Naukowe znaczenie monitoringu zooplanktonu w Arktyce

Naukowe znaczenie monitoringu zooplanktonu w Arktyce Działalność Pracowni Ekologii Planktonu Zakładu Ekologii Morza IO PAN na tle aktualnej tematyki badawczej i działalności wiodących instytucji naukowych

Pracownia Ekologii Planktonu: Dr Jolanta Koszteyn Dr Katarzyna Błachowiak-Samołyk Dr Sławomir Kwaśniewski Dr Józef Wiktor Dr Wojciech Walkusz Mgr Katarzyna Dmoch Mgr Anna Olszewska Mgr Agnieszka Tatarek Mgr Agata Weydmann Mgr Katarzyna Wojciechowska Temat I.5. Badanie efektów zmian klimatycznych w ekosystemie pelagialu Arktyki

Monitoring - oznacza regularne jakościowe i ilościowe pomiary lub obserwacje zjawiska czy obecności np. substancji, przeprowadzane przez z góry określony czas. Trzy zasady monitoringu: cykliczność pomiarów, unifikacja sprzętu i metodyk wykorzystywanych do pomiarów i obserwacji, unifikacja interpretacji wyników. Programy monitoringu są często stosowane w celu gromadzenia informacji na temat stanu ilościowego oraz jakościowego atmosfery i hydrosfery lub rozprzestrzeniania się susbtacji (zanieczyszczeń) w czasie i przestrzeni.

Program Państwowego Monitoringu Środowiska na lata 2007-2009 stanowi wypełnienie przepisu art. 23 ust. 3 p.1 ustawy z dnia 20 lipca 1991 r. o Inspekcji Ochrony Środowiska (Dz. U. z 1991 r. Nr 77, poz. 335 z późn. zm.) DEFINICJA: Państwowy Monitoring Środowiska zgodnie z art. 25 ust. 2 ustawy Prawo ochrony środowiska stanowi systemem pomiarów, ocen i prognoz stanu środowiska oraz gromadzenia, przetwarzania i rozpowszechniania informacji o środowisku. System PMŚ składa się z trzech bloków; bloku - presje (emisje), bloku - stan (jakość środowiska) oraz bloku - oceny i prognozy określających rodzaje i intensywność oddziaływania na środowisko przy pomocy wybranych wskaźników środowiskowych lub jeszcze wyraźniej wskaźników zrównoważonego rozwoju.

GMES (Global Monitoring for Environment and Security) is a European initiative for the implementation of information services dealing with environment and security. GMES will be based on observation data received from Earth Observation satellites and ground based information. These data will be coordinated, analysed and prepared for end-users. Ice map

Nowa Konwencja o ochronie środowiska morskiego obszaru Morza Bałtyckiego tzw. Nowa Konwencja Helsińska z 1992 r. Jest to znowelizowana Konwencja z 1974 r, podpisana w Helsinkach w dniu 9 kwietnia 1992 r. przez Danię, Estonię, Federację Rosyjską, Finlandię, Litwę, Łotwę, Niemcy, Polskę, Szwecję i Wspólnotę Europejską. Polska ratyfikowała Konwencję 24 czerwca 1999 r. (Dz. U. Nr 62 poz. 687 z 1999 r.). Konwencja weszła ona w życie dla wszystkich stron, w tym Polski, 17 stycznia 2000 r. Przedmiotem i celem Konwencji jest ochrona środowiska morskiego obszaru Morza Bałtyckiego, w tym ograniczanie zanieczyszczeń pochodzących ze wszystkich źródeł: z lądu, ze statków i z powietrza. Monitoring Morza Bałtyckiego stanowi realizację programu monitoringu wód morskich przygotowanego przez Komisję Helsińską w ramach NKH O ochronie środowiska morskiego obszaru morza Bałtyckiego") - HELCOM COMBINE i obejmuje badania na 6 stacjach międzynarodowych w strefie otwartego morza oraz na 32 stacjach w strefie przybrzeżnej, a częstotliwość i zakres badanych parametrów wynikają z programu HELCOM.

Obserwowane współcześnie wahania klimatu i powiązane zmiany w przyrodzie ożywionej, a także zmotywowane tymi wydarzeniami naukowe opracowania zgromadzonych serii czasowych wybranych parametrów (IPCC report, AMAP report), doprowadziły do przywrócenia naukowego znaczenia badań monitoringowych Źródło: IPCC

Nie bez znaczenia jest też postęp technologiczny, skutkujący rozwojem nowych technik i narzędzi obserwacji i pomiarów, powiększeniem możliwości gromadzenia danych, a także rozwojem nowych metod analizy i walidacji danych oraz modelowania czy naukowego prognozowania procesów przyrodniczych w obrębie biogeosfery Observed sea ice September 1979 Observed sea ice September 2003 Źródło: ACIA

