava základných podmienok pre reguláciu vekovej štruktúry a výpočet plocho-
vého ťažbového ukazovateľa je uvedená v predchádzajúcich uvádzaných prácach na zhodnotenie skutočnej vekovej štruktúry sa použilo porovnanie tejto štruktúry s normálnym zastúpením vekových stupňov ďalej na zhodnotenie sa použil variačný ko-
eﬁcient s
x ktorý sa vypočítal z percentuálnych rozdielov diferencií medzi skutočným a normálnym zastúpením vekových stupňov ďalej boli vypočítané priemerné hodnoty x smerodajné odchýlky s
x a variačný koeﬁcient s
x podľa známych vzťahov zo štatistiky 3 dosiahnuté výsledky a diskusia
3 1 zhodnotenie skutočných vekových štruktúr luc na základe zastúpenia vekových stupňov
luc č 1
vekovú štruktúru tohto luc môžeme hodnotiť ako štruktúru s nadbytkom vekových stupňov 2 3 9 resp čiastočne s nadbytkom aj 1 5 a 8 a nedostatkom vekových stup-
ňov 4 6 7 a 10 13 oproti normálnemu zastúpeniu obr 1 luc č 5
vekovú štruktúru tohto luc môžeme hodnotiť ako štruktúru sa nadbytkom veko-
vých stupňov 5 6 8 a 10 vekového stupňa resp 7 a 9 vekového stupňa a nedostat-
kom vekových stupňov 1 4 11 13 vekového stupňa obr 2 luc č 6
vekovú štruktúru tohto luc môžeme hodnotiť ako štruktúru sa nadbytkom veko-
vých stupňov 1 2 3 a 8 vekového stupňa a nedostatkom vekových stupňov 5 6 10 13 vekového stupňa obr 3 luc č 7
vekovú štruktúru tohto luc môžeme hodnotiť ako štruktúru sa nadbytkom veko-
vých stupňov 4 8 a 11 vekového stupňa a nedostatkom vekových stupňov 1 3 9 10 12 a 13 vekového stupňa obr 4 144
luc č 9
vekovú štruktúru tohto luc môžeme hodnotiť ako štruktúru sa nadbytkom veko-
vých stupňov 1 3 5 a 6 vekového stupňa a nedostatkom ostatných vekových stupňov túto vekovú štruktúru môžeme hodnotiť ako extrémnu s chýbajúcimi resp nízkymi vý-
merami rubných vekových stupňov obr 5 obr 1
fig 1
obr 2
fig 2
145
obr 1 5 znázornenie skutočného a normálneho zastúpenia vekových stupňov v lesných užívateľských celkoch luc 1 5 6 7 9 fig 1 5 view of real and normal age class distribution in forest user units fuu no 1 5 6 7 9 obr 3
fig 3
obr 4
fig 4
obr 5
fig 5
146
rozloženie zásob po jednotlivých vekových stupňoch v luc je zhodné s rozložením hlavne stredných a rubných vekových stupňov návrhy ťažieb a ťažbové plochy sú roz-
dielne podľa skutočného stavu porastov tvoriacich príslušný luc zo zhodnotenia jednotlivých luc vyplynulo že uvedené rozdiely v zastúpení vekových stupňov oproti normálnemu zastúpeniu výrazne ovplyvňujú snahu o dosiahnu-
tie vyrovnanej vekovej štruktúry použitím regulácie vekového zastúpenia počas dlhšieho obdobia preto aj prístup k riešeniu vyrovnanosti vekových štruktúr vyžaduje osobitný postup pre určitý typ vekovej štruktúry dosiahnutie určitej cieľovej štruktúry je možné vypracovaním modelových vekových štruktúr s rôznym zastúpením vekových stupňov a následným zaradením skutočných vekových štruktúr do týchto modelov ďalšie zhod-
notenie bolo zamerané na zhodnotenie variability počas 5 desaťročí použitím variačných koeﬁcientov 3 2 zhodnotenie skutočných vekových štruktúr použitím variačného koeﬁcienta pre zhodnotenie vekových štruktúr sa použila upravená metóda matematických modelov s výpočtom plochových ťažbových ukazovateľov na 5 desaťročí a následne zhodnotenie variability vekových štruktúr v luc v každom desaťročí pri rozdelení ťaž-
bového ukazovateľa do jednotlivých vekových stupňov sa použili dve alternatívy v prvej alternatíve i sa použili na rozdelenie plochového ťažbového ukazo-
vateľa do jednotlivých vekových stupňov ťažbové percentá a pri druhej alternatíve ii sa použili empirické ťažbové percentá ktoré sú platné v súčasnom období ako ťažbové ukazovatele na obrázkoch 6 10 je znázornený priebeh variačných koeﬁcientov s
x pre 5 desaťročí pre alternatívu i a ii luc č 1
hodnota variačného koeﬁcienta tohto luc na začiatku bola 67 38 táto hodnota je rovnaká pre i alternatívu aj pre ii alternatívu toto platí pre všetky sledované luc variačný koeﬁcient i alternatívy stúpa počas 4 desaťročí najväčší je v 4 desaťročí 148 19 v 5 desaťročí poklesne na hodnotu 130 15 rozdiel medzi maximálnou a minimálnou hodnotou predstavuje 80 81 priebeh variačného koeﬁcienta pre ii al-
ternatívu je podobný ale s vyššími hodnotami obdobie najväčšej variability je tiež v 4 desaťročí maximálny rozdiel vo variabilite v sledovanom období pre variačný koeﬁcient
ii alternatívy predstavuje až 151 29 obr 6 luc č 5
variačný koeﬁcient na začiatku desaťročia je 54 11 maximum variačného koeﬁ-
cienta v i alternatíve je 77 22 v 5 desaťročí a v ii alternatíve je 145 70 rozdiel ma-
ximálnej a minimálnej hodnoty pri i alternatíve je 23 11 a pri ii alternatíve je 91 59 obr 7 147
luc č 6
počiatočná hodnota variačného koeﬁcienta je 84 17 hodnota variačného koeﬁ-
cienta v i alternatíve je maximálna v 4 desaťročí 89 73 a minimálna v 2 desaťročí 82 95 rozdiel extrémnych hodnôt je 6 78 variačný koeﬁcient pri ii alternatíve dosahuje maximum v 5 desaťročí 185 01 a minimum v 3 desaťročí 70 13 roz-
diel maximálnej a minimálnej hodnoty je 114 93 priebeh hodnôt variačného koeﬁcien-
ta i alternatívy je oproti variačnému koeﬁcientu ii alternatívy vyrovnanejší k väčším rozdielom dochádza v 4 a 5 desaťročí obr 8 luc č 7
hodnota variačného koeﬁcienta na začiatku bola 54 11 variačný koeﬁcient pri
i alternatíve dosahuje maximum v 4 desaťročí maximum variačného koeﬁcienta pri ii alternatíve je v 5 desaťročí 217 26 a od minima sa odlišuje o 152 56 obr 9 luc č 9
hodnota variačného koeﬁcienta na začiatku desaťročia bola 65 79 maximum va-
riačného koeﬁcienta v i alternatíve sa dosiahlo v 3 desaťročí 69 25 a odlišuje sa od minimálnej hodnoty o 4 73 maximum variačného koeﬁcienta v ii alternatíve je v 4 desaťročí a od minima sa odlišuje o 8 39 obr 10 obr 6
fig 6
148
obr 7
fig 7
obr 8
fig 8
obr 9
fig 9
149
obr 6 10 znázornenie priebehu variačných koeﬁcientov s
x pre 5 desaťročí alternatíva i a ii v lesných užívateľských celkoch luc 1 5 6 7 9 fig 6 10 trend of variation coefﬁcients s
x for ﬁve decades alternative i and ii in forest user units fuu no 1 5 6 7 9 zo zhodnotenia skutočných vekových štruktúr luc vyplynulo že hodnoty variač-
ných koeﬁcientov sa v priebehu jednotlivých desaťročí menia vzhľadom na zastúpenie jednotlivých vekových stupňov a majú v niektorých prípadoch stúpajúcu tendenciu veľké rozdiely medzi jednotlivými desaťročiami sa vyskytujú pri tých luc ktorých vekové stupne sú extrémne zastúpené tvoria skupiny s nadbytkom alebo nedostatkom vekových stupňov priaznivý vývoj vekovej štruktúry sa v týchto luc pozoruje až po niekoľkých desaťročiach pri i alternatíve priebeh variačných koeﬁcientov je vo všetkých luc plynulejší ako pri ii alternatíve vyplýva to zo silnejšej intenzity použitých ťažbových percent v rub-
ných vekových stupňoch z dosiahnutých výsledkov vyplynulo že vzhľadom na nepra-
videlnosť zastúpenia vekových stupňov k regulácii ich vyrovnanosti musíme pristupovať zásahmi rôznej intenzity v rubných vekových stupňoch napriek tomu že variabilita luc má v prvých desaťročiach stúpajúcu tendenciu neskoršie sa prejavuje vplyv regulácie znižovaním variability pre spresnenie výsledkov v ďalšom výskume je potrebné zhodnotiť okrem variability vekovej štruktúry luc aj in-
dex poklesu variačných koeﬁcientov resp index zhody vekovej štruktúry v určitom ob-
dobí odstránenie nepravidelnosti vekových štruktúr a zabezpečenie vyrovnanosti ťažieb predpokladá hlavne zásahy do vekových stupňov ktoré sú v nadbytku uvedené výsledky potvrdzujú aj niektoré predchádzajúce podobné riešenia poznański 2001 2004 žíhlav-
ník a 2004 bahýľ žíhlavník 2008 predpokladá sa väčšia výmera luc s určitou po-
čiatočnou vyrovnanosťou vekových štruktúr luc z doterajších výsledkov vyplynulo že použitím metódy matematických modelov do-
chádza k postupnému vyrovnávaniu skutočných vekových štruktúr vo väzbe na porovnanie obr 10
fig 10
150
s normálnymi vekovými štruktúrami v uplatnení vyrovnanosti metódy matematických modelov sú však výrazné rozdiely medzi jednotlivými lesnými užívateľskými celkami preto je potrebné vytvoriť rôzne veľkostné skupiny luc s určitým variačným rozpätím a presne stanovenými podmienkami pomocou ktorých je možné zatriediť jednotlivé luc do týchto skupín určité poznatky sa už v minulosti získali vytvorením modelových veko-
vých štruktúr bahýľ žíhlavník 2008 4 záver v práci je riešená problematika ťažbovej úpravy lesa v lesných užívateľských celkoch ide o lesné užívateľské celky s nepravidelnými vekovými štruktúrami použil sa vybraný súbor lesných užívateľských celkov zaradený do veľkostnej skupiny v roz-
pätí výmery 1 300 1 600 ha zo zhodnotenia stavu skutočných vekových štruktúr les-
ných užívateľských celkov vyplynulo že napriek dosť veľkej výmere je veková štruktúra nevyrovnaná s nepravidelným zastúpením vekových stupňov nepravidelnosť vekových štruktúr sa hodnotila použitím variačných koeﬁcientov ktorými sa vyjadrila variabilita v jednotlivých desaťročiach regulácia vekovej štruktúry sa vykonala použitím rôznych variantov matematických modelov dosiahnuté výsledky potvrdili možnosť vyrovnania nepravidelnej vekovej štruktúry postupnou reguláciou počas rubnej doby prvých päť de-
saťročí sa variabilita lesných užívateľských celkov upravuje veľmi mierne veľké rozdiely medzi desaťročiami vo variabilite sa vyskytujú pri tých lesných užívateľských celkoch ktorých vekové stupne sú extrémne zastúpené oproti normálnemu zastúpeniu poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
bahýľ j žíhlavník a 2008 hodnotenie vplyvu metódy matematických modelov na vyrovnávanie vekovej štruktúry acta facultatis forestalis zvolen l č 2 s 115 129 greguš c 1976 hospodárska úprava maloplošného rúbaňového lesa bratislava 304 s herich i 1994 model regulácie etátu obnovnej ťažby uplatnenie princípu ťažbovej vyrovnanosti lesnícky časopis č 5 s 317 333 poznański r 2001a a new method of regulation in uneven-aged forests in medzinárodné sympózium sú-
časnosť a nové smery rozvoja húl tu zvolen s 25 29 poznański r 2001b metoda optymalnego porządku cięć w przerębowozrębowym sposobie zagospodarowania z rębnią częściową roczniki akademii rolnizcej w poznaniu cccxxxi leśnictwo 39 203 208 poznański r 2004 nowe metody regulacji w urządzaniu lasu katedra urządzania lasu akademii rlniczej krakow 195 s saniga m 2006 pestovanie lesa tu zvolen 311 s žíhlavník a 1998 využitie plochových ťažbových ukazovateľov v nepravidelných vekových štruktúrach lesa acta facultatis forestalis zvolen xl s 185 196 žíhlavník a 2000 ťažbová regulácia v lesných užívateľských celkoch s podrastovým hospodárskym spôso-
bom acta facultatis forestalis zvolen xlii s 213 225 151
žíhlavník a 2001 vplyv vekovej štruktúry na vyrovnanosť ťažbových ukazovateľov v podrastovom lese acta facultatis forestalis zvolen xliii s 389 400 žíhlavník a 2003 ťažbová úprava lesa v lesných užívateľských celkoch s malými výmerami acta facultatis forestalis zvolen xlv s 311 321 žíhlavník a 2004 regulácia vekovej štruktúry podrastového lesa počas rubnej doby acta facultatis foresta-
lis zvolen xlvi s 185 195 žíhlavník a 2005 uplatnenie ťažbových ukazovateľov v dlhodobom sledovaní vývoja vekovej štruktúry lesa acta facultatis forestalis zvolen xlvii s 309 322 žíhlavník š 2004a geodézia fotogrametria a mapovanie v lesníctve vš učebnica tu zvolen 388 s žíhlavník š 2004b problematika vytyčovania hraníc pri reprivatizácii lesných pozemkov acta facultatis fo-
restalis zvolen xlvi s 235 245 vyhláška mp sr č 453 2006 z z o hospodárskej úprave lesov a ochrane lesa
zákon nr sr č 326 2005 z z o lesoch 360 2007 adresa autora prof ing anton žíhlavník csc katedra hospodárskej úpravy lesov a geodézie
lesnícka fakulta tu vo zvolene
t g masaryka 24 960 53 zvolen
slovensko
e-mail azihlav@vsld tuzvo sk
možnosti regulácie ťažieb metódou matematických modelov v lesných užívateľských celkoch s nepravidelnými vekovými štruktúrami abstrakt
v práci je riešená problematika ťažbovej úpravy lesa v lesných užívateľských celkoch ide o les-
né užívateľské celky s nepravidelnými vekovými štruktúrami použil sa vybraný súbor lesných užívateľských celkov zaradený do veľkostnej skupiny v rozpätí výmery 1300-1600 ha zo zhodnotenia stavu skutočných ve-
kových štruktúr lesných užívateľských celkov vyplynulo že napriek dosť veľkej výmere je veková štruktúra nevyrovnaná s nepravidelným zastúpením vekových stupňov nepravidelnosť vekových štruktúr sa hodnotila použitím variačných koeﬁcientov ktorými sa vyjadrila variabilita v jednotlivých desaťročiach regulácia veko-
vej štruktúry sa vykonala použitím rôznych variantov matematických modelov dosiahnuté výsledky potvrdili možnosť vyrovnania nepravidelnej vekovej štruktúry postupnou reguláciou počas rubnej doby prvých päť de-
saťročí sa variabilita lesných užívateľských celkov upravuje veľmi mierne veľké rozdiely medzi desaťročiami vo variabilite sa vyskytujú pri tých lesných užívateľských celkoch ktorých vekové stupne sú extrémne zastúpené oproti normálnemu zastúpeniu kľúčové slová ťažbová úprava lesa lesný užívateľský celok
152
153
vznik sacharidov a prchavých látok pri predhydrolýze topoľového dreva marta l a u r o v á františek k a č í k
laurová m kačík f arising of saccharides and volatile compounds at poplar wood popu-
lus tremula l prehydrolysis acta facultatis forestalis zvolen 51 3 153 161 2009 hydrothermal treatment under mild conditions 160 200 °c reaction time 30 240 min liquor to solid ratio 4 1 ml g caused effect on dissolution of aspen populus tremula l the obtained liquors contained a mixture of oligosaccharides mostly xylooligosacharides monosaccharides mai- nly xylose arabinose and saccharides and lignin decomposition products volatile compounds methanol acetic acid propionic acid and 2-furaldehyde it was found that the formation of these compounds depends on the autohydrolysis conditions reaction time temperature key words poplar hydrolysis saccharides 2-furaldehyde carboxylic acids methanol
1 úvod
spôsob zhodnotenia biomasy na energetické účely je do značnej miery pred-
určený jej fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami veľmi dôležitým parametrom je vlh-
kosť resp obsah sušiny v biomase hodnota 50 sušiny tvorí približnú hranicu medzi mokrými procesmi a suchými procesmi jej spracovania napriek tomu že existuje viacero spôsobov energetického zhodnotenia biomasy vo svete prevláda zo suchých procesov spaľovanie biomasy a z mokrých procesov výroba bioplynu anaeróbnou fermentáciou z ostatných spôsobov dominuje výroba metylesterov bioolejov ktoré sa získavajú v surovom stave lisovaním semien olejnatých rastlín kára et al 1995 kára hutla strašil 2003 lignocelulózová lc biomasa dendromasa fytomasa predstavuje rastlinnú bio-
masu ktorá pozostáva z troch hlavných zložiek celulózy 38 54 lignínu 15 31 a hemicelulóz 11 37 zvyšok tvoria extraktívne látky a popol prevažujúcou hemi-
