Monitoring látkových toků tří malých povodí na Šumavě

Transkript

1 Monitoring látkových toků tří malých povodí na Šumavě Jan Procházka, Jakub Brom, Aleš Vácha a Martin Musil Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, Zemědělská fakulta, Studentská 13, České Budějovice, prochaz@zf.jcu.cz Abstrakt Tento příspěvek dokumentuje více než 15 let monitoringu tří malých povodí s různým charakterem krajinného krytu a využití území na Šumavě, v tomto případě zacílený na vodní a látkové toky. V rámci komplexního monitoringu jsme hodnotili údaje o atmosférické depozici, průtocích a chemii vody v letech 1999 až Povodí Horského a Bukového potoka s plochami lesů, luk a mokřadů zadrží v krajině více vody a ztrácí méně látek. Vyšší koncentrace dusičnanů, hydrogenuhličitanů a základních kationtů ve vodě odtékají z odvodněných pastvin na povodí Mlýnského. Celkové ztráty látek z povodí jsou dány chemismem vody a především vyšším kolísáním průtoku vody. Míra vlivu hospodaření na krajinné funkce v povodí je předmětem dalšího hodnocení a monitoringu. Klíčová slova: monitoring, látkové toky, malé povodí, průtok, hospodaření v krajině Abstract This paper documents more than 15 years of monitoring three small catchments with different land cover and land use, on the Šumava Mountains in southwest of the Czech Republic, in this case focused on the water and matter flows. In the context of a comprehensive monitoring we evaluated data on atmospheric deposition, water flow and water chemistry in the period from 1999 to Horský and Bukový catchments with forest, meadow and wetland areas, retains more water in landscape and loses less matters. High nitrate, bicarbonate and base cations concentrations in the water discharged from the drained pastures on Mlýnský catchment. Total losses of substances from the catchment are determined water chemistry and primarily high fluctuations in water flow. The degree of influence of management on landscape functions in catchment is subject to further evaluation and monitoring. Keywords: monitoring, matter flows, a small catchment, water flow, landscape management Klíčová slova: monitoring, látkové toky, malé povodí, průtok, hospodaření v krajině Úvod Základní cíl a podstata monitoringu krajiny je získat informace, které pomohou specifikovat setrvalé využívání krajiny lidskou společností. To bude možné, pokud budeme schopni dobře popsat a respektovat základní funkce a změny krajiny, na kterých se člověk svým hospodařením významným způsobem podílí. Předložený příspěvek dokumentuje více než 15 let monitoringu tří malých povodí s různým charakterem krajinného krytu a využití území, v tomto případě zacílený na vodní a látkové toky. S výběrem a prvním orientačním průzkumem modelových povodí Mlýnského, Horského a Bukového potoka v oblasti CHKO Šumava mezi přehradní nádrží Lipno a hranicí s Rakouskem se začalo v roce 1997 s cílem sledovat na povodích v podobných podmínkách vliv různého způsobu využití území a pochopit vzájemné vazby činnosti člověka v krajině a jednotlivých složek prostředí. Na povodích tak probíhá komplexní monitoring zahrnující vegetační mapování (Hakrová, Wotavová 2004), pedologické analýzy (Procházka et al. 2001, Chrastný et al. 2012), měření průtoku, sledování oživení (Hartvich et al. 2003) a jakosti povrchových vod, dálkový průzkum Země Procházka et al. 2006, vliv pastvy na kvalitu vody (Holubík, Fučík 2013), od roku 2007 monitoring místního klimatu pomocí dvou meteo-stanic (Brom, Pokorný 2009) a další. Kontinuální monitoring atmosférické depozice, 409

