Relacje między strukturą roślinności wodnej i gradientami środowiskowymi w aspekcie hydroenergetycznego użytkowania rzeki nizinnej. mgr Emilia Jakubas

Transkrypt

1 pt. Relacje między strukturą roślinności wodnej i gradientami środowiskowymi w aspekcie hydroenergetycznego użytkowania rzeki nizinnej ang. Relations between structure of aquatic vegetation and environmental gradients in aspect of the hydroenergetic use of lowland river mgr Promotorzy: prof. dr hab. Adam Choiński Zakład Hydrologii i Gospodarki Wodnej, Instytut Biologii Środowiska, Wydział Nauk Geograficznych i Geologicznych, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu dr hab. Maciej Gąbka Zakład Hydrobiologii, Instytut Biologii Środowiska, Wydział Biologii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Zakład Hydrobiologii, Instytut Biologii Środowiska, Wydział Biologii Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu Poznań, luty 2015

2 Idea badań Założenia i koncepcja Rzeki według teorii River Continuum Concept (Vannote i in. 1980) są dynamicznym systemem sieciowym (np. Allan i Castillo 2007; Gilvear i in. 2013), z gradientowymi zmianami właściwości abiotycznych oraz zespołów roślin i zwierząt w kolejnych odcinkach od źródeł do ujścia. Stanowią one modelowe obiekty do testowania hipotez w zakresie poszukiwania wzorców wzajemnych relacji na dwóch poziomach: (1) organizm-środowisko, (2) organizm-organizm. W praktycznym wymiarze kierunkowy przepływ wody stanowi ważną siłę strukturotwórczą, a przerwanie ciągłości rzeki (np. przez budowle hydroenergetyczne) ma poważne skutki ekologiczne. W ramach pracy doktorskiej, relacji tych poszukiwano analizując: toposekwencję makrofitów, strukturę gatunkową roślin wodnych względem gradientów prędkości wody i trofii oraz badając typy funkcyjne roślin wodnych (plant functional type, PFT). W pracy testowano szereg hipotez dotyczących wpływu przerwania ciągłości ekologicznej rzeki na strukturę i wzorce przestrzennego rozmieszczenia roślinności wodnej oraz kształtowanie gradientów środowiskowych. Szczegółowe cele pracy obejmowały: (1) określenie głównych czynników środowiskowych determinujących skład i strukturę kompozycji gatunkowej roślinności wodnej oraz jej wzorzec przestrzennego rozmieszczenia, (2) charakterystykę odpowiedzi (reakcji) różnych grup funkcyjnych roślin na decydujący parametr środowiskowy, (3) wskazanie adaptacji roślin wodnych w odpowiedzi na warunki środowiskowe, (4) określenie wpływu hydroenergetycznego użytkowania wód płynących na kształtowanie parametrów środowiskowych, składu i struktury makrofitów i wynikającego z powyższych stanu ekologicznego. Obiekt badań i metody Badania prowadzono w nizinnej rzece Wełnie i jej dopływie - rzece Flincie, położonej w zachodniej Polsce (Bator i in. 2014). Obszar badań wybrano z pełną świadomością, mając na uwadze weryfikację postawionych hipotez i przygotowanie rozwiązań aplikacyjnych w zakresie: (1) określenia wpływu hydroenergetycznego użytkowania na cenne przyrodniczo cieki (Obszar Natura 2000, PLH300043; trzy rezerwaty przyrody), (2) analizy przekształceń warunków środowiskowych i tym samym ich wpływu na kształtowanie roślinności wodnej i zachowanie jej naturalności oraz (3) możliwości zachowania ciągłości ekologicznej rzek (Jakubas 2014). 2

