Fragmentace a konektivita biotopů

Řešitelský tým:

Koordinátor aktivity:



Řešitelé:
Petra Šímová, Tomáš Klouček, Adam Chrumko, Ondřej Lagner, Jiří Prošek, Petr Klápště, Jaroslav Nauč, Šárka Krčílková

 

Vyhodnocení fragmentace a konektivity biotopů v ČR z pohledu druhů s různou schopností šíření (AKTIVITA 2)
Cílem AKTIVITY 2 je připravit mapové a další podklady analyzující reálnou fragmentaci a konektivitu ekosystémů v ČR z pohledu druhů s různou schopností šíření. Dalším cílem je vyhodnotit časové trendy vývoje konektivity, obojí v detailním i generalizovaném měřítku. Rámcové vyhodnocení poskytne podklady pro strategické rozhodování v měřítku republiky. Detailní studie pak poskytnou informace pro cílenou ochranu druhů a management biotopů na lokální a regionální úrovni.

 

Stav řešení:
Fragmentace ekosystémů úzce souvisí se ztrátou konektivity krajiny (biotopů). Konektivita udává míru, ve které krajina umožňuje přesun druhů (jedinců, genů) mezi zdrojovými plochami. Funkční konektivita krajiny explicitně uvažuje různé chování organismu v různých elementech krajiny (Tischendorf a Fahrig, 2000) a určuje, jaká část krajiny je dostupná pro určitý druh organismu z daného místa v krajině (Saura et al., 2011). Dopady fragmentace ekosystémů a biotopů a ztráta jejich konektivity jsou tedy druhově specifické. Nedostatek krajinné konektivity a následná izolace biotopů může negativně ovlivňovat rozptyl semen, genový tok, migraci zvířat a další ekologické procesy (Saura et al., 2011). Obecně jsou fragmentací více ohroženy druhy s omezenou schopností šíření a druhy s úzkou ekologickou valencí.

Cílem této části projektu bylo (i) připravit mapové a další podklady analyzující fragmentaci a konektivitu ekosystémů v ČR z pohledu druhů s různou schopností šíření a (ii) vyhodnotit časové trendy vývoje fragmentace a konektivity. Aktivity vedoucí k naplnění těchto cílů se zaměřovaly na měřítko celé ČR i na možnosti detailního zkoumání. 

 

Výsledek: Nástroj pro automatizaci výpočtu konektivity

Indexy pro druhově specifickou kvantifikaci konektivity určitého typu prostředí založené na teorii grafů je možné vypočítat pomocí volně dostupného programu Conefor. Limitujícím faktorem nicméně je, že Conefor umožňuje výpočet pouze pro jednu lokalitu. Pokud tedy chceme vyjádřit konektivitu prostorově tak, že celé řešené území rozdělíme na desítky či stovky mapovacích jednotek (v projektu mapovací kvadráty a okresy celé České republiky), stojíme před úkolem, který je bez vhodné automatizace výpočtu časově náročný. Vhodná automatizace tohoto výpočtu je jedním z výsledků projektu.  Proces usnadňuje náš specializovaný ArcGIS Toolbox. Nástroj je naprogramován v jazyce Python a je spustitelný v software ArcGIS 10, se kterým běžně komunikuje i Conefor.

 

Výsledek: Mapový portál

Pro účely zpřístupnění územních a časových změn konektivity biotopů dalším badatelům a orgánům činným v rozhodovacím procesu v ochraně přírody a krajiny byl v rámci projektu vytvořen web mapový portál www.fzp.czu.cz/mapyfragmentace, zprostředkující získané výsledky modelování konektivity biotopů (hlavních typů krajinného pokryvu) v měřítku ČR. Mapový portál je dalším významným výsledkem projektu. Obsahově je portál dělen na dvě části, z nichž hlavní pojednává Conefor metriky, tedy vyjadřuje konektivitu zahrnující schopnost šíření druhu v podobě definované disperzní vzdálenosti. Druhá část pak zprostředkovává mapy základních metrik fragmentace a heterogenity, jako je například hustota okrajů, velikost plošek či indexy dle Shannona a Simpsona. Podkladem pro všechny výpočty byla data CORINE Land Cover z let 1990, 2000, 2006 a 2012. Konektivita a fragmentace je vyjádřena na úrovni okresů České republiky a na úrovni kvadrátů, které jsou používány v atlasech rozšíření druhů. Jednotlivé mapy zobrazují jak hodnoty metrik pro uvedená období, tak procentuální vyjádření změny mezi roky 1990 a 2012. Podrobnější zkoumání změn pak umožňují intuitivní nástroje pro překrývání jednotlivých vrstev.