2 dynamiky odtoku a jakosti vody na závěrných profilech modelových povodí je prováděn od roku 1999 (Procházka 2009). Sledováním koncentrace látek ve vodě a dynamiky odtoku vody z povodí je možné odhadnout látkový odnos z krajiny. Je to jakýsi integrální parametr, ve kterém se odráží stav a procesy v povodí. Celkové hodnocení povodí proto často vyžaduje tzv. holistický přístup. Holistický koncept hodnocení krajiny formulovaný prof. Riplem (Ripl 1995, Ripl 2003) vychází z poznatků o rozdělování (disipaci) dopadající sluneční energie v ekosystémech a vývoji vegetace na evropském kontinentě od posledního zalednění. Dokazuje, že vegetace je řídícím článkem pro fungování terestrických ekosystémů a voda přestavuje medium pro přeměnu energie a pro transportní a chemické procesy (ETR model: energietransport-reakce). Koloběh vody lze považovat za energetický převaděč, který umožňuje disipaci sluneční energie a tlumení teplotních výkyvů. Kriteria, kterými lze účinnost těchto procesů v krajině hodnotit definoval jako (1) schopnost vegetace disipovat sluneční energii tj. vyrovnanost teplot povrchu (země, respektive vegetace) a (2) schopnost minimalizovat látkové ztráty (především rozpuštěné látky) v odtékající vodě. Hlavním principem holistického přístupu je pochopení toho, jak jsou jednotlivé složky krajiny vzájemně propojeny, jaké jsou jejich vzájemné vztahy. I proto je na modelových povodích uskutečňován monitoring komplexní zahrnující složky bioty, fyzikální a chemické parametry. Materiál a metody Modelová povodí Mlýnského, Horského a Bukového potoka se nachází v příhraniční oblasti tzv. lipenského pravobřežní na Šumavě, spadají do povodí Dunaje (obr. 1). Povodí Mlýnského potoka bylo v minulosti systematicky odvodněno, potok napřímen, vydlážděn a zahlouben, v roce 1998 zde proběhla revitalizaci vlastního koryta toku, odvodnění okolních pastvin zůstalo zachováno. Na povodí probíhá během letní sezóny kontinuální pastva, pastviny pokrývají 90% plochy povodí. Povodí Bukového potoka je prakticky celé zalesněno s běžným lesnickým managementem, sekundární les tvoří převážně smrkové monokultury. Povodí Horského potoka je více než z poloviny pokryto lesními porosty, z nichž menší část je s přírodě blízkou druhovou skladbou. V rámci bezlesí jsou plošně méně významné plochy extenzivně obhospodařované (kosení, pastva), na většině bezlesí v povodí probíhá postupně již prakticky od poloviny 20. století přirozená sukcese (mokřady, mezofilní lada, háje různověkých náletových dřevin apod.). Všechna tři povodí jsou srovnatelná svou rozlohou (cca 200 ha), expozicí (JV), nadmořskou výškou ( m n.m.) a klimatickými podmínkami (roční srážky cca 1000 mm, roční průměrná teplota cca 5 C), liší se především ve způsobu využití území (Procházka et al. 2006). Půdotvorné substráty jsou tvořeny převážně žulou, dále pak syenitem a dioritem. Půdy mají výraznou výškovou pásmovitost ovlivněnou terénem, chemismem mateční horniny a složením lesních porostů. Dominantní jsou zde kambizemě kyselé v různém stupni oglejení, a to zejména ve vyšších polohách, často doprovázené kambizeměmi podzolovanými a dále glejové půdy a katény těchto půd (Fučík et al. 2012, Holubík a Fučík 2013). Sledovaná oblast dlouhodobě disponuje jednou srážkoměrnou stanicí na Svatém Tomáši (972 m n. m., ČHMÚ, pobočka České Budějovice), v rámci výzkumných aktivit byla zřízena srážkoměrná stanice v osadě Pasečná (840 m n. m.), kde jsou zaznamenávány od listopadu 1999 denní srážkové úhrny a současně slévány týdenní vzorky (týdenní bulk) pro chemické analýzy atmosférické depozice. Podobně jsou odebírány vzorky i v lokalitě Niva Horského potoka (830 m n. m.) od roku Na měrných přelivech modelových povodí jsou kromě kontinuálního záznamu výšky hladiny, vodivosti a teploty vody měřeny průtoky pro kalibraci konzumpční křivky pomocí hydrometrické vrtule (mikrovrtule typu OTT C2). Současně jsou ve čtyřtýdenních (do roku 2004 třítýdenní) intervalech odebírány vzorky vody pro chemické analýzy Procházka et al Na Mlýnském potoce je pro sledování vlivu pastvy na kvalitu vody nainstalován automatický sampler pro možnost kontinuálního odběru vzorků, zejména pak v průběhu významnějších srážko-odtokových událostí. 410

