Témata a přehled výsledků práce

Jedním ze zásadních přírodních procesů na úrovni ekosystémů je sukcese. Těmto procesům byla dlouhodobě věnována značná pozornost na různých úrovních. První dlouhodobý výzkum sukcese na opuštěných polích započal již v roce 1985 a byl prováděn na trvalých plochách v blízkosti obce Chelčice v jižních Čechách. Základním poznatkem bylo objasnění významu počátečních podmínek sukcese pro následující vývoj celého ekosystému - mírně odlišné počáteční podmínky mohou vyústit v uplatnění výrazně odlišného modelu sukcese.

Sukcese klimaxové smrčiny na ploše porostu vytěženého v 19. století, kde následovala extenzivní pastva a poté bylo území ponecháno spontánnímu vývoji, byla popsána v území Židovkého lesa. Pro další sukcesi a zvláště pro vstup dřevin do bývalého lesního ekosystému má velký význam odstranění dřevní hmoty po těžbě a následující pastva, která vedla k tvorbě sekundárního bezlesí na místě klimaxové smrčiny. Nejedná se tedy o vývoj lesa na pasece.

Problematika sukcese zahrnuje rovněž dlouhodobou dynamiku lesních společenstev, jak bylo demonstrována v rámci tří regionů s trvalými výzkumnými plochami, jemiž byly Krkonoše, Orlické hory a Šumava (Matějka et Vacek, 2007, Matějka, 2011). Rozdílná je dynamika smíšených lesů středních poloh (tam změny vegetace závisejí především na změnách světelných poměrů v podrostu) a klimaxových smrčin. Tento rozdíl byl potvrzen při vyhodnocení změn vegetace klimaxových smrčin po rozpadu stromového patra: tyto změny jsou relativně malé, společenstvo je i po takové náhlé disturbanci značně stabilní (Matějka, 2015).

Dlouhodobý vývoj vegetace byl sledován též v podmínkách subalpinského a alpinského stupně Krkonoš (Matějka et Málková, 2010). Ukázalo se, že tamní společenstva jsou ve srovnání s travinnými a bylinnými společenstvy nižších nadmořských výšek značně stabilní.

Významně může strukturu společenstev subalpinského stupně ovlivnit rozrůstající se kleč Pinus mugo (Pašťalková et al, 2001; Málková et al, 2001).

Celá druhá polovina 20. století se vyznačovala setrvalým nárůstem poznatků týkajících se diversity přírodních systémů na různých úrovních. Později k tomu přibyl více méně politicky podbarvený termín biodiversita. Vzhledem k jeho ne příliš přesné definici je stále doporučováno přidržet se původního termínu diversita s tím, že bude jasně řečeno jakým způsobem a čeho je diversita měřena. Příkladem takového postupu může být článek Matějka (2007), kde je současně uveden nový postup hodnocení funkční diversity společenstev, který je založen na hierarchické klasifikaci druhů.

Výpočet takzvané alfa- a beta-diversity na základě běžných indexů diversity (například Shannon-Wienerova indexu) byl zaveden pro datové soubory sestávající z řady fytocenologických snímků. Použit byl například pro zjištění změn společenstev v průběhu jejich sukcese (Matějka et Málková, 2010; Matějka, 2015). Stejný postup lze použít pro výpočet beta-diversity / variability společenstev v rámci nějakého geografického prostoru. Obdobné indexy se hodí i pro společenstva jiných skupin organismů.

Sjednocen byl systém výpočtu genetické diversity ve studované populaci. Systém byl aplikován při studiu isoenzymů lesních dřevin (Ivanek et Matějka, 2016).

Program pro vyhodnocení a zobrazení vlastností půd v jejich profilu - SoilExplorer byl užit v řadě studií, například

Na základě porovnání vlastností povrchových půdních horizontů a struktury společenstev půdních pancířníků na Šumavě byly stanoveny rozdíly v půdách klimaxových smrčin (8. lesní vegetační stupeň) a smíšených lesů se smrkem (7. LVS) (Matějka et Starý, 2009). Tyto rozdíly byly později potvrzeny i v Krkonoších, jsou tedy obecně platné.

