Karol PIETRUCZUK *, Krzysztof SZOSZKIEWICZ *, Anna BUDKA **, Dariusz KAZER ** ocena rzek, stan ekologiczny, indeks Jaccarda, makrofity PODOBIEŃSTWO BOTANICZNE POMIĘDZ GRUPAMI STANOWISK O RÓŻNM STANIE EKOLOGICZNM Rośliny wodne należą do grup organizmów, które wykorzystywane są jako bioindykatory do oceny stanu ekologicznego wód powierzchniowych. W przypadku oceny wód płynących, w naszym kraju, wykorzystuje się Makrofitową Metodę Oceny Rzek. W Wielkopolsce w latach 2007-2009, w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska metodą tą przebadano 152 stanowiska rzeczne. Na podstawie przeprowadzonych badań dla każdego stanowiska został obliczony Makrofitowy Indeks Rzeczny (MIR), który pozwala zaklasyfikować odcinki badawcze do jednej z pięciu klas stanu ekologicznego. W stanie bardzo dobrym znalazło się 9 stanowisk, w dobrym 80, w umiarkowanym 48, w słabym 9, a w złym 6 punktów badawczych. Podobieństwo pomiędzy dwoma stanowiskami ze względu na występowanie tych samych gatunków analizowano przy zastosowaniu indeksu Jaccarda. Wykazano, że homogenność wewnątrz klas osiągnięta na podstawie składu gatunkowego w oparciu o wskaźnik biologiczny MIR, jest większa niż między klasami. Uzyskane wyniki potwierdzają wpływ degradacji rzek na skład gatunkowy rozwijających się w nich roślin wodnych. 1. WSTĘP Makrofity są to rośliny wodne które dzięki swoim swoistym przystosowaniom do życia w środowisku wodnym mogą być wykorzystywane do określenia jakości ekologicznej ekosystemu w którym żyją [2]. Niemniej ważna jest ich rola w tworzeniu ogromnej różnorodności biologicznej [1,4]. Wrażliwe są na zmiany powodowane przez czynniki zewnętrzne do których możemy zaliczyć np. ilość dopływającego światła, zmiany hydromorfologiczne cieku czy dopływ substancji odżywczych [8, 10, 13, * Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Katedra Ekologii i Ochrony Środowiska, ul. Piątkowska 94c, 60-649 Poznań. ** Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu, Katedra Metod Matematycznych i Statystycznych, ul. Wojska Polskiego 28, 60-637 Poznań.
386 K. PIETRUCZUK i in. 14]. Na podstawie składu taksonomicznego makrofitów oraz obfitości poszczególnych gatunków możemy określić zawartość pierwiastków biogennych w wodzie (trofię wody) [5, 6, 12]. Celem pracy była ocena składu gatunkowego wskaźnikowych roślin wodnych na stanowiskach badawczych, za pomocą których obliczany jest stan ekologiczny cieków wodnych. Analizy dotyczyły udziału grup roślin o różnej wartości wskaźnikowej na stanowiskach o różnym stopniu degradacji. 2. MATERIAŁ I METOD 2.1. MAKROFITOW INDEKS RZECZN W badaniach terenowych zastosowano Makrofitową Metodę Oceny Rzek (MMOR) opracowaną na Uniwersytecie Przyrodniczym w Poznaniu [12]. Metoda MMOR jest stosowana na szeroką skalę w monitoringu wód płynących w Polsce. Badania terenowe były prowadzone za pomocą danej metody w pełni sezonu wegetacyjnego w okresie od początku czerwca do końca sierpnia. W latach 2007-2009 w ramach monitoringu wód płynących w województwie Wielkopolskim, przeprowadzono badania makrofitowe wód płynących na 152 stanowiskach (Rys. 1). Rys. 1. Rozmieszczenie stanowisk badawczych na których przeprowadzono badania makrofitowe w Wielkopolsce w latach 2007-2009
