Rozvoj a inovace výuky ekologických oborů formou komplementárního propojení studijních programů Univerzity Palackého a Ostravské univerzity CZ.1.07/2.2.00/28.0149 Vodní ekosystémy II Tekoucí vody
Srovnání vybraných vlastností řek a jezer severní temperátní oblasti Vlastnost Řeky Jezera Převládající pohyb vody Horizontální, jednosměrný Vertikální, cirkulační Síla způsobující pohyb Gravitační spád Indukce větrem Distribuce substrátu Určena rychlostí proudu a gravitací Určena prouděním vyvolaným větrem Kolísání vodní hladiny Velké, povodně Malé (větší v tropech) Vliv povodně na biotu Traumatický Malý (větší v tropech) Doba zdržení vody Krátká (dny-týdny) Dlouhá (měsíce-roky) Tvar Protáhlý, lineární Oválný Povodí : plocha Vysoký Nízký Průměrná hloubka Mělké Hluboké Termální stratifikace Vzácná Běžná Koncentrace živin Vysoká, poproudový nárůst Nízká, temporálně kolísá Turbidita Vysoká Nízká, (vysoká v tropech) DOC Vysoká, alochtonní Kolísavá, autochtonní Zadržení živin Nízké Vysoké
Do oceánu odtéká řekami 32-37 x 10 3 km -3 rok -1 10 největších řek odvádí ~ 40 % celkového množství, Amazonka přispívá více než 15 % Globálně se největší odtoky vyskytují v tropických a subtropických oblastech, protože v těchto zeměpisných šířkách jsou také největší srážky. Rozdělení odtoku podle zeměpisné šířky
Světové veletoky (10 3 m 3 s -1 ) (10 3 km 2 ) (10 6 t rok -1 ) (km) 1. Amazonka 212,5 6062 406 7 025 2. Kongo/Zaire 39,7 3968 72 4 835 3. Jang-c 21,8 1013 561 5 520 4. Brahmaputra 19,8 553 813 2 960 5. Ganga 18,7 1047 1626 2 700 6. Jenisej 17,4 2471 11 4 092 7. Mississippi 17,3 3186 350 6 212 8. Orinoko 17,0 939 97 2 740 9. Lena 15,5 2680 80 4 400 10. Paraná 14,9 2278 91 4 380 11. Sv. Vavřince 14,2 1274 4 3 058 12. Iravadí 13,5 362 336 13. Ob 12,5 2448 16 5 410 14. Mekong 11,0 387 190 4 500 15. Amur 11,0 1822 52 4 416 16. Tocantins 10,2 896 2 700 17. Mackenzie 7,9 1784 15 4 240 18. Magdalena 7,0 262 172 19. Columbia 7,2 266 10 1 954 20. Zambezi 7,1 1280 100 2 660 21. Dunaj 6,2 806 22 2 850 22. Niger 6,1 1100 5 4 160 23. Indus 5,6 1231 489 3 190 24. Yukon 5,1 921 88 3 185 25. Pečora 4,1 322 7 1 809 33. Nil 2,8 2944 124 6 671 38. Rýn 2,2 145 1 1 326 45. Eufrat/Tigris 1,4 1048 863 (2 760)
1) Rychlost proudu vody řek je závislá především na spádu koryta a hloubce vody 2) V příčném profilu teče voda v každém místě jinou rychlostí vlivem tření vody o dno a překážky Pohyb po spirále
Průtok (m 3 /s) Sezónní průběh průtoků řek Colorado river, USA Přítok do Aralského jezera
Průtočná množství během roku v různých geografických regionech
Efemérní (dočasné toky) Mají vodu pouze během krátkého období po silných deštích, které spadnou v jejich povodí Po zbytek roku mají koryto vyschlé
Příkladová studie efemérní toky západní Namibie (Afrika)
River Kuiseb (Namibia) Pramen Ústí
Řád toku 2 malé toky (1. řádu) dávají vznik toku 2. řádu. Obecně: dva toky stejného řádu dávají vznik toku vyššího řádu Řád toku (Horton-Strahler)
Malé toky hor a podhůří Střední úseky toků Dolní úseky velkých toků
