Ekologie společenstev a makroekologie Community ecology and macroecology Syllabus 1. Pojem společenstvo, jeho vymezení, struktura společenstva, klasifikace a gradientová analýza, individualistické a organismální pojetí společenstva; 2. Změny společenstev v čase, typy a mechanismy sukcese, raně a pozdně sukcesní druhy a jejich vlastnosti; 3. Diverzita a ekvitabilita, typy diverzity a její měření, statistické rozložení populačních četností; 4. Lokální biodiverzita, druhová koexistence, teorie niky a kompetitivního vyloučení, vliv produktivity a disturbance; 5. Evoluce globální biodiverzity, stabilita vs. nárůst, hromadná vymírání, adaptivní radiace, současné globální změny biodiverzity; 6. Vztahy mezi počtem druhů a velikostí plochy; 7. Globální a regionální gradienty druhové bohatosti: latitudinální a altitudinální gradient, hypotézy vysvětlující tropickou biodiverzitu, gradienty stanovištní heterogenity a produktivity; 8. Teorie ostrovní biogeografie a její zobecnění; 9. Lokální versus regionální procesy a jejich vliv na diverzitu společenstev, teorie species pool; 10. Dynamika druhů a společenstev ve fragmentovaných krajinách, metapopulace; 11. Nulové modely v makroekologii, Hubbellova neutrální teorie; 12. Metabolická teorie ekologie, vztah energie a rychlosti biologických procesů včetně evoluce a sukcese; 13. Biologické invaze a jejich vliv na strukturu společenstev, biotická homogenizace. Širší definice: Soubor koexistujících populací různých druhů vyskytujících se na jednom místě některé definice vyžadují interakce mezi populacemi, jiné ne Praktické vymezení společenstva zohledňuje nedostatečnou znalost taxonomie některých skupin organismů, např. bakterií, prvoků, některých skupin bezobratlých Taxocenóza (taxocene, taxocoenosis) ­ soubor taxonomicky příbuzných druhů (např. mechorosty, cévnaté rostliny, ptáci, dvojkřídlí) Guild (guild) ­ soubor druhů využívajících podobným způsobem podobné zdroje (např. granivorní guild určitého území může zahrnovat ptáky, hlodavce a hmyz, kteří se živí semeny) Trofická úroveň (trophic level) ­ soubor druhů využívajících energii stejným způsobem (např. primární producenti, herbivoři, primární karnivoři, dekompozitoři) Společenstvo (cenóza, community) Ohraničení společenstva Přirozené hranice (jezero nebo rybník, rozkládající se plod nebo mrtvola) Arbitrárně vymezená část území Vybraný biotop v určitém území (listnatý les, slanisko, korálový útes) Dominance určitých druhů (hlavně u rostlinných společenstev: bukový les, ovsíková louka) Druhové složení (statisticky definované shluky z numerické klasifikace nebo ordinace) Společenstvo (cenóza, community) Ekosystém zahrnuje jedno nebo více společenstev a jejich abiotické okolí Ekosystémová ekologie (ecosystem ecology) zpravidla studuje celá nebo kompletnější společenstva, ale ignoruje detaily populační dynamiky většiny druhů a slučuje množství druhů do širokých skupin (zpravidla do trofických úrovní) zaměřuje se na studium toků látek a energií (např. uhlík, dusík, fosfor, voda) prodělala velký rozvoj v 60.