Zróżnicowanie nisz ekologicznych i wzorce rozmieszczenia inwazyjnych gatunków makrofitów jako klucz do ich zwalczania

Abstract

Do niedawna rozprzestrzenianie się obcych gatunków roślin wodnych w Europie było nierównomierne - większość inwazji miała miejsce w Europie Zachodniej i Południowej, podczas gdy kraje Europy Środkowej i Wschodniej, takie jak Polska, były stosunkowo mało narażone na ich presję. Należy podkreślić, że wiedza na temat rozmieszczenia, podstawowych uwarunkowań środowiskowych i behawioru wielu gatunków obcych w kraju pozostaje na niewystarczającym poziomie. Stąd zrozumienie biologii i ekologii obcych gatunków roślin wodnych jest kluczowe dla poznania podstawowych mechanizmów stojących za ich inwazyjnością. Celem niniejszej pracy doktorskiej była: (1) ocena składu gatunkowego obcych gatunków roślin wodnych, wzorców rozmieszczenia, zasobów i ich dynamiki z różnych typów ekosystemów wodnych; (2) wyznaczenie gradientów środowiskowych, względem których rozmieszczone są obce gatunki roślin wodnych w różnych typach ekosystemów wodnych; (3) przedstawienie najważniejszych parametrów abiotycznych (parametry klimatyczne, fizyczno-chemiczne wód) wyjaśniających zróżnicowanie występowania obcych gatunków roślin wodnych i zmian czasowych ich siedlisk; (4) wyznaczenie modeli nisz siedliskowych poszczególnych gatunków obcych gatunków roślin wodnych. Przeprowadzone badania wykazały obecność 15 gatunków roślin obcych obecnych na ponad 300 stanowiskach rozprzestrzenionych na terenie tego kraju, a także ujawniły wzorce ich rozmieszczenia w różnych typach środowisk wodnych, uwzględniając uwarunkowania klimatyczne i środowiskowe. Ponadto, stworzone modele nisz wykazały kluczową rolę rosnących zimowych temperatur na rozprzestrzenianie się większości z analizowanych gatunków. W celu określenia reakcji wzrostu czterech gatunków (Cabomba caroliniana, Elodea nuttallii, Azolla filiculoides i Vallisneria spiralis) na czynniki temperaturowe i świetlne przeprowadzono szereg eksperymentów laboratoryjnych i terenowych. Na tej podstawie następnie wyciągnięto wnioski na temat nie tylko uwarunkowań środowiskowych i realizowanych nisz przez badane gatunki inwazyjne, ale również oceniono wpływ wynikających ze zmian klimatycznych rosnących temperatur na dalsze losy ich inwazji. Co więcej, badane gatunki wykazały się wysoką tolerancją na zacienienie i szybkim wzrost w wodzie o podwyższonej temperaturze, co zapewne przekłada się na ich wysoką konkurencyjność. Poznanie biologii inwazyjnych gatunków obcych pozwoliło zaplanować i przetestować metody zwalczania i kontroli, z możliwością zastosowania w warunkach wód Europy środkowej. W tym celu przeprowadzono zarówno badania terenowe, hodowlane jak i przetestowano efektywność łącznie pięciu różnych metod kontroli. Testowane metody kontroli wykazały, że chociaż tego typu zabiegi wymagają dużej precyzji w wykonaniu, to ograniczanie rozwoju populacji obcych roślin wodnych jest możliwe. Dodatkowym efektem niniejszej pracy było stworzenie unikalnej i stale rozwijanej, bazy danych monitorującej historię rozprzestrzeniania się obcych gatunków roślin wodnych na terenie Polski.

Until recently, the spread of non-native aquatic plant species in Europe was uneven—most invasions occurred in Western and Southern Europe, while Central and Eastern European countries, such as Poland, were relatively less exposed to their pressure. It is important to emphasize that knowledge about the distribution, environmental conditions, and behavior of many non-native species in Poland remains insufficient. Therefore, understanding the biology and ecology of non-native aquatic plant species is crucial for uncovering the fundamental mechanisms behind their invasiveness. The objectives of this doctoral thesis were: (1) to assess the species composition, distribution patterns, abundance, and dynamics of non-native aquatic plants across different types of aquatic ecosystems; (2) to identify environmental gradients along which non-native aquatic plants are distributed in various types of aquatic ecosystems; (3) to present the key abiotic parameters (climatic and physicochemical water parameters) that explain the variability in the occurrence of non-native aquatic plants and the temporal changes in their habitats; and (4) to determine habitat niche models for individual non-native aquatic plant species. The research identified the presence of 15 non-native plant species across more than 300 locations throughout the country and revealed their distribution patterns in different aquatic environments, considering climatic and environmental factors. Additionally, the developed niche models demonstrated the critical role of increasing winter temperatures in the spread of most of the analyzed species. To evaluate the growth response of four species (Cabomba caroliniana, Elodea nuttallii, Azolla filiculoides, and Vallisneria spiralis) to different temperature and light conditions, a series of laboratory and field experiments were conducted. Based on these experiments, conclusions were drawn not only about the environmental preferences and realized niches of the studied invasive species but also about the impact of rising temperatures due to climate change on their future invasions. The studied species exhibited high tolerance to shading and rapid growth in water with elevated temperatures. Understanding the biology of invasive non-native species was then the basis for planning and testing control methods with potential applicability in the conditions of Central European waters. For this purpose, both field and cultivation studies were conducted, testing the effectiveness of five different control methods. The tested methods showed that, although such methods require great precision, limiting the growth of non-native aquatic plant populations is possible. An additional outcome of this work was the creation of a unique and continuously expanded database that monitors the history of the spread of non-native aquatic plant species in Poland.