Effect of Phosphorous Loadings on Macrophytes Structure and Trophic State of Dam Reservoir on a Small Lowland River (Eastern Poland)

• Autorzy: Tarkowska-Kukuryk M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ ładunków fosforu na strukturę makrofitów i status troficzny zbiornika zaporowego na małej rzece nizinnej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The main objective of the study was to evaluate if macrophytes structure and trophic status of dam reservoir Kraśnik on a small lowland river Wyżnica are determined by phosphorous loadings. Studies were conducted seasonally in May, July and October during the years 2008-2009. Samples were taken at four sites: Site 1 - inflow of the Wyżnica River to pre-dam, Site 2 − pre-dam, Site 3 − dam reservoir and Site 4 - outflow of the Wyżnica River from dam reservoir. Physical and chemical parameters (temperature, Secchi disc depth, dissolved oxygen, pH, conductivity, total suspension, chlorophyll-a, TP and P-PO4) were measured in water samples. Together with water parameters there were estimated biomass of phytoplankton and species composition and biomass of emergent, floating-leaved and submerged macrophytes. Concentrations of TP, chlorophyll-a and Secchi disc depth were used to calculate trophic state index of Carlsson for dam reservoir and its pre-dam. Based on mean water current, mean residence time of water in dam reservoir and concentrations of TP and P-PO4 loadings (g m-2) flowing into dam reservoir with the Wyżnica River were calculated. The results showed visible negative effect of phosphorous loadings on both macrophytes composition and trophic state of the reservoir. The marked changes concerned soft vegetation. High P loadings (7.74 g m-2 of TP and 6.03 g m-2 P-PO4) during the spring of 2008 caused the disappearance of characeans meadows. In 2009, the presence of rigid hornwort (Ceratophyllum demersum L.), the species typical for eutrophic lakes was noted. This unrooted submerged plant uptakes dissolved orthophosphates directly from the water column. Values of Carlsson index (51.4 ≤ TSI ≤ 68.2) indicate the eutrophic state of dam reservoir Kraśnik. During summer season in dam reservoir there were observed algal blooms (biomass of phytoplankton exceed 10 mg WW dm-3) and low water transparency (Secchi disc depth ranged from 0.4 to 0.65 m). During the two-year studies in dam reservoir Kraśnik a high reduction of P loadings, mostly dissolved orthophosphates was observed. Dependently on season, reduction of P-PO4 loadings ranged from 52% (July 2008) up to 91% (May 2009). The reduction of TP was lower and reached values from 15% (May 2008) to 48% (July 2009).

PL

Celem badań była ocena czy ładunki fosforu dopływające z wodami rzeki Wyżnicy mogą mieć istotny wpływ na strukturę makrofi tów i status trofi czny zbiornika zaporowego w Kraśniku. Badania prowadzono w trzech sezonach, maj, lipiec i październik w latach 2008-2009. Próby pobierano na czterech stanowiskach; stanowisko 1 - wpływ rzeki Wyżnicy do zbiornika wstępnego; stanowisko 2 - zbiornik wstępny; stanowisko 3 - zbiornik zaporowy; stanowisko 4 - odpływ rzeki Wyżnicy ze zbiornika zaporowego. W wodzie oznaczano parametry fi zyczne i chemiczne (temperatura, widzialność krążka Secchiego, tlen rozpuszczony, pH, przewodnictwo, zawiesina ogólna, chlorofi l-a, fosfor ogólny, fosfor fosforanowy). Ponadto analizowano biomasę fi toplanktonu oraz skład gatunkowy i biomasę makrofi tów wynurzonych, zanurzonych i o liściach pływających. Na podstawie stężenia fosforu ogólnego, chlorofi lu-a oraz widzialności krążka Secchiego obliczono wskaźnik trofi i Carlssona (TSI) dla zbiorników zaporowego i wstępnego. Na podstawie średnich przepływów, czasu retencji wody w zbiorniku oraz stężeń fosforu ogólnego i fosforanowego obliczono ładunki (g m-2), które dopływają do zbiornika z wodami rzeki Wyżnicy. Uzyskane wyniki wskazują, że ładunki fosforu dopływające do zbiornika zaporowego oddziałują negatywnie zarówno na strukturę roślinności zbiornika, jak i jego stan trofi czny. Najbardziej widoczne zmiany dotyczą składu gatunkowego roślinności miękkiej. W 2008 roku na skutek wysokich ładunków fosforu, zwłaszcza fosforanowego (6.03 g P-PO4 m-2), ze zbiornika ustąpiły ramienice. W 2009 roku odnotowano występowanie rogatka sztywnego, gatunku typowego dla wód żyznych, posiadającego zdolności wiązania fosforu fosforanowego bezpośrednio z toni wodnej. Wartości wskaźnika Carlssona (51.4 ≤ TSI ≤ 68.2), wskazują na eutrofi czny charakter wód zbiornika Kraśnik. W sezonie letnim zbiornik charakteryzuje się zakwitami glonów (biomasa fi toplanktonu przekracza wówczas 10 mg MM dm-3) oraz małą przezroczystością wody (widzialność krążka Secchiego waha się w granicach 0.4-0.65 m). W zbiorniku zaporowym Kraśnik następuje znaczna redukcja ładunków fosforu, przede wszystkim fosforanowego. W zależności od sezonu, redukcja fosforanowego wahała się w przedziale od 52% (lipiec 2008) aż do 91% (maj 2009). Redukcja ładunku fosforu ogólnego była znacznie niższa, osiągała wartości od 15% (maj 2008) do 48% (lipiec 2009).