Podobieństwo botaniczne pomiędzy grupami stanowisk o różnym stanie ekologicznym 387 Metoda MMOR opiera się na ilościowej i jakościowej ocenie składu taksonomicznego makrofitów na 100-metrowym odcinku rzeki. Dla wszystkich napotkanych gatunków, które zakorzenione są pod powierzchnią wody przez co najmniej 90% okresu wegetacji, określa się pokrycie według 9-cio stopniowej skali [12]. Na podstawie taksonów wskaźnikowych makrofitów określonych w metodzie MMOR, oblicza się syntetyczny wskaźnik Makrofitowy Indeks Rzeczny (MIR). Wartość indeksu MIR decyduje, do której z pięciu klas stanu ekologicznego należy rzeka na danym stanowisku. Do taksonów wskaźnikowych możemy zaliczyć rośliny wyższe, wybrane gatunki paprotników, mszaków, wątrobowców oraz glonów strukturalnych. Łącznie system wykorzystuje 153 taksony makrofitów, w tym: - 103 gatunki roślin nasiennych, - 3 paprotniki, - 20 mchy, - 10 wątrobowców, - 17 taksonów glonów. Każdy takson wskaźnikowy wykorzystywany do obliczania indeksu MIR ma przypisane dwie wartości: - Liczbę wartości wskaźnikowej (L); poziom trofii środowiska. L przyjmuje wartości w granicach od 1 dla zaawansowanej eutrofii do 10 dla oligotrofii. - Współczynnik wagowy (W); tolerancja ekologiczna taksonu. Dla eurytopowych taksonów, prezentujących szeroką skalę ekologiczną W przyjmuje wartości od 1. Dla gatunków stenotopowych, odpowiadających wysokiej skali ekologicznej W przyjmuje wartości do 3. Wartość wskaźnika MIR jest obliczana według wzoru: MIR Li Wi Pi 10 W P gdzie: MIR Makrofitowy Indeks Rzeczny; L i liczba wartości wskaźnikowej dla danego gatunku; W i współczynnik wagowy dla danego gatunku; P i współczynnik pokrycia dla danego gatunku, według 9-cio stopniowej skali. Wartość wskaźnika MIR pozwala zaklasyfikować odcinek rzeki do jednej z 5 klas stanu ekologicznego. Im wskaźnik niższy tym rzeki bardziej zdegradowane pod względem troficznym. Rzeki najbardziej zdegradowane posiadają wartość 10, a najmniej zdegradowane posiadają wartość wskaźnika MIR 100. Analizy porównawcze badanych stanowisk zostały przeprowadzone na podstawie składu taksonomicznego makrofitów oznaczonych na tych stanowiskach oraz na podstawie stanu ekologicznego określonego dla tych stanowisk. W analizach wykorzysta- i i
388 K. PIETRUCZUK i in. no dwa zbiory składu taksonomicznego. Do pierwszego zbioru () możemy zaliczyć wszystkie taksony wskaźnikowe które to wykorzystywane są do obliczenia indeksu MIR, natomiast do drugiego zbioru () przyporządkowano taksony oligotroficzne i politroficzne. Gatunki te zostały wybrane z listy taksonów wskaźnikowych stosowanych do obliczania indeksu MIR po usunięciu taksonów mezotroficznych, czyli tych, które posiadają liczbę wartości wskaźnikowej (L) 3 oraz 4 [12]. Podobieństwo pomiędzy dwoma stanowiskami ze względu na występowanie tych samych gatunków analizowano przy zastosowaniu indeksu Jaccarda [7]. Analizowana macierz danych była podzielona na 5 grup odpowiadających 5 klasom stanu ekologicznego, określonymi w oparciu o Makrofitowy Indeks Rzeczny. W stanie bardzo dobrym (I klasa) znalazło się 9 stanowisk, w dobrym (II) 80, w umiarkowanym (III) 48, w słabym (IV) 9, a w złym (V) 6 punktów badawczych. 2.2. INDEKS JACCARDA Do porównywania dwóch stanowisk ze względu na występowanie tych samych gatunków zastosowano indeks Jaccarda [7]. Wartość indeksu Jaccarda s kj dla k -tego oraz j-tego stanowiska może być przedstawiona w postaci s kj kj C C U U, gdzie C kj jest liczbą wspólnych wystąpień gatunków na dwóch stanowiskach, a U k, U j są odpowiednio liczbami wystąpień gatunków charakterystycznych dla wyróżnionych stanowisk [3]. Przez A oznaczono wartość średniego indeksu Jaccarda dla oceny podobieństw wewnątrz rozważanych klas, a przez B wartość średniego indeksu między klasami. Ponadto przez LC = A-B oznaczono siłę klasyfikacji czyli wartość, która ocenia czy podobieństwo badanych stanowisk ze względu na skład gatunkowy rozważanych grup jest większe wewnątrz klas niż między klasami [11]. kj k j 3. WNIKI I DSKUSJA Wykazane zależności odnoszą się do reakcji roślin na degradację związaną z eutrofizacją wód. Gatunki wskaźnikowe wykorzystane w analizach mają zastosowanie do obliczania indeksu MIR, który był wykalibrowany w stosunku do dostępności biogenów w wodzie, szczególnie fosforu [12].
