Zapis zmian klimatycznych oraz zaburzeń w szerokościach przyrostów rocznych modrzewia (Larix decidua Mill.) i limby (Pinus cembra L.) w Tatrach

Abstract

Zmiany klimatyczne zachodzące na przestrzeni ostatnich dekad manifestują się w postaci wzrostu temperatur, zmiany wzorca rozmieszczenia i intensywności opadów oraz wzroście liczby ekstremalnych zdarzeń. Wiedza o dotychczasowym wpływie zmian klimatu na przyrost drzew może być pomocna w przewidywaniu ich reakcji w przyszłości. W przyrostach rocznych oprócz wpływu elementów klimatycznych, zaznaczają się również zaburzenia. Badania rekonstruujące historię zaburzeń oparte są głównie o gatunki cienioznośne (m.in. świerk Picea abies (L.) H. Karst), które są w stanie długo trwać w niekorzystnych warunkach świetlnych i bezpośrednio reagować na uwolnienie spod presji konkurencji. Brakuje empirycznych danych o reakcjach gatunków światłożądnych (modrzewia Larix decidua Mill.i limby Pinus cembra L.) na uwolnienia. Badania prowadzono w dwóch unikalnych obszarach Tatr Wysokich – powierzchni powiatrowałowej o znanej historii zaburzeń na południowych stokach słowackich Tatr oraz w lasach urwiskowych Tatr polskich. Głównym celem niniejszej rozprawy było określenie dynamiki przyrostu na grubość wybranych gatunków drzew w aspekcie czasowym. Wyniki badań przedstawiono w postaci trzech spójnych tematycznie artykułów naukowych, opublikowanych w międzynarodowych czasopismach o wysokim wskaźniku wpływu. Badania przeprowadzono w oparciu o ciągi przyrostowe 83 modrzewi i 104 limb. Posługując się zarówno miesięcznymi, jak i dobowymi danymi klimatycznymi zbadano wpływ elementów klimatycznych (temperatury powietrza i opadów atmosferycznych) na przyrost drzew w okresie ostatniego stulecia. Ponadto, zidentyfikowano oraz przeanalizowano wpływ zaburzeń na przyrosty roczne badanych gatunków. Modrzewie wykazały reakcję przyrostową na otwarcie drzewostanu po wiatrowale w wyniku polepszenia warunków świetlnych. Opóźnienie reakcji na zaburzenie (około 4–5 lat) było zależne od pierśnicy, wieku drzewa oraz poprzedniego przyrostu. Reakcje przyrostowe modrzewia na klimat nie były stabilne w czasie. Generalna tendencja, że temperatura lata pozytywnie wpływa na przyrost, zanika po wiatrowale. Ciepły lipiec zaczyna negatywnie wpływać na przyrost, co można wiązać z deficytem wody w otwartym drzewostanie w okresie letnim. Potwierdza to pojawiający się pozytywny wpływ opadów lipca na przyrost modrzewi. Przyrost radialny sosny limby w lasach urwiskowych Tatr był pozytywnie skorelowany z temperaturą miesięcy letnich (czerwca i lipca) przez cały okres analiz, a opady w tych miesiącach istotnie ograniczały przyrost drzew. Uwolnienia w przyrostach limby nie wykazują ścisłej synchronizacji, co wskazuje, że przeszłe zaburzenia miały charakter lokalny a nie wielkoskalowy. Dzięki zastosowaniu danych o dużej rozdzielczości (dobowych danych klimatycznych) wykazano, że kluczowy okres dla przyrostu sosny limby w lasach urwiskowych Tatr to 15 dni od 21 czerwca do 4 lipca. Warto podkreślić, że w ostatnich dekadach maleje wpływ temperatury powietrza na przyrost, głównie temperatury minimalnej. Tym samym, zmniejsza się znaczenie temperatury, jako czynnika minimum, ograniczającego przyrost drzew przy górnej granicy lasu. Niniejsze badania są pierwszą próbą połączenia wpływu czynników środowiskowych takich jak zaburzenia i klimat na przyrost światłożądnych gatunków drzew w lasach górskich. Należy podkreślić, że reakcje drzew na zmiany czynników środowiskowych nie są jednorodne i w zależności od gatunku, lokalnych warunków siedliskowych oraz struktury drzewostanu będą one różne. Dlatego badania w różnej skali czasowej i przestrzennej są niezbędne by w pełni zrozumieć dynamikę lasów górskich w obliczu zmian klimatycznych.

Climate change over recent decades is manifested in rising temperature, changes in the precipitation pattern, and an increase in the number of extreme disturbances. Knowledge of the impact of current climate changes on tree growth may help predict their response in the future. Tree-ring patterns are determined by climatic factors as well as past disturbances. In this research we studied two light-demanding species: European larch and Swiss stone pine. Reconstruction of disturbance historical disturbances is based mainly on shade-tolerant species (e.g., Norway spruce Picea abies (L.) H. Karst), which can survive for a long time in unfavourable light conditions (suppression) and can respond rapidly to canopy opening (reduced competition). There is a lack of empirical evidence about the growth reactions of light-demanding species (e.g. European larch Larix decidua Mill., Swiss stone pine Pinus cembra L.) to disturbances. The study areas are located in two unique stands in the High Tatras: a postwindstorm area with a known disturbance history on the southern slopes of the Slovakian Tatras, and a cliff forest on the upper treeline ecotone of the Polish Tatras. The main aim of this dissertation was to determine the dynamics of annual growth of selected tree species over time. The results are presented as three thematically coherent research articles published in international scientific journals with high impact factors. The research was based on 83 synchronized ring width series of larches, and 104 of stone pine. Monthly and daily climate data (air temperature, precipitation) were used to determine how climate change affected the formation of tree rings over the last century, and the growth release patterns were analysed to reconstruct the disturbance regime. European larch responded with a delay to stand opening after the windstorm (ca. 4–5 years). The lag time was significantly correlated with diameter at breast height, the age of the studied trees, and previous growth. The trees’ growth reactions to climate were not stable over time. A positive influence of summer temperature disappeared after the windthrow in 2004. Furthermore, a water deficit changed in the open canopy forest, as confirmed by significant positive correlations between growth and July precipitation. The radial growth of Swiss stone pine in the cliff forest was positively correlated with summer temperature (June and July) through the entire analysed period. Also, precipitation limited tree growth in these months. The past disturbance does not show synchronized release patterns. Past disturbances was not associated with synchronized releases. This may suggest that disturbances occurred locally rather than on a large spatial scale. The use of daily climate data gave more detailed results on the climate–growth pattern of Swiss stone pine. Temperature from mid-June to mid-July was the key factor influencing the growth of trees on the cliffs. The study confirmed that summer temperature is a key factor limiting the growth of these trees, but this pattern has been diminishing in the last decades, especially for minimum temperature. The general result of our study is that temperature has become less important as a growth factor at high elevations in the Carpathians. The results presented in this dissertation may help in predicting the climatic optimum for the studied species and the possible extent of their elevation range in the future. The methodological novelty of this work was its combined study of the influence of both disturbance and climate on annual tree growth in light-demanding species.