Nauka Przyroda Technologie

Transkrypt

1 Nauka Pzyoda Technologie ISSN Dział: Melioacje i Inżynieia Śodowiska Copyight Wydawnictwo Uniwesytetu Pzyodniczego w Poznaniu 2011 Tom 5 Zeszyt 6 DARIUSZ KAYZER 1, KRZYSZTOF SZOSZKIEWICZ 2 1 Kateda Metod Matematycznych i Statystycznych Uniwesytet Pzyodniczy w Poznaniu 2 Kateda Ekologii i Ochony Śodowiska Uniwesytet Pzyodniczy w Poznaniu ZASTOSOWANIE ANALIZY ZMIENNYCH KANONICZNYCH DO GRAFICZNEGO PRZEDSTAWIENIA UWARUNKOWAŃ EKOLOGICZNYCH ROZWOJU ZBIOROWISK ROŚLIN WODNYCH APPLICATION OF CANONICAL VARIATE ANALYSIS FOR GRAPHICAL PRESENTATION OF ECOLOGICAL REQUIREMENTS OF AQUATIC PLANT COMMUNITIES Steszczenie. Analizy opato na wynikach badań oślinności zek powadzonych w Wielkiej Bytanii i Ilandii Północnej w latach z zastosowaniem metody fitosocjologicznej według Bauna-Blanqueta. Wykozystano szczególnie ozpowszechnione zbioowiska oślinne, sklasyfikowane w fomie 12 zespołów, któe epezentują szeoki zakes toleancji ekologicznej. Ocena właściwości śodowiska dla sklasyfikowanych 288 płatów oślinności została dokonana na podstawie 10 zmiennych, któe obejmowały zaówno paamety okeślające waunki geogaficzne i mofologiczne, jak i jakość wody zek oaz geologię i użytkowanie zlewni. Celem pzepowadzonych badań było wykazanie pzydatności analizy zmiennych kanonicznych do oceny właściwości ekologicznych zbioowisk oślinnych. Pzedstawiono wzajemne położenie fitocenoz wodnych w pzestzeni zmiennych kanonicznych. Zmienne kanoniczne okazały się pzydatne do okeślenia wzajemnego położenia zbioowisk oślin wodnych ze względu na zmienne śodowiskowe. Słowa kluczowe: zbioowiska oślinne, degadacja wód, ekologia oślin, analiza zmiennych kanonicznych

2 2 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia Wstęp Właściwości bioindykacyjne żywych oganizmów od wielu lat są wykozystywane w ocenie śodowiska powietzno-lądowego, jak i wodnego. W odniesieniu do wód śódlądowych w ostatnich dekadach póbowano stosować wiele metod, z wykozystaniem óżnych oganizmów, jak: bakteie, glony, ośliny naczyniowe oaz zwiezęta, zaówno bezkęgowe, jak i wyższe. Stosowanie metod biologicznych okazało się badzo pzydatne w ocenie wód, gdyż oganizmy w nich żyjące w sposób ciągły są poddawane pesji śodowiska i mogą syntetycznie infomować o zachodzących zmianach. W pzypadku technik pomiau poszczególnych cech fizycznych lub chemicznych mamy możliwość dowiedzenia się o stanie tylko niektóych paametów i to jedynie w chwili pomiau. Metody biologiczne okazały się w wielu pzypadkach badziej czułe i pecyzyjne, a pzy tym często niedogie (BURCHARDT 1994, ALLAN 1998, HERING i IN. 2006). Dobze poznaną pod względem ekologii gupą są makofity (np. BOWDEN i IN. 1994, NAGENGAST 1994, BREWIN i IN. 1998, DAWSON i SZOSZKIEWICZ 1999). Podkeśla się, że waloem oślin naczyniowych jako bioindykatoów jest ich zdolność chaakteystyki badziej twałych i mniej zmiennych cech siedliska. Kilka metod bioindykacji wykozystuje właściwości wskaźnikowe poszczególnych gatunków, dzięki czemu można ocenić m.in.: naświetlenie, tofię wody czy odczyn (np. PIECZYŃSKA 1988, ELLEN- BERG i IN. 1992, NAGENGAST 1994). Konieczność ozwoju tanich i pecyzyjnych systemów indykacji śodowiska wodnego z wykozystaniem żywych oganizmów wynika z nowego podejścia do monitoingu wód w Unii Euopejskiej. Celem badań pzepowadzonych w amach niniejszej pacy było wykazanie pzydatności metody analizy zmiennych kanonicznych do oceny właściwości ekologicznych zbioowisk oślinnych. Wzajemne położenie fitocenoz wodnych zastało pzedstawione w pzestzeni zmiennych kanonicznych. Mateiał i metody Badania botaniczne Analizy opato na wynikach badań oślinności zek powadzonych w Wielkiej Bytanii i Ilandii Północnej w latach z zastosowaniem metody fitosocjologicznej według Bauna-Blanqueta. Wykozystano szczególnie ozpowszechnione zbioowiska oślinne, któe sklasyfikowano w fomie 12 zespołów (tab. 1). Były to zbioowiska badzo dobze udokumentowane (epezentowane pzez minimum 10 zdjęć fitosocjologicznych), któe epezentują szeokie spektum ekologiczne w odniesieniu do waunków śodowiska wodnego. Ocena właściwości śodowiska dla sklasyfikowanych 288 płatów oślinności została dokonana na podstawie 10 zmiennych, któe obejmowały zaówno paamety okeślające waunki geogaficzne i mofologiczne, jak i jakość wody zek oaz geologię i użytkowanie zlewni (tab. 2).

