Charakterystyka i zróżnicowanie funkcjonalne starorzeczy w dolinach dużych rzek nizinnych = The characteristics and functional diversity of oxbow lakes in large lowland river floodplains

JNIWERSYTET ZI~LON<><iÓRSKI ZIELONA G()RA ~004 :ESZYTY NAUKOWE l ~ l INŻYNIERII\ SRODOWISKA 12

Wojciech Puchalski

<atedra Biologii _Środowiskowej. r olitechnika _Koszalińska

CHARAKTERYSTYKA l ZRÓŻNICOWANIE FUNKCJONALNE STARORZECZY W DOLINACH DUŻYCH RZEK NIZINNYCH

THE CHARACTERISTICS AND FUNCTIONAL DIVERSITY

OF OXBOW LAKES IN LARGE LOWLAND RIVER FLOODPLAINS

Słowa kluczowe: stRrorzecza, doliny rzeczne. osady denne. pierwiastki biogcnne.

roślinność wodna. wezbrania rzek, pułapki biogeochemiczne.

Streszczenie: Starorzecza stanowią istotny element krajobrazu dolin rzek nizinnych. Na przykładzie starorzeczy doliny dolnej Wisty omówiono charakterystyk<( i wybrane aspekty funkcji biogeochemicznych ich ekosystemów,

związanych 7. metabolizmem osadów dennych i funkcjami roślinności wodnej.

Czynnikami różnicującymi starorzecza jest ich podatność na perturbacje związane

z wezbrnni:lmi rzek oraz struktura (różnorodność) roślinności. Zróżnicowanie

strukturalne przekłada siC( na zróżnicowanie zdolności retencyjnych w stosunku do ładunków związków biogennych, gdzie najkorzystniejsze cechy posiadają

osady denne starorzeczy zalewanych wodami wezhraniowymi. Poszczególne gatunki ^{roślin uzal}eżnione są od specyficznych wanmków ^{środowiska, zmieniając}

często w przeciwstawny sposób parametry funkcjonowania ekosystemów. W zagospodarowaniu dolin rzecznych należy dążyć do wykorzystania starorzeczy jako sprawnej puh:rpki biogeochcmicznej oraz stabilizującego i lą...:zącego

komponentu krajebraw cłoliny rzeki, pod warunkiem tachowania dynamiki

wezbrań.

Key words: oxbow lakes. riverine lloodplains, bottom sediments. nutrients.

aquatic vegctation. lloods, hiogeoc.:hemical traps

Summary: Oxbow lakes constitute an important element or the landscapc of lowland river flondplains. The strucnrral characteristic.:s and chosen aspects of biogeochemical functions a re clescribcd for oxbow ecosystems i n t he l ower VistuJa floodplai n. consideri n g metabol i c propert i es o f boiiom sedi m en ts and

functions of aquatic vegetation. Typology of oxbow lakes, based rnainly on thcir susceptibility to rtood disturbances and on vegetation structure and divcrsity is proposecl. Patterns of structural diversity imply thc variability of retcntive properties for external mrtrient loads, where sedimcnts or periodically rloodecl lakes rcveal the most dcsirable properties. Particular plant specics, c.:onstrained by specific environmental variables, transform functions of their ecosysterns in eontrasring ways. Oxhow lakes rnay perform a role of ciTective biogcochcmical traps as wcll as may increasc the stabi lity and conncctivity functions of rivcrinc

landscapes. Such oplirnising or noodplain manngenlent demands at lcast partia!

restoration of rlond dynamics for maintaining nnn-dcgradcd fum:tion~ of oxbow

320 ^{Wojciech Puch:tbki}

lakes. Functional asscssmcnt of vegetation and sediment analyses may help in cstablishin_~ g the most desirable restoration mcasurcs.

WSTĘP

.

