Virtavedet Ekosysteemin toiminta & Pohjaeläimet Jarno Turunen Suomen Ympäristökeskus (SYKE)
Sisältö Virtavedet ja niiden ominaispiirteet Vesistöjen määrä, uhat, tila Virtavesiekosysteemien toiminta Valuma-alue Habitaatit (abioottiset ja bioottiset tekijät) Jokijatkumohypoteesi (River continuum concept) Pohjaeläimet Toiminnalliset ravinnonkäyttöryhmät Taksonomiset ryhmät Näytteenotto Habitaattimittaukset
Mikä on virtavesi? Virtavesillä tarkoitetaan laajasti virtaavan veden kokonaisuuksia, joilla on omanlaisensa usein virtaaviin vesiin sopeutunut eliöstönsä Norot, purot, joet, reittikosket (Kahden järvialtaan välisiä koskia, tyypillisiä Järvi-Suomessa) Korkeusero ja maan vetovoima saa veden virtaaman -> yksisuuntainen virtaus Virtaavan veden kaltaisiahabitaatteja myös järvissä esim. salmet ja tuulelle avoimet kivikkorannat -> virtaussuunta vaihteleva
Virtavedet Makea vesi (%) Osuus kokonaismäärästä (%) Jäätiköt 69.56 1.76 Pohjavesi & maaperä 30.1 0.76 Ilmakehä 0.04 0.001 Järvet 0.26 0.007 Suot ja kosteikot 0.03 0.0008 Virtavedet 0.006 0.0002 Biologinen vesi 0.003 0.0001
Virtavesien tila Virtavesien sisäisestä ja eri virtavesityyppien välisestä elinympäristöjen monimuotoisuudesta johtuen korkea biodiversiteetti Virtavesien biodiversiteettiä uhkaa vesistörakentaminen, rehevöityminen, kiintoainekuormituksen kasvu, vierasperäiset lajit, ylikalastus
Valuma-alue
Valuma-alue In every respect the valley rules the stream H.B.N. Hynes (1975) Geologia, kasvillisuus, jyrkkyys, ihmistoiminta (e.g. maanviljely, metsätalous, kaupungistuminen) valuma-alueella vaikuttaa jokeen Uoman koko ja virtaamaa kasvaa valuma-alueen koon kasvaessa Veden kemiallinen koostumus (ravinteet, kiintoaine, ph) Hydrologia (virtaama vaihtelut) Geomorphologia (Jyrkkä vuoristopuro vs. meanderoiva alavien maiden joki) Kaikki nämä tekijät vaikuttavat suuresti siihen millaiseksi joen eliöyhteisö muotoutuu
Virtavesien habitaatit Monimuotoisuuden paikallinen ja ajallinen vaihtelu Paikallinen vaihtelu: koskien ja suvantojen vuorottelu -> näiden sisällä erilaisia habitaattilaikkuja Ajallinen vaihtelu: Tulvat & kuivuus muokavaat elinympäristöjä -> Tuhoavat, mutta myös luovat uutta -> Keskimääräisen häiriön hypoteesi (Intermediate disturbance hypothesis) biodiversiteetin ylläpitäjänä
Virtavesien habitaatit
Virtavesien eliöyhteisöön vaikuttavat fysikaaliset ja kemialliset tekijät Lämpötila Happi Valo Substraatti (Pohjan partikkelien laatu ja koko) Virtaama Virtaustyyppi ph Ravinteet (Typpi, Fosfori)
Lämpötila Vaihtelee: Ilmasto Korkeus meren pinnasta Vuodenaika Vuorokauden aika Rantapuuston varjostus Lähteisyys (pohja- vs. pintavesi)
Lämpötila Vaikuttaa: Lajien levinneisyyteen Kasvunopeuteen (usein nopeampaa lämpimässä) Tuotantoon ja hajotukseen Elinkierron pituuteen (yleensä nopeampaa lämpimässä) Semivoltine 1 sukupolvi / 2-3 vuotta Univoltine 1 sukupolvi/ vuosi Bivoltine 2 sukupolvea/ vuosi Multivoltine useampi sukupolvi/ vuosi
Happi Virtavesissä hapen kyllästysaste usein lähellä 100 % veden tehokkaan sekoittumisen johdosta Hapen puute harvoin ongelma virtavesien eliöille. Hapen määrä kuitenkin laskee veden lämmetessä, koska lämpimämpään veteen liukenee vähemmän happea Happipitoisuus jokisysteemeissä usein laskee jyrkistä latvapuroista jokisuistoon siirryttäessä (happigradientti) hapen tehokkaampi liukeneminen jyrkissä koskissa verrattuna jokisuiston tasaiseen virtaukseen, myös lämpötila usein kasvaa jokisuistoon siirryttäessä Ihmistoiminta voi ravinteiden ja orgaanisen aineen kuormituksen kautta lisätä hapenkulutusta virtavesissä jolloin hapen puute voi olla stressi virtavesissäkin, vaikkakin harvemmin kuin esim. järvissä.