3 Etapy poszukiwań relacji między roślinnością wodną (wzorce siedliskowe i przestrzenne), a parametrami środowiskowymi obejmowały: przygotowanie baz danych z powierzchni roślinnych (4m x 4m, Wełna 122 powierzchnie, Flinta 32 powierzchnie) i cech abiotycznych np.: (1) wskaźników hydrodynamicznych (powierzchniowa prędkość wody i prędkość w płacie roślinnym), (2) właściwości fizycznochemicznych wody i podłoża (20 parametrów m.in.: ph, zawartość tlenu, przewodność elektryczna, barwne substancje rozpuszczone i biogeny), (3) pomiarów hydromorfologicznych koryta na stanowiskach badawczych (m.in.: głębokość, szerokość i nachylenie brzegów), wyznaczenie gradientów środowiskowych, względem których rozmieszczone są rośliny wodne, w odcinkach o różnym stopniu przekształceń w związku z wykorzystaniem potencjału hydroenergetycznego rzeki, określenie reakcji różnych grup funkcyjnych makrofitów: glonów makroskopowych, mszaków i roślin naczyniowych względem gradientów środowiskowych, wyznaczenie modeli nisz siedliskowych poszczególnych gatunków roślin wodnych oraz określenie optimów i zakresów ich tolerancji, ocenę naturalności siedliska i przekształceń hydromorfologicznych na podstawie River Habitat Survey oraz ocenę stanu ekologicznego na podstawie monitoringu makrofitowego. Rezultaty i wnioski Roślinność wodna wzdłuż badanego systemu rzeki Wełny i jej dopływów tworzyła przestrzennie mozaikowy wzór rozmieszczenia (Jakubas i Gąbka 2013; Jakubas i in. 2014a; Jakubas i Gąbka 2015). Prędkość wody (spośród ponad 20 analizowanych parametrów) była najważniejszym czynnikiem determinującym rozkład przestrzenny i strukturę roślinności wodnej (np. Jakubas i in. 2014a; Jakubas i Gąbka 2015). Oddziaływanie małych elektrowni wodnych wiązało się z istotną modyfikacją gradientu prędkości wody oraz innych parametrów abiotycznych zwłaszcza klimatu świetlnego i temperatury wody (np. Jakubas i in. 2014a). Prędkość wody była także silnie modyfikowana przez pozostałe konstrukcje wodne (jazy, przepławki, progi piętrzące) i inne przeszkody w korycie (również naturalne) (Jakubas i in. 2014a; Jakubas i Gąbka 2015). W cyklu pracy doktorskiej szczegółowo analizowano wzorce rozmieszczenia różnych gatunków roślin (makroskopowe glony, mszaki, rośliny naczyniowe) i ich odpowiedź na parametry abiotyczne: (1) wykonano badania niszy siedliskowej Hildenbrandia rivularis (Rhodophyta). Dla występowania gatunku wykazano istotne znaczenie następujących zmiennych: ph oraz klimatu świetlnego. Tak liczne rozmieszczenie tego chronionego gatunku krasnorostu w rzece Wełnie, może być efektem 3

4 oddziaływań konstrukcji wodnych na prędkość wody oraz warunki świetlne. Ponadto budowle wodne mogą stanowić bezpośredni substrat dla wzrostu H. rivularis (Jakubas i in. 2014a), (2) w pracy Jakubas i Gąbka 2013 scharakteryzowano warunki siedliskowe oraz przestrzenne rozmieszczenie trzech gatunków rdestnic: Potamogeton crispus, Potamogeton nodosus i Potamogeton pectinatus. Wykazano, że dla wszystkich trzech gatunków kluczowymi gradientami środowiskowymi były: prędkość wody, właściwości substratu dna rzeki (m.in. zawartość związków organicznych) oraz rozpuszczone w wodzie substancje organiczne. Gatunki te rozwijały się optymalnie w odrębnych zbiorowiskach roślinnych. P. crispus współwystępował z gatunkami charakterystycznymi dla górnego biegu rzeki, głównie glonami makroskopowymi oraz mszakami. P. pectinatus współwystępował z gatunkami roślin naczyniowych spotykanych w całym profilu podłużnym rzeki oraz z mszakami, głównie Fontinalis antipyretica. Ostatni z rozpatrywanych gatunków P. nodosus preferował stanowiska typowe dla środkowego i dolnego biegu rzeki, również z dominacją gatunków roślin naczyniowych. (3) w rzece Flincie (prawy dopływ Wełny) badano wzorce rozmieszczenia ramienic (Chara vulgaris i Chara globularis, Charophyta) w stosunku do mszaków i roślin naczyniowych (Jakubas i Gąbka 2015). Głównymi czynnikami determinującymi występowanie obu gatunków ramienic są gradient prędkości wody i ph wody. Chara vulgaris współwystępowała z gatunkami mszaków preferującymi wysokie wartości prędkości wody, podczas gdy Chara globularis występowała w umiarkowanych wartościach gradientu prędkości wody (z gatunkami rodzaju Potamogeton). Są to jedne z pierwszych wyników pokazujących ekologię nielicznych rzek z dominacją ramienic w Europie Środkowej (Jakubas i Gąbka 2015), (4) analizowano wpływ prędkości wody na formę wzrostu (heterofilia, formy zanurzone versus pływające) dwóch gatunków: Nuphar lutea i Sagittaria sagittifolia (Jakubas i in. 2014b). W przypadku Sagittaria sagittifolia kluczowym parametrem decydującym o zmianie strategii życiowej był gradient prędkości wody, natomiast w przypadku Nuphar lutea decydujące były dwa parametry: prędkość wody i zwartość związków organicznych w podłożu. Wyniki zawarte w czterech artykułach (Jakubas i Gąbka 2013; Jakubas i in. 2014a, b; Jakubas i Gąbka 2015) wykazują jednoznacznie, że typ roślinności i funkcjonowanie tzw. rzek makrofitowych jest efektem przede wszystkim równowagi warunków mikrosiedliskowych (szczególnie hydrodynamicznych) poszczególnych odcinków rzek. Dotychczasowe doświadczenia w zakresie zarządzania rzekami wskazują na skomplikowaną naturę problemu utrzymania lub przywrócenia najróżniejszych funkcji rzek (Gąbka i in. 2014). Stąd zarządzenie to wiąże się z ważnymi elementami: poprawą stanu ekologicznego, 4

