A turbulencia hatása a balatoni zooplankton szerkezetére és funkciójára

HU OTKA (OTKA T - 049365, 2004, befejezett projekt)
A projekt fő vezetője: 
G-Tóth László
A projektet vezető intézmény: 
MTA Balatoni Limnológiai Kutatóintézet
Rövid leírás: 

A felszíni állóvizek turbulenciáját a szél erősség, mint energia beviteli forrás, és az ennek hatására a víztestben ébredő turbulens ki netikai energia disszipálódásának rátája szabja meg.

Célok: 

A Balaton turbulenciájáról, annak általános összefüggéséről a szélsebességgel és a vízszinttel azonban csak néhány becslés állt rendelkezésre.

A több évtizedes balatoni zooplankton adatsorokkal párhuzamba állítható turbulencia adatsorok pedig egyáltalán nem léteztek.

Ezért azt a célt tűztük ki, hogy (i) meghatározzuk a turbulencia erősségét különböző időjárási körülmények és vízállások mellett a Balaton számos helyén, és ennek alapján visszamenőleg rekonstruáljuk a tó turbulenciáját a vízszint drámai csökkenésének éveire, (ii) összefüggéseket keresünk a vízszint, a turbulencia, és a zooplankton vertikális szerkezetének és mennyiségének együttes alakulásában, (iii) laboratóriumban, a Balaton turbulencia viszonyait szimulálva, bő táplálék és minimális ásványi lebegőanyag tatalom mellett, kísérletesen bizonyítjuk az erős turbulencia közvetlen        negatív hatását az egyes zooplankton csoportokra.

Munkánkkal a Balatonon kívül más sekély tavakra általánosítható következtetéseket is reméltünk.

Eredmények: 

A szélsebesség és turbulencia összefüggése a Balatonban

 

A tavi mérési adatok szerint az RMS-turbulencia a szél- és hullámzás mentes tóban1,1–1,5 cm sec-1körülivolt és1-2 m sec-1szélsebesség és enyhe hullámzás mellett 1,5 –3 cm sec-1-re emelkedett. 4 –6 m sec-1szélsebesség, és az ehhez tartozó felszíni hullámzás mellettmár 1–13 m sec-1 RMS-turbulenciákat mértünk (max. 18,87 cm sec-1). A leggyakrabban, az esetek több mint 50 százalékában, az RMS-turbulencia értéke 1 és 3,5cm sec-1közé esett. 46 százalékban a turbulencia 3,5-4 cm sec-1 felett volt, és 4 százalékban haladta meg értéke a 10 cm sec-1-t. A turbulencia intenzitását sosem a pillanatnyi, hanem leginkább a mérést megelőző 3. óra szélereje szabta meg. Vizsgálati eredményeink jól mutatták, hogy hasonló szélviszonyok mellett a sekélyebb tóterületeken (szektorokban) RMS-turbulenciaés az energia disszipációs ráta jóval nagyobb, valamint a Kolmogorov-távolság kisebb, mint a mélyebb tóterületeken. Egy adott mérési helyen az RMS-turbulencia, természetes módon a felszíntől lefelé is csökkent.  A tóban a becsült turbulens kinetikai energia disszipációs ráta a mélységtől és a szélsebességtől függően 1,64 10-7 és 8,61 10-2m2sec-3 között, a Kolmogorov-távolság 0,06 és 1,69 mm között változott. A 3,2 m sec-1 éves átlagos tó fölötti szélsebesség mellett az energia disszipációs ráta a különböző mélységű szektorokban 4,31 10-5 és 8,61 10-5m2sec-3és a Kolmogorov távolság 0,35 –0,4 mm közötti volt.

