Změny sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase
Z8025 (učebna Z2, pondělí 14.00-15.50)
6. Dlouhodobé trendy ve vývoji vodních ekosystémů
Mgr. Karel Brabec, Ph.D.
brabec@sci.muni.cz
SYLABUS
1. Úvod – teoretické koncepty
2. Prostorové škály říční krajiny
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
Časová variabilita sladkovodních systémů škály
• BACI (Before-After Control-Impact)
PROSTOROVÉ ŠKÁLY
4
FAKTORY PROSTŘEDÍ škály
• BACI (Before-After Control-Impact)
ČASOVÁNÍ NARUŠENÍ EKOSYSTÉMŮ
STUDIUM ČASOVÝCH ZMĚN metody
• studium změn klimatu
• historie vodohospodářských úprav
• rybníkářství
1. Analýzy dlouhodobých dat (Analysis of long-term data-sets)
2. Paleoekologické metody (Palaeoecological methods)
3. Substituce času prostorem (Space-for-time substitution)
4. Experimenty (Experiments)
5. Modelování (Models)
STUDIUM ČASOVÝCH ZMĚN metody
1. Analýzy dlouhodobých dat
• dostupnost záznamů příslušné kvality (přesnost, pravidelnost) zahrnující časovou
variabilitu (epizody, sezónní a dlouhodobé trendy)
• rozvoj zařízení pro vysokofrekvenční dlouhodobá měření parametrů (čidla,
dataloggery)
• analýza dat s využitím tradičních metod (např. analýza časových řad, regresní
analýza) a nových metod (neuronové sítě, fraktální analýza)
STUDIUM ČASOVÝCH ZMĚN metody
2. Paleoekologické metody
• pokročilé metody jsou využívány pro vývoj tzv. „transfer functions“ a „analogue
matching“
• analýzy hydro-chemických a ekologických podmínek ve vztahu k variabilitě klimatu
(využití tradičních metod a vývoj nových)
Through knowledge of the present-day ecology of species, inferences about past environmental
conditions can be made via analogy to that same set of conditions existing where those species
are found living today. This is known as space-for-time substitution, or more commonly as the
modern analogue technique (MAT)
recentní
BIOLOGICKÉ INDIKÁTORY
paleo-rekonstrukce
teplota
trofie
acidifikace
krajinný pokryv
SEDIMENT – ECOLOGICKÁ PAMĚŤ
Smol et al. (2001a)
FAKTORY PROSTŘEDÍ data
(upraveno podle HÉDL et SZABÓ, 2008).
PALEOEKOLOGICKÉ REKONSTRUKCE
Smol et al. (2001a)
VERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE TAXONŮ
KALIBRACE PROXY-SYSTÉMU
Modified from Fritz et al. (1999).
STUDIUM ČASOVÝCH ZMĚN metody
3. Substituce času prostorem
• tradiční metoda využívaná ve spojení s modely pro predikce (např. globální vegetace
v podmínkách dvojnásobné koncentrace CO2)
• využití dat z rozsáhlých regionů zahrnujících gradient současných klimatických
podmínek pro analýzy pomocí nově vyvinutých metod (regresní stromy, neuronové
sítě)
STUDIUM ČASOVÝCH ZMĚN metody
4. Experimenty
• experimentální techniky na různých škálách se výrazně rozvinuly během posledních
dekád
• experimenty na úrovni ekosystémů nyní hrají ústřední roli v ekologickém výzkumu
• zahrnutí mezokosmových experimentů do vyzkumu klimatických změn
• velkého pokroku v experimentálním bádání bylo dosaženo rozvojem systémů
řízených počítači a vývojem senzorů a analytických technologií
STUDIUM ČASOVÝCH ZMĚN metody
5. Modelování
• vývoj ekosystémových modelů je bržděno nedostatečnou znalostí kvantitativních
charakteristik procesů
• nové pokroky v experimentální ekologii (např. využití stabilních izotopů pro analýzu
potravních vztahů) a teoretické ekologii (stechiometrie ekosystému) jsou využívány
pro vývoj a vyhodnocení modelů
• současné techniky jsou navrženy tak, aby propojovaly modely lokálního měřítka s
cílem modelovat jevy na úrovni celých povodí nebo krajinných celků
• exponenciální nárůst výpočetní kapacity otevírá nové možnosti pro složitost modelů
a metod. Modely mohou být snadno doplněny o analýzy nejistot
FAKTORY PROSTŘEDÍ plyny
