Wydawnictwo
Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu

Praca dotyczy zagadnienia oddziaływania rzeki na wykorzystanie przez dąb szypułkowy różnych form wody do przyrastania na grubość w dolinie rzecznej. Znaczenie wody jako istotnego czynnika ekologicznego niezbędnego do tworzenia biomasy i formowania się przyrostów promieniowych drzewa nie budzi wątpliwości. Jednak oddziaływanie warunków mikrosiedliskowych na strategię wykorzystania wody przez drzewa w relacji do zmienności czasowej i przestrzennej dostępności różnych form wody nie zostało jeszcze wystarczająco rozpoznane. Problematyka wykorzystania wody przez drzewa jest istotna zarówno ze względów przyrodniczych, jak i gospodarczych, zwłaszcza w kontekście zagrożeń drzew i drzewostanów związanych z suszą. Szczególny przypadek uwarunkowanego hydrologicznie układu warunków mikrosiedliskowych występuje w dolinach dużych i średnich rzek. Dąb szypułkowy zajmuje siedliska na wysoczyźnie, gdzie dostępność wody wynika z lokalnych warunków klimatycznych, a także występuje na siedliskach w dolinach rzecznych, gdzie istotnym czynnikiem sprawczym decydującym o dostępności wody jest reżim rzeczny powiązany z warunkami klimatycznymi panującymi w zlewni. Rzeka oddziałuje pośrednio przez związki hydrauliczne wód rzecznych z wodą gruntową w dolinie. Oddziaływanie rzeki w dolinie wiąże się z obecnością hydrologicznego gradientu ekologicznego i zmniejsza się wraz z wyniesieniem terenu. Stąd zasadne jest przypuszczenie, że ta zmienna przestrzennie i czasowo siła oddziaływania rzeki może różnicować rytm przyrostowy dębu szypułkowego w dolinie rzecznej przez modulowanie wykorzystania dostępnej wody. Główne pytania wynikające z tej hipotezy to: Czy i w jaki sposób manifestuje się strefowość doliny rzecznej w zakresie wykorzystania przez drzewa różnych form dostępnej do przyrostów wody? Czy strefowość przyrostowa dotyczy podatności na susze? Jaki jest zasięg przestrzenny oddziaływania rzeki na przyrosty promieniowe dębu szypułkowego w dolinie? W jaki sposób różni się rytm przyrastania drzew w dolinie oraz na wysoczyźnie ze względu na wykorzystanie form dostępnej wody i podatność na susze? Czy zależności między parametrami hydroklimatycznymi i przyrostami promieniowymi mogą stanowić indykator stanu i przemian ekosystemów leśnych dolin rzecznych?

Praca dotyczy zagadnienia oddziaływania rzeki na wykorzystanie przez dąb szypułkowy różnych form wody do przyrastania na grubość w dolinie rzecznej. Znaczenie wody jako istotnego czynnika ekologicznego niezbędnego do tworzenia biomasy i formowania się przyrostów promieniowych drzewa nie budzi wątpliwości. Jednak oddziaływanie warunków mikrosiedliskowych na strategię wykorzystania wody przez drzewa w relacji do zmienności czasowej i przestrzennej dostępności różnych form wody nie zostało jeszcze wystarczająco rozpoznane. Problematyka wykorzystania wody przez drzewa jest istotna zarówno ze względów przyrodniczych, jak i gospodarczych, zwłaszcza w kontekście zagrożeń drzew i drzewostanów związanych z suszą.