 

Zooplankton vertikális szerkezetének kapcsolata a turbulenciával

 

A nagyszámú terepi megfigyelés szerint a különböző vízrétegek zooplanktonjának fajösszetételére, és az egyes fajok vertikális dinamikájára erősen hatott a tó pillanatnyi turbulenciája. Nappal, kis RMS-turbulencia (< 3,5 -4 cm s-1) esetén a M. leuckarti, a D. polymorpha veligera lárvája, és a nauplius-ok általában a felszín közeli vízrétegben, míg a D. brachyurumés az Eudiaptomus gracilisés a Cyclopoida-k copepodid és kifejlett alakjaia mélyebb rétegekben, a fenék közelében tartózkodtak. Éjjel eme vertikális eloszlás megfordult. Ezeket a tapasztalatokat nagymértékben megerősítették a plankton tornyokban kapott egészen hasonló eredmények. A zooplankton eme struktúráját a tóban a 3.5 –4 cm sec-1–nél nagyobb turbulencia szétzilálta, a társulásokat homogenizálta, és a szervezetek napi vertikális vándorlási ritmusát elnyomta. A növekvő turbulencia esetén a Cladocera félék voltak képesek a legkevésbé, és a Cyclopoida-k a legtovább tartani vertikális pozíciójukat a vízoszlopban. A nagyszámú balatoni megfigyelés 50%-ában lépte túl a tó turbulenciája azt a határt amelynél a zooplankton, vagy egyes alcsoportjai még rétegződhettek.

 

A zooplankton sűrűségének összefüggése a vízhőmérséklettel, a Chl-a tartalommal, a vízszinttel és a turbulenciával a Balatonban

 

A 9 éves tavi adatsorok (beleértve a 2000-2003 közötti drámai vízszint csökkenés időszakának adatait is), a kanonikus korrespondencia analízise szerint a három háttérváltozó közül (vízhőmérséklet, Chl-a, vízszint /mindig vízoszlop mélységre átszámolva az adott helyen/) a vízszint volt a determináns. A vízszint ingadozása állta legerősebb kölcsönösségben a veligera-k, számos Cladocera (Daphnia cucullata, Daphnia galeata, Bosmina ncoregoni), sok Rotatoria (elsősorban a Keratella quadrata, Keratella cochlearis) és a Calanoida Eudiaptomus graciliscopepodit és felnőtt populációinak alakulásával. Alacsonyabb vízállások, illetve az ezekhez társult erősebb tavi turbulenciák periódusaiban epopulációk szignifikánsan, némelyikük 70-80% mértékben gyérültek. Azt kaptuk, hogy kb. 75 cm az a kritikus balatoni vízszint, amely alatt a fenti zooplankton csoportok populációi látványosan gyérülnek. És ez az a kritikus vízszint, amelyhez már minden tavi szektorban <10-5m2sec-3, tehát nagyon erős energia disszipációs ráta és < 0,3 mm, tehát a szervezetek méreténél már általában jóval kisebb turbulens örvényátmérő társul a mélyben. A nauplius-ok és a ragadozó Cyclopoida-k (Cyclops vicinus, Masocyclops leuckart) azonban nem mutattak ilyen érzékenységet a vízszint csökkenésével és a turbulencia növekedésével szemben. Ezért az alacsony vízállások periódusaibana zooplankton struktúrája általában a Cyclopoida-k dominanciája felé tolódott el.

 

A turbulencia generátorban kapott eredmények

 

A turbulencia generátorban kapott eredmények nagymértékben megerősítették a terepi megfigyelésekből levont következtetéseket. A kilenc, egyenként 21-24napos kísérletben a Daphnia galeata, a Daphnia cucullata, a Bosmina coregoni, a Keratella fajok populációinak sűrűsége már a második, negyedik napra szignifikánsan csökkent a turbulens kádban a kontrollhoz képest. Némelyik kísérletben a Daphnia-félék a második-negyedik napra ki is pusztultak a turbulens kádból. Továbbá, a hatodik-nyolcadik napra általában jelentős különbség alakult ki a Balaton domináns zooplankton szervezete, az Eudiaptomus graciliskezelt és kezeletlen populációinak sűrűségében is. A nauplius-ok és a Cyclopoida Copepoda-k (Cyclopsvicinus,Mesocyclops leuckarti) viszont jól tolerálták a turbulenciát, sőt „S” értékük nőtt.

Kapcsolódó publikációk: 

2009

Lajos Vörös, Andrea Mózes, Boglárka Somogyi (2009): A five-year study of autotrophic winter picoplankton in Lake Balaton, Hungary Aquatic Ecology 43 (3): 727-734. Tovább ››