Valo Vaihtelee: Maantieteellinen sijainti Vuodenaika Sää Veden syvyys ja väri (Valoilmasto vedessä) Joen koko (avoin suuri joki vs. metsän peittämä pieni puro)
Valo Vaikuttaa: Perustuotantoon fotosynteesin kautta (levät, sammalet, putkilokasvit) Eläinten käyttäytymiseen ( esim. vesihyönteisten kuoriutuminen ja aje pimeässä petojen välttäminen Pienissä virtavesissä puiden varjostus heikentää perustuontoa Systeemien toimintaan ja tuotannon tasoon vaikuttaa usein merkittävästi valuma-alueelta ja rantavyöhykkeeltä tuleva orgaaninen aines (lehtikarike). Systeemin sekundaarinen tuotanto ylittää perustuotannon systeemit toisenvaraisia (Heterotrofinen) Suurissa virtavesissä puiden varjostus vähäisempää Systeemien toimintaan ja tuotannon tasoon vaikuttaa usein enemmän joen sisäinen perustuotanto (levät ja putkilokasvit). Systeemin sekundaarinen tuotanto perustuotannon tasolla tai sen alle systeemit omavaraisia (autotrofinen)
Substraatti Pohjan rakenne ja koostumus vaikuttaa merkittävästi eliöyhteisön koostumukseen Orgaaninen ja epäorgaanin materiaali Luokittelu reakoon mukaan Hienojakoinen aines voi olla myös stressi virtavesi ekosysteemeille esim. maankäytöstä johtuva kasvanut eroosio voi lisätä hienojakoisen aineksen määrää virtavesissä.
Dissolved organic matter (DOM) < 0.45 μm Orgaaninen substraatti Detritus luokat ja alaluokat Koko Coarse particulate organic matter (CPOM) > 1 mm Large woody debris Terrestrial leaves Leaf, twig & bark fragments, seeds, needles, fruits Plant and animal detritus, feaces Fine particulate organic matter (FPOM) > 64 mm (halkaisija) 16 to < 64 mm 4 to < 16 mm 1 to < 4 mm 0.5 μm to < 1 mm
Epäorgaaninen substraatti (Wentworthin asteikko) Kokoluokka Halkaisija (mm) Lohkare & Kallioperä (Boulder & Bedrock) > 256 Mukulakivi (Cobble) Iso 128 256 Pieni 64 128 Pikkukivi (Pebble) Iso 32 64 Pieni 16-32 Sora (Gravel) 2-16 Hiekka (Sand) 0.063-2 Siltti (Silt) 0.0039-0.063 Savi (Clay) <0.0039
Virtaama & Virtaustyyppi Virtaama = Virran nopeus (m/s) * leveys (m) * syvyys (m) = Vesimäärä m3/s Valuma-alueen koko vaikuttaa virtaamaan ja siten joen kokoon Suurissa virtavesissä erilainen lajisto kuin pienissä Rauhallisesti virtaavilla nivaosuuksilla ja suvannoissa erilainen lajisto kuin koskissa
ph Veden happamuutta kuvataan yleensä logaritmisella phasteikolla (ph 5:n ja 6:n välinen happamuusero on kymmenkertainen) ph 7 neutraali, < 7 hapan, > 7 emäksinen Rajoittaa merkittävästi monien lajien esiintymistä Biodiversiteetti usein köyhempää happamissa vesissä Ihmistoiminta voi happamoittaa vesistöjä (kaivokset, ilmansaasteet, metsätalous)
Ravinteet Vesistön ravinnepitoisuus vaikuttaa perustuotannon määrään (joskus valo rajoittava tekijä), millä taas on vaikutusta siihen millainen vesistön eliöyhteisö on (karujen vs. rehevien vesistöjen lajit) Virtavesissä perustuotanto usein rajoittunut typen (N) tai fosforin (P) suhteen (fosforin useimmin) Ihmistoiminta kuten maanviljely lisää ravinne huuhtoumia vesistöihin josta seuraa rehevöitymistä ja muutoksia eliöyhteisöissä
