Interakce mezi fluviálními procesy a vegetační sukcesí u štěrkonosných toků

Mgr. et Mgr. Ján Babej, Ph.D.

Doctoral thesis

Interactions between fluvial processes and colonizing vegetation on gravel bed rivers

Abstract:

This thesis focuses on temporal changes in channel morphology and land cover and identifies factors that affect: a) grain size distribution of sediments, b) physical-chemical and chemical properties of sediments, c) species composition of vegetation and its properties in active channel zone and floodplain. At the same time, the relations and ties between hydrogeomorphological factors, vegetation and abiotic environment (soil, sediments) are investigated. Gravel-bed rivers Belá, Bečva and Opava were selected for the research. In the Belá, (relatively) natural segment of river was chosen, while in case of Bečva and Opava, segments re-naturalized by the flood in 1997 were selected. Comparison of such different rivers serves to examine the differences in the response of natural and re-naturalized river to the floods and seek universal biogeomorphological patterns in the river systems. Maps of military survey and aerial images were used to investigate the changes in channel morphology and land cover. These data were complemented by field surveys. For each river, 50 phytosociological relevés were accomplished in different habitats, including a habitat with vegetation coverage up to 50%, herbaceous, shrub and tree habitats located in the active channel zone of the river and a floodplain habitat. Each location with the phytosociological relevé was geodetically measured by the total station and samples of sediments were collected and analyzed in the laboratories of the Faculty of Science of Masaryk University. Data were analyzed using both descriptive and inductive statistical methods, such as correlation and regression analysis, Kruskal Nemenyi test, detrended correspondence and redundancy analysis, forward selection, variation partitioning, classification trees. By comparing the responses of each of the rivers to the floods, it was found that Bečva and Opava respond to the floods of the same magnitude by more pronounced widening of the channel. This can be explained by channels of Bečva and Opava being still too narrow, despite their significant expansion after the flood in 1997. Local conditions such as channel incision, the grain size composition of the banks and the anthropogenic influence on the hydraulic conditions in the channel were also found as important. Channels of all the examined rivers have become vegetated, which in the absence of large floods leads to a decrease in channel width. In case of the Bečva, development of vegetation was slowed down by flood with 50-year recurrence interval and lack of moisture in some parts of the berm sediment. The mean grain size diameter decreased with increasing height above the water level in each of investigated rivers. In terms of biogeomorphological succession fine-grained sediments occurred in advanced stages of succession while coarse-grained sediments were more typical for the initial stages of succession. The highest content of organic carbon and some nutrients (nitrogen, magnesium, potassium, calcium, copper, zinc, iron) was found in the floodplain habitats, while the lowest contents were found in the habitat with the vegetation coverage up to 50%. Herb, shrub and tree habitats did not differ in the organic matter and nutrient content. Thus, these contents do not increase continuously during succession and the differences can be seen only in the transitional phases between the initial stage and advanced stage, and between the advanced and “final” stage of succession. Lower contents of organic carbon and nutrients in some herbaceous, shrub and tree habitats can be explained by the lower proportion of the fine-grained fraction, which is significantly correlated with the organic carbon and some nutrients. The value of pH decreases toward the more advanced successive stages for all rivers. In accordance with the published studies, initial succession stages involve higher values of heliophilous species, r-strategists, plants propagated by seeds and higher Shannon-Wiener

Abstract:

diversity index. Particle size diameter (it’s mean and median) explains a large part of variability in the composition of vegetation species. Other important factors are elevation above the water level, organic carbon and nitrogen content (organic matter). The value of pH explains the most variability in case of the Opava.

Abstract:

Disertační práce se zabývá změnami morfologie koryta a krajinné pokrývky v čase a současně hledá faktory, které mají vliv na: a) distribuci sedimentů na základě jejich zrnitosti, b) fyzikálně-chemické a chemické vlastnosti sedimentů, c) druhové složení vegetace a její vlastnosti v aktivní zóně koryta a nivě. Také jsou zkoumány vztahy a vazby mezi hydrogeomorfologickými faktory, vegetací a abiotickým prostředím (půda, sedimenty). Pro výzkum byly vybrány štěrkonosné řeky Belá, Bečva a Opava. V případě Belé byl pro výzkum vybrán (relativně) přirozený úsek, v případě Bečvy a Opavy úseky renaturalizované povodní v roce 1997. Právě výzkumem takto odlišných řek je možné zkoumat, jaký je rozdíl v reakci koryta na povodně u relativně přirozeného a renaturalizovaného toku, a hledat univerzální biogeomorfologické zákonitosti v říčních systémech. Pro výzkum změn morfologie koryta a krajinné pokrývky byly použity mapy vojenského mapování a především letecké měřické snímky. Údaje o recentním stavu byly doplněny měřením přímo v terénu. V rámci každé řeky bylo provedeno 50 fytocenologických snímků umístněných v různých habitatech (habitat s pokryvností vegetace do 50 %, bylinný, keřový a stromový habitat nacházející se v aktivní zóně koryta a nivní habitat). Každá plocha, na které byl proveden fytocenologický snímek, byla zaměřena pomocí totální stanice a byly z ní odebrány vzorky sedimentů, které byly analyzovány v laboratořích Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. K řešení parciálních cílů práce byly zvoleny vhodné statistické metody, které zahrnovaly jak deskriptivní, tak induktivní statistiku (korelační a regresní analýza, Kruskal Nemenyi test, detrendovaná a redundanční korespondenční analýza, postupný výběr proměnných, rozklad variance, klasifikační strom). Porovnáním reakce koryta Belé, Bečvy a Opavy na povodně bylo zjištěno, že koryto Bečvy a Opavy reaguje na povodeň se stejnou N-letostí větším rozšířením koryta. Důvodem jsou stále velikostně poddimenzovaná koryta Bečvy a Opavy a to i navzdory tomu, že došlo k jejich výraznému rozšíření po povodni 1997. Dále hrají důležitou roli lokální podmínky, kterými jsou zahloubení koryta, zrnitostní složení břehových svahů a hydraulické podmínky v korytě způsobené antropogenními zásahy. Koryta všech řek zarůstají vegetací, což v případě absence velkých povodní povede k poklesu šířky koryta. Na Bečvě byl rozvoj vegetace zpomalen 50-ti letou povodní a nepříznivými vlhkostními podmínkami v některých částech druhé etáže koryta. Zrnitostní průměr se na všech zkoumaných řekách zmenšoval s narůstající výškou od hladiny vody. Ve smyslu konceptu biogeomorfologické sukcese bylo zjištěno, že nejjemnozrnnější sedimenty se nacházejí v pokročilých sukcesních stádiích a nejhrubozrnnější v iniciálních sukcesních stádiích. V případě organického uhlíku a některých nutrientů (dusík, hořčík, draslík, vápník, měď, zinek, železo) byl zjištěn jejich nejvyšší obsah v nivním habitatu a/anebo nejnižší obsah v habitatu s pokryvností vegetace do 50 %. Bylinný, keřový a stromový habitat se v jejich obsahu nelišil. Z tohoto pohledu je zřejmé, že obsah organického uhlíku a nutrientů se nezvyšuje v průběhu sukcese kontinuálně a rozdíly je možné vidět jen při přechodu z iniciálních stádií sukcese k pokročilým stádiím sukcese anebo mezi pokročilými a „vrcholnými“ stádii sukcese. Nižší obsahy organického uhlíku a nutrientů v některých bylinných, keřových a stromových habitatech je možné vysvětlit nižším zastoupením jemnozrnné frakce, se kterou organický uhlík a většina nutrientů statisticky významně koreluje. Na všech řekách byl

Abstract:

zjištěn pokles pH směrem k pokročilým sukcesním stádiím. V souladu s doposud publikovanými články bylo na všech řekách prokázáno, že iniciální stádia sukcese mají vyšší zastoupení světlomilných druhů, r-stratégů, rostlin rozmnožujících se semeny a dosahují vyšších hodnot Shannon-Wienerova indexu diverzity. Společný faktor, který vysvětluje značnou část variability v druhovém složení na všech řekách, je zrnitost sedimentů (průměr a medián). Dalšími důležitými faktory jsou výška nad vodní hladinou, obsah dusíku a organického uhlíku (organické hmoty). Nejvíce variability na řece Opavě vysvětluje hodnota pH.

Keywords

biogeomorfologie, biogeomorfologická sukcese, povodně, habitaty, regulace koryta, letecké snímky, zrnitost sedimentů, nutrienty, organický uhlík, Ellenbergovy hodnoty, řeka Belá, řeka Bečva, řeka Opava, biogeomorphology, biogeomorphic succession, floods, habitats, channelization, aerial images, grain size of sediments, nutrients, organic carbon, Ellenberg indicator values, the Belá River, the Bečva River, the Opava River

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 11. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 5. 2. 2019
• Supervisor: doc. RNDr. Zdeněk Máčka, Ph.D.
• Reader: doc. Ing. Peter Pišút, Ph.D., doc. Ing. Jan Lacina, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geography (4-years) / Physical Geography