Szczególny przypadek uwarunkowanego hydrologicznie układu warunków mikrosiedliskowych występuje w dolinach dużych i średnich rzek. Dąb szypułkowy zajmuje siedliska na wysoczyźnie, gdzie dostępność wody wynika z lokalnych warunków klimatycznych, a także występuje na siedliskach w dolinach rzecznych, gdzie istotnym czynnikiem sprawczym decydującym o dostępności wody jest reżim rzeczny powiązany z warunkami klimatycznymi panującymi w zlewni. Rzeka oddziałuje pośrednio przez związki hydrauliczne wód rzecznych z wodą gruntową w dolinie. Oddziaływanie rzeki w dolinie wiąże się z obecnością hydrologicznego gradientu ekologicznego i zmniejsza się wraz z wyniesieniem terenu. Stąd zasadne jest przypuszczenie, że ta zmienna przestrzennie i czasowo siła oddziaływania rzeki może różnicować rytm przyrostowy dębu szypułkowego w dolinie rzecznej przez modulowanie wykorzystania dostępnej wody.
Główne pytania wynikające z tej hipotezy to: Czy i w jaki sposób manifestuje się strefowość doliny rzecznej w zakresie wykorzystania przez drzewa różnych form dostępnej do przyrostów wody? Czy strefowość przyrostowa dotyczy podatności na susze? Jaki jest zasięg przestrzenny oddziaływania rzeki na przyrosty promieniowe dębu szypułkowego w dolinie? W jaki sposób różni się rytm przyrastania drzew w dolinie oraz na wysoczyźnie ze względu na wykorzystanie form dostępnej wody i podatność na susze? Czy zależności między parametrami hydroklimatycznymi i przyrostami promieniowymi mogą stanowić indykator stanu i przemian ekosystemów leśnych dolin rzecznych?
Obszar badań leży na Niżu Polskim w Wielkopolsce. Stanowiska dolinne są położone w dolinie środkowej Warty (kilometraż rzeki 333–340 km od ujścia, lokalna szerokość doliny 6–10 km) w kompleksie leśnym noszącym zwyczajową nazwę Lasy Czeszewskie (52° 07′ 55″ N, 17° 30′ 46″ E), a stanowiska wysoczyznowe na sąsiednim obszarze Płyty Krotoszyńskiej na Wysoczyźnie Kaliskiej (51° 56′ 27″ N, 17° 21′ 06″ E). Warta to średniej wielkości rzeka o całkowitej długości 808 km i powierzchni zlewni 54 529 km2, dopływ Odry odwadniający Nizinę Północnoeuropejską do Morza Bałtyckiego. Warunki przyrodnicze w dolinnym rejonie badań są typowe dla rozległych dolin rzecznych środkowej Europy, gdzie zachowany jest rytm procesów ekologicznych modulowanych przez naturalny reżim rzeczny. Drzewostany w dolinie to starodrzewie dębowo-jesionowe w wieku 110–190 lat z domieszką innych gatunków drzew: grabu, wiązu polnego i szypułkowego, lipy drobnolistnej, klonu polnego i pospolitego. Drzewostany na wysoczyźnie to starodrzewie dębowo-grabowe w wieku 130–160 lat.
W pracy wykorzystano metodę dendrochronologiczną w zakresie zastosowań dendroekologicznych. Wyznaczono 30 stanowisk w 3 transektach hydrologicznych. W każdym transekcie było pięć pozycji w dolinie na terasie zalewowej i pierwszej terasie nadzalewowej. Wyznaczono również jedną pozycję na wysoczyźnie. Na każdej pozycji wyznaczono 1–3 stanowisk. Pozycje w transektach dolinnych zostały ustalone na podstawie rzędnej terenu oraz modelowania rozkładu stref zalewowych dla epizodów wezbraniowych. Wykorzystano model przepływu niestacjonarnego i użyto program HEC-RAS 4.1 do analizy rzędnych zalewów dla epizodów zalewowych. Na stanowisku wybrano 10–15 drzew. Próby pobrano z drzew wybranych losowo o zbliżonej rzędnej terenu, dojrzałych, panujących według klasyfikacji Krafta, zdrowych i pozbawionych uszkodzeń mechanicznych oraz rosnących w zwartym drzewostanie. Z drzewa pobrano dwie próby przyrostowe, które wypreparowano standardowymi metodami, zeskanowano i pomierzono szerokości przyrostów rocznych za pomocą programu CooRecorder. Dokonano weryfikacji jakości poszczególnych serii przyrostów w celu korekty błędów pomiarowych za pomocą programów CDendro oraz COFECHA. Dla stanowisk przygotowano serie czasowe przyrostów rocznych – chronologie rzeczywiste, standardowe i rezydualne, które stanowiły zmienne objaśniane. Obliczono charakterystyki statystyczne w celu oceny przydatności serii do analiz dendroekologicznych, korzystając z pakietu dplR i środowiska R.
