Aktivní vrstva permafrostu a její interakce s okolím

26. 11. 2015 -

Aktivní vrstva permafrostu a její interakce s okolím

The active layer of permafrost and its interaction with the environment

Juřička D. ¹, Jánošíková L. ¹, Kynický J. ¹

¹ Ústav geologie a pedologie, LDF, Mendelova univerzita v Brně, Zemědělská 3, 613 00 Brno

Abstrakt

Vývoj a cyklus permafrostu je funkčně propojen s faktory vnějšího prostředí, nejvýznamnější jsou klima a  vegetační pokryv. Různé typy rostlinných společenstev působí na stabilitu permafrostu odlišně. Především lesní stromová vegetace do značné míry izoluje permafrost od působení sluneční radiace, erozního účinku vody a větru, udržuje specifické mikroklima a půdní podmínky a obohacuje půdu o organickou hmotu čímž zvyšuje i její retenční schopnost. Poškození nebo odstranění lesa může mít za následek vystavení povrchu půdy nadměrnému působení klimatických a dalších erozních činitelů.  V takových případech dochází k narušení hydrologického a tepelného režimu půd a následně může dojít až k trvalé změně půdních podmínek. Degradující les působí negativně na vývoj permafrostu a jeho aktivní vrstvy, která degraduje úměrně míře poškození lesa. Celá situace se dostává do pomyslné spirály a může vést k devastujícím, nezvratným a trvalým změnám přidružených ekosystémů i samotného permafrostu.

Klíčová slova: permafrost, degradace, aktivní vrstva permafrostu

Abstract

Development and cycle of permafrost is functionally linked to environmental factors, the most significant are climate and vegetation cover.  Different types of plant communities on the stability of permafrost acts differently. Especially forest tree vegetation largely insulates permafrost from solar radiation exposure, the effects of water erosion and wind, keeps specific microclimate and soil conditions and enriches the soil with organic matter which increases its retention capacity. Damage or removal of wood can result in exposure of the soil surface to climatic factors and erosion. In such cases, there is a disruption of hydrological and thermal regime of soils and consequently can lead to permanent change of soil conditions. Forest degradation has a negative effect on the development of the active layer of permafrost, which degrades in proportion to the extent of forest damage. The whole situation is getting into imaginary spiral and can lead to devastating, irreversible and permanent changes associated ecosystems and permafrost itself.

Key word: permafrost, degradation, active layer of permafrost

Úvod

Permafrostem nazýváme permanentně zmrzlou půdu nejméně dva po sobě jdoucí roky (Anisimov a Nelson, 1996). Permafrost můžeme rozdělit na nížinný a horský. Nížinný permafrost se dále dělí podle geografické celistvosti na souvislý (zaujímá 90-100% z rozlohy krajiny), nesouvislí (50-90%) a sporadický (0-50%). Výskyt permafrostu je podmíněn dlouhodobě chladným klimatem. Průměrná roční teplota vzduchu permafrostových oblastí nepřesahuje -1°C (Dobinski, 2011). Permafrost je rozšířen téměř výhradně na severní polokouli kde zaujímá přes 25% její rozlohy, přibližně 23 mil. km². Stát s významným rozšířením permafrostu jsou Rusko, Kanada, USA (Aljaška), Grónsko, Čína (Tibetská náhorní plošina) Mongolsko a Norsko.  Hloubka trvalého promrznutí půdy se může pohybovat v rozmezí 1-1500 m. Většina dnes existujícího permafrostu vznikla v dobách holocénu přibližně před 10000 lety. Část výskytu relativně mělkého permafrostu (30-70 cm) pochází z druhého úseky holocénu (cca. před 6000 lety) a část je pozůstatkem malé doby ledové (cca. před 400-150 lety) (IPA, 2013).

            Permafrost vykazuje jistou dynamiku, mění svůj objem, teplotu a chemické složení v závislosti na intenzitě působení vnějších faktorů. Projevem této dynamiky je aktivní vrstva permafrostu (AVP). AVP je přechodně rozmrzající přípovrchová vrstva půdy navazující na permafrost. Každoročně, v pravidelných cyklech, vzniká na různě dlouhou dobu (2-3 měsíce) v letním období, jako důsledek rozmrzání svrchních vrstev permafrostu.