(VAN ANDEL, 1994)
FAKTORY PROSTŘEDÍ teplota vzduchu/zalednění
FAKTORY PROSTŘEDÍ teplota vzduchu
(VAN ANDEL, 1994)
Main trends in temperature over different timescales in northwest Europe (after Lamb, 1977 and other sources)
FAKTORY PROSTŘEDÍ teplota vzduchu
TEPLOTA VODY - TEKOUCÍ VODY
DLU_DATE
16.12.200
16.11.200
17.10.200
17.9.2002
18.8.2002
19.7.2002
19.6.2002
20.5.2002
20.4.2002
21.3.2002
19.2.2002
20.1.2002
21.12.200
21.11.200
22.10.200
22.9.2001
23.8.2001
24.7.2001
24.6.2001
25.5.2001
25.4.2001
26.3.2001
24.2.2001
25.1.2001
26.12.200
26.11.200
27.10.200
27.9.2000
28.8.2000
29.7.2000
29.6.2000
30.5.2000
30.4.2000
31.3.2000
1.3.2000
31.1.2000
1.1.2000
Value
30
20
10
0
JRC _T
VM_ T
DLU_T
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006
BEČVA 2004 - počítané z denních průměrů
0
200
1 4 7 1
L1_>1 L1_>5 L1_>10
L1_>15 L1_>20
Bečva Jarcová, ValMez, Dluhonice
2000-2002
 Po skončení hlavních fází variského vrásnění se Český masiv zarovnával a materiál z
variských pohoří se ukládal v nižších oblastech. Celková struktura prvotního zarovnání měla
podobu mírně zvlněné plošiny, tedy podobu parovinnou. Všeobecně můžeme rozlišit několik
stádií zarovnání.
 Nejstarší pozůstatky zarovnání jsou datovány do druhohor, kdy zdejší klimatické podmínky
podmínily, že hlavním zarovnávacím faktorem bylo chemické zvětrávání pomocí infiltrace
srážek. Došlo ke vzniku zarovnaného povrchu, jenž se vyznačoval obsahem výrazných
akumulací chemickou cestou zvětralého materiálu - produktů kaolinického zvětrávání.
Pozůstatky po druhohorních zarovnaných površích nalezneme v oblastech severně od Plzně,
na Karlovarsku, Podbořansku a Rakovnicku, tedy tam, kde se vyskytují právě produkty
kaolinického zvětrávání.
 Dále se předpokládá, že na většině území docházelo k zarovnávání až po třetihorních
tektonických událostech, kdy k zarovnávání docházelo prostřednictvím ústupu svahů z boku
a pomocí úpatních plošin (tzv. pedimentů). Takto vzniklé území mělo podobu plošiny se
svědeckými vrchy neboli inselbergy, což jsou nepatrné zbytky elevací původního reliéfu.
Třetihorní zarovnávání bylo charakterizováno mírně teplým klimatem, kdy hlavní roli hrály
svahové procesy za pomoci tekoucí vody; u takovéhoto typu reliéfu se nesetkáváme s
výraznými akumulacemi materiálu. Zbytky třetihorních zarovnaných povrchů nalezneme
kdekoli v České republice.
 V pleistocénních dobách ledových docházelo k zarovnání svahů kryoplanačními procesy,
tedy pomocí tekoucí a mrznoucí vody a svahových procesů, a docházelo ke vzniku
kryopediplénu (komplexu kryopedimentů, tj. zarovnaných povrchů či plošin vzniklých
kryogenní činností).
 K dotvoření dnešního reliéfu došlo během čtvrtohor, a to hlavně v důsledku působení tekoucí
vody, větru a mrazu. http://geologie.vsb.cz/geomorfologie/Prednasky/9_kapitola.htm
Vývoj říční sítě
NEOGÉN
 v jeho průběhu vyvrcholila v Českém masívu
saxonská tektonika, která se výrazně podílela na
nynější tvářnosti reliéfu (záliv miocénního moře byl
až na Lanškrounsku a Ústeckoorlicku)
 před saxonskou tektonikou:
v okolí České vysočiny bylo moře, Česká vysočina byla
zvlněnou kotlinou s výraznými jezerními pánvemi a
odvodňování území bylo tou dobou separováno do
odlišných oblastí
Berounka odtékala do podkrušnohorských jezer; vody
dnešní dolní Berounky, dolní Vltavy a středního Labe
odtékaly přes východní Čechy do lanškrounského
zálivu předkarpatského moře. Sem taktéž odtékalo
dnešní horní Labe;
hlavní řekou moravské části České vysočiny byla
Svitava, jež ústila do moře v Dyjsko-svrateckém
úvalu
horní tok Moravy tekl do Hornomoravského úvalu
 Saxonská tektonika otevřela prostor pro činnost
tekoucí vody; byla zažehnuta hloubková eroze řek.