Sta rorzecza

el em ent s tru kt ury krajobrazu obszarów za lewowyc h dolin rzek nizinnych.

wytworem dynam iki ko ryt a rzecznego,

dawnych mea ndr ów lub ro ztokowych ramion koryta, któr e

okre sowo ,

lub

całkowicie odcięte

od

koryta rzeki. W bogatej literaturze

dolin r zecz nyc h

ic h znaczenie w

krajobrazowej i biocenotycznej.

s iedli sk o wi elu rzadki c h i chronionych gatunków

kt óryc h

sa lwinii

(Salv inia natans) i kotewki (Trapa

narans)

na terenie Pols ki jest w

ogran iczone do tego typu zbiorników wod nyc h. Dla wielu ga tunk ów ryb rzecznych

strefy zimowania,

rozwoju nary bku [Jungwirth i in., 2000], podobnie jak s iedli sko

i migrac ji ptaków wodnych. Program Natu ra 2 000 przewiduje

starorzeczy

jako siedlisk przyrodnic zych o z nacze niu europejs kim.

Ward i in. [

ekosystemów wodnych doliny rzecznej wynika z

dwóc h charaktery styk :

l . nieciągłości

struktura lnej ,

ze

geom orf ologicznych procesó w

st ruktury do li ny , oraz

2.

re alizowanej pop rzez

i

wód po wierzchn iowych i podzie mny ch (hyp oreicz . nych) w skali do liny w okresach

i za lewów wód rzec z nych w okresach

Znaczenie

ni e ogranicza

tylko do wymiany wód powierzc hniowy c h,

określanej

ja ko pulsy zal e wow e [j'lood pulses, Tockner i in. , 2000] ; równie

· pul sy

pulses),

na

wód podziemnych w okresach

co nie musi

z powierz chn iowym

połączeniem

sta rorzeczy z korytem rzeki .

Często

pos tul owana jes t reten cyjna rola starorzeczy w odniesieniu do sub stancj i ( w tym

pierwiastków biogennych) przenoszony c h zarówn o

doliny rzecznej, jak

poprzez wody podzie mn e i

powierzc hniowe z obszarów wysoczyznowych, a

w sa mej dolinie , niekiedy

inte nsy wni e

rolnic zo . Wa runki troficz ne,

przez te

o rozwoj u specy fi cznych biocenoz wodny c h,

z przyrodniczego i gospoda rczego punktu widzenia. Z drugiej strony , poprzez swe reten cyjne

sta rorzecza

w ochronie

wó d rzeki .

chemiczne wód s tarorzeczy

niekiedy przedmiotem badat1, niewi ele jest danych

proce sy

chem i cznego i

wód.

W p o lski ej lite ratu rze dobr ze rozpoznane

z naczenie biogeochemiczne

przekształconych

torfowisk [Kruk , 2000] oraz kaska9y zbiomików z aporowyc h na

małej

r zece [Go ld yn , 2000]. Siogeoc hemiczne funk cje innyc h e kosy ste mów wodnych dolin rzecznych n ie

jeszcze kompleksowego opracowa ni a. Próby

1

321

określenia znaczt!nia procesów biogeochemicznych dla roślinności wodnej, jak również

- odwrotnie - modyfikacje tych procesów zachodzące przy udziale roślinności w starorzeczach są celem niniejszej pracy.

Zabiegi go podarki przestr7.ennej i regulacji rzek wpłynęły w poważnym stopniu na funkcjonowanie starorzeczy. Wiele z nich zanikło, utraciło połączenie z wyprostowanym korytem, zostało odciętych walami przeciwpowodziowymi od zalewów wezbraniowych, zahamowane zostały procesy powstawania i outwartania starorzeczy. Zlewniowe ładunki materii stanowią zagrożenie jakości wody. Z drugiej strony obecnie zauważa się tendencj(( do przywracania naturalności dolin rzecznych i ich rekultywacji, połączonej często z próbami odtwarzania starorzeczy i restytucji populacji roślin w przeszłości w nich występujących. W zmienionych warunkach hydrologicznych i troficznych nie zawsze te próby zostają uwieńczone sukcesem. Rozpoznanie procesów ekologicznych, ich uwarunkowań i możliwości kierowania nimi

może stać się podstawą do skutecznej optymalizacji kształtowania krajobrazu dolin

dużych rzek nizinnych, w których procesy biotyczne pelnią znacznie większą rolę w odniesieniu do procesów abiotycznych (hydrologicznych).

TERENIMETODY BADA~

Badaniami objęto prawą stronę odcinka doliny dolnej Wisły między Bydgoszczą a

Chełmnem. Na odcinku tym znajdują się liczne starorzecza, tworzące często połączone

ze sobą okresowo ciągi odpowiadające dawnemu układowi roztokowych koryt rzeki.

