Možnosti lesů při tlumení povodní

(Lesnická práce 11/2002, Petr Kantor, František Šach)

V příloze „Věda“ deníku Mladé fronty DNES byl 31. srpna 2002 publikován příspěvek „Mohou naše lesy účinně tlumit záplavy?“. Podnětem k sepsání této krátké studie byly názory jednotlivců i představitelů různých organizací, prezentované ve sdělovacích prostředcích, o negativním vlivu obhospodařování lesů (obnova lesa, nevhodná druhová skladba) na intenzitu povodně a rozsah záplav v  srpnu tohoto roku. V následujícím textu je tato problematika s mimořádně závažným celospolečenským dopadem analyzována podrobněji.

Lesy zaujímají asi 34 % rozlohy České republiky - to je obecně známo. Již méně se ale ví, že nad ně spadne více než 50 % srážek. Není to tím, že by lesy „přitahovaly“ vodu, ale prostě tím, že největší lesnatost mají u nás středohorské a horské polohy s vysokými úhrny ročních srážek 800 až 1 500 mm.

Na stránkách Lesnické práce není samozřejmě nutné zdůrazňovat, že v posledních 200 letech se velmi významně změnilo druhové složení našich lesů. Zatímco v přirozené skladbě byly zastoupeny jehličnany pouze 34 % (z toho smrk jen 11 %), dnes je jejich podíl více než dvojnásobný - 77 % (z toho smrk 54 %).

Přitom je obvykle smrk ve veřejných médiích prezentován laické veřejnosti jako dřevina vodohospodářsky nevhodná, listnáče naopak jako dřeviny, které mohou významně svou vysokou spotřebou vody přispět k tlumení povodní. Vesměs se však jedná o ničím nepodložené názory a hypotézy bez konkrétních důkazů.

Jaká je ale skutečnost - lze kvalifikovaně odpovědět na otázku naznačenou v nadpise tohoto článku? V prvé řadě je třeba uvést, že se jedná o nesmírně komplikovaný okruh problémů, na který hledá odpověď lesnický výzkum déle než 100 let.

Stručný pohled do historie vodohospodářského lesnického výzkumu

            Prvá systematická měření některých položek vodního režimu lesních porostů uskutečnil již v roce 1863 v německém Tharandtu Krutsch (Delfs 1955).

            Světově proslulá a dodnes citovaná je ale zejména klasická studie Englera (1919), v níž je srovnáván vodní režim a průběh odtoku v bezlesém a plně lesnatém malém povodí ve Švýcarsku. Obdobná srovnávací šetření byla postupně zakládána v dalších lesnicky vyspělých evropských zemích. Výjimkou nebylo ani Československo, kde byly již od roku 1928 studovány vodohospodářské otázky v lesnatém povodí Kychové a v bezlesém povodí Zděchovky na Valašsku (Válek 1958, 1977).

            Po 2. světové válce byl z popudu akademiků Mařana a Lhoty soustředěn lesnický vodohospodářský výzkum do oblasti Moravskoslezských Beskyd. Zde jsou v nepřerušené řadě od roku 1953 (!!) dodnes studovány základní vazby otázek „lesa a vody“ ve dvou plně lesnatých dílčích povodích (povodí Malá Ráztoka s původními převážně bukovými porosty, povodí Červík s původním dominantním smrkem). Řadu nesmírně cenných poznatků z těchto stacionárů lze čerpat z řady prací Zeleného (1971, 1974), Jařabáče a Chlebka (1988, 1996).

            Podobně zaměřené výzkumné programy byly založeny i v Německu, Švýcarsku, Rusku i dalších zemích  (Brechtel, Hoyningen-Huene 1978, Benecke, van der Ploeg 1978, Mitscherlich 1971, Schmaltz 1969 a další).

Společný projekt Lesnické a dřevařské fakulty MZLU v Brně a Výzkumné stanice VÚLHM v Opočně

            Výše naznačený okruh základních otázek a vazeb „lesa a vody“ se snaží řešit i jeden z výzkumných programů Lesnické a dřevařské fakulty MZLU v Brně v součinnosti s  Výzkumným ústavem lesního hospodářství a myslivosti - Výzkumnou stanicí v Opočně. Projekt s výstižným názvem „Horské lesní ekosystémy a jejich obhospodařování s cílem tlumení povodní“ je v současné době finančně podporován prestižní Grantovou agenturou České republiky (č. grantu 526/02/0851). Jeho součástí jsou i trvalé výzkumné plochy v katastru obce Deštné v Orlických horách, kde se studuje vodní režim obou hlavních dřevin horských lesů - smrku a buku, a to v běžném hospodářském lese. Přitom, jak již bylo výše uvedeno, je smrk obvykle prezentován laické veřejnosti jako dřevina vodohospodářsky nevhodná, buk naopak jako dřevina s příznivými vodohospodářskými účinky. Měření všech položek vodní bilance těchto lesních porostů probíhá v Deštném v nepřerušené řadě již od roku 1977, takže dnes máme k dispozici 25letou řadu výsledků včetně poznatků z přívalových povodní v červenci 1997, v červenci 1998 i z poslední povodně na přelomu 1. a 2. dekády srpna 2002.