Obecně v humidních podmínkách je říční (a
případně ronová) eroze hlavním geomorfologickým
činitelem. Od neogénu se začíná vytvářet současná
podoba našeho území, tedy systém zahloubených
říčních toků
Vývoj říční sítě - Česká vysočina
geologický
útvar
další
rozdělení
milióny
let
čtvrtohory
(antropozoikum)
holocén /alluvium/ 0-0,01
pleistocén /diluvium/ 0,01-1,8
třetihory
(kenozoikum)
neogén 1,8-26
paleogén 26-67
druhohory
(mezozoikum)
křída 67-137
jura 137-195
trias 195-235
prvohory
(paleozoikum)
perm 235-285
karbon 285-350
devon 350-405
silur 405-400
ordovik 440-500
kambrium 500-570
proterozoikum
 Na přelomu třetihor a čtvrtohor se vytvářel úsek
střední Vltavy, kdy zpětnou erozí od severu byla
podchycena voda jižních Čech; podmínkou byl
výzdvih Novohradských hor, který přerušil odtok
do Dunaje.
 v nejstarším dryasu v suchozemském prostředí je sprašová sedimentace vystřídána mírně
probíhající akumulací svahových sutí
 významně se mění dynamika vodních toků – divočící řeky se spletí mělkých stále se
měnících ramen a štěrkových lavic v celém rozsahu niv se během pozdního glaciálu stahují
do pevných koryt vytvářejících volné meandry a stará ramena v nivách zaplavovaných jen
při povodních
 protože koncem miocénu a v pliocénu došlo k výzdvihu severních výběžků
Českomoravské vrchoviny, přerušil se odtok z České vysočiny do Hornomoravského úvalu.
Horní tok Labe se přesunul k jihozápadu, ale později se vrátil do své původní polohy a Labe
vytvořilo svůj charakteristický ohyb u Pardubic. Labe prořízlo severozápadní okraj Železných
hor a dále pokračovalo mělnickým úvalem a obtékalo západně spolu s Vltavou Říp
 od konce neogénu do současnosti vodní toky výrazně zahloubily svá údolí, a to až
o 100 m. Údolí hlubší jak 100 m mají svůj základ v předčtvrtohorních dobách. Postupné
zahlubování říčních údolí nebylo kontinuální, ale bylo ovlivněno čtyřmi výkyvy podnebí, díky
čemuž má většina údolí postupně se zahlubující stavbu se zbytky plochých částí, ve kterých
jsou uloženy pozůstatky akumulací říčních teras
http://geologie.vsb.cz/geomorfologie/Prednasky/9_kapitola.htm
Vývoj říční sítě - Česká vysočina
 Etapy zahlubování odpovídají podmínkám, kdy řeky měly větší schopnost erodovat. Tato
schopnost byla spjata s glaciály, kdy docházelo k poklesu hladiny světového oceánu a
řeky tím pádem dostaly více potenciální energie. Naopak v teplejších obdobích
(interglaciálech) řeky měly více vody, tekly tedy líněji a unášely a akumulovaly více
materiálu.
 Po skončení fází tektonického neklidu, dochází k zahlubování říčních toků. Díky tomu reliéf
České vysočiny má charakter střídajících se systémů údolních zářezů, mezi nimiž
nacházíme zbytky starých reliéfů - zarovnaného povrchu.
http://geologie.vsb.cz/geomorfologie/Prednasky/9_kapitola.htm
Vývoj říční sítě - PLEISTOCÉN
Karpaty
 Hlavní rysy současné říční sítě se v Karpatech projevily již v neogénu.