Niektóre z nich są zbiornikami sztucznymi. powstałymi w wyniku dawnych prac hydrotechnicznych [Gorączko, 200 l]. Istniejące obecnie starorzecza są zróż.nicowane

pod względem ich morfologii, sytuacji hydrogeologicznej (przepuszczalności utworów doliny warunkującej kontakt z wodami hyporeicznymi), otoczenia, podatności na zalewanie wodami wezbraniowymi (część starorzeczy odcięta od wezbrań walami przeciwpowodziowymi), roślinności, osadów dennych i charakterystyki chemicznej wody. Kilkanaście z nich zostało wybranych jako obiekty badań. Dla każdego z nich

określono wyżej wymienione aspekty zróżnicowania, a także kilkakrotnie w ciągu roku przeprowadzono pomiary metabolizmu osadów dennych i zakumulowanej w nich

grubocząsteczkowej martwej materii organicznej. Badania te, przeprowadzone na próbach osadu w laboratorium przy zachowaniu warunków fizycznych zbliżonych do naturalnych, obejmowały tempo respiracji oraz pochłaniania lub uwalniania jonów fosforanowych, amonowych, azotanowych i azotynowych w różnych st((żcniach wyjściowych tych jonów w roztworze. Wyniki przeliczano na jednostkę masy osadu w jednostce czasu (doba). Dla poszczególnych starorzeczy uwzględniono zróżnicowanie

osadów w zależności od zróżnicowania płatów zbiorowisk roślinnych.

ZRÓŻNICOWANIE MORFOLOGICZNO-STRUKTURALNE STARORZECZY

?odstawowymi czynnikami różnicującymi lizjonomię starorzeczy okazało si«

zróżnicowanie gatunkowe wodnej roślinności wynurzom:.J zanurzonej oraz

322 ^{Wojt:iec.:h Put:halsk i}

częstotliwość

z al ewania przez wody we zbrani owe.

kilka typów s ta rorzeczy :

Zróżnicowanie

fl or ystycz n e

niezalewane

odcięte wałami

(przesiąkowe)

za l e wa ne e rozyJ

ne

połączone

z korytem

Zależność

od p er t urb acj i

na

hi storycz nej s trefy za l ewo wej

zalewane akumulacyj ne

Na

doliny

sta re ,

starorzecza,

otoczeniu

lub z torfowiskowymi okrajkami , zasilane przez

lub

podskarpowe.

one szczególnym bogactwem florystyc z nym.

Różnorodność

gatun kow a

znacznie mniejsza (niekiedy tylko 2-3 gatunki

wynurzonych z

z ni ch)

starorzeczach, które

przeciwpowodziowymi od zalewów przez wody wezbraniowe.

staro r zeczy

erozyj ne -

rynny ze stromymi brzegami ,

charakteryzuj ące się

szy bkim

wód wezbraniowych i gruboziarnistymi osadami mineralnymi ,

wód powierzchniowy ch i

pod z i emnych , a kumu lacyjne -

ze

osadami ilastymi i organicznymi oraz

z koryte m , o

zmieniającym się często

wraz ze zmianam i sta nów wód w rzece zwi erc iadle wody ,

których

se dymentacja zawiesiny niesionej przez nurt rzeki.

M et a bo li z m osad ów d e nn yc h

Na

opisane

sta rorzeczy ,

o c harakterze odktadanyc h w ni c h osadów dennych , w

ich metabolizm u

warunki lokaln e

z

st refa mi wymiany z wodami podziemnymi i platami

osadów ma charakter heterotroficzny , konsumpc ja tlenu latem zawi e ra

w przedziale od 5 do 35 mg0

g ·! d-

c harakterystyczne dla staryc h , torfowis kowych zb iorników

stwi erdzono w

niezal e wanych staro rzeczach

Charakterystyku i ^{zn\żnicowanic} funkt:jonalne starorzcezy ... 323

przeciwpowodziowymi. Wysoka konsumpcja tUet:lll.l prowadzi następnie po jego zużyciu

do uwalniania zredukowanych form żelaza, a :niekiedy również siarkowodoru. W strefie

międzywala obserwuje się wartości pośrednie, llila,eco niższe w starorzeczach erozyjnych

mogą być związane z produkcją tlenu przez gli(J)ny .denne.