Słowa kluczowe

EN

dam reservoir; Wyżnica river; phosphorous; eutrophication

PL

zbiornik zaporowy; rzeka Wyżnica; fosfor; eutrofizacja

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 39, no. 3
• Strony: 33--46
• Opis fizyczny: Bibliogr. 41 poz., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tarkowska-Kukuryk M.

• University of Life Science, Department of Hydrobiology Dobrzańskiego 37, 2-262 Lublin

Bibliografia

• [1] Barko, J.W., & James, W.F. (1998). Effects of submerged aquatic macrophytes on nutrient dynamics, sedimentation and resuspension. Ecological Studies, 131, 197-214.
• [2] Bernatowicz, S. (1960). Methods of plants studies in lakes. Rocznik Nauk Rolniczych, t. 77, B 1, 61-79.
• [3] BIPROMEL: Zbiornik retencyjny na rzece Wyżnicy w m-ci Suchynia gm. Kraśnik i miejscowości Kolonia Wyżnianka gm. Dzierzkowice. Projekt instrukcji gospodarowania wodą, Warszawa, 2007.
• [4] Bowes, M.J., Smith, J.T., Hilton, J., Sturt, M.M., & Armitage, P.D. (2007). Periphyton biomass response to changing phosphorus concentrations in a nutrient-impacted river: a new methodology for phosphorus target setting. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 64, 227-238.
• [5] Carlson R.E. (1977). A trophic state index for lakes. Limnology and Oceanography, 22, 361-369.
• [6] Carpenter, S.R., Kitchell, J.F., & Hodgson, J.R. (1985). Cascading trophic interactions and lake productivity. Bioscience, 35, 634-639.
• [7] Denny P. (1987). Mineral cycling by wetland plants - a review. Archiv für Hydrobiologie, 27, 1-25.
• [8] Faafeng, B.A., & Mjelde, M. (1998). Clear and turbid waters in shallow Norwegian lakes related to submerged vegetation. Ecological Studies, 131, 361-368.
• [9] Gao, J., Xiong, Z., Hang, J., Zhang, W., & Mba, F.O. (2009). Phosphorous removal from water of eutrophic Lake Donghu by fi ve submerged macrophytes. Desalination, 242, 193-204.
• [10] Golterman, H.L. (1969). Methods for chemical analysis of freshwaters. IBP Handbook No. 8., Edinburgh: Oxford, Blackwell Scientifi c Publications, 1-188.
• [11] Górniak, A. (2006). Ekosystem Zbiornika Siemianówka w latach 1994-2004 i jego rekultywacja. Białystok: Wydawnictwo Uniwersytetu w Białymstoku, 1-236.
• [12] Hardej, M., & Ozimek, T. (2002). The effect of sewage sludge flooding on growth and morphometric parameters of Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steudel. Ecological Engineering, 18, 343-350.
• [13] Jachniak E. (2011). Ładunki związków biogennych a stopień eutrofizacji zbiornika zaporowego Kozłowa Góra. Nauka Przyroda Technologie, 5, 4-55.
• [14] Jarvie, H.P., Neal, C., Williams, R.J., Neal, M., Wickham, H.D., & Hill, L.K. (2002). Phosphorous sources, speciation and dynamics in the lowland River Kennet, UK. Science of the Total Environment, 282-283, 175-203.
• [15] Jarvie, H.P., Neal, C., & Withers, P.J.A. (2006). Sewage-effluent phosphorus: a greater risk to river eutrophication than agricultural phosphorous? Science of the Total Environment, 360, 246-253.
• [16] Jensen S. (1977). An objective method for sampling the macrophyte vegetation in lakes. Vegetatio, 33, 107-118.
• [17] Kłosowski, S., & Kłosowski, G. (2001). Flora Polski. Rośliny wodne i bagienne. Warszawa: Multico Press, 1-333.
• [18] Lind O.T., & Dávalos-Lind L. (1999). Suspended clay: its role in reservoir productivity. In. Theoretical Reservoir Ecology and its Applications. (Eds.) Tundisi, J.G., Straškraba, M., International Institute of Ecology, Brazilian Academy of Sciences and Backhuys Publishers 1999, 85-97.
• [19] Lothar P. (2003). Nutrient elimination in pre-dams: results of long term studies. Hydrobiologia, 504, 289-295.
• [20] Mainstone, Ch. P., & Parr, W. (2002). Phosphorous in rivers - ecology and management. The Science of the Total Environment, 282/283, 25-47.
