Přirozené a antropogenní faktory ovlivňující kvalitu vody a diverzitu společenstva vodního hmyzu v tocích na území NP a BR Šumava

Transkript

1 AKTUALITY ŠUMAVSKÉHO VÝZKUMU s Srní dubna 2001 Přirozené a antropogenní faktory ovlivňující kvalitu vody a diverzitu společenstva vodního hmyzu v tocích na území NP a BR Šumava Jana Růžičková, Ivana Očásková, Libuše Benešová & Ivo Hlásenský Ústav pro životní prostředí, Přírodovědecká fakulta UK, Benátská 2, CZ Praha 2, Česká republika Úvod Národní park Šumava vytváří společně s Bavorským lesem středoevropský komplex mezinárodního významu. Území NP je málo obydlené a antropogenní činností relativně slabě zasažené. Šumava tvoří hlavní evropské rozvodí mezi Severním a Černým mořem a je chráněnou oblastí přirozené akumulace povrchových vod. Významným krajinným prvkem jsou mokřadní systémy (rašeliniště) s unikátními společenstvy. Šumava je velmi cennou oblastí z hlediska biodiverzity. Z vodního hmyzu se zde vyskytuje 64 % fauny ČR a 40 % středoevropské fauny (SOLDÁN & al. 1996). Ve vyšších nadmořských výškách se ve vodních ekosystémech projevuje dlouhodobý vliv kyselé depozice. V souvislosti s poklesem emisí dochází ve srážkách k poklesu koncentrací aniontů silných kyselin i obsahu bazických kationtů. Důsledkem jsou poměrně rychlé změny chemismu povrchových vod (jezer) v oblasti Šumavy i v dalších horských ekosystémech (VESELÝ 1996, KOPÁČEK 1997, KOPÁČEK & HEJZLAR 1998). V jarním období však i nadále determinuje výskyt bioty v tocích vyšších poloh silná epizodická acidifikace. V nižších polohách se pak uplatňují spíše vlivy spojené s osídlením a zemědělskou činností. Vodní ekosystémy jsou integrální součástí krajiny a citlivě reagují na probíhající přirozené i antropogenní změny. Ideálním indikátorem integrity akvatického prostředí je vzhledem ke svému významnému postavení ve většině procesů probíhajících ve vodním ekosystému společenstvo makrozoobentosu (HELLAWELL 1986, ROSENBERG & RESH 1993, PETTS & CALOW 1996, HAUER & LAMBERT 1996). Studiem makrozoobentosu ve vztahu k acidifikaci se zabývá řada autorů (HERMANN & al. 1993, HERMANN & SVENSSON 1995, HARRIMAN & al. 1995, TURNBULL & al. 1995, SOULSBY & al. 1995, RADDUM & SKJELKVALE 1995, OLOFSSON & al. 1995, HAVAS & al. 1995, HÄMÄLAINEN & HUTTUNEN 1998, etc.) Lesní porosty tvořily v NP Šumava donedávna jeden z nejrozsáhlejších středoevropských komplexů. V posledních 10-ti letech je však v příhraniční oblasti zcela zásadním problémem masové odumírání smrkových monokultur v důsledku kalamitního rozvoje kůrovce a následné odlesňování. V současnosti je velmi silně zasažena i pramenná oblast Vydry. V důsledku odumírání porostů a odlesňování dochází v terrestrickém a akvatickém prostředí k narušení biogeochemických cyklů, hydrologie i ekologie (LIKENS & BORMANN 1979) 70

2 Hlavní směry probíhajícího a plánovaného výzkumu Výzkum kvality vody a diverzity společenstva vodního hmyzu probíhá v oblasti NP Šumava od roku 1994 na 10-ti lokalitách toků v povodí Vydry a Křemelné, zpravidla ve třech sezonních aspektech (jarním, časně letním a letně-podzimním). Od roku 1998 je aplikován rozšířený monitorovací program. V povodí Vydry byly zahrnuty do výzkumu toky v nadmořské výšce 650 > 1000 m n. m. (Modravský, Roklanský, Hamerský, Hrádecký, Vydra), v povodí Křemelné pak ve výškovém pásmu m n. m. (Křemelná, Prášilský, Slatinný, Jezerní). Výzkum byl podporován granty GEF ( ), GUK ( ) a FRVŠ (1998). Výsledky byly publikovány formou závěrečných zpráv i v odborném tisku (RŮŽIČKOVÁ 1996, 1997, 1998, RŮŽIČKOVÁ & al. 1998, 1999, RŮŽIČKOVÁ & KOTRBOVÁ 2000, RŮŽIČKOVÁ & al. 2000). V