EKOLOGIE A ŽP - podklad RNDr. Martin Culek, Ph.D. Pojem ekologie • Ekologie: Ernest Haeckel (1869): oikos – domov logos – věda nomos – řízení „Ekologií rozumíme soubornou vědu o vztazích organismů k okolnímu světu, kam můžeme počítat v širším smyslu všechny existenční podmínky.“ „Ekologie vědecky studuje interakce, které ovlivňují výskyt a hojnost organismů“ (Krebs 1972) My: „Ekologie studuje vztahy organismů k okolí a k sobě navzájem“ Je to hledání, tušení souvislostí – příklad: Historie ekologie • Spontánní poznávání přírody • K. Linné (1707-1778) • A. v. Humboldt (1769-1859) • Ch. Darwin (1809-1882) • 1867 E. Haeckel (1834-1919) – definice ekologie • Osamostatňování ekologie od … • A. G. Tansley (angl., 1935) – pojem ekosystém, A. N. Sukačev • 60. léta 20. stol. • 1965-1975 – Mezinárodní biologický program Ekologie x environmentalistika (nauka o ŽP) *Environmentalistika – společné – biologická podstata člověka – působení na ekosystémy a ekosystémů na člověka *Sociální ekologie – zahrnuje i společenské aspekty, převážně patří do sociologie Jaké problémy ekologie řeší: • Tolerance a adaptace organismů k prostředí • Ekologické podmínky rozšíření organismů na Zemi • Časoprostorové změny výskytu, početnosti a aktivity organismů • Vzájemné vztahy organismů v populacích a společenstvech, evoluce těchto vztahů • Ekosystém, jeho struktura a funkce • Produktivita ekosystémů, produkce a rozklad • Prognózování vývoje ekosystémů Návaznost ekologie na jiné vědy: • Systematika organismů a evoluční biologie • Biogeografie, etologie, parasitologie a epidemiologie • Klimatologie, hydrologie, pedologie a geologie • Při vyhodnocování jevů užívá postupy: Členění ekologie Mimikry: drsnokřídlec březový Demekologie Krajinná ekologie Úrovně organizace biosféry 1 Úrovně organizace biosféry 2 Úrovně organizace biosféry 3 • Biologické společenstvo • Ekosystém Existenční možnosti organismů • Ekologické podmínky – obecné, projevují se vlivem: • Ekologické faktory – konkrétní působící činitelé. • Dělíme: • Abiotické • Biotické (+ potravní) • Antropogenní Ekologické faktory - vliv: • Na existenci • Na prosperitu • Na změny organismů Morfoplastické f. – tvary těla • Fyzioplastické f. – fyziologie těla • Etoplastické f. – chování živočichů Ekologická valence - amplituda perspektiv druhu, společenstva Příklad: Ekologická valence – obecně: • Druhy euryvalentní • Druhy stenovalentní Rozdíl fyziologického a ekologického optima Ekologická nika: ZAČLENĚNÍ DRUHU V PROSTŘEDÍ: • V potravních sítích • V nárocích na další zdroje • V prostorových nárocích • Požadavky na místa a období rozmnožování • Čím ekologické niky podobnější…. • Nika – základní -- realizovaná Světlo • Hustota zářivého toku (J.s^-1.m^-2) • Ozářenost (J.s^-1.m^-2.sin a) • Druhy euryfotní x stenofotní • Míra světlomilnosti – Heliofilní (heliofyty) – Fotofilní (heliosciofyty) – Sciofilní (sciofyty) • Fotofobní – živočichové, houby, bakterie • Efemeroidy Světlo-vlivy • Fotoperioda • Druhy monofázické, diafázické, polyfázické • Pohyby – fotokinese (fototaxe) -- fototropismy • -- fotonasie • Ve vodě – eufotická zóna x afotická • Vliv umělého světla Teplota • Rozhodující – sluneční záření • INFRAČERVENÉ • VIDITELNÉ • Tělesná