Změny sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase
Z8025 (učebna Z2)
4. Laterální a vertikální interakce vodních toků s okolním prostředím
Mgr. Karel Brabec, Ph.D.
brabec@sci.muni.cz
SYLABUS
1. Úvod – teoretické koncepty
2. Prostorové škály říční krajiny
3. Změny vodních toků v podélném profilu
4. Laterální a vertikální interakce vodních toků s okolním prostředím
5. Stojaté vody – vztahy k povodí, procesy ve vazbě na prostorové členění
6. Dlouhodobé trendy ve vývoji vodních ekosystémů
7. Sezonní dynamika faktorů prostředí a biologických společenstev
8. Teplotní režim povrchových vod
9. Ekologické aspekty průtokového režimu a hydraulických podmínek
10. Antropogenní modifikace vodních ekosystémů (se zřetelem na časoprostorové
aspekty)
11. Potenciální dopady změn klimatu ve sladkovodních ekosystémech
12. Časo-prostorové aspekty adaptačních opatření a revitalizací degradovaných
ekosystémů
13. Případové studie
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY struktura
FUNKČNĚ-PROCESNÍ ZÓNY
/FUNCTIONAL PROCESS ZONES (FPZ)/
struktura
• Thorp et al. (2006)
• hydromorfologicky definované plošky utvářené geomorfologickými
charakteristikami povodí a průtokovým režimem
• propojení geomorfologie, hydrologie a ekologie/biologie
• umožňuje hodnotit vztahy struktur a funkcí ekosystému na různých
prostorových a časových škálách
KONEKTIVITA ŘÍČNÍCH SYSTÉMŮ
• dynamika metapopulací a kontinuita krajinných struktur
• hydrologická konektivita
• pohyb látek a organismů, přenos energie
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY laterální dimenze
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY laterální dimenze
• flood pulse concept
• telescoping concept
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY laterální dimenze
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY flood pulse concept
FLOOD PULSE CONCEPT (TEORIE PERIODICKÝCH ZÁPLAV)
• říční niva (floodplain) – je periodicky ovlivňována transportem vody a
rozpuštěného/partikulovaného materiálu
• aquatic – terrestrial transitional zone (ATTZ)
• velké toky (poměrně dlouhé zaplavení ATTZ, rozsáhlé a časově omezené
stojaté vody v říční nivě)
• malé toky (krátké záplavové pulsy v ATTZ, ve kterých se vyskytuje tekoucí voda
pouze po krátká období)
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY flood pulse concept
TELESCOPING ECOSYSTEM
MODEL
Modely laterální dimenze a její dynamiky
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
RIPARIAFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
RIPARIAFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
RIPARIA
• transport vody
• toky živin
• produkce organické hmoty
• dynamika dekompozice
• informační toky
• mikro-klimatické podmínky
Biologické funkce pobřežní zóny
• plošky se liší vlastnostmi
• hranice mezi ploškami ovlivňují toky
• konektivita je zásadní
charakteristika
• organismy hrají důležitou roli
• důležitost škály
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
DŘEVNÍ HMOTA
 dřevní hmota v korytech toků ovlivňuje lokální korytotvorné procesy po
milióny let
 odumřelé dřevo je důležitým prvkem přirozených toků v mírném
klimatickém pásu
 běžně aplikovanou praxí správců toků je odstraňováni dřeva z koryta,
zatímco někteří vědci podporují navracení dřevní hmoty do toků v rámci
revitalizačních opatření
 souhrnný vliv na tvar koryta a jeho dynamiku je pozorovatelný v rámci
různých prostorových a časových měřítek
 hydraulika, transport sedimentů, eroze břehů, vznik tůní, iniciování
sedimentace a vzniku štěrkových lavic
 velké klády mohou spustit procesy na úrovni morfologie úseku toku i
interakce řeky a jejího záplavového území
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
DŘEVNÍ HMOTA
 v dlouhodobé perspektivě mohou toky bohaté na dřevní hmotu zadržet
více sedimentů, mít nižší míru jejich transportu a větší spád než toky
chudé na dřevní hmotu
 největší geomorfologický význam mají velké stabilní klády, které
katalyzují směřování a ukládání drobnější dřevní hmoty a sedimentů.