Vodní režim smrku a buku

            Vodní režim lesních ekosystémů je v prvé řadě závislý na nabídce atmosférických srážek, dále na spotřebě vody lesem (tzv. sumární výpar, tj.: intercepce + transpirace + evaporace z půdy) a změnách zásoby vody v půdě. Základní rovnicí vodní bilance tak lze např. znázornit v této podobě:

            O = S - ITE ± DVp

kde:

O = odtok, S = srážky volné plochy, ITE = sumární výpar (I = intercepce; T = transpirace; E = evaporace z půdy), DVp  = změna zásoby vody v půdě

            Zjednodušeně lze tedy konstatovat, že z lesa odteče takové množství vody, které není spotřebováno na jeho fyzikální výpar (intercepce, evaporace z půdy¨), fyziologické potřeby (transpirace) a na doplnění zásob půdní vody.

            Spotřeba vody lesními porosty - sumární výpar je pochopitelně mj. závislý na biomase lesních ekosystémů, zejména pak na množství asimilačních orgánů. A to je vždy výrazně vyšší u jehličnatých smrkových porostů (ve fázi tyčovin a kmenovin v průměru 15 až 20 tun sušiny jehličí na hektar) než u porostů bukových (v průměru 2 až 4 tuny sušiny listů na hektar, navíc jen v průběhu 5 až 7 měsíců vegetačního období).

            Podívejme se nejdříve na zjednodušený průběh vodní bilance obou srovnávaných typů porostů.

Při každé srážce je jejich část zadržena v korunách stromů, odkud se později vypaří (intercepce). Vzhledem k výše uvedeným údajům zadrží koruny smrků pochopitelně podstatně více srážek než koruny buků, což bylo potvrzeno bez výjimky při všech experimentálních šetřeních (Delfs 1955, Mitscherlich 1971, Schmaltz 1969, Válek 1958, Zelený 1974 a mnozí jiní). Konkrétně v Orlických horách činila intercepce ve smrkovém porostu v ročním průměru 210 mm (16 % srážek), v bukovém porostu jen 85 mm (7 % srážek).

            Zbývající část srážek propadne korunami k půdě, popř. steče po kmenech stromů. Jako zajímavost lze uvést, že po jednom kmeni dospělého buku soustředěně steče při srážce o síle 50 mm až 1.500 litrů vody (!), naopak u smrku je stok po kmeni výrazně nižší (při téže srážce jen 30 až 50 litrů).

            Po dopadu na lesní půdu se do ní srážková voda v rozhodující míře vsakuje. Kromě sycení půdních pórů a následného prosakování se infiltrovaná voda dostává také systémem vodních cest (kanálků vytvářených v lesní půdě kořeny dřevin, živočichy ap.) k horninovému podloží, po němž stéká, a přitom se v jeho prohlubních i nadržuje. Je-li horninové podloží nepropustné, přechází infiltrovaná voda do podpovrchového odtoku půdou. Je-li horninové podloží puklinové, prostupuje dále do podzemních vod a podílí se na odtoku podzemním.

 A právě zde je podstatný rozdíl vodohospodářské účinnosti lesů ve srovnání se zemědělskými půdami, jejichž vsakovací schopnost bývá zpravidla výrazně nižší. I při přívalových deštích, které vyvolaly povodně v létě 1997, 1998 i v srpnu tohoto roku byl odtok po povrchu půdy ve smrku i buku nepodstatný (Šach, Kantor, Černohous 2000). Opakovaně je třeba připomenout, že se v daném případě jedná o běžně obhospodařované lesní porosty. Zvýšený povrchový odtok (i když zpravidla ne nebezpečný) bývá obvykle zaznamenán jen při jarním tání sněhu v nesmíšeném bukovém porostu, kde ulehlá vrstva listí má menší vsakovací schopnost než smrková hrabanka. Navíc intenzita tání sněhu bývá v bezlistých bukových  porostech zejména za slunečného počasí až o 30 % vyšší než v zapojených smrkových porostech.

