Změny sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase Z8025 (učebna Z2, pondělí 14.00-15.50) Mgr. Karel Brabec, Ph.D. brabec@sci.muni.cz 1. Úvod – teoretické koncepty a prostorové škály říční krajiny 1 PRŮBĚH A ZAKONČENÍ • doporučená účast na přednáškách (prezentace neobsahují všechny informace požadované při zkoušce) • ústní zkouška (hodnocena i aktivita na přednáškách) 2 Pozvánka na přednášky Prof. Nicola Surian University of Padova (Italy) Department Department of Geosciences úterý 24.9. 14-16 hod (Z2) River management: river restoration and flood hazard čtvrtek 26.9. 9-11 hod (?) Channel response to extreme flood events 3 SYLABUS 1. Úvod – teoretické koncepty 2. Prostorové škály vodních ekosystémů 3. Změny vodních toků v podélném profilu 4. Laterální a vertikální interakce vodních toků s okolním prostředím 5. Stojaté vody – vztahy k povodí, procesy ve vazbě na prostorové členění 6. Dlouhodobé trendy ve vývoji vodních ekosystémů 7. Sezonní dynamika faktorů prostředí a biologických společenstev 8. Teplotní režim povrchových vod 9. Ekologické aspekty průtokového režimu a hydraulických podmínek 10. Antropogenní modifikace vodních ekosystémů (se zřetelem na časoprostorové aspekty) 11. Potenciální dopady změn klimatu ve sladkovodních ekosystémech 12. Časo-prostorové aspekty adaptačních opatření a revitalizací degradovaných ekosystémů 13. Případové studie 4 TEORETICKÝ ZÁKLAD Variabilita sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase  fyzikálně-chemické parametry  biologická společenstva  ekosystémové procesy ČASO-PROSTOROVÝ RÁMEC VODNÍCH SYSTÉMŮ 5 SLADKOVODNÍ EKOSYSTÉMY TÉMATA • struktura • fluviální procesy • chemické a fyzikální parametry • vazby na terestrické ekosystémy • vodní biota • znečištění a antropogenní degradace • bioindikátory • revitalizace • management vodních ekosystémů 6 TEORETICKÝ ZÁKLAD VZTAHY ČASO-PROSTOROVÝ RÁMEC VODNÍCH SYSTÉMŮ PROSTOR ČAS heterogenita dynamika DYNAMIKA PLOŠEK HIERARCHIE FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ 7 PROSTOROVÉ ŠKÁLY 8 VAZBY NA OKOLNÍ KRAJINU ODTOKOVÉ POMĚRY Naiman, Décamps & McClain, 2005, Riparia 9 STRUKTURA A FLUVIÁLNÍ PROCESY POHYB LÁTEK Pohyb látek a hmoty • povrchový odtok • průsak do podpovrchového odtoku a do podzemních vod • propojení koryta toku s říční nivou • střídání peřejí a tišin, laterální koryta, poříční tůně • gradienty prametrů prostředí v podélném profilu toku 10 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY PROSTOROVÉ ŠKÁLY vztah mezi prostorovými škálami a jejich časovou stabilitou 11 STRUKTURY A FLUVIÁLNÍ PROCESY PROSTOROVÉ ŠKÁLY Spatial dimensions of stream ecosystems Stanford & Ward, 199212 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY DIMENZE 13 TEORETICKÝ ZÁKLADVZTAHY PROSTOR - ČAS 14 TEKOUCÍ VODY 15 ŘÍČNÍ KRAJINA Dynamika plošek (Patch dynamics) FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 16 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY EKOLOGIE ŘÍČNÍ KRAJINY 17 Jak? Teorie (fluviální struktury, procesy) Kde, kdy? Škály (prostorové, časové) Co? Indikátory (biologické složky, recentní/subrecentní) KRAJINA – ŘÍČNÍ SÍŤ 18 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY ŘÍČNÍ KRAJINA Ekologické souvislosti krajinné ekologie 19 KONCEPTY, TEORIE KONCEPTY FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ 20 TEORETICKÝ ZÁKLAD prostorové uspořádání (pattern) a časová dynamika  struktury  hierarchie (povodí, škálování různě velkých jednotek)  ekosystémové procesy  interakce s terestrickými ekosystémy (ekotony)  vztahy mezi strukturami a jejich dynamikou/stabilitou ČASO-PROSTOROVÝ RÁMEC VODNÍCH SYSTÉMŮ Heterogennost je vlastnost, kterou se označuje skutečnost, že určitý celek je složen z rozdílných částí. Heterogennost označuje různorodost, nestejnorodost. Wikipedie 21 TEKOUCÍ VODY  uspořádání minerálních částic v rámci habitatů  řídícím faktorem lokální hydraulické poměry a průtokový režim  biotické substráty (rostliny, biofilm, partikulovaná organická hmota)  podélná, laterální a vertikální dimenze PROSTOROVÉ USPOŘÁDÁNÍ 22 STRUKTURY A FLUVIÁLNÍ PROCESY DIMENZE 23 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY PROSTOROVÉ ŠKÁLY prostorové škály, hierarchie říční sítě a habitatů 24 KONCEPTY, TEORIEDYNAMIKA PLOŠEK (PATCH DYNAMICS)  poměrně homogenní ploška nepravidelného tvaru, která se liší od svého okolí (Forman 1995)  od zrnka písku po geomorfologické prvky krajiny PLOŠKA (PATCH) 25 Fluviální struktury • koryto (minerální a biotický substrát) • břehy (ekoton, regulace) FLUVIÁLNÍ STRUKTURY A PROCESY Fluviální procesy • eroze – transport – sedimentace • ekologické procesy (asimilace, respirace, rozklad organické hmoty, aktivita organismů) 26 KONCEPTY, TEORIE Dynamika plošek (Patch dynamics) FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 27 povodí/koridor/habitat HIERARCHIE - PROSTOROVÉ ŠKÁLY Frissell et al., 1986: A Hierarchical Framework for Stream Habitat Classification: Viewing Streams in a Watershed Context 28 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY TYPY ŘÍČNÍCH KORYT eroze (boční, hloubková) sedimentace typy koryt transport a ukládání kontaminantů Napřímené/meandrující koryto Typy říčních koryt Nanson & Knighton, 1996; Miller & Miller, 200729  gradientová analýza  disturbance  hierarchie  ekotony  konektivita KONCEPTY FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ 30 KONCEPTY FLUVIÁLNÍCH EKOSYSTÉMŮ 31 KONCEPTY, TEORIE PROSTOROVÉ ŠKÁLY (STRUKTURA A PROCESY)  INTERAKCE S TERESTRICKÝMI EKOSYSTÉMY  HYDROMORFOLOGIE A EKOHYDROLOGIE  ŘÍČNÍ HABITATY FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 32 KONCEPTY, TEORIE Škály říční sítě – uspořádání studií FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 33 KONCEPTY, TEORIE Škály říční sítě – ekologické filtry FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 34 KONEKTIVITA  definice konektivity založena na dynamice metapopulací (genetická konektivita) nebo spojitosti struktury krajiny (opak fragmentace)  říční ekosystémy jsou do značné míry pod kontrolou hydrologické konektivity (přenos hmoty, energie nebo organismů zprostředkovaný vodou – v rámci prvků hydrologického cyklu nebo mezi nimi): např. mezi korytem a říční nivou nebo mezi povrchovou vodou a aluviální zvodní  rozmanitost směrů hydrologické konektivity je základem většiny struktur ekosystémů a jejich procesů napříč různými prostorovými a časovými škálami 35 TEKOUCÍ VODY  zonalita definovaná teplotními poměry a zdroji organické hmoty  vazba organismů na abiotickou zonalitu (rybí pásma, potravní strategie bezobratlých)  Teorie říčního kontinua (Vannote et al., 1980)  Teorie diskontinuit ve vodních tocích (Stanford, 1983)  „Nutrient spiralling concept“  antropogenní narušení podélné kontinuity (pohyb plavenin/průtok, teplotní režim, migrace bioty) PROSTOROVÉ VZORCE – PODÉLNÝ PROFIL 36 • změny ve spádu koryta • zastínění • původ organické hmoty • poměr produkce a respirace • teplotní režim • vlastnosti substrátu River Continuum Concept (Vannote et al. 1980) PODÉLNÝ PROFIL TOKŮ ŘÍČNÍ KONTINUUM 37 PODÉLNÝ PROFIL TOKŮ ZONACE BIOTY Rybí pásma podle Friče • pstruhové • lipanové • parmové • cejnové • delta stream zonation concept (ILLIES & BOTOSANEANU 1963) • krenál • rhitrál • potamál 38 TEKOUCÍ VODY  propojení procesů v korytě toku a říční nivě  abiotická specifika laterálních biotopů (slepá ramena, poříční tůně, větvení koryta)  míra konektivity v závislosti na průtoku (Flood pulse concept)  říční koridor (vegetace, regulace toků, korytotvorné procesy)  interakce průtokového režimu s morfologií koryta = rozmístění habitatů PROSTOROVÉ VZORCE – LATERÁLNÍ DIMENZE 39 RIPARIAFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 40 RIPARIAFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 41 FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY – LATERÁLNÍ DIMENZE 42 TELESCOPING ECOSYSTEM MODEL Modely laterální dimenze a její dynamiky FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 43 TEKOUCÍ VODY  principy komunikace povrchových a podzemních vod  specifika morfologických jednotek koryta (peřeje, tišiny, okraj toku, štěrkové lavice)  vertikální profily základních abiotických parametrů a distribuce bioty v dnových sedimentech PROSTOROVÉ VZORCE – VERTIKÁLNÍ DIMENZE 44  základní rozlišení litorálu, profundálu, pelagiálu  