Idősoros és periodicitás vizsgálatok

A felszíni víztestek vízminőségi idősorai gyakran periodikusak, mivel a fluktuációt jelentősen befolyásoló tényezők (hőmérséklet, csapadék, párolgás) az évszakosság következtében szintén éves periodicitást mutatnak (Tanos et al., 2015). Az éves periódus kimaradása azonban több okból is bekövetkezhet. Aszályos, illetve extrém magas csapadékú években a periodicitás gyakran felborul, de akár antropogén hatások következtében is hiányozhat az idősorokból a periodikus komponens (Kovács et al., 2004, 2010, 2017; Fehér et al., 2016; Hatvani et al., 2017). A periodikus jellegzetességek megismerése mindazonáltal segítheti a vízminőségi állapot előrejelzését. A periodicitásvizsgálatnak egyik hatékony eszköze a Waveletspektrum-becslés (Kovács, 2007; Kovács et al., 2004, 2010; Labat et al., 2001; Lafreniére és Sharp, 2003, Tauber et al., 2011; Yanyou et al., 2006; Zhang et al., 2008).

A folyóhálózatok dinamikusan változó fizikai gradienseket biztosítanak a különböző biótáknak, beleértve a fitoplanktont is (Kingsford, 2000). A folyó jellemzői a forrásától nagymértékben változhatnak, egészen a nagyon árnyékolt szakaszoktól (pl.

erdők által övezett szakaszok) a mély csatornákkal jellemezhető autotróf alföldi folyókig, ahol is a turbiditás gyakran jelentősen korlátozza a fény hozzáférhetőségét (Dokulil, 2006; Istvánovics és Honti, 2012). A legnagyobb autotróf produktivitást a közepes és nagyméretű folyókban és a nagy ártéri folyókban tapasztalhatjuk (Istvánovics et al., 2014). A VKI (2000/60/EC) a természetes víztestek jó ökológiai státuszának visszaállítására, illetve fenntartására kötelezi a tagországokat. Az egyik legfontosabb kérdéskör a folyók vízminőségében az eutrofizációé (Neal et al., 2008), ami indokolja a fitoplankton vizsgálatát a nagy folyókban, mely egyre fontosabbá váló feladat többek között az EU-n belül is (Hering et al., 2010; Reyjol et al., 2014). Ahogy alsóbbszakasz-jelleget vesz fel a folyó (lassul az áramlási sebesség, megnő atartózkodási idő, a turbiditás csökken és megnő az átlátszóság stb.), sokkal könnyebben válik plankton által dominálttá a vízminőség (Moss és Balls, 1989; Várbíró et al., 2007). Ez megjelenik a planktonikus klorofill folyamatos növekedésében is, ahogy a felsőbb szakasz felől haladunk a folyóban a középső, majd az alsó szakasz felé. Annak ellenére, hogy a klorofill-a meghatározása sem nem bonyolult, sem nem költséges, hosszú távú adatok jellemzően csak az 1990-es évektől állnak rendelkezésre Kelet-Európában. Ennek oka, hogy a klorofill-a vizsgálatát ekkor vonták be először a nemzeti vízminőségi hálózatok sztenderd vizsgálandó paraméterei körébe.

A fitoplanktonnak életbevágó szerepe van a fluviális ökoszisztémákban, leginkább a változó klimatikus és környezeti hatások által terhelt folyókban (Villegas és de Giner, 1973). A fitoplankton-taxonok, többek között a rövid életciklusuk miatt, nagyon jó vízminőségi indikátorok (Wu et al., 2014, 2012). Ezen szempontokat figyelembe véve, az alga biomassza becslése, előrejelzése alapvetően fontos a különböző folyórendszerek kezelése szempontjából (Jeong et al., 2008; Read et al., 2014). A fitoplankton dinamikáját leíró modellek létrehozásának már van kialakult gyakorlata, amelyekkel megbecsülhetjük a valós környezeti jelenségek által befolyásolt fitoplankton mennyiséget az adott folyóban (Elliott et al., 2010). Ezeket sikeresen alkalmazták számos folyó, (Jeong et al., 2001; Wu et al., 2014) és tó, így például a Taihu-tó esetében (Kína; Huang et al., 2014, 2012).