celulózovou zložkou v lc biomase sú xylány na výrobu etanolu sú uprednostňované surovinové zdroje s vyšším obsahom acetylových skupín ktoré pozitívne ovplyvňujú hydrolýzne procesy už pri ich predúprave garrote et al 1999a lee et al 2007 sierra et al 2008 výroba etanolu z lignocelulózovej biomasy pozostáva zo štyroch základných techno-
logických operácií predúprava biomasy hydrolýza celulózy sachariﬁkácia skvasovanie anaeróbna fermentácia monosacharidov na etanol jeho oddelenie zo zmesi a čistenie rehm reed 1996 mckendry 2002b pandey 2009 acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
154
v technologickom procese predúpravy lc biomasy parenie parná explózia horú-
covodná predhydrolýza sa najčastejšie využíva teplotný rozsah 150 až 300 °c pri týchto teplotách v dôsledku katalytického účinku h
3
o iónov vznikajúcich v prvých fázach au-
tohydrolýzy najmä v autoprotolýzou vody dochádza k hydrolýznym reakciám podobným ako pri nižších teplotách avšak s vyššou intenzitou ako napr pri teplote 100 °c tortosa et al 1995 hemicelulózy sa hydrolyzujú vplyvom štiepenia glykozidových väzieb na vodorozpustné oligosacharidy alebo až monosacharidy carvalheiro et al 2004 conner 1984 garrote domínguez parajó 1999a b garrote parajó 2002 parajó et al 2004 súčasne do vodného roztoku prechádza aj značná časť vodorozpustného lignínu hyd-
rolyzáty sa môžu využívať napr ako fermentačné médium na výrobu niektorých látok nakoľko niektoré typy kvasiniek a baktérií dokážu premieňať hexózy a pentózy na etanol xylitol atď hahn-hägerdal et al 2006 sánchez cardona 2008 ollson hahn-häger-
dal 1996 sreenath jeffries 2000 sun cheng 2002 rýchlosť a účinnosť fermentácie hydrolyzátov tzv c6 resp c5 frakcie je obmedze-
ná pretože pri autohydrolýze resp kyslej hydrolýze vznikajú aj inhibítory týchto proce-
sov ako sú napr kyselina octová 2-furaldehyd a niektoré aromatické zlúčeniny vznikajú-
ce z lignínu delgenes et al 1996 palmqvist hahn-hägerdal 2000a b cieľom práce bolo nájsť optimálne podmienky teplotu čas horúcovodnej predhyd-
rolýzy topoľového dreva populus tremula l pri ktorých sa uvoľní maximálne množ-
stvo mono- resp oligosacharidov hemicelulózového podielu do hydrolyzátov a súčasne sledovať tvorbu inhibítorov fermentačných procesov vzniknutých sacharidov 2 materiál a metódy
výber vzoriek vzorky dreva s rozmermi 2 × 2 × 10 mm boli pripravené zo 40-ročného kmeňa topoľa osikového populus tremula l analýza dreva extraktívne látky v dreve boli stanovené zmesou toluén-etanol 1 2 podľa normy astm standard d 1107-96 1998 celulóza podľa seiferta 1960 holocelulóza podľa wise et al 1946 lignín podľa normy astm standard d 1106-96 1998 horúcovodná predhydrolýza dreva vzorky topoľového dreva 2 g boli hydrolyzované v destilovanej vode v ne-
rezových autoklávoch pri teplotách 160 180 a 200 °c počas 30 60 120 a 240 minút hydromodul drevo voda bol 1 4 g a s cm3 155
analýza hydrolyzátov
po skončení časového limitu predhydrolýzy bol autokláv ochladený na labo-
ratórnu teplotu a pevný zvyšok bol oddelený od hydrolyzátu ﬁltráciou prchavé produkty metanol kyselina octová kyselina propiónová 2-furaldehyd boli analyzované plynovou chromatograﬁou metódou kalibračnej krivky kačík 2001 monosacharidy a oligosacha-
ridy v hydrolyzátoch boli stanovené po ich derivatizácii na aldonitrilacetatáty plynovou chromatografiou metódou vnútorného štandardu kačík et al 1993 hodnoty ph hydro-
lyzátov boli zistené potenciometricky na prístroji inolab ph 720 wtw gmbh 3 výsledky a diskusia
topoľové drevo použité na hydrolýzu obsahovalo 3 92 extraktívnych látok 87 66 holocelulózy 45 10 celulózy a 16 83 lignínu zvyšovaním teploty horúcovodnej predhydrolýzy dochádzalo k posunu hodnôt ph hydrolyzátov do kyslých oblastí a to v dôsledku prítomnosti nascentných organických kyselín najmä kyseliny octovej a mravčej v menšej miere kyseliny propiónovej levulo-
vej a urónových kyselín vzrast acidity v hydrolyzátoch topoľového dreva ovplyvňovala nielen teplota ale aj dĺžka hydrotermického pôsobenia na drevo tab 1 tab 1 hodnoty ph hydrolyzátov
tab 1 hydrolysates ph values vznikajúce kyseliny katalyzujú štiepenie glykozidových väzieb v polysacharidoch najmä v hemicelulózach ktoré sa následne uvoľňujú vo forme mono- oligo- a polysa-
charidov do hydrolyzátov podľa bobletera 1994 môžu byť hemicelulózy za určitých podmienok takmer kvantitatívne zhydrolyzované bez poškodenia celulózy keďže väzby v hemicelulózach sú slabšie ako v celulóze hydrolyzáty získané po hydrolýze topoľového dreva obsahovali zmes monosachari-
dov ktoré sú typické pre listnaté dreviny najväčšie koncentrácie v získaných roztokoch dosahovali monosacharidy d-xylóza l-arabinóza a d-glukóza tab 2 okrem monosacha-
ridov sa v roztoku nachádzali aj oligo- a polysacharidy ktoré pochádzali prevažne z hemi-
celulózovej frakcie skúmaného topoľového dreva tab 3 v listnatých drevinách je hlavnou hemicelulózovou zložkou o-acetyl- 4-o-metyl- glukuróno xylán jej depolymerizáciou sa do hydrolyzátu uvoľňovala najmä xylóza a jej oligoméry pri teplotách 170 až 200 °c je možné hydrolýzu xylánu kineticky vyjadriť ako teplota °c čas min 160 180 200
30 3 52 3 38 3 02
60 3 03 2 99 2 89
120 3 00 2 93 2 87
240 2 97 2 91 2 89
156
sumu dvoch paralelných reakcií prvého poriadku jedna je platná pre ľahkohydrolyzova-
teľnú časť a druhá pre viac odolnú časť xylánu okrem xylózy a jej oligomérov sa v hyd-
rolyzátoch nachádzajú aj 2-furaldehyd a ďalšie degradačné produkty sacharidov conner 1984 čo je v dobrej zhode s našimi výsledkami tab 4 tab 2 koncentrácie monosacharidov v hydrolyzátoch
tab 2 concentration of monosaccharides in hydrolysates
tab 3 koncentrácie celkových sacharidov v hydrolyzátoch suma mono- a oligosacharidov tab 3 concentration of total saccharides in hydrolysates sum of the mono- and oligosaccharides teplota °c čas min koncentrácia g dm 3 d-xylóza d-glukóza l-arabinóza
160
30 0 06 0 09 0 04
60 0 23 0 04 0 12
120 4 15 0 33 1 66
240 6 41 1 42 2 74
180
30 0 34 0 13 0 21
60 3 89 0 47 3 12
120 4 1 2 27 4 19
240 4 6 1 85 0 86
200
30 3 28 0 09 0 72
60 6 63 1 29 2 67
120 1 36 3 29 1 28
240 1 21 2 57 0 26
teplota °c čas min koncentrácia g dm 3 d-xylóza d-glukóza l-arabinóza
160
30 0 31 0 18 0 06
60 9 80 0 36 0 17
120 22 83 1 08 1 68
240 15 85 1 70 2 92
180
30 5 13 0 57 0 78
60 14 64 1 90 5 40
120 12 18 2 92 4 35
240 4 91 1 93 0 89
200
30 11 40 1 50 3 14
60 9 84 2 01 2 77
120 1 48 3 56 1 37
240 1 38 2 71 0 28
157
na obr 1 až 3 sú znázornené pomery množstiev jednotlivých sacharidov v ich oligo-
mérnej a monomérnej forme z grafov vyplýva že pri nižších teplotách a časoch pôsobe-
nia prevládala rýchlosť odštepovania reťazcov hemicelulóz z dreva nad ich hydrolýzou na monomérnu formu postupne však dominovala hydrolýza nízkomolekulových fragmen-
tov polysacharidov v roztoku na monosacharidy ktoré boli hlavnou sacharidovou formou v hydrolyzátoch podobný trend bol zistený aj pri hydrolýze javorového dreva kačík 2001 obr 1 pomer koncentrácií oligosacharidov k monosacharidom v hydrolyzátoch d-xylóza
fig 1 oligosaccharides to monosaccharides concentration ratio in hydrolysates d-xylose
obr 2 pomer koncentrácií oligosacharidov k monosacharidom v hydrolyzátoch d-glukóza
fig 2 oligosaccharides to monosaccharides concentration ratio in hydrolysates d-glucose
158
obr 3 pomer koncentrácií oligosacharidov k monosacharidom v hydrolyzátoch l-arabinóza
fig 3 oligosaccharides to monosaccharides concentration ratio in hydrolysates l-arabinose
optimálne podmienky hydrolýzy pri ktorých sa dosiahli maximálne výťažky sacha-
ridov boli teplota 160 °c a čas 120 minút resp 180 °c a 60 minút čo sú podobné pod-
mienky ako boli dosiahnuté pri hydrolýze jelšového dreva kačík et al 2008 pokles koncentrácie sacharidov pri teplote 200 °c ako aj pri dlhších časoch pri nižších teplotách pôsobenia je spôsobený degradačnými reakciami monosacharidov pri ktorých z pentóz vzniká 2-furaldehyd a z hexóz jeho 5-hydroxymetyl derivát medzi najdôležitejšie degradačné produkty hemicelulóz patrí kyselina octová a mimoriadne reaktívny 2-furaldehyd ich množstvá v hydrolyzátoch topoľového dreva vzrastali so zvyšujúcou teplotou a predĺžovaním času predhydrolýzy tab 4 pri teplote 200 °c však bolo pri 120 minútach dosiahnuté koncentračné maximum tejto látky uvede-
nú skutočnosť možno vysvetliť už spomínanou schopnosťou 2-furaldehydu vstupovať do kondenzačných reakcií s degradačnými produktmi sacharidov a lignínu keďže uvedené látky pôsobia inhibične pri ďalšom spracovaní monosacharidov prítomných v hydrolyzátoch napr mikrobiálnou fermentáciou je potrebné do daných technologických postupov zaradiť tzv detoxifikáciu hydrolyzátov delgenes et al 1996 palmqvist hahn-hägerdal 2000a b optimalizácia podmienok hydrolýzy teplota čas sú preto veľmi dôležité na dosiahnutie maximálnych výťažkov sacharidov pri ich mini-
málnom rozklade na degradačné produkty na odstránenie škodlivých látok z hydrolyzá-
tov sa používajú viaceré detoxifikačné metódy carvalho et al 2006 jönsson et al 1998 jönsson et al 2001 larson et al 1999 159
tab 4 koncentrácie prchavých látok v hydrolyzátoch tab 4 concentrations of volatile compounds in hydrolysates
4 záver
horúcovodná predhydrolýza pri teplotách 160 180 a 200 °c a reakčných ča-
soch 30 60 120 a 240 °c spôsobuje najmä hydrolýzu hemicelulóz topoľového dreva po-
pulus tremula l ktoré sa pri nižších teplotách 160 °c resp kratších reakčných časoch do 120 minút uvoľňujú do roztoku prednostne vo forme oligosacharidov tieto sa pre-
dlžovaním času predhydrolýzy hydrolyzujú na monosacharidy maximálne koncentrácie v získaných roztokoch dosahujú d-xylóza l-arabinóza a d-glukóza najvyššie koncen-
trácie sacharidov v hydrolyzátoch sa dosahujú pri teplote 160 °c a čase 120 minút resp pri teplote 180 °c a čase 60 minút degradáciou uvoľnených monosacharidov a odštepovaním funkčných skupín hemi-
celulóz a lignínu vznikajú ďalšie produkty ako sú najmä 2-furaldehyd ktorý kondenzuje s inými produktmi degradácie sacharidov a lignínu a kyselina octová poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 teplota °c čas min koncentrácia g dm 3 metanol
kyselina octová
kyselina propiónová
2-furaldehyd
160
30 0 17 0 74 0 14 0 12
60 0 37 1 91 0 38 0 12
120 0 39 7 75 0 93 0 51
240 0 74 10 80 0 98 3 19
180
30 0 23 0 98 0 19 0 11
60 0 98 10 40 1 00 1 31
120 1 20 12 62 0 86 7 77
240 1 36 14 46 0 68 13 72
200
30 0 55 6 49 0 96 0 75
60 1 07 11 31 0 74 8 31
120 1 44 13 30 1 40 11 83
240 1 43 14 83 1 05 8 77
160
literatúra
bobleter o 1994 hydrothermal degradation of polymers derived from plants in progress in polymer scien-
ce vol 19 1994 issue 5 pp 797 841 carvalheiro f esteves m p parajó j c pereira h goril f m 2004 production of oligosaccharides by autohydrolysis of brewery’s spent braun in bioresource technology vol 91 2004 issue 1 pp 93 100 carvalho g b m mussatto s i cândido e j almeida e s joão b 2006 comparison of different pro-
cedures for the detoxiﬁcation of eucalyptus hemicellulosic hydrolysate for use in fermentative processes in journal of chemical technology & biotechnology vol 81 2006 issue 2 pp 152 157 conner a h 1984 kinetic modelling of hardwood prehydrolysis part i xylan removal by water prehydrolysis in wood and fiber science vol 16 1984 issue 2 pp 268 277 delgenes j p moletta r navarro j m 1996 effects of lignocellulose degradation products on ethanol fermentations of glucose and xylose by saccharomyces cerevisiae pichia stipitis and candida shehatae in enzyme and microbial technology vol 19 1996 issue 3 pp 220 225 garrote g domínguez h parajó j c 1999a hydrothermal processing of lignocellulosic materials in holz als roh- und werkstoff vol 57 1999 issue 3 pp 191 202 garrote g domínguez h parajó j c 1999b mild autohydrolysis an environmentally friendly technology for xylooligosaccharide production from wood in journal of chemical technology and biotechnology vol 74 1999 issue 11 pp 1101 1109 garrote g parajó j c 2002 non-isothermal autohydrolysis of eucalyptus wood in wood science and tech-
nology vol 36 2002 issue 2 pp 111 123 hahn-hägerdal b galbe m gorwa-grauslund m f lidén g zacchia g 2006 bio-ethanol the fuel of tomorrow from the residues of today in trends in biotechnology vol 24 2006 issue 12 pp 549 556 jönsson l j nilvebrant n-o reimann a larsson s 2001 detoxiﬁcation of lignocellulose hydrolysa-
tes with ion-exchange resins in applied biochemistry and biotechnology vol 91 2001 issue 1 3 pp 35 49 jönsson l j palmqvist e nilvebrant n-o 1998 detoxiﬁcation of wood hydrolysates with laccase and pe-
roxidase from the white-rot fungus trametes versicolor in applied microbiology and biotechnology vol 49 issue 6 1998 pp 691 697 kačík f 2001 tvorba a chemické zloženie hydrolyzátov v systéme drevo-voda-teplo zvolen technická uni-
verzita vo zvolene 2001 75 pp kačík f laurová m kačíková d 2008 determination of volatile compounds and saccharides at alder wood hydrolysis in chemické listy roč 102 2008 s 383 385 issn 1803 2389 kačík f solár r melcer i 1993 stanovenie monosacharidov v dreve a drevných materiáloch metódou plynovej chromatograﬁe in zborník vedeckých prác df tu vo zvolene s 99 104 kára j et al 1995 kvantiﬁkace a využití obnovitelných a druhotných zdrojů energie v zemědelství praha vúzt 143 s kára j hutla p strašil z 2003 technologické systémy pro využití biopaliv z energetickych plodin praha vúzt 44 s larsson s reimann a nilvebrant n-o jönsson l j 1999 comparison of different methods for the deto-
xiﬁcation of lignocellulose hydrolyzates of spruce in applied biochemistry and biotechnology vol 77 1999 issue 1 3 pp 91 103 lee d owens v boe a 2007 composition of herbaceous biomass feedstocks in http ncsungrant sdstate org uploads publications sginc1-07 pdf 20 2 2009 mckendry p 2002 energy production from biomas part 1 overview of biomass in bioresource technology vol 83 pp 37 46 ollson l hahn-hägerdal b 1996 fermentation of lignocellulosic hydrolysates for ethanol production in enzyme and microbial technology vol 18 1996 issue 5 pp 312 331 palmqvist e hahn-hägerdal b 2000a fermentation of lignocellulosic hydrolysates i inhibitors and deto-
xiﬁcation in bioresource technology vol 74 2000 issue 1 pp 17 24 palmqvist e hahn-hägerdal b 2000b fermentation of lignocellulosic hydrolysates ii inhibitors and me-
chanisms of inhibition in bioresource technology vol 74 2000 issue 1 pp 25 33 pandey a 2009 handbook of plant-based biofuels boca raton crc press isbn 978-1-56022-175-3 161
rehm h j reed g 1996 biotechnology products of primary metabolism wiley-vch 753 pp isbn 3527283161 sánchez ó j cardona c a 2008 trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feed-