Osady starorzeczy torfowiskowych charakteryzują się również minimalnymi

wartościami tempa pochłaniania jonów fosforanowych i amonowych, niewiele

wzrastającymi nawet w znacznie podwyższonyc~ a,ch stężeniach w wodzie. Wskazuje to na niskie tempo obiegu pierwiastków biogemcr11ych w tych ekosystemach i ich niskie

zdolności retencyjne wobec ładunków allochtona~cznych. Osady starorzeczy międzywala wykazują znaczne choć zróżnicowane właśc[wości retencjonawania azotanów i fosforanów, wielokrotnie wzrastające (do ponad l ,5 mgP g·! d-¹ przy stężeniu 0,5 mgP l -l) w warunkach wysokiego stęilen~a tych jonów. Przy braku azotu

amonowego w wodzie jest on uwalniany z •Osadów, jego ładunki zewnętrzne są

intensywnie pochłaniane.

Z punktu widzenia jakości wody najbardz~ej niekorzystne właściwości wykazują

organiczne osady ze starorzeczy poza wałami, nieodnawiane przez wezbrania. W normalnych warunkach następuje w nich uw.allni.anie do roztwom wszystkich badanych jonów. Wprawdzie wysokie stężenia nutrientów zmieniają kierunek metabolizmu na ich

pochłanianie przez osady, to jednak w warumikach dopływu azotanów następuje ich

częściowa redukcja połączona ze szczegó~cr11ie wysokimi wartościami produkcji toksycznych azotynów.

W tych starorzeczach wzrost aktywnośca młikmbiologicznej osadów (określany na podstawie ich metabolizmu tlenowego) nie powoduje istotnego wzrostu zdolności

absorpcji fosforanów z ładunków zewnętrznydi. Odwrotnie, osady ze starorzeczy erozyjnych okazują się najbardziej sprawną biologiczną pułapką dla fosforanów z

ładunków zewnętrznych dostających się do s~or~ecza.

Roślinność wodna starorzeczy a martw:a m:ateria organiczna

Stabilne, jednorodne warunki środowiska w odciętych wałami starorzeczach

przesiąkowych i brak limitacji chemicznej poprzez konkurencyjne wykluczanie

prowadzą do dominacji jednego z gatunków roślin wynurzonych; jest to zwykle

kropidło wodne (Oenanthe aquatica) lub matililla mielec (Glyceria nwxima). Problemem

środowiskowym jest tu bardzo wysokie te~.o respiracji osadów, prowadzące do nadmiemego obniżania potencjału redox. Oba gatunki przyjmują odmienną strategię:

dla występowania manny czynnikiem stabih:zuj:ącym jest intensywna wymiana wód podziemnych, kropidło poprzez swe ~or:z;en~e natlenia skolmatowane osady,

ograniczając redukcję i przechodzenie do roztworu związków żelaza. W konsekwencji

następuje zmiana terminu uwalniania rozplllszczonych związków mineralnych z dekompozycji martwej materii organicznej tyd1 roślin. W przypadku manny wczesną wiosną następuje dodatkowe pochłanianie m1trientów (co zapobiega powstawaniu zakwitów fitoplanktonu), a ich uwalnianie następuje w czasie maksymalnego zapotrzebowania przez rośliny rozwijające si~ę na wiosnę. Dekompozycja kropidła

następuje już późnym latem, co prowadzi niekiedy do deficytów tlenowych i masowego rozwoju bakterioplanktonu w zbiorniku.

324

w

Wi osenna dekompo zycj a martwy ch

zakumulowanyc h pr zez wody wezbraniowe w staro rzeczac h

oka zuje

klu czo wym czynnikiem

umożliwiającym kiełkowanie

za rodników i wzrost sa lwinii.

ta nie

na niezalewanych obszarach doliny. W porównaniu z inny m i

ga tunk ami

roślin

wodnych charakte r yzuje

tempem

biogennych

7.

wody ; kt órych

z

po zwala na

ich pobie rani a z wody, a rozpu szczo ne s ubsta ncj e o r ganiczne

wspomagają

rozwój bakterii aktywnych w transfonnacji azotu.