Przeprowadzono analizy dendroekologiczne z wykorzystaniem związków korelacyjnych oraz funkcji odpowiedzi za wielolecie 1901–2010 roku. Celem tych analiz były określenie siły i kierunku związku między parametrami hydroklimatycznymi oraz przyrostem promieniowym dębu na poszczególnych stanowiskach. Zmienne objaśniające stanowiły miesięczne wartości parametrów hydroklimatycznych: opady (P), temperatura (T), miary suszy – wskaźnik surowości suszy Palmera (scPDSI) oraz standaryzowany klimatyczny bilans wodny (SPEI), przepływy w Warcie (Q) dla stanowiska Poznań i Nowa Wieś Podgórna. W przypadku miar suszy oraz opadów wykorzystano zarówno wartości lokalne, jak i wartości zagregowane dla zlewni. Przepływy rzeczne to dane pozyskane z sieci pomiarowej IMGW-PIB, pozostałe dane pozyskano z baz parametrów klimatycznych przygotowanych w siatce wysokiej rozdzielczości CRU TS 4.01 (T, P), sc-PDSI Global (scPDSI), SPEIbase v.2.5.3 (SPEI). W pracy wykorzystano analizę skupień w celu określenia powiązań między stanowiskami w różnych częściach doliny i na wysoczyźnie.
Podobieństwa reakcji przyrostowych między stanowiskami były identyfikowane na podstawie metody grupowań (metoda z odległością euklidesową jako miarą odległości aglomeracyjnej i sposobem pełnego powiązania).
W dolinie rzecznej jest widoczna strefowość reakcji przyrostowych dębu szypułkowego na czynniki hydroklimatyczne decydujące o przyrastaniu drzew. Zaznaczają się dwie strefy. Pierwsza strefa obejmuje stanowiska mniej wyniesione położone na terasie zalewowej (stanowiska z pozycji 1, 2 w transekcie oraz część stanowisk z pozycji 3). Druga strefa – to bardziej wyniesione stanowiska położone na terasie zalewowej i nadzalewowej (część stanowisk z pozycji 3 i stanowiska z pozycji 4 i 5). Reakcja przyrostowa dębu szypułkowego na czynniki hydroklimatyczne na obszarach doliny mniej wyniesionych jest słabsza niż na obszarach bardziej wyniesionych. Ten charakter zależności dotyczy wszystkich analizowanych zmiennych hydroklimatycznych. Występuje w przypadku zmiennych klimatycznych lokalnych i zmiennych w zlewni, a także przepływów rzecznych. Granica między strefami ma charakter nieostry, ponieważ stanowiska z pozycji 3 w transekcie charakteryzują się przejściowością, część należy do grupy pierwszej, a część do grupy drugiej. Stanowiska należące do grupy pierwszej są położone w odległości 120–1500 m od normalnego położenia linii brzegowej w Warcie. Zmienność tej odległości wynika z mozaikowego układu form i wyniesienia powierzchni terenu w dolinie. Pas przejściowy między oboma strefami jest wyniesiony około 3 m z odchyłką około 0,2 m nad rzędną normalną lustra wody w rzece. Warto zaznaczyć, że krawędź pierwszej terasy nadzalewowej (zasięg strefy zalewowej) jest wyn iesiona około 2 m wyżej. Podsumowując, można powiedzieć, że elementy hydroklimatyczne nie stanowią ograniczającego czynnika środowiskowego dla przyrostów na stanowiskach mniej wyniesionych, a na stanowiskach bardziej wyniesionych w dolinie i na wysoczyźnie są środowiskowym czynnikiem ograniczającym. Reakcje przyrostowe drzew na czynniki klimatyczne na stanowiskach wysoczyznowych są podobne do reakcji drzew rosnących w dolinie na stanowiskach bardziej wyniesionych. Związki między czynnikami hydroklimatycznymi a przyrostami promieniowymi są znacznie silniejsze na stanowiskach wysoczyznowych oraz bardziej wyniesionych w dolinie niż na stanowiskach dolinnych mniej wyniesionych. Zależność ta jest w sposób szczególny widoczna w przypadku miar suszy zarówno lokalnych, jak i występujących w zlewni (współczynnik r często większy niż 0,4). Stąd granica między oboma strefami w dolinie rozgranicza obszary o różnej podatności na suszę. Dynamika zasięgu stref wyróżnionych ze względu na przebieg przyrostów promieniowych dębu szypułkowego może być wykorzystana praktycznie i stanowić indykator zmienności czasowej i przestrzennej siły oddziaływania rzeki na drzewostany. Można w ten sposób indykować zarówno oddziaływanie na lasy dolinne procesów i działań antropogenicznych negatywnych, jak i efektów ekologicznych różnych form aktywnej ochrony stosowanych w lasach dolin rzecznych. 