Pohjaeläimet (Benthic macroinvertebrates) Vesistöjen pohjasedimentissä tai sen pinnalla eläviä > 0.5 mm selkärangattomia eläimiä Lajirikas ja taksonomisesti monimuotoinen eliöryhmä (vesihyönteisiä, äyriäisiä, nilviäisiä, juotikkaita ja harvasukasmatoja) Yhteisöt reagoivat herkästi erilaisiin ympäristömuutoksiin Käytetään paljon ihmisperäisten vesistövaikutusten tutkimuksessa ja seurannassa
Pohjaeläinten luokittelu Taksonomian mukaan: Lahko > Heimo > Suku > Laji Habitaattipreferenssin mukaan: Litophilous (Kivi) Psephophilous (Sora) Psammophilous (Hiekka) Xylophilous (Puu) Phytophilous (Kasvi) Toiminnallisen ravinnonkäyttöryhmän mukaan (Functional Feeding Groups)
Toiminnalliset ravinnonkäyttöryhmät (Functional Feeding Groups) Eri taksonomisten ryhmien edustajat voivat kuulua samaan ravinnonkäyttöryhmään esim. petomaiset koskikorento- ja vesiperhoslajit Toisaalta samaakin ravintoa (esim. FPOM) käyttävät lajit voivat kuulua eri toiminnallisiin ravinnonkäyttöryhmiin jos ravinto hankitaan eri tavalla Jako toiminnallisiin ryhmiin auttaa ymmärtämään ekosysteemin toimintaa Ympäristön muutosten vaikutus toiminnallisiin ravinnonkäyttöryhmiin
Toiminnallinen ravinnonkäyttöryhmä Ravinto Pilkkojat (Shredders) Plant parts, leaves, CPOM Ruokailutapa Uomassa olevien kasvin osien ja lehtien pilkkominen ravinnoksi Kerääjät (Collectors/Gatherers) FPOM Kaapijat/laiduntajat (Scrapers/grazers) Levä ja bakteerit Suodattamalla virtaavasta vedestä, pohjalta keräily Kivien ja muiden kovien substraattien pinnalta kaapimalla Pedot (Predators) Muut eläimet Saalistus Loiset (Parasites) Eläinkudos Isännän resurssien käyttö loisimalla
Diptera + + + + + Hyönteislahko Shredder Collector Scraper Macrophyte piercer Predator Parasite Plecoptera + + Odonata + Ephemeroptera + + Megaloptera + Trichoptera + + + + + Coleoptera + + + + Heteroptera + + +
Jokijatkumohypoteesi (River continuum concept) Vannote et al. 1980 Edelle kuvattujen habitaattien muutos (lämpötila, happi, substraatti, virtaama, valo, energialähde (autoktoninen vs. alloktoninen), latvapuroilta jokisuistoon Muutos lajiston ja toiminnallisten ravinnonkäyttöryhmien suhteellisessa runsaudessa Keskeinen viitekehys virtavesiekologiassa, toimii kuitenkin jossain määrin huonosti Suomessa mm. järvisyyden takia
Virtavesien pohjaeläimiä Värysmadot (Turbellaria) Petoja, tunnettuja regeneroitumiskyvyistään Nilviäiset (Mollusca): Kotilot (Gastropoda) Diversiteetti suurin kalkkipitoisissa ja neutraaleissa vesissä Kaapijoita (Scraper)
Virtavesien pohjaeläimiä Nilviäiset: Simpukat (Bivalvia) Unionidae 4-20 cm Sphaeriidae 0.2-2 mm Suodattajia (Filterers) Äyriäiset (Crustacea) Ravut, katkat (gammarus), vesisiira (asellus), mikroäyriäiset Pilkkojia (Shredder)