Relativní velikost klády vůči rozměru koryta je poměrně spolehlivým
ukazatelem potenciální stability dřevní hmoty v korytě
 toky s vysokým přísunem velké a potenciálně stabilní dřevní hmoty
mohou vykazovat značnou vertikální variabilitu topografie dna
nezávisle na vnějších faktorech (kolísání klimatu, časové výkyvy přísunu
sedimentů nebo tektonické aktivity)
 v některých typech toků může být vliv režimu dřevní hmoty srovnatelný
s vlivem sedimentačního nebo průtokového režimu
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
DŘEVNÍ HMOTAFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
Bečva - Černotín
Multiple-scale effects of stream corridors on
biological and chemical characteristics
of small streams
Karel Brabec1, Renata Chloupkova2, Michaela Kucerova2, Ondrej Hajek3
1 Research Centre for Toxic Compounds in the Environment, Faculty of Science, Masaryk
University, Kamenice 753/5, 625 00 Brno, Czech Republic, brabec@sci.muni.cz
2 Institute of Biostatistics and Analyses, Faculty of Science, Masaryk University
3 Department of Zoology & Ecology, Faculty of Science, Masaryk University
Motivations
• lack of explanatory variables at scales between stream
stretch and catchment
• searching for method based on remote sensing data
Study aims
• to classify stream corridors on the basis of riparian
vegetation types and land use adjacent to stream
channel
• to test relationships among chemical/biological
parameters and stream corridor characteristics
STREAM CORRIDORS
• ecotone – transition between land and stream
• riparian vegetation – shading, buffer zone, organic
material
• target of stream regulations and restoration
measures
• place where land-originated pressures interact with
dynamics of fluvial ecosystems
Development of scoring systems for riparian/bank zone and river
floodplain (type of riparian vegetation and land use in floodplain)
• combination of floodplain LU and riparian
vegetation characteristics representing
potential risks and barriers
• e.g. arable land adjacent to stream may
reflect in elevated fine sediment transport
to fluvial systems; character of riparian
vegetation may regulate resulting
sediment input to streams
Analyses of aerial photos
(RIP method)
• bank zone (up to 5 m from
banks)
• floodplain zone (up to 10 m
from banks)
• minimum length of classified
stream segment = 20 m
spatial definition of stream corridors
RIP method
CORINE
• 200 m-wide buffer zone along
stream network
lateral longitudinal
RIP classification
BANK
• bare
• grass
• woody scattered
• woody continuous
FLOODPLAIN
• cropland
• urban/unvegetated
• meadow
• forest
BANK
FLOODPLAIN
COMBINATION OF BANK AND FLOODPLAIN
RIP scoring system
BF SCORE = (1/Fscore)/Bscore
BANK B_code B_score
bare both B2 1
bare x grass BG 2
grass both G2 3
woody continuous x bare WCB 4
woody continuous x grass WCG 5
woody scattered both WS 6
woody continuous both WC2 7
FLOODPLAIN F_code F_score
cropland both C2 1
cropland x urban CU 2
urban both U2 3
cropland x meadow CM 4
meadow x urban MU 5
forest x cropland FC 6
forest x urban FU 7
meadow both M2 8
forest x meadow FM 9
forest both F2 10
FLOODPLAIN SCORE BANK SCORE
Legend
^_ site
Bank score
1.0 - 2.0
2.1 - 3.0
3.1 - 5.0
5.1 - 6.0
6.1 - 7.0
Floodplain score
1.0 - 2.0
2.1 - 4.0
4.1 - 6.0
6.1 - 8.0
8.1 - 10.0
RIP scoring system
visualization and scale-dependent analyses
RIP scoring system
STUDY SITES
• 23 sites, catchment area 16-51 km2
• altitude 244-485 m a.s.l.