3 Obr. 1: Orientační mapka a základní charakteristika modelových povodí. Pro výpočet látkových toků a bilancí jsou používána data o srážkových úhrnech, průměrných denních průtocích, přepočtených koncentracích látek ve srážkách a odtékající vodě. Změny koncentrací látek v odtékající vodě byly modelovány pomocí mnohonásobné lineární regrese s využitím zpětné selekce průkazných faktorů a jejich interakcí (průtok, teplota vody a vodivost). Pro vyloučení neprůkazných faktorů a jejich interakcí byla použita penalizace na základě Akaikeho informačního kritéria. Pro případy, kde použitá regresní analýza neposkytla průkazný výsledek na hladině průkaznosti α = 5% nebo koeficient determinace regresního modelu byl menší než 0,5, bylo pro odhad využito modelu lokálně vážené polynomiální regrese (loess model), pomocí kterého byly proloženy časové řady jednotlivých sledovaných látek. Byl využit polynom druhého stupně (kvadratický člen) s lokálním odhadem na základě parametrické metody nejmenších čtverců. Tvrdost proložení (span) byla volena v závislosti na maximálním možném odhadu pro jednotlivé parametry, který byl testován pomocí lineární regrese mezi měřenými a odhadnutými daty. Pro odhad časových změn byl použit statistický software R (R Core Team 2013). Pro výpočet látkových toků a bilancí jsou používána data o srážkových úhrnech, průměrných denních průtocích, přepočtených koncentracích látek ve srážkách a odtékající vodě. Souhrnná data byla zpracována v programech MS Excel a Statistica 7.1 (StatSoft, Inc. 2005). 411

4 Výsledky a diskuse Vzhledem k ustálenému hospodaření bez větších změn v posledních dvou desetiletích na modelových povodích Mlýnského (pastvina), Horského (krajinná mozaika) a Bukového (les) potoka, hodnotíme soubory dat o chemismu vod od roku 1999 průběžně po jednotlivých letech i souhrnně jako celek (tab. 1). Celkový obsah rozpuštěných látek vyjádřený jako elektrická vodivost vody, stejně jako průměrné koncentrace hydrogenuhličitanů (KNK 4,5 ), dusičnanů, vápníku, hořčíku, sodíku, draslíku a chloridů jsou dlouhodobě statisticky významně vyšší ve vodě Mlýnského potoka než ve vodách Horského a Bukového potoka. To je podloženo základní statistikou souboru dat o chemismu odtékající vody z jednotlivých povodí v tabulce (tab. 2), potvrzená i výsledky statistického testu. Tabulka uvádí i statistický soubor koncentrací látek ve srážkách stanovených váženým průměrem za roky ze stanice Pasečná, potažmo Niva Horského potoka. Tabulka 1: Chemismus srážek a odtékající vody na závěrných profilech, rozdílnost mezi povodími v období let (v mg.l -1, vodivost v µs.cm -1, KNK v mmol). Bukový Horský Mlýnský Srážky ANOVA N Průměr SD N Průměr SD N Průměr SD N Průměr SD F, p-level Vodivost , *** KNK(4.5) , *** ph , *** NO 3 - PO 4 3- SO ,*** , ** , ** Na , *** K , *** Ca , *** Mg , *** Cl , *** , * * průkazné na p < 0.05, ** průkazné na p < 0.01, *** průkazné na p < NH 4 + Meziroční porovnání a trendy vývoje koncentrace látek ve srážkách a odtékající vodě potvrzují rozdílnost mezi povodími u některých parametrů (obr. 2) Zřetelné je to např. u vápníku a hořčíku, u dusičnanů je navíc zřejmý i výraznější pokles v koncentraci ve vodě Mlýnského potoka. To může mít souvislost se zatravněním všech zemědělských pozemků v povodí na počátku 90. let, víceletou absencí hnojení vzniklých pastvin, či revitalizací koryta Mlýnského potoka v roce Intenzita zatížení povodí pastvou se v celkovém součtu víceméně nemění. 412