Česká vysočina
Pro erozní činnost vodních toků má největší význam hrubý materiál dopravovaný po dně koryta. Materiál
je po dně posunován, převalován anebo se pohybuje skoky (saltací). Největší množství materiálu určité
velikosti, které řeka může dopravovat jako splaveniny na dně, se nazývá unášecí kapacita toku. Největší
průměr částic, které tok může dopravovat po dně jako splaveninu, udává unášecí rychlost toku. Unášecí
kapacita a schopnost vzrůstá s vodností a rychlostí toku. Proto činitelé, kteří ovlivňují rychlost, jako je
sklon koryta a jeho drsnost, zakřivenost, rovněž ovlivňují unášecí kapacitu a schopnost.
Plaveniny se skládají z částic jemnějších, tj. většinou z minerálních částic, jejichž usazovací rychlost w je
menší než síly turbulence vodního toku. Náležejí do oblasti disperzních soustav, u nich dochází k
rozptýlení jedné látky uvnitř druhé. Základním pojmem vyjadřujícím kvantitativní zastoupení plavenin ve
vodě je koncentrace plavenin (C), tj. hmotnost plavenin v jednotkovém objemu vody (obvykle kg . m-3).
Eroze vodních toků je větší v mimotropických oblastech, kde svahový geosystém dodává do vodních
toků hrubší úlomky hornin. V tropech jsou na svazích většinou mocné kaolinické a lateritické zvětraliny a
do vodních toků postupuje jen jemný písek, silt a jíl. Tropické vodní toky proto neerodují a nerovnosti v
korytě se dlouho uchovávají. Dokladem malé erozní činnosti tropických vodních toků jsou četné
vhloubené formy na dně koryt, které vznikly vlivem chemického zvětrávání (rozpouštění). Tropické řeky
často unášejí velké množství jemného materiálu. Vlivem vnitřního tření klesá u těchto vodních toků
turbulence, a proto převládá u tropických řek klidný tok.
Eroze vodních toků
Změny fluviálních systému v pozdním glaciálu a holocénu
• Tradiční představa geomorfologů:
glaciál = fyzikální zvětrávání, sucho, agradace na
údolních dnech
interglaciál = chemické zvětrávání, vlhko,
prohlubování údolních den → vznik říčních
teras
• Glaciál → interglaciál = divočení →
meandrování
• ALE! Např. Labe meandrovalo již v pozdním
glaciálu.
braiding
 abundant bed load
 erodible banks
 highly variable discharge
 steep valey slopes (high stream power)
STOJATÉ VODY vznik
- sesuv
- tání ledovce
- antropogenní (rybníky, údolní nádrže)
STOJATÉ VODY zazemňování
http://obio-paysage.fr/pages/un__cosyst_me__lentique_
STOJATÉ VODY paludifikace
TEKOUCÍ VODY morfologie koryta
URBANIZACE A KORYTO
LAND-USE
 for climate - hydromorphological interactions global, especially climate, change may
cause hydromorphological deterioration through intensification of land-use and a
more variable discharge regime that results in habitat modifications and losses.
 Alternatively it may cause significant improvement if human activities are withdrawn
from floodplains due to more frequent flood events. Renewed flooding may generate a
near-natural habitat structure
 The development of the riparian vegetation will decrease sediment input and add
woody debris to streams
VYUŽITÍ KRAJINY A KORYTO
- vykácení lesa pro potřeby pěstování plodin a pastvy (koryto širší, mělčí,
méně zákrutů)
- urbanizace (neprostupné povrchy, efektivnější odvodňovací systém –
zvýšení objemu odtoku pro danou srážkovou událost, bleskové povodně,
větší frekvence)
Wolman, 1967
STOJATÉ VODY rybníky
hypotézy vzniku rybníkářství v ČR
- klášterní kolonizace (držba vetších a ucelenějších území, postní jídlo)
- řád německých rytířů (vysušování pozemků pro zemědělskou činnost)
- při kolonizaci močálovité krajiny (žďáření, klučení) – přirozené deprese
posloužily jako základ pozdějších rybníků
TEKOUCÍ VODY eutrofizace
Sezónní dynamika koncentrace
dusičnanů (Bečva, 2000-2006)
NO3 [mg.l-1]
• Over the past century, humans have more than doubled the rate of nitrogen input into terrestrial
ecosystems, mostly through fossil fuel combustion and increased use of agricultural fertilizers.
Excess nitrogen flows into streams and rivers, where it contributes to eutrophication, one of the
leading causes of degraded water quality worldwide
• If it is not removed by biotic uptake or denitrification, nitrogen is ultimately exported from rivers
to estuaries and coastal oceans15,16, where it can promote blooms of harmful microorganisms17
and can generate an excessive biochemical oxygen demand, which has resulted in 245,000km2 of
‘dead zones’ in more than 400 coastal habitats around the world.