Podobieństwo botaniczne pomiędzy grupami stanowisk o różnym stanie ekologicznym 389 Analiza macierzy gatunków przeprowadzona przy zastosowaniu indeksu Jaccarda pozwoliła na porównanie podobieństw grup wyróżnionych w oparciu o 5 klas stanu ekologicznego. Zestawiając rezultaty analiz przedstawione w tabeli 1 stwierdzono, że podobieństwo gatunkowe wewnątrz klas stanu ekologicznego jest większe niż podobieństwo między tymi klasami. W przypadku analizy różnorodności gatunkowej wszystkich taksonów wskaźnikowych siła klasyfikacji wynosiła 0,009, a w odniesieniu do taksonów oligotroficznych i politroficznych wzrosła trzykrotnie i wynosiła 0,03. Wykazano zatem, że stanowiska o różnej klasie stanu ekologicznego o charakteryzują się wyższym stopniem homogenności (według indeksu Jaccarda) składu gatunkowego roślin o silnych preferencjach ekologicznych niż klasy wydzielane przy uwzględnieniu wszystkich roślin wskaźnikowych. Rozpatrując średnie wartości indeksów Jaccarda w przypadku grup wydzielonych na podstawie wszystkich taksonów stwierdzono, że najbardziej homogenna jest grupa wydzielona w najbrudniejszych wodach (o przeciętnej wartoś ci równej 0,27), a pozostałe grupy charakteryzowały się wartościami zbliżonymi do siebie (równymi w przybliżeniu 0,22). W przypadku grup wydzielonych na podstawie taksonów oligo- i politroficznych stwierdzono podobną zależność jak w poprzednim przypadku gdzie analizowano różnorodność wszystkich roślin wskaźnikowych przy czym zaobserwowane tendencje uwidoczniły się w sposób bardziej ewidentny. Zaobserwowany trend miał charakter liniowy rosnący od najmniej zdegradowanych (I klasa) do najbardziej (V klasa). Klasa I, która zdominowana była przez oligobionty, czyli taksony rozwijające się w wodach czystych oraz dość czystych była najmniej homogenna - wartość indeksu Jaccarda wynosiła jedynie 0,195. Najbardziej homogenne były stanowiska najbardziej zdegradowane gdzie rozwijały się niemal wyłącznie skrajne polibionty, czyli rośliny preferujące podwyższony poziom zanieczyszczeń. Przeciętna wartość indeksu Jaccarda wynosiła w tym wypadku aż 0,368. Przeprowadzone analizy wykazały, że gatunki oligobiontyczne mają wyższą wartość wskaźnikową, niż polibionty. W siedliskach zdegradowanych znacznie rzadziej spotykano gatunki oligotroficzne i przez to wykazywały one wysoką homogenność wewnątrzklasową. Na stanowiska I klasy jakości, czyli wykazujących najlepszy stan ekologiczny, oprócz oligotrofów stwierdzono pewną liczbę roślin polibiontycznych. Gatunki oligobiontyczne, które są rzadsze w przyrodzie niż polibionty są cenionymi wskaźnikami wykorzystywanymi w bioindykacji różnych typów ekosystemów [9]. Tabela 1. Wartości średnie indeksów Jacarda (A wewnątrz klas, B między klasami, LC - siła klasyfikacji) Macierz A B LC Oligo- i polibionty () 0,240 0,210 0,030 Wszystkie gatunki () 0,219 0,210 0,009
390 K. PIETRUCZUK i in. Tabela 2. Wartości średnie indeksów Jacarda dla poszczególnych klas (- obliczenia wykonane na podstawie taksonów oligo- i polibiontycznych, - obliczenia wykonane na podstawie wszystkich taksonów) 0,1948 I 0,2294 II III IV V Grupa Zbiór I II III IV V 0,1963 0,1574 0,1373 0,1350 0,2310 0,2116 0,2039 0,2087 0,2345 0,2509 0,2740 0,3061 0,3468 0,3681 0,2226 0,1869 0,1372 0,1499 0,2304 0,2093 0,1663 0,1880 0,2117 0,1960 0,2256 0,2283 0,2680 0,2714 4. WNIOSKI Stanowiska o podobnym stopniu degradacji wykazują wzajemne podobieństwo gatunkowe w odniesieniu do taksonów o ukierunkowanych preferencjach ekologicznych. Gatunki oligotroficzne mają wyższą wartość wskaźnikową, niż politroficzne. LITERATURA [1] CHAMBERS P.A., LACOUL P., MURPH K..J., THOMAZ S.M., Global diversity of aquatic macrophytes in freshwater, Hydrobiologia, 2008, Vol. 595, 9 26. [2] DAWSON F. H., NEWMAN J.R., GRAVELLE M.J., ROUEN K.J., HENVILLE P., Assessment of the Trophic Status of Rivers Using Macrophytes. Evaluation of the Mean Trophic Rank, R&D Technical Report E39, Environment Agency, 1999. [3] DIGB, P.G., KEMPTON, R. A., Multivariate Analysis of Ecological Communities, London: Chapman and Hall, 1987. [4] ENGELHARDT, K. A. M., & M. E. RITCHIE, Effects of macrophyte species richness on wetland ecosystem functioning and services, Nature, 2001, Vol. 41, 687 689. [5] HAUR J., PELTRE M.