Na trvalých výzkumných plochách v lesích na Šumavě a v Krkonoších byla porovnávána společenstva vyšších rostlin, pancířníků (Starý et Matějka, 2008, Starý et Matějka, 2009, Starý et Matějka, 2010, Starý et Matějka, 2011, Starý, 2016), epigeických brouků (Boháč et Matějka, 2010, Boháč et Matějka, 2011, Boháč, 2016) a makromycet (Lepšová et Matějka, 2008, Lepšová et Matějka, 2009, Lepšová et Matějka, 2010, Lepšová, 2016). Poukázáno bylo na zásadní význam řídícího environmentálního faktoru, jímž je nadmořská výška. Ordinační analýza ukázala na podobnost gradientu nadmořské výšky ve společenstvech vyšších rostlin, půdních pancířníků a epigeických brouků. Vzhledem k tomu, že společenstva makromycet jsou závislá především na složení dřevin, je vliv nadmořské výšky na tato společenstva nepřímý a často silně ovlivněný managementem lesů, respektive přítomností a zastoupením pěstebně preferovaných dřevin.
Struktura dřevinného patra a světelné poměry pod porostem jsou vyhodnocovány pomocí hemisférických forografií, k čemuž byl vyvinut vlastní software (viz Využití hemisférických snímků pro studium ekologie lesů).
Význam introdukovaných druhů dřevin a jejich vliv na (převážně rostlinná) společenstva byl zaměřen na nyní populární douglasku tisolistou).

Jak bylo napsáno v předchozím odstavci, zásadní vliv na strukturu společenstev má nadmořská výška. To se projevilo i v rámci společenstev nočních motýlů na lavinových drahách v Alpách (Černý, Cudlín et Matějka, 2006), kde byl prokázán rozdílný vliv nadmořské výšky v závislosti na geologickém substrátu (bazický vs. kyselý substrát).

Vliv nadmořské výšky na společenstva luk byl prokázán jak v Krkonoších (Matějka, 2010), tak v oblasti Šumavy.

Klimatické podmínky v České republice jsou průběžně vyhodnocovány na základě dat Českého hydrometeorologického ústavu, přičemž zvláštní pozornost byla věnována stanicím lokalizovaným v regionech, kde byl prováděn ekologický výzkum (jižní Čechy - Šumava, Krkonoše, Krušné hory aj.). Proveden byl pokus o periodizaci období od 80. let 20. století dodnes, kdy se ukazuje, že výrazný předěl je patrný mezi lety 1994/1995 (Matějka, 2014). Podrobněji viz sekce Klima.

Klimatické modelování na podkladě digitálního modelu terénu se stalo podkladem pro modelování lesních vegetačních stupňů. První výsledky byly získány pro oblast Šumavy (Matějka, 2011), model byl dále úspěšně aplikován na řadě míst ČR (Matějka, 2014). Modelování je prováděno ve vlastním programovém systému PotOA

Počasí bylo analyzováno i v souvislosti s klíčivostí trav v (sub)alpinských polohách Krkonoš (Matějka, 2001) nebo s kvalitou osiva buku (Bezděčková et Matějka, 2015).

Vlastní meteorologická stanice Rudolfov je v provozu od konce roku 2013.

V souvislosti s vývojem programového vybavení pro isoenzymovou laboratoř byl vytvořen postup pro srovnání různých populací a/nebo subpopulací nějakého druhu. Tento postup je založen na Monte Carlo testování. Na jeho základě byla vyhodnocena ukázková populace Picea abies v Krkonoších (Ivanek et Matějka, 2010, Ivanek et Matějka, 2016). Stejný přístup byl aplikován při analýze struktury semenného sadu Pinus sylvestris (Ivanek, Procházková et Matějka, 2013).

Smrk ztepilý je nejvýznamnější hospodářskou dřevinou v ČR, ale současně je i přirozeným edifikátorem klimaxových smrčin. Přesto dosud nejsou známy všechny jeho charakteristiky, ani nebyl dobře popsán model dynamiky horské smrčiny, jak bylo poukázáno v knize Kindlmann et al. (2012). Nově byly využity kvantitativní mikroskopické znaky jehlic pro fenotypovou klasifikaci jedinců smrku (viz Smrk (Picea abies) a horské lesy ČR; Matějka, Leugner et Krpeš, 2014; Matějka et Krpeš, 2022).

Prokázáno bylo, že variabilita výškového růstu mladého smrku je ovlivněna průměrnými teplotami v období intenzivního růstu (květen až srpen). Tato závislost též vysvětluje zvýšení výškového přírůstu smrku v posledních desetiletích zvýšením průměrných teplot (Matějka et Leugner, 2013).

Dlouhodobě je věnována pozornost fytocenologii lučních a podobných společenstev (Matějka, 2011). Vzhledem k existenci rozsáhlé vlastní série fytocenologických snímků z území Šumavy a Předšumaví (Louky Šumavy a Předšumaví), z nichž několik set jich bylo získáno již od poloviny 80. let minulého století, je možné vyhodnocovat dlouhodobé změny těchto společenstev. Důležitým zjištěným faktorem je vyloučení obhospodařování luk a postupný vstup dřevin. Další rozsáhlá data byla pořízena v Krkonoších, zvláště pak v souvislosti s výrazným gradientem nadmořské výšky a teploty (Matějka et Málková, 2016).

