Environmentální rizika biodiverzity Z5151 Mgr. Karel Brabec, Ph.D. brabec@sci.muni.cz SYLABUS 1) Úvod (struktura ekosystémů, biologická diverzita, ekologické procesy) 2) Biodiverzita – teorie, charakteristiky, řídící faktory 3) Biodiverzita – časo-prostorové aspekty 4) Environmentální rizika (typologie); schéma DPSIR (Řídící faktory, Tlaky, Stavy, Dopady, Odezvy) 5) Ekologie působení stresoru 6) Biodiverzita a ekosystémové procesy 7) Vztahy biodiverzity ke klimatu 8) Scénáře změn využití krajiny 9) Změny biotopů (Natura 2000, Ochrana stanovišť) 10) Vliv chemického znečištění na biodiverzitu 11) Biologické invaze 12) Ekosystémové služby 13) Analýza rizik pro biodiverzitu KLIMATICKÉ PODMÍNKY • teploty v Evropě byly ve 20. století nejvyšší od r. 1500 • srážky vykazují komplexní a regionální změny • změny frekvence a intenzity extrémních událostí (nárůst u vysokých teplot a srážek; pokles výskytu studených epizod) KLIMATICKÉ PODMÍNKY TEPLOTA zimní (12-2) letní (6-8) SRÁŽKY zimní (12-2) letní (6-8) DISTURBANCE A KLIMATICKÉ ZMĚNY • změny frekvence disturbancí, které se vyskytují v ekosystémech • přirozené (požáry, povodně, sesuvy) • antropogenní (interakce klimatických změn se znečištěním a poškozením prostředí) • např. ve Španělsku lesní požáry dominují ve formování krajinného rázu některých regionů • lze očekávat prodloužení období požárů a také riziko lidského zavinění založení požáru se zvýší • UK (upland peak district) – delší vegetační sezóna se může projevit větší rostlinnou biomasou dostupnou ke shoření při pravděpodobně sušších podmínkách ZK (změny klimatu) • značným zdrojem nejistot je role lidí při vzniku požáru VYSOKOHORSKÉ A POLÁRNÍ OBLASTI • u těchto oblastí je očekáván největší účinek změn klimatu • změny biodiverzity, posuny hranice lesa a hranic biomů • Kaplan & New (2006) predikují při zvýšení teploty o 2 °C zvýšení rozlohy lesa v pásu 60-90°N o 55 % (3 mil. km2) a redukci rozlohy tundry o 42 % • v některých oblastech se zvyšuje hloubka do které rozmrzá a opětovně zamrzá permafrost • to má účinky na biodiverzitu i na biogeochemické procesy a jejich zpětnou vazbu v atmosféře • sladkovodní ekosystémy: např. pokles biodiverzity a produkce jezer ve vyšších zeměpisných šířkách; zvýšený přísun rozpuštěného organického uhlíku z terestrických ekosystémů se zvyšující se produkcí; zvýšená teplota vody může vést k invazi ryb z teplejších oblastí VZTAHY BIODIVERZITY KE KLIMATU • metody výzkumu: pozorování, experimenty, modelování • významnými procesy jsou fenologie a posuny areálu rozšíření • fenologie – načasování sezónních prvků životních cyklů rostlin a živočichů (nárust a opad listí, kvetení u rostlin; doba migrace, kladení vajec, vývojová stádia – larva, kukla, dospělec u živočichů) • pod vlivem teploty, vlhkosti, světelných podmínek • nejstarší dlouhodobé záznamy: Evropa (1736-1947, Anglie, 20 druhů rostlin a živočichů); Japonsko (r. 801; kvetení třešní) VZTAHY BIODIVERZITY KE KLIMATU • posuny areálu rozšíření • současné trendy změny klimatu otvírají možnosti expanze na sever od původních areálů • nicméně v rámci zeměpisné šířky i nadmořské výšky jsou možná rozšíření i zúžení • často studovanými skupinami jsou denní i noční motýli, vážky • faktory: druhově specifické schopnosti šíření, míra fragmentace krajiny, antropogenní aktivity VZTAHY BIODIVERZITY KE KLIMATU - METODY Experimenty VZTAHY BIODIVERZITY KE KLIMATU - METODY Experimenty – mokřady • denitrifikace recentní PALEOEKOLOGICKÉ REKONSTRUKCE paleo-rekonstrukce teplota trofie acidifikace krajinný pokryv VERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE TAXONŮ PALEOEKOLOGICKÉ REKONSTRUKCE (upraveno podle HÉDL et SZABÓ, 2008). VLIV KLIMATICKÝCH ZMĚN NA BIODIVERZITU • v rámci rozsáhlých prostorových škál klima ovlivňuje distribuci organismů stejně tak i strukturu a procesy celých ekosystémů