HYDROBIOLOGIE Výzkum přírodních horských ekosystémů: Vzájemné vztahy mezi atmosférou, půdou, vegetací a vodou. Jiří KOPÁČEK Biologické Centrum AVČR, Hydrobiologický ústav Jihočeská univ., Přírodovědecká fakulta
Definice pojmů Ekosystém: 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 Dendrochronologie ekosystémů 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 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, CO 2 a izotopů O 2 ) a tím i klimatu na základě složení ledu (Antarktida, Grónsko, vysokohorské ledovce).
SO4 2- (µeq l -1 ) Base cations (µeq l -1 ) Dynamické modelování NO3 - (µeq l -1 ) H + (µeq l -1 ) ph Al (µmol l -1 ) 16 12 ekosystémů a předvídání 8 jejich budoucího 6. vývoje. 8 4 Cílem je napodobit chování zkoumaného systému. Modelovaný systém lze formálně popsat matematickými 4. 185 a fyzikálně-chemickými 19 195 2 25 185 19 rovnicemi, 195 2 25 ověřit pomocí naměřených 18 dat a následně 3 simulovat jeho 3 vývoj podél časové osy, například na počítači. 14 12 Vědecká metoda rekonstrukce historických změn 4 2 Modely pomáhají vysvětlit chování ekosystémů a studovat 1 vliv změn jejich 1 dílčích částí na 1 jejich minulý a budoucí vývoj. Vývoj chemismu Černého jezera (Šumava) John William Waterhouse 7. 5. 185 19 195 2 25 6 185 19 195 2 25 185 19 195 2 25 185 19 195 2 25 2
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 (µg/l) NO3-N (mg/l) (P & N) Komunální vybavenost 8 Intenzifikace zemědělství 5 7 6 NO 3 -N 4 3 5 4 P 2 1 3 196 197 198 199 2 21 Rok Vltava, nádrž Slapy, 1959-25
Acidifikace - dálkový přenos sloučenin S a N SO 2 Gg cell -1 =.-.3.3-.3.3-.3.3-3 3-1 1-3 3-3 Oxidace S obsaţené v palivu Oxidace vzdušného N 2 při teplotách >1 C NO x Gg cell -1 =.-.3.3-.3.3-.3.3-3 3-1 1-3 3-9
Nr emise (Tg yr -1 ) Celosvětové antropogenní emise Nr do atmosféry 25 2 15 1 5 Jednotlivé zdroje Nr 3 BC 1 17 1913 198 2 3 LIV PHZ. FER ASH H&P AWB SZO FSB VLS. FFC SFP L&DZ PHZ = Produkce hospodářských. zvířat (skot, prasata, drůbeţ) ASH = Aplikace syntetických hnojiv. (1913, Haber-Bosch syntéza. NH 3 ze vzdušného N 2 ) L&DZ = Lidé a domácí zvířata SZO = Spalování zemědělského. odpadu VLS = Vypalování lesa a savan 1 1 1 1 Rok před současností 1 SFP = Spalování fosilních paliv (Rok 1 = 2; 1 Tg = 1 12 g) Většina antropogenních emisí Nr na Zemi pochází z výroby potravin a energie
Nr emise (kg obyvatel -1 yr -1 ). Historie zemědělství a emise Nr Hlavní zemědělský systém Ţárové hospodářství (slash-and-burn) Úhory, kultivace s rádlem & zavlaţovací systémy Úhory, kultivace s pluhem a zvířaty & trojpolný systém Bezúhorový systém & průmyslová podpora Časové 5 období 4 8-3 BC 3 Populace (milión) 4-14 Ţárové hospodářství 3 BC- 1 2AD 14-256 Úživnost 175 (lidé km 2 ) Úhory & zavlaţovací 1-3 1-25 1 AD- 256- systémy Několik set 175 79 175-79- -8-6 -4-2 Několik tisíc 2 2 67 Rok
Klimatické změny Globální oteplování Teplota = CO 2 Dlouhodobý vývoj průměrné povrchové teploty Země
178 18 182 184 186 188 19 192 194 196 198 2 21 Teplota vzduchu ( C) Vývoj teplot vzduchu na Šumavě Průměrná roční teplota vzduchu Čertovo jezero ~12 m n.m. (Kettle et al., 23) 9 C 7 C 5.5 5. 4.5 4. 3.5 3. 2.5 3.4 C Roční průměr Dlouhodobý průměr Poly. (Roční průměr) 1.7 C 5 C 3 C 2. Očekávaný nárůst teploty do 21 je o 3.5-5 C
Čertovo jezero 193 Zoologická stanice Černé jezero (1892 1896) Černé jezero 19 Prof. Antonín Frič, ~19
1 3 yr BP Depth (cm) Obsah Historie C, současných Fe a Al v sedimentu šumavských Plešného ekosystémů jezera začíná s koncem poslední doby ledové Atmosférická acidifikace C (mol kg -1 ) 1 2 3 Fe (mol kg -1 )..2.4 Al (mol kg -1 ). 1. 2. 1 2 4 2 6 8 1 3 Fe Al Fe OX Al OX 4 Vytvoření trvalé a stabilní půdy a vegetačního pokryvu v povodí
Pylové analýzy sedimentu Plešného jezera (Jankovská, 26) 55 let 8 let 147 let
S emission (kg ha -1 yr -1 ) N emission (kg ha -1 yr -1 ) Emise sloučenin S a N v České republice 15 1 5 SO2-S 2 NOx-N x NH3-N 3 9% 5% 6% 3 2 1 SO 2 : snížení výroby energie a odsiřování NO x : snížení výroby energie a optimalizace spalování 185 19 195 2 Year NH 3 : nižší produkce skotu a spotřeba syntetických hnojiv
Base cations (µeq l -1 ) H + (µeq l -1 ) Al (µmol l -1 ) Počet druhů planktonních korýšů ph SO4 2- (µeq l -1 ) NO3 - (µeq l -1 ) ph 16 6 Modelování změn chemismu Černého jezera (MAGIC). 12 7. 7. 12 8 4 5 4 Planktonní korýši ph 8 4 6.5 6. 6. 5. 3 185 19 195 2 25 18 2 5.5 185 19 195 2 25 3 5. 4. 3 185 19 195 2 25 14 1 Ceriodaphnia quadrangula 2 4.5 2 1 1 4. 187 189 191 193 195 197 199 21 6 Rok 185 19 195 2 25 185 19 195 2 25 1 185 19 195 2 25
ph půdní vody. Al (µmol l -1 ). Analýzy letokruhů smrků a půdní chemismus 4.7 4.7 4.6 4.6 4.5 4.5 4.4 Ţádný nebo malý stres ph Al Kyselý stres 187 189 191 193 195 197 199 21 Rok 1 8 6 4 2 Zdravotní stav smrků byl negativně ovlivněn okyselením půd a růstem koncentrací toxických forem hliníku od 5. let 2. 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 8. letech 2. 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 závažnější do konce dopad než století měla na acidifikace. 7-8.5 C. 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 NO 3-.
