Kartowanie szaty roślinnej Tatr Wysokich z wykorzystaniem barwnych spektrostrefowych zdjęć lotniczych

Transkrypt

1 Akademia Rolnicza im. Hugona Kołłątaja w Krakowie Wydział Leśny, Katedra Ekologii Lasu Joanna Wrzodak Kartowanie szaty roślinnej Tatr Wysokich z wykorzystaniem barwnych spektrostrefowych zdjęć lotniczych Praca wykonana pod kierunkiem dr inż. Piotra Wężyka Kraków 2004

2 Serdeczne podziękowania za pomoc merytoryczną oraz wysiłek włożony w ostateczną postać niniejszej pracy składam mojemu promotorowi, dr inż. Piotrowi Wężykowi. Dziękuję dr inż. Krystianowi Koziołowi za nieocenioną pomoc podczas realizacji tej pracy. Dziękuję dr inż. Janowi Holeksie z Zakładu Ekologii, Instytutu Botaniki im. W. Szafera, Polskiej Akademii Nauk w Krakowie, za współpracę oraz wsparcie finansowe badań. Mgr inż. Magdalenie Brodzińskiej oraz mgr inż. Robertowi Rachwałowi, pracownikom Okręgowego Przedsiębiorstwa Geodezji i Kartografii w Krakowie dziękuję za wsparcie techniczne i pomoc przy pracach nad projektem fotogrametrycznym. Dziękuję także mgr inż. Andrzejowi Świąderowi za pomoc przy sfinalizowaniu niniejszej pracy. Dr inż. Tomaszowi Kozicy-Zwijaczowi oraz mgr inż. Marcinowi Guzikowi, pracownikom Tatrzańskiego Parku Narodowego dziękuję za pomoc w pracach terenowych oraz udostępnienie materiałów niezbędnych do ukończenia moich badań. Pracę niniejszą oraz cały trud włożony w pięć lat studiów na Wydziale Leśnym AR w Krakowie, chciałabym zadedykować moim Rodzicom oraz Siostrze, dziękując jednocześnie za ich ogromną, nieocenioną pomoc i wsparcie.

3 Spis treści 1. Wstęp oraz cele prezentowanych badań Teren badań Lokalizacja terenu badań Uwarunkowania przyrodnicze Tatrzańskiego Parku Narodowego Piętra roślinne Tatrzańskiego Parku Narodowego Charakterystyka borów świerkowych regla górnego Strefowość piętra regla górnego Cykl rozwojowy górnoreglowych borów świerkowych Górna granica lasu Czynniki naturalne kształtujące piętra roślinności Klimat Geologia i rzeźba terenu Piętra geoekologiczne Tatr Gleba Czynniki antropogeniczne kształtujące szatę roślinną Tatrzańskiego Parku Narodowego Metodyka badań Prace wstępne Wybór materiału światłoczułego Charakterystyka barwnych spektrostrefowych zdjęć lotniczych Krótka charakterystyka odwracalnego filmu spektrostrefowego Kodak Aearochrome III Infrared Film Termin wykonania nalotu Skanowanie zdjęć lotniczych CIR i archiwizacja danych na nośnikach CD-R Fotogrametryczna osnowa polowa Przygotowanie i pomiar fotopunktów sygnalizowanych Pomiary fotopunktów naturalnych...27

4 Dodatkowe fotopunkty naturalne Interpretacja i stereodigitalizacja barwnych spektrostrefowych zdjęć lotniczych Cyfrowa Stacja Fotogrametryczna Dephos Projekt fotogrametryczny Klucz fotointerpretacyjny Wyróżnienie klas obiektów do klucza fotointerpretacyjnego Pomiary cech taksacyjnych wykonywane na powierzchniach wzorcowych obiektów klucza fotointerpretacyjnego Kartowanie szaty roślinnej obszaru badań z wykorzystaniem barwnych spektrostrefowych zdjęć lotniczych Eksport plików z modułu Dephos Maper Edycja błędów warstw wektorowych w programie ArcInfo 7.0 (ESRI) Analizy statystyczne oraz analizy przestrzenne GIS Generowanie ortofotomapy dla obszaru badań za pomocą Cyfrowej Stacji Fotogrametrycznej Dephos Ortorektyfikacja pojedynczego zdjęcia w module OrthoRECT stacji Dephos Numeryczny Model Terenu (NMT) Przetworzenie fragmentu NMT do postaci pliku *.det Mozaikowanie ortofotografii i wyrównanie tonalne ortofotomapy Generowanie ortofotografii przy zastosowaniu Numerycznego Modelu Powierzchni Terenu Sprzęt i oprogramowanie Wyniki i dyskusja Skanowanie i archiwizacja danych na nośnikach CD-R Fotogrametryczna osnowa polowa Fotopunkty sygnalizowane Pomiary fotopunktów naturalnych...52

