Aktualna i potencjalna produkcyjność siedlisk leśnych

Transkrypt

1 Aktualna i potencjalna produkcyjność siedlisk leśnych - sposoby określania oraz praktyczne znaczenie dla gospodarki leśnej Jarosław Socha Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Wydział Leśny

2 Produkcyjność siedliska Aktualna i potencjalna produkcyjność siedliska. Metody określania potencjalnej produkcyjności siedlisk leśnych. Współczesne kierunki w rozwoju metod określania produkcyjności siedlisk leśnych. Zastosowanie modeli geocentrycznych do oceny wpływu zmian klimatu na produkcyjność siedlisk leśnych.

3 Produkcyjność siedliska Produkcyjność siedliska jest ilościową oceną możliwości siedliska do produkcji biomasy roślin (Skovsgaard, Vanclay 2007) i obejmuje dwie koncepcje: Aktualną produkcyjność realizowaną przez drzewostan Potencjalne możliwości produkcyjne

4 Aktualna i potencjalna produkcyjność siedliska Aktualna produkcyjność siedliska rzeczywisty przeciętny roczny przyrost sumarycznej produkcyjności w ciągu całego cyklu produkcji (Bruchwald 1980). Potencjalna produkcyjność siedliska możliwa do uzyskania w danych warunkach siedliskowych wielkość przyrostu sumarycznej produkcyjności w ciągu cyklu produkcji.

5 Zawężona definicja potencjalnej produkcyjności siedliska Przez potencjalną produkcyjność siedliska można rozumieć produkcję drewna która może być zrealizowana przez określony genotyp oraz sposób gospodarowania (Skovsgaard i Vanclay 2007). Przez gospodarowanie można wpływać na produkcyjność przez: Przygotowanie siedliska Wybór zabiegów hodowlanych Dobór gatunku Proweniencji Więźby Trzebieży Sposobu odnowienia Tak zdefiniowana potencjalna produkcyjność zależy głównie od warunków siedliskowych.

6 Praktyczne znacznie potencjalnej produkcyjności siedlisk Ustalanie docelowego składu gatunkowego drzewostanów Ustalanie wieku rębności oraz etatów (im lepsze siedlisko tym niższy wiek rębności oraz częstsze i silniejsze trzebieże) Iloraz aktualnej i potencjalnej produkcyjności świadczy o wykorzystaniu zdolności produkcyjnych siedliska i powinien być jednym z kryteriów oceny pilności przebudowy drzewostanów Ocena możliwości produkcji biomasy i sekwestracji węgla Reintrodukcja gatunków Ocena wpływu zmian warunków klimatycznych na ekosystemy leśne 6

7 Typy siedliskowe lasu a produkcyjność siedlisk leśnych Przedmiotem prac siedliskowych w gospodarstwie leśnym są warunki siedliskowe, determinujące przebieg wzrostu i rozwoju lasu, stanowiące przyrodnicze podstawy urządzania lasu i główny czynnik produkcji podstawowej (produkcji na pniu). Obszary należące do tego samego typu siedliskowego lasu wykazują podobne zdolności produkcyjne i przydatność dla hodowli lasu. Instrukcja wyróżniania i kartowania siedlisk leśnych. Problem nr 1: Typy siedliskowe lasu nie odzwierciedlają potencjalnych zdolności produkcyjnych siedlisk dla poszczególnych gatunków.

8 Typy siedliskowe lasu a produkcyjność siedlisk leśnych A. Siedliska górskie Typ gleby i jej wilgotność nie dają podstaw do precyzyjnej oceny potencjalnej produkcyjności siedlisk górskich (Kliczkowska 1992, 1993, Kliczkowska, Bruchwald 2000). Z badań Lasoty (2004) wynika, że na przykład na siedlisku LMG regla środkowego świerki osiągają od I do III klasę bonitacji. Nie stwierdzono różnic w bonitacji dla siedlisk zlokalizowanych na tych samych wysokościach nad poziom morza LMG i LG (do 1000 m npm.) Brak jest też różnic w bonitacjach drzewostanów na siedliskach BMG i BWG (Kliczkowska i Bruchwald 2000). W ocenie produkcyjności siedlisko może być zastąpione wysokością położenia drzewostanu npm.

