hydrobiologie

HYDROBIOLOGIE
Výzkum přírodních horských ekosystémů:
Vzájemné vztahy mezi atmosférou, půdou,
vegetací a vodou.
Jiří KOPÁČEK
Biologické Centrum AVČR, Hydrobiologický ústav
Jihočeská univ., Přírodovědecká fakulta
Ekosystém:
Definice pojmů
Obecné označení pro ucelenou část
biosféry, ve které studujeme vzájemné vztahy mezi
živými i neživými součástmi (např. oceán, pohoří, louka,
či trávicí trakt). Ekosystém je vždy třeba chápat jako
otevřený a komunikující s ostatními částmi přírody.
Výzkum:
Aktivní, vytrvalý a systematický proces
bádání s cílem objevit, interpretovat nebo přepracovat
fakta. Hlavní oporou výzkumu jsou vědecké metody.
Věda: Systematický způsob racionálního poznávání
skutečnosti. Cílem je získat znalosti pomocí pozorování
a dedukce na základě dosud známých poznatků.
Znalosti, fantazie, pochybnosti
Proč? & Je tomu skutečně tak?
Specializovaný vs. celoekosystémový výzkum
Specializovaný výzkum se zabývá detailním studiem
dílčích částí zdánlivě uzavřených, stabilních ekosystémů.
Dílčí ekosystémy nejsou izolovanou statickou lokalitou a
vnější vlivy jako globální změny a lidská činnost je
propojují a mění. Pochopení vlivu těchto změn vyžaduje
celoekosystémový přístup a studium širších souvislostí.
K pochopení budoucího vývoje ekosystém musíme znát
pravidla, podle kterých se měnil dosud.
Nástroje ke studiu historie
ekosystémů
•Dendrochronologie
•Palaeoekologie, palaeolimnologie a
palaeoklimatologie
.
•Dynamické modelování
Dendrochronologie
(z řeckého „déndron’’= strom, „chrónos’’ = čas a „logie’’ = věda)
Vědecká metoda založená na analýzách letokruhů
dřeva. Umožňuje určit stáří dřeva a klimatické a
chemické změny životního prostředí.
Nejdelší známá souvislá řada je 11 000 let dlouhá.
Palaeolimnologie
(z řeckého „paleon’’= starý, „limne’’ = jezero a „logie’’ = věda)
Vědecká metoda datování jezeních sedimentů. Z jejich
chemického složení a obsahu rostlinných a živočišných
zbytků lze rekonstruovat časový vývoj klimatu a
chemismu prostředí a odpovídající změny životního
prostředí (oživení jezer, vegetace v povodí).
Palaeoklimatologie
Vědecká metoda umožňující rekonstrukci složení
srážkové vody (např. obsah prachu, CO2 a izotopů O2)
a tím i klimatu na základě složení ledu (Antarktida,
Grónsko, vysokohorské ledovce).
Dynamické modelování
80
Vědecká metoda rekonstrukce historických změn
6.0
80
ekosystémů a předvídání
jejich budoucího
vývoje.
pH
120
7.0
120
NO3- (µeq l -1)
SO4
2-
-1
(µeq l )
160
Cílem je napodobit
systému.
5.0
40 chování zkoumaného
40
20
Al (µmol l -1)
140
H+ (µeq l -1)
-1
Base cations (µeq l )
Modelovaný systém lze formálně popsat matematickými
0
4.0
0
a
fyzikálně-chemickými
rovnicemi,
ověřit
pomocí
1850 1900 1950 2000 2050
1850 1900
1950 2000 2050
1850 1900 1950 2000 2050
naměřených
dat a následně
simulovat jeho
vývoj podél
30
180
30
časové osy, například na počítači.
20
Modely pomáhají vysvětlit chování ekosystémů a
studovat
vliv změn jejich
dílčích částí na10 jejich minulý a
100
10
budoucí vývoj.
60
1850 1900 1950 2000 2050
0
1850 1900 1950 2000 2050
Vývoj chemismu Černého jezera (Šumava)
John William Waterhouse
0
1850 1900 1950 2000 2050
Globální změny
Eutrofizace:
Zvyšování koncentrace prvku litujícího
rozvoj ekosystému.
