Oddělení populační ekologie

Lidé ׀ Grantové projekty ׀ Publikace

Oddělení populační ekologie se zabývá v širším slova smyslu ekologií rostlinných populací a jejich interakcemi s dalšími organismy (dalšími rostlinami jako potenciálními kompetitory, herbivory a podobně). Klíčovým přístupem je studium změn rostlinných populací v čase; k tomu používáme manipulativní i nemanipulativní přístupy. I když základní referenční úroveň je studium chování a dynamiky rostlinného individua, věnujeme se jak jemnější úrovni (úroveň modulární, ramet, růst klonálních rostlin), tak i dynamice rostlinných populací na krajinné a kontinentální úrovni.

eea-norway-grants
1. Realizace části záchranného programu pro hořec jarní (Gentiana verna subsp.verna)

2. Zhotovení záchranného programu pro druh hořeček český mnohotvarý (Gentianella praecox  subsp. bohemica)

Populační biologie kriticky ohrožených a invazních druhů středoevropské flóry

Na oddělení studujeme populační dynamiku řady druhů. Při tom klademe důraz na studium celého životního cyklu; jedině tak koncipované studium umožňuje identifikovat, které fáze životního cyklu jsou důležité, na jakých ekologických faktorech závisí a v posledku jak je možné je ovlivnit. Ke studiu používáme typicky modelování pomocí přechodových matic, které je dostatečně jednoduché jak pro sběr dat, tak poskytuje dostatečně univerzální nástroj pro vhodně cílené modelování. Tyto znalosti je pak možné uplatnit při studiu druhů, jež si z různých důvodů zaslouží pozornost. To jsou v první řadě druhy vzácné a ohrožené (Dracocephalum austriacumLigularia sibiricaAster amellusGladiolus imbricatus apalustrisThesium linophyllonMinuartia vernaLinum flavum a řada dalších), kde lze znalostí populační biologie použít k cílenému posílení populací, a kde tedy populační biologie představuje podstatné rozšíření dosavadních přístupů postavených hlavně na dlouhodobém monitorování bez dostatečných mechanistických znalostí. U vzácných druhů rovněž studujeme vztah populační dynamiky a genetické diversity populací. Dále jde o druhy invazní (Rumex alpinusPinus strobusHeracleum mantegazzianum), kde lze pomocí znalostí populační biologie navrhovat cílená opatření k omezení růstu jejich populací. V návaznosti na studium dynamiky travinných společenstev rovněž studujeme populační dynamiku (na úrovni ramet i genet) vybraných travinných druhů, zejména Festuca rubra aAnthoxanthum odoratum agg.

Biologie šíření semen

Druhou podstatnou složkou populační biologie druhu v krajině je znalost biologie šíření jejich semen, které představuje stále velkou neznámou pro studium rostlin. Na oddělení studujeme procesy související se šířením semen jak experimentálně (zejména prostřednictvím informací o terminal velocity semen a schopnosti se uchytávat na srsti teplokrevných živočichů) tak observačně pomocí semenných pastí a sledování výskytu semenáčů a mladých rostlin v závislosti na vzdálenosti od mateřské rostliny. Jako modelové druhy zde slouží druhy, u nichž sledujeme populační dynamiku a dynamiku jejich šíření v krajině. Současně se věnujeme technikám jednoduché matematické aproximace takto empiricky zjištěných křivek šíření a jejich zpětného testování. Takto získané informace pak slouží k modelování dynamiky rostlinných populací v krajině.

Dynamika rostlinných populací v krajině

S použitím aparátu populační biologie a prostorově explicitního modelování studujeme dynamiku šíření rostlin v krajině, zejména fragmentovaných kulturních krajinách. Tento přístup umožňuje v širším kontextu zhodnotit dílčí znalosti populační biologie, biologie semen a jejich šíření a znalosti struktury vegetace a krajiny včetně její vhodnosti pro jednotlivé populace. Rovněž využíváme informací v historických mapách. Tímto přístupem je proto možné testovat hypotézy o rozšíření druhu v minulosti a zkoumat, do jaké míry je dnešní rozšíření v rovnováze se stávajícím stavem krajiny, či zda druh je zatížen tím, co se někdy označuje jako extinction debt. Jako modelové druhy slouží druhy fragmentovaných stanovišť kulturní krajiny jako Succisa pratensisJasione montanaScorzonera hispanica a další, a invazní druhy jako Rumex alpinusPinus strobus a další. Jako další modelový systém pro studium šíření rostlin studujeme rozšíření a jeho dynamiku jednoletých druhů na systému lučních mravenišť (vytvořených terikolním druhem Lasius flavus), kde přežití druhu je dáno jak jeho schopností kolonizovat nově vytvořená stanoviště (a překonat při tom nevhodná místa v louce) a přežít v podmínkách disturbance stavební činnosti mravenců.