9 Typy siedliskowe lasu a produkcyjność siedlisk leśnych B. Siedliska nizinne i wyżynne Stwierdzono bardzo duże zróżnicowanie bonitacji sosny w poszczególnych typach siedliskowych lasu w różnych krainach. Np. drzewostany borów świeżych Bśw charakteryzują się średnią bonitacją od około 21 m w krainie III do 26 m w krainie IV. Bonitacja dla boru mieszanego świeżego BMśw od 26 m w Krainie V do 30 m w krainie I. Najszerszy zakres bonitacji występuje na siedlisku LMśw od 26 w krainie V do 34 w krainie VI. Odpowiada to wartościom sumarycznej produkcji grubizny wynoszącym od 641 do 922 m 3 /ha (30-43 % w zależności w stosunku do której wartości będziemy odnosili sumaryczną produkcję). Z badań Bruchwalda i Kliczkowskiej przeprowadzonych w drzewostanach sosnowych [2000] wypływa wniosek, że aby typ siedliskowy lasu określał możliwości produkcyjne siedliska, należałoby precyzyjniej powiązać go z właściwie zbudowanym systemem krzywych bonitacyjnych.

10 Metody określania produkcyjności siedlisk leśnych Metoda Geocentryczne Pośrednie Bezpośrednia Pośrednia Względna Gleby Analiza składu granulometrycznego wilgotności i zawartość składników pokarmowych w glebie PhAR - Fotosyntetycznie aktywne promieniowanie Podłoże geologiczne Klimat Współrzędne geograficzne Głębokość ukorzenienia Forma próchnicy Roślinność Charakterystyka zbiorowisk roślinnych Fitocentryczne Dendrometryczne Pomiar przyrostu miąższości Bonitacja siedliska określona na podstawie wysokości (SI)

11 Określanie potencjalnej produkcyjności siedliska na podstawie wysokości drzewostanu Oettelt (1764) wskazał wysokość drzewostanu jako indykator produkcyjności. Heyer (1841) jako pierwszy opisał naukowo korelację przyrostu miąższości z przyrostem wysokości. Franz Baur (1877) jako pierwszy skonstruował tablice zasobności z klasyfikacją siedlisk na podstawie wysokości. Głównym argumentem przy zastosowaniu wysokości jako indeksu produkcyjności siedliska było to, że relacja pomiędzy wysokością i wiekiem przypomina relację pomiędzy miąższością plonu i wiekiem.

12 Bonitacja Bonitacja siedliska potencjalne zdolności produkcyjne siedliska dla danego gatunku. Klasa bonitacji: I, II, III, IV, V - stosowana w Polsce Wskaźnik bonitacji (ang.: site index - SI) wysokość drzewostanu w określonym wieku bazowym, najczęściej równym 100 lat (np. 28 m; 24,1 m; 20 m; 16,3 m; 12,5 m - standard światowy

13 Określanie klasy bonitacji siedliska Ryc. 3. Krzywe wzrostu przeciętnej wysokości (H L ) dla różnych klas bonitacji świerka wykreślone na podstawie tablic zasobności Schwappacha (1943) 13

14 Określanie klasy bonitacji siedliska Ryc. 4. Krzywe wzrostu przeciętnej wysokości (H L ) dla różnych klas bonitacji świerka wykreślone na podstawie tablic zasobności Schwappacha (1943) 14

15 Określanie klasy bonitacji siedliska Ryc. 5. Krzywe wzrostu przeciętnej wysokości (H L ) dla różnych klas bonitacji świerka wykreślone na podstawie tablic zasobności Schwappacha (1943) 15