Zmiany klimatu oddziałują na każdy element globalnego ekosystemu, szczególnie dyskutowane są ich negatywne skutki socjoekonomiczne http://ideo.columbia.edu/nao/ Istnienie zmian klimatu (naturalnych czy wskutek działalności człowieka) dokumentuje stale wzrastająca ilość dowodów http://topex-www.jpl.nasa.gov/gallery/

Obserwacje i modele sugerują, że zmiany klimatu będą widoczne najwcześniej w rejonach polarnych 1. As snow and ice melt, darker land and ocean surfaces absorb more solar energy. 2. More of the extra trapped energy goes directly into warming rather than into evaporation. 3. The atmospheric layer that has to warm in order to warm the surface is shallower in the Arctic. 4. As sea ice retreats, solar heat absorbed by the oceans is more easily transferred to the atmosphere. 5. Alterations in atmospheric and oceanic circulation can increase warming. Źródło: ACIA

Early 70s Gulf of Alaska trawl catch Source: Francis and Hare 1994 Central Alaska Sockeye catches Change has profound consequences for all natural resources, stakeholders and managers Late 70s 80s- 90s

Continuous Plankton Recorder The strength of the CPR survey lies in its unique ability to collect samples frequently over large spatial scales by using ships of opportunity First CPR in 1926; 196 112 samples Hays et al. (2005) TRENDS in Ecology and Evolution 20

The northerly shift of mesozooplankton assamblages. Scale is the mean number of indicative species per assamblage. Warm-temperate pseudo-oceanic species Temperate pseudo-oceanic species Cold mixed water species 1958 1981 1958 1981 1958 1981 1958 1981 1982 1999 1982 1999 1982 1999 1982 1999 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Subarctic species 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Beaugrand et al. 2002, Science 296:1692-1694

Ekosystem pelagialu charakteryzuje duża dynamika przestrzenna i czasowa Planque 1996 Poznanie relacji klimatekosystem wymaga badań w klimatycznej skali czasu aqua.nasa.gov/ images/norway

Zalety monitoringu planktonu Większość gatunków żyje krótko, co powoduje powstanie ściślejszych zależności wielkości populacji od warunków środowiskowych Stenseth et al. 2002 Tylko nieliczne gatunki planktonu są eksploatowane

Plankton może wykazywać dramatyczne wahania rozmieszczenia na skutek swobodnego trybu życia i szybkiej reakcji na warunki otoczenia Plankton jest bardziej czułym wskaźnikiem zmian z powodu nieliniowych odpowiedzi i możliwości amplifikowania drobnych zmian www.fsg.ulaval.ca/giroq/now/ Zalety monitoringu planktonu

Sundby 2006 Planque 1996 NORTH ATLANTIC OSCILLATION AFFECTS ZOOPLANKTON (CALANUS)

Sundby 2006

Feie-Shetland Section B1 C1 B2 C2 Sundby 2006

Norwegian Coastal Current Atlantic inflow Sundby 2006 Deep inflow originating from Norwegian Sea Intermediate Water

Sundby 2006

N Norwegian Sea 500 Weak A tlantic Inflow Atlantic water North Sea Norwegian Sea Intermediate Water 1000 Sundby 2006 m

N Norwegian Sea 500 North Sea St ic nt la At ng ow ro Infl 1000 Norwegian Sea Intermediate Water Atlantic water Sundby 2006 m

Strong outflow of low saline Arctic water Sundby and Drinkwater (2006) Sundby 2006 Strong inflow of high saline Atlantic water

Increased inflow of Atlantic water (AW) to the Northeast Atlantic Warmer ocean climate in the North Sea Increased inflow of AW to the North Sea Increased inflow of AW to the Barents Sea Warmer ocean climate in the Barents Sea Warmer ocean climate in the Norwegian Trench Reduced inflow of NSIW to the North Sea Increased transport of C. finmarchicus to the Barents Sea Better growth conditions for C. finmarchicus in the Barents Sea Less beneficial conditions for local overwintering of C. finmarchicus in the Norwegian Trench Reduced transport of overwintering C. finmarchicus to the North Sea Lower local spring production of C.finmarchicus Poor North Sea cod recruitment Higher local spring production of C.finmarchicus Strong Barents Sea cod recruitment Svein Sundby, SCOR Meeting, Plymouth 2006

General conclusions Temperature in the North Sea is a proxy for the advection of C. finmarchicus-rich water masses from the Norwegian Sea. The Atlantic inflow to the North Sea is NOT a source for C. finmarchicus. C.finmarchicus leak into the North Sea from overwinterers the Norwegian Sea Intermediate Water (NSIW). The advection of C. finmarchicus into the North Sea during winter results in a local spring and summer production that has the potential to support strong year classes of North Sea cod. Increased NAO index is linked to increased inflow of warm Atlantic water to the Nordic Seas and the North Sea. This, in turn, is blocking for the inflow cool C.finmarchicus-rich NSIW that reduces the potential for spring-spawning fish in the North Sea. Svein Sundby, SCOR Meeting, Plymouth 2006