Metriky Conefor zahrnující schopnost šíření druhu (distribuční vzdálenost) jsou vypočítány jednotlivě pro osm hlavních typů prostředí založených na kategoriích CORINE a pro každý typ prostředí je vytvořena samostatná mapová aplikace. Všechny jednotlivé aplikace mají identickou strukturu a ovládání, což umožňuje uživateli snadnou orientaci a využití dat portálu bez hlubší znalosti GIS. V principu postačují znalosti běžných mapových aplikací typu Google Maps. Vzhledem k velkému množství vytvořených map konektivity (20 disperzních vzdáleností x 8 typů biotopů x 2 prostorové jednotky x 2 indexy x 4 časové horizonty = 2560 map) jsou pro každou kombinaci biotopu, indexu, prostorové jednotky a časového období v aplikaci zahrnuty mapy pro distribuční vzdálenost 500 metrů a pro určenou vzdálenost „zlomovou“. Tato hodnota disperzní vzdálenosti říká, že pro druhy s větší schopností šíření již by rozdíly v konektivitě zobrazené v mapách nebyly významně odlišné (signifikantně odlišné ve statistickém slova smyslu). Konkrétní hodnoty těchto "zlomových" disperzních vzdáleností pro daný typ biotopu, index a prostorovou jednotku lze vyčíst přímo z názvů jednotlivých vrstev konektivity. Pohybují se v rozmezí 2500 a 7000 metrů.

 

Výsledek: Prostorově detailní identifikace biotopů ve fragmentované krajině – analýza družicových snímků velmi vysokého rozlišení

Jedním z problémů nastávajících při výzkumu biotopových nároků druhů je využití dostatečně kvalitních environmentálních dat pro výpočet prediktorů použitelných v species-habitat a species distribution modelech (SDM). Poznatky získané pomocí těchto modelů mohou být cenným podkladem pro podporu rozhodování a směřování managementových opatření ve fragmentované krajině. Vždy však musí být uvažována míra detailu zachytitelná při mapování environmentálních charakteristik. Obecně pro SDM platí, že míra prostorového detailu (ve smyslu ang. resolution) dat o prostředí musí odpovídat polohové přesnosti druhových dat. Ke zkoumání detailních vztahů ve fragmentované krajině jsou používána druhová data s poměrně přesnou lokalizací (např. pomocí turistického GNSS přijímače s prostorovou chybou do 5 - 10 metrů). Jedinou plošně existující prostorově adekvátní datovou sadou o biotopech České republiky je Vrstva mapování biotopů (VMB) vytvářená v rámci soustavy NATURA2000. Její využitelnost pro výzkumy vazby živočišných druhů na složky fragmentované krajiny je nicméně limitována jednak rozlišovanými třídami, které primárně nemusí odrážet parametry vztahu živočicha k prostředí, jednak vzhledem k náročnosti celoplošného pozemního mapování zpravidla neodpovídá doba pořízení biotopových dat době pořízení druhových dat. Problematické je též častější opakování za účelem zachycení průběhu sezóny, zachycení vývoje sukcesních ploch apod.   

Z těchto důvodů byla v rámci projektu testována možnost využití družicových dat velmi vysokého rozlišení (VHR) pro mapování biotopů v krajině, kde jsou jednotlivé typy biotopů (z hlediska terminologie dálkového průzkumu Země jednotlivé klasifikované třídy) roztroušeny v malých fragmentovaných ploškách a prostředí tak tvoří prostorově jemnozrnnou mozaiku. Na základě analýzy pro dvě různým způsobem antropogenně ovlivněné oblasti s jemnozrnným mozaikovitým uspořádáním biotopů (krajina Doupovských hor ovlivněná dlouhodobou vojenskou činností a post-imisní krajina náhorních částí Krušných hor) jsme v rámci projektu ověřili, že klasifikací VHR snímků lze dosáhnout tematických map biotopů se standardní přesností klasifikace i pro takovéto typy krajin. V běžné krajině ČR lze očekávat podobné nebo lepší výsledky.  Vhodným produktem pro hodnocení fragmentovaných biotopů byly shledány snímky družice WorldView-2, která poskytuje a na zakázku pořizuje od roku 2009 snímky s prostorovým rozlišením 1,84 m a 8 spektrálními kanály. Vytvořený metodický rámec pro klasifikaci těchto dat považujeme za jeden z  výsledků projektu.