stocks in bioresource technology vol 99 2008 issue 13 pp 5270 5295 sierra r smith a granda c holtzapple m t 2008 producing fuels and chemicals from lignocellulosic biomass in chemical engineering progress august 2008 http ﬁndarticles com p articles mi_qa5350 is_200808 ai_n28083408 tag=content col1 7 2 2009 sreenath h k jeffries t w 2000 production of ethanol from wood hydrolyzate by yeasts in bioresource technology vol 72 2000 issue 3 pp 253 260 sun y cheng j 2002 hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production a review in bioresource technology vol 83 2002 issue 1 pp 1 11 seifert v k 1960 zur frage der cellulose-schnellbestimmung nach der acetylaceton- methode in das pa-
pier volume 14 1960 pp 104 106 tortosa j f rubio m demetrio g 1995 autohydrólisis de tallo de maíz en suspesión acuosa in afﬁnidad roč 52 s 181 188 wise l e murphy m d‘addieco a a 1946 chlorite holocellulose its fractionation and bearing on summa-
tive wood analysis and on studies on the hemicelluloses in paper trade journal volume 122 1946 issue 35 pp 35 34 astm standard d 1106-96 standard test method for acid insoluble lignin in wood 1998 astm standard d 1107-96 standard test method for ethanol toluene solubility of wood 1998 adresa autorov rndr marta laurová phd prof rndr františek kačík phd katedra chémie a chemických technológií
drevárska fakulta
technická univerzita vo zvolene t g masaryka 24 960 53 zvolen
e-mail laurova@vsld tuzvo sk kacik@vsld tuzvo sk
vznik sacharidov a prchavých látok pri predhydrolýze topoľového dreva abstrakt
horúcovodná predhydrolýza je efektívna metóda na predúpravu lignocelulózových materiálov pri ich využívaní ako alternatívnych zdrojov energie a surovín na výrobu rôznych chemických látok topoľové dre-
vo populus tremula l bolo podrobené hydrolýze v teplotnom rozsahu 160 °c až 200 °c pričom sa do roztoku uvoľnili najmä hemicelulózy a časť amorfnej celulózy maximálne koncentrácie sacharidov v hydrolyzátoch boli stanovené pri teplote 160 °c 120 minút a 180 °c 60 minút v hydrolyzátoch boli stanovené aj deštrukčné produkty polysacharidov a lignínu 2-furaldehyd karboxylové kyseliny a metanol kľúčové slová topoľ hydrolýza sacharidy 2-furaldehyd karboxylové kyseliny metanol
162
163
metodika merania vybraných ergonomických charakteristík ťažbovo-dopravných technológií
valéria m e s s i n g e r o v á miroslav s t a n o v s k ý michal f e r e n č í k jozef s l u g e ň peter k o v á č i k daniel k i n d e r n a y
messingerová v stanovský m ferenčík m slugeň j kováčik p kindernay d design of the methodology for measurement of selected ergonomic characteristics in wood harves-
ting process acta facultatis forestalis zvolen 51 3 163 173 2009 main goal of presented paper is to design methodology for measurement of physical and noise workload which inﬂuence on workers during the process of forest harvesting in slovakia various
technologies such as harvesters forwarders tractor skidding will be a subject of measurement according the methodology the work also presents brief results of previous research which has been aimed to evaluate the physical workload of forest workers such as chain saw and harvester operators physical workload will be measured through the heart with use of the polar s625x and wearlink device and energy consumption with use of the mwe-1 noise load of the workers will be estimated with use of the norsonic nor 118 noise analyser and the brüel & kjær type 4436 noise dosimeter the results obtained will be compared with maximal allowed values according the valid legislation key words physical workload noise wood harvesting technologies
1 úvod a ciele práce
v lesnom hospodárstve sú napriek vysokému stupňu mechanizácie zastúpené aj motomanuálne práce vyplýva to zo zložitých výrobno-technických podmienok hetero-
génnych požiadaviek a potrieb práce v lese aj preto značná časť týchto prác najmä v ťaž-
bovo-dopravnom procese patrí medzi fyzicky náročné a rizikové práca sa tu vykonáva z veľkej časti manuálne resp s použitím hlučných mechanizmov typickými príkladmi sú o motomanuálna ťažba dreva s použitím jednomužnej motorovej píly jmp ručné vyťaho-
vanie lana do porastu pri traktorovom sústreďovaní dreva pri ručnej a polomechanizovanej práci spočíva zaťaženie človeka v namáhaní pohybovej dýchacej a obehovej sústavy pri mechanizovanej práci telesné zaťaženie ustupuje a do popredia sa dostáva zaťaženie ner-
vovej sústavy a zmyslových orgánov ťažba a sústreďovanie dreva v zložitom prírodnom prostredí je jedným z najnáročnejších pracovných ergonomických systémov analýza práce acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
164
vykonaná na ergonomickom základe slúži ako prvotný podklad pre prípadné zracionalizo-
vanie výrobného procesu technika v mnohých prípadoch uľahčuje a zjednodušuje fyzicky náročné a komplikované pracovné operácie a zrýchľuje prácu napriek tomu sú pracov-
níci lesného hospodárstva vystavení mnohým rizikám poškodenia zdravia medzi takéto faktory patrí aj hluková a fyzická záťaž pracovníkov ktorá je predmetom skúmania tejto práce cieľom tejto práce je stručný opis problematiky merania hlukovej a fyzickej záťaže pracovníkov v ťažbovo-dopravnom procese a prehľad legislatívnych limitov ktoré ur-
čujú maximálne prípustné hodnoty sledovaných škodlivých faktorov hlavným cieľom práce je stanoviť postupy a prostriedky pomocou ktorých budú tieto merania vykonané a pre ilustráciu uviesť aj niekoľko príkladov z čiastkových výsledkov meraní vykonaných v predchádzajúcom období 2 problematika
medzi významné faktory ktoré majú vplyv na pracovnú výkonnosť a zdravot-
ný stav pracovníka patrí fyzická náročnosť vykonávanej práce ktorá sa hodnotí prevaž-
ne prostredníctvom energetického výdaja a srdcovej frekvencie jedným z významných škodlivých faktorov a to nielen v pracovnom procese je hluk ktorý má na ľudský orga-
nizmus negatívny dopad tento škodlivý faktor pôsobí komplexne na celý organizmus nielen na sluchový aparát 2 1 fyzická záťaž pri práci
na hodnotenie fyzickej záťaže organizmu pracovníka počas vykonávania dyna-
mickej práce sa najčastejšie používajú ukazovatele ktoré sú ľahko zmerateľné aj v terén-
nych podmienkach sú jednoducho a jednoznačne vyhodnotiteľné týmito ukazovateľmi sú v praxi najmä srdcová frekvencia a spotreba energie kj za jednotku času na stanovenie energetického výdaja sa používa ventilometria meranie pľúcnej venti-
lácie ktoré je založené na poznatku že so stúpajúcou intenzitou práce sa zvyšuje spotreba kyslíka a produkcia oxidu uhličitého a že spotreba kyslíka v l min 1 je priamo úmerná vzos-
tupu kalorického výdaja pričom sa tiež zvyšuje intenzita hĺbka a frekvencia dýchania mierou veľkosti zaťaženia pri dynamickej telesnej práci je čistý energetický výdaj netto za časovú jednotku e
w v kj min 1 preto sa dovolené zaťaženie vyjadruje dovo-
leným energetickým výdajom e
w lic je daný hodnotou hranice trvalého výkonu prípadne dlhodobej únosnej práce v skutočnosti nejde o trvale možný výkon ale o priemerné zaťa-
ženie ktoré zdravá osoba pri dodržiavaní primeraného režimu práce a odpočinku zvládne za zmenu bez väčšej únavy alebo preťaženia rónay sláma 1989 dovolené zaťaženie a dovolené namáhanie pri dynamickej práci rôznych svalových skupinách u žien a mužov podľa platnej legislatívy je uvedené v tabuľkách 1 a 2 rozdelenie fyzického zaťaženia podľa náročnosti s príslušnými ukazovateľmi fy-
zického zaťaženia sú zobrazené v tabuľke 3 hodnoty v kj uvedené v tejto tabuľke platia pre muža a za predpokladu že sa na práci podieľa prevažná časť svalov pre ženy platí 165
hodnota zhruba o 20 nižšia podľa prípustných hodnôt energetického výdaja uvedených v tabuľke 1 stredne ťažkú prácu 6 250 kj zmenu 1 t j 33 kj min 1 môže vykonávať zdravý človek dlhodobo veľmi ťažkú prácu 10 500 kj zmenu 1 t j nad 46 kj min 1 môže vykonávať krátkodobo zdravý človek medzi 20 až 30 rokom tabuľka č 1 prípustné hodnoty energetického výdaja netto mužov vo veku 18 65 rokov pri fyzickej práci vykonávanej veľkými svalovými skupinami vyhláška 542 2007 z z table 1 maximal allowed values of energy consumption netto for men between 18 65 years working with use of great muscular groups regulation nr 542 2007 tabuľka č 2 prípustné hodnoty energetického výdaja netto žien vo veku 18 65 rokov pri fyzickej práci vykonávanej veľkými svalovými skupinami vyhláška 542 2007 z z table 2 maximal allowed values of energy consumption netto for women between 18 65 years working with use of great muscular groups regulation nr 542 2007 tabuľka č 3 kategorizácia fyzického zaťaženia hubač 1978 table 3 classiﬁcation of physical workload hubač 1978 energetický výdaj1 jednotky
veková skupina roky 18 29 30 39 40 49 50 59 60 65
zmenový priemerný mj 8 3 7 5 6 8 6 0 5 2
zmenový prípustný mj 9 9 9 0 8 0 7 2 6 2
ročný mj 1 940 1 760 1 600 1 400 1 220
minútový prípustný
kj min 1 w
41 1 38 7 34 5 30 9 28 7
685 635 575 515 478
energetický výdaj jednotky
veková skupina roky 18 29 30 39 40 49 50 59 60 65
zmenový priemerný mj 5 1 4 8 4 5 4 0 3 7
zmenový prípustný mj 6 1 5 8 5 4 4 8 4 4
ročný mj 1 200 1 130 1 060 940 858
minútový prípustný
kj min 1
w
26 0 25 5 23 7 21 6 20 0
445 425 395 360 334
svalová práca
energetický výdaj
ventilácia spotreba o
2
srdcová frekvencia
kj min 1 liter min 1 liter min 1 min 1
veľmi ľahká 2 5 10 0 5 80
ľahká 2 5 5 2 10 15 0 5 1 0 80 105
mierna 5 2 8 8 15 20 1 0 1 5 105 120
stredná 8 8 13 1 20 35 1 5 2 0 120 130
ťažká 13 1 17 5 35 50 2 1 2 5 130 150
velmi ťažká 17 5 50 2 5 150
166
srdcová frekvencia sa meria pomocou pulzometrov tieto prístroje umožňujú merať pulz v reálnom čase vychádza sa z poznatku že zo zvýšením fyzickej námahy sa úmer-
ne zvýši aj hodnota srdcovej frekvencie pri zaťaženiach pod hranicu trvalej výkonnosti sa dosiahne pokojová hodnota srdcovej frekvencie v priebehu prestávky na oddych za niekoľko minút pri zaťaženiach ktoré prevyšujú hranicu trvalej výkonnosti sa vyžaduje návrat srdcovej frekvencie do východiskových hodnôt relatívne dlhší čas súčet všetkých srdcových frekvencií počas práce a po nej sa označuje ako suma pracovných srdcových frekvencií a jej hodnota je tým väčšia čím rýchlejšie sa určitá práca vykonala srdcová frekvencia je vhodným ukazovateľom individuálnej námahy človeka ale nie objektívnou mierou skutočného zaťaženia rovnaké zaťaženie t j tá istá práca pri rovnakom výkone môže byť pre rozličné osoby rozlične namáhavá najväčšie sú tieto rozdiely medzi tréno-
vanými a netrénovanými osobami medzi mužmi a ženami a medzi jednotlivcami rôzneho veku rónay sláma 1989 zmenové priemerné hodnoty srdcovej frekvencie pri fyzickej práci mužov a žien vy-
konávané veľkými svalovými skupinami nesmú prekročiť ani krátkodobo hodnotu 150 tepov za minútu vyhláška č 542 2007 z z táto hodnota sa môže prekročiť za výni-
močných situácií u vybraných skupín zamestnancov napríklad banskí záchranári hasi-
či policajti likvidácie havárií ktorí sa podrobili lekárskym preventívnym prehliadkam a sú zdravotne spôsobilí na túto prácu pre mladistvých nie sú limitné hodnoty srdcovej frekvencie stanovené s ohľadom na špeciﬁcké zmeny prebiehajúce v organizme v tomto období života v tabuľke č 4 sú uvedené kritériá na posudzovanie zmenovej srdcovej frekvencie pri práci vykonávanej prevažne veľkými svalovými skupinami tabuľka č 4 kritériá na posudzovanie zmenovej srdcovej frekvencie pri práci vykonávanej prevažne veľkými svalovými skupinami vyhláška č 542 2007 z z table 4 criteria for consideration of the heart rate during the work performed with use of the great muscular groups
vysvetlivky k tabuľke č 4 a hodnota určená na posúdenie nálezov pri vyšetrení skupiny osôb ak nie je stanovená aj východisková hodnota srdcovej frekvencie b hodnota ktorá môže byť pre vyšetrovanú osobu ešte dlhodobo únosná ak nie je prekračovaná hodnota c t j zvýšenie pracovnej srdcovej frekvencie nad východiskovú pokojovú hodnotu veková skupina
hodnoty zmenovej srdcovej frekvencie za minútu
absolútne hodnoty
zvýšenie srdcovej frekvencie nad východiskovú hodnotu
a priemerné hodnoty
b medzné hodnoty
c priemerné hodnoty
d medzné hodnoty
18 29 108 117 30 33
30 39 106 115 29 32
40 49 101 110 26 28
50 59 97 105 23 25
60 65 93 100 20 22
167
c najvyššia prípustná hodnota zvýšenia srdcovej frekvencie nad východiskovú hodnotu ktorá je u zdra- vých jednotlivcov dlhodobo únosná d najvyššia prípustná hodnota zvýšenia srdcovej frekvencie nad východiskovú hodnotu ktorá sa nesmie prekročiť 2 2 hluk
hluk je škodlivý alebo nežiadúci zvuk rónay sláma 1989 uvádzajú že hluk prostredia sa deﬁnuje ako zvukový jav vyvolávajúci nepríjemné rušivé alebo škod-
livé vnímanie u človeka hluk na rozdiel od ostatných činiteľov určujúcich prostredie nepôsobí na človeka zjavne len v priebehu trvania alebo tesne po skončení práce ale aj skryto t j jeho účinky sa hromadia a prejavujú až po určitom čase hlavné nepriaznivé účinky hluku sú znižova-
nie telesnej a duševnej výkonnosti predčasná únava znižovanie bdelosti a sústredenosti pri práci zhoršovanie reakčnej schopnosti znižovanie produktivity práce zamestnávatelia majú zákonnú povinnosť zabrániť alebo obmedziť vystavenie pra-
covníkov pôsobeniu hluku ww europe osha eu int aboutt ale aj napriek tomu sú počty pracovníkov vystavených hluku veľmi vysoké výskum ktorý robila washingtonská uni-
verzita na vzorke 43 pracovníkov ktorý pracujú v lesníctve ukázal že až 60 � hluku bolo nad 85 db a 23 � hluku nad 90 db až 81 � z nich boli operátori strojov a boli vystavení hluku 85 6 89 1 db www staff washington edu meitzel forestry podľa účinkov vyvolávajúcich u pracovníka sa rozlišuje  škodlivý hluk spôsobuje poruchy na zdraví človeka  rušivý hluk sa prejavuje znižovaním produktivity práce a pod t j bez spôsobenia chorobného stavu  obťažujúci hluk spôsobuje len psychickú labilitu človeka na slovensku je najčastejšie využívanou mechanizáciou v sústreďovaní dreva je traktorová technológia ktorú z hľadiska hlukovej záťaže pracovníka pri obsluhe traktora vo svojej práci zhodnotil mračna 1998 jednalo sa o špeciálny lesný kolesový traktor lkt 81 te v ktorom sa hladina hluku pôsobiaca na vodiča pohybovala od 75 25 db pri voľnobehu až po 85 6 db pri jazde do porastu a prácach na odvoznom mieste lukáč 2005 uvádza že hlučnosť v kabínach moderných harvesterov nepresahuje 60 70 db hladiny hlučnosti jmp ktoré predstavujú prevažnú časť mechanizácie pri stínke a odvetvovaní na slovensku sa pohybujú podľa výrobcov v rozmedzí od 99 105 db www husqvarna com www stihl com rónay 1975 vo svojej práci nameral pre jed-
notlivé jmp hladina hluku 82 91 db pri voľnobehu a 98 109 db pri rezaní l
aeq = 96 9 108 7 db ferenčík 2004 vo svojej diplomovej práci nameral hodnoty l
aeq jednotli-
vých jmp v rozsahu 92 8 95 6 db podľa nariadenia vlády sr č 115 2006 z z z 15 februára 2006 o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách na ochranu zamestnancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou hluku nej patrí práca operátorov lesných strojov a pracovníkov v ťažbovo-dopravnom procese do skupiny prác č iv a maximálna prípustná hladina l
ex 8h je 80 db 168
3 materiál a metodika
merania hlukovej a fyzickej záťaže pracovníkov v ťažbovo-dopravnom pro-
cese budú vykonané na celom území slovenska a predmetom merania budú dostupné technológie pracujúce v sledovanom období na našom území pritom sa budú sledovať tak operátori jednotlivých mechanizmov ako aj pracovníci zapojení do technologického procesu ktorí budu pracovať manuálne motomanuálne 3 1 meranie hluku
merania boli vykonané podľa stn iso 9612 akustika pokyny na meranie a hodnotenie hlukovej expozície v pracovnom prostredí” táto medzinárodná norma posky-
tuje všeobecný návod aké typy merania a v akých miestach sa vyžadujú na hodnotenie hluku s ohľadom na jeho pôsobenie na pracovníka aby sa sledovala zhoda so zavedenými predpismi a aby sa indikovala potreba zníženia hluku protihlukovými opatreniami použi-
té meracie prístroje software a ich parametre sú uvedené v tabuľke 5 tabuľka č 5 základné údaje o použitých prístrojoch a programoch
table 5 basic data about used gear and software
pri meraní a vyhodnocovaní hluku strojov budú merania vykonané v zmysle normy stn 47 0176-1 metódy merania hluku v mieste obsluhy ktorá stanovuje technické me-
tódy merania hluku v mieste obsluhy pri všetkých takýchto meraniach hlukovej záťaže obsluhy strojov sa bude analyzoval hluk v kabíne pri meraní hluku v týchto prípadoch majú byť dvere kabíny a okná stroja zatvorené v prípade že je stroj vybavený ventiláciou je potrebné aby bola zapnutá na najväčší výkon hlukomer sa umiestňuje pri hlave operá-
tora cca 20 cm od vonkajšieho zvukovodu predmetom merania bude maximálna hladina a zvuku l
a max a ekvivalentnú hladinu a zvuku l
a eq namerané údaje budú použité na výpočet normalizovanej hladiny hlukovej expozície l
ex 8h merania hlukovej záťa-
že pracovníkov v teréne zapínač traktora pracovník s jmp budú vykonané pomocou osobného dozimetra brüel & kjær typ 4436 tab 5 údaje budú vyhodnotené pomocou programov norreview od ﬁrmy norsonic a softvéru bz 7028 dodávanému ku hlukovému druh prístroja výrobca typ
výrobné číslo
trieda presnosti
korekcia
zvukový analyzátor norsonic dánsko nor 118 30484 i 0
mikrofón norsonic dánsko nor 1225 38645 i 0
predzosilňovač norsonic dánsko nor 1206 29606 i 0
akustický kalibrátor norsonic dánsko nor 1251 30932 i 0
software norsonic dánsko norxfer _ _ _
software norsonic dánsko norreview _ _ _
hlukový dozimeter brüel & kjær typ 4436 2077762 ii 0
169
dozimetru b&k výsledné namerané hodnoty budú následne porovnané s maximálnymi prípustnými hodnotami ktoré udáva nariadenia vlády sr č 115 2006 z z zo 15 februá-
ra 2006 o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách na ochranu zamest-
nancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou hluku 3 2 meranie fyzickej záťaže pracovníkov
meranie srdcových frekvencií sa vykoná pomocou mikropočítača polar s 625 x tabuľka 6 pri všetkých meraniach sa elastický popruh s prackou a kódovaným vysie-
lačom wearlink nasadí skúmanej osobe pevne na hrudník v oblasti hrudnej kosti na mikropočítači sa nastavia údaje o hmotnosti výške veku pohlaví a stupni vykonávanej záťaže po nastavení sa náramkový prijímač pripevní na ruku skúmanej osoby a následne sa vykoná meranie a záznam hodnôt srdcovej frekvencie namerané údaje sa po prenose do počítača následne spracujú pomocou softvéru polar precision performance sw tabuľka č 6 parametre prístroja polar s 625 x a vysielača srdcovej frekvencie wearlink
table 6 basic parameters about the polar s 625 x and the wearlink devices
meranie energetického výdaja sa vykoná pomocou merača energetického výdaja mwe-1 prispôsobeného na vykonávanie výskumu v terénnych podmienkach tabuľka 7 tabuľka č 7 technické parametre prístroja mwe-1 table 7 basic data about the mwe-1 device
uplatnená bude metodika meraní doporučená centrálnym inštitútom ochrany práce modiﬁkovaná vhodne k prijatému cieľu výskumu i špeciﬁkám lesných prác operátori kto-
rí budú predmetom výskumu budú informovaní o jeho priebehu pred samotným meraním sa na prístroji nastavia údaje o hmotnosti výške veku pohlaví a zaznamená sa aj teplota parameter hodnota
vodotesnosť do 20 m
životnosť batérií cca 1 rok
prevádzková teplota 10 50 °c
presnosť merania sf ± 1 rozsah merania nadm výšky 448 až 7590 m n m
presnosť merania nadm výšky ± 1 m
parameter hodnota
max merateľná ventilácia 60 l min 1
chyba merania ventilácie ± 5 chyba určenia energetického výdaja ± 10 teplotné podmienky 0 60 °c
170
a tlak vzduchu následne sa pracovníkovi na tvár nasadí polomaska prístroja umožňujúca meranie ventilácie pľúc pracovník začne prácu ale na výsledky meraní prvých 4 5 minút sa neprihliada lebo je potrebné prispôsobenie intenzity ventilácie pľúc intenzite námahy a tiež adaptácii skúmanej osoby na prácu v nových podmienkach až z nasledujúcich 6 7 minút práce budú registrované hodnoty energetického výdaja v kj min 1 a tiež minútová ventilácia pľúc po niekoľkominútovej prestávke sa opakuje celý merací cyklus pre kaž-
dú analyzovanú činnosť sa vykonávajú merania aspoň pre 4 pracovné cykly pri hodnotení fyzického zaťaženia organizmu sa bude merať hodnota srdcovej frek-
vencie ventilácie a energetického výdaja pri práci spoločnými požiadavkami pre všetky merania je výber zdravých zapracovaných osôb a meraný pracovný postup musí byť tech-
nologicky ujasnený a prevedený v súlade s predpísanými ochrannými pomôckami a pod-
ľa zásad obp zistené namerané hodnoty energetického výdaja a srdcovej frekvencie budú vyhod-
notené a porovnané s maximálnymi prípustnými hodnotami v zmysle platnej legislatívy vyhláška č 542 2007 z z 4 čiastkové výsledky
v tejto kapitole sú pre názornosť uvedené čiastkové výsledky meraní z pred-
chádzajúceho obdobia ako príklad sú uvedené výsledky merania fyzickej záťaže a srd-
covej frekvencie 2 pracovníkov s jmp ktorí vykonávali ťažbu a odvetvovanie v poraste a priemerné hodnoty namerané pre operátorov harvesterov v tabuľke 8 sú uvedené cha-
rakteristiky jednotlivých pracovníkov tabuľka č 8 základné charakteristiky sledovaných pracovníkov table 8 basic characteristics about the observed workers výsledné hodnoty energetického výdaja pracovníkov s jmp a operátorov harveste-
rov sú usporiadané v tabuľke 9 pracovník výška cm hmotnosť kg pohlavie vek dĺžka
praxe
lokalita teplota
vzduchu
jmp 1 185 85 muž 21 0 5 ls dobšiná 15 °c
jmp 2 170 80 muž 44 16 ls pruské 28 5 °c
rottne h-8 180 100 muž 40 5 ls zákamenné 18 0 °c
valmet 941 180 80 muž 26 2 ls budiš 18 1 °c
171
tabuľka č 9 namerané hodnoty energetického výdaja a srdcovej frekvencie sledovaných pracovníkov
table 9 measured values of the energy consumption and the heart rate of observed workers
srdcová frekvencia oboch pracovníkov s jmp sa pri ťažbe a odvetvovaní dreva v po-
raste pohybuje v rozpätí od 94 107 úderov za minútu najvyššie zaťaženie srdcovo-ciev-
neho systému je pri samotnej ťažbe dreva v poraste kde minútová srdcová frekvencia dosahuje 121 a 125 n min 1 priemerné hodnoty pracovnej srdcovej frekvencie sú 104 5 a 107 úderov za minútu energetický výdaj netto u pracovníka číslo 1 pri ťažbe a odvet-
vovaní dreva je 27 0 kj min 1 a pracovníka číslo 2 je 28 7 kj min 1 rozdiely medzi oboma skúmanými pracovníkmi nie sú výrazné priemerné ukazovatele operátorov harvesterov poukazujú na výrazné zníženie fyzickej náročnosti práce pri použití mechanizácie na zá-
klade energetického výdaja netto možno skonštatovať že pracovnú činnosť ťažbu a mani-
puláciu dreva v poraste môžeme považovať za veľmi ťažkú a prácu operátorov harveste-
rov možno považovať za ľahkú až mierne náročnú je tiež možné konštatovať že sledova-
ní pracovníci neprekročili prípustné hodnoty energetického výdaja a srdcovej frekvencie okrem pracovníka s jmp č 2 ktorý prekročil hodnotu priemernej srdcovej frekvencie 5 záver
predkladaná práca poukazuje na dôležitosť sledovania ergonomických paramet-
rov ťažbovo dopravných technológií v lesníctve zároveň stanovuje metodické postupy pre sledovanie týchto parametrov medzi ktoré patrí hluková a fyzická záťaž pracovníkov predložené čiastkové výsledky poukazujú na výrazné rozdiely v záťaži pracovníkov pri motomanuálnej a plne mechanizovanej technológii ťažby dreva poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 pracovník jmp 1 jmp 2 operátori harvesterov
ø sf n min 1 104 5 107 87
sx 3 54 4 01 16
ø ventilácia l min 1 28 7 29 7 11 94
sx 1 5 1 8 1 92
ev netto kj min 1 27 28 7 5 51
sx 2 2 2 4 2 26
172
literatúra
ferenčík m 2004 expozícia pracovníka v ťažbe dreva hlukom diplomová práca klťm hubač m kvantitatívne hodnotenie zaťaženia dynamickou prácou pracov lek 30 1978 č 4 s 128 138 lukáč t 2005 viacoperačné stroje v lesnom hospodárstve zvolen 134 s mračna v 1998 zhodnotenie hlukovej záťaže pracovníka pri obsluhe lkt 81 te lesy a lesnícky výskum pre tretie tisícročie zborník prednášok z medzinárodnej vedeckej konferencie zvolen nariadenie vlády č 115 2006 o minimálnych zdravotných a bezpečnostných požiadavkách na ochranu zamest-
nancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou hluku rónay e sláma o 1989 ergonómia a bezpečnosť pri práci v lesnom hospodárstve 309 s rónay e 1972 výskum novej technológie a techniky výroby dreva v ihličnatých a listnatých predrubných porastoch záverečná správa výskumnej úlohy č r vii 11 3 zvolen es všld 160 s vyhláška 542 2007 z z o podrobnostiach o ochrane zdravia pred fyzickou záťažou pri práci psychickou pra-
covnou záťažou a senzorickou záťažou pri práci www europe osha eu int sector agriculture noise
www staff washington edu meitzel forestry
adresa autorov prof messingerová valéria csc katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta
technická univerzita
t g masaryka 24
960 53 zvolen
tel 421-45-5206 284
e-mail messin@vsld tuzvo sk ing stanovský miroslav csc katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta
technická univerzita
t g masaryka 24
960 53 zvolen
tel 421-45-5206 287
e-mail stanov@vsld tuzvo sk ing ferenčík michal phd katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta
technická univerzita
t g masaryka 24
960 53 zvolen
tel 421-45-5206 832
e-mail ferencik@vsld tuzvo sk
173
ing jozef slugeň phd katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta
technická univerzita
t g masaryka 24
960 53 zvolen
tel 421-45-5206 262
e-mail slugen1@hotmail com
ing peter kováčik
katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta
technická univerzita
t g masaryka 24
960 53 zvolen
tel 421-45-5206 282
e-mail kpkovacik@yahoo com
ing daniel kindernay
katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta
technická univerzita
t g masaryka 24
960 53 zvolen
tel 421-45-5206 286
e-mail daniel kindernay@gmail com
metodika merania vybraných ergonomických charakteristík ťažbovo-dopravných technológií abstrakt
práca je zameraná na popis problematiky a metodiky merania fyzickej a hlukovej záťaže pracovní-
kov pri rozličných technológiách v ťažbe a sústreďovaní dreva v podmienkach slovenského lesného hospodár-
stva prezentované sú aj čiastkové výsledky meraní fyzickej záťaže pre vybrané ťažbovo-dopravné technológie fyzická záťaž pracovníkov bola stanovená na základe merania pulzu prístroj polar s625x a energetického vý-
daja prístroj mwe-1 hluková záťaž pracovníka sa bude stanovovať na základe merania ekvivalentnej hladiny hluku hlukomer norsonic nor 118 a pomocou osobného dozimetra brüel & kjær typ 4436 výsledná hluková záťaž pracovníka bude porovnaná s maximálnou prípustnou hodnotou stanovenou platnou legislatívou kľúčové slová fyzická záťaž hluk ťažbovo-dopravné technológie
174
175
metodika stanovenia poškodzovania porastovej pôdy harvesterovými technológiami
jozef s l u g e ň michal f e r e n č í k valéria m e s s i n g e r o v á miroslav s t a n o v s k ý daniel k i n d e r n a y peter k o v á č i k
slugeň j ferenčík m messingerová v stanovský m kindernay d kováčik p me-
thods of evaluating forest soil damage by cut-to-length technologies acta facultatis forestalis zvolen 51 3 175 190 2009 this paper presents the forest soil damage by cut-to-length technologies in general the cut-to- length technologies are considered as less destructive compared to the other logging technologies mainly the knowledge about the forest soil damage in slovak terrain conditions are less resear-
ched the goal of this study is to create develop and check out the appropriate measuring methods of the forest soil damage by cut-to-length technologies right now we can conﬁrm that the proper
technological planning of logging and forest stand is very important precautions against the poten-
tial damage are also important key words harvester technologies soil damage static penetration
1 úvod
vedecké poznatky a praktické skúsenosti ostatných rokov ukazujú že plne me-
chanizované integrované technológie ťažby a sústreďovania dreva na báze viacoperač-
ných strojov umožňujú zmeniť ťažbovú činnosť na vysoko účinný ekonomicky efektívny a ekologicky prijateľný výrobný systém predmetom výskumu a diskusie je najmä otázka potenciálneho poškodenia produkč-
nej a ekologickej funkcie porastovej pôdy prejazdmi ťažkých strojov a otázka možných negatívnych dopadov malých rozostupov vyvážacích liniek širokých 3 5 4 0 m na pro-
dukciu a stabilitu lesných porastov základný okruh súvisiacich otázok je zatiaľ vyriešený iba čiastočne alebo s obme-
dzenou mierou zovšeobecnenia dosiahnutých výsledkov v oblasti potenciálneho poškodenia pôdy prejazdmi lesníckych strojov sa to týka najmä určenia medzných hodnôt medzi tolerovateľnou a škodlivou intenzitou a plošným roz-
sahom stlačenia zhutnenia vrchných horizontov porastovej pôdy acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
176 stanovenia jednoduchých prakticky použiteľných ukazovateľov vonkajších znakov na kvantiﬁkáciu vzťahov medzi mechanickým pretvorením pôdy a potenciálnymi ne-
gatívnymi dopadmi na pôdu resp lesný ekosystém vypracovania účinnej metódy pre prax na vymedzenie prípustného zaťaženia pôdy určitého druhu a konzistencie prejazdmi lesníckych strojov napr formou stanovenia maximálnej hodnoty kontaktného tlaku kolies na pôdnu podložku vo vzťahu ku mo-
mentálnej vlhkosti určitého druhu pôdy tak aby prejazdy strojov nemali za následok neprípustné poškodenie pôdy napr mathies kremer 1999 2 problematika
ťažbové mechanizmy sa pri výkone svojich činností prevažnú väčšinu pracov-
ného času pohybujú po neupravenom povrchu lesnej pôdy jedná sa hlavne o približovacie a vyvážacie linky vl ktorých povrch je priamo atakovaný pohybujúcimi sa strojmi vlhkostné a teplotné pomery porastovej pôdy predstavujú základné faktory ovplyvňujúce možnosť vzniku škôd vytváranie koľají pôdna erózia poškodenie koreňov zatlačenie humusovej vrstvy do pôdy a pod pri nasadení harvesterovej technológie nastáva riziko poškodenia pôdy hlavne na za-
mokrených ílovitých pôdach na pôdu stroj pôsobí nielen svojou hmotnosťou statickým tlakom ale aj dynamickými účinkami ktoré sú pre poškodzovanie pôdy oveľa nebez-