rámci výzkumu bioty v tocích je sledováno zastoupení jednotlivých taxonů vodního hmyzu. Jako odraz celkového stressu ve vodním prostředí je stanovován index diverzity společenstva a jako míra případného organického zatížení lokalit saprobní index. Dále je sledováno zastoupení funkčních trofických skupin (gild) ve společenstvu vodního hmyzu, které reagují na změny v potravní základně a odrážejí tak i vztahy mezi povodím a land-use. Pozornost je věnována také ichtyofauně, protože ryby (zejména pstruh) jsou konečnými predátory v trofických sítích těchto ekosystémů. Z abiotických ukazatelů jsou zkoumány hlavní charakteristiky habitatu (např. nadmořská výška, morfologie toku, ev. hydrologické parametry) a analyzovány vybrané fyzikálně-chemické parametry kvality vody základní ukazatele (teplota, ph, vodivost, CHSK Mn ), anionty (NO 3-, SO 4, Cl - 3-, PO 4 ), kationty (Ca 2+, Mg 2+, Na +, K + ). Příležitostně jsou stanovovány speciální ukazatele (koncentrace Al ve vodě a obsah vybraných kovů v sedimentu Zn, Cd, Cr, Mn, Ni, Cu, Pb). Fyzikálně-chemické ukazatele kvality vody vypovídají o přirozených i antropogenně podmíněných změnách ve využívání krajiny. V rámci výzkumu jsou analyzovány případné negativní vlivy v povodí toků. Získaná data budou podkladem pro model dlouhodobého vývoje kvality vody a bioty v lotických ekosystémech oblasti. V konečné fázi výzkumu je plánováno i využití GIS. V souladu s trvale udržitelným hospodařením v území budou navržena opatření pro ochranu kvality vody v oblasti NP Šumava a bude předložena strategie ochrany biodiverzity. Antropogenně relativně málo ovlivněné lokality toků NP Šumava, s vysokou přirozenou biodiverzitou vodního hmyzu, mohou sloužit jako referenční lokality při posuzování více znečištěných toků na území našich CHKO i BR. Např. toky Křivoklátska a Českého krasu 3- mají řadu ukazatelů kvality vody několikanásobně vyšší (NO 3-, PO 4, Cl - ) a v některých případech i o několik řádů vyšší (např. vodivost). V NP a BR Šumava zatím zcela chybí komplexnější informace o vlivu změněných podmínek v terrestrickém prostředí v důsledku velkoplošného kalamitního rozvoje kůrovce na chemismus, biotu a ekologické procesy probíhající v acidifikovaných tocích. Výzkum následků kůrovcové kalamity pro terrestrické i akvatické prostředí představuje bezesporu jednu z hlavních priorit výzkumu na území NP a přes řadu negativních souvislostí i ojedinělou možnost experimentování v přírodních podmínkách. Naznačíme-li další směry výzkumu sledování depozice na volných plochách a ve zdravých i do různé míry poškozených porostech, výzkum procesů spojených s funkcí korunového i kořenového systému zdravých a různě poškozených porostů a zejména sledování vlivu narušených biogeochemických a hydrologických podmínek v terrestrickém prostředí na vodní ekosystémy, je patrné, že komplexní a mnohaoborový výzkum, který postihne procesy vzduch les půda voda je v současnosti zcela nezbytným předpokladem pro řízení i využívání lesních a vodních zdrojů na území NP Šumava. Této problematice je v řadě zemí Evropy i Ameriky, v širším nebo užším kontextu, věnována značná pozornost (LIKENS & BORMAN 1979, CRONAN 1984, GUNDERSEN 1995, MIT- 71