ADAPT, MOVE OR DIEADAPT, MOVE OR DIE V minulosti organismy reagovaly na změny prostředí: • adaptací • migrací • vymřením VLIV KLIMATICKÝCH ZMĚN NA BIODIVERZITU • kapacita šíření, genetická diverzita, reprodukční strategie, fenotypická plasticita, změny velikosti populací • kapacita šíření (dispersal capacity): aktivní-pasivní, důvody šíření, vliv na jedince/populace/společenstva, limity, kvantifikace, antropogenní vlivy • fenotypická plasticita: schopnost jedinců s určitým genotypem měnit fyziologické, morfologické, anatomické, fenologické, behaviorální nebo jiné vlastnosti (traits) jako reakci na změny prostředí (důležitější pro nepohyblivé organismy – rostliny) Zdroj: Wikipedia Phenotypic plasticity is the ability of one genotype to produce more than one phenotype when exposed to different environments. Each line here represents a genotype. Horizontal lines show that the phenotype is the same in different environments; slanted lines show that there are different phenotypes in different environments, and thus indicate plasticity. VLIV KLIMATICKÝCH ZMĚN NA BIODIVERZITU Voldřichová M., Mi hulka S., 2011. Masová vymírání v historii Země. Vesmír 90: 564-568. • kambrická exploze • vymírání na konci permu • vymírání na konci křídy Procento vyhynulých fosilních mořských taxonů (svislá osa) z celkového počtu taxonů za libovolný časový úsek (podélná osa). Resurrection ecology: study of traits and environmental responses of past populations by hatching or germination of dormant propagules and culturing or cultivation of the organisms. ÚČINKY NA ÚROVNI SYSTÉMU (TERESTRICKÉ SYSTÉMY) • nearly three-quarters of the Mediterranean and temperate forests have been converted by human activities, and 5 other of the 13 biomes analyzed had undergone around 50% conversion • boreal forests and tundra, which are not suitable for agriculture, exist in a non-human-modified condition, although they are already show significant responses to climate change • projected rates of habitat modification suggest that over the coming decades conversion will be concentrated in tropical and semi-tropical forests and grasslands; areas that still harbor significant biodiversity and that are crucial for ecosystem services such as water regulation, and food and timber ÚČINKY NA ÚROVNI SYSTÉMU (MOŘSKÉ SYSTÉMY) • marine ecosystems have suffered enormous losses over past generations • the synergistic effects of habitat destruction, overfishing, introduced species, warming, acidification, toxins and massive runoff of nutrients are transforming once complex systems like coral reefs and kelp forests into monotonous level bottoms • clear and productive coastal seas with complex food webs topped by big animals are being transformed into simplified, dominated by microorganisms, often ecosystems with boom and bust cycles of toxic dinoflagellate blooms, jelly fish, and disease • the principal ocean-derived ecosystem services used by humans including tourism, fisheries, nursery habitats are therefore all compromised • benthic systems are important service players, providing food, bioactive molecules, nutrient regeneration and supply to the photic zone, and climate regulation ÚČINKY NA ÚROVNI SYSTÉMU (SLADKOVODNÍ SYSTÉMY) • freshwater systems (e.g. rivers) are one of the most altered ecosystem types on earth • optimized the capture of provisioning services of riparian systems—water, energy, transportation, and food, and given less attention to other ecosystem services such as carbon sequestration, temperature regulation, water purification, erosion and flood control and cultural services • worldwide, over half of all wetlands have been altered in the U.S. alone, 42% of the wadeable streams are impaired harboring very low biodiversity • agriculture is the source of 60% of all pollution in U.S. lakes and rivers; while