pečnejšie z hľadiska pretvorenia foriem povrchových vrstiev porastovej pôdy dochádza buď k zhutneniu alebo k rozrytiu vrchných vrstiev pôdy čo v konečnom dôsledku vedie k erózii a to v závislosti už od spomínaných prírodných podmienok pri práci na rovine môže byť odvetvený materiál rozložený po vl rovnomerne no pri práci na svahu sa snaží operátor dosiahnuť z jedného miesta viac stromov z dôvodu využitia lepšej stability stroja na danom mieste preto dochádza k hromadeniu vetiev iba pomiestne a tým aj k nedostatočnej ochrane koreňov a pôdy pred jej zhutnením hmotnosť stroja je tak bez ochrannej vrstvy odvetveného materiálu prenášaná priamo na pôdu čo môže viesť aj k jej trvalým deštrukčným zmenám matthies 1997 únosnosť lesných pôd je dosť rozdielna a to od 20 200 kpa väčšina špeciálnych lesníckych kolesových traktorov šlkt vyvíja na pôdu tlak veľkosti od 50 300 kpa ró-
nay 2004 pre posudzovanie škôd vzniknutých na pôde pri prejazde ťažbových strojov ako základné kritérium platí hranica únosného tlaku na pôdu 50 kpa wästerlund 1986 matthies kremer 1999 rónay 2004 uvádza že k podstatným zmenám štruktúry pôd dochádza už pri tlaku od 50 do 120 kpa medzi najdôležitejšie faktory pôsobiace na porastovú pôdu pri prejazde stroja patrí samotné vozidlo a jeho konštrukcia typ podvozku a druh pôdy ulrich et al 2002 obr 1 177
obr 1 faktory pôsobiace na pôdu pri prejazde stroja ulrich et al 2002 fig 1 factors of the work cycle impact to the soil
lukáč et al 2003 v tab 1 udáva nasledovné tlaky na podložku v závislosti na rôz-
nych typoch použitých prostriedkov tabuľka 1 tlak na podložku rôznych typov prostriedkov lukáč et al 2003 table 1 pressure to the ground caused by different machines
veľká hmotnosť kmeňov sama o sebe spôsobuje že pri ich pohybe dochádza ku na-
rúšaniu citlivého porastového prostredia aby stroje mohli pracovať aj s ťažkým nákla-
dom musia disponovať dostatočným výkonom motora a s ním spojenou vyššou hmotnos-
ťou ktorá zaručí efektívne využitie potenciálnych ťahových vlastností stroja ich použitie vozidlo pneumatika pôda druh vozidla druh konštrukcia druh pôdy zaťaženie kolesa priemer objemová hmotnosť prenos výkonu motora šírka vlhkosť na kolesá tlak vzduchu veľkosť pôdnych častíc preklz kolesa opotrebovanie index plasticity počet jázd dotyková plocha podiel skeletu konštrukcia podvozku rozloženie tlaku vrstva humusu zaťaženie reakcia pôdy dotyková plocha kolesa deformácia a zmena štruktúry pôdy
typ prostriedku merný tlak v mpa
noha človeka 0 020 0 050
kôň 0 120 0 140
poľnohospodársky traktor ukt 0 100 0 160
ukt so široko-proﬁlovými pneumatikami 0 050 0 070
lkt 81 0 160 0 200
lkt s nízkotlakovými pneumatikami 0 060 0 080
pásový traktor 0 030 0 050
pásový traktor so širokými pásmi 0 007 0 012 178
sa ale potom dostáva do rozporu so zásadami ekologického obhospodarovania lesných porastov negatívne účinky ťažbového procesu sa prejavujú v nasledovných základných formách poškodenia pôdy a porušenie štruktúry vrchných horizontov porastovej pôdy je prevažujúcou formou negatívnych účinkov prejazdov lesníckych strojov na rovinatých a mierne naklone-
ných terénoch môže ísť o stlačenie zhutnenie pôdy na úkor vzduchom naplnených najmä hrubých pórov o deštrukciu pôdnej štruktúry ak je prekonaná jej šmyková pevnosť tvoria sa hlboké koľaje vedľa ktorých sú valy bočne vytlačenej pôdy vytečenej plas-
tickým tokom je to typický prípad poškodenia pri zvýšenej pôdnej vlhkosti b ťažbovo-dopravná erózia ťde je deﬁnovaná ako množstvo pôdy premiestnenej v procese ťažby a sústreďovania dreva pôsobením mechanizačných alebo animálnych prostriedkov a vlečeného dreva za spolupôsobenia vody spôsobovaná je prešmykom kolies menej pásov na svahoch a strhávaním pôdnych čiastočiek trecou silou vleče-
ného dreva prípadne rozrývaním pôdy čelom kmeňa pri prostom vlečení vzťahuje sa najmä na kmeňovú a stromovú metódu približovania dreva tabuľka 2 medzné hodnoty neškodnej vodnej erózie podľa hĺbky pôdy a ťažbovo-dopravnej erózie ťde pri 100 a 120 ročnej rubnej dobe zachar 1984 table 2 limit water erosion levels by soil depth and logging erosion 100 and 120 cutting age c zvýšená vodná erózia ide o druhotné poškodzovanie pôdy mechanicky porušenej v procese ťažby vykonané analýzy šach et al 1999 preukázali že o veľkosti nesú-
stredeného povrchového odtoku a ním spôsobenej vodnej erózie v daných stanovišt-
ných podmienkach rozhoduje popri sile a výdatnosti dažďa najmä stupeň primárneho porušenia vegetačného pôdneho krytu a vrchných horizontov pôdy pri pôde ide najmä o stupeň zníženia jej priepustnosti predpoklady pre vznik sústredeného povrchového odtoku so škodlivou vodnou eróziou predstavujú najmä líniové formy porušenia aký-
mi sú traktormi atakované vyvážacie linky najmä linky s vytvorenými ryhami preto sa zdôrazňuje nutnosť povýrobnej úpravy pracovísk pôsobením vonkajšieho mechanického zaťaženia prejazdy strojov možno rozlí-
šiť podľa koreňa 1997 nasledovné prejavy mechanického pretvorenie štruktúry pôdy v pôde a pružná deformácia pri ktorej dochádza len ku krátkodobému stlačeniu pôdy po pomi-
nutí zaťaženia sa pôda vracia späť do pôvodného stavu v teréne sú viditeľné na povr-
chu pôdy odtlačky dezénu pneumatiky hĺbka pôdy cm 30 30 60 61 120 120
vodná erózia
mm rok 1 0 05 0 05 0 2 0 2 0 5 0 5 0 8
m3 ha 1 rok 1 0 50 0 5 2 0 2 0 5 0 5 0 8 0
ťde 100 mm 0 50 0 5 2 0 2 0 5 0 5 0 8 0
ťde 120 mm 0 75 0 75 3 0 3 0 7 5 7 5 12 0
179
b plastická deformácia prejavom ktorej je vytváranie koľají dochádza ku trvalému zníženiu povrchu pôdy pod pneumatikou pôda je stláčaná na úkor pórov vyplnených vzduchom nastáva jej zhutnenie dôsledkom môže byť znížená priepustnosť pôdy pre vodu a výmenu vzduchu ak nie je zhutnenie príliš veľké pôda ostáva aj naďalej osídlená živými organizmami takto poškodená pôda je schopná regenerácie zároveň dochádza k poraneniu koreňov ich max obsah je v hĺbke pôdy 8 20 cm c plastická deformácia s viskóznym tokom pôdna štruktúra sa úplne mení dochádza ku rozrušovaniu pôdnych agregátov a zmene orientácie systému pórov z vertikálneho na horizontálny čím je úplne znemožnená vertikálna výmena vody a vzduchu pôdne prostredie sa stáva anaeróbnym nevhodným pre život mikroorganizmov a koreňov rastlín regenerácia pôdy sa stáva dlhodobým procesom zmeny takéhoto rozsahu sú v teréne dobre viditeľné hlboké koľaje po bokoch s vysokými valmi vytlačenej pôdy zhutňovanie spôsobuje vtlačenie pôdnych častíc napr ílovitých do pórov naplne-
ných vzduchom vodou naplnené póry sú nestlačiteľné a následné porušenie kontinuity a orientácie pórov najmä pri vlhkej pôde a zníženie podielu hrubých pórov nad 30 �m löffler 1986 uvádza že k najväčšiemu zhutneniu pôdy dochádza v zóne pod osou pneu-
matiky v hĺbke 10 35 cm a prejavuje sa bočne až do vzdialenosti 1 m pri citlivých pôdach dosahuje zhutnenie po prvej jazde 20 30 po štyroch jazdách 70 90 z maximálneho zhutnenia škodlivosť mechanického pretvorenia pôdy závisí od  intenzity pretvorenia pôdnej štruktúry  plošného podielu pretvorenej plochy intenzita pretvorenia pôdnej štruktúry závisí od veľkosti a druhu vonkajšieho zaťaženia statické dynamické veľkosť a tvar dotykovej plochy bližšie terramechanika únosnosti pôdy a jej momentálnej vlhkosti poddajná podložka druhu pôdy únosnosti šmykovej pevnosti uhla šmykového trenia súdržnosti kohézie zrnitosti pórovitosti skeletnatosti obsahu humusu druhu ílových minerálov plošný podiel pretvorenej plochy závisí od rozostupu vyvážacích liniek zvoleného technologického postupu práce a typu podvozku stroja aby sa zohľadnila nehomogénnosť lesných stanovíšť a zároveň aby prejazd lesníckych strojov nebol nadmerne obmedzova-
ný prijala sa zásada aby min 80 z prejazdmi atakovanej porastovej plochy zostalo v nepoškodenom alebo v reverzibilne zmenenom stave z toho vyplývajúci min rozostup vyvážacích liniek 20 m pri šírke linky 4 m aby nedochádzalo ku dlhodobému narušeniu ekologických a následne aj produkč-
ných funkcií lesných porastov je potrebné prejazdy lesníckych strojov po porastovej pôde vhodne usmerňovať treba dbať na to aby sa mechanizmy pohybovali výlučne po vyváža-
cích linkách ktorých povrch by mal byť v čo najväčšej miere pokrytý zvyškami po ťažbe 180
z hľadiska účinnosti sa za potrebnú považuje minimálna hrúbka vrstvy odvetvených ve-
tiev tzv koberca po čiastočnom stlačení najmenej 35 cm ulrich et al 2002 taktiež je potrebné venovať vysokú pozornosť vhodnosti nasadenia ťažbových mechanizmov sle-
dovať stav terénnych podmienok a snažiť sa stanoviť isté hranice po prekročení ktorých sa nedopustí alebo aspoň obmedzí použitie konkrétnej mechanizácie weise 2002 všeobecnou požiadavkou v tomto smere je obmedziť pomocou preventívnych opat-
rení také pretvorenie pôdy ktoré by mohlo viesť k trvalému ireverzibilnému alebo ťažko odstrániteľnému narušeniu lesných porastov na stanovenie určitých limitov či spomenutých hraníc vypracoval matthies 2000 na základe výsledkov dlhoročného výskumu metódu pro-for je to počítačový program ktorý umožňuje kvaliﬁkovane určiť medzné podmienky maximálny prípustný obsah vody v pôde pri ktorom lesnícke stroje s konkrétnymi technickými parametrami môžu jazdiť po určitej pôde bez obáv že dôjde ku nezvratnému pretvoreniu jej štruktúry program pracuje na základe analýzy vstupných údajov ktorými sú informácie o kon-
krétnom zvažovanom stroji a poznatky o vlastnostiach pôdy v daných podmienkach vý-
sledkom je určenie hraničnej vlhkosti pôdy po prekročení ktorej by stroj v príslušných podmienkach nemal pracovať princíp metódy znázorňuje obr 2 údaje o pôde vlastnosti stroja druh pôdy typ stroja obsah humusu vnútorný tlak v pneumatike zmena vlhkosti zaťaženie kolesa skeletnatosť druh pohonu sklon svahu šírka pneumatík priemer pneumatík plnenie pneumatík pro-for hraničná vlhkosť pôdy
obr 2 princíp programu pro-for matthies 2000 fig 2 the pro-for programme principle
pedologické základy programu pro-for sú založené na nasledovnej ﬁlozoﬁi čím je pôda suchšia tým väčšia je jej únosnosť pre každú pôdnu vlhkosť existuje kritické medzné zaťaženie veľkosť medzného zaťaženia závisí od druhu pôdy je problematické presne deﬁnovať vzájomné pôsobenie vzťahu koleso verzus pôda jeho exaktné určenie si vyžaduje rozsiahle poznatky z oblasti pedológie chémie fyziky terramechaniky geológie ako aj ťažbovo-dopravných technológií a ďalších vedných dis-
ciplín veľká premenlivosť podmienok prostredia si vyžaduje individuálny prístup ku kaž-
dému jednému prípadu a znemožňuje tak vytvorenie všeobecne platných kritérií 181
aj napriek zložitosti uvedených vzťahov medzi kolesom stroja a lesnou pôdou boli zostavené určité zjednodušujúce algoritmy ohodnotenia negatívnych účinkov strojov na pôdu weise 2002 v oblasti zaťaženia pôd kolesami lesníckych strojov zostavil klasifikač-
nú schému ktorá slúži na vzájomné porovnanie rôznych typov strojov vytvoril súbor 6-tich kritérií pričom každé kritérium je jasne deﬁnované napr tlak v pneumatike zaťaženie kolesa a i v tab 3 sú zostavené informácie o štruktúre jednotlivých kritérií tabuľka 3 kritéria na hodnotenie zaťaženia lesnej pôdy kolesami strojov weise 2002 table 3 forest soil load by the machine tires criteria
kritérium 1 kritérium 2
vnútorný tlak v pneumatikách p kpa zaťaženie jedného kolesa f kn faktor významnosti 10 body faktor významnosti 4 body p ≤ 100 10 f ≤ 10 10
100 p ≤ 125 9 10 f ≤ 20 9
125 p ≤ 150 8 20 f ≤ 30 8
150 p ≤ 175 7 30 f ≤ 40 7
175 p ≤ 200 6 40 f ≤ 50 6
200 p ≤ 225 5 50 f ≤ 60 5
225 p ≤ 250 4 60 f ≤ 70 4
250 p ≤ 275 3 70 f ≤ 80 3
275 p ≤ 300 2 80 f ≤ 90 2
300 p ≤ 350 1 90 f ≤ 100 1 p 350 0 f 100 0
kritérium 3 kritérium 4
druh pohonu šírka pneumatík b mm faktor významnosti 2 body faktor významnosti 1 body
bezstupňový plynulý 10
b ≥ 800 10
760 ≤ b 800 9
720 ≤ b 760 8
automatické radenie podľa záťaže
5
670 ≤ b 720 7
630 ≤ b 670 6
580 ≤ b 630 5
manuálne radenie turbospojka 3
640 ≤ b 580 4
490 ≤ b 540 3
450 ≤ b 490 2
manuálne radenie
0 400 ≤ b 450 1 b 400 0
182
tabuľka 3 pokračovanie
table 3 continued na základe výsledkov výskumu každému kritériu priznal faktor významnosti od 1 do 10 s tým že vnútorný tlak v pneumatike je najvýznamnejší každý stupeň konkrétneho kritéria je ohodnotený bodmi od 0 po 10 súčin hodnoty bodov kritéria a faktora významnosti dáva bodovú hodnotu za konkrét-
ne kritérium súčet bodov všetkých kritérií dáva celkovú bodovú hodnotu stroja v rámci 1 kritéria autor zaviedol špeciálnu prirážku pri strojoch bez regulačného za-
riadenia na zmenu vnútorného tlaku hustenia v pneumatikách sa uvedie hodnota hustenia daná výrobcom pri strojoch s regulačným zariadením sa použije prirážka 20 bodov pri hodnotení kritéria č 2 sa musí vziať do úvahy že pri harvesteroch sa počíta s ma-
ximálnou hodnotou zaťaženia tlakovej sily ktoré môže pôsobiť na jedno z kolies k nemu dochádza pri plnom vyložení hydraulického manipulátora v smere nad uvažo-
vaným kolesom pri forwarderoch sa použije hodnota vypočítaná zo zaťaženia zadnej nápravy maximálnym nákladom pri ťahačoch sa vychádza zo zaťaženia zadnej ná-
pravy s maximálnym bremenom pri harwarderoch sa vychádza zo zaťaženia zadnej nápravy podobne ako pri forwarderoch ako kvapalinová náplň sa používa glykol pre bezdušové pneumatiky kalcium-chlorid pre pneumatiky s dušami maximálna náplň pneumatiky je 75 jej vnútorného objemu maximálne možné ohodnotenie stroja je 200 bodov za kritéria a 20 bodov za prirážku kritérium č 1 t j spolu 220 bodov týmto postupom sa dá ohodnotiť každý lesnícky kolesový stroj v tab 4 je uvedený príklad na ohodnotenie štyroch anonymných strojov kritérium 5 kritérium 6
priemer pneumatík d mm plnenie pneumatík kvapalinou
faktor významnosti 1 body faktor významnosti 2 body d ≥1900 10
nie 101800 ≤ d 1900 9
1700 ≤ d 1800 8
1600 ≤ d 1700 7 áno 0
1500 ≤ d 1600 6
1400 ≤ d 1500 5
1300 ≤ d 1400 4
1200 ≤ d 1300 3
1100 ≤ d 1200 2
1000 ≤ d 1100 1 d 1000 0
183
tabuľka 4 príklad ohodnotenia 4 strojov metódou podľa weiseho 2002 table 4 example of the evaluating of four different machines by weise method maximálne možný počet bodov je spolu aj s prirážkou 220 stroj ktorý je najbližšie k tejto hodnote je najvhodnejší a naopak ten ktorý má najmenej bodov najmenej vhod-
ný v našom príklade uvedenom v tab 18 by sme vybrali ako najvhodnejší stroj č 2 107 bodov najmenej vhodný je stroj č 4 69 bodov oba popísané hodnotiace systémy pro-for pre voči pôde šetrné resp vzhľadom k pôde znesiteľné používanie lesníckych strojov ako aj postup hodnotenie zaťaženia pôdy lesníckymi kolesovými strojmi podľa weiseho 2000 sú overené a odporúčané nemec-
kým kwf lesnícky skúšobný ústav pre prácu v lese a lesnícku techniku a mali by byť vhodnými pomocníkmi pri rozhodovaní o správnej voľbe technológie a techniky ťažby a sústreďovania dreva resp pri porovnávaní jednotlivých vlastností lesníckych strojov 3 metodika práce