Příkladovou studií může být vyhodnocení krajinných transektů (Matějka, 2010), jedním z nichž byl transekt Vrchlabí - prameny Bílého Labe (Matějka, 2010). Tam byly spojeny výsledky GIS analýzy užívající různé datové vrstvy (ortofoto, DMT, data LHP aj.), historické mapy a výsledky terénního geobotanického průzkumu. Pozornost byla věnována i detekci ekotonálních prvků v krajině.

Spojení analýzy struktury krajiny v prostředí GIS s terénním fytocenologickým výzkumem bylo provedeno na Šumavě při analýze dřevinných ekotonů (Matějka, 2010). Tyto ekotony se úspěšně podařilo klasifikovat na základě rozdílů v druhovém složení vegetace.

V okolí vápencového lomu v Krkonoších (Málková et Matějka, 2011, Málková et Matějka, 2013) byla hodnocena struktura krajiny na základě výskytu druhů rostlin.

Z celorepublikového hlediska je zásadní sledování změn užití ploch (pozemků) k různým účelům, tedy změna tzv. land-use nebo land-cover - viz Užití země v České republice, Matějka (2014). Ukázalo se, že krajinu České republiky lze hodnotit podle dvou hlavních parametrů, které lze odvodit ze zastoupení různých druhů pozemků na základě mnohorozměrných statistických metod. Jedná se o míru urbanizace a míru zemědělského užití krajiny.

V krajinném měřítku byla řešena i problematika zásob uhlíku v ekosystémech (Matějka, 2007). K řešení byly užity prostředky GIS, geostatistické analýzy a vyhodnocení rozsáhlých souborů dat lesních hospodářských plánů. Byly rozlišeny regiony se vzrůstem a s poklesem zásob uhlíku v ekosystémech mezi lety 1990 a 2000.

Při přípravě map přírodních podmínek horských a podhorských lesních oblastí byl shromážděn rozsáhlý soubor údajů o charakteru lesů v ČR, který byl následně užit pro numerickou klasifikaci přírodních lesních oblastí (Matějka, 2005).

Změny struktury krajiny lze odvozovat na základě analýzy historických map. Na pracovišti IDS bylo přistoupeno především k využití map stabilního katastru, které představují velmi přesný obraz krajiny v první polovině 19. století - viz Krajinná ekologie a historie krajiny. Pracoviště IDS vlastní mapová data mnoha indikačních skic historických obcí, rovněž má vyvinutý poloautomatický systém pro využití těchto dat v prostředí GIS.

Projekt Participativní management chráněných oblastí - klíč k minimalizaci konfliktů mezi ochranou biodiversity a socioekonomickým rozvojem místních komunit a navazující projekt Protected areas – social deal on nature protection ukázaly na zásadní ovlivnění socio-ekonomických podmínek života lidí v chráněných územích přírodními podmínkami těchto území. Ochrana přírody má vliv až sekundární, neznevýhodňuje obyvatelstvo chráněných území.

Projekt Management biodiversity v Krkonoších a na Šumavě (BiodivKrSu) byl nejrozsáhlejším řešeným projektem, který se zabýval především ekologickými základy ochrany přírody a to ve třech základních úrovních: krajina (práce v krajinných transektech), ekosystém (lesní i nelesní ekosystémy) a populace (lesní dřeviny). Problematika se dotýkala dynamiky a sukcese sledovaných systémů, (bio)diversity, managementu.

Projekt Pěstební opatření pro zvýšení biodiverzity v lesích v chráněných územích (BiodivLes) vyústil v přípravu Katalogu pěstebních opatření (Leugner et Matějka, 2016). Základem pro plánování pěstebních opatření lesů v chráněných územích musí být zařazení ekosystému do zóny podle nadmořské výšky: v 1. až 3. lesním vegetačním stupni jsou opodstatněné zásahy vedoucí k prosvětlení porostu, ve 4. až 6. LVS mohou být úspěšně aplikovány postupy přírodě blízkého hospodaření, v 7. LVS a výše by se mělo jednat o velkoplošná bezzásahová území.

Výsledky výzkumu byly aplikovány při zpracování plánů péče o maloplošná chráněná území, přičemž tato činnost vedla zpětně k několika podnětům pro výzkumné práce.