1. WPROWADZENIE

2. PRZEGLĄD LITERATURY
2.1. Reżimy hydroklimatyczne a przyrosty drzew w lasach dolin rzecznych
2.2. Dąb w badaniach dendrochronologicznych i dendroekologicznych

3. CEL I HIPOTEZY BADAWCZE

4. CHARAKTERYSTYKA OBSZARU BADAŃ
4.1. Charakterystyka przyrodnicza
4.2. Charakterystyka klimatyczna i hydrologiczna
 

5. METODYKA
5.1. Wybór stanowiska badawczego
5.2. Wybór drzewostanów i drzew
5.3. Dane klimatyczne i hydrologiczne. Zarys analiz hydroklimatycznych
5.4. Metody analiz dendroekologicznych

6. WYNIKI BADAŃ
6.1. Charakterystyki serii przyrostowych i cechy biometryczne drzew
6.2. Zależność szerokości słojów przyrostów rocznych od parametrów hydroklimatycznych
6.3. Podobieństwo reakcji przyrostowych na czynniki hydroklimatyczne według metody grupowań

7. DYSKUSJA I PODSUMOWANIE WYNIKÓW

8. WNIOSKI

9. LITERATURA

The effect of rivers on the utilisation of various forms of water for radial growth by pedunculate oak in river valleys is discussed in this study. The understanding of the fundamental role of water as an ecological factor required for biomass production and formation of tree rings is well grounded. However, the effect of microsite characteristics on the strategy of trees to use different forms of water has not been thoroughly explained to date. The effect of spatiotemporal variability in availability of individual water forms on tree ring growth needs to be focused on. These problems are important both as ecological and forest management issues, particularly in the context of understanding of the impact of drought on trees and tree stands.
A hydrologically determined combination of microsites can be found in valleys of large and medium-sized rivers. Pedunculate oak can grow either on sites in morainic plateaus, where water availability is related to local climatic conditions, or in sites of river valleys, where the river regime related to climatic conditions in the river basin is the key factor in providing water to trees. The river affects forest sites in the valley indirectly due to the hydraulic connectivity of water in the river with groundwater in the valley. The influence of the river acts through the ecological hydrologic gradient and the strength of this influence decreases with the elevation of terrain in a valley. A hypothesis may be proposed that the strength of the influence of the river which varies in time and space can differentiate the pattern of radial increment in pedunculate oak in river valleys by modification of utilization of available water forms and can also be expressed in sensitivity to drought. The main scientific problems are: If and how zonability of the river valley is manifested in the utilisation of different water forms for radial tree growth? Is radial growth zonability expressed in sensitivity to drought? What is the spatial range of the river’s effect on radial growth of pedunculate oak in river valleys? What is the difference between the pattern of radial growth in pedunculate oaks growing in the river valley and on the plateau regarding the utilisation of different forms of available water for tree ring growth and expressed by the sensitivity of tree ring growth to drought? Can a relationship between hydroclimatic parameters and tree ring width (TRW) indicate the current state and changes of forest ecosystems in river valleys?
The research area is located in the Polish Lowland in the Wielkopolska region, Poland. The valley sites are situated in the valley of the mid-section of the Warta River (330 to 340 km from the confluence of the Warta to the Odra, the width of the valley 6–10 km) in the Lasy Czeszewskie Forest (52° 07′ 55″ N, 17° 30′ 46″ E), while the plateau sites are located in the neighboring area of Płyta Krotoszyńska. The Warta River (length 808 km, basin area: 54,529 km2) is a mid-sized European river, a tributary of the Odra River draining the North European Plain to the Baltic Sea. The environmental conditions of from each tree). Mature trees of the dominant biosocial position, healthy, without mechanical damage, growing in a full to moderate canopy cover were preselected, then random selection of trees was applied. The samples were prepared with standard methods, scanned and tree ring width (TRW) was measured using the CooRecorder software. The measurement quality for each sample TRW series was verified with the CDendro and COFECHA software to correct measurement errors. Series of tree ring width, series of tree ring index (TRI) for standard and residual chronologies were prepared for each site. These series were explanatory variables in dendroecological analysis. Statistical characteristics of site TRW and TRI were calculated to assess site series suitability for dendroecological analysis.