teplota – poikilotermní • -- homoiotermní • Eurytermní x stenotermní • Stenotermní: – termofilní (termofyty) – mezotermofilní, (mezotermof.) mezofilní (mezofyty) – psychrofilní (psychrofyty), oreofilní (oreofyty) – kryofilní (chionofyty, kryofyty) Teplota – regulátor aktivity • Poikilotermní org.: teplota => intenzita Hibernace, aestivace Smrt chladem - smrt horkem Délka vývoje – dána: suma (efektivních) teplot: S = (T-K) .D T - aktuální teplota, K – teplota zastavení vývoje, D – doba vývoje Vlhkost • Gravitační, kapilární a adsorbční voda • % vody v půdě x vodní potenciál • Vodní potenciál (J.kg^-1, MPa) – proud z míst vyššího do míst nižšího potenciálu • Vodní potenciál půdy – půdní hydrolimity • Plná polní kapacita • Organismy: euryhydrické x stenohydrické: – Hygrofilní (hygrofyty) – Mezofilní (mezofyty) – Xerofilní (xerofyty) – sukulenty: – sklerofyty: Součinnost s teplotou pH – reakce prostředí [• ] pH dáno H[2]CO[3] : RCO[3 ]• Dešťová voda – pH 5,7 • Sladké vody – 3-10 (11) • Nízké pH – příjem živin, osmoregulace, výměna plynů, aktivita enzymů – ochuzení edafonu, bakterie => • Druhy euryiontní x stenoiontní: - aciofilní (acidofyty) - neutrofilní (neutrofyty, mezofyty) - alkalofilní, bazifilní (bazifyty) Minerální živiny, sůl, oheň • Dusík – nitrofilní (nitrofyty) x nitrofobní • Fosfor – často s dusíkem, 1:10 • -eutrofizace vod • Vápník – kalcifilní (kalcifyty) x kalcifobní • půdy na vápencích • Alkalické půdy Sůl – hl. NaCl, KCl Halofyty x příležitostné halofyty x halofobní org. Oheň – udržuje urč. stadium sukcese Pyrofyty Antropogenní faktory 1. • Vliv člověka všestranný, na: • Historie vlivu člověka: • do 40 000 let př.n.l. • 40 000 – 10 500 př. n.l. (paleolit) • 10 500 – 6 500 př. n. l. (mezolit - stř. Evropa) • 6 500 – 500 př.n.l. (neolit – halštat) T+2-4 st, S+70% • 500 př. n. l. – 700 n.l. (laténská k. – Slované) • 700 n.l. – 1250 n.l. (ranný středověk) • 1250 – 1950 n.l. • 1950 - dodnes Antropogenní faktory 2. • Synantropní druhy - • Domestikace – samovolná • -- násilná • Introdukce – cílená x nechtěná Archeofyty x neofyty Neofyty = často expanzivní druhy • Repatriace (reintrodukce) - ?? Šíření introduko-vaného druhu - ondatry Druhy podle prostředí „- bytný“ • Terrikolní • Arenikolní, arenofilní • Petrikolní, chasmofilní • Kavernikolní • Sfagnikolní, sfagnofilní • Ripikolní • Limikolní • Silvikolní • Lignikolní • Kortikolní • Nidikolní • Agrikolní Přizpůsobení organismů prostředí • Anabolismus • Adaptace • Adaptace umožňuje osídlit specifická prostředí. • Formy adaptace: • - změnami dědič. znaků – „náhodně“ x mutageny => - morfologické - fyziologické - etologické - modifikace (ekomorfózy) - morfologické fyziologické , etologické - aklimatizace - morfologické , fyziologické , etologické • Zdatnost (fitness) – Přizpůsobení se organismů prostředí 2. • Divergence x konvergence znaků (pěnkavy, šatovníci) Přizpůsobení se organismů prostředí 3. • Divergence x konvergence znaků Konvergence též – napodobení agresivního (nesytka x sršeň) • Ekologická vikariace – umožněna konvergencí znaků • Speciace – vznik druhů - změnami chromozómů, jejich počtu • Kdy – • Druh, poddruh, varieta, forma, (kultivar) – Životní formy 1. • Stejné adaptativní znaky (efarmonické) • Raunkiaer – rostliny (1905): Životní formy 2. • Ellenberg, Mueller-Dombois (1974): vzrůstové formy: • Fanerofyty • chamaefyty • hemikryptofyty • geofyty • terofyty • hydrofyty • liány • epifyty • stromoví hemiparazité • thalofyty Životní formy v biomech • Každý biom – specifické zastoupení životních forem: • Tropické lesy – makrofanerofyty, mezofanerofyty • Savany - mikrofanerofyty, hemikryptofyty • Pouště – geofyty, terofyty • Stepi – hemikryptofyty, geofyty, terofyty • Subtropické lesy – makrofanerofyty, mezofanerofyty, mikrofanerofyty, nanofanerofyty, geofyty, terofyty • Listnaté lesy mírného pásu – makrofanerofyty, mezofanerofyty, mikrofanerofyty, nanofanerofyty, hemikryptofyty, geofyty • Tajga (jehličnatá) – makrofanerofyty, mezofanerofyty, nanofanerofyty, chamaefyty, hemikryptofyty • Tundra – chamaefyty, hemikryptofyty Ekosystémy • Ekosystém – • Ekosystém: Obecný pojem, nevyjadřuje prostorovou velikost a hierarchii (ekosystém akvária, planety)! • Zavedl Angl. A.G. Tansley • Analogie Rus A.N. Sukačev • Analogie Čech A. Zlatník • Ekosystém – vždy otevřený systém !! Schéma ekosystému Energetická bilance ekosystémů Vodní bilance lesa Koloběh uhlíku a kyslíku – základních stavebních prvků organismů Koloběh prvků v ekosystémech - N Postavení rostlin v ekosystémech Další ekologické pojmy • Producent – autotrofní část bioty • Konzument (reducent) – heterotrofní část bioty (fytofágové predátoři paraziti dekompozitoři • => Potravní řetězec – tok energie i hmoty společenstvem • Potravní pyramida = schéma úbytku chemicky vázané energie Potravní řetězec Potravní pyramida • Problém: směrem nahoru ubývá biomasy a v ní vázané energie, Závislost počtu predátorů na počtu kořisti Životní strategie 1. • r-stratégové („oportunisté“): • Rychlé rozmnožování • Široká ekologická amplituda • Krátkověkost ( efemery ) • k-stratégové („konzervativci“): • Úzká ekologická amplituda • Dlouhověkost Životní strategie 2. (Grime 1979) • C – konkurenční stratégové = K- strategii (střední reprodukce, střední růst, dlouhý věk) R – ruderální stratégové – odolní k narušení biomasy, nesnášejí nedostatek nějakého zdroje (vysoká reprodukce, rychlý růst, krátký věk) • S – stratégové – odolní k nedostatku zdrojů, nesnášejí narušení biomasy (nízká reprodukce, pomalý růst, dlouhý věk) Sukcese – výklad 1. • Uspořádaný vývoj bioty na daném místě, kdy jedno společen-stvo přechází v druhé a po staletích přechá-zí v závěrečné stádium = Sukcese – typy • Sukcese: endogenní (autogenní) – vlastními biologickými procesy • exogenní (alogenní) – fyzikálně-chemickými vnějšími změnami • Sukcese: primární – na dříve neosídleném povrchu • sekundární – na dříve osídleném povrchu • Sukcese: žádoucí – málokdy • nežádoucí – často Sukcese – příklad vodního ekosystému Sukcese dřevin na bývalé pastvině Primární sukcese na výsypkách Sekundární sukcese na úhorech (v Českém krasu) Počáte-ční stadium rašeli-niště Třeboňsko – Červené blato Závěrečné stadium rašeliniště Šumava – Horská Kvilda Blokované sukcesní stádium Vzájemné vztahy organismů v ekosystému • Každý organismus v interakci • „positivní“ • „negativní“ • „neutrální“ Vzájemné vztahy organismů v ekosystému – „positivní“ • Protkooperace – „nezávazné“ • Mutualismus (symbióza) – těsnější, vzájemně nezbytné • Komenzalismus – příležitostný i nezbytný, pro jednoho výhodné – Parekie – (bezpečnost) – Synekie - (teplo) – Epiekie (epifytismus) Vzájemné vztahy organismů v ekosystému - „negativní“ • = Predace • Predace vlastní (Herbivorie, Mycetofagie) – • Parazitismus – soužití, parazit na úkor hostitele • Parazitismus vlastní • Poloparazitismus • Patogenie – u virů, baktérií, prvoků, Chemický boj • Alelopatika – silice, terpenteny, fenoly, alkaloidy (repelenty, atraktanty, anal. juvenilních hormonů) Houby, bakterie – antibiotika, půdní toxiny • Fytoncidy (vyšší rostliny) • Telergony (živočichové) – Stimulační (vzácně): • Mravenci Myrmicinae – • kys. beta-hydroxydekanová • kys. beta-indolyl-3-octová – Konkurence • Podobné nároky na zdroj • Vzájemný negativní vztah • Rostliny – světlo, voda, minerální látky • Živočichové – potrava, prostor, úkryt, místo rozmnožování • Konkurence interferenční x exploatační • součást – amensalismus (alelopatie) • Asymetrie konkurečního vztahu • Konkurence vnitrodruhová > mezidruhová => • vnitrodruhová < mezidruhová => • Ekologické niky – podobnost => rozdělení x vytěsnění x překrývání x koexistence Chování ekosystémů – pojmy 1 • Ekologická stabilita = • Ekologická stabilita (§5 zákona o ŽP z r. 1991) = schopnost ekosystému vyrovnávat změny způsobené • Ekol. stabilita – vnitřní Ekol. stabilita - žádoucí – vnější - nežádoucí • Příklady: • Udržovaný ekosystém • Překroční prahu odolnosti • Zhroucení Chování ekosystémů – pojmy 2 • Ekosystém rezistentní • Ekosystém resilientní Stresory ekosystémů dle délky a intenzity působení Vyplavování živin v různých typech lesa Vliv množství dusíku na biodiversitu Zastoupení dusíku ve složkách ekosystémů biomů Ekologická diversita a stabilita • Zpravidla – čím větší biodiversita, tím větší stabilita. Proč: • Klimax: (příklad: • Změněný ekosystém: nižší diversita, nestabilní, snaha o sukcesi, • Sekundární diversita (krajiny): Odizolování+koridory • Kostra ekologické stability krajiny: • Územní systém ekologické stability krajiny (ÚSES) Jedinečnost x Opakovatelnost ekosystémů • Lze zkoumat u každého druhu ekosystému, každé hierarchické úrovně • Příklady: • => individuální x typologické členění ekosystémů Typizace ekosystémů Vegetační stupně v ČR • Málo závisí na veget. stupni: Závislost vegetačních stupňů na nadmořské výšce a orientaci svahů Vegetační stupně (v.s.) střední Evropy • 1. V.s. dubový přes 9^0 přes 170 dní, 3,4 % • 2. V.s. buko-dubový 8,5^0 cca 165 dní, 14,0 % • 3. V.s. dubo-bukový 8^0 cca 155 dní, 24,5 % • 4. V.s. bukový 6,5^0 cca 145 dní, 42,6 % • 5. V.s. jedlovo-bukový 5,5^0 cca 130 dní, 2,9 % • 6. V.s. smrko-jedlo-bukový 4^0 cca 115 dní, 2,1 % • 7. V.s. smrkový 2^0 cca 80 dní, 0,4 % • 8. V.s. klečový (subalpínský) 1^0 cca 50 dní, 0,05 % • 9. V.s. alpínský -1^0 pod 20 dní 0,00 % • 10. V.s. subnivální -2,5^0 0 dní - • 11. V.s. nivální pod -3,5^0 0 dní - 1. Vegetační stupeň - svahy 1. Vege- tační stupeň - niva 2. Vege-tační stupeň 3. Vegetační stupeň 4. Vege-tační stupeň v Hercy-niku 4. Vegetační stupeň v Carpaticu 5. Vege-tační stupeň 5. Vegetační stupeň v Hercyniku 6. Vege-tační stupeň 6. Vegeta-ční stupeň – údolí Rašeliniště (vrchoviště) Chalupská slať – Šumava. Rašeliná jezírka 7. Vegetační stupeň 7. Vegetační stupeň – rašeliniště 7. Vegetační stupeň – horní hranice lesa 8. Vegetační stupeň 8. Vegetační stupeň – 8. Vegetační stupeň – 7.