A konvencionális determinisztikus modellek alapeleme a fitoplankton növekedését leíró kinetikai egyenlet (Jørgensen, 1976).

𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑𝑑

𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝐺𝐺𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 ∙ 𝑓𝑓(𝑇𝑇,𝐼𝐼, … )∙ 𝐹𝐹𝐹𝐹 (1)

ahol a fitoplankton biomassza (Fp), a hőmérséklet (T), a fényintenzitás (I) és a rendelkezésre álló tápanyagok függvényében változik. Így a fenti egyenlet magában hordozza a tápanyagok esetében a periodikus tulajdonságokat, azonban számos vízminőségi változó periodikus viselkedésének szerepét (például anionok és kationok) nem hasznosítja, mint egy lehetséges háttértényezőt. Annak ellenére nem veszik figyelembe a legtöbb általános vízkémiai változó esetleges hajtószerepét, hogy Reynolds már 1984-ben kiemelte, hogy a fitoplankton periodikus életciklusa milyen fontos szereppel bír a populációdinamika irányításában és a társulás-struktúrák kialakulásában.

Az éves periodicitás hiánya vagy megléte, közel sem annyira egyértelmű, mint azt először gondolnánk. A komplex, egymást erősítő és gyengítő, illetve az egymást kiegészítő vagy felülíró folyamatok természete, legyen szó antropogén vagy természetes folyamatról, megbonthatja a különböző vízrendszerek természetes periodikus viselkedését (Kovács et al., 2010; Fehér et al., 2016; Garamhegyi et al., 2017) A fő vízminőségi változók periodikus viselkedése tehát jelentősen meghatározza azt, hogy természetes fitoplankton-növekmény van-e vagy sem az adott víztest esetében. Mint az elsődleges termelők, a planktonikus algák a vízi környezetben jelentősen meghatározzák és alakítják a vízi ökoszisztémák összetételét, például azáltal, hogy a növényevők számára táplálékul szolgálnak (Wehr és Descy, 1998). Ezenfelül a folyórendszerekben a fitoplankton periodikus viselkedésének megváltozása olyan láncreakciót indíthat el a táplálékláncban, amely a folyóvízi ökoszisztémákban jelentős változást indukálhat (Daily, 1997). Mindezekből az következik, hogy egyértelműen szükséges, hogy jobban megértsük a fitoplankton dinamikáját befolyásoló hajtótényezőket a folyókban.

A mérsékelt égövi folyórendszerek természetes tulajdonsága az, hogy éves periodicitást mutatnak (Tanos et al., 2015). Ez az éves periodicitás a vízminőségi változók periodikus viselkedésében nyilvánul meg, és bizonyíthatóan jelentős hatással bír a természetes fitoplankton-dinamika alakításában is. Ezt tehát követni tudjuk a fitoplankton dinamikájának elsődleges proxija, a víz klorofill-a tartalmának vizsgálatával (Borics et al., 2007). Annak ellenére, hogy korábban számtalan empirikus modellt dolgoztak ki azzal a céllal, hogy meghatározzák a makrotápanyagok – főként összes foszfor és összes

nitrogén – és a fitoplankton klorofill-a kapcsolatát, ezek a modellek főként tavakra fókuszáltak (Phillips et al., 2008; Poikane et al., 2011).

Tehát amennyiben az általános vízminőségi paraméterek periodikus viselkedését össze tudjuk kapcsolni a klorofill-a varianciájának változásával, más szavakkal, be tudjuk azt bizonyítani, hogy az általános vízkémiai paraméterek periodikus viselkedése szignifikánsan befolyásolja a folyóban a klorofill-a-varianciát és tartalmat, akkor ezáltal létrehozható egy új módszer a klorofill-a-tartalom becslésére.