            Při běžném režimu srážek je voda v půdě čerpána kořeny stromů pro zajištění jejich fyziologických procesů (transpirace). Intenzita transpirace je u listnatých porostů obvykle 2 až 5krát vyšší než u porostů jehličnatých. S ohledem na výrazně větší hodnoty biomasy jehličí smrkových porostů oproti biomase listů v bukových porostech se ale zpravidla rozdíly mezi transpirací jehličnanů a listnáčů neliší. Tento velice významný poznatek byl potvrzen zejména německými výzkumy již před 30 až 40 lety (Ladefoged 1963, Mitscherlich 1971, Schmaltz 1969). Podobně dospělé lesní porosty smrku i buku v Orlických horách spotřebovaly na tuto formu výparu prakticky shodné množství srážek, a to průměrně 180 až 200 mm ročně.

            Konečně určitá část půdní vláhy (evaporace) se přímo vypaří z povrchu půdy - v našem případě se jednalo v obou typech porostů řádově o 80 mm za rok.

            Z dosud uvedeného je tedy zřejmé, že lesní ekosystémy jsou značným spotřebitelem srážkové vody. Přitom nejen poznatky z Orlických hor, ale i všechny dostupné zveřejněné prameny zcela jednoznačně potvrdily podstatně větší spotřebu vody smrkových porostů v přímém srovnání s porosty bukovými - viz tab. 1.

Z pohledu tlumení velkých vod a povodní má dále zcela mimořádné postavení maximální vodní kapacita lesních půd. Je to největší množství vody, které je schopna půda zadržet. V našem konkrétním případě v Orlických horách (lehká písčitohlinitá až hlinitopísčitá kambizem s průměrnou 50% příměsí skeletu) činila její hodnota při hloubce půdy 70 cm řádově 270 mm. Přitom v průběhu letních měsíců se pohyboval skutečný obsah vody v půdě obou porostů mezi 170 mm až 190 mm a ani v bezsrážkových periodách neklesl pod 150 mm. V daném případě tak byla lesní půda horských smrkových a bukových porostů schopna běžně zadržet a akumulovat 40 až 60 mm srážkové vody, maximálně pak 100 mm. V momentě dosažení plné vodní kapacity lze půdu přirovnat k houbě plně nasycené vodou, která není již schopna zadržet ani milimetr dalších srážek.

Tabulka 1: Vodní bilance dospělých smrkových a bukových porostů

Závěrečné hodnocení

Na základě dlouhých časových řad experimentálních pozorování nejen v Orlických horách, ale i v Beskydech a analýzou řady zahraničních studií lze s vysokou mírou pravděpodobnosti považovat za prokázané následující základní poznatky, které byly publikovány v již zmíněném článku v Mladé frontě DNES:

1. Povrchový odtok a následná půdní eroze jsou v lesních porostech zcela zanedbatelné.  Toto konstatování platí nejen pro přirozené lesy, ale i pro lesy hospodářské. Dokonce i na holých sečích nejsou erozní procesy (s výjimkou balvanitých lokalit) důsledkem pouhého vykácení stromů, ale jsou vždy projevem špatně organizovaného nasazení a pohybu těžkých mechanizačních prostředků a dalších činností člověka. Absence povrchového odtoku v lese (který zde kromě vysoké vsakovací schopnosti půdního tělesa eliminuje i soustava vodních cest vytvářených v lesní  půdě kořeny stromů, živočichy aj.), oproti jeho častému výskytu na zemědělsky obhospodařovaných pozemcích, je tak prvým a velmi významným předpokladem tlumení povodní v krajině.

Jako učebnicový příklad lze uvést lokální povodeň ze dne 15.7.2002 v povodí toku Hodonínky (okr. Blansko). V prakticky bezlesých částech katastrů obcí Crhov a Olešnice spadlo v průběhu dvou hodin 100 až 170 mm srážek, které bezprostředně stekly v rozhodující míře po povrchu zemědělských pozemků do toků a způsobily mnohamilionové škody na majetku a bohužel i ztráty dvou lidských životů.

2. Z pohledu ekologické stability i trvalosti a bezpečnosti produkce je jednou z nezpochybnitelných priorit lesního hospodářství přeměna smrkových monokultur na smíšené porosty. Výsledky výzkumu ale zcela jednoznačně prokázaly, a to je třeba objektivně konstatovat, že zvýšený podíl listnáčů nesníží nebezpečí velkých vod a povodní. Listnaté dřeviny jsou totiž vzhledem k bezlistému stavu v mimovegetačních obdobích i menší biomase asimilačních orgánů schopny zadržet a odčerpat méně srážkové vody než dřeviny jehličnaté (zejména smrk).

