Oddělení hydrochemie a ekologického modelování
.jpg)
Výzkum a odborné zaměření
Oddělení hydrochemie a ekosystémového modelování (HEM) Hydrobiologického ústavu Biologického centra AV ČR se zabývá studiem biogeochemických koloběhů a procesů, které řídí složení a kvalitu povrchových vod. Tento mezioborový výzkum je zaměřen na objasňování struktury, funkčních vztahů, problémů a řízení vodních ekosystémů zejména stojatých vod – umělých vodních nádrží, přírodních jezer a jejich povodí.
Pracovníci HEM rovněž zajišťují výuku ve vodních a environmentálních oborech na Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích i dalších univerzitách a angažují se v poradenských službách v oblasti vodního hospodářství a vodní politiky.
Hlavní výzkumná témata zahrnují:
- zotavování ekosystémů horských jezer a jejich povodí po období silné atmosfériské acidifikace;
- eutrofizace vodních ekosystémů jako výsledek vnějšího a vnitřního zatížení živinami a trofické struktury vodního ekosystému;
- rekonstrukce a modelování trendů v biogeochemických kolobězích živin ve vodních ekosystémech;
- fotochemické procesy probíhající během transportu makro- a mikroživin z povodí prostřednictvím rozpuštěných organických látek z půdy do vodního prostředí;
- úloha sedimentů a organické hmoty ve vnitřních kolobězích živin v nádržích;
- environmentální charakteristiky, které nejlépe vysvětlují a charakterizují odnos živin do povrchových vod ve složitých povodích.
Řešené výzkumné projekty
FERRO - Podpora evropských jezer, obnova odstraněním živin, zotavení a opětovné využití: integrovaný přístup povodí a jezerního rozsahu
Číslo projektu: 101157743
Koordinátor: Helmholtz-Zentrum Fur Umweltforschung Gmbh - UFZ
Řešitel: Tallent Dadi (UFZ)
Spoluřešitel: Petr Porcal
Finanční podpora: European Commission – program HORIZON-MISS-2023-OCEAN-01-04
Doba řešení: 2024 - 2028
Eutrofizace je velkým problémem, který způsobuje špatný ekologický stav evropských jezer a jeho závažné dopady jsou umocňovány změnou klimatu. Zároveň by však eutrofizace mohla být potenciálním řešením vyčerpání globálních zásob fosfátů (P), což ohrožuje globální potravinovou bezpečnost. Obrovské množství P a dalších živin se z povodí ztrácí a je transportováno do jezer, což z většiny jezer činí zásobárnu bohatou na živiny, jak lze pozorovat při častém výskytu masivních, ničivých květů řas v mnoha jezerech. FERRO překlenuje problém obohacování živinami na problém vyčerpání P a vytváří udržitelné řešení obou problémů cirkulárním řízením. Vytvoříme přístup obnovy jezer nové generace kombinováním cílených technik obnovy s obnovou a recyklací živin s cílem dosáhnout mnoha výhod: zlepšení ekologického stavu jezer, podpora oběhového hospodářství, přizpůsobení se klimatu, podpora produkce potravin, podpora biologické rozmanitosti a podpora poskytování ekosystémových služeb. Mnohé environmentální a sociálně-ekonomické společné výhody přesahují rozsah zásahů, podporují širší udržitelnost a zohledňují sociální a ekonomické ambice.
FERRO podporuje přirozenou obnovu jezer (po mnoha letech obohacování živinami) prostřednictvím čtyř mezioborových pilířů: 1) klasifikace a stanovení priorit jezer pro obnovu (integrované techniky in-situ a techniky založené na dálkovém průzkumu); 2) zavádění udržitelných řešení zaměřených na povodí (biotechnologie pro prevenci ztrát živin v zemědělství a obnova živin při přílivu a opětovném využití v zemědělství), 3) zavádění udržitelných řešení obnovy jezer (obnova živin z jezer a opětovné využití v zemědělství); a 4) předávání znalostí. FERRO znamená významný posun v tom, jak bude obnova jezer probíhat po celé věky.