poškodenie pôdy ostávajúceho porastu sa bude vykonávať dvomi spôsobmi najskôr po práci harvestera a opätovne po práci forwardera komplexné merania až po ukončení práce obidvoch prostriedkov z pedologickej mapy bude určený pôdny typ a pôdny druh pre skúmaný porast mo-
mentálna vlhkosť pôdy sa bude zisťovať elektronickým vlhkomerom alebo hmatom podľa šályho 1978 tab 5 v kombinácii s odberom pôdnych vzoriek kritérium
faktor významnosti
stroj 1 stroj 2 stroj 3 stroj 4
hodnota body
vnútorný tlak pneu kpa 10 250 40 270 30 350 10 400 0
zaťaženie kolesa kn 4 54 20 35 28 51 20 53 20
druh pohonu 2
aut radenie pod zaťaž bez-
stupňový
bez-
stupňový
bez-
stupňový
šírka pneumatiky mm 1 600 5 700 7 700 7 600 5
priemer pneumatiky mm 1 1640 7 1150 2 1333 4 1333 4
plnenie pneumatík vodou 2 nie 20 nie 20 nie 20 nie 20
regulátor vnútorného tlaku nie 0 nie 0 nie 0 nie 0
body spolu 102 107 81 69
184
tabuľka 5 znaky stavu momentálnej vlhkosti pôdy šály 1978 table 5 marks of the momentary soil moisture
zisťovať sa budú nasledovné charakteristiky a podiel porastovej plochy zabratej vyvážacími linkami trvalými dočasnými = celková dĺžka liniek m prenásobená ich priemernou šírkou m b druh a intenzita porušenia pôdy v poraste a zvlášť na vyvážacej linke zhutnenie pomocou statickej penetrácie ťažbovo-dopravná erózia koľaje a ryhy mikronivelá-
ciou pre zisťovanie škôd spôsobených harvesterovými technológiami na lesnej pôde pou-
žijeme modiﬁkovanú nemeckú metódu ktorá vznikla na rovinách dolného saska vychá-
dza z kategorizácie potenciálneho ohrozenia pôd podľa stanovišťa a dáva návod na kon-
krétne opatrenia pre prax základom meraní je síce kruhová výskumná plocha s výmerou 0 05 ha ale vzhľadom na to že jej vytyčovanie je v poraste vždy viac alebo menej obtiaž-
ne tak na vlastné merania využijeme upravené výskumné plochy štvorcového tvaru s rozmermi 20 × 20 m obr 3 meranie zhutnenia pôdy sa bude vykonávať na každej výskumnej ploche kde to druh a pôdny typ umožní na meranie hĺbky koľají spôsobených pohy-
bom strojov po vyvážacej linke vl využijeme metódu mc mahona 1995 ktorá vznikla na no-
vom zélande obr 4 vlhkostný stav pôdy poznávacie znaky
suchá
pri dotyku s prstami nevyvoláva pocit chladu pri prevahe ílových častíc tvorí pevné agregáty pri prevahe piesku je rozsýpavá až sypká nie je formovateľná podľa obsahu jemných častíc až silne práši po zvlhčení stmavne mierne vlhká
pri dotyku vyvoláva náznaky pocitu chladu mierne chladí ale ruky nemaže okrem zrnitostne ľahkých pôd je čiastočne formovateľná nepráši pri zvlhčení trochu stmavne čerstvo vlhká
pri dotyku vyvoláva pocit chladu chladí ale ruky nemaže okrem zrnitostne ľah-
kých pôd je dobre formovateľná pri zvlhčení nestmavne vlhká
pri dotyku chladí a maže ruky pri stlačení nepúšťa vodu okrem piesčitých pôd je formovateľná mokrá
chladí a maže ruky pri stlačení púšťa vodu povrch elementárnych častíc a agregátov sa od vody leskne zbahnená
pri vyzdvihovaní z proﬁlu rozteká sa medzi prstami a odkvapkáva z nej voda samo-
voľne čvachtá pod nohami obr 3 tvar výskumnej plochy na meranie poškodenia pôdy
fig 3 the research area shape for soil damage evaluating
185
obr 4 meranie hĺbky koľají metódou mc mahona 1995 fig 4 measuring of the forest road trails depth by mc mahona 1995 method
miesta merania hĺbky koľají sa určia dvomi spôsobmi a zmeria sa hĺbka koľají na priečnych proﬁloch v mieste statickej penetrácie b zameria sa poškodenia po celej vl pričom hĺbka koľají sa bude merať v pravidelných intervaloch resp sa zamerajú úseky s rovnakou hĺbkou koľají podľa ulricha et al 2002 na tento účel sa použije mikronive-
lačná metóda obr 5 pri hodnotení sme sa budeme opierať o klasiﬁkáciu podľa mc mahona 1995 tab 6 tabuľka 6 klasiﬁkácia intenzity mechanického poškodenia pôdy mc mahon 1995 table 6 mechanical soil damage intensity classiﬁcation
obr 5 mikronivelačné meranie poškodenia približovacej linky po ťažbe
fig 5 measuring of the skidding road damage
stupeň porušenia pôdy
hĺbka koľají cm charakteristika porušenia
1 nepoškodená 0
pôda je s neporušeným prízemným vegetačným krytom a nad- ložným humusom 2 veľmi slabo poškodená 0
nadložný je humus čiastočne odstránený do 50 alebo pre-
miešaný s humusovým horizontom pôdy pôda je bez vonkaj-
ších znakov stlačenia aj bez poškodenia pôdneho krytu 3 slabo poškodená 7
odstránený nadložný humus a časť do 50 humusového ho-
rizontu pôda je stlačená prejazdmi strojov v čase mimo zvýše-
nej vlhkosti podmieňujúcej zmenšenú únosnosť 186
tabuľka 6 pokračovanie
table 6 continued
c statická penetrácia zisťovanie pomernej zmeny zhutnenia pôdy vychádza z po-
znatku o korelácii medzi penetračným odporom rc a mechanicko-fyzikálnymi vlast-
nosťami pôdy statický penetrometer je zariadenie ktoré dynamometrom zmeria od-
por zeminy proti vnikaniu tuhého presne deﬁnovaného hrotu buď pri konštantnej rýchlosti alebo v určitej hĺbke špeciﬁcký statický penetračný odpor rc na hrote sa vypočítal ako podiel sily odčítanej na dynamometri f a maximálnej priečnej plochy penetračného hrotu s kde rc penetračný odpor mpa f tlačná sila kn s priemer kužeľovej hlavice s = 240 mm2 pre vlastné merania bude použitý ľahký statický penetrometer stp a obr 6 a elek-
tronický penetrometer typu penetrologger eijkelkamp obr 7 ktorý využíval vo svo-
jom výskume aj han et al 2006 dostatočne presné výsledky umožňuje dosiahnuť u ko-
héznych zemín s konzistenciou 0 5 1 25 mm u nekohéznych zemín do veľkosti zrna d
85 ≥ 8 mm koreň messingerová 1992 stupeň porušenia pôdy
hĺbka koľají cm charakteristika porušenia
4 stredne poškodená 8 15
odstránené 50 80 vrchného pôdneho horizontu pôda stla-
čená prejazdmi strojov má značne zníženú priepustnosť pre vodu vidieť bočné vytlačenie pôdy vedľa koľají a rýh 5 silne poškodená 16 25
odstránená je časť minerálnej pôdy pôda je stlačená až deštru-
ovaná a pôdnym tokom bočne vytlačená z koľají priepustnosť pôdy pre vodu je nízka až veľmi nízka v koľajach ostáva stáť voda 6 veľmi silne poškodená ≥ 26
obnažený je minerálny horizont pôdy sú vytvorené veľmi hl-
boké koľaje v ktorých je pôda nepriepustná pre vodu voda ostáva stáť v rozblatených koľajach f
rc
s
=
obr 6 ľahký statický penetrometer stp a fig 6 light static penetrometer stp a
187
obr 7 elektronický penetrometer typu penetrologger eijkelkamp
fig 7 electronic penetrometer type penetrologger eijkelkamp na jednej výskumnej ploche sa vytýči na vl 8 10 priečnych proﬁlov v rozostupe 3 4 m penetračný odpor rc mpa ako ukazovateľ stavu pretvorenia pôdnej štruktúry jej zhutnením v hĺbke 5 10 15 20 25 a 30 cm sa bude zisťovať pri použití kužeľovej hla-
vice s vrcholovým uhlom � = 30° na prepočet nameraných hodnôt čítanie ručičky dy-
namometra závislé od nastavenej citlivosti hrotu 1a 3b na tlačnú silu f kn použijeme rovnice uvedené v tab 7 tabuľka 7 rovnice na prepočet nameraných hodnôt na tlačnú silu f kn table 7 equations of the pressure force
na každom priečnom proﬁle sa vykoná meranie v koľaji príp v obidvoch koľajach ako aj medzi koľajami pre získanie kontrolných údajov sa vždy vykonajú merania aj na neporušenej pôde vedľa vl penetrovanie v obidvoch koľajach bude potrebné v tom prípade keď bude vl čiastočne chránená ťažbovými zbytkami a budeme zisťovať zmeny v pôde tak nechránenej ako aj na chránenej rôznou hrúbkou ťažbových zvyškov na jed-
nom mieste sa vykoná 5 vpichov medzi vpichmi musí byť minimálna vzdialenosť 10 cm nastavenie hrotu rovnica
1a f= 3 6198 213 29 x
2a f= 1 7006 127 25 x
3a f= 3 3537 81 907 x
1b f= 2 4825 92 027 x
2b f= 1 6768 56 102 x
3b f= 4 4597 35036 x
188
aby sa vzájomne neovplyvňovali zároveň sa musí dodržiavať rovnomerná rýchlosť a priamy smer vtláčania penetračného kužeľa do zeme d odber pôdnych vzoriek na zistenie vlhkosti a objemovej hmotnosti pôdy vmieste odberu pôdnych vzoriek sa vždy vykoná aj statická penetrácia odber vzoriek bude vykonaný z troch priemerných hĺbok pôdy 5 15 a 25 cm na jednom mieste proﬁle sa v rovnakých podmienkach urobia aj odbery pôdy do 2 až 3 odberných valčekov na miestach z mechanicky porušenej ako aj z neporušenej pôdy 4 záver
plne mechanizované integrované ťažbové technológie na báze harvestera a for-
wardera si už v súčasnosti našli v slovenských lesoch svoje opodstatnené miesto cieľom tejto práce je upozorniť na určité fakty spojené s touto v našich výrobno-technických pod-
mienkach novou technológiou a navrhnúť vhodnú metodiku zameranú na zisťovanie a eli-
mináciu škôd vznikajúcich v ťažbovo-dopravnom procese pre zabezpečenie preventívnej ochrany pôdy pred jej trvalým alebo dlhodobým poškodením bude potrebné ako v za-
hraničí tak aj u nás realizovať systém opatrení napr na metodickom základe mathie-
sa-kremera 1999 a s využitím výsledkov hospodársko-úpravníckych prieskumov ako aj výsledkov domáceho a zahraničného aplikovaného výskumu o odolnosti základných skupín pôdnych predstaviteľov voči mechanickému porušeniu resp proti ich poškodeniu tento systém opatrení umožní operatívne a čo najobjektívnejšie rozhodovať s ohľadom na konkrétne prírodné a porastové pomery ktoré vymedzujú prevádzkovo-technické a eko-
nomické možnosti obhospodarovania lesov a vyžadujú v intenzívnom lesnom hospodár-
stve diferenciáciu prevádzkových cieľov a teda aj potrebu diferencovaných technológií podľa integrovaných funkcií lesov vzhľadom na reálne predpoklady že technické parametre súčasných a v blízkej bu-
dúcnosti vyrábaných viacoperačných strojov na kolesových podvozkoch neumožnia zní-
žiť kontaktný tlak kolies pod 100 120 kpa nemôže sa uvažovať pri ich použití s plným zachovaním produkčných a ekologických funkcií pôdy na celej ploche porastu preto sa odporúča aj naďalej usmerňovať pohyb strojov výhradne na vyvážacie linky na ktorých sa toleruje určitý stupeň poškodenia vrchných horizontov porastovej pôdy pohyb strojov po porastovej pôde pomedzi stromy je neprípustný ako aj vzdialenosť medzi vyvážacími linkami menšia než 20 m poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
bacher m 1999 schäden am verbleibenden bestand im zuge der holzernte bedeutung und vorbeugung výskumná správa fvf freiburg 40 s 189
butora a schwager g 1989 holzernteschäden in durchforstungsbeständen eidgenössiche anstalt fűr das forstliche versuchswesen birmensdorf berichte č 228 51 s han h s page-dumroese d han s k tirocke j 2006 effects of slash machine passes and soil mo-
isture on penetration resistance in a cut-to-length harvesting ijfe koreň j 1997 zhutňovanie porastovej pôdy prejazdami lesných strojov aff zvolen 39 191 203 koreň j 2002 prirodzená regenerácia vybratých druhov lesných pôd mechanicky poškodených pri približova-
ní dreva traktormi in zborník z medzinárodnej konferencie 9 10 9 2002 logistika technickej výroby dreva v karpatoch zvolen klťm lesnícka fakulta tu s 124 131 koreň j messingerová v 1992 analýza metód zisťovania a hodnotenia vplyvu ťažbovo-dopravných tech-
nológií na lesnú pôdu in zborník mvk progresívne trendy ťažbovo-dopravného obhospodarovania lesa zvolen tu 1992 s 99 106 löffler h 1986 bodenschäden bei der holzernte ursachen folgen vorbeugung holz zentralblatt nr 149 1986 s 2190 21922 srn lukáč t et al 1994 zmena technológií približovania a odvozu dreva záverečná správa referenčnej úlohy 39-aú-olh zvolen lf tu 90 s lukáč t et al 2003 výskum technologických výkonnostných a environmentálnych parametrov viacoperač-
ných strojov v ťažbe a sústreďovaní dreva v horských oblastiach projekt vega 1 0633 03 29 s matthies d 1997 maschinelle holzernte und ihre auswirkungen auf unsere bestände afz der wald nr 9 s 474 477 matthies d 2000 eine qualitätsanalyse der bundesländerspezifischen bodenschutz-konzepte zum bo-
denschonenden forstmaschineinsatz allg forst-u j ztg 171 3 41 46 matthies d kremer j 1999 bodenmechanische und bodenphysikalische ergebnisse im rahmen des infor-
mationssystems zum bodenverträglichen forstmaschineneinsatz fti č 5 6 s 35 38 mc mahon shane 1995 survey method for assessing site disturbance new zealand logging industry p r 54 4 1995 n zealand s 1 16 meng w 1978 baumverletzungen durch transportvorgänge bei der holzernte ausmaß und verteilung fol-
geschäden am holz und versuch ihrer bewertung schriftenreihe der lfb baden-württemberg band 53 159 s raab s et al 2002 aktuelle holzernteverfahren am hang bayerische landesanstalt für wald und forstwirt-
schaft bericht nr 36 80 s rónay e 2004 svetové trendy motivujú k novému mysleniu les 2004 č 11 12 šach f matějka k vacek s 1999 obnova a stabilizace horských lesů sborník z celostátní konference s mezinárodní účastí konané ve dnech 12 10 13 10 1999 v bedřichově v jizerských horách s 107 112 slodičák marian praha zbraslav nad vltavou výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti 1999 šály r 1978 pôda základ lesnej produkcie vydavateľstvo príroda bratislava ulrich r schlaghamersky a štorek v 2002 použití harvestorove technologie v probírkach mzlu brno 97 s wästerlund i 1986 effects of damage on the newly thinned stand due to mechanized forest operations manuskript univerzita poľnohospodárskych vied uppsala švédsko s 1 4 weise g 2002 bewertungsschema zur bodenbelastung von großmachinen im forst fti č 1 2 s 10 12 190
adresa autorov ing jozef slugeň phd ing michal ferenčík phd prof ing valéria messingerová csc ing miroslav stanovský csc ing daniel kindernay
ing peter kováčik
katedra lesnej ťažby a mechanizácie
lesnícka fakulta technickej univerzity vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail slugen1@hotmail com ferencik@vsld tuzvo sk mesin@vsld tuzvo sk stanovsky@vsld tuzvo sk daniel kindernay@gmail com kpkovacik@gmail com
metodika stanovenia poškodzovania pôdy harvesterovými technológiami
abstrakt predkladaná práca sa zaoberá problematikou poškodzovania lesnej pôdy pri nasadení integrovanej plne mechanizovanej viacoperačnej technológie na báze harvestera a forwardera do lesných porastov napriek všeobecne uznávanej šetrnosti v porovnaní s ostatnými technológiami nemôžeme harvesterové technológie ak-
ceptovať úplne bez výhrad hlavne poznatky zaoberajúce sa poškodzovaním pôdy sú v našich terénnych pod-
mienkach lesov slovenska málo preskúmané cieľom je vytvoriť a neskôr aj priamo v teréne odskúšať vhodnú metodiku zameranú na meranie poškodzovania lesnej pôdy viacoperačnými strojmi už teraz vieme povedať že pri nasadzovaní viacoperačných strojov do porastov je veľmi dôležitá technologická príprava výroby ale aj samotného porastu ako aj uplatnenie preventívnych opatrení zameraných proti potenciálnemu vzniku škôd kľúčové slová harvesterové technológie poškodenie pôdy statická penetrácia
191
stratégia transformácie verejnoprospešných funkcií lesa na trhové statky
jaroslav š á l k a lukáš f o d r e k zuzana d o b š i n s k á
šálka j fodrek l dobšinská z transformation strategy of forest recreational and en-
vironmental functions into market goods acta facultatis forestalis zvolen 51 3 191 203 2009 the aim of this work is to present the basic idea of the transformation of forest recreational and environmental functions into market mechanism using the extension of the theory of public goods this work is based on the neoclassic classiﬁcation of public goods which divides goods