-C., TREMOLIERES M., BARBE J., THIEBAUT G., BERNEZ I., DANIEL H., CHATENET P., HAAN-ARCHIPOF G., MULLER S., DUTARTRE A., LAPLACE- TRETURE C., CAZAUBON A. & LAMBERT-SERVIEN E., A new method to assess water trophy and organic pollution the Macrophyte Biological Index for Rivers (IBMR): its application to different types of river and pollution, Hydrobiologia, 2006, Vol. 570, 153 158. [6] HOLMES N.T.H., NEWMAN J.R., CHADD S., ROUEN K.J., SAINT L., DAWSON F.H., Mean Trophic Rank. A users manual. R&D Technical Report E38, Environment Agency, Bristol, 1999. [7] JACCARD, P., The distribution of flora in the alpine zone. The New Phytologist, 1912, Vol. 11, No. 2, 37-50.
Podobieństwo botaniczne pomiędzy grupami stanowisk o różnym stanie ekologicznym 391 [8] JUSIK SZ., SZOSZKIEWICZ K., Różnorodność biologiczna roślin wodnych w warunkach zróżnicowanych przekształceń morfologicznych rzek nizinnych, Nauka Przyroda Technologie, 2009, Vol. 3, No. 33, 84. [9] LAWLER J.J., WHITE D., SIFNEOS J.C., MASTER L.L., Rare species and the use of indicator groups for conservation planning, Conservation Biology, 2003, Vol. 17, No. 3, 875 882. [10] MURPH, M. L. Primary production. In Naiman, R. J. & R. E. Bilby (eds), River ecology and management. Lessons from the Pacific Coastal Ecoregion, Springer Verlag, New ork, 1998, 144 168. [11] SICKLE J., Classification strengths of ecoregions, catchments and geographic clusters for aquatic vertebrates in Oregon, Journal of the North American Benthological Society, 2000, Vol. 19, No.3, 370-384. [12] SZOSZKIEWICZ K., ZBIERSKA J., JUSIK SZ., ZGOŁA T., Makrofitowa metoda oceny rzek Podręcznik do oceny i klasyfikacji rzek oparty na roślinnach wodnych, Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań 2010. [13] SZOSZKIEWICZ K., ZBIERSKA J., STANISZEWSKI R., JUSIK SZ., The variability of macrophyte metrics used in river monitoring, Oceanological and Hydrobiolgical Studies, 2009, Vol. 38, 117-126. [14] ZBIERSKA J., MURAT-BŁAŻEJEWSKA S., SZOSZKIEWICZ K., ŁAWNICZAK A., Bilans biogenów w agroekosystemach Wielkopolski w aspekcie ochrony wód na przykładzie zlewni Samicy Stęszewskiej, Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu, Poznań 2002. BOTANIC SIMILARIT BETWEEN THE GROUPS OF SITES DESIGNATED BASED ON THE ECOLOGICAL STATUS Aquatic plants are among the groups of organisms, which are used as indicators to assess the ecological status of surface waters. For the assessment of flowing waters, in Poland the Macrophyte Index for River (MIR) is applied. Macrophyte surveys were carried out in the period 2007-2009 as an element of national monitoring of surface waters in the Wielkopolska Region. The 152 river sites were surveyed. The calculated MIR index allowed to classify all river sites into five classes of ecological status. As a result 9 river sites were classified as high, 80 as good, 48 as moderate, 9 as poor and 6 as bad. The similarity between sites due to the occurrence of the same species were analyzed using the Jaccard index. It was shown that inside-class homogeneity achieved on the basis of species composition based on MIR index, is higher than between classes. These results confirmed the impact of degradation of rivers on the species composition of aquatic vegetation.