3 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia 3 Tabela 1. Analizowane zbioowiska oślinne Table 1. Analysed plant communities Lp. No Fitocenoza Plant community Symbol Liczba zdjęć fitosocjologicznych Numbe of elevès 1 Elodeetum canadensis Elod can 12 2 Myiophylletum altenifloi My alte 11 3 Nastutietum officinalis Nastu 26 4 Nuphaeto-Nymphaetum albae Nuph-Nym 30 5 Pavopotamo-Zanichellietum palustis Pav-Zan 18 6 Potamo pectinati Pot pect 26 7 Ranunculetum penicillati va. pseudofluitans Ran pen 41 8 Scipetum lacustis Sci lac 24 9 Zbioowisko z Cladophoa Plant community with Cladophoa Cladoph Hygohypnetum ochacei Hygohyp Oxyhynchietum uscifomis Oxyh Scapanietum undulatae Scap 20 Tabela 2. Zmienne chaakteyzujące śodowisko ozwoju badanych zbioowisk oślinnych Table 2. Envionmental vaiables taken into consideation Lp. No Zmienna Vaiable Symbol Jednostka Unit 1 Indeks MTR MTR index x1 Skala MTR (1-100) 2 Alkaliczność Alkalinity x2 meq l -1 3 Konduktywność Conductivity x3 μs cm -1 4 ph x4 [ ] 5 Fosfo eaktywny Soluble eactive phosphous x5 μg l -1 6 Fosfo ogólny Total phosphous x6 μg l -1 7 Wysokość n.p.m. Altitude a.s.l. x7 m 8 Nachylenie koyta Rive bed slope x8 m km -1 9 Odległość od źódła Distance to the souce x9 km Analiza zmiennych kanonicznych Empiyczne wyniki wskaźników siedliskowych 12 wyóżnionych fitocenoz wodnych analizowano za pomocą analizy zmiennych kanonicznych (LEJEUNE i CALIŃSKI

4 4 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia 2000, KAYZER i IN. 2009). Analiza zmiennych kanonicznych jest metodą badzo użyteczną do gaficznej pezentacji ezultatów wielowymiaowych ekspeymentów. Główną ideą tej metody jest tansfomacja zbiou oyginalnych zmiennych na zbió nowych zmiennych, któe niosą podobne infomacje, lecz zostały ozmieszczone w wielowymiaowej pzestzeni euklidesowej. Oznaczamy pzez Y i, j Y i, j,1 Yi, j,2 Y1,2, p p-wymiaowy wekto wskaźników siedliskowych uzyskany z i-tego zespołu (i = 1,..., ) na j-tym zdjęciu fitosocjologicznym (j = 1,..., N i ), pzez pzez 1 N N i Yi i1 Ni 1 i i Y N i, j j1 Y wekto śednich dla i-tego zespołu, a Y wekto śednich ogólnych z wszystkich zdjęć, gdzie N. Ponadto niech i1 N i oaz i Y i, j Yi Yi, j Yi E (1) i1 N j1 Y Y Y Y H (2) i1 N i i i (SEBER 1984, KRZYŚKO 2000). W analizowaniu wyników obsewacji pochodzących z wielowymiaowych ekspeymentów inteesujące jest wnioskowanie na podstawie maciezy: ˆ Cˆ, gdzie C I 1 11, a ˆ Y. 1 Y2 Y Maciez ˆ epezentuje oceny wskaźników siedliskowych dla poszczególnych fitocenoz wodnych pomniejszone o śednią z paametów wszystkich zbioowisk oślinnych. W wyniku tansfomacji maciez ˆ zostaje pzedstawiona w postaci: gdzie s = min(p, 1), a wektoy postaci: Wektoy s 1 2 μ k k1 ˆ (3) k i k k oaz skalay Ν ˆ ˆ Cdiag,,..., C k μkk k μ k wyznacza się z ównań E N N N (4) Ν k μ k k k nomalizuje się w następujący sposób: 1 HE (5)