 

Výsledek: Trendy změn fragmentace a konektivity v generalizovaném pohledu

Mapy konektivity vytvořené v první části projektu pro mapový portál odpovídají možnostem šíření druhů, které nejsou v pohybu krajinou výrazně limitovány liniovými stavbami. Jinými slovy, analýzy a výsledné mapy změn konektivity ukazují změny, které nejsou přímo způsobeny liniovými stavbami, popř. dalšími pozemními překážkami. Na základě výsledků projektu je tedy třeba zdůraznit, že i bez tohoto ovlivnění konektivita některých biotopů klesá. Ztrátou konektivity jsou ohroženy některé nelesní typy biotopů.  Managementová opatření ke zmírnění následků fragmentace krajiny by měla být v tomto měřítku směřována především ke zvýšení konektivity křovinatých biotopů, přírodě blízkých luk a zemědělských oblastí s přírodě blízkými prvky. Pro všechny hodnocené typy biotopů dále platí, že aktivity by měly být územně orientovány do míst uvedených v závěrečné zprávě k projektu a dalších, odvoditelných na základě mapového portálu pro podporu rozhodování www.fzp.czu.cz/mapyfragmentace. Uvedená doporučení lze vztáhnout na živočichy napříč různými schopnostmi šíření, danými disperzními vzdálenostmi v řádu stovek metrů či několika kilometrů.

 

Výsledek: Trendy změn fragmentace a heterogenity v prostorovém detailu

Analýza časových trendů v detailním prostorovém měřítku byla zaměřena na změny ve struktuře zemědělské krajiny od 50. let minulého století po současnost se zaměřením na potenciální přelom ve vývoji krajinných struktur a zastoupení fragmentů přírodě blízkých prvků v zemědělské krajině pro změně socioekonomického systému v České republice po roce 1989. Vstupem do analýzy byly podrobné tematické vrstvy biotopů pro 357 vzorkových lokalit ve tvaru čtverce o velikosti 1 x 1 km. Lokality jsou náhodně rozmístěny v krajině se zemědělskou matrix. Pro všechny lokality byly vytvořeny podrobné tematické vrstvy biotopů na základě vektorizace a vizuální interpretace leteckých snímků. Vrstvy pokrývají tři časové horizonty: 50. léta minulého století zachycující jemnozrnnou strukturu zemědělské krajiny před kolektivizací, přelom 80. a 90. let minulého století zachycující stav zemědělské krajiny v období blízkém roku 1989, a rok 2013 představující současný stav. Snímky byly vektorizovány v měřítku 1:1500 postupem minimalizujícím vznik falešných změn, tedy vektorizací současného stavu dle současných podrobných barevných snímků a následnou úpravou vrstev dle historických snímků.

V detailním měřítku hodnocení trendů konektivity a fragmentace v zemědělské krajině lze říci, že problém fragmentace biotopů typu bylinných plošek či pásů, remízků, stromořadí a podobně v zemědělské krajině nespočívá v jejich plošném úbytku či v jejich zvyšující se fragmentaci na plošky nedostatečné rozlohy. Problém spočívá ve fragmentaci takovýchto biotopů rozsáhlými plochami orné půdy. Managementovou prioritou by tedy mělo být nikoliv prosté zvyšování ploch takovýchto stabilizačních prvků v zemědělské krajině, ale jejich cílené umisťování v rámci velkých bloků orné půdy a tím zvýšení konektivity těchto prvků a tedy zvýšení prostupnosti zemědělské krajiny pro řadu druhů, zejména druhů s malými disperzními vzdálenostmi. Tato zjištění jsou principiálně v souladu s výstupy Aktivity 1 tohoto projektu a předpokládaným významným systémovým nástrojem pro realizaci zlepšujících opatření jsou pozemkové úpravy.

 

Shrnutí přínosů Aktivity 2 projektu

Tato část projektu přinesla řadu výzkumných a praktických výsledků. Kromě návrhu managementových priorit v globálním pohledu na Českou republiku a v detailním prostorovém měřítku zaměřeném na drobné stabilizující prvky v zemědělské krajině je celkovým přínosem této části projektu metodologický rámec hodnocení fragmentace a konektivity s využitím nástrojů GIS a dálkového průzkumu Země. Část činností pro další rozvoj poznání na poli fragmentace biotopů a možností zmírňování jejích důsledků může být díky projektu následována a rozšiřována specialisty na GIS a dálkový průzkum Země. Těm výstupy projektu poskytují doporučení pro tvorbu digitálních tematických map biotopů na základě družicových snímků velmi vysokého rozlišení a softwarový nástroj pro výpočet grafově orientovaných metrik konektivity na základě libovolné tematické mapy biotopů, pro libovolné území a pro jakékoliv mapovací jednotky. Odborníkům činným v rozhodovacím procesu v krajinném managementu a v ochraně přírody a krajiny, ale i široké odborné a laické veřejnosti, je pak určen volně dostupný web mapový portál www.fzp.czu.cz/mapyfragmentace.  Tato část projektu měla v neposlední řadě také významný pedagogický přínos. Dva ze studentských členů týmu přispěli k celkovému řešení svými diplomovými pracemi (Adam Chrumko, Jaroslav Nauč, vedoucí prací Petra Šímová). Jedna z prací byla oceněna cenou rektora ČZU v Praze a jedna cenou Ministra životního prostředí ČR.

 

Fotogalerie