5 Dodatkowe fotopunkty Wyniki opracowania fotogrametrycznego Aerotriangulacja bloku zdjęć Klucz fotointerpretacyjny Analizy statystyczne powierzchni wyodrębnionych poligonów Analizy przestrzenne GIS z wykorzystaniem Numerycznego Modelu Terenu Analiza występowania obiektów w zależności od wysokości nad poziomem morza Analiza występowania klas obiektów w zależności od ekspozycji terenu Analiza występowania klas obiektów w zależności od wartości nachylenia stoków Ortofotomapa cyfrowa terenu badań Analiza porównawcza NMT i NMPT Analiza jakości ortofotografii wygenerowanych przy wykorzystaniu NMT bądź NMPT Wnioski Literatura...93

6 1. Wstęp oraz cele prezentowanych badań W ciągu ostatnich kilkunastu lat obserwuje się wśród badaczy środowiska przyrodniczego rosnące zainteresowanie wykorzystaniem gwałtownie rozwijających się technologii geoinformatycznych, do których obecnie zalicza się: Geograficzne Systemy Informacji (GIS), Teledetekcję, fotogrametrię cyfrową, Globalne Systemy Pozycjonowania (GPS), teleinformatykę czy bazy danych. Współtworzą one naukę zwaną geoinformatyką, która na gruncie informatyki integruje wszystkie działania ukierunkowane na pozyskanie, przetwarzanie i udostępnianie informacji przestrzennych, czyli informacji o rozmieszczeniu i cechach obiektów (Mozgawa 2000). Barwne spektrostrefowe zdjęcia lotnicze CIR (ang. Color InfraRed) stanowią ważne źródło informacji dla leśnictwa i badań przyrodniczych, ze względu na szczególny sposób, w jaki odznacza się na nich roślinność, tj. wyjątkowo jasnym tonem obrazu, o wiele jaśniejszym i bardziej zróżnicowanym, niż na zdjęciach panchromatycznych (Ciołkosz i in., 1999). Zdjęcia CIR początkowo służyły m. in. do celów wojskowych (np. wykrywaniu zamaskowanych obiektów naziemnych), obecnie jednak są szeroko wykorzystywane w badaniach przyrodniczych i leśnych, między innymi do określania stanu zdrowotnego drzewostanów z zastosowaniem specjalnie do tego celu przygotowywanych kluczy fotointerpretacyjnych (Hildebrandt 1991; Wężyk 1998), monitorowania przebiegu naturalnych procesów, takich jak przebieg sukcesji naturalnej na polanach górskich (Wężyk, Pyrkosz 1999), czy aktualizacji map gospodarczych drzewostanów (Wężyk, Mansberger 1997). Badania z wykorzystaniem informacji, zarejestrowanej na zdjęciach CIR, pozwalają także na oszacowanie zachodzących zmian nie tylko w określonej przestrzeni, ale także z uwzględnieniem czynnika czasu (Wężyk, Pyrkosz 1999; Faißt 1999). Choć stopniowo zdjęcia lotnicze usuwają się w cień wysokorozdzielczych zobrazowań satelitarnych, w dalszym stopniu wspierają i uzupełniają prace terenowe (Ekstrand 2000, Šumbera, Židek 2003). Kolejnym źródłem informacji o terenie badań, umożliwiającym modelowanie zjawisk przyrodniczych tam występujących, są analizy przestrzenne, wykonywane przy użyciu NMT (Wężyk, Małek, Kozioł 2001). Model ten jest ponadto elementem niezbędnym w procesie ortorektyfikacji zdjęć lotniczych, prowadzącym do

7 wygenerowania ortofotomapy terenu objętego zobrazowaniem (Florek-Paszkowski, Pyka 1998; Ciołkosz i in. 1999). Praktyką w leśnictwie stało się także stosowanie odbiorników GPS do badań przyrodniczych, w tym do lokalizacji powierzchni wzorcowych czy stabilizacji stałych punktów monitoringowych, pozyskiwania punktów kontrolnych (GCP, ang. Ground Control Points) dla potrzeb generowania ortofotomapy, jak też nawigacji w terenie badań (Kuliesis, Bajorunas 2000; Szczygielski 2003). Integracja danych pochodzących ze wspomnianych powyżej źródeł jest możliwe przy użyciu GIS, który służy pozyskiwaniu, magazynowaniu, przetwarzaniu, analizowaniu i wizualizacji danych przestrzennych o świecie rzeczywistym (Burrough 1996). Coraz ważniejsze staje się także zagadnienie zwiększania dostępu do danych poprzez sieci Internet i Intranet za pomocą WMS (Web Map Services) (Wężyk, Świąder 2003). Zintegrowane wykorzystanie technik geoinformatycznych było podstawowym założeniem metodyki przyjętej w pracach badawczych prowadzonych w ramach projektu KBN: Czasowe i przestrzenne skale dynamiki zachodniokarpackich borów górnoreglowych (kierownik dr hab. Jan Holeksa, Zakład Ekologii, Instytut Botaniki im. W. Szafera, Polska Akademia Nauk w Krakowie). Za główne cele w/w projektu obrano: 1. Poznanie wzorca przestrzennego zjawisk związanych z dynamiką drzewostanów zachodniokarpackich borach górnoreglowych. 2. Poznanie przemian świerkowych borów górnoreglowych w ciągu ostatniego tysiąca lat i przyczyn zróżnicowania składu gatunkowego dendroflory w strefie górnej granicy lasu i w piętrze regla górnego. Prezentowana praca magisterska była częścią wyżej wymienionego projektu a jej cele cząstkowe dotyczyły: kartowania szaty roślinnej Tatr Wysokich na podstawie fotogrametrycznego opracowania barwnych spektrostrefowych zdjęć lotniczych, ze szczególnym uwzględnieniem zbiorowisk regla górnego masywu Wołoszyna, Koszystej i rezerwatu Skoruśniak, oraz wygenerowanie cyfrowej ortofotomapy lotniczej obszaru badań.