-70. létech (International Biological Programme) Společenstvo vs. ekosystém porozumět vzniku diverzity a struktury lokálních společenstev, mechanismům jejího udržování a jejich důsledkům pro funkci ekosystémů diverzita a struktura zahrnuje počet druhů, druhová bohatost (number of species, species richness) rozložení relativních abundancí druhů ­ ekvitabilita (evennes) indexy diverzity ­ kombinují druhovou bohatost a ekvitabilitu druhové složení (species composition) Cíle ekologie společenstev 0 2 4 6 8 10 12 10 druhů, 20 jedinců: Minimální ekvitabilita 0 2 4 6 8 10 12 10 druhů, 20 jedinců: Maximální ekvitabilita druhy druhy abudndance Cíle ekologie společenstev lokální společenstvo regionální species pool evoluce, speciace historické vlivy (např. vymírání, změny areálů druhů) šíření (dispersal) výběr stanovištěm (habitat selection) mezidruhové interakce (interspecific interactions) filtr 1 filtr 2 filtr 3 kompetice mutualismus predace komenzalismus parazitismus amenzalismus makroekologie ekologiespolečenstev porozumět procesům, které určují abundanci a rozšíření druhů na velkých prostorových a časových škálách najít základní obecné principy, které určují diverzitu organismů na Zemi ,,makro-" se vztahuje k velkém prostorovému nebo časovému rozsahu studovaných jevů, ale často také k velkému počtu podobných, ale nestejných ekologických jednotek (např. jedinců v rámci druhu, druhů v rámci společenstva) makroekologie studuje současně vlastnosti velkých celků (např. velkých souborů druhů) i jejich jednotlivých částí (jednotlivých druhů) ­ rozdíl proti tradičnímu dělení ekologie na holistickou a redukcionistickou makroekologie může zřídka použít experimenty (jsou neproveditelné z technických nebo etických důvodů) ­ proto je obtížné rozhodnout, která z alternativních hypotéz je správná proto většinou spoléhá na observační data nebo ,,přírodní experimenty" a statistické modely Cíle makroekologie Předchůdci makroekologie Tradiční ekologie studovala společenstva na malých prostorových a časových škálách (snáze se provádějí experimenty) O. Arrhenius (1921) ­ species-area křivky F. W. Preston (1948, 1960) ­ rozložení relativních abundancí druhů C. B. Williams (1964) ­ kniha Patterns in the balance of nature and related problems in quantitative ecology R. MacArthur & E. O. Wilson (1963, 1967) ­ teorie ostrovní biogeografie (znamenala velký obrat pozornosti ekologů k procesům na velkých škálách) V 70.-80. letech znovu příklon ke studiím v malých měřítkách; důvody: technologická omezení (nedokonalé počítače, neexistence větších databází biologických dat) úspěch experimentálních studií na malých škálách patrně i předčasné úmrtí R. MacArthura (1972) Vývoj makroekologie Renesance ekologického výzkumu ve velkých měřítcích a současná makroekologie J. H. Brown & B. A. Maurer (1989) ­ zavedli termín macroecology v článku Macroecology: the division of food and space among species on continents (Science 243: 1145-1150). R. E. Ricklefs & D. Schluter (1993) - editovaná kniha Species diversity in ecological communities: historical and geographical perspectives ­ obrat pozornosti k procesům na velkých škálách J. H. Brown (1995) ­ kniha Macroecology M. L. Rosenzweig (1995) ­ kniha Species diversity in space and time přehledná syntéza dosavadních poznatků S. P. Hubbell (2001) ­ kniha The Unified Neutral Theory of Biodiversity and Biogeography Novější editované knihy s přehledem makroekologické problematiky: K. J. Gaston & T. M. Blackburn (2000) T. M. Blackburn & K. J. Gaston (2003) D. Storch, P. A. Marquet & J. H. Brown (2007) Vývoj makroekologie Whittaker 1956, Ecological Monographs 26: 1-80. Robert H. Whittaker Způsoby popisu společenstva Great Smoky Mountains, Tennessee 1. pomocí typů společenstev (klasifikace, stanoví hranice) 2. pomocí jednotlivých druhů (gradientová analýza, nestanoví hranice společenstev) ostré např. ­ na náhlém přechodu mezi souší a vodou ovlivněným prostředím ­ na hranici mezi dvěma typy půd ­ na hranici mezi disturbovanou a nedisturbovanou plochou difúzní ­ v místech s pozvolnými gradienty faktorů prostředí mozaikovité ­ v oblastech s