  Obr. 1. Oblasti výskytu permafrostu  (IPA, 2013)

Faktory působící na stav permafrostu

Základním principem fungování permafrostu je jeho trvalá interakce s vnějším okolím a schopnost dotčených krajinných sfér redistribuovat mezi sebou sluneční energie (Genxu et al, 2012). Vlivy působící na stav permafrostu proto nelze striktně posuzovat jako samostatně působící činitele. Mezi jednotlivými faktory existuje silná provázanost a změna intenzity působení jednoho ovlivní určitou měrou i účinky dalších. Faktory utvářející permafrost, tj. vnější a vnitřní vlivy, lze kvantifikovat také jako vzájemnou interakci dílčích krajinných sfér: atmosféry, biosféry, pedosféry a hydrosféry. Úlohy krajinných sfér v ekosystému permafrostových oblastí se liší mezi s sebou i podle oblasti. Přírodní podmínky prostředí, vlastní a typické pro danou lokalitu, jsou rozhodující pro vyhodnocení významnosti faktorů prostředí na něj působících. Např. rozdílné účinky na permafrost bude mít sněhová pokrývka (tj. vliv atmosférických jevů) v lokalitě s pokryvem jehličnatého lesa než na travnaté stepy. Vzhledem k tomuto faktu, se budeme dále zabývat pouze lesním ekosystém.  

Atmosféra, jako krajinná sféra, zastupuje veškeré klimatické faktory. V souvislosti s degradací permafrostu se jedná zejména o působení sluneční radiace, erozního účinku větru a atmosférických srážek (sníh, déšť). Biosféru reprezentují dvě hlavní, funkčně nejdůležitější, složky a to vegetační pokryv a mikroedafon (zejména půdní dekompozitoři). Pedosféra je důležitá jako matrice pro tvorbu permafrostu, růst lesa a slouží jako konečný recipient příjmu sluneční energie. Hydrosféra, resp. voda, slouží jako médium přenosu energie (tepelné, kinetické) mezi všemi krajinnými sférami (Genxu et al., 2012^{a, b}, Genxu et al., 2009).

Interakce vegetačního pokryvu a permafrostu

Struktura vegetačního pokryvu je pro fungování permafrostu naprosto zásadní. Rozložení, druh a struktura fytocenózy je výsledkem působení klimatu a půdních podmínek na jednotlivých stanovištích. Lze polemizovat, zda-li při průběhu sukcese ovlivňoval více permafrost strukturu vegetace nebo jestli vegetace více působila na podobu permafrostu a do jaké míry se zde uplatňoval vliv klimatu. Dosažení klimaxu, rovnovážného stavu ekosystému, na tak extrémních stanovištích jako je Sibiř nebo Mongolské hory není možné. Vliv extrémních klimatických a půdních podmínek podmiňuje vznik tzv. paraklimaxu, který je závislí právě na takto tvrdých přírodních podmínkách. V duchu paraklimaxu vznikly stanoviště se vzájemně provázanými vazbami permafrostu a vegetace. Může se jednat o lokality s přirozenými lesy (smrk sibiřský (Picea obovata Ledeb).– Sibiř, modřín opadavý (Larix decidua) – Mongolsko), nebo přirozené travnaté alpské louky, asijské stepy, nebo o ekosystémy spíše bažinatého charakteru. Ve všech případech se jedná o ekosystémy velmi citlivé na narušování (Tutubalina a Rees, 2001). Poškození jedné složky vede mnohdy i k nevratným škodám na složce druhé.