Problematika ochrany přírody byla široce diskutována v řadě příspěvků - například Matějka (2013a), Matějka (2013b), Matějka (2014).

Problematika šumavského výzkumu je soustředěna na stránce Výzkum na Šumavě. Několik projektů bylo zaměřeno na studium v povodí šumavských jezer. Sukcese lesa na místech historické těžby byla sledována v území takzvaného Židovkého lesa.

Řada prací se týkala vyhodnocení údajů o poškození lesních porostů. Již od konce 80. let minulého století jsou tato data získávána na základě evropské metodiky monitoringu stavu lesních porostů (projekt ICP-Forests a následující; Matějka, 1994). Údaje o defoliaci a mortalitě dřevin na trvalých plochách byla nově vyhodnocována pomocí modelů přechodových matic (například Vacek, Podrázský et Matějka, 2006, Vacek et Matějka, 2010). Zpracování dat je prováděno ve vlastním programu TDM.

V rámci projektu Problematika péče o lesy v okolí hl. m. Prahy s ohledem na jejich funkční využívání byla v prostředí GIS vyhodnocena řada údajů o přírodních podmínkách lesů ve středních Čechách i některé socio-ekonomické údaje, které je možné vztáhnout k využití lesů pro rekreační účely.

Pseudotsuga menziesii je invazivní introdukovaná dřevina, která ovlivňuje složení rostlinných společenstev lesů. Proto je potřebné být opatrní při jejím zavádění do lesů (Podrázský et al., 2014; Matějka et al., 2015).

Pro mnoho studií byla analyzována data lesních hospodářských plánů. Jednalo se například o analýzu růstu břízy v Krušných horách (Matějka, 2006). Rozsáhlé soubory dat LHP byly užity v rámci projektu CzechCarbo (Matějka, 2007), stejně jako v rámci projektu týkajícího se příměstských lesů Prahy. Data LHP byla dále analyzována v regionech Šumavy, Krkonoš, Krušných hor a Jeseníků.

Test rozdílu středních hodnot dvou výběrů odpovídá klasickému t-testu rozdílu průměrů.

Test odlišnosti hodnot nezávisle proměnné pro objekty klasifikované hierarchickou procedurou vychází z principu jednofaktorové analýzy rozptylu.

Test odlišnosti genetické diversity nebo heterozygotnosti subpopulace vychází z obdobných principů, jako test rozdílu středních hodnot dvou výběrů.

Na odlišném základě pracuje program SeqAn - tam se nejedná o permutační test, ale o výpočet kritických hodnot pořádkových statistik na základě generování hodnot náhodných (při zvoleném typu rozdělení).

Program DBreleve slouží k ukládání fytocenologických snímků a obdobných datových souborů, k manipulaci s nimi, k tvorbě tabulek a datových souborů pro další zpracování snímků, umožňuje výpočet indexů diversity, míry změny společenstva na gradientu, vykreslení některých grafů aj. Mimo fytocenologických snímků jej lze klasicky použít pro zpracování dat o druhové struktuře nejrůznějších společenstev (např. společenstva hmyzu, drobných savců, hub, zoo- i fytoplankton atd.).

Práce s dvou- a více-rozměrnými daty v isotropním měřítku je základem vlastního programového systému PlotOA, který dokáže pracovat s bodovými grafy i s rastrovými daty, včetně digitálních modelů terénu, nad nimiž je možné počítat nejrůznější indexy a modely. Obsahuje i možnost řady analýz dat. Příkladem využití programu PlotOA pro analýzu leteckých snímků je jeho použití pro odhad stromové biomasy v lesních porostech (Matějka, 2009).

Aplikace FotoOverlay je určená pro práci s rastrovými obrázky (bitmapami) - měřickými snímky, v nichž je definována velikost jednoho obrazového pixelu. Takové obrázky vnikají například jako digitální fotografie z mikroskopu, ale jednat se může i o ortofotomapy používané pro zpracování v geografických informačních systémech.

Program pro vyhodnocení a zobrazení vlastností půd v jejich profilu - SoilExplorer.

Literární databáze, databáze spojující metadata s vlastními daty, databáze rozsáhlých obrazových systémů (například skenovaných materiálů, tématické soubory fotografií) - to je předmětem práce v programu TextSearch.

Pro shromáždění a vyhodnocení dat dotazníkových šetření, případně dalších dat s rozmanitou strukturou lze využít program DataCollector, který byl vyvinut pro účely socio-ekonomického výzkumu (Matějka, Kušová et Těšitel, 2013).

Kompletní přehled o dostupném vyvinutém programovém vybavení je uveden na stránce Software