Stres wodny wywołany przez człowieka modyfikuje funkcjonowanie ekologiczne cieków

stres wodny

W wielu rejonach świata, zwłaszcza tam, gdzie występuje niedobór wody, cieki wodne są intensywnie zagospodarowywane. Konieczność zapewnienia wody do celów rolniczych, komunalnych i przemysłowych wiąże się z budową jazów, tam, regulacją rzek, poborami wód podziemnych i powierzchniowych. To z kolei prowadzi do zmian reżimu przepływu, a w konsekwencji do pogorszenia jakości wody i spadku różnorodności biologicznej [1,2].

Sytuacja, w której brakuje wystarczającej ilości wody o odpowiedniej jakości do zaspokojenia potrzeb ludzi i środowiska, nazywana jest stresem wodnym. Jak wskazuje raport Europejskiej Agencji Środowiskowej na temat stresu wodnego z 2021 r., stan taki jest już obserwowany w wielu częściach Europy. Susze nie są już w Europie zjawiskami ani rzadkimi ani ekstremalnymi, a średnio około 20% terytorium kontynentu i 30% jego mieszkańców jest dotkniętych niedoborem wody w ciągu roku. Oczekuje się, że zmiana klimatu pogorszy ten problem, ponieważ częstotliwość, skala i skutki występowania suszy rosną.

Trendy te są szczególnie niepokojące w południowej i południowo-zachodniej Europie, gdzie, przy scenariuszu wzrostu temperatury o 3°C, przepływy rzeczne w okresie letnim mogą spaść nawet o 40%. A to, oprócz oczywistych negatywnych skutków socjo-ekonomicznych, będzie miało również przełożenie na pogorszenie warunków ekologicznych rzek.

Stres wodny wywołany przez człowieka (HWDS)

Stres wodny może być spowodowany zjawiskami naturalnymi (np. susze), wynikającymi z działalności człowieka (np. niezrównoważony pobór wód, pogorszenie ich jakości) lub ich kombinacją (zmiana klimatu). Ten wynikający z działalności człowieka (ang. human-driven water stress, HDWS) jest zjawiskiem odmiennym od niedoborów wody naturalnie występujących, np. w rzekach okresowych i ciekach efemerycznych (ang. intermitten rivers and ephemeral strems, IRES). O ile w IRES ograniczenia przepływu lub jego zahamowanie wynikają z uwarunkowań klimatycznych, charakteryzują się pewną regularnością i często występują w określonych porach roku, o tyle HWDS to niespodziewane zmiany reżimu przepływu, pojawiające się w dowolnym momencie cyklu hydrologicznego w wyniku decyzji zarządczych człowieka, w miejscach powiązanych z urządzeniami wodnymi.

Oznacza to, że w przeciwieństwie do IRES, gdzie procesy ekologiczne zachodzą według charakterystycznych wzorców przestrzennych i czasowych, zależnych od intensywności i długości okresu suszy, HDWS pojawia się w okresach i miejscach, gdzie zbiorowiska organizmów są do tego kompletnie nieprzystosowane.

Metaanaliza wpływu HDWS na komponenty ekosystemu

Zjawisku wpływu HDWS na rzeki przyjrzała się grupa naukowców pod kierunkiem profesora Sergiego Sabatera, którzy dokonali przeglądu ponad 1000 publikacji i wyłonili 44 publikacje i 262 porównania wpływu typu BACI (before-after-control-impact), umożliwiające przeprowadzenie oceny znaczenia, wielkości i kierunku wpływu antropogenicznego stresu wodnego na jakość wody (stężenie biogenów i mikrozanieczyszczeń), obfitość, biomasę i różnorodność zbiorowisk biologicznych (bakterii, glonów, bezkręgowców bentosowych i ryb) oraz funkcje ekosystemów rzecznych (rozkład materii organicznej, produkcja pierwotna brutto i oddychanie). Autorzy podjęli także próbę identyfikacji czynników, które mogą wpływać na wielkość i kierunek skutków HDWS na analizowane komponenty środowiska wodnego. Wyniki ich metaanalizy zostały opublikowane na łamach „Scientific Reports” w lipcu 2018 r. [3].

Autorzy analizowali wielkość efektu HDWS na komponenty środowiska wodnego na podstawie współczynnika odpowiedzi (response ratio), wyrażającego stosunek badanej zmiennej w warunkach zaburzonych (poddanych presji) i niezaburzonych (kontrolnych, referencyjnych), gdzie wartość R = 1 wskazywała na brak wpływu stresu wodnego, R < 1 na zahamowanie lub spadek, a R > 1 na stymulację lub wzrost analizowanej cechy z powodu stresu wodnego.

Biologia bardziej, metabolizm mniej

I cóż się okazuje? Spośród wszystkich analizowanych zmiennych, największy pozytywny (stymulujący) wpływ stresu wodnego został stwierdzony w przypadku glonów, a największy negatywny (hamujący) w przypadku makrobezkręgowców bentosowych.

Stres wodny przede wszystkim sprzyjał wzrostowi biomasy glonów, co wynikało głównie ze spowolnienia przepływu wód na skutek piętrzenia lub poboru, ograniczającego dryft i tworzącego warunki korzystne dla namnażania populacji. W warunkach stresu wodnego biomasa glonów zwiększała się od 1,5 do 10 razy, a siła reakcji była zależna od klimatu (silniejsza w warunkach klimatu kontynentalnego niż umiarkowanego), okresu roku (silniejsza na jesieni niż w innych okresach roku), wielkości rzeki (silniejsza w systemach większych niż mniejszych), rodzaju stresu wodnego (silniejsza w rzekach regulowanych zaporami niż w tych ze zmianą kierunku przepływu) oraz dostępności składników pokarmowych (silniejsza w miejscach bogatych w składniki pokarmowe niż w ubogich).