mozaikovitým abiotickým prostředím nebo maloplošnými disturbancemi, kterými prochází jeden dominantní gradient (např. lesostep) Hranice mezi společenstvy Hranice společenstev v lesostepi Jižního Uralu White (1971, in Ricklefs & Miller 2000: 525) Species Black oak Poison oak Iris Douglas fir Hawkweed Fescue Snakeroot Canyon live oak Collomia Ragwort Yarrow Buck brush Fescue Fireweed Knotweed Grime & Lloyd (1973, in Ricklefs & Miller 2000: 529) Na transektu v terénu Na gradientu faktoru prostředí Hranice mezi společenstvy Organismální pojetí (Clements 1916, Tansley 1939) mezi druhy existují silné interakce společenstva reálně existují jako "superorganismy" či "quasi-organismy" Individualistické pojetí (Gleason 1919, Ramenskij 1924) druhy se vyskytují na sobě zcela nezávisle výskyt a abundance druhů jsou závislé pouze na abiotickém prostředí Teoretické modely společenstva http://www.wku.edu/~smithch/chronob/CLEM1874.htm Frederic E. Clements (1874-1945) Henry A. Gleason (1882-1975) sciweb.nybg.org Krebs (2001: 394) organismální pojetí (Clements, Tansley) individualistické (kontinualistické) pojetí (Gleason, Ramenskij, Whittaker) resource-partitioned continuum resource-partitioned continuum se třemi patry Teoretické modely společenstva Teoretické modely společenstva Rozšírení dvou druhů holoubků (Macropygia, Columbiformes) zřejmě určuje mezidruhová konkurence Diamond (1975), Ke čtení: Begon et al. 1997: 724-725 Jared Diamond (Wikipedia) High-S species ­ jen na ostrovech s velkým počtem druhů Supertramp ­ jen na ostrovech s malým počtem druhů (menší konkurence) Bismarckovo souostroví Sdružovací pravidla (assembly rules) Sdružovací pravidla (assembly rules) Teoretické modely společenstva Wilson 1988, Journal of Ecology 76: 1030-1042 Cévnaté rostliny na ostrovech jezera Manapouri, Nový Zéland Pět ostrovů kuličky = jedinci 4 barvy = 4 druhy randomizace (permutace) (1) stejný počet druhů (2) stejný počet jedinců na druh (3) stejný počet jedinců na ostrov (4) náhodné přeskupení jedinců mezi ostrovy Sdružovací pravidla (assembly rules) Teoretické modely společenstva Wilson 1988, Journal of Ecology 76: 1030-1042 Cévnaté rostliny na ostrovech jezera Manapouri, Nový Zéland Asociace mezi druhy negativní-pozitivní Asociace mezi druhy negativní-pozitivní Zavlečené druhyPůvodní druhy pozitivníasociacekvůli sdílenístejnýchstanovišť pozitivníasociacekvůli kompeticinebovazbě narůznástanoviště Závěr: - převaha signifikantních asociací (+ i -) u původních druhů může indikovat jejich stanovištní vazbu - nesignifikantní asociace u zavlečených druhů indikuje závislost jejich výskytu na šíření spíš než na integraci do společenstev Změny společenstev v čase oscilace fluktuace sukcese Změny společenstev v čase časčas V řádu < desítek let cirkadiánní rytmy ­ hlavně změny fyziologických procesů sezonalita ­ fenologické změny V řádu > desítek let sekulární sukcese ­ zahrnuje změny areálů druhů evoluce ­ zahrnuje vývoj nových druhů V řádu ~ desítek let čas vlastnosti společenstva Monoklimaxová teorie (Clements 1916) společenstvo se vyvíjí k cílovému stavu, který je jeden v každém území ­ klimatický klimax subklimax ­ společenstvo existující na zvláštních půdách nebo opakovaně disturbovaných místech organismy mladších stadií mění prostředí, do kterého se dostávají organismy dalších stadií analogie k organismu: prediktabilita vývoje obrácená sukcese (retrogrese) nastává jen po disturbanci Polyklimaxová teorie (Tansley 1939) v jednom území existuje podle lokálních stanovištních podmínek více možných typů klimaxových společenstev Teorie klimaxového