1. No category

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)
• Jokijatkumo hypoteesi (River continuum concept)
• Pohjaeläimet
– Toiminnalliset ravinnonkäyttöryhmät
– Pohjaeläinryhmät
– Näyteenotto
• 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
virtaamaan -> yksisuuntainen virtaus
• Virtaavan veden habitaatteja myös järvissä esim.
salmet ja tuulelle avoimet kivikkorannat ->
virtaussuunta vaihteleva
Virtavedet
Makea vesi (%)
Jäätiköt
Pohjavesi &
maaperä
Kokonaisvesimäärästä (%)
69.56
1.76
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)
• Valuma-alueen geologia, kasvillisuus, jyrkkyys, ihmistoiminta
(esim. maa- ja metsätalous, kaupungistuminen) vaikuttaa
jokeen
– Vedenkemiallinen koostumus (ravinteet, kiintoaine, pH)
– Hydrologia (virtaama vaihtelut)
– Joen 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 muokkavaat 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 (lähinnä typpi ja fosfori)
Lämpötila
• Vaihtelee:
– Ilmasto
– Korkeus meren pinnasta
– Vuoden aika
– 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
jokusuiston 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 tuotanto ylittää perustuotannon → systeemit toisenvaraisia
(alloktoninen)
– Suuriss virtavesissä puiden varjostus vähäisempää → Systeemien
toimintaan ja tuotannon tasoon vaikuttaa usein enemmän joen
sisäinen perustuotanto (levät ja putkilokasvit).
• Systeemin tuotanto perustuotannon tasolla tai sen alle→ systeemit
omavaraisia (autoktoninen)
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.
Orgaaninen substraatti
Detritus luokat ja alaluokat
Koko
Coarse particulate organic matter (CPOM) > 1 mm
Large woody debris
> 64 mm (halkaisija)
Terrestrial leaves
16 to < 64 mm
Leaf, twig & bark fragments, seeds, needles, fruits
4 to < 16 mm
Plant and animal detritus, feaces
1 to < 4 mm
Fine particulate organic matter (FPOM)
0.5 μm to < 1 mm
Dissolved organic matter (DOM)
< 0.45 μm
Epäorgaaninen substraatti (Wentworthin mitta-asteikko)
Kokoluokka
Halkaisija (mm)
Lohkareet ja 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 pH-asteikolla (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)
Ravinnon hankinta
Kasvinosat, Uomassa olevien kasvin osien ja
lehdet, CPOM lehtien pilkkominen ravinnoksi
Kerääjät
(Collectors/Gatherers) FPOM
Suodattamalla virtaavasta
vedestä, pohjalta keräily
Kaapijat (Scrapers)
Levät ja
bakteerit
Pedot (Predators)
Muut eläimet Saalistus
Loiset (Parasites)
Eläinkudos
Kivien ja muiden substraatin
pinnalta kaapimalla
Isännän resurssien käyttö
loisimalla
Hyönteislahko
Macrophyte
Shredder Collector Scraper piercer
Predator Parasite
Plecoptera
+
+
+
Odonata
+
Ephemeroptera
+
+
Megaloptera
Trichoptera
+
+
+
Coleoptera
+
+
+
+
Heteroptera
Diptera
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Jokijatkumo hypoteesi (River
continuum concept) Vannote et al. 1980
• Edelle kuvattujen habitaattien muutos (lämpötila,
happi, substraatti, virtaama, valo, energia lähde
(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 pohjaeläimet
• 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
Rantavyöhykkeeltä
-Syvyys
-Virrannopeus
-Substraatti
-Sammalpeittävyys
-Kaltevuus
-Virtaama
-Suuren puuaineksen määrä
(Large Woody Debris, LWD)
-Veden laatu
-Uoman varjostus
-Puulajisto
-Maankäyttö
-Geologia