in much of Europe municipal and industrial sources have contributed pollutant loads to lakes and rivers • the degree of alteration of river systems by humans is illustrated by the fact that there are over 45 000 dams exceeding 15 m height that includes half of the large river systems of the world ÚČINKY NA ÚROVNI SYSTÉMU (SLADKOVODNÍ SYSTÉMY) • the flow regime changes induced by dams alters the ecological diversity and function of river systems as well as disrupting sediment flux and thermal regimes, among other important physical factors driving ecosystem functioning • the modification of flow regimes over such large parts of our rivers has resulted in biotic homogenization of the fish biota of the world, fostered by the introduction of fish species favored by the thermal and flow conditions induced by dams PRŮTOKOVÝ REŽIM A BIODIVERZITA VYUŽITÍ KRAJINY (SLADKOVODNÍ SYSTÉMY) ADAPTACE NA KLIMATICKÉ ZMĚNY • makro-evoluční divergence (106-107 let) • adaptivní evoluce (100-105 let) • fenotypové přizůsobení (10-1 – 103 let) Adaptace mohou umožnit využití nových nik: například adaptivní mutace u hemoglobinu mamuta srstnatého umomožnila využití chladných oblastí ve vysokých nadmořských výškách během Pleistocénu. Zdroj: Wikipedia Recentní příklady mikroevoluce: - změna zbarvení peří u sov jako reakce na teplejší zimy - adaptivní změny doby kvetení brukvovitých v reakci na sucho Adaptivní mikroevoluce a fenotypová plasticita - procesy pomocí kterých reagují populace na změny klimatu - analýzy ukazují na větší význam fenotypové plasticity ZMĚNA AREÁLU/MIGRACE • variable species-specific spatial trajectories, timing, and migration rates, ranging from a few tens to a few thousand m/year, with averages around 2.7 km/decade 1) climate change can improve suitability beyond the range limit so that species may establish at formerly unsuitable areas like higher latitudes or altitudes 2) climate change could foster colonisation of new areas in several ways: enhanced fecundity of source populations (thus increasing propagule pressure), increased propensity to disperse or emigrate (particularly in animals), or acceleration of dispersal processes ZMĚNA AREÁLU/MIGRACE • climate change can also enhance establishment of propagules after arrival • climate change could reduce the probability of the extinction of leading edge populations, for instance due to extreme climatic events VYMÍRÁNÍ • when species cannot tolerate climate change in situ • or colonize suitable habitat elsewhere quickly enough VLIV KLIMATICKÝCH ZMĚN NA BIODIVERZITU VLIV KLIMATICKÝCH ZMĚN NA BIODIVERZITU SHRNUTÍ • klimatické změny spustily rozsáhlé a vytrvalé dopady na biologickou diverzitu, speciaci, změny distribuce, lokální adaptace a vymírání SHRNUTÍ Jak dobře jsme schopni predikovat vymírání se současnými daty? • slibnou cestou ke zlepšení předpovědí biodiverzity jsou prostorově explicitní mechanistické populační modely, které zahrnují vlastnosti druhů (morfologické, fyziologické, fenologické vlastnosti, evoluční adaptivní potenciál, projevy chování a interakce mezi druhy • tyto modely jsou však limitovány nízkou dostupností dat pro jejich kalibraci • potřeba biologických a paleobiologických dat (regiony, pokrytí klimatických a stresorových gradientů) • terénní studie, expedice, sbírky biologického materiálu ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY • mobilní • závisí na vodních i terestrických biotopech (reagují na změny biotopů a krajiny) • dobré znalosti o biologii a ekologii • atraktivní živočichové s dobrou determinovatelností • jejich rozšíření je studováno po delší dobu předpoklady pro indikaci klimatických změn ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY • od konce 70. let zaznamenáno postupné šíření Neměckem na sever (2008 u severní hranice s Dánskem) • šíření také v