8 2. Teren badań Teren badań zlokalizowany był na terenie Tatrzańskiego Parku Narodowego (TPN). Granice parku, utworzonego w 1954 roku, obejmują: Tatry właściwe a także fragment Rowu Podhalańskiego oraz Pogórza Spisko Gubałowskiego, co daje całkowitą powierzchnię ha (Mirek, 1996). Skrajne punkty zwartego obszaru Tatrzańskiego Parku Narodowego położone są pomiędzy E a E oraz N a N. Rozpiętość granic parku w linii powietrznej ze wschodu na zachód wynosi 27.1 km, a z północy na południe 12.0 km (Mirek, 1996) Lokalizacja terenu badań Teren badań zlokalizowany był w wschodniej części Tatrzańskiego Parku Narodowego, na obszarze Tatr Wysokich, pomiędzy doliną Białej Wody na wschodzie, a doliną Suchej Wody na zachodzie. Obejmował on więc masyw Wołoszyna ( m n.p.m.), Koszystej ( m n.p.m.) oraz przede wszystkim drzewostany rezerwatu Skoruśniak (Ryc. 1). Ryc. 1. Lokalizacja terenu badań na obszarze TPN

9 Powierzchnia, którą objęto kartowaniem, wynosi ha i charakteryzuje się zmiennością wysokości od m n.p.m. do m n.p.m Uwarunkowania przyrodnicze Tatrzańskiego Parku Narodowego Tatry są najwyższym masywem górskim w całym łuku Karpat. Choć są zaledwie miniaturą gór wysokich są jedynym w całych Karpatach obszarem z wyraźnie wykształconą rzeźbą polodowcową oraz największym w ośrodkiem występowania flory i fauny wysokogórskiej w tej części kontynentu Piętra roślinne Tatrzańskiego Parku Narodowego Charakterystyczną cechą przyrody tatrzańskiej jest jej piętrowy układ, dobrze widoczny podczas przemieszczania się od podnóży gór ku ich szczytom. Układ taki zaobserwować można tylko na kilku innych masywach w zasięgu polskich Karpat (Babia Góra, Pilsko, Bieszczady) jednak właśnie w Tatrach wykształcił się on najpełniej (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996). Na wykształcenie się pięter roślinnych wpływ mają przede wszystkim czynniki klimatyczne, ale także: edaficzne, orograficzne, biotyczne i antropogeniczne. Zależnie od nich, granice pięter przebiegają na różnych wysokościach. Dla polskich Tatr można jednak ustalić ogólne zakresy ich występowania. Górna granica piętra pogórza, przebiega na wysokości 550 m n.p.m. Piętro to nie występuje więc w Tatrach, których stoki północne wznoszą się od wysokości ok. 900 m n.p.m. (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996). Piętro regla dolnego rozciąga się od 900 m n.p.m. do wysokości około m n.p.m. Naturalne lasy panujące w tym pasie reprezentują głównie skład bukowo jodłowy z domieszką jaworu oraz świerka. Miejscami w niższych położeniach pewną rolę odgrywać mogą także jedliny tworzące wspólnie ze świerkiem dolnoreglowy bór jodłowo świerkowy (Abieti Piceetum montanum). Na bezwapiennych siedliskach moren, zajmujących głównie dna dolin Tatr Wysokich, w położeniach regla dolnego pojawiają się także zwarte płaty skrajnie ubogiego boru świerkowego z zespołu Plagiothecio Piceetum tatricum (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996).