Dendroecological analyses were performed as a correlation and response function relationship for the period from 1901 to 2010. The aim of the analysis was to determine the strength and direction of relations between hydroclimatic parameters and tree ring width in pedunculate oak for each site. The explaining variables included monthly precipitation (P), temperature (T), measures of drought (scPDSI, SPEI) and streamflow in the Warta for the Poznan and Nowa Wieś Podgórna gauging stations. Both local and basin-aggregated values of drought indices and precipitation were used. Streamflow data was obtained from the Instuitute of Meteorology and Water Management, the National Research Institute, while the other data was derived from high resolution gridded climatic datasets CRUTS 4.01 (T, P), sc-PDSI Global (scPDSI), SPEIbase v.2.5.3 (SPEI). Cluster analysis was employed to determine agglomeration and similarity patterns for radial growth reactions to hydroclimatic factors (the method using the Euclidean distance as a distance function and complete linkage as the agglomeration method).
The zonability of the reaction to hydroclimatic factors affecting radial growth was found in of pedunculate oak growing in the river valley. Two zones may be identified. One comprises less elevated sites located on the active terrace (sites in position 1, 2 and some sites in position 3). The other zone includes sites in positons 4, 5 and some sites in position 3. The radial growth reaction of pedunculate oak to hydroclimatic factors on the less elevated parts of the river valley is weaker than on the more elevated parts. This feature of the relationship is distinct for all of the hydroclimatic parameters employed as explanatory variables, both local and basin-related, including river streamflow. The boundary zone is not well defined, but it is a transitional area, because the sites form position 3 are transitional, being found both in the less elevated zone and the more elevated zone of the valley. The less elevated zone is located 120 to 1500 m from the location of the normal elevation of the Warta riverbank. The variability in the distance is caused by the mosaic pattern of elevation and terrain surface forms in the river valley. The transition belt between the zones is elevated ca. 3 m above the normal elevation of the Warta riverbank. The margin of the first passive terrace (the maximum spatial range of flooding) is elevated ca. 2 m higher than the transition belt between the zones. The hydroclimatic parameters were found not to be the limiting environmental factors of radial tree growth for the less elevated sites in the valley. However, hydroclimatic elements are limiting factors of the radial growth of pedunculate oak for the more elevated sites in the valley.
Radial growth response to climatic factors for the sites on the plateau are similar to those for the more elevated sites in the river valley. The relationship between climatic factors and tree ring growth is much stronger for the plateau and more elevated sites in the valley than the relationship for the less elevated sites in the valley. This feature in the relationship is particularly evident both for local and basin drought indices (the r coefficient often exceeds 0.4). Thus the threshold between both zones in the river valley differentiates the areas of different sensitivity of tree growth to drought. The dynamics of the zones identified by different patterns of tree ring growth has a practical dimension. It can be used as an indicator of the spatiotemporal effect of various processes and an impact of anthropogenic activities or the ecological effects of various active protection forms of the forests in river valleys.