Nizozemí, Polsku, do Velké Británie • za příčinu je považováno zvyšování teploty • i další druhy původně z oblasti Středozemí se šíří na sever • www.libellules.org, www.sudenkorento.fi Crocothemis erythraea – první špička (tajícího) ledovce ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY záznamy druhů původně obývající Středozemí ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY • dříve se vyskytovaly jen v jižním Španělsku a střední Itálii • dnes i jižní Francie, celé Španělsko, postup Itálií na sever • pravděpodobně kombinace více faktorů (zvyšování teplot roční průměr/letní teploty, nárust slunečných dnů, mírnější zimy) • změny zaznamenány i na biologii jednotlivých druhů: rychlejší vývoj nymf, více generací v roce, delší letová období • zatím nebyl dokumentován žádný druh vážek který by se pod vlivem změn klimatu šířil na jih • první poznatky o zmenšování areálu Eurosibiřských druhů, druhy vřesovišť (vliv změn úrovně hladiny, vysychání, nárůst teploty) šíření druhů původem z Afriky a Středního Východu změny areálů eurosibiřských druhů ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY ohrožení vysycháním biotopů (změny srážkového režimu) ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • vážky (Odonata) jako modelová skupina • účinky klimatu na distribuci a ekologii druhů vážek • rozdíly mezi severní a jižní polokoulí? • šíření středomořských druhů o stovky km během posledních 20-30 let (britské ostrovy, Skandinávie) • v současné době dochází ke kolonizaci jižní Evropy africkými druhy, které tak rozšiřují areál na sever • odlišná situace v jižní Africe – klimatické limity (bottlenecks), cykly (El Niño) • mnohé savanové druhy jsou ekologicky oportunistické a tolerantní k široké škále biotopů/habitatů (Van Huyssteen & Samways, 2009) ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • geografické rozšíření některých druhů se zmenšuje v suchých obdobích a následně oportunisticky expanduje během vlhčích etap (Orthetrum robustum) https://www.warwicktarboton.co.za/images/DF%20jpgs/113-Orthetrum-robustum-Kosi-Bay-CD14-5470.jpg ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • vedle změn v geografickém rozšíření dochází i k posunům v rámci nadmořské výšky (nárust diverzity i redukce horských citlivých druhů) • ztráta habitatů se specifickým teplotním režimem a zvyšování podílu habitatových generalistů • přinejmenším na jižní polokouli je složité určit jestli došlo ke zvětšení rozsahu nadmořské výšky obývaného daným druhem • příčinami je „pozaďový šum“ prehistorických změn klimatu a současná výrazná cykličnost klimatu – to může překrývat lokální dopady lidské činnosti ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • dřívější výlet imág, změny voltinismu z univoltinních na bivoltinní v severních zemích severní polokoule • prodloužení sezóny letajících dospělců • časem možná de-synchronizace výletu imág • na jižní polokouli jsou opět tyto jevy více maskovány geografickou rozmanitostí a meziroční variabilitou Změny fenologie vážek ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • eliminace společenstev • krátkodobé vysychání – zvýhodnění druhů s velkou schopností kolonizace a krátkým vývojovým cyklem (r-stratégové) vliv vysychání ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • invazní druhy ryb a korýšů (vážky potravou) • invazní druhy pobřežních stromů v jižní Africe omezují osídlení vodního tělesa vážkami (změna chemismu vody, hlavní je ale zastínění vliv invazních druhů ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule vliv invazních druhů ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY srovnání severní a jižní polokoule • ohrožené biotopy (vřesoviště, horské oblasti) • druhy vyžadující stabilní podmínky (úroveň hladiny) • malé populace, plošková/nespojitá distribuce, izolované populace ohrožené druhy EXPANZE