Acidifikace
(okyselování): Zvyšování koncentrace
H+ iontů, často provázené zvyšováním iontových,
toxických forem Al v půdách a vodách ekosystému.
Klimatické změny:
Nárůst teploty a frekvence
výskytu extrémních klimatických jevů.
Eutrofizace - vnášení ţivin do ekosystému
(P & N)
Intenzifikace zemědělství
80
5
70
4
NO3-N
60
50
3
2
P
40
30
1960
1970
1980
1990
Rok
2000
1
0
2010
Vltava, nádrž Slapy, 1959-2005
NO3-N (mg/L)
P (µg/L)
Komunální vybavenost
Acidifikace - dálkový přenos sloučenin S a N
Oxidace vzdušného
N2 při teplotách
>1000 °C
NOx Gg cell-1
SO2 Gg cell-1
=0
0.3-3
0.0-0.003
3-10
0.003-0.03
10-30
0.03-0.3
30-3000
Oxidace S
obsaţené v palivu
=0
0.3-3
0.0-0.003
3-10
0.003-0.03
10-30
0.03-0.3
30-900
Celosvětové antropogenní emise Nr do atmosféry
Jednotlivé zdroje Nr
3000 BC 1000 1700 1913 1980
30
Nr emise (Tg yr
-1
)
25
20
15
2000
.
PHZ
LIV
ASH
FER
L&DZ
H&P
SZO
AWB
VLS
FSB
SFP
FFC
ASH = Aplikace syntetických hnojiv
.
(1913, Haber-Bosch syntéza
.
NH3 ze vzdušného N2)
L&DZ = Lidé a domácí zvířata
.
10
SZO = Spalování zemědělského
.
odpadu
5
0
10000
PHZ = Produkce hospodářských
.
zvířat (skot, prasata, drůbeţ)
VLS = Vypalování lesa a savan
1000
100
10
Rok před současností
1
SFP = Spalování fosilních paliv
(Rok 1 = 2000; 1 Tg = 1012 g)
Většina antropogenních emisí Nr na Zemi pochází z
výroby potravin a energie
Historie zemědělství a emise Nr
Ţárové hospodářství
(slash-and-burn)
Časové
50
období
40
80003000 BC
30
Nr emise (kg obyvatel-1 yr-1) .
Hlavní zemědělský
systém
Populace
(milión)
1750
Úživnost
(lidé km–2)
414
10-30
Ţárové
hospodářství
Úhory, kultivace s
3000 BC14100-250
rádlem & zavlaţovací
20
1000 AD
256 Úhory &
systémy
zavlaţovací
Úhory, kultivace s
256- systémy
1000
10 ADNěkolik set
pluhem a zvířaty
790
1750
& trojpolný systém
0
Bezúhorový systém &
7901750Několik
-8000 -6000 -4000 -2000
0 tisíc
2000
průmyslová podpora
6070 Rok
2000
Klimatické změny
Globální oteplování
=
Teplota
CO2
Dlouhodobý vývoj průměrné povrchové teploty Země
Vývoj teplot vzduchu na Šumavě
9 °C
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
(Kettle et al., 2003)
7 °C
Roční průměr
Dlouhodobý průměr
Poly. (Roční průměr)
5 °C
3.4 °C
1.7 °C
2100
2000
1980
1960
1940
1920
1900
1880
1860
1840
1820
1800
3 °C
1780
Teplota vzduchu (°C)
Průměrná roční teplota vzduchu
Čertovo jezero ~1020 m n.m.