5 Obr. 2: Trendy průměrných ročních koncentrací látek ve srážkách a odtékající vodě za roky Hodnoty koncentrací látek pro dny mezi odběrovými termíny byly dopočteny pomocí regresního modelu. Výsledky regresního vztahu mezi měřenými a odhadnutými hodnotami na příkladu koncentrace NO 3 (mg.l -1 ) jsou vyjádřeny v grafu (obr. 3). Poměrně jednoduchý způsob, jak získávat kontinuálně orientační informace o množství rozpuštěných látek ve vodě je měření elektrické vodivosti vody. Navíc změny hodnot vodivosti v závislosti na průtocích mohou dobře vypovídat o hydrochemických procesech, které v povodí probíhají. V potocích Bukovém a Horském se pohybuje vodivost v nevelkém rozsahu (30-45, resp µs.cm -1 ) a její nárůst se snižujícím průtokem není příliš výrazný. Celkově vyšší hodnoty vodivosti i výkyvy jsou zaznamenávány u vody Mlýnského potoka ( µs.cm -1 ). Kontinuální monitoring pomocí měřících stanic a odpovídajících čidel tyto někdy krátkodobé výkyvy dobře podchytí i na úrovni velmi malých povodí. Na příkladu období pěti let měření na odtoku z povodí Mlýnského potoka je z průběhu křivek průměrných denních průtoků a vodivosti vody zřejmý výrazný pokles hodnot vodivosti při zvýšeném průtoku vody a postupný nárůst vodivosti při déletrvajícím bezesrážkovém období (obr. 4). Podobně jako na dalších dvou povodích je zde sledována souvislost mezi průtokem, vodivostí a 413

6 koncentrací rozpuštěných látek. Jsou zde dále studovány tyto vztahy v různých obdobích a jednotlivé srážko-odtokové epizody. Z grafu je také patrné, že výraznými vrcholy křivky průtoku zde byly zaznamenány např. povodně z konce června 2009 nebo počátkem června Obr. 3: Regresní vztah měřených hodnot NO 3 (mg.l -1 ) a hodnot odhadnutých pomocí lineárního regresního modelu (R 2 = 0,618). Obr. 4: Průměrné denní průtoky a vodivost vody měřené v závěrném profilu Mlýnského potoka v průběhu hydrologických roků 2009 až Přestože jsou za zvýšených průtoků snížené koncentrace látek ve vodě, v celkovém součtu je zpravidla odnos látek vyšší. I z tohoto důvodu je potřeba kromě monitoringu koncentrací odhadovat celkový nebo specifický odnos z povodí. Kvítek et al na základě výzkumu v povodí Želivky zdůrazňuje, že pouhé snižování koncentrace látek nestačí pro zlepšení celkové bilance, pokud nezvýšíme retenční kapacitu povodí především zvýšením retence půdy. Změny v hodnotách odnosů látek korespondující s výší celkového odtoku vody je dokumentován na příkladu Mlýnského potoka a ve vodě rozpuštěných iontů dusičnanu, fosforečnanu a vápníku (obr. 5). 414