Dopady klimatických změn na dostupnost živin v půdách a vodách horských oblastí
Číslo projektu: LUAUS24268
Řešitel: Eva Kaštovská (JČU), spoluřešitel: Jiří Kopáček
Zdroj finacování: INTER-ACTION-LUAUS24
Doba řešení: 3/2024 - 12/2027
Navrhovaný projekt je zaměřen na poznání a pochopení mechanismů způsobujících nárůst koncentrací živin, především fosforu (P) a dusíku (N), ale také rozpuštěného organického uhlíku (DOC) v povrchových vodách přírodních, člověkem přímo neovlivněných horských oblastí. Zvýšená dostupnost živin významně přispívá k růstu produktivity těchto přirozeně oligotrofních vod, snižuje jejich biodiverzitu, krajinotvornou hodnotu a využitelnost jako zásobárny pitných vod. Tyto nežádoucí změny úzce souvisí s klimatickou změnou, která graduje v posledním desetiletí a významně ovlivňuje fungování ekosystémů v horských oblastech Evropy i Ameriky. Vedle zvýšení průměrných ročních teplot dochází ke zkrácení zimního období, kdy jsou mikrobiální procesy v půdách alpinského pásma limitovány nízkou teplotou, a prodlužování vegetačního období, kdy v půdách probíhá intenzivní dekompozice organické hmoty a recyklace živin, významně podpořená aktivitou rostlin. Současně roste také četnost přívalových srážek a možnost letních přísušků. Tyto faktory akcelerují zvětrávání hornin a koloběhy živin v půdách a následné vyplavování mobilních forem N, P a DOC do povrchových vod horských systémů.
Vedle výše popsaných projevů klimatické změny k eutrofizaci vod v horských systémech přispívají i další faktory. V horských oblastech střední Evropy je to především zvýšené vyplavování P a DOC z půd zotavujících se z acidifikace. V alpinských oblastech USA (a jižní Evropy) k rostoucí koncentraci P v horských jezerech pravděpodobně přispívá zvýšená depozice prachu díky suššímu a větrnějšímu počasí posledních let.
Cílem projektu je ve dvou různých pohořích s odlišným historickým a geografickým kontextem studovat a kvantifikovat skutečné dopady společně působících projevů klimatických a environmentálních změn na cykly C, N a P a jejich dostupnost v půdách, retenci/vyplavování a koncentrace v horských jezerech alpinského pásma podél výškového gradientu. Vybrali jsme pohoří Vysoké Tatry (Slovensko) a Uinta (Utah, USA), pro které máme k dispozici dlouhodobá klimatická data, data o depozici prachu a zároveň 30-40letou řadu dat o kvalitě vod horských jezer. Předpokládáme, že v alpinské zóně Vysokých Tater ovlivňuje chování půd a kvalitu vod kombinace mimořádného (celosvětově unikátního) poklesu kyselé depozice spolu s výrazným nárůstem teplot a četnosti přívalových srážek, urychlujících mechanické zvětrávání hornin. Naproti tomu v pohoří Uinta (Utah, USA), které bylo v minulosti acidifikací zasaženo s nízkou intenzitou, očekáváme, že změny v dostupnosti N a P a mobilitě DOC v alpinských půdách způsobuje vedle nárůstu teplot především rostoucí depozice prachu a spolu s ní významný externí vnos P.