pattern (Whittaker 1953) klimaxové společenstvo se postupně mění podle gradientů prostředí Klimax ­ relativně stabilní, závěrečný stav sukcese primární sukcese ­ na sterilní půdě nově vzniklý sopečný ostrov nově vzniklé lávové pole místa po ústupu ledovce písek akumulovaný na mořském pobřeží poldry výsypky po těžbě surovin sekundární sukcese ­ na místech, kde předtím už byla vegetace, tj. v raných sukcesních stadiích se vyskytují pozdně sukcesní druhy opuštěné pole vykácený nebo odumřelý les plocha s vegetací zničenou požárem Primární a sekundární sukcese (Clements 1916) Whittaker et al. 1989, Ecological Monographs 59: 59-123 Anak Krakatau Rakata Foto R.W. Decker, www.uhh.hawaii.edu Primární sukcese na nově vzniklém sopečném ostrově: Krakatau Whittaker et al. 1989, Ecological Monographs 59: 59-123 Primární sukcese na nově vzniklém sopečném ostrově: Krakatau Sukcese na ostrově Rakata, neovlivňovaná erupcemi od roku 1883 http://www.surtsey.is/index_eng.htm Primární sukcese na nově vzniklém sopečném ostrově: Surtsey Honckenya peploides Elymus arenarius na kolonii racků 1963 Primární sukcese na sopečných tufech: Etna Astragalus siculus Primární sukcese na lávovém poli: Rangitoto, Nový Zéland Lišejníky rodu Stereocaulon osídlují lávové pole a fixují vzdušný dusík Primární sukcese na lávovém poli: Rangitoto, Nový Zéland Keře se mohou objevit už iniciální fázi sukcese Studium chronosekvencí na lávových polích (space-for-time substitution) Sopka Miyake-jima, Japonsko Kamijo et al. 2002, Folia Geobotanica 37: 71­91 http://homepage3.nifty.com/hyamasat/miyake.html erupce 2000 Primární sukcese na mořském pobřeží Ostrov Sylt, severozápadní Německo Tzv. bílé duny s Ammophila arenariaTzv. embryonální duny s Elymus farctus a Honckenya peploides Beckel (1994) Primární sukcese po ústupu ledovce: Pasterze, Hohe Tauern, Rakousko Olšové křoviny (Alnus sinuata) Šíření smrku (Picea glauca, P. sitchensis) Primární sukcese po ústupu ledovce: Portage Lake, Alaska tající ledovec Primární sukcese na důlním odvalu: Milín Calamagrostis epigejos Primární sukcese v kamenolomu: Štramberk Primární sukcese v čedičových lomech Českého středohoří (vliv podnebí na rychlost sukcese) Novák & Prach 2003, Applied Vegetation Science 6: 111-116 Ulva (Chlorophyta) Gigartina (Rhodophyta) Chthamalus fissus (Cirripedia, Crustacea)Sousa 1979, Ecological Monographs 49: 227-254 Primární sukcese na příbojem obnažených kamenech v přílivové zóně v Kalifornii www.marine.gov pastva krabů a přílipek Sekundární sukcese na lesních polomech: Vysoké Tatry Sekundární sukcese na novém silničním náspu: Ostrava Conyza canadensis Sekundární sukcese na opuštěném poli: Pouzdřanská step Crambe tataria Sekundární sukcese na opuštěném poli: ptáci a houby (Georgia a Minnesota, USA) drozd lesní lesňáček kápovitý tangara ohnivá lesňáček červenotemenný kardinál červený strnad růžovozobý strnad pustinný spory arbuskulárně mykorhizních hub ptáci Johnston & Odum 1956, Ecology 37: 50-62 Johnson et al. 1991, Oecologia 86: 349­358. Primární sukcese na výsypce povrchového dolu na Mostecku: cyanobakterie a řasy Lukešová & Komárek 1987, Folia Geobot. Phytotax. 