3. Středohorské a horské lesy (na rozdíl od všech nelesních ekosystémů) tlumí velmi snadno přívalové srážky o síle do 50 mm. Souvislé srážky o velikosti do 100 mm se již projeví na celkové výši odtoku vody z lesa, ale z pohledu vodohospodářské účinnosti jsou ještě přijatelné. Za kritickou mez pro účinné tlumení povodní lesem lze považovat hranici 150 až 200 mm souvislých srážek. Při tomto úhrnu je již lesní půda vždy zcela nasycena vodou včetně zaplnění prohlubní jak v půdním povrchu, tak v horninovém podloží. Poté  nastává neřízený a spontánní odtok vody celým půdním profilem, vystupující často i na povrch půdy, a to bez ohledu na druhovou skladbu nebo sebejemnější způsoby obhospodařování. Jinými slovy řečeno i těleso lesní půdy má podobně, jako technická zařízení - přehradní nádrže, své kapacitní možnosti, které nelze, byť bychom si to sebevíce přáli, překročit.

Literatura

Ambros, Z.: Vodná bilancia lesných porastov Karpát. Lesnícky časopis 24, 1978, č. 3, s. 203-221.

Benecke, P., van der Ploeg, R.R.: Wald und Wasser II. Quantifizierung desWasserumsatzes am Beispiel eines Buchen- und eines Fichtenaltbestandes im Solling. Forstarchiv, 49, 1978, č. 2, s. 26-32.

Brechtel, H.M., Hoyningen-Huene, J.: Einfluß der Verdunstung verschiedener Vegetationsdecken auf den Gebietswasserhaushalt. Gewässerpflege - Bodennutzung - Landschaftsschutz. Vorträge und Diskussionen der KWK  Fachtagung Oktober 1978 in Bad Dürkheim, 1978, s. 172-231.

Delfs, J.: Die Niederschlagszurückhaltung im Walde. Mitteilungen des Arbeitskreises, Wald und Wasser, 1995, No. 2, Koblenz. 54 s.

Engler, A.: Untersuchungen über den Einfluß des Waldes auf den Stand der Gewässer. Mitt. d. Schw. Centralanst. f. d. Forstl. Versuchsw., Bd. XII, Zurüch, 1919.

Jařabáč, M., Chlebek, A.: The effect of forests on the hydrological budget. Mitt. Forstl. Bundesversuchsanst. Wien, No 159, 1988,  s. 239-251.

Jařabáč, M., Chlebek, A.: Vodní účinky lesů a ekologické vztahy. Zprávy lesn. výzkumu, 41, 1996, č. 2, s. 1-4.

Kantor, P.: Vodohospodářská funkce horských smrkových a bukových porostů. Lesnictví, 30, 1984, č. 6, s. 471-490.

Ladefoged, K.: Transpiration of forest trees in closed stands. Physiol. Plantarum, 16, 1963, č. 2, s. 993-1010.

Mitscherlich, G.: Wald, Wachstum und Umwelt. Bd. 2. Waldklima und Wasserhaushalt. Frankfurt a. M.., J.D. Sauerländers Verlag 1971. 365 s.

Schmaltz, J.: Die Bedeutung des Waldes für den Wasserkreislauf. Forstarchiv, 40, 1969, č. 7/8, s. 132-147.

Šach, F.,  Kantor, P.,  Černohous, V.: Lesné ekosystémy, ich obhospodarovanie človekom a povodne v Orlických horách v lete roku 1997. Ekológia (Bratislava), 19, 2000, č. 1, s. 72 -91.

Válek, Z.: Výzkum hydrologického působení smrku a buku v pramenných oblastech. Vodohosp. čas., 6, 1958, č. 2, s. 97-115.

Válek, Z.: Lesní dřeviny jako vodohospodářský a protierozní činitel. Praha, Státní zemědělské nakladatelství 1977. 203 s.

Zelený, V.: Vliv pěstebních a těžebních zásahů v lese na odtok vody. /Závěrečná zpráva/. VÚM Zbraslav 1971. 75 s.

Zelený, V.: Vliv obnovy a přeměn lesních porostů na vodní režim malých horských povodí ve středohorské flyšové oblasti. /Závěrečná zpráva/. VÚM Zbraslav 1974. 60 s.

Referát byl vypracován v rámci Výzkumného projektu finančně podporovaného GA ČR (č. 526/02/0851) a Výzkumného záměru LDF MZLU v Brně (č. MSM 434100005).

Adresa autorů:

Prof. Ing. Petr Kantor, CSc.

Ústav zakládání a pěstění lesů, LDF, MZLU v Brně

Zemědělská 3, 613 00 Brno, e-mail: kantor@mendelu.cz

Ing. František Šach, CSc.

VÚLHM - Výzkumná stanice Opočno

517 73 Opočno, e-mail: sach@vulhmop.cz