            Rostlinný pokryv vykonává vzhledem k ustálenému cyklu permafrostu několik základních, do jisté míry provázaných funkcí. Vegetace izoluje povrch permafrostu od přímého slunečního záření. Rostliny a stromy v tomto případě fungují jako prostředníci v redistribuci sluneční energie mezi půdou a atmosférou. S rostoucím množství fytomasy klesá v půdě kvantum a intenzita tepelných toků. Množství latentního tepla, tj. energie potřebné ke změně fáze látky, ve vegetačním období lučních porostů je vyšší u těch s vysokou pokryvností (nad 90%) než u těch s nízkou pokryvností (okolo 30%). Latentní toky tepla jsou několikanásobně vyšší v oblastech v oblastech zavodněných, než ve vysušeném půdním profilu (Genxu et al., 2012^a).  Rostlinný pokryv zadržuje vodu v půdě a přispívá tak k vyrovnané vodní bilanci stanoviště. Zbytky rostlinného materiálu přecházejí rozkladem do slabě vyvinutých forem humusu a zvyšují retenční schopnost půdy. Permafrost lesních ekosystémů a vyvinutých travnatých porostů s pokryvností nad 90% je díky obecně lepší schopností husté vegetace udržet si půdní vodu odolnější proti degradaci.  Jak uvádí Genxu et. al. 2012^a, dostupná půdní voda v přípovrchovém horizontu půdy zamrzá a vytváří tak ochranou vrstvu, která má dvě základní funkce. Za prvé, po rozmrznutí v květnu a červnu následujícího roku poskytuje zdroj vody pro růst a reprodukci rostlin, kdy jsou minimální srážky a vysoká evapotranspirace. Za druhé, led při své přeměně na vodu pohlcuje velké množství tepla, které by jinak mohlo přecházet do hlubších půdních vrstev až k samotnému kompaktnímu permafrostu. Dalším důležitým faktorem vztahu vegetace a permafrostu je jak popisuje Kokelj et. al. 2010, vliv porostu na výšku a délku trvání sněhové pokrývky. Čím je větší a hustší vegetační pokryv (stromy, keře, stepy a louky s vysokou pokryvností), tím déle a ve větším množství se na povrchu půdy drží sněhová pokrývka. S rostoucí sněhovou pokrývkou se snižuje schopnost promrzání půdy a průběh teploty půdy je plynulejší. Izolační schopnost sněhu podmiňuje pozdější rozmrzání půdy oproti méně zasněženým lokalitám. Nejenom samotný sníh zachytávaný vegetací ale i samotné rostlinstvo do jisté míry izoluje povrch půdy od nízkých teplot vzduchu. Půdy s nižší hustotou fytocenózy promrzají dříve a do větší hloubky než půdy s vyšší pokryvností a hustotou travního porostu (Genxu et al., 2012^b). 

Graf 1. Teploty půdy v závislosti na mocnosti sněhové pokrývky. Půdní teplotní model, pro chladnější scénář, se sněhovou pokrývkou od 0,17 m do 1,49 m během sumy let 1 (◊), 10 (♦), 20 (▲), 30 (+). Symboly jsou pro přehlednost uvedeny v 6 denních intervalech (Kokelj et al., 2010)

Vyznaným funkcí vegetace je ochrana permafrostu, resp. půdy proti eroznímu účinku vody a větru. Půda vystavená působení erozním účinků vody, tzn. zejména zvýšenému povrchovému odtoku přichází o úrodnou, a co do retenční schopnosti významnou, svrchní humusovou vrstvu půdy. Dochází i k vyplavování živin potřebných pro správný rostlinný růst. Podobná situace nastává i v případě větrné eroze, kdy je odnášena úrodná humusová vrstva půdy.

Degradace permafrostu a její vliv na fyzikální vlastnosti AVP

Důsledky degradace permafrostu na aktivní vrstvu permafrostu krajinný ekosystém jsou rozdílné podle typu krajiny, struktury vegetačního krytu a charakteru permafrostu. Nejčastější a velmi vážnou příčinou degradace permafrostu je poškození vegetačního pokryvu. Negativní zásahy do fytocenózy jsou příčinou dalších změn pedologických a hydrologických parametrů stanoviště, které se navzájem ovlivňují a zesilují. Příčinou narušení až úplné destrukce vegetace na permafrostu je například odlesňování (Sibiř, Mongolsko, Kanada), lesní pastva a pastva na stepích (Mongolsko) nebo znečištění ovzduší (Sibiř, Mongolsko) (Tutubalina a Rees, 2001).

            Změny v ustálených cyklických parametrech aktivní vrstvy permafrostu jsou prvotním pedologicko-hydrologických indikátorem degradovaného permafrostu. Často, po narušení vegetačního krytu, dochází k prohlubování AVP. V letním období dochází k výraznějšímu tání do hloubky a v zimě rovněž půda více promrzá (Genxu, et al., 2009).  Prohlubování AVP dále způsobuje pokles půdní vlhkosti ve svrchní vrstvách půdy. V letních měsících tak může nastat situace, kdy pro rostliny nebude dostatek využitelné vody. Vysušená půda je rovněž náchylnější k větrné a vodní erozi. Poklesu půdní vody může předcházet dočasné přemokření stanovišť a to v případě výskytu permafrostu mělce pod povrchem. Postupným táním však s prohlubující se AVP klesá samotné těleso permafrostu.