7 Obr. 5: Specifický látkový odnos iontů dusičnanu, fosforečnanu a vápníku za jednotlivé měsíce v hydrologických letech 2009 až 2013 z povodí Mlýnského potoka (kg.ha -1 ). Vyšší měsíční odnos látek se projevuje díky vyššímu odtoku opět na jaře, v celkovém součtu pak za sledované hydrologické roky to bylo v průměru z 1 ha povodí Mlýnského potoka přibližně 30 kg NO 3 -, 40 kg Ca 2+ a 0,3 kg PO 4 3-, u povodí Horského a Bukového potoka je to kolem 10 kg NO 3 - a Ca 2+ a přibližně 0,3 kg PO Závěr Na modelových povodích Mlýnského, Horského a Bukového potoka je pomocí monitoringu parametrů prostředí hodnocen vliv různého způsobu využití území. Monitoring vodních a látkových toků v modelových povodích přináší zejména v kombinaci s analýzou vegetačního krytu, hospodářských aktivit v území, půdních vlastností, energeticko-disipačních funkcí prostřednictvím pozemního sledování a dálkového průzkumu Země cenné informace pro pochopení fungování jednotlivých krajinných složek i povodí jako celku. V zemědělském povodí Mlýnského potoka je navíc pomocí monitoringu hodnocen vliv pastevního hospodaření na kvalitu vody a sledován vývoj po revitalizaci potoka. Z výsledků monitoringu látkových toků vyplývá, že odvodněné pastviny v povodí Mlýnského potoka zadržují méně vody, naopak ve srovnání s ostatními ztrácí odnosem podstatně více látek. Prokazatelně se zde projevuje rozdíl v odnosu látek z povodí u dusičnanu, vápníku, hořčíku, draslíku, sodíku, chloridu a hydrogenuhličitanu. V porovnání s povodími Horského a Bukového potoka je zde zřejmý vliv odvodnění a pastevního hospodaření. Míra ovlivnění je předmětem dalšího výzkumu a hodnocení dat dlouhodobého monitoringu. Poděkování Příspěvek vznikl s podporou NAZV MZe ČR projektu č. QH111C

8 Literatura Brom J., Pokorný J. (2009): Temperature and humidity characteristics of two willow stands, a peaty meadow and a drained pasture and their impact on landscape functioning. Boreal Environment Research, 14: Fučík P. et al. 2012: Průběžná zpráva za rok 2012 k projektu QI111C034, Vliv pastvy hospodářských zvířat na půdní vlastnosti, množství a jakost vody a druhovou biodiverzitu v krajině, VUMOP, Praha. Hakrová P., Wotavová K. (2004): Změny druhového složení a struktury druhově chudých travních porostů v závislosti na managementu. In: Dvořák L., Šustr P. (ed.): Sborník z konference Aktuality šumavského výzkumu II, Srní, , pp. Hartvich, P., Dvořák, P., Procházka, J. (2003): Formování ichtyofauny Mlýnského potoka po provedené revitalizaci a po povodni v srpnu Collection of scientific paper, Faculty of Agriculture in České Budějovice: series for animal sciences. Vol. 20, 2003/2, Holubík O., Fučík P. (2013): Vliv pastvy skotu na utváření zásob půdní organické hmoty a stabilitu půdní struktury. Výzkum v chovu skotu/cattle Research, 2/2013, 2 8. Chrastný, V., Komárek, M., Procházka, J., Pechar, L., Vaněk, A., Penížek, V., Farkaš, J. (2012): 50 years of different landscape management influencing retention of metals in soils. Journal of Geochemical Exploration 115, Procházka,J., Hakrová, P., Pokorný, J., Pecharová,E., Hezina, T., Šíma, M., Pechar, L. (2001): Effect of different management practices on vegetation development, losses of soluble matter and solar energy dissipation in three small sub-mountain catchments. In: Vymazal, J. (ed.): Transformations of Nutrients in Natural and Constructed Wetlands, pp, Backhuys Publishers, Leiden, The Netherlands. Procházka J., Hakrová P., Hartvich P., Pokorný J. Sr., Pechar L., (2005): Mlýnský potok restoration: 5-years evaluation. In: VYMAZAL, J. (ed.): Natural and Constructed Wetlands, nutrients, metals and management. Backhuys Publishers, Leiden, The Netherlands, 82-90pp. Procházka J., Včelák V. Wotavová K., Štíchová J., Pechar L. (2006): Holistic concept of landscape assessment: case study of three small catchments in the Šumava Mountains. Ekológia (Bratislava), 25 (Suppl. 3): Ripl, W. (1995). Management of water cycle and energy flow for ecosystem control: The energytransport-reaction (ETR) model. Ecological Modelling, 78, Ripl W. (2003): Water: the bloodstream of the biosphere. The Royal Society, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 358: R Core Team (2013). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. URL STATSOFT, INC. (2005). STATISTICA (data analysis software system), version