Fixace dusíku ve znečištěných vrchovištích ČR: Jak smířit vysokou akumulaci N podle aktivit 210Pb s nízkou asimilací 15N2 a nízkou dostupností fosforu
Číslo projektu: 24-12596S
Řešitel: Martin Novák (Czech Geological Survey), spoluřešitel: Jiří Kopáček
Zdroj financování: Czech Science Foundation
Doba řešení: 2024 - 2026
Dostupnost reaktivního dusíku (Nr) významně ovlivňuje akumulaci uhlíku v mokřadech. Metabolismus rašeliníku v čistých rašeliništích podporují diazotrofní organismy, které fixací vzdušného N2 dodávají další Nr. Protože rozvolnění trojné vazby v molekule N2 je energeticky náročné, lze předpokládat, že znečištění atmosféry povede k nižším až nulovým rychlostem fixace N. Nově však byly pozorovány poměrně vysoké rychlosti fixace N i v mokřadech s vysokou depozicí Nr. Na 3 takto antropogenně zatížených vrchovištích v ČR a 1 lokalitě na Špicberkách s nízkým vstupem Nr statisticky vyhodnotíme vliv 10 chemických a environmentálních parametrů na fixaci N2. Pozornost bude věnována fosforu, síranu a molybdenu. Naše předběžná data vykazují systematicky více N v profilech rašelinou datovaných pomocí radioizotopu 210Pb, než kolik činila kumulativní atmosférická depozice Nr. Tento „přebytečný“ N bude vysvětlen fixací N, budou-li přímo měřené rychlosti fixace pomocí značkovače 15N2 ve 2 sezónách a 3 hloubkách substrátu dostatečně vysoké a prokážeme-li imobilitu 210Pb při kolísání vodní hladiny.
Rychlosti fixace dusíku (N) spočtené z jeho vysoké akumulace v dnešních rašeliništích budou pororovnány s rychlostmi fixace N přímo měřenými při inkubacích mechu s plynným 15N2. 10 parametrů, včetně dostupnosti fosforu (P), bude statisticky vyhodnoceno k porovnání rolí těchto veličin při fixaci N.
Horské ekosystémy na výškovém gradientu pod vlivem změn klimatických podmínek
Číslo projektu: 23-06379S
Řešitel: Eva Kaštovská, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích
Spoluřešitel: Jiří Kopáček
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2023 - 2025
vykazují výraznější vývoj s rostoucí nadmořskou výškou. Je zřejmé, že tyto trendy odráží nejen pokles množství živin a oživení půd s rostoucí nadmořskou výškou, ale také intenzivnější odezvu výše položených suchozemských systémů na změny životního prostředí (zotavování z acidifikace a změna klimatu). V naší studii podél výškového gradientu Vysokých Tater se budeme zabývat reakcí různých typů půd (od smrkových lesů, přes alpinské louky, až po nevyvinuté půdy suťových polí) na současné změny teplot a srážkového režimu, a to z hlediska rychlosti, teplotní citlivosti a vzájemného propojení procesů přeměn uhlíku, dusíku a fosforu, mikrobiálními společenstvy a jejich složením. Pomocí terénních a laboratorních experimentů identifikujeme rozdíly v klíčových procesech retence, mobilizace a vyplavování živin z půd. Mechanismy vyplavování živin budou použity pro pochopení dlouhodobých trendů změn složení a oživení jezer i jejich aktuálních rozdílů podél výškového gradientu.
Cílem je kvantifikovat (1) vliv dopadu klimatických změn na cykly živin (C, N a P) a mikrobiální oživení v půdách podél vysokohorského gradientu od lesů do suťových polí a (2) dopady souvisejících změn ve vyplavování živin na složení a oživení jezer a trajektorie jejich biologického zotavování z acidifikace.
Environmentální změny způsobené extraterestrickými impakty a vulkanismem: Doklady v jezerních sedimentech
Číslo projektu: 23-06075S
Řešitel: Evžen Stuchlík
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2023 - 2025
Impaktní události jsou potenciálními spouštěči prudkých environmentálních změn, jelikož jejich destruktivní síla ovlivňuje atmosférické a geochemické procesy. Početné doklady z mnoha míst na obou polokoulích Země ukazují, že před 12800 roky došlo k velkému impaktu, který způsobil ochlazení zvané mladší dryas. Navrhujeme interdisciplinární studii jezerních sedimentů daného stáří, abychom (1) zhodnotili reakce ekosystémů typu jezero-povodí na tuto událost. Studované lokality se nacházejí na Šumavě (Česko) a v Tatrách (Polsko), což umožňuje odlišit vlivy impaktu od vlivů jemu předcházejícímu výbuchu vulkánu Laacher See (před 13000 roky), v jehož důsledku došlo k depozici sopečného popela v oblasti Šumavy. Dále se zaměříme na (2) testování přítomnosti extraterestrické příměsi v taveninách, které jsme nalezli v jezerních sedimentech stářím odpovídajících počátku mladšího dryasu, a na (3) vývoj nové metody identifikace cirkanuálních změn ukládání sedimentu. Taková metoda by významně zlepšila datování environmentálních změn v jezerních sedimentech neobsahujících nápadné roční vrstvy.