5 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia 5 k μk, dla k k C diag,,..., C k (6) N1 N2 N 0, dla k k Pzy tak pzepowadzonej nomalizacji wektoy kanonicznymi (LEJEUNE i CALIŃSKI 2000). k zwane są k-tymi współzędnymi Wyniki i dyskusja Efekty wskaźników siedliskowych ˆ dla poszczególnych zbioowisk oślinnych zostały pzedstawione w tabeli 3. Znaczenie elementów maciezy ˆ należy ozumieć w ten sposób, że dla pzykładowego piewszego z nich (tab. 3), o watości 7,87, śednia watość biologicznego indeksu makofitowego wyliczona ze wszystkich watości zbioowiska Elodeetum canadensis jest o 7,87 mniejsza od śedniej watości biologicznej indeksu makofitowego wyznaczonej dla wszystkich pzeciętnych watości fitocenoz wodnych. Gaficzny obaz zóżnicowanych pefeencji ekologicznych pzedstawiono na ysunku 1. Stwiedzono, że ozwój poszczególnych fitocenoz jest uwaunkowany óżnymi czynnikami ekologicznymi. Wykazano, że cztey zbioowiska (Myiophylletum altenifloi, Hygohypnetum ochacei, Oxyhynchietum uscifomis, Scapanietum undulatae) wykazują odmienne wymagania siedliskowe niż pozostałe fitocenozy. Tabela 3. Efekty wskaźników siedliskowych dla poszczególnych fitocenoz (symbole wyjaśniono w tabelach 1 i 2) Table 3. Effects of habitat conditions fo the paticula plant communities (abbeviations ae explained in Tables 1 and 2) Fitocenoza Plant community ˆ Cˆ x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 Elod can 7,87 1,14 108,2 0,25 110,1 143,9 51,6 5,2 4,9 My alte 17,44 2,67 506,2 0,75 490,9 640,3 79,7 0,6 5,3 Nastu 4,17 1,34 295,1 0,35 3,9 72,2 42,0 3,2 0,6 Nuph-Nym 10,75 1,45 234,3 0,34 597,3 742,7 40,5 6,3 11,5 Pav-Zan 10,56 1,52 209,6 0,40 25,0 68,4 53,2 5,2 3,4 Pot pect 17,25 1,24 558,7 0,41 891,6 967,4 46,6 6,3 7,0 Ran pen 4,63 0,45 36,0 0,23 197,0 200,2 39,1 4,7 5,4 Sci lac 9,83 1,34 168,6 0,39 298,1 358,1 46,3 6,4 14,8 Cladoph 14,40 0,80 284,0 0,24 359,4 512,9 32,7 4,6 2,8 Hygohyp 22,66 2,45 470,3 0,65 468,4 625,0 74,8 0,1 4,8 Oxyh 8,44 1,72 346,5 0,19 436,0 524,4 42,8 24,0 7,2 Scap 30,91 2,45 499,4 1,02 472,9 587,8 154,7 18,8 16,6