Implikacje praktyczne w ochronie i rekultywacji dolin rzecznych

W yso k ie

retencyjne osadó w denn ych sta ror zeczy

k ilkakrotni e

wyższe

od zalewanych gle b ekosystemów

doliny)

wyk orzysta ne do oc hrony wód rze ki prze d

do doliny za nieczy szcze niami ze

obsz arowych i rozproszonych . Warunki em jest zachowanie

i

systemów staro rzeczy i dopu szcza nie ich okresowych perturbacji,

Sta rorzecza pozbawione konta ktu z w odami wezb ra niowymi przez

ich

wałami

p owod z iow ymi od

d oliny rzecz ne j

wszel ki e cechy zdegradowanego ekosystemu: ni ska

biologiczna,

wody, brak lub ograniczo ne

retencji

nutrientów. Naj bardziej niekorzys tn a sytuacja

gdy dod at kowo , przez

ni eprzepuszcza lny ch osadów ,

ograniczenie

z wodami podziemn y m i,

przez

redox .

Rozwiązaniem

optyma lizacji fu nkcj i krajobrazowych

przyw rócenie przynajmniej okresowego

starorzeczy, co

szczególnie w projektach polderów przec iw powodzi owyc h w dolinach

rzek .

Sieć

cieków

powinna

lub odtwarzane s taror zec7 . a,

w ten s posób funkcje ekologiczne i gospodarcze doliny

rzeczneJ.

Siog eoc hemic zne rozpoznanie funk cj i s tarorzeczy

do optymalizacji ich funkcji i

potencjal nyc h

tu znaczenie j ako

dla nieabsorbowanego w

sposób latem jonu amonowego. Ponadto

poszczegó lny ch gatunków okazuje

wskaźnikiem

funkcji

przez eko syste m starorzecza. P ozna nie funk cjo na lnych cech

ga tunków

na

systemu bez

kosztownyc h i

bada11 biogeochemicznych.

Ta ka ocena funkcjonalna ekosystemu poz wa la

na wskaza ni e ekosyste mów niskoenergetycznych , o niskim tem p ie metabolizmu i

a

o wysokich wa lorach przyrodniczyc h i

dl a kt órych wzrost

nutrientów

szczegó lnie niebezpiec z ny. P ozwala to na

uwzględnien ie właściwych

metod ic h oc hrony (zac howanie

zbio rowi sk

leśnych

lub

oc hrona zaso bów i

w ód podziemnych w z lewni) , np. w

ramach plan ów ochrony obszarów Natura 2000.

Charaktery,ty~a 1 /fO/IliC0\1 an1~ funkqona In c ,1aro1 LCC/V .. 325

LITERATURA

BORNETTE G., AMOROS ., LAMOUROUX N., 199g: Aquatic plant diversity in rivcrinc wctlands: thc role of conncctivity. Frcshwatcr Biology 39, 267-283.

GOLDYN R., 2000: Zmiany biologicznych i fizyczno-chemicznych cech jakości wody rzecznej pod wpływem jej piętrzenia we wstępnych nizinnych zbiornikach zaporowych. Wydawnictwo aukowc UAM, Poznat1, ss. 185.

GORĄCZKO M., 2001: The hydrography of oxbows in Fordon Yallcy in Bydgoszcz..

Limnological Rcvicw l, l 09-1 16.

JUNGWIRTH M., MUHAR S., SCHMUTZ S., 2000: Fundamentais ol' l'ish ccological intcgrity and thcir rclation to thc cxtcndcd serial discontinuity conccpt.

Hydrobiologia 422/423, 85-97.

KRUK M., 2000: Biogcochcmical functioning of hydrologically modil'icd pcatlancls and

itś cffcct in cutrophication o f frcshwatcrs. Pol. 1. Ecol. 48, 2, l 03-161.

TOCKNER K., MJ\LARD F .. WARD J.Y., 2000: An cxtcnsion of thc flood pulsc conccpt. Hydrol. Proccss. 14, 2861-2883.

WARD J.Y., BRETSCHKO G., BRUNKE M., DANIELOPOL D., GIBERT J., GONSER T., H!LDREW A.G., 1998: Thc boundarics or rivcr systcms: thc mctazoan pcrspectivc. Frcshwatcr Biology 40, 531-569.