into private and public ergo into market and nonmarket ones based on the methodic approach in the project niche markets for recreational and environmental goods and services from multi-
ple forest production systems res project fair1 ct95-0743 this article extends neoclassic theory of public goods and thereby provides the basic principle of environmental and recreational functions integration into the market mechanism this principle will be applied in the centre of excellence adaptive forest ecosystems activity 4 3 integration of recreational and environmental functions into the market mechanism key words forest recreational and environmental functions public goods competition exclusion
1 úvod
integrácia verejnoprospešných funkcií do trhového mechanizmu predstavuje jeden z inovatívnych prístupov v oblasti zabezpečovania ich optimálnej produkcie lesné podniky v európe vyvíjali a vyvíjajú snahu získať platby za poskytovanie úžitkov pre spo-
ločnosť nie je to jediná cesta a vôbec netreba vytvárať dojem že by sa mal štát stiahnuť z ovplyvňovania produkcie verejnoprospešných funkcií prostredníctvom verejnej politiky stratégie začlenenia verejnoprospešných funkcií do trhu vyžadujú taktiež zásadné ingeren-
cie štátu cieľom príspevku je ozrejmiť rozšírenú teóriu verejných statkov a načrtnúť metodic-
ký prístup hodnotenia stratégií transformácie verejnoprospešných funkcií lesov na trhové produkty alebo služby 2 problematika
verejnoprospešné funkcie lesa môžeme deﬁnovať na základe teórie verejných statkov šálka et al 2008 verejné statky sú charakteristické dvoma znakmi ktoré zne-
možňujú trhový mechanizmus acta facultatis forestalis 51 3 zvolen 2009
192
− exkludácia vyjadruje vylúčiteľnosť jednotlivca zo spotreby určitého statku exkludá-
cia spôsobuje že daný statok sa stáva predmetom trhu a takzvaní čierni pasažieri ktorí by tento statok chceli užívať bezplatne môžu byť z jeho spotreby vylúčení − rivalita vyjadruje skutočnosť že statok ktorý je spotrebovávaný jedným jednotliv-
com nemôže byť konzumovaný iným rivalita medzi jednotlivcami o konzumáciu daného statku je spôsobená jeho obmedzenosťou na základe exkludácie a rivality rozlišujeme nasledujúce druhy statkov pričom ex-
kludácia a rivalita môže byť vo svojich hraničných hodnotách rovná nule alebo jednej súkromné individuálne statky majú úplnú rivalitu a exkludáciu čo umožňuje aby boli predmetom trhu verejné statky sa vyznačujú tým že exkludácia a rivalita sa rovnajú nule nie je možné zo spotreby nikoho vylúčiť a neexistuje žiadna rivalita pri ich spotrebe vylúčenie neplatičov nie je možné z technických alebo ekonomických dôvodov produkcia kyslíka alebo viazanie co
2 lesnými ekosystémami sú typickými príkladmi kolektívne statky sú charakteristické tým že nie je možné zo spotreby nikoho vy-
lúčiť a zároveň pri ich spotrebe existuje rivalita lebo vlastnícke práva nie sú jasne deﬁ-
nované intenzívna rekreácia v chránených územiach je bezproblémová až do vtedy kým nedôjde k stretu záujmov rekreácia a ochrana prírody klubové statky tvoria prechod medzi verejnými a súkromnými statkami týmto statkom je možné priradiť určitý stupeň exkludácie lebo pri ich využívaní je časté že zvyšovaním počtu užívateľov sa kvalita statku znižuje pri klubových statkoch je potom možné určiť analyticky optimálnu veľkosť skupiny aby sa umožnila produkcia statku so zodpovedajúcou kvalitou majitelia hotelov sú ochotní platiť lesným podnikom za opatre-
nia ktoré zvyšujú účinnosť protilavínovej funkcie ak je počet hotelierov veľký nemusí dôjsť k dohode o ﬁnancovaní týchto opatrení na druhej strane je dôležité miesto poskytovania týchto statkov lebo pri tzv lokál-
nych statkoch je možné že z týchto statkov majú úžitky aj jednotlivci ktorí uskutočňujú svoje aktivity v blízkosti poskytovania týchto statkov ale nepodieľajú sa na ich ﬁnanco-
vaní napríklad miestny klub cykloturistiky sa dohodne s lesnými a poľnohospodárskymi podnikmi o poplatkoch k ﬁnancovaniu úprav cestnej siete aby bola vhodnejšia pre cyklo-
turistiku cestnú sieť však využívajú aj cykloturisti ktorí nie sú členovia miestneho klubu ale zo spotreby tohoto statku ich nemožno vylúčiť lebo je zákonne zaistený voľný vstup do lesa z tohto dôvodu sú dôležité náklady exkludácie a náklady vytvárania kolektívu ktoré nazývame transakčné náklady ak by boli náklady na exkludáciu príliš vysoké alebo na zabezpečovanie týchto statkov by bolo potrebné vytvárať vždy nové kolektívy s vyso-
kými nákladmi nie je ich produkcia trhovým mechanizmom zväčša možná zmiešané statky sa vyznačujú tým že hodnoty rivality a exkludácie sa pohybujú v rozpätí od nula do jedna presná kvantiﬁkácia stupňa rivality a exkludácie by umožnila presnejšie určenie verejných statkov a ich potrebu zabezpečovania štátom v praxi je takáto kvantiﬁkácia veľmi sťažená 193
rozšírená teória verejných statkov šálka 2008 statky majú vnútornú štruktúru svojich vlastností podľa teórie verejných stat-
kov sa statok hodnotí ako homogénna jednotka prístup čiernej skrinky pri ktorej sa môže javiť jej produkcia na základe trhového mechanizmu ako nemožná prostredníc-
tvom dekompozície vlastností statkov variability úrovne poskytovaných úžitkov stupňov ich vylúčiteľnosti a rivality pri spotrebe môže byť však schopnosť ich realizácie cez trh významne ovplyvňovaná podľa mantau et al 2001 je možné formulovať nasledovné hypotézy ktoré predstavujú rozšírenie teórie verejných statkov 1 vylúčiteľnosť zo spotreby závisí od úrovne poskytovaných úžitkov v princípe sa vy-
lúčiteľnosť zo spotreby zvyšuje s úrovňou poskytovaných úžitkov z toho vyplýva že vylúčiteľnosť zo spotreby by nemala byť deﬁnovaná pre statok ako homogénnu jednotku ale pre jeho jednotlivé vlastnosti 2 statok je generovaný variabilitou jeho vlastností vylúčiteľnosť a rivalita týchto vlast-
ností je rozdielna na základe variability vlastností a možných marketingových straté-
gií môže byť vyvinutá zodpovedajúca stratégia integrácie statku do trhového mecha-
nizmu 3 hodnota statku a schopnosť statku byť predmetom trhu závisí na dynamických zme-
nách vo vlastnostiach statku a prostredí formulované hypotézy a predpoklady môžeme ilustrovať na nasledovnom príklade obr 1 ktorý umožní priblíženie základnej myšlienky majme dva statky súkromný sta-
tok hotel a verejný statok lesná cesta všeobecná ekonomická hodnota hotela a lesnej cesty nie je pravdepodobne rozdielna ak však deﬁnujeme rôzne úrovne poskytovaných úžitkov môže sa situácia zmeniť ak si objedná niekto hotelovú izbu očakáva že nájde miesto na spanie a oddych v noci tieto vlastnosti si však nemôže kúpiť len generický produkt hotelová izba je predmetom trhu čo je reprezentované posteľou a pultom na re-
cepcii v prípade lesnej cesty je zrejmé že najdôležitejší úžitok plynie pre turistu z rekre-
ácie tento úžitok plynie turistovi len v tom prípade ak má voľný prístup na lesnú cestu v prípade lesnej cesty ide o verejný statok lebo podľa slovenského zákona o lesoch má každý peší turista voľný prístup do lesa a teda aj na lesnú cestu generický produkt lesná cesta nie je realizovateľný prostredníctvom trhu podľa predchádzajúcich úvah to však neznamená že je nemožné zlepšiť schopnosť statku byť predmetom trhu teória verejných statkov deﬁnovala úžitky z verejnoprospešnej funkcie lesa na úrovni generického produktu ktoré nie je možné predávať na trhu atraktivita produktu pre kupu-
júcich môže byť vytvorená na vyšších úrovniach poskytovania úžitkov spotrebitelia pred-
pokladajú ďalšie dodatočné úžitky ako samozrejmosť to môžeme vyjadriť tak že ak nie sú k dispozícii dodatočné úžitky spotrebiteľ sa rozhodne produkt nekúpiť alebo ho bude hodnotiť ako produkt s nízkou kvalitou v prípade hotela je to kúpeľňa uteráky telefón alebo raňajky toto je úroveň očakávaného úžitku teda ide o očakávaný produkt na lesnej ceste očakáva turista označenie trasy a výhľad na krásnu krajinu na úrovni očakávaného produktu má lesná cesta možnosti zlepšovania jej uplatenia na trhu 194
obrázok 1 zmena vylúčiteľnosti a rivality na rôznej úrovni užitočnosti produktu zdroj mantau et al 2001 fig 1 changing the character of rivalry and exclusion on different utility product levels source mantau et al 2001 1recreation programs and activities 2potential product 3recreation program licenses 4 television hotel bar sauna pool 5 augmented product 6maps equipment places 7cleanliness phone break fast 8expected product 9signs benches views 10bed reception 11generic product 12forest roads and paths 13silence and sleep 14basic use 15recreation 16forest road
na rozvinutých trhoch sa uskutočňuje konkurencia medzi podnikmi na úrovni rozší-
reného produktu to môžeme vysvetliť tak že pre rôzne produkty existujú rôzne marke-
tingové stratégie a rôzne cenové segmenty rozšírený produkt v prípade hotela môže zahŕ-
ňať televíziu na izbe hotelový bazén saunu alebo hotelový bar spotrebiteľ sa rozhoduje podľa úrovne rozšíreného úžitku či je ochotný priplatiť za hotel viac úroveň rozšíreného produktu zlepšuje uplatnenie generického produktu na trhu poskytovanie máp vybavenia na turistiku altánkov na oddych detských ihrísk predstavuje úroveň rozšíreného úžitku v prípade lesnej cesty každý generický produkt má ešte úroveň potencionálneho úžitku potenciálny pro-
dukt v prípade hotela je poskytovanie špeciálnych dovolenkových programov podľa tr-
hového segmentu zážitkové športy ako rafting mountain hiking alebo iné v prípade lesnej cesty môže lesný podnik ponúkať podobné takéto balíky vo forme ekologicky les-
nícky alebo kultúrne orientovaných náučných chodníkov ubytovania atď celkovo môže-
me konštatovať že podľa uvedeného má každý statok možnosť stať sa súčasťou trhu 195
stratégie integrácie verejnoprospešných funkcií lesov do trhového mechanizmu šálka 2008 mantau vo svojich prácach 1993 1994 1995a b 2001 zhrnul princípy mož-
ností pre verejnoprospešné funkcie stať sa predmetom trhu 1 z verejnoprospešných funkcií lesa plynú základné úžitky ak by sme chceli uplatňo-
vať na trhu základné úžitky museli by sme konštatovať že ide o zlyhanie trhu to by platilo v prípade rekreačnej funkcie lesnej cesty ale aj v prípade spánku a nočného oddychu toto je logická chyba teórie verejných statkov vysvetľujúcich zlyhanie trhu pri verejnoprospešných funkciách lesov lebo sa uvažuje len na úrovni základného úžitku 2 vlastnosti produktu vylúčiteľnosť a rivalita reagujú ináč na rôznych úrovniach uži-
točnosti prostredníctvom zmeny dizajnu na vyšších úrovniach užitočnosti môžu byť generické verejné statky transformované na trhové statky t j vylúčiteľnosť a rivalita môžu byť zmenené 3 podľa príkladu uvedeného vyššie môžeme konštatovať že reálny produkt je kombi-
náciou statkov lesná cesta náučný chodník ubytovanie štruktúra kombinovaných statkov deﬁnuje stupeň exkludácie a rivality neoklasická ekonomická teória je zalo-
žená na homogénnych statkoch tento prístup k statku ako k čiernej skrinke je najdô-
ležitejší dôvod prečo neoklasická škola deﬁnovala riešenie problému zisťovania pred-
pokladanej hodnoty verejných statkov a snažila sa dosiahnuť paretovu optimálnosť ako korekciu zlyhania trhu 4 dynamické aspekty sú dôležité pre integráciu verejných statkov do trhového mecha-
nizmu zmena stupňa vylúčiteľnosti a rivality môže byť spôsobená zmenami v prostre-
dí alebo zmenami správania podnikov a spotrebiteľov všetky ekonomické prístupy ktoré rozdeľujú statky na verejné a súkromné prichá-
dzajú k záveru že existujú statky trhové a netrhové rivalita a exkludácia nie sú kritériá ktoré nadobúdajú len hodnotu nula a jedna ale sa môžu kontinuálne meniť v rozmedzí od nula po jedna rôzne skupiny si konkurujú o atraktívnu lesnú cestu ktorá je v blízkosti mesta lebo turisti spôsobujú problémy pri doprave dreva alebo vzniká konkurencia medzi pešími turistami a cykloturistami vylúčiteľnosť zo spotreby sa môže meniť napríklad zásahom štátu ktorý určí ktoré lesné cesty v akom čase môžu byť využívané pre pešiu turistiku a ktoré pre cykloturistiku obr 2 opisuje kontinuálnu štruktúru statkov vertikálna os predstavuje rivalitu pri spotrebe a horizontálna os predstavuje vylúčiteľnosť zo spotreby vylúčiteľnosť zo spot-
reby je závislá od nákladov vylúčiteľnosť rovná jednej je veľmi nákladná vysoký stupeň rivality pri spotrebe a nízke náklady na zabezpečenie vylúčiteľnosti zo spotreby predstavujú hraničný stav čistého súkromného statku a nízky stupeň rivality pričom vysoké náklady vylúčiteľnosti deﬁnujú čistý verejný statok každý statok však má vlastnosti ktoré môžu jeho vylúčiteľnosť a rivalitu meniť 196
obrázok 2 kontinuálna štruktúra vlastností statkov a stratégie zdroj mantau et al 2001 fig 2 continuous structure of goods and strategic ﬁelds source mantau et al 2001 1increasing rivalry 2decreasing costs for exclusion activities market strategy3 value of utilitiy4 sponsoring5 private goods6 market7 public goods8 financial support9 10legislation 11marketing strategy 12 added value 13institution
schopnosť integrácie verejného statku do trhového mechanizmu môžeme rozdeliť do štyroch strategických oblastí statky s nízkou rivalitou a vysokými nákladmi na vylú-
čiteľnosť majú veľmi nízke šance na integráciu do trhového mechanizmu ak majú byť zabezpečované je potrebné využiť zásahy štátu vo forme opatrení verejnej politiky dane dotácie regulatívy poradenstvo atď statkom s vysokou rivalitou ale aj s vysokými ná-
kladmi exkludácie pripisujú spotrebitelia vysokú hodnotu je však veľmi drahé vylúčiť niekoho z pohľadu na krásnu lesnatú krajinu marketingové stratégie založené na spon-
zoringu alebo založení klubu môžu byť úspešné napríklad mestom ﬁnancované rekreač-
né prímestské lesné územia by zodpovedali takejto stratégii statky s nízkymi nákladmi vylúčenia zo spotreby a nízkou rivalitou môžeme integrovať do trhového mechanizmu prostredníctvom zvyšovania pridanej hodnoty a zmenami pravidiel inštitúcií v efektív-
nych marketingových organizáciách statky s vysokou rivalitou a nízkymi nákladmi na exkludáciu sú typické trhové statky pri každom statku sa môžu zmeniť jeho vlastnosti a tým aj zaradenie do strategickej oblasti v závislosti od zmien v dopyte preferenciách a vlastníckych práv aktivity podni-
kov a podobne obr 3 marketingová stratégia3
hodnota užitočnosti4
sponzoring5
súkromné statky6
marketingová stratégia11
pridaná hodnota12
inštitúcia13
verejné statky8
z
vy
šo
va
ni
e ri
va
lit
y1
znižovanie nákladov vylúčiteľnosti2
trh7
finančná podpora9
legislatíva10
197
obrázok 3 dynamické zmeny vlastností trhových a potencionálne trhových statkov zdroj mantau et al 2001 fig 3 dynamic changes in the character of marketable goods and potentially marketable goods source mantau et al 2001 1increasing rivalry 2decreasing costs of excludability 3consequences for integration of goods into the market mechanism