Dynamika invazní dřeviny Pinus strobus

Pinus strobus je v našich zemích pěstována již od konce 18. století. Teprve v polovině minulého století však byl zaznamenán fakt, že kromě dobrého zmlazování ve vlastních porostech se také šíří do lesů v jejich okolí. Masivní zmlazování bylo zaznamenáno v devadesátých letech minulého století, a to především ve skalních městech ČR. Zároveň bylo zjištěno, že v lesích s hojným zastoupením Pinus strobus ve stromovém patře je silně potlačováno zmlazování domácích dřevin, podrostových bylin, mechorostů a lišejníků. Protože většina skalních měst na území ČR jsou chráněná území, vznikl tak zároveň velký problém z hlediska ochrany přírody. Cílem tohoto projektu je zjištění úlohy krajinných struktur a různých disperzních parametrů pro invazně se šířící druh Pinus strobus, a to pomocí realistického prostorového modelu. Invazní šíření je modelováno v oblasti pískovcového skalního města České Švýcarsko, která má širokou škálu stanovišť s různým stupněm propojenosti a hustoty lokalit vhodných pro výskyt druhu. Navíc jsou využívána data o populační biologii druhu, o vegetaci a parametrech prostředí, údaje z lesních hospodářských knih a map a digitální mapy.

Vzácné druhy v české flóře

Cílem tohoto projektu je identifikovat pomocí metod srovnávací populační biologie (tj. fylogeneticky korektních srovnání na úrovni infragenerické) příčiny vzácnosti velké části našich kriticky ohrožených druhů. Na úrovni biologie jednotlivých druhů využívá částečně technik a znalostí získaných ve studiu populační biologie jednotlivých druhů, ale vzhledem značnému počtu druhů, které jsou vzácné aspiruje na testování a použití zjednodušujících technik pro odhad jejich dynamiky. Současně si klade za cíl identifikovat a rozlišit typy vzácnosti jednotlivých druhů. To umožňuje odpovědět na obecnější otázky co podmiňuje vzácnost druhů obecně (což je podstatné pro studium biodiverzity proto, že velká většina všech druhů je vzácných nebo relativně vzácných). Současně poskytuje možnost výstupu pro cílené ochranářské přístupy k těmto druhům.

Dendrochronologie a studium dynamiky porostů dřevin

Dendrochronologický výzkum je zaměřen na vytvoření standardní (srovnávací) chronologie pro Českou republiku pro posledních 1000 let. K těmto průzkumům je používána metoda letokruhové analýzy zejména pro duhy Abies Pinus. Jedním z cílů dendrochronologické skupiny je rekonstrukce dynamiky horských smrkových lesů v Národním parku Šumava za posledních 350 let. Při tomto studiu jsou používány dendroekologické a dendroklimatologické metody. Dalším významným uplatněním dendrochronologických metod je determinace stáří rostlin a jejich odpovědi k prostředí při studiu dynamiky porostů dřevin i při studiu dynamiky invazních dřevin. V návaznosti na to studujeme rovněž dendrochronologii některých exotických dřevin v jejich původních stanovištích (zejménaPinus canariensis) a jejich reakci na klíčové faktory prostředí na gradientu nadmořské výšky.

Standardní metody letokruhové analýzy dále používáme k identifikaci mezidruhových vztahů mezi druhy stromů, zejména k identifikaci konkurence borovice vejmutovky (Pinus strobus) a borovice lesní (Pinus sylvestris). Zde byly srovnávány letokruhové řady borovice lesní ze smíšených porostů s řadami z kontrolních čistých porostů na podobných stanovištích. Dále byla srovnávána reakce na obou druhů na klimatické faktory: z hlediska interakcí mezi oběma druhy bylo nejdůležitější zjištění, že borovice lesní stíněné vejmutovkami se ukázaly jako citlivější na klimatické poměry. V současnosti probíhá projekt srovnávající reakci na klima u obou druhů v různých oblastech České republiky.