Charakteristické parametry jednotlivých řádů toku Velikost toku Průměrný průtok (m 3 /s) Plocha povodí (km 2 ) Šířka toku (m) Řád toku Veletoky > 10.000 > 10 6 > 1.500 >10 Velké řeky 1.000 10.000 100.000 10 6 800 1.500 7 až 11 Řeky 100 1.000 10.000 100.000 200-800 6 až 9 Malé řeky 10-100 1.000 10.000 40-200 4 až 7 Potoky 1-10 100 1.000 8-40 3 až 6 Malé potoky 0.1 1.0 10-100 1-8 2 až 5 Potůčky < 0.1 < 10 < 10 1 až 3
Vznik říčních teras Nejstarší terasy jsou položeny nejvýše
Laterální migrace řeky Po, Itálie, mezi 16. a 20. stoletím
Vývoj říční nivy Vznik odstaveného meandru
Niva záplavová oblast (alluvial floodplain) Příklady velkých nivních řek Evropa Dunaj Asie Severní Amerika Jižní Amerika Afrika Amur, Eufrat-Tigris, Indus, Ganga, Brahmaputra Mississippi Magdalena, Atrato, Catatumbo, Orinoco, Amazonka, Paraquay a Paraná Senegal, Niger, Zambezi, Nil
Eroze jesep PROUD VODY výsep Eroze Eroze Ukládání sedimentu
Mikrohabitaty tekoucích vod
PROPOJENÍ VODY V TOKU S OKOLÍM
Velikostní klasifikace částic substrátu a rychlost proudu nutná k jejich pohybu Velikostní kategorie Průměr částice (rozpětí v mm) Balvany > 256 Přibližná rychlost proudu nutná k pohybu částice (ms -1 ) Valouny 64-256 2.0 3.0 Oblázky 16 64 1.0 1.5 Štěrk 2-16 0.5 0.75 Písek 0.063-2 0.1 0.25 Prach 0.004-0.063 Jíl < 0.004
Tab. Původ a velikostní kategorie neživých částic organické hmoty Kategorie detritu Přibližné rozpětí velikosti Hrubá partikulovaná hmota (CPOM) Jemná partikulovaná hmota (FPOM) Ultrajemná partikulovaná hmota (včetně mikrobů) Rozpuštěná organická hmota (DOM) > 1 mm < 1 mm > 0.45 < 75 µm < 0.45
Změny v koncentraci rozpuštěného kyslíku během dne v toku Respirace vyšší než fotosyntéza Fotosyntéza převyšuje respiraci
Přírodní biofilmy voda. Hot spot říčního metabolismu Podíl na samočištění vody Potrava pro živoč. Konzumenty
Vývoj epilitického biofilmu Ve tmě Na světle
Typy periphytonu
Plovoucí mats bentických řas a sinic
Distribuce Cladophora vůči proudu
Změny v propustnosti světla průhlednosti vody podél gradientu zvušjícího se řádu toku Neovlivněný tok Ovlivněný tok
Změny v autotrofní produkci organického uhlíku se zvyšujícím se řádem toku Neovlivněný tok DOC fytoplankton DOC z nivy Ovlivněný tok DOC perifyton
Podélný profil Labe a distribuce biomasy fytoplanktonu (chlorofyl a ) Celkem zjištěno ~ 150 druhů řas a sinic Největší druhovou diverzitu vykazují rozsivky Postupný nárůst koncentrace chlorofylu-a od horního úseku toku směrem ke státní hranici Pokles koncentrace chlorofylu-a ve spodní části toku je způsoben mísením vody Labe s mořskou vodou Vliv přílivu
Vodní mechy Preference větších kamenů lépe odolávají zvýšenému proudu Zřetelná longitudinální distribuce
Třením proudící vody o substrát vzniká oblast mezní vrstvy ( boundary layer ), tenkého filmu velmi pomalu tekoucí vody, kde jsou organismy chráněny před proudem
EKOLOGICKÉ VLIVY PROUDU Rozptyl Uchycení Poproudový transport Přisednutí Interakce predátor-kořist Pravděpodobnost střetu Únikové taktiky Využití habitatu Struktura habitatu Režim disturbance Bentický organismus Kompetice Exploatace Interference Spacing?? Získání zdrojů Rozdělení zdrojů Účinnost úlovku Drag costs??
