Podobieństwo botaniczne pomiędzy grupami stanowisk o - Eko-DOk

ocena rzek, stan ekologiczny,
indeks Jaccarda, makrofity
Karol PIETRUCZUK*, Krzysztof SZOSZKIEWICZ*, Anna BUDKA**,
Dariusz KAYZER**
PODOBIEŃSTWO BOTANICZNE POMIĘDZY GRUPAMI
STANOWISK O RÓŻNYM STANIE EKOLOGICZNYM
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. MATERIAŁY I METODY
2.1. MAKROFITOWY INDEKS RZECZNY
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
Wi  Pi
gdzie:
MIR – Makrofitowy Indeks Rzeczny;
Li – liczba wartości wskaźnikowej dla danego gatunku;
Wi – współczynnik wagowy dla danego gatunku;
Pi – 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-
388
K. PIETRUCZUK i in.
no dwa zbiory składu taksonomicznego. Do pierwszego zbioru (X) możemy zaliczyć
wszystkie taksony wskaźnikowe które to wykorzystywane są do obliczenia indeksu
MIR, natomiast do drugiego zbioru (Y) 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
skj  Ckj Ckj  U k  U j ,
gdzie C kj jest liczbą wspólnych wystąpień gatunków na dwóch stanowiskach, a U k ,
Uj
są odpowiednio liczbami wystąpień gatunków charakterystycznych dla wyróżnio-
nych 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].
3. WYNIKI I DYSKUSJA
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
Oligo- i polibionty (X)
Wszystkie gatunki (Y)
A
0,240
0,219
B
0,210
0,210
LC
0,030
0,009
390
K. PIETRUCZUK i in.
Tabela 2. Wartości średnie indeksów Jacarda dla poszczególnych klas
(X- obliczenia wykonane na podstawie taksonów oligo- i polibiontycznych,
Y- obliczenia wykonane na podstawie wszystkich taksonów)
I
II
III
IV
V
Grupa
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
Zbiór
0,1948
0,2294
0,1963
0,2226
0,1574
0,1869
0,1373
0,1372
0,1350
0,1499
I
0,2310
0,2304
0,2116
0,2093
0,2039
0,1663
0,2087
0,1880
II
0,2345
0,2117
0,2509
0,1960
0,2740
0,2256
III
0,3061
0,2283
0,3468
0,2680
IV
0,3681
0,2714
V
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]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
CHAMBERS P.A., LACOUL P., MURPHY K..J., THOMAZ S.M., Global diversity of aquatic
macrophytes in freshwater, Hydrobiologia, 2008, Vol. 595, 9–26.
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.
DIGBY, P.G., KEMPTON, R. A., Multivariate Analysis of Ecological Communities, London:
Chapman and Hall, 1987.
ENGELHARDT, K. A. M., & M. E. RITCHIE, Effects of macrophyte species richness on wetland
ecosystem functioning and services, Nature, 2001, Vol. 41, 687–689.
HAURY J., PELTRE M.-C., TREMOLIERES M., BARBE J., THIEBAUT G., BERNEZ I.,
DANIEL H., CHATENET P., HAAN-ARCHIPOF G., MULLER S., DUTARTRE A., LAPLACETREYTURE 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.
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.
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
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
391
JUSIK SZ., SZOSZKIEWICZ K., Różnorodność biologiczna roślin wodnych w warunkach zróżnicowanych przekształceń morfologicznych rzek nizinnych, Nauka Przyroda Technologie, 2009, Vol.
3, No. 33, 84.
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.
MURPHY, 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 York, 1998,
144–168.
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.
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.
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.
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 SIMILARITY 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.