Oddělení toků látek a energie

 

Naším hlavním cílem je porozumět tomu, jak probíhající klimatická změna a lidská činnost ovlivňují vitalitu ekosystémů a jejich schopnost poutat vzdušný uhlík, ale také emitovat skleníkové plyny, a jak se tyto procesy mohou vyvíjet v budoucnu. Zkoumáme klíčové fyziologické procesy jak na úrovni celých ekosystémů, tak i jejich jednotlivých částí, například půdy či jednotlivých stromů. Mezi tyto procesy patří zejména:

• Poutání CO₂ z atmosféry – fotosyntéza, označovaná také jako čistá primární produkce
• Uvolňování CO₂ do atmosféry – dýchání organismů (respirace)
• Ekosystémová uhlíková bilance – rozdíl mezi čistou primární produkcí a respirací, tedy kolik uhlíku se v ekosystému ukládá
• Transpirace – výdej vody rostlinami
• Přirozené toky dalších skleníkových plynů, jako jsou metan (CH₄) nebo oxid dusný (N₂O)

Pracovní skupiny

Toky CO₂, CH₄, vodních par a energie na úrovni ekosystému

Tento výzkum probíhá v rámci unikátní sítě ekosystémových stanic CzeCOS, která pokrývá základní typy ekosystémů vyskytujících se na území ČR – lesní, luční, zemědělské i mokřadní. Některé z těchto stanic jsou zároveň součástí prestižní evropské výzkumné infrastruktury ICOS (Integrated Carbon Observation System – Jednotný systém sledování uhlíku), která získala status ERIC (European Research Infrastructure Consortium – Evropské konsorcium pro výzkumnou infrastrukturu). Od roku 2026 v rámci infrastruktury CzeCOS řešíme projekt INETFLUX v programu Česko-švýcarské spolupráce v oblasti výzkumných infrastruktur. Vzhledem ke globálnímu vlivu klimatické změny jsme ve spolupráci s místními univerzitami přistoupili k vybudování ekosystémové stanice ve Vietnamu (agroekosystém – rýžové pole) a v Ghaně (tropický les). Data z našich stanic sdílíme s celou vědeckou komunitou v rámci open access principu přes volně dostupné databáze, např. FLUXNET, DEIMS-SDR.

Ekosystémová stanice je vybavená meteorologickou věží s eddy kovariančním systémem pro měření toků energie a látek nad porostem a řadou meteorologických čidel umístěných podél věže i v půdě. Ty nám umožňují toky interpretovat. Eddy kovarianční systém se skládá z 3D anemometru (měření rychlosti a směru proudění vzduchu) a analyzátoru koncentrace plynů (CO₂, vodní pára, CH₄). Díky této technologii můžeme nepřetržitě, každých 30 minut, sledovat výměnu plynů a energie mezi ekosystémem a atmosférou – tedy jak ekosystémy pohlcují nebo uvolňují CO₂ a CH₄, kolik vody vypařují a kolik energie si vyměňují s okolím.

Řešené otázky

• Kolik CO₂, CH₄ a vody zachytí nebo uvolní různé typy ekosystémů za rok?
• Jak souvisí roční bilance toků se změnami počasí a jeho extrémy v kontextu klimatické změny, především intenzivnějším suchem?
• Jak jsou fyziologické procesy rostlin ovlivněny změnami v načasování vývojových fází rostlin (fenologií) a prodlužováním aktivní sezóny vlivem klimatické změny? Jaký vliv má opoždění rašení či poškození pletiv mrazem na roční bilanci uhlíku ekosystému?
• Jaké jsou možnosti optimálního využití odrazivosti přírodních i umělých povrchů (albeda) a dlouhodobého záchytu CO₂ ekosystémy pro zmírnění klimatické změny?
• Jak se liší ztráty vody a výdej tepla pro ekosystémy za běžných podmínek a během sucha?

Meteorologická věž s řadou meteočidel a eddy-kovariančním systémem

Eddy-kovarianční věž měřící toky CO₂ a vody na výzkumné ploše po vykácení lesa

Eddy-kovarianční systém pro měření toků CO₂, metanu a vody

Eddy-kovarianční systém na ekosystémové stanici Mokré Louky (mokřad) během záplavy 2024

Přírodní emise CO₂ a dalších skleníkových plynů

Oxid uhličitý (CO₂) je přirozenou součástí fungování živých organismů i celých ekosystémů. Vzniká jako vedlejší produkt respirace (dýchání) – základního biochemického procesu, při němž organismy za přítomnosti kyslíku získávají energii nezbytnou pro svůj růst, vývoj a přežití. Tento proces probíhá nepřetržitě u rostlin, živočichů i mikroorganismů.

Velmi významným zdrojem emisí CO₂ je půda, odkud se plyn uvolňuje především v důsledku respirace kořenů rostlin a půdních mikroorganismů, jako jsou bakterie a houby. Neméně důležitou roli však hrají i nadzemní části vegetace (kmeny stromů, větve, stonky a listy), které rovněž aktivně přispívají k celkové bilanci uhlíku v ekosystémech.