Procento jedinců larev dvou chrostíků tvořících sítě při dané rychlosti proudění vody Rychlost proudění (cm s -1 ) 10 15 20 Hydropsyche instabilis 20 % 48 % 73 % Plectrocnemia conspersa 72 % 50 % 4 %
ZOOBENTOS Abundance a druhová diverzita; vodního hmyzu v 5 habitatech (Quebec, Mackay & Kalff 1969) Habitat Abundance (No.m -2 ) Počet druhů Diverzita Písek 920 61 1.96 Štěrk 1300 82 2.31 Valouny a oblázky 2130 76 2.02 Listí 3480 92 2.40 Detritus 5680 66 1.73 Procentuální frekvence čeledí makrobentosu na 25 lokalitách Walesu v povodí zalesněném a v povodí s mokřady Zalesněná povodí zachytávají více kyselých srážek a acidifikace vodních systémů zde je mnohem intenzivnější
Rozdělení mikrohabitatů mezi larvami 3 druhů čeledi Hydropsychidae (Edington et al. 1984)
Výskyt larev chrostíků rodu Hydropsyche v přítocích a dolních částech toku River Usk ve Walesu Podélná distribuce teplota
Distribuce vážek (Odonata) v příčném profilu nížinného toku Horizontální distribuce
Distribuce bentosu v hyporheické zóně Vertikální distribuce
Funkční trofické skupiny (Cummins 1983) - mechanismus příjmu potravy jednotlivými skupinami, nikoliv složení potravy Kouskovači, drtiči (shredders) Spásači (grazers) Škrábači (scrapers) Filtrátoři (filtrators) Sběrači (collectors) Dravci (predators) Napichovači (piercers)
Funkční trofické skupiny (Cummins 1983) SHREDDERS (kouskovači)
SCRAPERS, GRAZERS
FILTRATORS (FILTERING COLLECTORS) GATHERING COLLECTORS
Hydropsyche
Chironomidae tribu Tanytarsini
Simuliidae (muchničky)
PREDATORS
Rozdělení druhů ryb podle migračního chování při tření Anadromní V dospělosti se zdržují v moři a v pobřežních vodách; proti proudu řek migrují v době tření, plůdek roste v tocích Katadromní Po dosažení pohlavní zralosti migrují za účelem rozmnožování ze sladké vody do slané Migrace potamodromních druhů POTAMODROMNÍ DRUHY RYB Migrují pouze v rozsahu jedné řeky a jejich přítoků za účelem vyhledání trdliště, zdroje potravy, místa k přezimování apod.