22: 355-362 holá půda dominance vytrvalých trav autogenní ­ sukcese má biotické příčiny (jsou ve společenstvu samém), např. osídlování nově vzniklého lávového pole vegetací vývoj opuštěného pole v les alogenní ­ společenstvo se mění vlivem vnějších (zpravidla abiotických) příčin zanášení říční nivy povodňovými hlínami odumírání lesů vlivem imisí antropogenní odvodnění krajiny Autogenní a alogenní sukcese autotrofní sukcese * většina organické hmoty je fixována autotrofními organismy; většina živé biomasy je tvořena rostlinami heterotrofní (degradační) sukcese * probíhá na rozkládajícím se organickém zbytku (opad, mrtvola, exkrement) * množství zdrojů se v průběhu sukcese stále zmenšuje, až jsou nakonec všechny zdroje spotřebovány * většina živé biomasy je tvořena živočichy, houbami nebo bakteriemi Autotrofní a heterotrofní sukcese Heterotrofní (degradační) sukcese Sukcese hub na opadu jehlic borovice lesní v Anglii Kendrick & Burges 1962, Nova Hedwigia 4: 313-342 Ke čtení: Begon et al. 1997: 629-630 chvostoskoci roztoči roupice A jako bonus ... http://ib.berkeley.edu/courses/bio1b/ecologyfall08/pdfs/Power8_DisturbanceSuccession.pdf Egler (1954), Vegetatio 14: 412-417 Relay floristics ­ druhy dřívějších stadií umožňují nástup druhů pozdějších stadií Initial floristic composition ­ vývoj vegetace závisí na tom, které druhy se na stanoviště dostanou první (menší prediktabilita vývoje) Connell & Slatyer (1977), American Naturalist 111: 1119-1144 Facilitace ­ druhy dřívějších stadií umožňují nástup druhů pozdějších stadií Inhibice ­ dříve příchozí druhy stanoviště okupují a ztěžují nástup dalších druhů; druhy se na stanoviště dostávají náhodně a druh, který se tam dostane, určuje směr sukcese Tolerance ­ kterýkoliv druh může začít sukcesi, postupně však kompetičně silnější druhy nahrazují druhy kompetičně slabší; dříve příchozí druhy nemají ani pozitivní, ani negativní vliv na druhy další Mechanismy sukcese A BCD BCD CDD + + + A B CD + + + A BCD BCD CDD ­ ­ ­ A BCD BCD CDD 0 0 0 Relay floristics Initial floristic composition Facilitace Inhibice Tolerance Egler 1954 Connell & Slatyer 1977 Mechanismy sukcese Krebs (2001) doklady hlavně ze sérií primární a heterotrofní sukcese velmi častá málo dokladů Ke čtení: Krebs 2001: 406-408 Sukcesní stadium Facilitace fixace dusíku fixace dusíku smrku Inhibice predace semen predace semen odčerpávání N smrku kořenová kompetice kořenová kompetice kompetice o světlo kompetice o světlo Příklad současné facilitace a inhibice Primární sukcese po ústupu ledovce Glacier Bay, Alaska Dryas drummondii Alnus sinuata Picea sitchensis Chapin et al. (1994) Crocker & Major (1955, in Krebs 2001) Primární sukcese po ústupu ledovce Glacier Bay, Alaska Akumulace dusíku v během sukcese Mechanismy sukcese u živočichů Mus musculus ­ zavlečený hlodavec ­ raně sukcesní Pseudomys novaehollandiae ­ původní hlodavec ­ raně-středně sukcesní Sminthopsis murina ­ původní vačnatec (vakomyš) ­ středně sukcesní Rattus fuscipes ­ původní hlodavec, omnivor ­ pozdně sukcesní Habitat accommodation model - Fox 1982, Ecology 63: 1332-1341 Nový Jižní Wales, sekundární sukcese drobných savců po požáru křovin na pobřežních dunách Každý druh reaguje na změnu stanoviště v závislosti na sukcesi vegetace Vlastnosti živočišných druhů v sukcesi * facilitace přes vztahy predátor-kořist * přizpůsobení měnícímu se prostředí, jak postupuje sukcese vegetace Raná stadia: - většinou drobní omnivoři - druhy otevřených stanovišť Střední stadia: - příchod herbivorů - druhy travinných biotopů Pozdní stadia: - příchod karnivorů - druhy křovinných a lesních biotopů Raně sukcesní Pozdně sukcesní druhy (pionýrské) druhy (early successional) (late successional) Počet semen velký malý Velikost semen malá velká Vzdálenost šíření velká malá Životnost semen dlouhá krátká Rychlost růstu rychlý pomalý Výška v dospělosti nízká vysoká Tolerance k zastínění malá velká Délka života krátká dlouhá Vlastnosti rostlinných druhů v sukcesi Relativní abundancedruhů čas Světlo,živiny Druh A Druh B Druh C Druh D Světlo Živiny Hypotéza poměru zdrojů Resource-ratio hypothesis (Tilman 1982) Prach 1987, Folia Geobot. Phytotax. 