10 Kolejne piętro stanowi regiel górny, sięgający od 1200 do 1550 m n.p.m. Zbiorowiskiem leśnym panującym w tym pasie jest bór świerkowy Piceetum tatricum, obecnie w zależności od siedliska podzielony na: zespół Polysticho Piceetum na podłożu wapiennym oraz Plagiothecio Piceetum na granicie, w wariancie ubogim. W wyższych położeniach, przy górnej granicy lasu (g.g.l.), domieszka limby i modrzewia tworzyć może mini-piętro limbowo modrzewiowe (Larici Cembretum), niewykształcone u nas w tak pełnej postaci, jak w innych masywach górskich, np. Alpach. Zwieńczeniem pasma regla górnego jest górna granica lasu (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996). Piętro subalpejskie, czyli piętro kosodrzewiny, występuje na wysokości od 1550 do 1800 m n.p.m. Panującym tu zespołem jest tu Pinetum mughi carpaticum, także zróżnicowany na dwa podzespoły zależne od podłoża skalnego: calciolum na wapieniu oraz silicolum na granicie. W piętrze tym kosodrzewinie towarzyszy często brzoza karpacka Betula carpatica oraz jarząb pospolity Sorbus aucuparia var. glabra (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996). Powyżej piętra subalpejskiego znajduje się piętro halne tzw. alpejskie. Wykształciło się ono na wysokości od 1800 do 2300 m n.p.m. Zależnie od podłoża dominują ty murawy wysokogórskie z zespołu situ skuciny i boimki dwurzędowej Trifido-Distichum (na podłożu kwaśnym) lub zespół kostrzewy pstrej Festuco versicoloris Seslerietum tatrae (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996). Od wysokości 2300 m n.p.m. po najwyższe szczyty Tatr rozciąga się piętro turniowe, czyli subniwalne. W polskiej części Karpat wykształciło się ono wyłącznie w Tatrzańskim Parku Narodowym (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996). Głównym zbiorowiskiem jest tu zespół boimki dwurzędowej Oreochloetum distichae subnivale Charakterystyka borów świerkowych regla górnego Drzewostany borów górnoreglowych buduje świerk, tworzący zespół Piceetum tatricum, który zależnie od warunków siedliskowych można podzielić na dwa wspomniane już powyżej zespoły: Polysticho-Piceetum oraz Plagiothecio-Piceetum. W warunkach silnego prześwietlenia świerkowi towarzyszy domieszka jarzębiny. W słabo wykształconej warstwie podszytu występuje wiciokrzew czarny (Lonicera nigra). Runo jest również bardzo ubogie. Tworzą je takie gatunki, jak borówka czarna (Vaccinium myrtillus), borówka brusznica (V. vitis idaea), widłak wroniec (Huperzia

11 selago), widłak jałowcowaty (Lycopodium annotinum), kosmatka żółtawa (Luzula luzulina) i paprocie, m.in. narecznica górska (Dryopteris expansa) (Piękoś-Mirkowa, Mirek 1996) Strefowość piętra regla górnego Pomimo małego zróżnicowania bioróżnorodności gatunkowej, górnoreglowe bory świerkowe wykazują duże zróżnicowanie pod względem struktury grubościowej i wysokościowej drzew czy ich wieku. Myczkowski (1964) wyróżnił cztery odrębne formy strukturalne drzewostanów oraz skupień drzew przy górnej granicy zasięgu tego zbiorowiska w Tatrzańskim Parku Narodowym. Są nimi: pas boru zwartego, pas boru luźnego, górną granicę lasu oraz szpalery świerkowe w kosodrzewinie. Korpel (1989), na podstawie badań górnoreglowych borów świerkowych Tatr, Babiej Góry, Pilska oraz słowackiego rezerwatu P olany, wyróżnił dwie zasadnicze strefy występujące w zasięgu regla górnego. Pierwsza z nich odpowiada pasowi boru zwartego, wyróżnionemu przez Myczkowiskiego (1964) i rozciąga się pomiędzy 1250 a 1350 m n.p.m. Druga natomiast obejmuje pas boru luźnego ( m n.p.m.) i jest zwieńczona górną granicą lasu powstającą w strefie pomiędzy 1450 a 1550 m n.p.m. Bór świerkowy w strefie boru zwartego wykształca, mimo silnego zróżnicowania wiekowego, drzewostany jednopiętrowe o zwarciu poziomym (Jaworski, Poznański 2000). Cechy budowy przerębowej wykazują tylko świerczyny w wieku dorastania, w momencie zetknięcia dwóch faz rozwojowych, jeśli rozpad dawnej generacji przebiegał powoli i miał charakter małopowierzchniowy. Przy szybkim rozpadzie i dużej powierzchni jego występowania powstają drzewostany jednowiekowe i jednopiętrowe. Należy także zaznaczyć, że powstające odnowienie do wzrostu wykorzystuje często tak zwane drewno moderowe, czyli martwe i rozkładające się pnie powalonych drzew. Korzystną pożywką dla powstającego młodego pokolenia jest także odsłonięta gleba mineralna w miejscach wykrotów. Świerkom w tym pasie towarzyszy jarząb pospolity, pojawiający się w zaawansowanej fazie stadium rozpadu drzewostanu świerkowego i początkowej fazie stadium dorastania, kiedy drzewostan świerkowy jest silnie przerzedzony.

12 Drzewostany pasa boru zwartego regla górnego, rosnące na wysokości m n.p.m., są zagrożone przez wiatr w stopniu większym niż bór luźny. Katastrofalny rozpad drzewostanu jeszcze przed fazą odnowienia może doprowadzić do powstania na większej powierzchni drzewostanów jednopiętrowych i jednowiekowych. Początkowo na powierzchni dotkniętej rozpadem pojawiają się gatunki pionierskie i w procesie długotrwałej sukcesji wykształca się ponownie jednolita, równowiekowa świerczyna. Jeśli natomiast przed rozpadem, pod okapem powstało odnowienie, po ustąpieniu drzewostanu panującego uzyskuje ono dobre warunki do rozwoju i szybko wzrasta (Jaworski, Poznański 2000). W drzewostanach pasa boru zwartego dominują drzewa rosnące pojedynczo, jednak wykształcają się także biogrupy złożone z 3 4 jednowiekowych świerków, nie tworzących wyraźnych zgrupowań jednak znacznie wpływających na siebie. Ze wzrastającą wysokością nad poziom morza zmniejsza się udział pojedynczo rosnących drzew na rzecz biogrup i w ten sposób pas boru zwartego przechodzi stopniowo w bór luźny (Jaworski, Poznański 2000). W tym pasie drzewa są wyraźnie zróżnicowane wysokościowo a w stadium dorastania ich struktura zbliża się do lasu przerębowego o małej zasobności 244 do 454 m 3 /ha (Karczmarski 1995). Charakterystyczną cechą boru luźnego, odróżniającą go od niżej leżącego pasa boru zwartego, jest budowa nieregularnie rozmieszczonych biogrup. Tworzy je 3 8 świerków o wysokości od metrów i zróżnicowanym wieku od 38 do 265 lat (Jaworski, Poznański 2000). Często są one rozmieszczone w jednym szeregu, co jest efektem odnawiania na martwym, leżącym pniu. Korony drzew osadzone są wysoko wewnątrz biogrupy a na zewnątrz otaczają ją nisko zwieszonymi gałęziami. Wokół starszych drzew, których korony zwieszają się do ziemi, wytwarzają się korzystne warunki do rozwoju młodego pokolenia. W ten sposób powstają nowe biogrupy a istniejące powiększają się. Drzewa, w tym paśmie, są także bardziej zbieżyste niż w borze zwartym i dzięki temu są stabilniejsze. Stadium optymalne boru luźnego trwa krótko i jest niewyraźnie wykształcone. Natomiast stadium rozpadu z fazą odnowienia i stadium dorastania jest dłuższe niż w przypadku boru zwartego.

13 Cykl rozwojowy górnoreglowych borów świerkowych Bory świerkowe regla górnego Tatr, Babiej Góry i Pilska zaliczane są do karpackich lasów o charakterze pierwotnym. W swoim rozwoju przechodzą one następujące stadia: dorastania, optymalne oraz terminalne. W ramach poszczególnych stadiów można natomiast wyróżnić szereg faz rozwojowych, takich jak: fazę odnowienia, dwuwarstwową, przerębową, starzenia i obumierania. Poszczególne stadia i fazy rozwojowe mogą zajmować powierzchnię od 0.5 do kilku hektarów, co jest zależne od czasu ich trwania w pełnym cyklu rozwojowym (Jaworski, Poznański 2000). Cykl rozwojowy górnoreglowych borów świerkowych trwa od 300 do 400 lat, przy czym poszczególne stadia nakładają się na siebie i mogą trwać od 100 do 120 lat. Las pierwotny wykazuje właściwości autoreprodukcji i autoregulacji, co wyraża się między innymi stałym zapasem na określonej dla gatunku powierzchni minimalnej. Dla boru świerkowego w pasie wysokości m n.p.m. powierzchnia ta musi wynosić minimalnie ha (Jaworski, Poznański 2000). Stadium dorastania wyróżnia się w drzewostanie wraz z pojawieniem się w nim odnowienia, co wiąże się jednocześnie z obumieraniem drzew starej generacji. Faza odnowienia występuje nie tylko podczas stadium dorastania pojawia się już w stadium terminalnym i przenika do stadium dorastania. Trwający stale proces odnowienia prowadzi niekiedy do wytworzenia fazy przerębowej, która ma jednak charakter tylko przejściowy. Po pewnym czasie drzewostan traci cechy lasu przerębowego i przechodzi do drzewostanu jednopiętrowego, charakterystycznego dla stadium optymalnego. Drzewostan stadium dorastania charakteryzuje obecność przeważnie młodego pokolenia drzew, charakteryzujące się tendencją rozwojową, wykazującą dodatni przyrost miąższości i zasobności na jednostkę powierzchni. Stadium to odznacza się również dużym udziałem drzew w dolnej i środkowej warstwie wysokim stopniem zwarcia, dużą żywotnością drzew, w tym także drzew o większych rozmiarach, nieznaczną śmiertelnością drzew górnej warstwy, przeciętną liczbą drzew żywych oraz średnią zasobnością. Z czasem zróżnicowanie wysokościowe zanika, pomimo zachowania zróżnicowania wiekowego drzew. Drzewostan przechodzi wówczas w stadium optymalne, które cechuje między innymi: maksymalna zasobność i wymiary, brak wzrostu na wysokość, które związane jest z osłabieniem żywotności drzew. Stadium optymalne cechuje mała liczba drzew na

14 jednostce powierzchni, dostrzegalne zwiększenie śmiertelności drzew a miejscami nawet powstawanie luk i wyraźna przewaga drzew największych stopni grubości. W fazie starzenia, będącej jedną z końcowych faz stadium optymalnego, drzewa, które osiągnęły już wiek biologicznej śmierci, zaczynają obumierać a powstałych w ten sposób trwałych lukach powstaje odnowienie. Faza starzenia przechodzi w fazę odnowienia, stanowiącą przejście pomiędzy stadium optymalnym a obumierania. W stadium tym zasobność drzewostanu gwałtownie zmniejsza się ze względu na wypadanie najpotężniejszych drzew, których ubytek nie jest kompensowany przyrostem bieżącym miąższości powstającego młodego pokolenia. Masa drzewostanu jest rozmieszczona bardzo nieregularnie. Grupy lub kępy drzew są oddzielone przerwami w zwarciu lub powstającym odnowieniem. Budowa drzewostanu w stadium terminalnym może być mniej lub bardziej urozmaicona. Jest ona zależna od tempa rozpadu i składu gatunkowego drzewostanu. Cykl rozwojowy lasu pierwotnego zamyka faza obumierania, podczas której wydzielają się ostatnie okazy drzew poprzedniego pokolenia (Jaworski, Poznański 2000) Górna granica lasu Górna granica lasu (g.g.l.) jest pasem szerokości kilkunastu do kilkudziesięciu metrów wieńczącym strefę górnoreglowych borów świerkowych. W swoim przebiegu ulega ona często znacznym wahaniom wysokościowym, wynikającym zarówno z przyczyn naturalnych, jak i sztucznych, tj. najczęściej antropogenicznym. Pojawienie się g.g.l. wynika z wielu, nakładających się na siebie czynników abiotycznych takich, jak spadek średniej temperatury, wzrost jej dobowych wahań, skrócenie okresu wegetacyjnego, wzrostu sumy opadów (Sokołowski 1928, Fabijanowski 1955). Według niektórych badaczy przejście od zwartych drzewostanów świerkowych, przez drzewostany boru luźnego, po tereny bezleśne następuje powoli i niemal niezauważalnie, nie można więc jednoznacznie określić dokładnej linii przebiegu granicy lasu (Piękoś Mirkowa, Mirek 1996, Sokołowski 1928). Fabianowski (1955) podaje, że za g.g.l. uznaje się pas, gdzie kończą się drzewostany o zwarciu rozluźnionym a zaczynają grupy świerków lub limb, które nie tworzą już lasu w ogólnie przyjętym pojęciu. Naturalna górna granica lasu w Tatrach przebiega najwyżej na grzbiecie Żabiego, na wysokości około 1650 m n.p.m., natomiast najniżej na stokach Sarniej

15 Skałki, gdzie ze względu na ukształtowanie tereny (silne spadki stoków) schodzi na wysokość 1264 m n.p.m. (Piękoś Mirkowa, Mirek, 1996). Podejście do zagadnienia górnej granicy lasu jest bardzo złożone. Wyróżnionych zostało kilka kryteriów, określających jej przebieg, w związku z czym Sokołowski (1928) określił następujące typy g.g.l.: empiryczną (łączącą wszystkie najwyższe punkty lasu), granicę właściwą (linia łącząca wszystkie najwyżej rosnące okazy drzew); górną granicę występowania drzew (granica drzew oraz granica gatunku). Sokołowski (1928) za najważniejszą przyjmował empiryczną górną granicę lasu, która jest odzwierciedleniem wszystkich czynników mających na wpływ na występowanie drzew, zarówno naturalnych, jak i sztucznych. Dla Tatr za górną granicę lasu przyjął Sokołowski (1928) pas drzewostanu świerkowego osiągający wysokość 8 m. Pas ten może jednak nie odpowiadać powyższym kryteriom, gdyż w pewnych warunkach może wcale nie występować. Z tego też powodu Zientarski (1985) uznaje, że ważniejsze jest kryterium zwarcia drzewostanu niż jego wysokości drzewostanu Czynniki naturalne kształtujące piętra roślinności Rozmieszczenie pięter roślinnych w Tatrzańskim Parku Narodowym pozostaje w ścisłym związku z układem warunków abiotycznych (uwarunkowania klimatyczne, podłoże geologiczne i glebowe, zróżnicowanie orograficzne) i oddziaływaniem czynnika antropogenicznego, silnie wpływającego na przyrodę Tatr Klimat Powstanie pięter roślinnych na obszarze Tatr jest między innymi efektem zmian klimatycznych w gradiencie wysokościowym. Poszczególne piętra roślinne, wykształcone w Tatrach, powiązane są z granicami dwustopniowych przedziałów średniej temperatury roku, która zmienia się w profilu pionowym od +6 C u podnóży Tatr do 4 C na wierzchołkach, oraz z wyróżnionymi piętrami klimatycznymi: zimnym, umiarkowanie zimnym, bardzo chłodnym i umiarkowanie chłodnym (Hess 1996).