STOJATÉ VODY eutrofizace
STOJATÉ VODY eutrofizace
STOJATÉ VODY eutrofizace
EUTROFIZACE - STOJATÉ VODY Slapy
EUTROFIZACE - STOJATÉ VODY Slapy
EUTROFIZACE - STOJATÉ VODY Slapy
PRŮTOKOVÝ REŽIM A BIODIVERZITA škály
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
 množství dlouhodobých pozorování suchozemských bezobratlých
(škůdci)
 nejdelší řady pozorování sladkovodní bioty pro komáry a muchničky
 větší šance porozumět pomalým, vzácným, drobným a komplexním
jevům ve vodních ekosystémech
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
 nejdelší řady pozorování pro komáry a muchničky
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
Příklady meziroční variability
 vodní hmyz reaguje na hydrometeorologické jevy (teplota, průtok)
 Baetis rhodani - abundance nejvyšší v letech s celkově vyššími průtoky a
při výskytu sezonních povodní
 Baetis vernus - nejpočetnější v letech s povodněmi mimo obvyklé období
 vazba meziroční variability populací na klimatické cykly a cykly sluneční
aktivity
 studie na jezeře Myvatn (Island): kolísání populací pakomárů závisí na
vztahu potrava-konzument (více než predátor-kořist)
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
Příklady náhlých disturbancí
 požáry mají málo přímých vlivů na vodní bezobratlé
 výraznější jsou dopady zrychleného odtoku a eroze z odlesněného
povodí
 ke stabilizaci společenstev bezobratlých nedochází dříve než 10-15 let po
požáru
 vliv hurikánů a období sucha v tropech: dynamika/variabilita populací
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
Příklady složitých vztahů
 experimentální studie zaměřené na vztahy mezi potravními zdrojikonzumenty
a parametry prostředí (většinou krátkodobé)
 Kuparuk River (Aljaška) – 16 let trvání
 odezva bezobratlých na experimentální zvyšování živin se lišila mezi 4letým
a 16tiletým obdobím pozorování
 zpočátku zvýšení živin způsobilo zvýšení produkce na všech trofických
úrovních, ale struktura společenstev bezobratlých se změnila minimálně
 nicméně po 8-10 letech experimentu došlo ke změně dominance
nárostových společenstev (rozsivky) na převahu vodních mechů, což se
projevilo i ve struktuře bezobratlých
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
Slavik et al., 2004
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
Příklady složitých vztahů
 experimentální studie zaměřené na vztahy mezi potravními zdrojikonzumenty
a parametry prostředí (většinou krátkodobé)
 Kuparuk River (Aljaška) – 16 let trvání
 odezva bezobratlých na experimentální zvyšování živin se lišila mezi 4letým
a 16tiletým obdobím pozorování
 zpočátku zvýšení živin způsobilo zvýšení produkce na všech trofických
úrovních, ale struktura společenstev bezobratlých se změnila minimálně
 nicméně po 8-10 letech experimentu došlo ke změně dominance
nárostových společenstev (rozsivky) na převahu vodních mechů, což se
projevilo i ve struktuře bezobratlých
 projevila zpožděná reakce ekosystému na zvýšené koncentrace živin
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
Slavik et al., 2004
Jackson J.K. and Fureder L. (2006). Long-term studies of freshwater macroinvertebrates: a review of the frequency, duration and
ecological significance. Freshwater Biology 51: 591–603.
Příklady antropogenních disturbancí a obnovy
 cenná data vznikají v posledních 20-30 letech v programech
monitoringu (US EPA, WFD)
 změny klimatu často překrývají účinky degradace nebo revitalizace
ekosystémů
 potřeba revize referenčních podmínek
Studie makrozoobentosu na Rýnu (96 let, 1903-1998)
 nejprve pokles diverzity, pak návrat k původním hodnotám
 ALE: část původních druhů nebyla v současné době zaznamenána
(nahrazeny nepůvodními druhy)
 vliv propojení kanálem Rýn-Mohan-Dunaj
DLOUHODOBÉ TRENDY VODNÍCH BEZOBRATLÝCH
https://www.youtube.com/watch?v=tMe8l13nR6Q