DO SEVERNĚJŠÍCH OBLASTÍ (SEVERNÍ POLOKOULE) • cesmína ostrolistá (příklad chladem limitované rostliny) – během posledních desetiletí došlo k rozšíření areálu v severním Německu a jižní Skandinávii současně se zvětšením se jejího potenciálního klimatického rozšíření • podobné rozšíření zaznamenáno u vážek, ptáků, motýlů • šířící se druhy motýlů jsou převážně mobilní generalisté (bez ohrožení) • zatímco druhy z červeného seznamu vykazují spíše stacionární rozšíření POSUN V RÁMCI NADMOŘSKÉ VÝŠKY • buk lesní – v Katalánsku: hustší porosty při horní hranici výskytu a také posun této hranice nahoru • na některých vrcholech Alp bylo během 20. století zaznamenáno zvýšení biodiverzity (rozšíření taxonů z nižších poloh) ZMENŠENÍ AREÁLU • stenoekní druhy (vlivem klimatických podmínek došlo k narušení specifických podmínek vyžadovaných pro zdárný vývoj (např. vymírání některých druhů vážek v Německu) ÚČINKY KLIMATICKÝCH VE STŘEDOZEMÍ • pozorování, experimenty, modelování • experiment následující po požárech (1994) • manipulace s teplotou a srážkami (1998-2005) • druhová bohatost a abundance keřové a stromové vegetace • sucho a zvýšená teplota snížily kompetiční schopnosti borovice halepské vůči přirozeným křovinám • následně došlo ke zpomalení rozšiřování stromové vegetace ÚČINKY KLIMATICKÝCH VE STŘEDOZEMÍ vliv sucha a zvýšené teploty na sukcesi/obnovu vegetace po požáru ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH jezera v subpolárních oblastech ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH • jezera jsou významným krajinným prvkem polárních, subpolárních a boreálních oblastí (až 10% plochy) • zdroj potravin (ryby), rekreační využití, zdroj pitné vody • přvažují malé vodní útvary (<1 km2), nízká produktivita a dlouho zamrzlá (6-9 měsíců) • vliv teploty vzduchu na produktivitu a diverzitu v jezerech: i/ terestriální primární produkce = export organického uhlíku a minerálních živin ii/ doba zamrzlé hladiny Abiotické charakteristiky ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH • studená, chudá na živiny a průhledná jezera – extrémně nízká produkce ve vodním sloupci (až 90% primární produkce je vázáno na bentické habitaty – povrch na živiny bohatých jemných sedimentů) • oteplení představuje přísun organických látek zbarvujících vodní sloupec a s tím související pokles prostupnosti pro světlo • trofické sítě se stávají závislými na bakteriální organické hmotě napojené na allochtonní zdroj uhlíku • výsledkem je pokles produktivity v jezerech Produktivita ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH • v chladných jezerech dominance bentických trofických sítí • bentičtí bezobratlí nejvyšším článkem tohoto subsystému • vrcholovými konzumenty jsou ryby (siven) • v teplejších podmínkách se při velkém přísunu organické hmoty vyvíjejí na dně společenstva tolerující nízké koncentrace kyslíku (larvy pakomárů) • ryby více využívají pelagické zdroje • teplota reguluje rozšíření jednotlivých druhů ryb • siven se prosadí v chladných podmínkách lépe než např. štika nebo okoun (kterým se otevírá prostor až při zvýšení teploty) • invaze štiky do ustálených společenstev sivena a koljušky mění uspořádání trofických sítí i relativní zastoupení jednotlivých druhů Biodiverzita ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH • produktivita: zvýšená terestrická produktivita = zvýšený přísun organické hmoty • zbarvení vody organickými látkami = menší prostupnost světla = menší produkce v jezerech • bakteriální rozklad allochtonní organické hmoty na úkor primární produkce = snížení produkce • zvýšení teploty – migrace štik (druhů s širší teplotní valencí, které jsou jinak omezovány studenými podmínkami), které nabourávají potravní sítě (siven, koljuška) SOUHRN • http://www.forumochranyprirody.cz/clanek-pro-odborniky/webinar-31- 10-od-10h-s-tomasem-vrskou