3 CHELL & al. 1995, LÖFGREN & KVARNÄS 1995, REYNOLDS & al. 1995, FRANSMAN & NIHLGARD 1995, CUMMINS & al. 1995, MATZNER & MURACH 1995, HANSEN 1995, MITSCHULLAT & al. 1995, PARDO & al. 1996, FLUM & NODVIN 1996, SULLIVAN & al. 1999, etc.). Vybrané výsledky výzkumu Průměrné hodnoty ph se v tocích povodí Vydry a Křemelné v letech pohybovaly mezi 6,1 6,8, s vyjímkou dvou nejvýše položených lokalit Modravského potoka, kde byly nižší (5,3). Výrazné byly rozdíly zejména mezi jarními hodnotami ph a hodnotami zjištěnými ve druhé části sezóny. V obou povodích se průměrné jarní hodnoty ph pohybovaly mezi 5,3 6,8 a v Modravském potoce pak mezi 4,3 4,5. Minimální jarní hodnoty ph klesají v Modravském potoce až na 4,0, zpravidla v závislosti na rychlosti tání a výšce sněhové pokrývky. Také v Roklanském potoce mohou jarní minima ph klesat až na 4,5. V povodí Křemelné byly zaznamenány poklesy na 4,8 pouze v Jezerním potoce. Jarní epizodickou acidifikaci lze považovat za hlavní faktor determinující výskyt populace vodního hmyzu, zejména ve vyšší nadmořské výšce. Letní i podzimní hodnoty se v obou povodích pohybují v rozmezí 6,3 7,0, v Modravském potoce jsou však opět nižší (5,5 5,9). Poklesy ph pod hodnotu 5,0 jsou spíše ojedinělé a zpravidla provázejí srážky přívalového charakteru. Průměrné hodnoty vodivosti byly v obou povodích v letech srovnatelné a pohybovaly se mezi 17,5 38,5 / us.cm -1. Nejvyšší vodivost byla typická pro Křemelnou a Slatinný potok (povodí Křemelné), kde se pravděpodobně uplatňuje i vliv geologického podloží (maxima okolo 45 / us.cm -1 ), a dále i pro nejvíce antropogenně ovlivněný Hrádecký potok v povodí Vydry (maximum až více než 50 / us.cm -1 ). V nejvýše položené lokalitě Modravského potoka byly hodnoty vodivosti mírně zvýšeny (odumírání porostů). Jarní hodnoty vodivosti bývají zpravidla nejnižší z celé sezóny, ale vyjímkou je právě výše zmíněná lokalita Modravského potoka a Hrádecký potok. Zkoumané lokality v povodí Vydry se nacházejí v nadmořské výšce m n. m., v povodí Křemelné pak mezi m n. m. Vztah mezi nadmořskou výškou a průměrnými hodnotami ph je v obou povodích signifikantní (r = 0,724, sig. < 0,02). Průtoky jsou v zájmové oblasti pravidelně měřeny ČHMÚ na profilech Modravského potoka (Modrava) a Hamerského potoka (Antýgl). V letech je vztah mezi jednotlivými hodnotami průtoku a ph vysoce signifikantní pouze v acidifikovaném toku (r = 0,585, sig. < 0,05). Korelace mezi vodivostí a nadmořskou výškou nebyla zaznamenána, zřejmě proto, že tento parametr je více ovlivněn působením dalších faktorů (viz výše). Vztah mezi vodivostí a průtokem je významný pouze v Hamerském potoce (r = 0,587, sig. < 0,05). V tocích povodí Vydry a Křemelné bylo determinováno do roku 1999 téměř 80 taxonů (převážně druhů) vodního hmyzu. Taxonomicky byly nejbohatší toky Hrádecký, Vydra, Křemelná a Slatinný. Mezi zajímavé nebo vzácné nálezy patří např. Amphinemura triangularis, Nemoura mortoni, Rhabdiopteryx neglecta, Siphonoperla montana (Plecoptera), Ecdyonurus submontanus, Rhitrogena loyolaea (Ephemeroptera) a Chaetopteryx major (Trichoptera). Průměrná diverzita společenstva vodního hmyzu se ve většině toků v 1. etapě výzkumu ( ) pohybovala mezi 2,4 2,8, ve 2. etapě ( ) pak mezi 2,5 3,1. V acidifikovaných tocích byla diverzita nižší a dosahovala hodnot 1,5 2,0. I přes podrobnější determinaci ve 2. etapě sledování a sezonní rozdíly mezi odběry byly průměrné hodnoty diverzity v 7 tocích v obou letech srovnatelné (odlišnost o 0,1 0,2, pouze u jediné lokality o 0,3). Větší rozdíly však byly zjištěny v Jezerním potoce (D = 1,2 oproti 2,1) a Křemelné (2,4 oproti 3,3). V Křemelné odpovídá diverzita vodního hmyzu v 1. etapě výzkumu hodnotě zjištěné SOLDÁ- NEM & al. (1999) v 90. letech pro Ephemeroptera. Nejvyšší indexy diverzity byly typické 72