22: 339­354 Směna dominant v primární sukcesi výsypky povrchových dolů na Mostecku Arrhenatherum elatius Calamagrostis epigeios Tanacetum vulgare Carduus acanthoides Atriplex nitens Senecio viscosus Polygonum lapathifolium monokarpické druhy trvalkyjednoletky Inouye et al. (1987) Sekundární sukcese na opuštěném poli na chudé půdě, Cedar Creek, Minnesota Holá půda Jednoletky Vytrvalé byliny Dřeviny Přístupný dusík Ke čtení: Begon et al. 1997: 638-639 Změny spektra životních forem po zavedení mulčování ve vinohradu (jižní Morava) Lososová et al. 2003, Biologia 58: 49­57 0% 20% 40% 60% 80% 100% 1994 1999 2000 Geofyty Hemikryptofyty Terofyty Ruderální série Neruderální série živinami bohaté půdy chudé kyselé půdy sucho vlhko opuštěná pole horské paseky se strženým důlní výsypky drnem, vytěžené pískovny město vytěžená rašeliniště obnažená dna Iniciální stadia jednoletky a dvouletky klonální vytrvalé druhy Atriplex nitens Carex gracilis Arctium tomentosum Galium palustre Carduus acanthoides Glyceria fluitans Chenopodium spp. Juncus effusus Melilotus alba Rumex acetosella Sisymbrium loesselii Dominanty sukcese na obnažené půdě: Čechy Prach et al. 2001, Applied Vegetation Science 4: 83­88 Ruderální série Neruderální série živinami bohaté půdy chudé kyselé půdy sucho vlhko opuštěná pole horské paseky se strženým důlní výsypky drnem, vytěžené pískovny město vytěžená rašeliniště obnažená dna Prostřední stadia trávy Elymus repens Calamagrostis villosa Arrhenatherum elatius Deschampsia flexuosa Festuca rupicola Phragmites australis Holcus lanatus Calamagrostis epigeios Pozdní stadia dřeviny Betula pendula, Pinus sylvestris, Sambucus nigra Dominanty sukcese na obnažené půdě: Čechy Prach et al. 2001, Applied Vegetation Science 4: 83­88 Novák & Konvička 2006, Ecological Engineering 26: 113-122 Vliv biotopů v okolí na směr sukcese: lomy Českého středohoří Iniciální stadia Suché trávníky Nitrofilní křoviny a lesy Vzdálenost suchého trávníku od lomu: <30 m 30­100 m 150­300 m >300 Modelování sukcese pomocí markovských řetězců A B B A C D C A B B D A B B C C A C B B C D D A D D C A B B A D C C D D A A A C B B B B B A A C B B C C A A A A A A B A C D C A B B D A B B C C A C B B B D D A D C C A B B A D C C D D A A A C B B B B B A A A B B B B A A A A čas 1 čas 2 A B C D A 100 0 0 0 B 6 88 6 0 C 8 23 69 0 D 0 0 11 89 čas1 čas 2 matice přechodových pravděpodobností (transition probability matrix) A B C D A 17 0 0 0 17 B 1 15 1 0 17 C 1 3 9 0 13 D 0 0 1 8 9 19 18 11 8 56 čas1 čas 2 přechodová matice (transition matrix) písmena: typ společenstva (např. dominance určitých druhů) 0 10 20 30 1 2 3 4 5 6 7 A B C D Modelování sukcese pomocí markovských řetězců A B C D A 17 0 0 0 17 B 1 15 1 0 17 C 1 3 9 0 13 D 0 0 1 8 9 19 18 11 8 56 čas1 čas 2 přechodová matice (transition matrix) A B C D A 100 0 0 0 B 6 88 6 0 C 8 23 69 0 D 0 0 11 89 čas1 čas 2 matice přechodových pravděpodobností (transition probability matrix) čas frekvence velký cyklus ­ sukcese malý cyklus ­ cyklická změna Schmidt-Vogt (1985, in Míchal et al. 1998) Oscilace ­ cyklické změny vegetace: gap dynamics Oscilace ­ cyklické změny vegetace: gap dynamics různá porostní stadia v pralesové smrčině Látaná dolina, Západné Tatry Korpeľ (1985, in Míchal et al. 1998) 1968 1978 Watt (1955), Barclay-Estrup & Gimingham (1969), in Krebs (2001) Oscilace ­ cyklické změny vegetace: patch dynamics Vřesovištní cyklus Calluna Cladonia Arcto- staphylos holá půda