• [21] Melzer, A. (1999). Aquatic macrophytes as tools for lake management. Hydrobiologia, 395/396, 181-190.
• [22] Mjelde, M., & Faafeng, B. (1997). Ceratophyllum, demersum (L.) hampers phytoplankton development in some small Norwegian lakes over a wide range of phosphorous level and geographical latitude. Freshwater Biology, 37, 355-365.
• [23] Neal, C., Jarvie, H.P., Neal, M., Love, A.J., Hill, L., & Wickham, H. (2005). Water quality of treated sewage effluent in a rural area of the upper Thames Basin, southern England, and the impacts of such effluents on riverine phosphorous concentrations. Journal of Hydrology, 304, 103-117.
• [24] Obarska-Pempkowiak, H., Ozimek, & T., Haustein, E. (2002). The removal of biogenic compounds and suspended solids in a constructed wetland system. Polish Journal of Environmental Studies, 11, 261-266.
• [25] Paul, L., Schröter, K., & Labahn, J. (1998). Phosphorous elimination by longitudal subdivision of reservoirs and lakes. Water Sciences and Technology, 37, 235-243.
• [26] Paul, L. (2003). Nutrient elimination in pre-dams: results of long term studies. Hydrobiologia, 504, 289-295.
• [27] Pełechaty, M., & Pukacz, A. (2008). Klucz do oznaczania gatunków ramienic (Characeae) w rzekach i jeziorach. Warszawa: Biblioteka Monitoringu Środowiska, 1-80.
• [28] Peczuła, W., & Suchora, M. (2011). Analiza przyczyn występowania złej jakości wody w zbiorniku retencyjnym w Kraśniku w pierwszych latach jego funkcjonowania. Przegląd Naukowy – Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 54, 321-332.
• [29] PN-EN 1189: Jakość wody. Oznaczanie fosforu. Metoda spektrofotometryczna z molibdenianem amonu, 2000.
• [30] Reynolds, C.S., & Davies, P.S. (2001). Sources and bioavailability of phosphorous fractions in freshwaters: a British perspective. Biological Reviews, 76, 27-64.
• [31] Radwan, S. (2006). Zalew Zemborzycki. Struktura ekologiczna, antropogeniczne zagrożenia i ochrona. Lublin: Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Lublinie, 1-98.
• [32] Rott, E. (1981). Some results from phytoplankton counting intercalibrations. Swiss Journal of Hydrology. 43, 34-62.
• [33] Ryding, S.O., & Rast, W. (1989). The control of eutrophication of lakes and reservoirs. UNESCO, Paris, 1989.
• [34] Salvia-Castellvi, M., Dohet A, Vander-Borght P., & Hoffmann L. (2001). Control of the eutrophication of the reservoir of Esch-sur-Sûre (Luxembourg): evaluation of the phosphorus removal by pre-dams. Hydrobiologia, 459, 361-371.
• [35] Sas H. (1989). Lake restoration by reduction of nutrient loading: expectations, experiences, extrapolations. St. Augustin: Academia-Verl. Richarz, 1-497.
• [36] Scheffer M. (2001). Alternative attractors of shallow lakes. The Scientific World. 1, 254-263.
• [37] Solimini, A.G., Ruggiero, A., Bernardyni, V., & Carchini, G. (2003). Temporal pattern of macroinvertebrate diversity and production in a new man made shallow lake. Hydrobiologia, 506-509, 373-379.
• [38] Stutter, M.I., Demars, B.O.L., & Langan, S.J. (2010). River phosphorus cycling: separating biotic and abiotic uptake during short-term changes in sewage effluent loading. Water Research, 44, 4425.
• [39] Wade, P.M. (1990). The colonisation of disturbed freshwater habitats by Characeae. Folia Geobotanica Phytotaxonomica, 25, 275-278.
• [40] Van Nieuwenhuyse, E.E., & Jones, J.R. (1996). Phosphorus-chlorophyll relationship in temperate streams and its variation with stream catchment area. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 53, 99-105.
• [41] Vollenweider, R. (1976). Advances in defining critical loading levels for phosphorous in lake eutrophication. Mem. Ist. Ital. Idrobiol., 33, 53-83.