Intenzita respirace a s ní spojené emise CO₂ jsou silně závislé na podmínkách prostředí, zejména na teplotě a dostupnosti vody. Změna klimatu tak může zásadním způsobem ovlivnit množství oxidu uhličitého uvolňovaného z půdy a vegetace do atmosféry. Specifické podmínky prostředí (např. zamokření nebo hnojení) mohou vést k produkci a emisím dalších skleníkových plynů (metan, N₂O). Zvýšené emise skleníkových plynů mohou následně vést k dalšímu nárůstu jejich koncentrace v atmosféře a tím i k posilování skleníkového efektu, čímž vzniká zpětná vazba mezi klimatem a fungováním ekosystémů.

Řešené otázky

• Jaký je význam respirace půdy či kmenů stromů na celkové toky CO₂ lesního ekosystému?
• Jak se intenzita respirace mění v závislosti na různých faktorech prostředí, extrémních výkyvech počasí a disturbanci?
• Jak bude změna klimatu ovlivňovat „dýchání“ ekosystémů v budoucnosti?
• Jak různé způsoby hospodaření – například orba, bezorebné systémy nebo využití biouhlu – ovlivňují emise CO₂ a dalších skleníkových plynů ze zemědělské půdy?

Automatické komorové systémy pro měření půdní a kmenové respirace na ekosystémových stanicích

Automatické komorové systémy pro měření toků CO₂ a CH₄ z mokřadního ekosystému

Manuální měření toků CO₂ z půdy

Měření emisí skleníkových plynů ze zemědělsky obhospodařovaných půd

Emise metanu (CH₄) z vodních ploch

Metan je skleníkový plyn, který se na globálním oteplování podílí zhruba dvaceti procenty a relativní nárůst jeho koncentrace v atmosféře je větší než u oxidu uhličitého. Zdroje metanu jsou velmi různorodé a vedle známých antropogenních zdrojů (těžba a zpracování fosilních paliv, zemědělství, odpadové hospodářství) tvoří téměř polovinu emisí metanu vodní ekosystémy. Ve vodním prostředí metan vzniká mikrobiálním rozkladem dostupného organického materiálu v podmínkách bez přístupu kyslíku. Ten se pak difúzí nebo ve formě bublin uvolňuje do atmosféry. Produkce metanu v těchto ekosystémech je proto zcela přirozenou součástí uhlíkového cyklu. I emise z přírodních zdrojů však mohou být nepřímo ovlivňovány působením člověka prostřednictvím rostoucí teploty, množství živin či změnou využívání krajiny.

Řešené otázky

• Kolik CH₄ uvolní do ovzduší jezera, rybníky a vodní toky?
• Jak různé faktory prostředí, jako například teplota, množství rozpuštěného kyslíku či složení sedimentů, ovlivňují emise CH₄ z těchto přírodních zdrojů?
• Jak významná je role metanotrofních bakterií (mikroorganismů oxidujících CH₄) ve snižování emisí metanu z vodních ekosystémů?
• Jakou měrou se podílejí vodní plochy na emisích CH₄ na úrovni celého ekosystému lužního lesa?

Měření difúzních toků pomocí plovoucí komory

Trychtýřovité pasti, pomocí kterých měříme emise metanu ve formě bublin (tzv. ebulici)

Dopravní prostředek pro výzkum emisí metanu

Transpirace – vypařování vody rostlinami

Transpirace je hlavní cestou, kterou se voda z lesa vrací zpět do atmosféry. Stromy přijímají vodu kořeny a vodivými pletivy ji vedou kmenem do listů, kde se přes průduchy vypařuje. Tento tok vody sledujeme měřením rychlosti jejího transportu v kmeni, tzv. toku mízy (sap flow).

Transpirace je úzce propojena s energií, kterou les přijímá ze slunečního záření. Při výparu vody se část této energie spotřebuje a nemůže se proto projevit jako ohřev vzduchu. Stromy tak své okolí přímo „neochlazují“, ale pomáhají omezovat přehřívání a zmírňovat teplotní extrémy, zejména během horkých letních dnů. Schopnost lesa regulovat vodu a teplotu je ale silně závislá na dostupnosti vody. V období sucha je proto transpirace omezena, ale může se i zcela zastavit, a les tak postupně ztrácí schopnost tlumit teplotní stres. Reakce stromů na tyto podmínky je druhově specifická. Studium toku vody v kmenech stromů nám umožňuje lépe porozumět fungování lesních ekosystémů a jejich reakci na probíhající změny klimatu.

Řešené otázky

• Kolik vody les spotřebovává?
• Jaká je vodní bilance lesa v průběhu roku a během sucha?
• Jak stromy reagují na nedostatek vody a teplotní stres?
• Které druhy stromů jsou z hlediska vodního režimu odolnější vůči měnícím se klimatickým podmínkám?