5 jak i koniecznością zachowania różnorodności przyrodniczej rzek (np. Jakubas 2012a, b; Gąbka i in. 2014; Jakubas i in. 2014a). Wykonane badania mają istotne znaczenie aplikacyjne. Określenie składu i struktury roślinności wodnej wzdłuż biegu rzeki oraz poniżej i powyżej obiektów hydrotechnicznych, a także na odcinkach referencyjnych umożliwiło określenie rzeczywistych zmian w związku z zaburzeniami ciągłości rzeki oraz zmianami hydrodynamicznymi i termicznymi (Jakubas 2012a, b; Jakubas 2014; Jakubas i in. 2014a). Literatura Allan J. D., Castillo M. M Stream ecology: structure and function of running waters. 2nd ed. Springer, pp Bator J., Gąbka M., Jakubas E. (red.) Koncepcja lasu modelowego w zarządzaniu i ochronie różnorodności biologicznej rzek Wełny i Flinty (Wielkopolska). Bogucki Wydawnictwo Naukowe, pp. 168 Gąbka M., Bator J., Joniak T., Jakubas E., Golski J., Majewski P., Szoszkiewicz K Zdefiniowanie problemów w zakresie zarządzania wodami i zachowania różnorodności biologicznej rzek Wełny i Flinty z perspektywą ich rozwiązania. W: Koncepcja lasu modelowego w zarządzaniu i ochronie różnorodności biologicznej rzek Wełny i Flinty (Wielkopolska). Bator J., Gąbka M., Jakubas E. (red.). Bogucki Wydawnictwo Naukowe, pp Gilvear D. J., Spray Ch. J., Casas-Mulet R River rehabilitation for the delivery of multiple ecosystem services at the river network scale. Journal of Environmental Management, 126: Jakubas E. 2012a. Wpływ budowli hydrotechnicznych na stan ekologiczny rzeki Wełny. Energetyka Wodna, 4: Jakubas E. 2012b. Przekształcenie ekosystemu rzeki przez budowle wodne na przykładzie małej elektrowni wodnej Oborniki. Ochrona Środowiska i Zasobów Naturalnych, 52: Jakubas E., Gąbka M Distribution patterns of three Potamogeton species (P. crispus, P. nodosus and P. pectinatus) along velocity and base richness gradients from a lowland river. Botanika Steciana, 17: Jakubas E Budowle hydrotechniczne na rzekach Wełnie i Flincie. W: Koncepcja lasu modelowego w zarządzaniu i ochronie różnorodności biologicznej rzek Wełny i Flinty (Wielkopolska). Bator J., Gąbka M., Jakubas E. (red.). Bogucki Wydawnictwo Naukowe, pp Jakubas E., Gąbka M., Joniak T. 2014a. Factors determining the distribution of reophil and protected Hildenbrandia rivularis (Liebmann) the Rhodophyta freshwater species, in lowland river ecosystems. Polish Journal of Ecology, 62: Jakubas E., Gąbka M., Joniak T. 2014b. Morphological forms of two macrophytes (yellow water-lily and arrowhead) along velocity gradient. Biologia, 69: Jakubas E., Gąbka M The significance of current velocity gradients for distribution patterns of charophytes versus mosses and vascular plant communities in lowland stream. Oceanological and Hydrobiological Studies (w druku). Vannote R. L., Minshall G. W., Cummins K. W., Sedell J. R., Cushing C. E The river continuum concept. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 37: