EKOLOG~1 (2).DOC, Ekologia


A.d. 1 Szczególne właściwości środowiska wodnego

Szczególne właściwości wody jako środowiska życia wynikają ze struktury cząsteczek wody. Kąt między wiązaniami obu atomów wodoru w cząsteczce wody wynosi ok. 105º. Wynika stąd silny moment dipolowy cząsteczki wody. Moment dipolowy sprawia, że cząsteczki wody mają skłonność do tworzenia wielocząsteczkowych skupień i do rozpuszczania innych substancji. W wyniku łączenia się cząsteczek w asocjaty, woda zyskuje niezwykłe właściwości. Ma ona największą gęstość w temperaturze 4º C. Napięcie powierzchniowe czystej wody jest większe niż innych cieczy, z jednym wyjątkiem rtęci. Umożliwia to wielu organizmom (np. glonom i owadom) życie na lub przy powierzchni wody. Znaczna lepkość ma istotne znaczenie dla organizmów poruszających się w wodzie. Skłonność cząsteczek wody do tworzenia połączeń sprawia, że ciepło topnienia, ciepło parowania i temperatura wrzenia są podwyższone. Gdyby te wielocząsteczkowe skupienia wody nie powstawały, temperatura wrzenia wody wynosiłaby - 80ºC.

Anomalie Gęstości

W trójwymiarowej sieci cząsteczki wody są dość luźno ułożone. Lód ma dlatego stosunkowo niewielką gęstość. Kiedy się topi, cząsteczki wody zbliżają się do siebie i gęstość wody rośnie. Przechodzeniu lodu w stan ciekły towarzyszy skokowy wzrost gęstości 0 ok. 8,5%, dlatego też topiący się lód utrzymuje się na powierzchni wody i nie tonie. Gdy temperatura wrasta dalej, od asocjatów odłączają się kolejne cząsteczki wody i oddalają się na pewną odległość. Te nie związane cząsteczki są gęściej upakowane. Dlatego też, gdy związki pomiędzy cząsteczkami wewnątrz asocjatów rozluźniają się, gęstość wody wzrasta. Równocześnie zwiększa się rozszerzalność cieplna, która prowadzi do zmniejszenia gęstości. W temperaturze 4ºC wzrost gęstości wody na skutek odłączania się cząsteczek od poszczególnych asocjatów jest kompensowany spadkiem jest gęstości na skutek rozszerzalności cieplnej; w tej temperaturze woda osiąga największą gęstość. Przy dalszym wzroście temperatury przeważa rozszerzalność cieplna, a gęstość wody ponownie maleje. Właściwość wody polegająca na tym, że maksimum gęstości występuje nie w najniższych temperaturach, lecz w temperaturze 4ºC, jest nazywana anomalią gęstościową. Umożliwia ona organizmom przeżywanie w wodach śródlądowych, które zima zamarzają. Bez tej anomalii najzimniejsza woda opadałaby zimą na dno tak długo, aż jezioro zamarzłoby całkowicie. Dzięki opisanej anomalii woda o temperaturze 4ºC zbiera się przy dnie, warstwa lodu nie sięga dna i większość zbiorników zamarza jedynie częściowo. Lód ścinający powierzchnie jeziora izoluje głębiej położone masy wody i chroni je przed dalszym ochładzaniem; dlatego też w głębokim jeziorze nawet podczas surowej zimy woda nie zamarza całkowicie i tym samym istnieje środowisko życia.

Właściwości termiczne

Woda ma duże ciepło właściwe. W temperaturze 15ºC wzrost temperatury 1 kg wody o 1ºC wymaga energii 4,8186 kJ. Jest to bardzo duża wartość; jedynie do podgrzania o 1ºC gazowego amoniaku i ciekłego wodoru potrzeba więcej energii (odpowiednio 5,15 i 14,23 kJ). Ciepło jest natomiast bardzo powoli oddawane dlatego też woda może gromadzić znaczne jego ilości. Powoduje to buforujące działanie dużych zbiorników wodnych na klimat i relatywnie powolne i przewidywalne zmiany temperatury w zbiornikach w ciągu roku; oba zjawiska w istotny sposób określają możliwość występowania żywych organizmów. Woda charakteryzuje się małą przewodnością cieplną. W związku z tym w zbiornikach wodnych transport ciepła na skutek dyfuzji molekularnej jest ograniczony. W konsekwencji ciepło powinno pozostawać tam, gdzie zostało zaabsorbowane, przede wszystkim w ogrzewanych promieniowaniem słonecznym wodach powierzchniowych. Jednak tak się nie dzieje. Wiatry i ruchy wody przyczyniają się do transportu ciepła na skutek dyfuzji turbulentnej tak dalece, jak oddziaływanie ich sięga w głąb. Powstają w ten sposób charakterystyczne gradienty temperatury, na których tle kształtują się gradienty rozmieszczenia związków chemicznych i organizmów.

Lepkość

W następstwie tworzenia się asocjatów, woda nie przepływa swobodnie; „wewnętrzne tarcie”, inaczej nazwane lepkością dynamiczną lub po prostu lepkością, przeciwdziała swobodnemu przepływowi. Gdy woda płynie lub gdy jakieś ciało porusza się w wodzie, siły lepkości, a więc opór, który stawia woda, musi być przezwyciężony. W porównaniu z innymi cieczami woda ma stosunkowo małą lepkość. Zależy ona od zawartości rozpuszczonych soli i od temperatury. Lepkość wody i związane z nią zjawiska mają ogromne znaczenie dla życia w wodach, to jest dla przestrzennych zmian temperatury i stężenia substancji, biernego opadania ciał i aktywnego poruszania się organizmów, filtracji cząsteczek pokarmu i utrzymywania się w nurcie wód płynących.

Woda jako rozpuszczalnik

Z uwagi na specyficzną strukturę cząsteczek (niesymetryczne rozmieszczenie atomów wodoru wokół atomów tlenu) woda ma wysoka względną przenikalność elektryczną, inaczej stałą dielektryczną: ε = 80 w 20ºC). Oznacza to silne działanie dysocjacyjne na połączenia heteropolarne; dlatego właśnie woda jest dobrym rozpuszczalnikiem. Rozpuszczanie oraz transport gazów i jonów odgrywają ważną rolę dla organizmów żyjących w wodzie. Gazy rozpuszczone w wodzie pochodzą z atmosfery lub z przemiany materii i aktywności organizmów; oto najważniejsze rozpuszczone gazy i ich pochodzenie:

Tlen O2 atmosfera, fotosynteza

Azot N2 atmosfera, aktywność bakterii

Dwutlenek węgla CO2 atmosfera, oddychanie

Siarkowodór H2S aktywność bakterii

Metan CH4 aktywność bakterii

Kwasowość wody (pH)

Na tle pionowych różnic w aktywności metabolicznej organizmów powstają również pionowe gradienty odczynu wody. Zasadniczo pH wody maja wpływ trzy procesy: fotosynteza, oddychanie i asymilacja (przyswajanie) azotu. Zależnie od dominującej formy węgla nieorganicznego, proces fotosyntezy i oddychania sumarycznie można przedstawić w następujący sposób, uproszczony sposób:

0x01 graphic

Oznacza to, że w procesie fotosyntetycznego przyswajania (asymilacji) CO2 nie zostają zużyte żadne protony, podczas gdy w procesie asymilacji wodorowęglanu na każdy atom węgla zostaje zużyty jeden proton. Analogicznie, w zależności od dominującej formy węgla nieorganicznego powstającej w toku respiracji, protony są lub nie są uwalniane. Z tego wynika, że przy wartościach pH poniżej 6,3 (gdy jedną dostępną formą węgla nieorganicznego jest CO2), fotosynteza i oddychanie nie mają wpływu na wartość pH. Obok gospodarki węglowej organizmów, na wartość pH wpływa również asymilacja azotu.

Wody płynące

Prąd jest czynnikiem decydującym o tym, że środowisko wód płynących w zasadniczy sposób różni się od środowiska wód stojących. Płynąca woda jest stale mieszana, a więc poza gradientem światła nie utrzymują się żadne inne gradienty pionowe. Prąd jest jednokierunkowy. Małe organizmy, jeśli nie są przytwierdzone do podłoża, są transportowane z biegiem prądu i nie mają szansy by ponownie znaleźć się w tym samym miejscu. Organizmy planktonowe, typowo występują w jeziorach, w wodach płynących praktycznie nie mogą egzystować. Plankton rzeczny występuje tylko w dużych rzekach, których szerokie koryto obejmuje przypominające jeziora zatoki, albo w zbiornikach zaporowych, które funkcjonują tak jak naturalne jeziora, i w których tempo wymywania organizmów planktonowych jest mniejsze niż tempo wzrostu ich populacji. Do rzeki w dalszym jej biegu nieprzerwanie nanoszony plankton. Prąd jest bardzo silnie działającym czynnikiem selekcyjnym. Organizmy wód płynących muszą być przystosowane do życia w prądzie, to jest stawiać opór o sile wody, przytwierdzać się do podłoża i wykorzystywać warstwę graniczną, jednocześnie wykorzystując prąd w procesie zdobywania pokarmu. Prąd jest ponadto bardzo zmienny. Wysoki stan wody może mieć katastrofalne następstwa dla organizmów zasiedlających potok, ponieważ łożysko cieku ulega mechanicznemu uszkodzeniu. Jakość i stan podłoża ulegają wówczas szybkim zmianom, gdyż żwir i kamienie toczą się z biegiem strumienia, niszcząc środowisko życia organizmów. Ma to konsekwencje dla ich cyklu życiowego. W szybko płynących, nie zanieczyszczonych potokach wysokogórskich względne nasycenie wody tlenem sięga zawsze niemal 100%, ponieważ turbulencja sprzyja stałej wymianie gazowej z atmosferą. Wzdłuż biegu rzeki zachodzą charakterystyczne zmiany sytuacji tlenowej. Woda źródlana jest zazwyczaj uboga w tlen, ponieważ źródła są często zasilane wodami gruntowymi, długo zalegającymi w podłożu. Deficyt tlenowy w wartko płynącym źródle jest jednak wkrótce uzupełniany z atmosfery. W środkowym biegu rzeki procesy produkcji i zużycia tlenu odgrywają większą rolę, ponieważ wymiana gazów z atmosferą następuje z opóźnieniem. Relatywne znaczenie fizycznych procesów wymiany tlenu zmniejsza się z biegiem rzeki w stronę ujścia. Ze względu na dużą objętość w dolnym biegu rzeki, wymiana tlenu z atmosferą nie zachodzi tak intensywnie.

A.d. 2 Zasady funkcjonowania ekosystemów wodnych.

Aktywność organizmów, która kształtuje przebieg procesów obiegu materii i przemian energetycznych ma decydujący wpływ na jakość środowiska abiotycznego. W geologicznej skali czasu ma przykład, na skutek aktywności fotosyntetycznej roślin zielonych, nastąpiła zmiana składu atmosfery od beztlenowej w pradziejach Ziemi do atmosfery tlenowej, a także zachodził proces odkładania podkładów węglanu wapnia z materiałów szkieletowych organizmów morskich. Organizmy zmieniają swoje środowisko również w bardzo krótkim czasie, na przykład glony planktonowe, które w sezonie wegetacyjnym wyczerpują pule rozproszonych pierwiastków biogennych. Organizmy wchodzą więc nie tylko w interakcje między sobą, ale również ze środowiskiem abiotycznym. W biocenozie populacje są powiązane systemem skomplikowanych interakcji. Biocenozy osadzone w swoim abiotycznym środowisku i wchodzące w interakcje z jego komponentami tworzą ekosystem.

KONCEPCJA HOLISTYCZNA

Przez ekosystem przepływa energia, a wewnątrz ekosystemu krąży materia, stąd analogia z funkcjonowaniem organizmu. Według wyobrażeń holistów organizmy i populacje „umiejscawiają się” w tym przepływie materii i energii, „szukając” swego miejsca w ekosystemie.

Według poglądów mechanistycznie zorientowanych ekologów, przepływ energii i materii w ekosystemie nie jest realnie istniejącym bytem, lecz pewna abstrakcją, która „materializuje się” w wyniku kumulowania się aktywności poszczególnych organizmów. To naukowiec, wyróżniając gildie i poziomy troficzne określa, które szlaki przepływu energii i materii należy powiązać, aby powstał obraz ekosystemu, przez który przepływa strumień energii i materii. Oczywiście funkcjonowanie ekosystemu wodnego można objaśnić odwołując się do ogólnych praw fizyki i chemii: szczególne znaczenie mają oba główne prawa termodynamiki, prawo zachowania masy i ograniczona zmienność stechiometrii biomasy. Te ogólne prawa dopuszczają jednak dużą liczbę alternatywnych schematów przepływu materii i energii. Od aktywności organizmów zależą pewne szlaki przepływu materii i energii. Kierunek przepływu energii i materii związanych w biomasie fitoplanktonu zależy od łatwości, z jaką glony są zjadane przez zwierzęta roślinożerne i od ich prędkości opadania w toni wodnej. Losy energii lub materii są następstwem warunków selekcyjnych wewnątrz biocenozy lub kategorii funkcjonalnej.

Na funkcjonowanie ekosystemów wodnych składają się:

Podstawową reguła rządzącą funkcjonowaniem ekosystemu jest to, że energia przezeń przepływa a materia w nim krąży. Zakłada się, że energia docierająca ze źródeł zewnętrznych zostaje związana w granicach systemu (np. energia świetlna w biomasie roślin zielonych) i tam przekształcona w energię cieplną przez organizmy heterotroficzne. Równoczesne związki wykorzystywane w procesie wiązania energii (np. dwutlenek węgla) są ponownie uwalniane i mogą po raz wtóry być wykorzystywane w procesie wiązania energii.

W ujęciu termodynamicznym zarówno organizmy, jak i ekosystemy są systemami otwartymi. Są one utrzymywane przez ciągły przepływ energii. Źródłem energii jest światło lub egzoergiczne reakcje chemiczne. Organizmy chemoorganotroficzne, którym materia organiczna służy jako źródło energii, są zależne od biomasy utworzonej wcześniej przez inne organizmy. Do zewnętrznych źródeł energii skierowanej do ekosystemu należą światło słoneczne, alochtoniczny dopływ materii organicznej i zredukowane połączenia nieorganiczne. Ekosystemy, których przepływ energii „staruje” od materii organicznej ze źródeł alochtonicznych, są zależne od innych ekosystemów. Światło słoneczne jest najważniejszym zewnętrznym źródłem energii, a fotosynteza w warunkach tlenowych - najważniejszym procesem wyjściowym, który inicjuje biologiczny przepływ energii. Materia organiczna jest uniwersalnym nośnikiem energii wewnątrz ekosystemu. Jest ona skumulowana w biomasie organizmów, w masie obumarłej materii organicznej i w rozpuszczonych związkach organicznych. Mimo zawartości energii, niektóre substancje organiczne nie są wykorzystane przez organizmy wyższych poziomów troficznych, ponieważ dla większości z nich są z różnych względów niedostępne.

Rzeka jako przykład ekosystemu wodnego

Pojecie ekosystemu w ekologii wód jest stosowane nie tylko w odniesieniu do jezior, ale także w odniesieniu do potoków i rzek. Mówi się o ekosystemach wód płynących. Wody płynące są w przeważającym stopniu systemami funkcjonującymi dzięki dostawie materii organicznej spoza cieku, a więc systemami heterotroficznymi. Proces wiązania energii nie zachodzi w samym cieku, lecz w ekosystemie lądowym w dorzeczu. Energia wnoszona jest do cieku już w postaci alochtonicznej materii organicznej i jest tam tylko wykorzystywana. Proces wiązania energii i procesy rozkładu są przestrzennie rozłączne. Bez dopływu energii ze źródeł alochtonicznych rzeka nie mogłaby funkcjonować; pod względem energetycznym jest więc zależna od dorzecza. Traktowane takiego funkcjonalnie uzależnionego systemu jako samodzielnego bytu nie jest w pełni racjonalne. Rzeka nie jest więc odrębnym ekosystemem, lecz raczej częścią większego systemu dorzecza. Podobnie wygląda obieg materii. Uwolnione w trakcie rozkładu materii organicznej związki nie mogą być w tym samym odcinku cieku wykorzystane po raz wtóry przez producentów. Są uniesione przez płynącą wodę i mogą być co najwyżej wykorzystane przez organizmy w dalszym biegu rzeki. Materia organiczna nie krąży, lecz jest transportowana w dół strumienia. W porównania do znacznych ilości substancji nieorganicznych nanoszonych z dorzecza cieku, proces ich regeneracja w samym cieku nie jest ich znaczącym źródłem. Również pod względem bilansu materii nieorganicznej system wód płynących jest zależny od podaży z zewnątrz. Materia bywa również transportowana z cieku do dorzecza, na przykład wówczas, gdy rzeka występuje z brzegów.

A.d. 3 Charakterystyka zlewni potoku Straconka

Potok Straconka o długości 6,2 km jest prawobrzeżnym dopływem rzeki Białej. Zlewnia o powierzchni 11,4 km2 położona w zachodniej części Beskidu Małego na terenie powiatu Bielskiego. Dorzecze Straconki (rys.1) ograniczone jest linią wododziałowa przechodzącą przez najwyższe szczyty górskie: Czupel (654,0 m n.p.m.), Gaiki (816,2 m n.p.m.), Sokołówkę (852,5 m n.p.m.), Magurkę (900,2 m n.p.m.), Łysą Górę (652,6 m n.p.m.). Źródła potoku Straconka położone są na wysokości 675,0 m n.p.m., a jej ujście do rzeki Białej na wysokości 339,0 m n.p.m.. Powierzchnia zlewni jest pokryta lasem w ponad 56%, a pozostały obszar zajmują łąki, pastwiska, pola uprawne i osadnictwo skupione a także rozproszone Straconki, obecnie dzielnice Bielska-Białej. Zagospodarowanie zlewni i stopień eksploatacji zasobów wodnych decyduje w dużej mierze o rozkładzie czasowo-przestrzennej zmienności przepływu i jej jakości. W górnej części zlewni do ujęcia wody WALCZOK występują quasi-naturalne warunki formowania odpływu. Obszar zlewni jest w znacznej części pokryty lasem . do przeważających gatunków drzew należą: buki zwyczajne i świerk pospolite, a w lasach łęgowych występuje: jesion wyniosły, wiąz szypułkowy, olsza czarna i dąb szypułkowy. W dolnej części koryto potoku jest uregulowane złożem kamiennym, w którym do minimum ograniczone są procesy samooczyszczania.

Budowa geologiczna zlewni

Zlewnia potoku Straconka położona w zachodniej części Karpat fliszowych w strefie kontaktu dwóch jednostek tektonicznych: płaszczowiny cieszyńskiej i płaszczowiny godulskiej. W odniesieniu do układu tektonicznego serii fliszowych dolina potoku Straconka ma charakter doliny obsekwentnej. Jej bieg jest przeciwny do kierunku zapadania się ławic, z niewielkimi odchyleniami w stronę północną. Na zboczach dolin podłoże fliszowe, poza nielicznymi wychodniami w kamieniołomach i w niektórych skarpach zboczy, pokryte jest warstwą zwietrzelin. Są to różnego rodzaju gliny z domieszką okruchów skalnych. W miejscu występowania fliszu łupkowego w zwietrzelinie dominuje składnik gliniasty. Na dnie doliny potoku Straconka pokrywę czwartorzędową stanowią nanosy rzeczne, tworzące słabo rozwinięte tarasy akumulacyjne lub akumulacyjno-erozyjne, zalewowe i ponad-zalewowe. Są to przeważnie otoczaki przechodzące miejscami w gruboziarniste żwiry, przeważnie gliniaste. W terasach ponadzalewowych żwiry i otoczaki są zwykle przykryte madami piaszczysto-gliniastymi. Gleby terenów górskich są przeważnie żwirowe i kamieniste. W ujściowych partiach dolin potoków występują mady lekkie posiadające w swoim składzie piaskowce gliniaste, gliny lekkie i pylaste. Przepuszczalność gleb w znacznym stopniu uzależniona jest od podłoża na którym gleby się wytworzyły. Większa przepuszczalność wykazują gleby pyłowe i gliniasto-szkieletowe znajdujące się w kotlinach. Mniejsza natomiast gleby leśne ilaste głęboko próchnicze.

Warunki hydrogeologiczne

Główny poziom wód podziemnych w omawianym rejonie związany jest z utworami fliszowymi. Są to wody szczelinowo-porowe i porowe. Zasobność poziomu fliszowego uwarunkowana jest przede wszystkim porowatością skał. Z kolei przepuszczalność i wydajność fliszu jest ściśle związana ze szczelinowatością. Rozkład tych cech w obrębie składników fliszu sprawia, że głównymi kolektorami wody w poziomie fliszowym są kompleksy piaskowcowe. Wody poziomu fliszowego są zasilane przez infiltracje opadów atmosferycznych poprzez pokrywę utworów zwietrzelinowych. Znikomy udział ma infiltracja bezpośrednia na wychodniach fliszu. Poziom fliszowy jest drenowany głównie przez koryta potoków: w górnych odcinkach bezpośrednio, a w dolnych odcinkach pośrednio, poprzez warstwę aluwiów. Podrzędne znaczenie ma drenaż punktowy przez źródła, przeważnie o małej wydajności, występujące na zboczach dolin.

Charakterystyka biocenozy leśnej zlewni potoku Straconka

Obszar leśny potoku Straconka zajmuje 6,36 km2. głównymi gatunkami lasotwórczymi na tym terenie są świerki pospolite i buki zwyczajne. Mniejszy udział ma modrzew europejski, klon jawor, brzoza brodawkowata, sosna zwyczajna i dąb szypułkowy.

Gatunki te zajmują różną powierzchnię lasu i kształtują się następująco:

A.d. 4 Inwentaryzacja systemu zabudowy koryta potoku

Koryto potoku idąc od źródła jest korytem naturalnym, nie ma tam praktycznie żadnej ingerencji ze strony człowieka. W dalszym odcinku przebiera ono postać koryta sztucznego jest to spowodowane działalnością człowieka a między innymi ujęciem wody „Walczok”. W dalszych odcinkach potoku koryto jest quazinaturalne. W dolnej części potoku do momentu ujścia do rzeki Białej koryto jest wybetonowane. Występuje tu znaczna ingerencja człowieka w środowisko wodne a więc koryto na tym odcinku sztuczne. Procesy samooczyszczania są ograniczone do minimum.

Na mapie zaznaczono punkty w którym zostały pobrane próbki do badania wody.

A.d. 5 Pobieranie prób wody do badania biologicznego w przekrojach charakterystycznych.

Pobieranie próbek bentosu wykonaliśmy ruchem ósemkowym w charakterystycznych przekrojach.

Literatura

16


Wyszukiwarka