-8. Vegetační stupeň 9. Vegetační stupeň Trofické řady • TŘ – Trofická řada: • A – oligotrofní • AB – hemioligotrofní • B – mezotrofní • BC – heminitrofilní • BD – hemialkalifilní • C – nitrofilní • CD – nitrofilně alkalifilní • D – alkalifilní Půdní substrát – chemické vlastnosti: • Kyselost x Bazicita (zásaditost) : • Někdy zásadně změněno : • Extrémně kyselé: Křemence, kvádrové pískovce, písky v Čechách, rašeliny. • Středně kyselé: Žuly, ruly, svory, fylity, migmatity, ryolity, písky a štěrky na Moravě. • Neutrální: Syenity, diority ( granodiority ), amfibolity, znělce; břidlice, pískovce a slepence – mimo křídových a již. Moravu; sprašové hlíny, nivní sedimenty hor a vrchovin. • Středně zásadité: Gabra, diabasy, spility, hadce, čediče, většina flyše již. Moravy, opuky, slíny, vápnité pískovce, vápnité (neogenní) písky; spraše, nivní sedimenty pahorkatin a nížin; slatiny. • Extrémně zásadité: Vápence, dolomity, mramory, (opuky). • Živnost : disponibilní N, P, K, … Hydrické řady • HŘ – Hydrická řada: • 1 – zakrslá • 2 – omezená • 3 – normální • 4 – podmáčená (vlhká) • 5 – mokrá • (6 – rašelinná) Skupiny typů geobiocénů (STG) • STG – ekologická definice stanoviště (ekotopu) => • STG = VS + TŘ + HŘ Zákonná ochrana přírody v ČR • Specializovaný zákon: 114/92 Sb. + Vyhláška 395/92 Sb. • Dílčí: ve specializovaných zákonech: • - o vodách • - ochrana půdy (zemědělské) • - lesní zákon • - zákon o ŽP z r. 1991 • - zákon o odpadech • - zákon o posuzování vlivů na ŽP • - zákon o posuzování vlivů koncepcí na ŽP Typy ochrany přírody u nás: • Obecná – celé území ČR (Vše, co by mohlo zaniknout: • Zvláštní: • zvláště chráněné druhy rostlin, živočichů (dle stupně ohrožení), nerostů a památné stromy. • zvláště chráněná území: - maloplošná: - velkoplošná: ÚSES (ekologická síť) Definice: Nepravidelná propojená síť ekologicky významných segmentů krajiny, které jsou účelně rozmístěny na základě funkčních a prostorových kritérií. • Proč ÚSES: historie: cíle: • Části: existující, funkční částečně funkční dosud chybějící, navrhované • Hierarchické úrovně: místní (lokální) regionální nadregionální (republikový) [provinciální] Cíle tvorby ÚSES: • Uchování • Zajištění příznivého působení • ( Podpora možnosti polyfunkčního využití krajiny ) • ( Zachování unikátních krajinných fenoménů ) ÚSES zajišťuje: • Rozmanitost potenciálních přírodních ekosystémů v řešeném území • Nezbytný prostor pro přežití (vývoj): biocentra • Jejich prostorové vazby (biokoridory x bariéry) a prostor pro migraci Schéma ÚSES • Nadregionální ÚSES (zde není) • Regionální • Místní • Interakční prvky Prostorové parametry ÚSES • Minimální nutná plocha biocentra (+ tvar) • Minimální nutná šířka biokoridoru • Maximální možná délka biokoridoru mezi biocentry – stejné úrovně jako biokoridor – vloženými biocentry nižší úrovně Nadregionální ÚSES - plakát • Rok 1994 • Biokoridory vč. ochranných zón • (Středo)evropská ekologická síť Nadregionální ÚSES • Cíl: • Biocentra: Soubor ekosystémů, min. realita: minimaliz., až „optimalizované“. - Agentura ochrany přírody a krajiny, CHKO, NP. • Biokoridory: Různé druhy – barvy. Délka: Nestanoveno, desítky km. Šířka: Evropská ekolog. síť: Biocentra: Biokoridory: nestanoveno ÚTP Nadregionální a regionální ÚSES ČR • Biocentra • Biokoridory - existující - chybějící • Bioregiony Regionální ÚSES • Cíl: Uchování téměř celé škály organismů („genobanka“). • Biocentra: lesy širokých niv a 1.v.s. 50 ha 2., 7. a 8. v.s. 40 ha 3. a 6. v.s. 30 ha 4. a 5. v.s. 20 ha luční v nivách 50 ha ostatní 30 ha stepní lada 20 ha mokřadní 1.- 4. v.s., skalní 10 ha 5.- 8. v.s. 30 ha • Biokoridory: mezi regionál. biocentry – max. 8 km/ š. 40 m k vloženým lokál. biocentrům: lesní 700 m, mokřadní 1000 m, luční 400 m/ šířka 50 m ! Územní plán Brna – ochrana území vč. ÚSES • Místní – lokální ÚSES • Biocentra • Biokoridory • Interakční prvky Místní ÚSES • Cíl: trvalá existence převážné části druhů, stabilizace okolí • Biocentra: lesní, mokřadní, travnatá vodní, prameništní skalní Biokoridor: stepních lad / šířka 10 m lesní / šířka 15 m mokřadní / šířka 20 m luční / šířka 20 m • Interakční prvek Časové parametry ÚSES Začátek fungování / min. doba trvání (v letech) Lesy s převahou topolů Lesy s převahou dubů Lesy s převahou buků Lesy s převahou smrků Vodní společenstva Luční společenstva Stepní lada Nerašeliništní mokřady Toto platí pro místní ÚSES, pro vyšší úrovně … Schéma přípravy ÚSES Realizace ÚSES - Křižanovice Regionální biokoridor Loděnice u Pohořelic – z r. 2000, délka 2 km CHKO, NP a PHO v ČR Přírodní parky NP, CHKO, PřP, EES, NR ÚSES Detail mapy Brno – „Zelené horizonty“ Čistota toků • Znečišťující látky: Chemické; Fyzikální; Radioaktivní; Organické; Biopatogenní • Organické l. + Chemické l. + Biopatogenní l. = 5 stupňů čistoty: Ia – velmi čistá Ib – čistá atd. II – III - IV – velmi silně znečištěná Dva druhy územní ochrany vod. zdr.: 1. CHOPAV 2. Ochranná pásma vodních zdrojů • Pův. zák. 138/1973 Sb. Vodní zákon • 254/2001 Sb. = Nový vodní zákon. • Chrání : • Povrchových vodních zdrojů: • I. – • II. - • Podzemních vodních zdrojů: • I. – • II. - • Jak označeno: Čištění odpadních vod • 1. Samočištění – vodního toku – podzemních vod ALE: • 2. ČOV (čistírna odpadních vod) – klasická • ZBYTKOVÉ ZNEČIŠTĚNÍ ! • – kořenová Stupně čištění odpadních vod • 1. stupeň – mechanické – • 2. aktivační nádrže (kola) – za přístupu kyslíku, jemnobublinná aerace předčištěná voda. Odtéká pryč přes filtry, dosazovací nádrže. Čas od času kal odsát – kalová pole, 3. Třetí stupeň čištění • Nox – nádrž za nepřístupu i přístupu kysl. P - srážení – • Zakázány fosfátové prací prášky od r. 2007, - čistící prostředky? Dražovice – pole kořenového čištění Dražovice – dočišťovací nádržka Použitá literatura a podklady: • Barevné fotografie (není-li uvedeno jinak): Kolektiv (1996-2003) : Edice svazků Chráněná území ČR, Agentura ochrany přírody a krajiny ČR, Praha. • Barevné kresby: Kynčl, M. (nedat.): Přednášky z aplikované ekologie. MS. Fakulta architektury VUT v Brně. Brno. • Černobílé kresby: Šeda, Z. (1982): Ekologie rostlin. Skripta UJEP Brno. Brno. • Forman, T.T., Godron, M. (1993): Krajinná ekologie. Překlad z anglického jazyka. Academia, Praha 1993.