významné rozdíly v různorodosti prostředí dna  vodní sloupec se vyznačuje parametry teploty, rozpuštěného kyslíku (příp. dalších plynů), průhlednosti, biologických procesů, přítomností společenstev organismů)  v litorálním pásu hrají roli heterogenita prostředí, vlastnosti ekotonu (kolísání hladiny) a světelné podmínky STOJATÉ VODY – PROSTOROVÉ USPOŘÁDÁNÍ 45 STOJATÉ VODY  vertikální stratifikace stojatých vod  teplota jako řídící faktor  sezónní cyklus  dlouhodobé změny (paleolimnilogické rekonstrukce)  vliv nádrží na regulované toky ČASOVÁ DYNAMIKA 46 hodiny – dny – týdny (meteorologické jevy vs. krajinný pokryv / geomorfologie) ČASOVÉ ŠKÁLY měsíce - roky (sezónní extrémy průtoku – sucha/povodně) > 10 let (dlouhodobé změny klimatu, krajinného pokryvu) 47 DYNAMIKA PROSTOROVÉHO USPOŘÁDÁNÍ 48 PRŮTOKOVÝ REŽIM Časová dynamika říčních ekosystémů ČASOVÁ DYNAMIKA • průtokový režim • teplotní režim • živiny, zákal, kyslík 49 TEPLOTNÍ REŽIMČASOVÁ DYNAMIKA https://media.eol.org/content/2013/03/07/04/59732_orig.jpg Ephoron album 50 CHEMICKÉ PARAMETRY Časová dynamika říčních ekosystémů ČASOVÁ DYNAMIKA • dusičnany sezónní dynamika koncentrace dusičnanů ve vodě (Vsetínská Bečva a BečvaValašské Meziříčí, Choryně, Dluhonice, 2000-2006) NO3 [mg.l-1] 51 DALŠÍ PARAMETRY Časová dynamika říčních ekosystémů ČASOVÁ DYNAMIKA • zákal, vodivost • rozpuštěný kyslík dynamika epizody dočasného zavodnění vodního toku s období sucha Malá Haná (9.-19.8. 2018) 52 ANTROPOGENNÍ VLIVY 53 DYNAMIKA Faktory řídící vodní společenstva na různých škálách FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY 54 filtry - revitalizaceFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY bohaté společenstvo ochuzené společenstvo 55 zemědělství • odtok živin a pesticidů • eroze půdy – jemné sedimenty • meliorace (zahloubení, napřímení, degradace pobřežní zóny) urbanizace • koncentrace odpadů • zkapacitnění koryt • nepropustné povrchy regulace toků • úpravy koryta • změny průtokového režimu • fragmentace vytvářením bariér ANTROPOGENNÍ AKTIVITY V KRAJINĚ 56 biomonitor – akumulace látek v biomase bioindikátory – integrují časovou historii prostředí druhy populace společenstva kombinace různých skupin (biologických prvků) BIOLOGICKÉ INDIKÁTORY 57 recentní BIOLOGICKÉ INDIKÁTORY paleo-rekonstrukce teplota trofie acidifikace krajinný pokryv 58 Hodnocení stavu (Water Framework Directive) OCHRANA VODNÍCH EKOSYSTÉMŮ chemický stav ekologický stav stav vodního útvaru aktivity vedoucí k zachování nebo dosažení alespoň dobrého stavu 59 náprava poškozeného hydromorfologického stavu strategie nápravy poškození • soulad mezi lokálními a velko-prostorovými strukturami a procesy • vyhodnocení účinků (BACI) • malý prostorový rozsah • interakce s parametry delšího úseku/povodí • reakce indikátorů je zřetelnější na úrovni jednotek koryta (habitatů) • biologická reakce je vázaná na určité habitaty, často nutné udržovací činnosti REVITALIZACE VODNÍCH EKOSYSTÉMŮ 60 LITERATURA Lellák J., Kubíček F.: Hydrobiologie, 1.vydání, Univerzita Karlova, Karolinum, Praha 1992. 61 LITERATURA Downes B. J., Barmuta L. A., Fairweather P. J., Faith D. P., Keough M. J., Lake P. S., Mapstone B. D. & G. P. Quinn, 2002. Monitoring Ecological Impacts: Concepts and Practice in Flowing Waters. Cambridge University Press, Cambridge, 434 pp. Gordon N. D., McMahon T. A., Finlayson B. L., Gippel C. J. & R. J. Nathan, 2005. Stream hydrology. An introduction for ecologists, second edition. Wiley, Chichester, 429 pp. Green R.H., 1979. Sampling design and statistical methods for environmental biologists Hauer R. & A. G. Lamberti, 1996. Methods in stream ecology. Academic Press, San Diego, 674 pp. Jongman R.H., ter Braak C.J.F. & van Tongeren O.F.R, 1987. Data analysis in community and landscape ecology Legendre P. & L. Legendre, 1998. Numerical Ecology. Second edition. Elsevier, Amsterdam, 853 pp. McCune B., Grace J. B., & D. L. Urban, 2002. Analysis of Ecological Communities. MjM Software Design, 300 pp. Naiman R. J., Décamps H. & M. McClain, 2005. Riparia. Ecology, conservation and management of streamside communities. Elsevier, Burlington, 430 pp. 62 JOURNALS 63