16 Wielkość opadów atmosferycznych jest także ściśle powiązana z wysokością nad poziomem morza oraz z ekspozycją wietrzną stoków, kierunkiem dolin, wysokością względną grzbietów i występowaniem cieni opadowych. Sumy roczne opadów rosną od podnóży Tatr ku ich szczytom. W Zakopanem, na wysokości 844 m n.p.m., notowane średnie roczne sumy opadów wynoszą 1138 mm a na szczycie Kasprowego Wierchu suma ta wynosi już 1876 mm (Hess 1996). Liczba dni z pokrywą śnieżną zwiększa się natomiast od 100 u podnóża Tatr do około 290 na najwyższych szczytach. Istnieje także ścisła zależność pomiędzy średnią roczną temperaturą a ilością dni z pokrywą śnieżną. Wraz ze spadkiem temperatury o 1 C liczba dni z pokrywą śniegu zwiększa się o 20 (Hess 1996). Czynnikiem silnie wpływającym na drzewostany TPN jest także wiatr. Przeważającymi kierunkiem wiatrów na szczytach Tatr jest kierunek zachodni, co odpowiada tendencjom naszej strefiy klimatycznej. Wartości średniej rocznej prędkości wiatru wzrastają trzykrotnie od podnóża Tatr ku ich szczytom i wynoszą odpowiednio od 2 do ponad 6 m/s. Wraz ze wzrostem wysokości zmienia się także liczba dni z silnym wiatrem, od około 20 dni u podnóży do 200 w partiach szczytowych. Szczególne zwiększenie liczby dni z wiatrem silnym występuje w środkowej części masywu, na wysokości około m n.p.m., tj. górnej granicy lasu. W części wysokogórskiej zdarzają się także wiatry huraganowe o prędkościach nierzadko dochodzących do kilkudziesięciu metrów na sekundę (Hess 1996). Do najsilniejszych wiatrów, mających duży wpływ na przyrodę Tatr, należą wiatry halne, zwane również fenowymi. Są to wiatry spadające po północnych stokach Tatr, odznaczające się dużą porywistością i prędkością. Osiągają one w porywach do metrów na sekundę, powodując często znaczne spustoszenia w lasach w postaci rozległych wiatrołomów. Ciepłe i suche masy powietrza niesione przez wiatry halne przyspieszają topnienie śniegu oraz a tym samym rozwój wegetacji (Hess 1996) Geologia i rzeźba terenu Rzeźba terenu dzisiejszych Tatr jest rezultatem długotrwałej działalności wielu czynników rzeźbotwórczych, które mimo iż działały symultanicznie, pozostawiły po sobie zróżnicowaną budowę tych gór (Klimaszewski 1996).

17 Przez przełęcz Liliowe przebiega granica pomiędzy krystalicznymi Tatrami Wysokimi a Zachodnimi, cechującymi się bardziej złożoną budowa geologiczną. Cały teren badań leży na terenie Tatr Wysokich, noszących cechy rzeźby wysokogórskiej. Są one zbudowane z głównie z odpornego granodiorytu i zostały silnie przemodelowane podczas trzech okresów glacjalnych przez lodowce dolinne oraz przez procesy preglacjalne, związane z klimatem zimnym. Charakterystycznym rysem Tatr Wysokich są doliny walne Białki oraz Suchej Wody wraz z uchodzącymi do nich dolinami wiszącymi, o budowie zdradzającej wyraźne cechy przekształcenia przez lodowce. W tej części Tatr występują też liczne kotły lodowcowe, często wypełnione wodami stawów tatrzańskich oraz zbiorniki firnowe. Tatry Zachodnie w części południowej składają się z gnejsów i łupków krystalicznych podczas gdy część północna zbudowana jest ze skał mezozoicznych wapieni triasowych oraz jurajsko kredowych. Ma to swoje odzwierciedlenie w rzeźbie tego obszaru, z zaokrąglonymi grzbietami w części krystalicznej i kontrastami pomiędzy łagodnymi wierzchołkami a przepaścistymi dolinami w części wapiennej Piętra geoekologiczne Tatr Wysokościowe zróżnicowanie elementów klimatycznych i zespołów roślinnych Tatr, nakładające się na formy rzeźby oraz osady, odziedziczone z minionych okresów geologicznych jest podstawą do wydzielenia pięter geoekologicznych. Piętra te są określonymi środowiskami naturalnymi, modelowanymi przez różne zespoły procesów morfogenetycznych. Na terenie Tatr wyróżnia się cztery piętra geobotaniczne (Kotarba 1996). Piętro seminiwalne zajmuje najwyższe położenia górskie pas turni na wysokości m n.p.m. W tej strefie gleby występują tylko sporadycznie i, na granitowym podłożu Tatr Wysokich, mają głównie charakter rankerów bielicowych (Kotarba 1996). Poniżej położone jest piętro alpejskie, którego dolną granica ustalona została na wysokość m n.p.m. Rzeźbę tego piętra tworzy zespół grzbietów i stoków o mniejszych wysokościach względnych a w Tatrach Wysokich także fragmenty cyrków glacjalnych. Gleby w tym paśmie, wytworzone na podłożu krystalicznym,