RIP scores vs. CORINE
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all catch
correlationcoefficient(r)
bank score
floodplain score
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all catch
correlationcoefficient(r)
bank score
floodplain score
ARABLE LAND (Corine 211) URBAN LAND (Corine 112)
RIP scores vs. CORINE
-10 0 10 20 30 40 50
arable land in entire stream corridor (%)
4
5
6
7
8
9
10
riparianscores
r = -0.9242
r = -0.9313
FLOODPLAIN score
BANK score
RIP scores vs. CORINE
F B
WATER CHEMISTRY
variable score
0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all
Bank -0.66 -0.77 -0.74
Floodplain -0.50 -0.47 -0.62 -0.72 -0.70
Bank -0.42 -0.66 -0.70 -0.65
Floodplain -0.49 -0.52 -0.62 -0.57 -0.53
Bank -0.58 -0.50 -0.46
Floodplain -0.43 -0.46 -0.57 -0.54 -0.52 -0.67 -0.58 -0.52
Bank -0.49 -0.74 -0.71 -0.67
Floodplain -0.64 -0.63 -0.68 -0.75 -0.72 -0.78 -0.81 -0.77
Bank -0.57 -0.82 -0.83
Floodplain -0.50 -0.67 -0.71
Bank -0.51 -0.60 -0.60
Floodplain -0.48 -0.48 -0.46 -0.55 -0.77 -0.74
Bank -0.61 -0.69 -0.67
Floodplain -0.44 -0.49 -0.59 -0.68 -0.65
nitrite
nitrate
ortho-phosphate
phosphate
corridor extent upstream (km)
chloride
BOD5
amonium
Bank score x nitrate concentration in water
4.6 4.8 5.0 5.2 5.4 5.6 5.8 6.0 6.2 6.4 6.6 6.8
Bank score within entire stream network upstream the site
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
nitrate(spring)mg/l
B_Wscore_99999:a127: y = 135.4601 - 20.0286*x;
r = -0.8778, p = 0.00000; r 2
= 0.7706
MACROINVERTEBRATES vs. RIP scores
variable score
0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all
Bank -0.57 -0.70 -0.57 -0.52
Floodplain -0.53 -0.49 -0.55 -0.66 -0.74 -0.73 -0.62 -0.53
Bank 0.59 0.78 0.67 0.61
Floodplain 0.47 0.49 0.60 0.68 0.74 0.79 0.65 0.56
Bank 0.58 0.59 0.42 0.56 0.79 0.86 0.70 0.64
Floodplain 0.65 0.65 0.68 0.77 0.86 0.86 0.69 0.59
Bank -0.56 -0.73 -0.56 -0.49
Floodplain -0.57 -0.56 -0.60 -0.71 -0.76 -0.79 -0.58 -0.48
Bank 0.52 0.64 0.48 0.43
Floodplain 0.54 0.62 0.69 0.69 0.51 0.45
Bank -0.51 -0.54 -0.46 -0.59 -0.69 -0.43
Floodplain -0.51 -0.54 -0.58 -0.65 -0.73 -0.71
Bank -0.42
Floodplain -0.44 -0.44 -0.49 -0.47 -0.43
Bank 0.54 0.54 0.54 0.70 0.80 0.64 0.58
Floodplain 0.66 0.63 0.64 0.76 0.84 0.78 0.56 0.47
Bank 0.48 0.48 0.46 0.69 0.77 0.74 0.73
Floodplain 0.47 0.46 0.48 0.56 0.70 0.76 0.72 0.67
Bank -0.47 -0.44 -0.52 -0.53 -0.43
Floodplain -0.65 -0.70 -0.73 -0.76 -0.73 -0.59 -0.61 -0.53
number of chironomid taxa
ASPT
EPT-taxa (%)
number of sensitive taxa
Gathering collectors
Oligochaeta (%)
number of EPT taxa
number of Coleoptera taxa
Chironomidae (%)
Saprobic index
corridor extent upstream (km)
Spearman rank correlation (rs, N=23)
0 10 20 30 40 50 60
Arable land in corridor 5 km upstream (%)
3
4
5
6
7
8
ASPTindex
r = -0.8487
3 4 5 6 7 8 9 10
FLOODPLAIN score (5 km)
3
4
5
6
7
8
ASPTindex
r = 0.8759
CORINE Floodplain RIP-score
MACROINVERTEBRATES vs. RIP scores
ASPT
EPT taxa richness
(similar pattern was found for Stone-dwelling taxa index – Braukmann)
4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
BANK score (5 km)
0
5
10
15
20
25
30
35
numberofEPTtaxa
r = 0.7951
0.00
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.70
0.80
0.90
0.1 0.2 0.5 1 2 5 10 all
correlationcoefficient(r)
EPT taxa richness and BANK score (5 km)
(r, N=23)
MACROINVERTEBRATES vs. RIP scores
Conclusions
• newly developed scoring system of stream corridors based on
aerial maps (RIP)
• water chemistry is predominantly linked to large scale
characteristics of stream corridor (10 km or entire stream
network buffer)
(F-score combines agriculture and urban pressures)
• most of studied macroinvertebrate parameters was related to
corridor characteristics within 2 or 5 km upstream the site
• combination of both methods for corridors classification can
result in efficient explanation of chemical and biological
characteristics of fluvial ecosystems (e.g. first 2 km of RIP
combined with large scale CORINE)
ACKNOWLEDGEMENTS
Data collection started in STAR project (FP5)
This study was supported by REFORM project (FP7)
and the Ministry of Education of the Czech Republic
(LM2011028 and LO1214).