Měřící systémy pro stanovení rychlosti toku vody ve kmeni stromů a keřů

Zajímavé odkazy na náš výzkum

• Informační video o našem oddělení
• Video o ekosystémové stanici Lanžhot
• Video o měření emisí z vodních ploch
• Popularizační článek o emisích metanu z vodních ekosystémů
• Článek na ČT24 o zalesňování a změně klimatu
• Článek na ČT24 o vlivu kácení na toky CO₂

Vybrané publikace

Bednařík, A.; Dařenová, E. Dominance of methane emission pathways differs between small ponds with contrasting dissolved oxygen status. Communications Earth & Environment, 2026. https://doi.org/10.1038/s43247-026-03786-4

Frouz, J.; Kučera, J.; Jacka, L.; Sanda, M.; Oppong, J.; Řehořková, Š.; Bartuska, M.; Vinduskova, O. Relationship between tree transpiration and soil properties: Do trees with higher water demand promote formation of soils with higher water retention? Journal of Hydrology and Hydromechanics 74(3): 271–279, 2026. https://doi.org/10.2478/johh-2026-0020

Brovkina, O.; Bednařík, A. Multi-year methane emission measurements at a municipal solid waste landfill using airborne SWIR imaging and ground-based flux chambers. Environmental Technology & Innovation 2026(43): 1–17, Article number 105187, 2026. https://doi.org/10.1016/j.eti.2026.105187

Dařenová, E. Temporary reductions of stem CO₂ efflux during rainfall events across tree species. Agricultural and Forest Meteorology 380: Article number 111092, 2026. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2026.111092

Dařenová, E.; Horáček, P.; Acosta, M.; Fajstavr, M.; Krejza, J. Unraveling vertical stem CO₂ efflux variability in Norway spruce: A decadal perspective. Trees 40: Article number 37, 2026. https://doi.org/10.1007/s00468-026-02749-8

Dušek, J.; Novotný, J.; Navrátilová, B.; Mejdová, M.; Kokrda, L.; Stellner, S.; Kučerová, A. Plant species as ecological engineers of microtopography in a temperate sedge-grass marsh. Scientific Reports 2025(15): Article number 13432, 2025. https://doi.org/10.1038/s41598-025-98067-z

Juráň, S.; Karl, T.; Ofori-Amanfo, K.; Šigut, L.; Zavadilová, I.; Grace, J.; Urban, O. Drought shifts ozone deposition pathways in spruce forest from stomatal to non-stomatal flux. Environmental Pollution 2025(372): Article number 126081, 2025. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2025.126081

Nezval, O.; Foltýnová, L.; Fajstavr, M.; Krejza, J.; Šigut, L.; Světlík, J.; Řehořková, Š.; Stojanović, M. Temperature-Driven onset and light quality-linked senescence in Fagus sylvatica phenology. Agricultural and Forest Meteorology 375: 1–12, Article number 110834, 2025. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2025.110834

Bednařík, A.; Bodmer, P.; Dařenová, E.; Kokrda, L.; Pavelka, M. Temperature, Water Depth, and Flow Velocity Are Important Drivers of Methane Ebullition in a Temperate Lowland Stream. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 129(5): Article number e2023JG007597, 2024. https://doi.org/10.1029/2023JG007597

Dařenová, E.; Adamič, P. C.; Čater, M. Effect of temperature, water availability, and soil properties on soil CO₂ efflux in beech-fir forests along the Carpathian Mts. Catena 240: Article number 107974, 2024. https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.107974

Stojanović, M.; Jocher, G.; Kowalska, N.; Szatniewska, J.; Zavadilová, I.; Urban, O.; Čáslavský, J.; Horáček, P.; Acosta, M.; Pavelka, M.; Marshall, J. Disaggregation of canopy photosynthesis among tree species in a mixed broadleaf forest. Tree Physiology 44(7): Article number tpae064, 2024. https://doi.org/10.1093/treephys/tpae064

Dařenová, E.; Holub, P.; Bednařík, A.; Klem, K. Responses of soil CO₂ efflux and microbial activity to water deficit under conventional and adaptation technology. Soil & Tillage Research 234: Article number 105856, 2023. https://doi.org/10.1016/j.still.2023.105856

Dušek, J.; Anna, F.; Stellner, S.; Kazda, J. Stems of Phragmites australis are buffering methane and carbon dioxide emissions. Science of The Total Environment 2023: Article number 882, 2023. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.163493

Ghisi, T.; Fischer, M.; Kowalska, N.; Jocher, G.; Orság, M.; Bláhová, M.; Nieto, H.; Homolová, L.; Žalud, Z.; Trnka, M. Faster evapotranspiration recovery compared to canopy development post clearcutting in a floodplain forest. Forest Ecology and Management 532: Article number 120828, 2023. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2023.120828

Zavadilová, I.; Szatniewska, J.; Stojanović, M.; Fleischer Jr, P.; Vágner, L.; Pavelka, M.; Petrík, P. The effect of thinning intensity on sap flow and growth of Norway spruce. Journal of Forest Science 69(5): 205–216, 2023. https://doi.org/10.17221/17/2023-JFS