Očekávaný nárůst teploty do 2100 je o 3.5-5 °C
Čertovo jezero
1903
Zoologická stanice
Černé jezero (1892–1896)
Černé jezero
1900
Prof. Antonín Frič, ~1900
HistorieC,současných
šumavských
ekosystémů
Obsah
Fe a Al v sedimentu
Plešného
jezera
začíná s koncem poslední doby ledové
C (mol kg -1)
Atmosférická 0
acidifikace 0
10
20
30
Fe (mol kg-1) Al (mol kg -1)
0.0
0.2
0.4
0.0
1.0
2.0
2
100
Depth (cm)
4
6
200
10
Fe
FeOX
Al
AlOX
103 yr BP
300
8
400
Vytvoření trvalé a stabilní půdy a vegetačního pokryvu v povodí
Pylové analýzy sedimentu Plešného
jezera (Jankovská, 2006)
5500 let
8000 let
14700 let
Emise sloučenin S a N v České republice
30
SO2-S
SO2-S
NOx-N
NOx-N
NH3-N
NH3-N
100
20
60%
90%
50
0
1850
10
50%
0
1900
1950
Year
2000
N emission (kg ha-1 yr-1)
S emission (kg ha-1 yr-1)
150
SO2: snížení výroby
energie a odsiřování
NOx: snížení výroby
energie a optimalizace spalování
NH3: nižší produkce
skotu
a
spotřeba
syntetických hnojiv
Modelování změn chemismu
Černého jezera (MAGIC)
.
Planktonní
korýši
0 3
1850 1900 1950 2000 2050
6.0
H (µeq l )
-1
4.5
10
5.0
4.0
1850 1900 1950 2000 2050
30
5.0
4.0
1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010
60
Rok
1850 1900 1950 2000 2050
6.0
0
5.5
1850 1900 1950 2000 2050
20
Ceriodaphnia quadrangula
+
100 0
40
30
180 2
140 1
6.5
Al (µmol l -1)
4
40
pH
80
pH
80
5
NO3- (µeq l -1)
120
7.0
7.0
pH
120
6
planktonních korýšů
-1
2-
-1
Base cations (µeq lPočet
)
SO4 (µeq l )
druhů
160
0
1850 1900 1950 2000 2050
20
10
0
1850 1900 1950 2000 2050
Analýzy letokruhů smrků a půdní chemismus
Kyselý stres
4.7
100
4.7
80
4.6
4.6
4.5
4.5
60
pH
Al
40
20
4.4
0
1870 1890 1910 1930 1950 1970 1990 2010
Rok
Al (µmol l -1) .
pH půdní vody .
Ţádný nebo
malý stres
Zdravotní stav
smrků byl
negativně ovlivněn
okyselením půd a
růstem koncentrací
toxických forem
hliníku od 50. let
20. století.
Bezprostřední
příčinou těchto
změn bylo
znečištění
atmosféry
1. Acidifikace
• Les, půdy i povrchové vody Šumavy
byly silně postiženy acidifikací a tento
stres vyvrcholil v 80. letech 20. století.
• Nyní se les i chemismus a oživení
jezer úspěšně zotavují.
• Tento proces je však pomalý, potrvá
desítky let a patrně neproběhne úplně.
2. Klimatické změny
Klimatické změny mohou mít na některé
•Průměrná roční teplota vzroste na
složky šumavských ekosystémů ještě
Šumavě
do
konce
století
na
7-8.5
°C.
závažnější dopad než měla acidifikace.
.
•Bude méně sněhu v zimě, extrémní
sucha v létě a více vichřic.
.
•Vliv na les: Větší stres pro smrk, více
generací škůdců.
.
•Vliv na půdu a vodu: Větší mineralizace
půd, zvýšené vyplavování NO3-.
.
Disturbance – polomy, těžba,
kůrovcová kalamita ...
2007
Plešné jezero 2004
Vyplavování SO42- a NO3- z půd
1986 & 1996 – studené zimy
2004 – extrémně suché a teplé léto 2003
2005-2006 – kůrovcová kalamita
CT
1986
180
NO3- export (mmol m -2 yr -1)
SO42- export (mmol m-2 yr-1)
150
1996
100
1:1
50
1960
2007
2010
2050
1900
1850
0
0
50
100
S deposition (mmol m-2 yr-1)
150
2007
PL
1986
2005
2004
120
1996
60
1:1
1961
1936
0
0
60
120
180
NO3-N + NH4-N deposition
(mmol m-2 yr-1)
V současné době odnos Ali ze šumavských
povodí především závisí na exportu NO3150
Kůrovcová kalamita
125
1 mg L-1
200
100
SO42-
Ali
150
75
100
50
50
25
Oct.08
Oct.07
Oct.06
Date (Month-Year)
Oct.05
0
Oct.04
Oct.02
Oct.01
Oct.00
Oct.99
0
Oct.03
NO3Oct.98
Ali (µeq L-1)
250
Oct.97
NO3- & SO42- (µeq L-1)
300
Hlavní povrchový přítok do Plešného jezera
80
600
60
TON
400
40
TP
200
20
0
30
20
+
Mg
2+
98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
Date (yr)
Hlavní povrchový přítok do Plešného jezera
10
0
-1
Mg , K (µeq L )
60
40
98 99 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
50
Date (yr)
+
K
2
40
Ca
+
100
80
0
2+
2+
-1
Ca (µeq L )
0
20
TP (µg L-1 )
800
-1
TON (µg L )
Zvýšený odnos NO3- z povodí zvyšuje ztráty
dalších lesních živin (K, Mg, Ca, N, P)
Stromy
Podrost
Půdy
výměnné
Půdy celk.