WWW.REFORMRIVERS.EU
VERTIKÁLNÍ DIMENZE
 downwelling a upwelling zóny toku
 kyslíkové poměry
 živiny a další minerální látky
 DOM, POM
 biota (pronikání do substrátu, komunikace s podzemními vodami,
refugia)
FLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.85
8.218&rep=rep1&type=pdf
DOWNWELLING/UPWELLING
 downwelling a upwelling zóny toku
VERTIKÁLNÍ DIMENZE
DOWNWELLING/UPWELLING
 downwelling a upwelling zóny toku
VERTIKÁLNÍ DIMENZE
DOWNWELLING/UPWELLING
 downwelling a upwelling zóny toku
VERTIKÁLNÍ DIMENZE
GRADIENTY LÁTEKVERTIKÁLNÍ DIMENZE
GRADIENTY LÁTEKVERTIKÁLNÍ DIMENZE
 20 dnů vypouštěny roztoky chloridu a dusičnanu
do povrchové vody
 pozorování v sondách na břehu
 chlorid >90% říční vody v sondách <4m od koryta
 0% v sondách 10m od koryta
 dusičnany – vyšší i nižší koncentrace než by
odpovídalo konzervativním chloridům
 zvýšené koncentrace – nitrifikace v
podpovrchovém transportu
 snížené koncentrace – denitrifikace během
transportu
GRADIENTY LÁTEKVERTIKÁLNÍ DIMENZE
laterální promíchávání prokysličené vody
 rozsáhlé na jaře, pokles na podzim (pokles průtoku, mikrobiální respirace a
nitrifikace)
VERTIKÁLNÍ DIMENZEFLUVIÁLNÍ EKOSYSTÉMY
ŘÍČNÍ NIVAVERTIKÁLNÍ DIMENZE
FOSFORVERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE ŽIVIN
VLIV VEGETACEVERTIKÁLNÍ DIMENZE
 pokles rychlosti proudění na dolním konci vytváří nepříznivé podmínky pro
rostliny (usazování písku a jemných sedimentů)
 zakořenění na horním konci pahorku (hummock) a vegetativní část splývá
po proudu (tímto směrem také přirůstá)
VLIV VEGETACEVERTIKÁLNÍ DIMENZE
 přední část struktury – prokysličená voda vstupuje do sedimentu, rostliny
využívají především rozpuštěný fosfor a dusík z povvrchové vody, uvolňují
málo kyslíku do sedimentů
 podél struktury mikrobiální aktivita – redukční podmínky, mobilizace
rozpuštěného reaktivního fosforu a amoniaku
 rostliny rostoucí na dolním konci struktury využívají především N a P ze
sedimentů (uvolňují více kyslíku v rhizosféře)
MEZO-ŠKÁLOVÉ VLIVYVERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE BIOTY
MIKRO-ŠKÁLAVERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE BIOTY
BIOTAVERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE BIOTY
 meiofauna (50-1000 µm)
 makrofauna (> 1000 µm)
 vířníci, korýši, máloštětinatí červi, larvy hmyzu
BIOTAVERTIKÁLNÍ DISTRIBUCE BIOTY
METODYVERTIKÁLNÍ STRUKTURA
 injektáž nereagující látky
 čerpání vody ze sond
 odběr sedimentů (freeze core)
 instalace logerů, gelové náplně
DISTRIBUCE KOVŮVERTIKÁLNÍ DIMENZE
Location of study sites at Svratka River
DISTRIBUCE KOVŮVERTIKÁLNÍ DIMENZE
DISTRIBUCE KOVŮVERTIKÁLNÍ DIMENZE
DISTRIBUCE KOVŮVERTIKÁLNÍ DIMENZE
As
Cd
Co
Cr
Cu
Mo
Ni
Pb
Sb
V
Zn
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10 12
CLC/CLR
CLR/CLB
Phalaris translocation factor between root and shoot (MVR/MVB) displayed against bioconcentration
factor between subsurface sediments and Phalaris roots (MVC/MVR) – mean ± standard error.
DISTRIBUCE KOVŮVERTIKÁLNÍ DIMENZE
As
Cd
Co
Cr
CuMo
Ni
Pb
Sb
V
Zn
0
5
10
15
20
25
30
35
0 5 10 15 20 25 30 35
MVC/MVR
MVR/MVB
Callitriche translocation factor between root and shoot (CLR/CLB) displayed against bioconcentration
factor between subsurface sediments and Callitriche roots (CLC/CLR) – mean ± standard error.
DISTRIBUCE KOVŮVERTIKÁLNÍ DIMENZE
Significant correlations (Pearson r, N=13; p<0.05) among metal concentrations in different submatrices
related to plants (B = plant shoots, R = plant roots, S = plant-associated surface sediments, C = subsurface
sediments washed from plant roots).
Metal Phalaris Callitriche
As B x R B x C; S x all
Cd R x S Co
R x C B x R
Cr - B x C; B x R
Cu B x R R x C; S x all
Mo - R x S; R x C
Ni - Pb
- B x R; B x C; R x C
Sb R x C B x C; R x S
V - R x S
Zn B x S B x R; C x S