Závěr

Současný světový výzkum prokázal silnou interakci mezi aktivní vrstvou permafrostu a vegetačním pokryvem. Vegetační pokryv je primárním recipientem slunečního záření, v závislosti na přírodních podmínkách a druhu fytocenózy absorbuje značnou část sluneční radiace. Důležitou součástí cyklu letní a zimní periody permafrostu je také půdní vlhkost. I zde se projevuje provázanost jednotlivých faktorů mezi sebou. Voda v půdě funguje jako distributor sluneční energie v půdním horizontu, je energetickou podstatou a tvoří samotné kompaktní těleso permafrostu. Vegetační pokryv permafrostových oblastí je velmi citlivý na antropogenní zásahy a globální změnu klimatu. Podle tipu stanoviště dochází při narušení vegetačního krytu k různým změnám půdních podmínek, které často vedou k degradaci permafrostu. Jedná se zejména o změnu vláhových poměrů v půdě, expozici povrchu půdy intenzivnějšímu slunečnímu záření a následné prohlubování AVP. Zejména nové vláhové poměry na stanovišti vyvolávají reakci u fytocenózy, která po své transformaci opět prohlubuje degradaci permafrostu a celý proces se dostává do pomyslné spirály vzájemné interakce. Pokud se jedná o ekosystémy boreální tajgy nebo trávníků ve vyšších nadmořských výškách předpokládá se úbytek vláhy a transformace na vláhově více nenáročný ekosystém (stepní ekosystémy). V případě mokřadů se předpokládá zvýšení vlhkosti a růst hladiny podzemní vody.

Literatura

All about frozen ground. http://nsidc.org/cryosphere/frozenground/whereis_fg.html. [cit. 13.3.2012] Map by Philippe Rekacewicz, UNEP/GRID-Arendal; data from International Permafrost Association (IPA), 1998

 Anisimov O. A., Nelson F. E. Permafrost distribution in the Northern Hemisphere under scenarios of climatic change. Elsevier, Global and Planetary Change 14, 1996, 59-72.
PII S0921-8181(96)00002-1

 Bonnaventure P. P., Lewkowicz A. G. Permafrost probability modeling above and below treeline, Yukon, Canada. Elsevier, Cold Regions Science and Technology 79-80, 2012, 
92–106. doi:10.1016/j.coldregions.2012.03.004

 Dobinski W. Permafrost. Elsevier, Earth-Science Reviews 108, 2011, 158–169. doi:10.1016/j.earscirev.2011.06.007

 ^aGenxu W., Guangsheng L., Chunjie L. Effects of changes in alpine grassland vegetation cover  on hillslope hydrological processes in a permafrost watershed. Journal of Hydrology 444–445, 2012, 22–33. http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2012.03.033

 ^bGenxu W., Guangsheng L., Chunjie L., Yan Y. The variability of soil thermal and hydrological dynamics with vegetation cover in a permafrost region. Elsevier, Agricultural and Forest Meteorology 162–163, 2012,  44– 57. http://dx.doi.org/10.1016/j.agrformet.2012.04.006

 Genxu W., Shengnan L., Hongchang H., Yuanshou L. Water regime shifts in the active soil layer of the Qinghai–Tibet Plateau permafrost region, under different levels of vegetation. Elsevier, Geoderma 149, 2009, 280–289. doi:10.1016/j.geoderma.2008.12.008

 Guglielmin M., Ellis Evans C. J., Cannone N. Active layer thermal regime under different vegetation conditions in permafrost areas. A case study at Signy Island (Maritime Antarctica). Elsevier, Geoderma 144, 2008, 73–85. doi:10.1016/j.geoderma.2007.10.010

 The International Permafrost Association (2013). What is pemafrost? [cit. 2013-02-03]. Dostupné na: http://ipa.arcticportal.org/resources/what-is-permafrost

Kokelj S.V., Riseborough D., Coutts R., Kanigan J.C.N. Permafrost and terrain conditions at northern drilling-mud sumps: Impacts of vegetation and climate change and the management implications. Elsevier, Cold Regions Science and Technology 64, 2010, 46–56. doi:10.1016/j.coldregions.2010.04.009

 Runyan Ch. W., D’Odorico P. Ecohydrological feedbacks between permafrost and vegetation dynamics. Elsevier, Advances in Water Resources 49, 2012, 1–12. http://dx.doi.org/10.1016/j.advwatres.2012.07.016

 Smith S. L., Riseborough D. W. Modelling the thermal response of permafrost terrain to right-of-way disturbance and climate warming. Elsevier, Cold Regions Science and Technology 60, 2010,  92–103. doi:10.1016/j.coldregions.2009.08.009

 Tutubalina O.V., Rees W.G. Vegetation degradation in a permafrost region as seen from space: Noril’sk  (1961–1999). Cold Regions Science and Technology 32, 2001, 191–203. PII: S0165-232XŽ01.00049-0