6 6 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia 1,5 Clodoph 1,0 Oxyh Duga zmienna kanoniczna (7,0%) The second coodinate (7.0%) My alte 0,5 Ran pen Pav-Zan Elod can Hygohyp Pot pect 0,5 Nastu Sci lac 1,0 Nuph-Nym 1,5 Piewsza zmienna kanoniczna (81,8%) The fist coodinate (81.8%) Rys. 1. Położenie wybanych fitocenoz wodnych w odniesieniu do zmiennych śodowiskowych w pzestzeni dwóch piewszych zmiennych kanonicznych (symbole fitocenoz wyjaśniono w tabeli 1) Fig. 1. Biplot of selected wate communities diffeentiated against the envionmental vaiables in the space of two fist canonical vaiates (abbeviations of phytocenoses ae explained in Table 1) Główny kieunek zmienności 1 powiązany z osią odciętych uwzględnia 81,8% infomacji wnoszonych do analizy pzez zmienne siedliskowe. Na jego podstawie można było wydzielić dwie gupy fitocenoz, óżniące się szczególnie silnie pod względem toleancji na eutofizację wód, któa została wykazana w analizie popzez biologiczny indeks makofitowy (MTR) i wskaźnik geogaficzny (wysokość n.p.m.), a także silnie związane z geologią (ph i alkaliczność). Wydzielone cztey zbioowiska ozwijały się w waunkach małej tofii (duża watość MTR), dużej wysokości n.p.m. oaz małej watości ph i małej alkaliczności w poównaniu z pozostałymi zbioowiskami (tab. 3). Wydzielone cztey zbioowiska znane są z liteatuy jako pefeujące waunki oligotoficzne (TOMASZEWICZ 1979, SZOSZKIEWICZ 2004). Ich pefeencje ekologiczne wyaźnie się óżnią od pozostałych zbioowisk, któe ozwijają się w wodach skajnie eutoficznych (szczególnie Potamo pectinati i zbioowisko z Cladophoa) lub mezotoficznych (np. Elodeetum canadensis). Pzepowadzona analiza tafnie potwiedziła te wcześniejsze doniesienia. Wykonane badania wykazały pzydatność analizy zmiennych kanonicznych do oceny właściwości ekologicznych zbioowisk oślinnych. Otzymany obaz fitocenoz wodnych oaz watości ich wskaźników siedliskowych pecyzyjnie odzwieciedlają ekologiczne podobieństwa i óżnice pomiędzy badanymi zbioowiskami oślinnymi. Należy podkeślić, że stata infomacji dotyczących zmienności między pzeciętnymi wato- Scap

7 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia 7 ściami fitocenoz wodnych pzy pzejściu do dwóch piewszych zmiennych kanonicznych 1i 2 jest niewielka (około 11,2%), co wskazuje na duży stopień pewności otzymanych wyników. Analiza zmiennych kanonicznych nie była szezej używana do wnioskowania o takich typach zbioów. Jednym z powodów oganiczonego wykozystania tej metody jest konieczność dysponowania pełnym zestawem danych dla każdego analizowanego czynnika. Jakiekolwiek luki w obsewacji uniemożliwiają pzepowadzenie tego typu analiz. Dodatkową niedogodnością analizy zmiennych kanonicznych jest niemożliwość wykozystania danych skategoyzowanych. Z dugiej stony waloem analizy zmiennych kanonicznych w poównaniu z innymi wielowymiaowymi nazędziami, np. analizą składowych głównych, jest uwzględnianie zmienności wewnątz poszczególnych jednostek biocenotycznych. Analiza składowych głównych ozważa maciez, w któej elementy biocenotyczne są opisane upzednio uśednionymi watościami. Pzykładem wykozystania danych hydobiologicznych zawieających zmienne śodowiskowe w analizie zmiennych kanonicznych może być paca LIM i IN. (2005). Autozy ci dokonali klasyfikacji 46 zbioników wodnych na podstawie zestawu danych limnologicznych i poównali ją z wynikami uzyskanymi dzięki analizie składowych głównych (PCA). Z kolei ZYLL DE JONG i IN. (2005) poównali analizę zmiennych kanonicznych z wielowymiaowymi analizami koespondencji, analizując biologiczne i geogaficzne uwaunkowania występowania zespołów yb w jezioach boealnych. Wymienione wyżej pace wykazały waloy analizy zmiennych kanonicznych, któa pozwoliła na dokładniejsze ustalenie óżnic pomiędzy poszczególnymi jednostkami biocenotycznymi w odniesieniu do ich właściwości ekologicznych. Wnioski 1. Badania powadzone z wykozystaniem analizy zmiennych kanonicznych potwiedziły związek pomiędzy ozwojem poszczególnych fitocenoz a waunkującymi je czynnikami śodowiskowymi. 2. Główny kieunek zmienności, któy spowodował wydzielenie dwóch gup fitocenoz, był związany szczególnie silnie z pocesem eutofizacji wód. 3. Pzepowadzone badania wykazały pzydatność analizy zmiennych kanonicznych do oceny właściwości ekologicznych zbioowisk oślinnych. Liteatua ALLAN J.D., Ekologia wód płynących. Wyd. Nauk. PWN, Waszawa. BOWDEN W.B., FINLAY J.C., MALONEY P.E., Long-tem effects of PO 4 fetilization on the distibution of byophytes in an actic ive. Feshw. Biol. 32: BREWIN P.A., BUCKTON S.T., ORMEROD S.J., Rive habitat suveys and biodivesity in acidsensitive ives. Aquat. Consev. Ma. Feshw. Ecosyst. 8: BURCHARDT L., Bioindykacja w ocenie ekosystemu jezionego. Idee Ekol. 4, 3: DAWSON F.H., SZOSZKIEWICZ K., Relationship of some ecological factos with the associations of vegetation in Bitish ives. Hydobiologia 415:

8 8 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia ELLENBERG H., WEBER H.E., DüLL R., WIRTH V., WERNER W., PAULISSEN D., Zeigewete von Pflanzen in Mitteleuopa. Sc. Geobot. 18. HERING D., JOHNSON R.K., KRAMM S., SCHMUTZ S., SZOSZKIEWICZ K., VERDONSCHOT P.F.M., Assessment of Euopean steams with diatoms, macophytes, macoinvetebates and fish: a compaative metic-based analysis of oganism esponse to stess. Feshw. Biol. 51, 9: KAYZER D., BOROWIAK K., BUDKA A., ZBIERSKA J., Study of inteaction in bioindication eseach on tobacco plant injuies caused by gound level ozone. Envionmetics 20: KRZYŚKO M., Wielowymiaowa analiza statystyczna. Rekto Uniwesytetu im. Adama Mickiewicza, Poznań. LEJEUNE M., CALIŃSKI T., Canonical analysis applied to multivaiate analysis of vaiance. J. Multiva. Anal. 72: LIM D.S.S., DOUGLAS M.S.V., SMOL J.P., Limnology of 46 lakes and ponds on Banks Island, N.W.T., Canadian Actic Achipelago. Hydobiologia 545: NAGENGAST B., Makofity jako niezbędny element diagnozowania jezio. Idee Ekol. 4, 3: PIECZYŃSKA E., Makofity a tofia jezio. Ekol. Pol. 34: SEBER G.A.F., Multivaiate obsevations. Wiley, New Yok. SZOSZKIEWICZ K., Vegetation as an indicato of tophic status of unning wates based on ives of Geat Bitain and Nothen Ieland. Rozp. Nauk. AR Pozn TOMASZEWICZ H., Roślinność wodna i szuwaowa Polski. Wyd. UW, Waszawa. ZYLL DE JONG M.C., COWX I.G., SCRUTON D.A., Association between biogeogaphical factos and boeal lake fish assemblages. Fish. Manage. Ecol. 12: APPLICATION OF CANONICAL VARIATE ANALYSIS FOR GRAPHICAL PRESENTATION OF ECOLOGICAL REQUIREMENTS OF AQUATIC PLANT COMMUNITIES Summay. The analysis was based on the esults of the ive suvey caied out in the UK and Nothen Ieland in the peiod whee 288 elevès wee descibed. A field assessment was undetaken accoding to the phytosociological method by Baun-Blanquet appoach. Common types of plant communities wee analysed, which wee classified as 12 phytosociological associations. These epesent a wide ecological ange. The envionmental equiements wee classified basing on the 10 vaiables, which eflect diffeent kinds of geogaphical conditions as geogaphical, landscape, geology, land use of the wateshed and wate quality. The aim of the study was pesenting usefulness of canonical vaiate analysis fo estimating envionmental equiements of plant communities. The position of diffeent vegetation types was shown in the space of canonical vaiates. Canonical vaiates appeaed useful fo detecting ecological needs of vegetation in the multivaiate matix. Key wods: plant communities, wate degadation, plant ecology, canonical vaiate analysis

9 Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia 9 Ades do koespondencji Coesponding addess: Daiusz Kayze, Kateda Metod Matematycznych i Statystycznych, Uniwesytet Pzyodniczy w Poznaniu, ul. Wojska Polskiego 28, Poznań, Poland, dkayze@up.poznan.pl Zaakceptowano do duku Accepted fo pint: Do cytowania Fo citation: Kayze D., Szoszkiewicz K., Zastosowanie analizy zmiennych kanonicznych do gaficznego pzedstawienia uwaunkowań ekologicznych ozwoju zbioowisk oślin wodnych. Nauka Pzy. Technol. 5, 6, #107.