Modelowanie - Bałtyk Pseudocalanus Acartia T S/O2 SPRAT HERRING T S/O2 CLIMATE COD Pseudocalanus CLIMATE Pseudocalanus Acartia Fig. Conceptual model of major climate effects on recruitment (a) and growth (b) of three fish species (cod, sprat and herring) in the eastern Baltic Sea. Dotted arrows effect of climate on hydrography, dashed arrows, indirect effects; and solid arrows direct effects;s, salinity; O2, oxygen; T, temperature. MACKENZIE et al. (2007) Global Change Biology, 13

Modelowanie Bałtyk - cd Fig. Vertically averaged salinity (%) in the Baltic Sea (Meier, 2006). The left panel shows the spatial distribution of salinity for the control period 1961 1990, as derived from the Rossby Centre Regional Climate Ocean model (colour scale is from 0% to 30% in intervals of 1.5%). The middle and right panels show the difference in salinity between the control period and the scenario period (2071 2100) as estimated by two different models for the IPCC A2 CO2 scenario (middle panel, global forcing of the Rossby regional model was provided by the ECHAM4/OPYC3 model; right panel, global forcing of the Rossby regional model was provided by the HadAM3H model). MACKENZIE et al. (2007) Global Change Biology, 13

Piechura i inni 2003; Dmoch i inni 2004 Zooplankton w rejonie WSC

Piechura i inni 2003; Dmoch i inni 2004 Zooplankton w rejonie WSC

Hop et al. 2006, PiO 71 Zooplankton w Kongsfjorden

Kwaśniewski i inni w przygotowaniu Mesozooplankton @ MariClim 2006 vs background reference

Kwaśniewski i inni w przygotowaniu Mesozooplankton @ MariClim 2006 vs background reference

Kwaśniewski i inni w przygotowaniu Calanus - Kongsfjorden

Mesozooplankton @ MariClim 2006 vs long-term reference Other non-copepoda 100% Fritillaria borealis Echinodermata larvae 80% Limacina helicina Bivalvia veliger Copepoda nauplii 60% Other copepoda Oithona atlantica C. hyperboreus 20% Metridia longa Microcalanus Oithona similis Se pt _9 7 20 06 _A 20 06 _M J 20 06 _J 20 04 20 03 20 02 20 01 20 00 19 99 Pseudocalanus 19 97 19 96 0% C. glacialis C. finmarchicus Kwaśniewski i inni w przygotowaniu Oncaea borealis 40%

Willis et al. 2006, JMS 61 Monitoring zooplankotnu moorings

Willis et al. 2006, JMS 61

Karnovsky et al. 2003 Monitoring zooplanktonu arktycznego w kontekście alczyka (Karnovsky et al., 2003, Wojczulanis et al. 2006)

Karnovsky et al. 2003 (MEPS 253) Zooplankton biomass mg m 5 Little Auk density birds km -2 20 0-3 500 1 300 911 1048 200 200 76 30'N 200 20 0 200 0 20 200 012 E 014 E 016 E Biomasa zooplanktonu (mg m-3) 018 E 012 E 77 N 20 0 20 0 77 N 014 E 016 E Liczebność alczyka (osob. km-2) 018 E 76 30'N

AUK Project description LAs prefer large arctic copepods which are more numerous in waters of Arctic origin Calanus glacialis Calanus finmarchicus ATLANTIC WATER 90 80 70 60 50 40 2.2 kj/m3 ARCTIC WATER 6.9 kj/m3 30 20 10 0 C. glacialis C. finmarchicus other C. glacialis C. finmarchicus 90 80 C. finmarchicus V+ f C. glacialis IV+V+ f other taxa and stages 70 60 other LITTLE AUK DIET 50 40 30 20 10 0 C. glacialis C. finmarchicus other Karnovsky et al. 2003 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

AUK - monitoring

Stempniewicz L., Błachowiak-Samołyk K., Węsławski J.M. (2007) Impact of climate change on zooplankton communities, seabird populations and Arctic terrestrial ecosystem a scenario. Deep-Sea Research II, 54, 2934 2945

Zmiany sezonowe (wiosna-jesień) zooplanktonu wód Svalbardu On Thin Ice 2003 May 2003 15000 mg DW m -2 12000 9000 6000 3000 0 Ice Ia Ice Ib 405 Ice III 411 Ice II s tation Herbivores omnivores predators August 2003 50000 mg DW m-2 40000 30000 20000 10000 0 N1 Flaket 2 Flaket 1 N2 N3 ICE 3-1 station Herbivores omnivores predators Blachowiak-Samolyk K., Kwasniewski S., Dmoch K., Hop H., Falk-Petersen S. (2007) Trophic structure of zooplankton in the Fram Strait in spring and autumn 2003. Deep-Sea Research II, 54: 2716-2728.

