Biogeochemie krajiny

Česká geologická služba (ČGS) se věnuje biogeochemickému výzkumu krajiny, který se zaměřuje na ekologické problémy. Dochází k nim jak působením přirozené geochemické a biochemické interakce mezi horninami zemské kůry, půdou, podzemní i povrchovou vodou a atmosférou, tak v důsledku změn, které v životním prostředí způsobuje činnost člověka (zvyšování teploty ovzduší, snižování dostupnosti vody, častější období extrémního sucha nebo extrémní přívaly vod způsobené vysokými a nerovnoměrnými srážkami). K tomu se připojuje znečišťování podzemních a povrchových vod a půd hnojivy, těžkými kovy a toxickými organickými látkami, které jsou ve zvýšených koncentracích nebezpečné jak pro přírodu, tak i pro člověka.

Biogeochemie krajiny v době klimatické změny

Základem výzkumu aktuálních ekologických problémů je dlouhodobé pozorování bilance biogenních prvků v malých lesních povodích o rozměrech desítek až stovek hektarů. Dlouhodobé kontinuální monitorování této látkové bilance umožňuje stanovit vliv atmosférické depozice síry a zejména dusíku na kvalitu půdy a na eutrofizaci a okyselení povrchových vod a studovat kombinaci parametrů klimatické změny a změn v biogeochemických proměnných. Jedná se zejména o změny atmosférické depozice, hydrologické bilance a následná kataklyzmata, jakými byly v uplynulých letech kůrovcová gradace a lesní požáry. Tyto náhlé změny na mnoha místech mění charakter krajiny, zejména citlivých ekosystémů, jako jsou rašeliniště, horské lesy a přirozená bezlesí.

Změny oběhu uhlíku a dalších prvků v ekosystémech vlivem environmentálních změn

Předmětem výzkumu je transport, akumulace a degradace antropogenních škodlivin v lesních ekosystémech a mokřadech. Výsledky umožňují analyzovat vývoj lesa ponechaného bez zásahů jako indikátoru vlivu globálních změn na funkci ekosystému. Prediktivní biogeochemické modely umožňují sledovat udržitelnost vývoje krajiny. Výzkum zahrnuje vzájemné ovlivňování mikrobiálních a jiných biologických a geochemických procesů v půdách. Provázanost jednotlivých biogeochemických procesů je zkoumána pomocí terénních a laboratorních experimentů. Je kvantifikován vliv sucha na toky environmentálně významných prvků (zejména dusíku, uhlíku, fosforu, vápníku a hořčíku) v lesních ekosystémech. Poměr zastoupení stabilních izotopů biogenních prvků slouží k ověření velikosti toků skleníkových plynů na rozhraní biosféry, pedosféry a hydrosféry. Výzkum se zaměřuje na zdroje a propady rozpuštěného organického uhlíku, dusíku či bazických kationtů. Dendrochronologie hlavních dřevin střední Evropy v kombinaci s biogeochemickými analýzami a daty z malých povodí je využita k rekonstrukci a predikci vývoje základních trendů vitality dřevin, jako jsou dýchání, transport vody, využití živin a tím pádem i odolnost vůči očekávané klimatické změně.

Na výzkumných plochách a v lesních povodích studujeme cyklus živin pomocí izotopů hořčíku, vápníku, dusíku a síry. Předmětem výzkumu jsou také faktory ovlivňující dostupnost fosforu pro vegetaci a vodní ekosystémy. Biogeochemické experimenty na výzkumných plochách objasňují příčiny časových a prostorových změn v industriálním znečištění. Holistické studie propojují metody dálkového průzkumu Země s ekologií vybraných rostlinných společenstev. Další výzkum se zaměří na mikrobiální metanogenezi prostorově vázanou na stará důlní díla a nedokonale zlikvidované průzkumné vrty a na mikrobiologickou podmíněnost biogeochemických procesů v půdě.

Modelování biogeochemických procesů v krajině

Vývoj hydrologicko-biogeochemické modelovací platformy umožňuje modelovat změny v uhlíkovém a dusíkovém cyklu půda – voda – vegetace podmíněné klimatickou změnou. Model je jak časový, tak plošný. Novost této platformy spočívá ve zřetězení dosud separátně používaných modelů hydrologických, biogeochemických a modelů růstu lesa a vývoje biodiverzity. Modelování zahrnuje cyklus uhlíku, dusíku, bazických kationtů a hliníku. Model je testován na dlouhodobých řadách sítě malých povodí GEOMON a také na norských a švédských dlouhodobě sledovaných povodích. Využity jsou hydrochemické, biogeochemické a hydrologické modely. Ty jsou součástí publikací pracovníků ČGS: MAGIC, SAFE, PnETBGC/CHESS, SAST, SUNFLOW, pBDM, Brook90, PIHM, SWAT a SAC-SMA. Výsledkem této části výzkumu je dlouhodobá predikce vývoje hydrologie, chemismu půd a vod v lesních povodích a mokřadech.

Stabilní izotopy jako diagnostický nástroj v biogeochemii

Údaje o zastoupení stabilních izotopů lze využít k určení zdrojů živin a toxických prvků v ekosystémech. Stabilní izotopy kovů slouží jako diagnostické indikátory a značkovače zdrojů znečištění. Využíváme stabilní izotopy chromu, kadmia, olova, zinku, mědi a stroncia. Tato data slouží k identifikaci procesů v jednotlivých složkách životního prostředí. Četnost stabilních izotopů indikuje zdroje chemických prvků a sloučenin v případě, že se tyto zdroje liší svým izotopovým složením a nedochází k izotopovým frakcionacím. Taková izotopová data se používají k nalezení dosud neznámých zdrojů a propadů skleníkových plynů. Pomocí izotopových dat zkoumáme transformace reaktivních forem dusíku a uhlíku. Studium stabilních izotopů se zaměřuje na: biogeochemické cykly lehkých prvků (H, C, N, O, S), středně těžkých a těžkých prvků (Pb, Sr) a užití izotopových systémů Zn, Cu, Cd a Cr jako přirozených značkovačů v prostředí. Začíná se s měřením izotopů hořčíku v lesních ekosystémech. Tento výzkumný program zahrne vývoj dalších aplikací stabilních izotopů v oborech biogeochemie, forenzní vědy, archeologie, při testování biotechnologií a studiu přírodních zdrojů energie.