4 v povodí Křemelné pro toky Křemelná a Slatinný, v povodí Vydry pak pro toky Hamerský, Hrádecký a Vydru. Zjištěné hodnoty diverzity, celkový a průměrný počet taxonů v obou etapách výzkumu korelovaly s ph, vodivostí a nadmořskou výškou (např. diverzita s ph r = = 0,709, sig. > 0,001 a diverzita s vodivostí r = 0,659, sig. < 0,01). Při stanovení zastoupení funkčních trofických skupin (gild) vodního hmyzu (ALLAN 1995, HODOVSKÝ 1999) bylo zjištěno, že v obou povodích v tocích dominují grazers (33,7 52,4 %). Tito herbivoři jsou však méně zastoupeni na nejvíce acidifikované lokalitě Modravského potoka a v Jezerním potoce, dále v zastíněném peřejnatém Hamerském potoce a pravděpodobně vzhledem k specifickému charakteru dna i ve Vydře. Naopak zcela dominují v prosvětleném, pomalu tekoucím a úživnějším Slatinném potoce. Ve většině toků jsou hojněji zastoupeni predátoři. V nejvýše položených tocích nabývají na významu shredders (herbivoři i detritivoři), kteří příjmají jako potravu hrubou partikulovanou organickou hmotu (CPOM) a naopak v níže položených lokalitách stoupá podíl detritivorních collectors-gatherers, jejichž hlavním potravním zdrojem je jemná organická hmota (FPOM). Collectors-filterer se uplatňují v malé míře a více se vyskytují na níže položených lokalitách. Kategorizace toků Kategorizace zkoumaných lokalit toků vychází z kombinace několika významných faktorů (převažující antropogenní vliv, nadmořská výška, chemismus, specifické rysy bioty). V epizodicky silněji acidifikovaných tocích (na acidifikaci se kromě organických kyselin podílejí zejména NO 3 - ), které se nacházejí v obou povodích v nejvyšší nadmořské výšce se kromě globálního vlivu uplatňují i vlivy lokální (často však i velkoplošného charakteru), které jsou důsledkem převážně minulých (Jezerní p.) nebo i současných změn (Modravský a Roklanský p.) v lesních porostech. Tato kategorie toků je charakterizována: 1. nižšími hodnotami ph a zpravidla i vodivosti 2. vyššími hodnotami CHSK (kromě Jezerního p.) 3. vyšším obsahem NO 3-, ale naopak nižšími koncentracemi SO 4 a Cl - 4. nižší hodnotou sumy bazických kationtů 5. nižším obsahem Zn a Cd v sedimentu, ale vyššími obsahy Al ve vodě 6. nižší diverzitou i počtem taxonů ve společenstvu vodního hmyzu 7. redukcí zastoupení skupiny Ephemeroptera a posílením skupiny Diptera 8. z hlediska zastoupení funkčních trofických skupin (gild) vyšším zastoupení shredders a nižším podílem collectors-gatherer Vyšší hodnoty CHSK pravděpodobně souvisejí s rozkladem organické hmoty v rašeliništích, která tvoří rozsáhlé systémy zejména v pramenné oblasti Vydry. Vyšší koncentrace NO 3 - jsou zřejmě důsledkem jejich zvýšeného podílu v atmosférické depozici a snížení biospotřeby při stárnutí ekosystémů i při odumírání porostů. Nižší obsahy SO 4 jsou pravděpodobně způsobeny jejich poklesem v atmosférické depozici, poklesem zachycení v poškozených porostech i vyšší adsorpční kapacitou šumavských půd HRUŠKA & MAJER (1996). Snížené obsahy BK a zvýšené koncentrace Al jsou důsledkem dlouhodobé acidifikace toků. V níže položených tocích obou povodí má antropogenní působení komplexnější charakter (zemědělské aktivity, osídlení, lesnické technologie). Vodní ekosystémy jsou však ovlivněny pouze mírně. Oproti předchozí kategorii jsou toky charakterizovány: 1. vyššími hodnotami ph a zpravidla i vodivosti 2. nižšími hodnotami CHSK 3. nižším obsahem NO 3-, ale naopak vyššími koncentracemi SO 4 a Cl - 4. vyšším obsahem bazických kationtů 73

5 5. zvýšeným obsahem Zn i Cd v sedimentu, ale sníženým obsahem Al ve vodě 6. vyšší diverzitou i počtem taxonů vodního hmyzu 7. zvýšeným zastoupením skupiny Ephemeroptera 8. vzestupem podílu collectors-gatherer a poklesem shredders V tocích obou kategorií jsou oligosaprobní podmínky a nejsou tedy téměř zatíženy biologicky rozložitelnými organickými látkami. 74