Ekologie polyploidů

Ve spolupráci s laboratoří rostlinné cytometrie studujeme populační biologii populací s více cytotypy. To je do značné míry neprobádané teritorium, protože takovým populacím byla sice v minulosti věnována pozornost cytogenetická a fytogeografická, ale skoro úplně scházejí poznatky o jejich možné rozrůzněnosti z hlediska růstových parametrů, demografie v terénu i interakcích s herbivory nebo mykorhitickými houbami. Modelovým druhem je zde zejména Aster amellus, který se v České republice vyskytuje ve dvou ekologicky částečně rozrůzněných a lokálně vikarizujících cytotypech.

Interakce rostlinných populací s dalšími organismy

Zde se pozornost soustředí zejména na různé typy herbivorie a mykorhitických interakcí (zde ve spolupráci s oddělením mykorhiz). Další otázkou, kterou si klademe v populačně biologickém kontextu je to, zda jsou zavlečené druhy v novém areálu zvýhodněny díky absenci nepřátel. Jednou z hypotéz vysvětlující úspěšnost zavlečených druhů je absence nepřátel v novém areálu (Enemy Release HypothesisERH). Tím mohou být nepůvodní druhy oproti domácím zvýhodněny v kompetici o zdroje. K tomu používáme terénní srovnání s domácími příbuznými druhy. Cílem projektu je zjistit dopad 4 typů škůdců na nepůvodní druhy a jejich domácí příbuzné s podobnými stanovištními nároky. Projekt chce také zjistit, zda se dopad škůdců na cizí druhy liší v závislosti na presenci/absenci těchto domácích příbuzných.

Dynamika travinných společenstev

Travinná společenstva představují jeden z klasických modelů studia koexistence rostlinných druhů a jejich dynamiky. Oddělení populační biologie studuje mechanismy druhové koexistence (různé nároky jednotlivých rostlinných druhů na kvalitu prostředí, kompetice o zdroje, růstové formy rostlin, vnitrodruhová variabilita). Studium probíhá ve vybraných modelových územích, zejména v Krkonoších. Velká část výzkumu se soustředí na prostoročasovou dynamiku na malé škále (na úrovni jednotlivých ramet). Zde máme k disposici více než dvacetiletou časovou řadu, která umožňuje studium rozdílů ve způsobu růstu u hlavních dominantních druhů, kterými jsou Deschampsia flexuosaFestuca rubra,Nardus stricta Anthoxanthum alpinum. Rovněž sledujeme meziroční variabilitu v interakcích. Sérií manipulativních pokusů (manipulace density, zejména typu „removal“ a typu „implant“) sledujeme interakce mezi jednotlivými druhy, zejména roli druhově specifických interakcí mezi druhy. Manipulativní pokusy rovněž používáme k identifikaci a testování funkčních podskupin („guilds“, skupin podobně reagujících druhů) v rámci studovaných společenstev. K interpretaci dat používáme prostorově explicitních modelů vyvinutých pro tento účel a kalibrovaných pomocí dat o populační biologii dominantních druhů a znalosti dlouhodobé prostoročasové dynamiky společenstev.

Struktura a dynamika podzemních částí rostlin (kořenů a oddenků)

V v souvislosti se studiem dynamiky travinných společenstev rovněž studujeme procesy v podzemní části porostů. Jde o prostorové rozložení kořenů dominantních druhů i rozložení oddenků a jeho vliv na nadzemní uspořádání vegetace. Rovněž používáme studium pomocí příjmu markerových prvků a dynamiky podzemní struktury používající propojení mezi dlouhodobými časovými řadami záznamu nadzemní vegetace a podzemními orgány. K tomu lze rovněž s výhodou použít prostorově explicitních modelů. Srovnání heterogenity porostu nad a pod zemí ukázalo zásadní rozdíly jak ve vzdálenosti, přes niž jsou jedinci spolu schopni interagovat, tak i v zrnu heterogenity samotné. Interakce nad zemí jsou podstatně víc prostorově omezeny než interakce pod zemí; heterogenita zdrojů pod zemí je hrubšího zrna než heterogenita nadzemního zdroje (světla).

Prostorově explicitní modely klonálních rostlin jako nástroj pro řešení obecných otázek struktury rostlinných společenstev

Prostorově explicitní modely se ukázaly být užitečným nástrojem pro studium dlouhodobé dynamiky různých typů luk a trávníků. Několik takových modelů pro druhy s kontrastní morfologií a způsobem růstu bylo vyvinuto na našem pracovišti. Používáme je jednak (po patřičné kalibraci a testování) k interpretaci dat sebraných v rámci studia travinných společenstev, jednak k řešení obecnějších otázek týkajících se dynamiky klonálních rostlin a jejich společenstev. Používáme je k testování role některých ekofyziologických procesů u rostlin. Sem patří např. přenos (translokace) zdrojů mezi rametami, ale zejména studium role nedávno zjištěné schopnosti ramet rozpoznat ramety patřící ke stejnému fysiologickému jedinci od ramet jiných fysiologických jedinců. Rovněž studujeme roli jednotlivých parametrů růstu rostlin („traits“, jako je produktivita, rychlost růstu, parametry větvení) na strukturu výsledných rostlinných společenstev.