Cílem je posoudit: (1) odpověď ekosystémů typu jezero-povodí na nástup mladšího dryasu, a to včetně změn v pedogenezi; (2) přítomnost extraterestrické příměsi v taveninách z počátku mladšího dryasu; (3) novou metodu identifikace cirkanuálních změn sedimentace v nevarvových jezerních sedimentech.
Zranitelná místa nedostatku vody ve střední Evropě na základě složení izotopů vody v jezerech: hydrologické, klimatické a socioekonomické determinanty
Číslo projektu: 23-07152S
Řešitel: Yuliya Vystavna
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2023 - 2025
Klimatické změny a nedostatek vody ve střední Evropě mají významný dopad na dostupnost vodních zdrojů. Celkovým cílem projektu je nový přístup k identifikaci zranitelných míst nedostatku vody ve střední Evropě, určení jejich determinantů na základě izotopového složení jezer a modelu vodní bilance s využitím stabilních izotopů. Projekt je zaměřen na: (i) identifikaci nejvhodnějších veličin a metod sběru a zpracování dat pro použití v izotopové vodní bilanci v povodích jezer a (ii) kvantifikaci nedostatku vody pomocí izotopového složení vody v jezerech a modelování vodní bilance pomocí izotopů a hodnocení hydrologických, klimatických a socioekonomických determinant nedostatku vody pomocí nástrojů strojového učení (náhodný les, gaussovské modely).
Novost projektu se týká nevyřešených otázek ohledně faktorů ovlivňujících nedostatek vody a predikce nedostatku vody na základě multidisciplinárního přístupu zahrnujícího environmentální a socioekonomické proměnné.
Vliv dostupnosti dusíku a stavu lesa na půdní mikrobiom, cykly prvků a biologické zotavování acidifikovaných vod v horkých ekosystémech.
Číslo projektu: 22-05421S
Řešitel: Jiří Kopáček
Zdroj financování: Grantová Agentura ČR
Doba řešení: 2022 - 2024
Smrkové porosty v neobhospodařovaných povodích šumavských jezer byly v průběhu posledních 20 let do různé míry narušeny kůrovcovým žírem. Veškerá mrtvá biomasa zůstala na místě a porosty se začaly přirozeně zmlazovat. Tím se vytvořily široké gradienty stavu vegetace, půdních vlastností a složení vod v rámci jednotlivých povodí i mezi nimi. Navrhujeme využít tyto gradienty v integrované, mezioborové studii s cílem posoudit vliv obnovy lesa na chemické a mikrobiální složení půd a jejich funkci, cykly a množství živin (primárně N) v ekosystému, ztráty prvků do vod a zotavování šumavských jezer z acidifikace. Především se zaměříme na (1) vliv postupného rozkladu mrtvé biomasy na kaskádu změn ve složení a funkci půdního mikrobiomu, dostupnost prvků a jejich vyplavování, (2) míru ovlivnění těchto změn způsobenou početností zmlazení a růstovou rychlostí stromů a jejich závislostí na mikroklimatických podmínkách a (3) význam výsledných změn sezónního složení vod po disturbancích na jejich biologické zotavování.
Cílem je posoudit vzájemné vztahy mezi (1) klimatem, půdními vlastnostmi a zmlazením horských smrčin po disturbanci; (2) obnovou a růstem lesa, složením a funkcí půdního mikrobiomu a vyplavováním živin a (3) sezónními změnami složení vod a jejich biologickým zotavováním z acidifikace.