t ha-1
Zásoby ţivin v povodí Čertova jezera (t ha-1)
C
162
219
4
N
8.2
1.0
0.11
P
1.7 0.6 0.07 0.01
Ca 2.5 0.2 0.6
0.02
Mg 8.0 0.05 0.1
0.01
K
0.03
18 0.2
0.4
Nový les bude mít nedostatek ţivin
Plešné jezero 2011
Plešné jezero 2010
Plešné jezero
jezero 2007
2005
Plešné
Plešné jezero 2009
Plešné jezero 2011
Usychám, rozpadám se , ale
žiju
Rachelsse
Kůrovcová kalamita v létě 1999
Dlouhodobý trend koncentrací SO42-, NO3-,
Ca2+ a Al v Rachelsse
1200
NO3
SO42-
-
900
Al (µg L-1)
120
Al
80
600
2+
Vliv kůrovcové kalamity
2010
2008
2006
2004
2002
Year
2000
0
1998
1992
1990
1988
1986
0
Ca
1996
300
1994
40
1984
SO42-, NO3-, Ca2+ (µeq L-1)
160
JAKÁ JE BUDOUCNOST ŠUMAVSKÝCH
LESŮ?
Ohroženo je pouze stromové patro v
současné podobě!
Lesní ekosystém Šumavy se nepřetržitě vyvíjí
již 10 tisíc let a po celou dobu (s výjimkou
posledních 2 století snah o jeho přeměnu na
hospodářský les) závisí jeho stav především
na klimatu a chemismu atmosféry a půd.
I budoucí vývoj bezzásahových lesních
ekosystémů bude závislý na těchto faktorech,
pokud mu to lidská chamtivost umožní.
Koloběh prvků v ekosystémech není izolován, ale
propojen jako ozubená kola hodin
N
P
H
N
Ca
Mg
CDěkuji za pozornost
N
Al
S
P
K
H-M
Výzkum
globálních
změn
objevil řadu
mezi
Jeden
prvek
můţe
ovlivnit
koloběh
řadypropojení
dalšíchaprvků
vkoloběhy
systému
Pochopení
funkce
aacidifikcae,
relativní
významnosti
jednotlivých
Globální
změny
jako
eutrofizace
změna
klimatu
Koloběh
dusíku
vi “časovou
půdách adílčích
vodáchprocesů
není
izolován.
mnoha
prvků
a kapacitu
podtrhl
nezbytnost
porozumět
celému
amohou
změnit
jeho
chování
(tj.
odchylku
hodin”)
v SYSTÉMU,
porovnání
ovlivnit
intenzitu
v ekosystému,
ozubených
kol
v
“ekosystémových
hodinách”
je
Koloběh dusíku
je
propojen
s
ostatními
cykly
prvků
(P,
C).
spíše
neţ
jeho
izolovaným
částem.
s
předchozím
stavem.
tj. poloměr a rychlost
otáčení
jednotlivých
ozubených
kol vv
nejdůleţitějším
cílem
budoucího
výzkumu
procesů
Zdá se, ţe jsme “environmentálních
na správné cestě k hodinách”.
tomu, abychom poskládali
komplexních
systémech
jednotlivá ozubená
kola atmosféra-půda-vegetace-voda.
do “ekosystémových hodin”.