Ochrana a management druhově bohatých travinných porostů

Studie mimo jiné zahrnují sledování dlouhodobých změn ve složení společenstev po ukončení tradičního obhospodařování s cílem nalézt optimální management vedoucí k zachování druhové diverzity těchto společenstev. Na základě těchto a dalších poznatků je možno definovat mnohé faktory, na kterých závisí budoucí vývoj luk po přerušení tradičního obhospodařování. Tradiční obhospodařování většinou není z mnoha důvodů možné ve větší míře udržet nebo obnovit. Proto jsou na několika vybraných lokalitách testovány alternativní způsoby obhospodařování opuštěných luk, jako je pastva ovcí nebo mulčování v kombinaci s tradičním sekáním. Výsledky ukazují, že ani návrat původního způsobu obhospodařování ani zavedení alternativních technik nevede k dokonalé obnově původních porostů. Vede však k postupnému nárůstu druhové diverzity a vzniku porostů připomínající původní porosty před tím, než došlo k jejich degradaci. Zavedení téhož systému obhospodařování na různých, byť velmi podobných, lokalitách vede mnohdy k vývoji značně rozdílných společenstev. Neexistuje tudíž univerzální recept pro obnovu opuštěných luk. Ve světle těchto zjištění je třeba věnovat zvýšenou pozornost ochraně dosud neporušených nebo málo porušených porostů.

Význam genetické diverzity pro produktivitu a stabilitu porostu

Protože se v poslední době ukazuje, že nejen druhová diverzita, ale i vnitrodruhová genetická diverzita má velký význam pro fungování společenstev, zaměřujeme se v tomto bádání na studium významu genetické diversity a prostorového uspořádání genet na strukturu společenstava a jeho stabilitu (modelovým druhem je Festuca rubra). Zajímá nás, jaký je efekt genetické diverzity na produktivitu, stabilitu a odolnost vůči invazi, zda je výsledné uspořádání společenstva odrazem komplementarity nebo tzv. “sampling” efektu a jaký je vliv prostorového uspořádání genet na výsledné parametry společenstva. Abychom mohli říci, zda výsledná podoba společenstva je odrazem komplementarity nebo “sampling” efektu, je nezbytné pro identifikaci jedinců ve společentvech využívat genetické metody. V tomto směru spolupracuje s Oddělením genetické ekologie.

Významné projekty se zahraniční účastí

Realizace části záchranného programu pro hořec jarní (Gentiana verna subsp.verna)
Projekt je financován Finančním mechanismem EHP/Norska.

Gentiana verna ssp. verna je kriticky ohrožený druh květeny ČR. V současnosti se u nás vyskytuje v nížinné formě na jediné lokalitě v NPP Rovná na Strakonicku a v horské formě na dvou lokalitách v CHKO Jeseníky. Projekt je zaměřen na realizaci části záchranného programu pro tento druh, konkrétně monitoring populace v NPP Rovná, vytipování lokality vhodných pro reintrodukci druhu v Jižních Čechách a odhad minimální velikosti populace schopné samostatné existence.

Zhotovení záchranného programu pro druh hořeček český mnohotvarý (Gentianella praecox subsp. bohemica)Projekt je financován Finančním mechanismem EHP/Norska

Ještě na počátku 20. století se hořeček mnohotvarý český (Gentianella praecox subsp.bohemica) vyskytoval poměrně hojně v celé České republice, kromě západních a severozápadních Čech a jihovýchodní a východní Moravy. V důsledku změn v hospodaření na jeho stanovištích – upuštění od pastvy a pravidelné seče, rozorání luk a pastvin, eutrofizace vhodných stanovišť, zarůstání křovinami apod., došlo k jeho postupnému vymizení z přírody a jeho výskyt v ČR se dnes omezuje na pouhých 65 lokalit, z nichž většina se nachází na Šumavě a v Šumavskonovohradském podhůří. Cílem projektu je zhotovit záchranný plán pro tento druh.