Disturbance polomy, těžba, kůrovcová kalamita... Plešné jezero 24 27
SO4 2- export (mmol m -2 yr -1 ) NO3 - export (mmol m -2 yr -1 ) 15 1 5 CT 27 Vyplavování SO 4 2- a NO 3- z půd 1986 & 1996 studené zimy 24 extrémně suché a teplé léto 23 25-26 kůrovcová kalamita 1996 21 25 19 185 1:1 196 1986 5 1 15 S deposition (mmol m -2 yr -1 ) 18 12 6 PL 1:1 1936 25 24 1996 27 1961 1986 6 12 18 NO 3 -N + NH 4 -N deposition (mmol m-2 yr-1)
Oct.97 Oct.98 Oct.99 Oct. Oct.1 Oct.2 Oct.3 Oct.4 Oct.5 Oct.6 Oct.7 Oct.8 NO3 - & SO4 2- (µeq L -1 ) Ali (µeq L -1 ) V současné době odnos Al i ze šumavských povodí především závisí na exportu NO 3-3 25 Kůrovcová kalamita 1mgL -1 15 125 2 15 SO 4 2- Al i 1 75 1 5 - NO 3 5 25 Date (Month-Year) Hlavní povrchový přítok do Plešného jezera
Ca 2+ (µeq L -1 ) Mg 2+, K + (µeq L -1 ) TON (µg L -1 ) TP (µg L -1 ) Zvýšený odnos NO 3- z povodí zvyšuje ztráty dalších lesních živin (K, Mg, Ca, N, P) 8 8 6 4 2 TON TP 6 4 2 1 8 6 4 2 98 99 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Date (yr) Ca 2 K + + Mg 2+ 5 4 3 2 1 98 99 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Date (yr) Hlavní povrchový přítok do Plešného jezera
Zásoby ţivin v povodí Čertova jezera (t ha -1 ) t ha -1 Půdy celk. Půdy výměnné Stromy Podrost C 162 219 4 N 8.2 1..11 P 1.7.6.7.1 Ca 2.5.2.6.2 Mg 8..5.1.1 K 18.2.4.3 Nový les bude mít nedostatek ţivin
Plešné jezero 211 Plešné jezero 21 Plešné Plešné jezero jezero 27 25 Plešné jezero 29 Plešné jezero 211
Usychám, rozpadám se, ale žiju
Rachelsse Kůrovcová kalamita v létě 1999
1984 1986 1988 199 1992 1994 1996 1998 2 22 24 26 28 21 SO4 2-, NO3 -, Ca 2+ (µeq L -1 ) Al (µg L -1 ) Dlouhodobý trend koncentrací SO 4 2-, NO 3-, Ca 2+ a Al v Rachelsse 16 12 SO 4 2- NO 3-12 9 8 Al 6 4 3 Ca 2+ Year Vliv kůrovcové kalamity
JAKÁ JE BUDOUCNOST ŠUMAVSKÝCH LESŮ? Ohroženo je pouze stromové patro v současné podobě! Lesní ekosystém Šumavy se nepřetržitě vyvíjí již 1 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 H N P Ca CDěkuji za pozornost Mg Al S N P K H-M Jeden Pochopení Výzkum Globální prvek globálních změny můţe funkce jako ovlivnit změn a acidifikcae, relativní koloběh objevil řadu významnosti eutrofizace řady propojení dalších a prvků změna mezi jednotlivých vkoloběhy klimatu systému amohou mnoha změnitprvků Koloběh a podtrhl dusíku nezbytnost v půdách a porozumět vodách není celému izolován. SYSTÉMU, ozubených ovlivnit jeho chování kapacitu kol (tj. v ekosystémových i časovou intenzitu dílčích odchylku procesů hodin ) hodinách v ekosystému, v porovnání je Koloběh dusíku spíše je neţ propojen jeho izolovaným s ostatními částem. cykly prvků (P, C). tj. poloměr a rychlost s předchozím otáčení jednotlivých stavem. ozubených kol Zdá nejdůleţitějším se, ţe jsme environmentálních na cílem správné budoucího cestě k hodinách. tomu, výzkumu abychom procesů poskládali v komplexních jednotlivá ozubená systémech kola atmosféra-půda-vegetace-voda. do ekosystémových hodin.