18 mają charakter głównie rankerów bielicowych, okrytych roślinnością bogatych muraw wysokogórskich (Kotarba 1996). Piętro subalpejskie ma na ogół wyraźny zasięg określony górną granicą lasu ( m n.p.m.). Panuje tu rzeźba dolin lodowcowych a do typowych gleb należą tu bielice próchniczne na podłożu skał krystalicznych. Jest to siedlisko zarośli kosodrzewiny (Kotarba 1996). Poniżej piętra subalpejskiego występuje piętro leśne obejmujące drzewostany regla górnego i dolnego. Panująca tam rzeźba nosi ślady rzeźby glacjalnej (wykształconej przez lodowiec pokrywający w plejstocenie obszary dolin), czy peryglacjalnej (wykształconej pod wpływem klimatu okołolodocowego, na obszarach nie objętych bezpośrednio zlodowaceniem). Strome lub umiarkowanie strome stoki pokryte są pokrywami peryglacjalnymi, natomiast dna dolin usłane są osadami lodowcowymi, rzeczno-lodowcowymi i niweo-fluwialnymi. Utwory krystaliczne są w tym pasie dobrym podłożem dla wykształcania się gleb bielicowych, próchnicznożelazistych (Kotarba 1996) Gleba Tatry charakteryzuje fragmentaryczność pokrywy glebowej, co oznacza że wśród gleb o dobrze wykształconym profilu występują wyspowo skaliste utwory bezglebowe oraz gleby inicjalne. Cecha ażurowości pokrywy glebowej jest charakterystyczna dla gór wysokich a w Tatrach najpełniej wykształciła się w piętrze halno turniowym. Charakterystyczny jest także dla gleb tatrzańskich duży udział okruchów skalnych w masie glebowej oraz ich płytki profil glebowy. Wynika to z cech litologicznych podłoża oraz z dynamiki procesów stokowych (Komornicki, Skiba 1996). Na terenie Tatrzańskiego Parku Narodowego wyróżniono wiele jednostek taksonomicznych gleb. Gleby inicjalne i słabo wykształcone, takie jak litosole, regosole i rankery, zajmują ok. 30% powierzchni TPN, gleby bielicowe 20%, gleby brunatne, występujące głównie w reglu dolnym, zajmują ok. 10% powierzchni masywu. Pozostałe typy gleb, takie jak murszowe, mady, deluwialne, torfowe i glejowe, zajmują około 5% (Komornicki, Skiba 1996).

19 Czynniki antropogeniczne kształtujące szatę roślinną Tatrzańskiego Parku Narodowego Działalność człowieka w Tatrach miała miejsce już w XIII wieku, kiedy to na terenie Podhala rozpoczęło się systematyczne osadnictwo. Pod wpływem człowieka Podtatrze i lasy tatrzańskie ulegały stopniowo przeobrażeniom, do których, oprócz wspomnianego już osadnictwa, przyczyniły się także czynniki takie jak pasterstwo, górnictwo a także rabunkowa eksploatacja lasów (Fabijanowski 1955). Pasterstwo, silnie związane z procesem osadniczym, powodowało znaczne szkody w przyrodzie tatrzańskiej. Przede wszystkim ilości wypasanych na halach zwierząt znacznie przekraczały możliwości ich wyżywienia, w związku z czym zwierzęta szukały uzupełnienia pokarmu na terenach leśnych. Wszelkie pojawiające się odnowienie było doszczętnie zgryzane i wydeptywane, uszkadzane były także płytko zalegające korzenie świerków, torując drogę do infekcji grzybowych, które z kolei ułatwiały zasiedlenie drzew przez korniki. Las był poza tym wyrąbywany dla powiększenia powierzchni polan oraz dla pozyskania budulca do wznoszenia domostw i wytwarzania narzędzi (Fabijanowski 1955). O rozmiarach szkód wywołanych w ten sposób dobitnie świadczy fakt obniżenia o aż 300 metrów górnej granicy lasu na terenie bardzo intensywnie użytkowanej doliny Jaworzynki. Obniżenie górnej granicy lasu, tłumaczone głównie wypasem zaznacza się wyraźnie na 75% jej przebiegu (Fabijanowski 1955). Znaczne zmiany w lasach tatrzańskich spowodował także rozwój górnictwa i hutnictwa, datowany już od XVI wieku a charakteryzujący się największym nasileniem w XVIII i XIX wieku. Rozwój przemysłu pociągnął za sobą wzmożone zapotrzebowanie na drewno do sztolni oraz na budynki, jak również do opalania pieców hutniczych i wytapiania rudy (Fabijanowski 1955). Należy zaznaczyć że przemysł na terenie Tatr nie ograniczał się wyłącznie do górnictwa i hutnictwa. Przez pewien okres działała na terenie doliny Bystrej papiernia pozyskująca ogromne ilości drewna na papierówkę i podejmująca próby eksportu swych produktów nawet do Paryża i Budapesztu. Rabunkową działalność na terenie Tatr ukrócił dopiero Hrabia Zamoyski w 1889 roku. Bezpośrednią konsekwencją tak intensywnej gospodarki była zasadnicza zmiana składu gatunkowego tatrzańskich lasów. W XVIII i XIX wieku, na siedliska lasów bukowych i bukowo jodłowych, wprowadzono sztucznie świerk. Dzisiejszy

20 zupełny brak buka na niektórych obszarach regla dolnego tłumaczy się głównie właśnie zbyt intensywnym użytkowaniem tego gatunku jako materiału opałowego i surowca do produkcji cennego węgla drzewnego (Fabijanowski 1955). Współczesnym czynnikiem antropogenicznym kształtującym przyrodę tatrzańską jest turystyka zarówno letnia jaki i zimowa (narciarstwo). Jej wpływ na przyrodę Tatr zaznacza się poprzez niszczenie roślinności na szlakach i punktach widokowych oraz uruchomienie procesów erozyjnych wzdłuż szlaków. Turyści nieświadomie wprowadzają także obce gatunki roślin do flory tatrzańskiej. Ważny jest także problem ścieków i śmieci pozostawianych przez nich corocznie na szlakach.