Przeciwne tendencje wykazywały zespoły makrobezkręgowców bentosowych, których liczebność, zagęszczenie i bogactwo taksonomiczne w warunkach stresu wodnego znacząco spadały. Bezkręgowce są generalnie grupą stosunkowo wrażliwą na stabilność warunków hydrologicznych. Spadek bogactwa gatunkowego obserwowano w prawie wszystkich rodzajach niedoboru wody, zarówno w rzekach regulowanych, jak i tych, przekształconych na skutek poboru wód, zwłaszcza w regionach o klimacie suchym. Regulacja przepływu na skutek obecności tam i zapór miała szczególnie negatywny wpływ na filtratory, zdrapywacze i rozdrabniacze, natomiast stosunkowo niewielki na drapieżniki. Ten selektywny wpływ na gildie troficzne znajdował odzwierciedlenie w zmniejszonym udziale przedstawicieli rodzin Ephemeroptera (jętki), Plecoptera (widelnice) i Trichoptera (chruściki), czyli taksonów najbardziej wrażliwych na zmieniające się warunki fizyczne.

Chociaż w mniejszym stopniu niż na biocenozy, HDWS nie pozostawał obojętny dla metabolizmu jeziora, wyrażanego stosunkiem produkcji pierwotnej brutto i respiracji. W warunkach spowolnionego przepływu obserwowany był znaczny (średnio 3-krotny) wzrost metabolizmu rzek w dolnym biegu, co prawdopodobnie wynikało ze zwiększonej akumulacji materii organicznej. Deficyt wody zmniejszał jej rozkład średnio o 31%, przy czym redukcja ta była większa na obszarach o klimacie kontynentalnym, w okresie jesienno-zimowym oraz w rzekach średniej wielkości, głównie w warunkach ubogich w składniki odżywcze. Do spowolnienia rozkładu materii organicznej na skutek stresu wodnego przyczyniały się przede wszystkim ograniczona przy spowolnionym przepływie fizyczna fragmentacja cząstek oraz spadek biomasy i liczebności reducentów (głównie bakterii i grzybów saprotroficznych) oraz detrytusofagów.

Co dosyć zaskakujące, stres wodny tylko w niewielkim stopniu wpłynął na chemiczne wskaźniki jakości wód. Metaanaliza wykazała spadek stężenia fosforanów (o 27%) oraz wzrost stężenia produktów farmaceutycznych (średnio ponad 8-krotny, jednak tu obserwowano bardzo dużą zmienność, co prawdopodobnie wynikało z dostępności jedynie 6 badań w tym zakresie). Natomiast nie stwierdzono znaczącego wpływu HDWS na stężenia azotanów, amoniaku, azotu organicznego czy fosforu całkowitego. Wzrost stężenia farmaceutyków może być tłumaczony prostym zagęszczeniem na skutek zmniejszenie ilości wody substancji, które nie podlegają lub podlegają tyko ograniczonej degradacji biologicznej. Z kolei w przypadku fosforanów, wydłużony czas retencji i podwyższona fotoliza mogą sprzyjać bardziej efektywnemu ich wykorzystywaniu przez organizmy i w efekcie przyczyniać się do zmniejszenia stężeń.

Zmiana klimatu nasili skutki HDWS

Metaanaliza dokonana przez zespół S. Sabatera wykazała, że HDWS wywołuje szereg skutków dla struktury i funkcji ekosystemów rzecznych, innych niż te, które występują naturalnie np. w rzekach okresowych i strumieniach efemerycznych. Efekty te różniły się intensywnością w zależności od rodzaju stresu wodnego, przy czym najsilniejsze obserwowano w przypadku przegród poprzecznych (tamy, jazy), nieco słabsze w sytuacjach regulacji przepływu wody i budowy obwałowań, a stosunkowo najmniej dojmujące okazały się skutki poborów wód podziemnych.

Jak wskazuje przytoczony wcześniej raport EEA, aby zminimalizować wpływ niedoboru wody na ludzi i środowisko, musimy odejść od zarządzania kryzysowego (crisis management) na rzecz zarządzania ryzykiem (risk management), czyli skupić się na działaniach nakierowanych na wzmocnienie odporności ekosystemów i wydajniejsze wykorzystanie wody. Postępujące skutki zmiany klimatu z pewnością będą nasilały negatywny wpływ antropogenicznego stresu wodnego na nasze rzeki. Zastanawiając się, jak ograniczyć ryzyko wystąpienia niepożądanych zjawisk w naszych wodach (w tym toksycznych zakwitów pewnych złotych haptofitów), pamiętajmy o stymulującym wpływie HDWS na biomasę glonów.


W artykule korzystałam m.in. z prac:

[1] Nilsson, C., Reidy, C. A., Dynesius, M. & Revenga, C. (2005). Fragmentation and flow regulation of the world’s large river systems. Science 308, 405–408.

[2] Veldkamp, T.I.E., Wada, Y., Aerts, J.C.J.H., Doll, P., Gosling, S.N., Liu, J., Masaki, Y., Oki T., Ostberg, S., Pokhrel, Y., Satoh, Y., Kim, H. & Ward, P.J. (2017). Water scarcity hotspots travel downstream due to human interventions in the 20th and 21st century. Nature Communications 8, 15697.

[3] Sabater, S., Bregoli, F., Acuña, V., Barceló D., Elosegi, A., Ginebreda, A., Marcé, R., Muñoz, I., Sabater-Liesa L. & Ferreira V. (2021). Effects of human-driven water stress on river ecosystems: a metaanalysis. Scientific Reports 8:11462, DOI:10.1038/s41598-018-29807-7.

music-cover