Virtavesien pohjaeläimiä Harvasukasmadot (Oligochaeta) Keräilijöitä (Collectors) Pehmeillä sedimenteillä Juotikkaat (Hirudinea) Petoja, jotkin lajit loisia Punkit (Acaria) Joillakin lajeilla monimutkainen elinkierto esim. vesihyönteinen isäntänä
Pohjaeläimiä: Vesihyönteiset Päivänkorennot (Ephemeroptera) Valtaosa virtavesien lajeja Valtaosa kaapijoita (Scrapers) Herkkiä veden laadun heikkenemiselle 20-30 toukkavaihetta kehityksessä Kaksi siivellistä vaihetta: subimago ja imago Pääsääntöisesti uni- tai bivoltineja jotkin semivoltineja Toukalla tyypillisesti kaksi kerkiä (cerci) ja terminal filament Parittaisia kiduksia takaruumiissa
Pohjaeläimiä: Vesihyönteiset Koskikorennot (Plecoptera) Lajimäärä kasvaa pohjoista kohti Lehtikarikkeen pilkkojia tai petoja Herkkiä vedenlaadun muutoksille Useita toukkavaiheita (12-33) Aikuiset usein huonoja lentäjiä Univoltiineja tai semivoltiineja Toukalla kaksi kerkiä (Cerci)
Pohjaeläimiä: Vesihyönteiset Vesiperhoset (Trichoptera) Suurinosa vesiperhosen toukista kykenee erittämään silkkiä, jolla rakentaa suojakotelo tai pyyntiverkko Kotelon rakenne ja materiaalivalinta usein suku/laji spesifinen Monenlaisissa habitaateissa ja lähes kaikki ravinnonhankinta tavat edustettuina Toukalla 5-8 kehitysvaihetta
Pohjaeläimiä: Vesihyönteiset Kaksisiipiset (Diptera) Ei raajoja keskiruumiissa (mutta pseudoraajat joillakin lajeilla) Mäkärät (Simuliidae) suodattajia Surviaissääsket (Chironomidae) kuuluvat moniin ravinnonkäyttöryhmiin, valtaosa kerääjiä Vaaksiaiset (Tipulidae) petoja ja pilkkojia Polttiaiset (Ceratopogonidae) Lisäksi kärpäsissä (Brachycera) akvaattisia heimoja
Pohjaeläimiä: Vesihyönteiset Kovakuoriaiset (Coleoptera) Kaikenlaisissa makean veden habitaateissa Elmidae (kaljukuoksaset) detrivoreja (syövät kuollutta orgaanista ainesta) Dytiscidae (Sukeltajat) petoja Gyrinidae (Hopea sepät) petoja Haliplidae levän syöjiä, mutta siirtyvät kehityksen myötä kaikkiruokaisiksi
Näytteenotto Potkuhaavi, semikvantitatiivinen Aika, ala ja näytteiden määrä Surber-näytteenotto, Kvantitatiivinen Tarkka ala Tiheyksien laskeminen Käsin keräily, kvalitatiivinen, semikvantitatiivinen Aika, Kivien määrä
Habitaattimittaukset Habitaatin määrä, laatu ja/tai heterogeenisyys. Jos tavoitteena arvioida elinympäristöjen soveltuvuutta tietyn kohdelajin kannalta edellyttää tietoa myös kohdelajin elinympäristövaatimuksista. Mittauspisteiden määrä ja sijainti sekä tarvittavat mittaukset riippuvat tutkimuskysymyksestä esim. ositettu satunnaisotanta: jaetaan koeala linjoihin, joilta tietty määrä satunnaisia mittauspisteitä Olli van der Meer Maare Marttila www4.agr.gc.ca http://wy.water.usgs.gov/projects/regional_curves/index.htm
Habitaattimittaukset Virtavedestä -Syvyys -Virrannopeus -Substraatti -Sammalpeittävyys -Kaltevuus -Virtaama -Suuren puuaineksen määrä (Large Woody Debris, LWD) -Veden laatu -Uoman varjostus Rantavyöhykkeeltä -Puulajisto -Maankäyttö -Geologia