Změny sladkovodních ekosystémů v prostoru a čase
Z8025 (učebna Z2, pondělí 16.00-17.50)
11. Potenciální dopady změn klimatu ve sladkovodních ekosystémech
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
PROJEVY ZMĚN KLIMATU NA SLADKOVODNÍ EKOSYSTÉMY
PREDIKCE ZMĚN TEPLOTY
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
REGIONÁLNĚ SPECIFICKÉ PROJEVY
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
ZMĚNY KLIMATU
• od poslední doby ledové klima na Zemi relativně stabilní
(průměrná teplota okolo 14°C
• během posledního století byl zaznamenán nárust o 0,7°C
• většina scénářů změn klimatu předpovídá další pokračování
tohoto trendu
• nárůst o 1-6°C do konce 21. století (IPCC, 2007)
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EVROPA: TEPLOTA
• během dekády 2002-2011 byly zaznamenány nejvyšší teploty
(o 1,3°C vyšší než průměr preindustriální doby)
• teplota v Evropě by mohla být koncem 21. stol. v průměru o
2,5-4,0°C teplejší než v období 1961-1990
• arktické oblasti se oteplují rychleji než jiné
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EVROPA: TEPLOTA
• záznamy nízkého rozsahu zámrzu arktických moří byly
zaznamenány v letech 2007, 2011, 2012 (představující asi
polovinu stavu 80. let 20. stol.
• tání grónského ledového příkrovu se zdvojnásobil od 90. let 20.
stol. (ztráta v průměru 250 miliard tun ledu každý rok v období
2005-2009
• ledovce v Alpách od roku 1850 ztratily 2/3 svého objemu a
předpokládá se další pokračování tohoto vývoje
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EVROPA: SRÁŽKY
• srážky klesají v jižních regionech Evropy a naopak narůstají v
severních
• tyto trendy se promítají do zvyšování povodňových jevů
(zvláště na severu), vzhledem k tomu, že vyšší teploty
zintenzivňují vodní cyklus
• zároveň se vysychání toků stává stále častějším a výraznějším v
jižní Evropě
• nízké průtoky podle predikcí budou významně klesat v létě v
jižní Evropě, ale také v dalších regionech v různé míře
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EVROPA: BIOTA
• řada studií prokázala různorodé změny společenstev rostlin a
živočichů
• například rostliny kvetou dřívě během roku, dřívější rozvoj
fytoplanktonu a zooplanktonu
• populace rostlin a živočichů se vlivem oteplování jejich
původních areálů přesunují severněji a do vyšších
nadmořských výšek
• vzhledem k tomu, že rychlost přesunu řady druhů nemusí
držet krok s tempem změn klimatu a tím mohou být v
budoucnu vystaveny nebezpečí vyhynutí
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
PROJEVY KLIMATICKÝCH ZMĚN VE VODNÍCH EKOSYSTÉMECH
• zvýšení povrchové teploty vody v jezerech a vodních tocích
napříč Evropou
• zvýšení hypolimniové teploty ve velkých hlubokých jezerech
• redukce zamrzání jezer
• tání horských ledovců a permafrostu, což způsobuje změny
průtokového režimu horských toků a uvolňování rozpuštěných
látek a polutantů do povrchových vod
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
PROJEVY KLIMATICKÝCH ZMĚN VE VODNÍCH EKOSYSTÉMECH
• je pravděpodobné, že tyto trendy budou pokračovat
• změny průtokového režimu související s predikovanými
změnami úhrnu, sezonality, intenzity a distribuce srážek =
zvýšený transport sedimentů a živin vodním tokem do jezer a
mořského pobřeží
• změny srážek, výparu a dynamiky záplav způsobí změny výšky
hladiny, struktury habitatů a dobu zdržení vody v mokřadech
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
PROJEVY KLIMATICKÝCH ZMĚN VE VODNÍCH EKOSYSTÉMECH
• malé vysychající toky a malá jezera v teplých a suchých
oblastech mohou zanikat, zatímco průtoky v současných
permanentních tocích se mohou změnit na občasné; v
jezerech může vzrůstat salinita
• systémy, které již dosáhly zlomových bodů mezi dvěma stavy
se mohou měnit poměrně prudce: permanentní-občasné toky,
sladkovodní-trvale salinní, nestratifikované-stratifikované
jezero, dimiktický-monomiktický režim
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN
• interakce se stresory, které již ovlivňují vodní toky, jezera a
mokřady (hospodaření s vodními zdroji, eutrofizace,
acidifikace, toxické látky, hydromorfologické změny, změny
využití krajiny v povodí, nepůvodní druhy
• zjištěné i očekávané dopady se výrazně lišily mezi typy
ekosystémů (jezera, toky, mokřady) a klimatickými oblastmi
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – CHLADNÉ OBLASTI
chladné oblasti:
• (i) zvýšení primární produkce jako důsledek delší vegetační
sezóny (kratší zámrz) a zvýšné uvolňování živin z půdy v
povodí; (ii) redukce populací nebo ztráta chladnomilně
stenotermních druhů (arktičtí siveni) v důsledku vzrůstající
teploty; (iii) změny ve struktuře potravních sítí, které v
jezerech vedou k vyšší biomase fytoplanktonu a poklesu
rozpuštěného kyslíku v hypolimniu stejně jako zvýšení
uvolňování živin ze sedimentů
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – CHLADNÉ OBLASTI
• (iv) nepříznivé dopady na submerzní vodní rostliny způsobené
změnami světelného režimu pod hladinou (zvýšený zákal
související s intenzivními srážkami a přísunem plavenin v létě;
(v) zvýšený drift bezobratlých v tocích způsobený unášecí silou
průtoků během tání sněhu/ledu/permafrostu
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – MÍRNÝ PÁS
v mírném pásu a v teplých vlhkých oblastech jsou sladké vody
zvláště zranitelné eutrofizací
• změny klimatu zřejmě naruší snahy revitalizovat vodní
ekosystémy (prostřednictvím vlivu na teplotní, hydrologický a
živinový režim
• vyšší teplota v jezerech vede k vyšší primární produktivitě
(více vodních květů), výraznější a delší době letní stratifikace
provázené výraznějším vyčerpáním kyslíku v hypolimniu a
zvýšeným uvolňováním fosforu ze sedimentů
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – MÍRNÝ PÁS
• změny distribuce druhů v rámci ekoregionů a náchylnost k
invazím nepůvodních druhů
• pokles celkové biodiverzity, narušení ekosystémových služeb
• reakce bioty jsou hůře predikovatelné (rozdíly mezi
ekoregiony) než odezva chemických a hydrologických
charakteristik
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – MÍRNÝ PÁS
• zvýšená teplota mění potravní vztahy: více ryb přežívá zimu
(redukce zámrzu); změna z dominance zooplankton+makrofyta
na ryby+fytoplankton
• změna srážkového režimu (více zimních a intenzivnější v létě)
může způsobit větší přísun živin pocházející z eroze
zemědělské půdy a častějších zahlcení čističek odpadních vod
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – MÍRNÝ PÁS
• v tocích představuje zvýšení teploty stres pro ryby a
bezobratlé s vyššími nároky na rozpuštěný kyslík – změny
struktury společenstev; změny habitatů losovitých ryb a
chladnomilně stenotermních bezobratlých (ústup z mnoha
fluviálních systémů střední a jižní Evropy)
• změny srážkového režimu (pattern/intensity) a s nimi spojené
riziko nízkých průtoků mění říční habitaty a biologická
společenstva (snížení O2 a riziko eutrofizace)
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – MÍRNÝ PÁS
• vysychání mokřadů může vést ke ztrátám vodní bioty a
invazím nemokřadních druhů (např. lesních); na druhé straně
vyšší výskyt extrémních srážkových událostí a zimních záplav se
projeví vlhčím charakterem mokřadů v mírném pásmu =
pozitivní vliv na procesy (functioning) nivních mokřadů
(koloběh živin, struktura habitatů)
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – TEPLÉ ARIDNÍ OBLASTI
v teplých aridních oblastech Evropy se očekává výrazný vliv
změny vlhkostní rovnováhy na sladkovodní ekosystémy
• redukce srážek a zvýšená teplota povedou ke ztrátám habitatů
a změnám struktury biologických společenstev (poklesy
hladin jezer, průtoků v tocích a zvýšené míry eutrofizace
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – TEPLÉ ARIDNÍ OBLASTI
teplé aridní oblasti
• změny režimů vysychajících toků (permanent – intermittent;
intermittent – ephemeral)
• vliv salinity na potravní sítě a strukturu společenstev
• endemické druhy budou ohroženy ztrátami habitatů a
sníženou konektivitou mezi nimi
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
EKOLOGICKÉ SOUVISLOSTI KLIMATICKÝCH ZMĚN – TEPLÉ ARIDNÍ OBLASTI
• vyšší výpar s nízkými srážkami vede ke snížení hladiny vody v
mokřadech, pro které to bude další zvýšení ohrožení (po
melioračních zásazích z 19. a 20. století
• ochrana, obnova stavu vodních ekosystémů, stanovišť a
biodiverzity
http://www.climate-and-freshwater.info/climate_change/
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
• mobilní
• závisí na vodních i terestrických biotopech (reagují na změny
biotopů a krajiny)
• dobré znalosti o biologii a ekologii
• atraktivní živočichové s dobrou determinovatelností
• jejich rozšíření je studováno po delší dobu
předpoklady pro indikaci klimatických změn
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
• od konce 70. let zaznamenáno postupné šíření Neměckem na
sever (2008 u severní hranice s Dánskem)
• šíření také v Nizozemí, Polsku, do Velké Británie
• za příčinu je považováno zvyšování teploty
• i další druhy původně z oblasti Středozemí se šíří na sever
• www.libellules.org, www.sudenkorento.fi
Crocothemis erythraea – první špička (tajícího) ledovce
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
záznamy druhů původně obývající Středozemí
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
• dříve se vyskytovaly jen v jižním Španělsku a střední Itálii
• dnes i jižní Francie, celé Španělsko, postup Itálií na sever
• pravděpodobně kombinace více faktorů (zvyšování teplot roční
průměr/letní teploty, nárust slunečných dnů, mírnější zimy)
• změny zaznamenány i na biologii jednotlivých druhů: rychlejší
vývoj nymf, více generací v roce, delší letová období
• zatím nebyl dokumentován žádný druh vážek který by se pod
vlivem změn klimatu šířil na jih
• první poznatky o zmenšování areálu Eurosibiřských druhů,
druhy vřesovišť (vliv změn úrovně hladiny, vysychání, nárůst
teploty)
šíření druhů původem z Afriky a Středního Východu
změny areálů eurosibiřských druhů
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
ohrožení vysycháním biotopů (změny srážkového režimu)
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• vážky (Odonata) jako modelová skupina
• účinky klimatu na distribuci a ekologii druhů vážek
• rozdíly mezi severní a jižní polokoulí?
• šíření středomořských druhů o stovky km během posledních
20-30 let (britské ostrovy, Skandinávie)
• v současné době dochází ke kolonizaci jižní Evropy africkými
druhy, které tak rozšiřují areál na sever
• odlišná situace v jižní Africe – klimatické limity (bottlenecks),
cykly (El Niño)
• mnohé savanové druhy jsou ekologicky oportunistické a
tolerantní k široké škále biotopů/habitatů (Van Huyssteen & Samways,
2009)
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• geografické rozšíření některých druhů se zmenšuje v suchých
obdobích a následně oportunisticky expanduje během vlhčích
etap (Orthetrum robustum)
https://www.warwicktarboton.co.za/images/DF%20jpgs/113-Orthetrum-robustum-Kosi-Bay-CD14-5470.jpg
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• vedle změn v geografickém rozšíření dochází i k posunům v
rámci nadmořské výšky (nárust diverzity i redukce horských
citlivých druhů)
• ztráta habitatů se specifickým teplotním režimem a zvyšování
podílu habitatových generalistů
• při nejmenším na jižní polokouli je složité určit jestli došlo ke
zvětšení rozsahu nadmořské výšky obývaného daným druhem
• příčinami je „pozaďový šum“ prehistorických změn klimatu a
současná výrazná cykličnost klimatu – to může překrývat
lokální dopady lidské činnosti
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• dřívější výlet imág, změny voltinismu z univoltinních na
bivoltinní v severních zemích severní polokoule
• prodloužení sezóny letajících dospělců
• časem možná de-synchronizace výletu imág
• na jižní polokouli jsou opět tyto jevy více maskovány
geografickou rozmanitostí a meziroční variabilitou
Změny fenologie vážek
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• eliminace společenstev
• krátkodobé vysychání – zvýhodnění druhů s velkou schopností
kolonizace a krátkým vývojovým cyklem (r-stratégové)
vliv vysychání
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• invazní druhy ryb a korýšů (vážky potravou)
• invazní druhy pobřežních stromů v jižní Africe omezují osídlení
vodního tělesa vážkami (změna chemismu vody, hlavní je ale
zastínění)
vliv invazních druhů
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
vliv invazních druhů
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN NA VÁŽKY
srovnání severní a jižní polokoule
• ohrožené biotopy (vřesoviště, horské oblasti)
• druhy vyžadující stabilní podmínky (úroveň hladiny)
• malé populace, plošková/nespojitá distribuce, izolované
populace
ohrožené druhy
Upraveno podle: T. M. Blackburn a kol. (2011)
VODNÍ CESTY A INVAZE ORGANISMŮ
VODNÍ INVAZNÍ DRUHY
Labský koridor
1. vodní cesta využívaná pro vnitrozemskou nákladní lodní dopravu
2. napojení na evropskou síť vodních cest
3. antropogenní vlivy na řeku samotnou
lodě představují důležitý vektor pro
vodní bezobratlé (přichycení na povrchu
nebo v balastní vodě)
VODNÍ INVAZNÍ DRUHY
Labský koridor
3. antropogenní vlivy na řeku samotnou (jezy, znečištění – uvolněný prostor
pro invazní druhy především měkkýšů a korýšů)
Kanál chladicího okruhu opatovické elektrárny (v pozadí).
V tomto kanálu se celoročně udržuje teplota vody mezi 20
a 35 °C – jde tedy o zdroj tepelného znečištění řeky Labe
nad Pardubicemi.
Mechovnatka jemná
(Urnatella gracilis), velikost 1–6 mm
VODNÍ INVAZNÍ DRUHY
Invaze labským koridorem
• korbikula asijská (Corbicula fluminea)
• rak pruhovaný
• krab čínský (Eriocheir sinensis) - od 30. let 20. stol.; rozmnožování v moři;
k nám migrují několik let od Severního moře; u nás okraj areálu –
nepředpokládá se další šíření (ale může šířit patogen račího moru)
• jediná sladkovodní kreveta zaznamenaná na našem území – Atyaephyra
desmarestii (zatím nevytvořila životaschopnou populaci)
úspěšné invaze:
• vidlonožec Hemimysis anomala
• blešivec velkohrbý neboli ježatý (Dikerogammarus villosus) - negativní vliv
na společenstva makrozoobentosu (killer shrimp)
• stejnonožec Jaera istri
• tykadlovci (Corophium curvispinum a C. robustum)
VODNÍ INVAZNÍ DRUHY - ROZSIVKY
Didymosphenia geminata (“ didymo ”, nebo “rock snot”)
• stélkatá rozsivka
• tekoucí vody chudé na N a P
• invaze na Novém Zélandu
https://www.niwa.co.nz/freshwater-and-estuaries/freshwater-and-estuaries-update/freshwater-update-62-september-2014/didymo-in-new-
zealand-ten-years-on
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH
jezera v subpolárních oblastech
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH
• jezera jsou významným krajinným prvkem polárních,
subpolárních a boreálních oblastí (až 10% plochy)
• zdroj potravin (ryby), rekreační využití, zdroj pitné vody
• přvažují malé vodní útvary (<1 km2), nízká produktivita a
dlouho zamrzlá (6-9 měsíců)
• vliv teploty vzduchu na produktivitu a diverzitu v jezerech:
i/ terestriální primární produkce = export organického uhlíku a
minerálních živin
ii/ doba zamrzlé hladiny
Abiotické charakteristiky
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH
• studená, chudá na živiny a průhledná jezera – extrémně nízká
produkce ve vodním sloupci (až 90% primární produkce je
vázáno na bentické habitaty – povrch na živiny bohatých
jemných sedimentů)
• oteplení představuje přísun organických látek zbarvujících
vodní sloupec a s tím související pokles prostupnosti pro světlo
• trofické sítě se stávají závislými na bakteriální organické hmotě
napojené na allochtonní zdroj uhlíku
• výsledkem je pokles produktivity v jezerech
Produktivita
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH
• v chladných jezerech dominance bentických trofických sítí
• bentičtí bezobratlí nejvyšším článkem tohoto subsystému
• vrcholovými konzumenty jsou ryby (siven)
• v teplejších podmínkách se při velkém přísunu organické
hmoty vyvíjejí na dně společenstva tolerující nízké koncentrace
kyslíku (larvy pakomárů)
• ryby více využívají pelagické zdroje
• teplota reguluje rozšíření jednotlivých druhů ryb
• siven se prosadí v chladných podmínkách lépe než např. štika
nebo okoun (kterým se otevírá prostor až při zvýšení teploty)
• invaze štiky do ustálených společenstev sivena a koljušky mění
uspořádání trofických sítí i relativní zastoupení jednotlivých
druhů
Biodiverzita
ÚČINKY KLIMATICKÝCH ZMĚN V JEZERECH
• produktivita: zvýšená terestrická produktivita = zvýšený přísun
organické hmoty
• zbarvení vody organickými látkami = menší prostupnost světla
= menší produkce v jezerech
• bakteriální rozklad allochtonní organické hmoty na úkor
primární produkce = snížení produkce
• zvýšení teploty – migrace štik (druhů s širší teplotní valencí,
které jsou jinak omezovány studenými podmínkami), které
nabourávají potravní sítě (siven, koljuška)
SOUHRN