Hornsund struktura wielkościowa zooplanktonu Juday 37 cm 0,1 m2 0.056 mm WP2 57 cm 0,25 m2 0.180 mm WP3 113 cm 1,0 m2 1.0 mm Kwaśniewski i inni w przygotowaniu

Liczebność całkowita zooplanktonu [Ind m-3] na stacjach, w warstwach, w zależności od sieci 12000 POWTÓRZENIA 10000 a Ind m-3 8000 b c 6000 4000 2000 0 10-0 75-10 90-75 H1 20-0 65-20 H3 Juday 10-0 75-10 90-75 H1 20-0 65-20 H3 WP-2 10-0 75-10 90-75 H1 20-0 65-20 H3 WP-3 Kwaśniewski i inni w przygotowaniu

Skład taksonomiczny zooplanktonu H1 Pseudo Ch Sele Inne Ch Cf WP3 Sele Pseudo Inne Oiko Dec H3 Cg Cg Osim Sele Inne Cirnau Copnau Ch Mic Ch Mic Cg Cg Pseudo Osim JUDAY Sele Inne Cirnau Pseudo Cf Cirnau Cf Cirnau Rot Tin Osim Rot Tin Inne Inne Copnau Mollar Copnau Mollar Mic Pseudo Cg Cf Cg Ch Cyclopoida (Oithona similis) Calanoida nauplii Calanus finmarchicus Pseudocalanus spp. Microcalanus spp. Mic Calanus glacialis Calanus hyperboreus Chaetognatha (Sagitta elegans) Appendicularia (Oicopleura spp.) Decapoda Pseudo Cf Mollusca larvae Cirripedia Tintinoidea Rotatoria Inne Kwaśniewski i inni w przygotowaniu WP2 Mollar Osim Copnau

Wybrane publikacje Pracowni Ekologii Planktonu Stempniewicz L., Błachowiak-Samołyk K., Węsławski J.M. (2007) Impact of climate change on zooplankton communities, seabird populations and Arctic terrestrial ecosystem a scenario. Deep-Sea Research II 54:2934-2945 Blachowiak-Samolyk K., Kwasniewski S., Dmoch K., Hop H., Falk-Petersen S. (2007) Trophic structure of zooplankton in the Fram Strait in spring and autumn 2003 Deep-Sea Research II 54:2716-2728 Walkusz W., Kwaśniewski S., Dmoch K., Beszczyńska Möller A. (2007) A contribution to the knowledge of Arctic zooplankton durina variability (Kongsfjorden, Svalbard). Polish Polar Research, 28 (1): 43-56 Willis KJ, Cottier FR, Kwaśniewski S (2007) Impact of warm water advection on the winter zooplankton community in an Arctic fjord. Polar Biology DOI 10.1007/s00300-007-0373-0. Hop H., Falk-Petersen S., Svendsen H., Kwasniewski S., Pavlov V., Pavlova O., Soreide J. (2006). Physical and biological characteristics of the pelagic system, across Fram Strait to Kongsfjorden. Progress In Oceanography, 71:182-231 Kędra M., Walkusz W. (2006) Global warming-driven biodiversity change: pelagic versus benthic domain. Arctic (79 N) case study. MARBEF Newsletter Nr 5, 23-24 Willis K. J., Cottier F., Kwasniewski S., Wold A., Falk-Petersen S. (2006). The influence of advection on zooplankton community composition in an Arctic fjord (Kongsfjorden, Svalbard). Journal of Marine Systems 61, 39-54. Wojczulanis K., Jakubas D., Walkusz W., Wennerberg L. (2006). Differences in food delivered to chicks by males and females of little auks (Alle alle) on South Spitsbergen. Journal of Ornithology, 147 543 548 Dmoch K, Kwaśniewski S, Walczowski W. (2004). Pelagial mesozooplankton of the region off West Spitsbergen - Abundance and Biomass". Poster European Geosciences Union 1st General Assembly. Nicea, 25-30 kwietnia 2004, sesja: "Interactions and Feedbacks Among Marine Pelagic Ecosystems, Biogeochemical Cycles and Climate, in a Globally Changing Environment" BG26. Karnovsky N, Kwasniewski S, Weslawski JM, Walkusz W, Beszczyńska-Moller A (2003). The foraging behaviour of little auks in a heterogenous environment. Marine Ecology Progress Ser 253; 289-303. Kwaśniewski S, Hop H, Falk-Petersen S, Pedersen G. (2003). Distribution of Calanus species in Kongsfjorden a glacial fjord in Svalbard. Journal of Plankton Research 25, 1-20.