najdôležitejším faktorom je dynamika podmienok na trhoch správanie ﬁriem a spot-
rebiteľov ak by sa dramaticky znížili po kalamite veľkého rozsahu ceny vlákninového dreva mohli by sa majitelia lesa rozhodnúť že znížia ťažbu tohto sortimentu a1 cena ktorá vyjadruje rivalitu je nižšia ako náklady na ťažbu a dopravu dreva na základe cyklov na trhu s drevom sa môže zmeniť prebytok ponuky vlákninového dreva na prebytok dopytu po vlákninovom dreve tieto zmeny by priniesli zvýšenie ceny vlákninového dreva a teda aj rivality a2 ceny dreva na získanie tepelnej energie boli na prelome tisícročia pomerne nízke hospodárstvo sa spoliehalo na iné zdroje energie a jeho ponuka prevyšovala dopyt rivalita vyjadrená cenou bola nízka aj keď ceny energetického dreva rýchlo dobiehali ceny vlákninového dreva a3 dopyt po energetickom dreve ako alternatívnom obnoviteľ-
nom zdroji suroviny však prudko rastie a tým sa zvyšuje rivalita tohto statku a4 hodnota chráneného biotopu pre spoločnosť je pomerne vysoká ale jeho dobrovoľná produkcia lesnými podnikmi je sťažená samozrejme za predpokladu neexistencie opat-
rení verejnej politiky v ochrane prírody je to spôsobené vysokými nákladmi na zabezpe-
čenie exkludácie zo získavania úžitkov chráneného územia celá spoločnosť má úžitok z chráneného biotopu ale nikto nie je reálne ochotný za tieto úžitky platiť oplotenie chrá-
neného biotopu a vyberanie vstupného je veľmi nákladné b1 marketingová stratégia 198
založená na vytvorení produktu chránený biotop pre sponzorský podnik by mohla mať úspech veľká ﬁrma ktorá sa snaží vylepšiť si svoj environmentálny imidž by mohla mať záujem na ﬁnancovaní chráneného územia rivalita statku ochrana biotopu sa zvýšila aj keď náklady exkludácie ostali nezmenené b2 v minulosti nepatrilo bicyklovanie k rozšíreným alebo masovým športom teda riva-
lita bicyklovania v lese bola nízka náklady na vylúčenie bicyklistov zo spotreby by bol ekonomický nezmysel c1 v slovenských lesoch sme síce vyznačili trasy pre mountain biking ale v zásade sme neobmedzili prístup cyklistov na lesné cesty rakúske štátne lesy si však obhájili právo vylúčiť cyklistov na lesných cestách zo spotreby a môžu žiadať po-
platky od regionálnych cyklistických klubov za cyklistické využívanie lesných ciest c2 ak by lesné podniky zatraktívnili svoje lesné cesty pre cykloturistov a zvýšila by sa pre nich ich subjektívna užitočnosť z cykloturistiky môžeme predpokladať zvýšenie rivality a zníženie nákladov exkludácie vyššia pridaná hodnota produktu lesná cykloturistika by umožnila lepšie možnosti vylúčenia zo spotreby c3 ak by sa v budúcnosti prefe-
rencie obyvateľstva v urbánnych regiónoch pre mountain biking ešte zvýšili mohlo by to opäť spôsobiť zvýšenie rivality a zvýšenie vylúčiteľnosti c4 3 metodický prístup hodnotenia transformácie verejnoprospešných funkcií na trhové statky
v projekte trhy pre rekreačné a environmentálne statky a služby z lesnícke-
ho multifunkčného produkčného systému niche markets for recreational and envi-
ronmental goods and services from multiple forest production systems res project fair1 ct95-0743 bolo vypracovaných 95 prípadových štúdií v ktorých bola opísaná transformácia exkludácie a rivality verejnoprospešných funkcií lesov táto transformácia umožní včlenenie úžitkov z verejnoprospešných funkcií lesa do trhového mechanizmu v aktivite 4 3 integrácia verejnoprospešných funkcií do trhového mechanizmu bude vy-
pracovaných minimálne 5 prípadových štúdií v slovenskej republike bližšie šálka et al 2009 na základe týchto prípadových štúdií bude zistená exkludácia a rivalita a miera ich transformácie veľmi dôležité je porovnanie exkludácie a rivality pred a po transformácii na kategorizáciu všetkých prípadov exkludácie a rivality sa zvolí nasledovný hodnotiaci postup mantau et al 2001 šálka et al 2008 1 príjme sa stupnica piatich stupňov exkludácie a rivality 0 2 5 5 7 5 10 za účelom zakreslenia verejnoprospešných funkcií lesov a ich transformácie na trhové statky do grafu verejných a súkromných statkov obrázok 4 2 exkludácia a rivalita sú hodnotené nezávisle pred a po transformácii alebo vývoji 3 pred transformáciou sú exkludácia aj rivalita rovné nule je to ten prípad ak je existu-
júci úžitok z verejnoprospešnej funkcie lesa využívaná zadarmo bez rivality t j spot-
rebiteľskej konkurencie vylúčiteľnosť ostatných spotrebiteľov zo spotreby je tak isto nulová ak by verejnosť nesmela tieto úžitky z verejnoprospešných funkcií využívať z dôvodu jasne stanovených vlastníckych práv bola by exkludácia pred transformá-
ciou kompletná a mala by hodnotu 10 199
4 po transformácii vývoji úžitku z verejnoprospešnej funkcie lesa na trhový statok je exkludácia hodnotená podľa výsledných efektov podniknutých opatrení v zmysle in-
štitucionálnych zmien vo vlastníckych právach a marketingových technikách tieto dva faktory sú posudzované samostatne a zobrazené ako plná alebo prerušovaná čiara podľa obrázku 4 ak by bolo zaplatenie ceny za transformovaný trhový produkt jedi-
nou cestou ako využiť verejnoprospešné funkcie lesa exkludácii by bola priradená hodnota 10 ak by rôzne stupne komplementárnosti medzi verejnoprospešnými funk-
ciami lesa a transformovanými trhovými produktmi mali za následok zníženie exklu-
dácie napr ak je možné vyhnúť sa vyplateniu ceny za úžitok z verejnoprospešnej funkcie lesa potom sa hodnota exkludácie bude pohybovať v rozpätí 5 až 7 5 5 po transformácii by sa rivalita dala len veľmi ťažko zhodnotiť v ekonomickej litera-
túre nie je tento koncept jasne deﬁnovaný a rivalita sa často interpretuje ako prebytok dopytu fakt že je zavedená určitá úroveň exkludácie naznačuje že existuje taktiež istá miera rivality na základe modiﬁkovanej ekonomickej povahy statkov ktoré už viac nie sú úplne verejnými preto sa zavedenie exkludácie prejaví na znížení alebo zvýšení rivality pre čisto súkromné statky je pripísaná rivalite hodnota 10 ak sa transformácia týka statku s plnou rivalitou napr certiﬁkácia produktu a bolo by nevyhnutné zapla-
tiť cenu za modiﬁkovaný trhový produkt a s ním spojené úžitky z verejnoprospešných funkcií lesa pre klubové statky a služby sa rozlíšia dva typy rivality i vnútorná rivali-
ta medzi spotrebiteľmi ktorí už sú oprávnení využívať statky a alebo služby alebo ii externá rivalita týkajúca sa potenciálnych užívateľov daného modiﬁkovaného trhové-
ho produktu napríklad pri parkovacích miestach sa môže externá rivalita vyskytnúť ak je dopyt po parkovacích miestach vyšší ako je ich ponúkané množstvo hodnotenie rivality môže byť opäť skreslené subjektívnym pohľadom preto sú potrebné nasledov-
né kritériá ktoré platia pre statky ktoré nemôžu dosiahnuť hodnotenie 10 v kategórii rivalita 1 rivalita = 2 5 to znamená že v rámci spolku alebo klubu nie sú výrazné prob- lémy v rámci rivality internej alebo externej 2 rivalita = 5 štandardné klubové statky kde sa môžu vyskytnúť náhodné problé- my s preťažením congestion v rámci určitej časti roku prípadne dňa v týždni 3 rivalita = 7 5 keď je preukázaný vyšší dopyt po určitom produkte ako je jeho ponuka čo implikuje vysokú vnútornú rivalitu a alebo vysokú vonkajšiu rivalitu 200
obrázok 4 transformačné vývojové trajektórie od verejnoprospešných funkcií lesa na modiﬁkované trhové pro dukty zdroj mantau et al 2001 exkludácia prostredníctvom modiﬁkácie vlastníckych práv transformácia exkludácia prostredníctvom marketingovej techniky vývoj
fig 4 transformation development paths from ergs to modiﬁed market products source mantau et al 2001 excludability through modiﬁcation of property rights transformation excludability through marketing techniques development 1rivalry 2excludation 3recreational and environmental functions 4market products
exkludácia a rivalita pred a po transformácii a vývoji v res projekte
dôležitým faktorom transformácie úžitkov z verejnoprospešných funkcií lesa na modiﬁkované trhové produkty je ich úroveň pred transformáciou vývojom väčšina ve-
rejnoprospešných funkcií lesa pred transformáciou na modiﬁkované trhové produkty je charakterizovaná v res projekte nulovou exkludáciou a rivalitou tabuľka 1 a tabuľka 2 to je spôsobené najmä neuskutočniteľnosťou zákazu využívania úžitkov z verejnoprospeš-
ných funkcií lesa alebo značnou náročnosťou takéhoto zákazu 201
tabuľka 1 exkludácia pred transformáciou vývojom zdroj mantau et al 2001 tab 1 excludability before transformation development source mantau et al 2001 1exkludability 2no 3very low 4low 5relevant 6very relevant 7total tabuľka 2 rivalita pred transformáciou vývojom zdroj mantau et al 2001 tab 2 relevance of rivalry before transformation development source mantau et al 2001 1rivalry 2no 3very low 4low 5relevant 6very relevant 7total
exkludácia je nevyhnutnou podmienkou transformácie vývoja zavedenie exkludá-
cie prináša so sebou viaceré problémy ktoré sú spojené s nutnými legislatívnymi zme-
nami najmä v oblasti vlastníckych práv situácia po transformácii vývoji je z hľadiska úrovne exkludácie veľmi rôznorodá vo väčšine skúmaných prípadov tab 3 v každej zo skúmaných krajín sa nájdu prípady kde nie je exkludácia kompletná a platba za modiﬁ-
kované trhové produkty je dobrovoľná a nie je nutne spojená s využívaním relevantných úžitkov verejnoprospešných funkcií lesa tabuľka 3 exkludácia po transformácii vývoji zdroj mantau et al 2001 tab 3 excludability after transformation development source mantau et al 2001 1exkludability 2no 3very low 4low 5relevant 6very relevant 7total
exkludácia1 at ge it nl celkom7
žiadna2 0 7 25 23 15 70
veľmi nízka3 2 5 0 0 0 0 0
nízka4 5 0 3 0 2 1 6
relevantná5 7 5 0 0 1 0 1
veľmi relevantná6 10 0 9 3 2 4 18
celkom7 19 28 28 20 95
rivalita1 at ge it nl celkom7
žiadna2 0 14 22 14 12 62
veľmi nízka3 2 5 1 1 3 2 7
nízka4 5 0 1 2 9 1 13
relevantná5 7 5 0 2 2 4 8
veľmi relevantná6 10 0 3 1 0 1 5
celkom7 19 28 28 20 95
exkludácia1 at ge it nl celkom7
žiadna2 0 0 0 0 0 0
veľmi nízka3 2 5 0 1 2 0 3
nízka4 5 0 1 2 0 0 3
relevantná5 7 5 0 0 0 1 1
veľmi relevantná6 10 0 18 25 26 19 88
celkom7 19 28 28 20 95
202
úroveň rivality závisí od charakteristík modiﬁkovaných trhových produktov a súvi-
siacich verejnoprospešných funkcií lesa vo všeobecnosti sa rivalita po transformácii vý-
voji zvyšuje tab 4 obyčajne sa dá po transformácii určiť približná úroveň rivality tabuľka 4 rivalita po transformácii vývoji zdroj mantau et al 2001 tab 4 relevance of rivalry after transformation development source mantau et al 2001 1rivalry 2no 3very low 4low 5relevant 6very relevant 7total
transformačné a vývojové trajektórie môžu byť zobrazené graﬁcky na porovnanie sledovaných krajín kvantiﬁkácia transformačných trajektórií zo slovenských prípado-
vých štúdií a ich komparácia so zahraničnými umožní posúdiť podporujúce a obmedzujú-
ce faktory integrácie verejnoprospešných funkcií do trhového mechanizmu v slovenskej republike 4 záver rozšírená teória verejných statkov umožňuje na základe zmien hodnôt riva-
lity a exkludácie popísať základné princípy transformácie niektorých úžitkov z verejno-
prospešných funkcií lesov na trhové statky popísanie transformačných trajektórií umožní identiﬁkovať potrebné zmeny vo vlastníckych právach alebo marketingových opatreniach pre modiﬁkáciu verejných statkov lesníctva na trhové statky táto teória predstavuje zá-
klad pre teoreticko-metodický prístup v riešení aktivity 4 3 integrácia verejnoprospešných funkcií do trhového mechanizmu v centre excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy poďakovanie táto štúdia vznikla v rámci riešenia projektu centrum excelentnosti adaptívne les-
né ekosystémy” na základe podpory operačného programu výskum a vývoj ﬁnancované-
ho z európskeho fondu regionálneho rozvoja na základe zmluvy č 262201200006 literatúra
mantau u 1993 die forstliche produktlücke infrastrukturleistungen marktfähig machen allgemeine forst-
zeitung 4 93 186 190 mantau u 1994a produktstrategien für kollektive umweltgüter marktfähigkeit der infrastrukturleistungen des waldes zeitschrift für umweltpolitik und umweltrecht 3 94 305 322 rivalita1 at ge it nl celkom7
žiadna2 0 0 0 0 0 0
veľmi nízka3 2 5 4 6 4 1 15
nízka4 5 0 6 5 5 6 22
relevantná5 7 5 1 2 13 3 19
veľmi relevantná6 10 0 8 15 6 10 39
celkom7 19 28 28 20 95
203
mantau u 1994b produktstrategien für kollektive umweltgüter zeitschrift für umweltpolitik und umwelt-
recht 3 305 322 mantau u 1995a von der waldfunktionenlehre zur waldproduktlehre holz-zentralblaatt 26 s mantau u 1995b forest policy means to support forest outputs in solberg b and pelli p eds forest policy analysis methodological and empirical aspects efi proceedings no 2 meeting report working group s6 12-01 iufro sns s 131 146 mantau u 1995c von der waldfunktionenlehre zur waldproduktlehre holz-zentralblatt 26 95 451 453 s mantau u merlo m sekot w welcker b 2001 recreational and environmetal markets for forest enre-
prises e new approach towards marketability of public goods cabi 541 s šálka j trenčiansky m bahula p balážová e 2008 ekonómia životného prostredia učebné texty tu zvolen 162 s šálka j dobšinská z fodrek l 2008 integrácia verejnoprospešných funkcií lesov do trhového mechaniz-
mu výskumná správa 98 s šálka j 2008 rozšírená teória verejných statkov a verejnoprospešné funkcie lesov in aktuálne otázky eko-
nomiky lh sr nlc zvolen s 55 63 šálka j sarvašová z kovalčík m dobšinská z fodrek l 2009 integrácia verejnoprospešných funkcií do trhového mechanizmu in acta facultatis forestalis v tlači adresa autorov doc dr ing jaroslav šálka ing lukáš fodrek judr mgr zuzana dobšinská
katedra ekonomiky a riadenia lesného hospodárstva
lesnícka fakulta
technická univerzita vo zvolene
t g masaryka 24
960 53 zvolen
e-mail salka@vsld tuzvo sk
stratégia transformácie verejnoprospešných funkcií lesov na trhové statky abstrakt
cieľ tohto príspevku spočíva v predstavení základnej myšlienky transformácie verejnoprospešných funkcií lesov do trhového mechanizmu pomocou rozšírenia teórie verejných statkov príspevok vychádza z ne-
oklasickej klasiﬁkácie verejných statkov ktorá rozdeľuje statky na súkromné a verejné a teda trhové a netrhové na základe metodického prístupu v projekte trhy pre rekreačné a environmentálne statky a služby z lesníckeho multifunkčného produkčného systému niche markets for recreational and environmental goods and servi-
ces from multiple forest production systems res project fair1 ct95-0743 rozširuje neoklasickú teóriu verejných statkov a tým predstavuje základný princíp integrácie verejnoprospešných funkcií do trhového me-
chanizmu ktorý bude uplatnený v aktivite 4 3 integrácia verejnoprospešných funkcií do trhového mechanizmu v projekte centra excelentnosti adaptívne lesné ekosystémy kľúčové slová verejnoprospešné funkcie lesov verejné statky rivalita exkludácia užitočnosť transformácia