Rozdělení ryb podle potravního spektra Zooplanktonofágní síh, peleď, ouklej Fytoplanktonofágní - tolstolobik Fytobentofágní kapr, lín, cejn, parma, jeseter Detritofágní okounovec nilský Moluskofágní amurovec černý Piscifágní štika, sumec, candát Základní potrava tvoří hlavní obsah žaludku Vedlejší potrava vyskytuje se v žaludku stále, ale v menším množství Příležitostná potrava s oblibou přijímána příležitostně (imaga hmyzu) Nouzová potrava náhradní potrava
Jak najdou mihule říční cestu zpět na místa rozmnožování? Petromyzonol sulfát Feromon larev mihulí
Cinclus cinclus Celosvětová distribuce skorců rodu Cinclus
DRIFT Poproudový transport allochtonního materiálu a vylétávajících dospělců (= Surface d.) Poproudový transport bentických organismů (= True d.) Constant drift kontinuální, náhodné přemísťování, nízká denzita organismů Catastrophic drift pulzní, pohyby o vysokých denzitách způsobené fyzikálněchemickými distrurbancemi (vysoké průtoky, znečištění) Behavioral drift periodické, výsledkem denní aktivity nebo vyhýbání se predátorům, konkurenci či jiným stresorům
Drift obsahuje většinu bentických bezobratlých, plůdek ryb a řasy Některé taxony mají mnohem větší sklon ke driftování než taxony jiné Složení driftu se liší od složení bentosu V driftu je relativně málo dominantních taxonů Austrálie ze 194 taxonů 11 zahrnovalo polovinu abundance Francie ze 138 taxonů 25 tvořilo 98 % celkového driftu (Baetidae, Leptophlebiidae, Gammarus, Simuliidae, Chironomidae, Hydropsychidae, Polycentropidae) Procento aktuálně driftujících organismů je nízké (0.002-0.008 %). x Daily drift rate např. až 7 873 630 jedinců (ř. Volha), 44 000 (horní Rhona), 13 600 (Dunaj),
chrostík Rhyacophila nubila Noční drift Snížení rizika predace Maximální drift v temperátním pásmu během léta Větší instary driftují častěji v noci Riziko predace???
Pohyby chrostíka Potamophylax cingulatus (jižní Švédsko) Drift 1. součástí kolonizačního cyklu ( colonization cycle Müller 1954) Poproudový úbytek larev (depopulace) je kompenzována protiproudovými lety adultních jedinců (samic) 2. production-compensation model (Waters 1961) Poproudový drift představuje produkci v přebytku kapacity prostředí drift je nízký, pokud je populace pod meznou kapacitou prostředí a zvyšuje se s jejím dosažením
Charakteristické zóny toku (a) (b) (c) (d) Proudění torrentilní vs fluviatliní Řád toku Materiálu (zdrojová, transportní, usazovací) Oživení (rybí pásma, jepice )
Příčný profil Podélný profil Tvar povodí
Konkávní podélný profil typické řeky
Biologické členění toku a změny fyz.-chemických parametrů v podélném profilu
Ryby v Labi
Distribuce hlavních druhů ryb v podélném profilu toku
River continuum concept (RCC) (Vannote et al. 1980) Struktura a fungování říčních společenstev v úseku pramenoceán se mění a tuto změnu lze predikovat 1) Poměr FPOM/CPOM 2) Biologická diverzita 3) Proporcionalita funkčních trofických skupin 4) Teplotní amplituda 5) P/R
Složení společenstva zoobentosu v podélném profilu řeky (Krno 19..) SHREDERS COLLECTORS SCRAPERS
Charakteristická seskupení fauny se budou měnit v místech hydraulického stresu Podélná zonace fauny bentických bezobratlých podél hypotetického nenarušeného toku
Další teorie ekosystému tekoucích vod koncept spirálního toku živin (Nutrient Spiralling Concept) Serial Discontinuity Concept přehrady, soutěsky Flood Pulse Concept velké (tropické) řeky Riverine Productivity Concept
Spirální koloběh látek a živin Dekompozice Dekompozice Uvolnění živin pro primární produkci Produkce živiny Produkce
Leaf litter
1. krok kolonizace mikroskopickými houbami (Hyphomycetes)
2. krok kolonizace bezobralými (shredders)
Debris dams
Xylofágové
Potravní řetězec v tocích Potravní síť v tocích
Zjednodušené schema potravní sítě v toku
Sialis fuliginosa 4. trofická hladina!!! Potravní śíť druhově chudého potoka v jižní Anglii
Isocenózy mají shodné funkční prvky
Zjednodušený model ekosystému lesního potoka
Příbřežní vegetace příbřežní vegetace zadržení živin a zástin nižší biomasa perifytonu odstranění příbřežní vegetace (wetlands) eutrofizace a zhoršení stanovišť úbytek ryb, bentosu lužní lesy = vysoká produkce biomasy, protipovodňová ochrana
Koncepční model 9 typů toků podle jejich režimu průtoku (Poff & Ward 1989) Společenstva toku se budou lišit v závislosti na jejich průtokovém režimu