16 Dlaczego bonitacja określana na podstawie wysokości jest najczęściej stosowaną miarą produkcyjności siedliska? Ryc. 6. Zmiana z wiekiem przeciętnej wysokości drzewostanów sosnowych na różnych siedliskach (Schwappach 1943)

17 Dlaczego bonitacja określana na podstawie wysokości jest najczęściej stosowaną miarą produkcyjności siedliska? Ryc. 7. Zmiana z wiekiem przeciętnej wysokości drzewostanów sosnowych na różnych siedliskach (Schwappach 1943)

18 Zamiana klasy bonitacji (zmienna jakościowa skokowa) na wskaźnik bonitacji (zmienna ilościowa ciągła) Ryc. 8. Zmiana z wiekiem przeciętnej wysokości drzewostanów sosnowych na różnych siedliskach (Schwappach 1943)

19 Sumaryczna produkcja drzewostanów sosnowych na różnych siedliskach Ryc. 9. Zmiana z wiekiem sumarycznej produkcji drzewostanów sosnowych na różnych siedliskach (Schwappach 1943)

20 Sumaryczna produkcja w wieku 100 lat Ryc. 10. Zmiana z wiekiem sumarycznej produkcji drzewostanów sosnowych na różnych siedliskach (Schwappach 1943)

21 Związek potencjalnej sumarycznej produkcji ze wskaźnikiem bonitacji Ryc. 11. Zależność sumarycznej produkcji sosny w wieku 100 lat od wysokości drzewostanu w wieku 100 lat (wskaźnika bonitacji) wg tablic zasobności i przyrostu drzewostanów (Schwappach 1943)

22 Związek sumarycznej produkcji ze wskaźnikiem bonitacji Ryc. 12. Zależność sumarycznej produkcji sosny od wysokości w wieku 100 lat (wskaźnika bonitacji) wg tablic zasobności dla sosny (Schwappach 1943)

23 Ryc. 13. Zależność sumarycznej produkcji sosny od wieku i bonitacji wg tablic zasobności dla sosny (Schwappach 1943) Zależność sumarycznej produkcji sosny ( SP So ) od wysokości w wieku 100 lat i wieku drzewostanu

24 Przyczyny błędów określania produkcyjności siedliska Stosowanie błędnie zdefiniowanej wysokości drzewostanu

25 Rodzaje wysokości stosowanych do określania produkcyjności siedliska Wysokość przeciętna (Lorey a) średnia (ważona) wysokość drzew w drzewostanie Wysokość górna H L ngh ng średnia wysokość 20% najgrubszych drzew na 1 ha (Weise 1880), średnia arytmetyczna 100 najwyższych drzew na 1 ha (Hart 1928), średnia wysokość drzew górujących i panujących (I i II klasa Krafta, Dietrich 1923), biologiczna wysokość górna wysokość drzew I, II i III klasy Krafta (Ettel 1949), średnia wysokość 250 lub 200 najgrubszych drzew na 1 ha (Bruchwald 1978) najczęściej stosowaną definicją wysokości górnej jest średnia wysokość 100 najgrubszych drzew na 1 ha (np. Assmann 1968, Bruchwald i in. 1999, 2000) 25

26 Rodzaje wysokości stosowanych do określania produkcyjności siedliska Ryc. 14a. Przeciętna wysokość drzewostanu i jej zmiana po wykonaniu trzebieży 26

27 Rodzaje wysokości stosowanych do określania produkcyjności siedliska Ryc. 14b. Przeciętna wysokość drzewostanu i jej zmiana po wykonaniu trzebieży 27

28 Rodzaje wysokości stosowanych do określania produkcyjności siedliska Wysokość przeciętna (Lorey a) średnia (ważona) wysokość drzew w drzewostanie H L ngh ng Wysokość górna średnia wysokość 100 najgrubszych drzew na 1 ha (np. Assmann 1968, Bruchwald i in. 1999) H 100 ngh(100) ng(100) 28

29 Określanie wysokości górnej drzewostanu Ryc. 14c. Drzewostan przed trzebieżą 29

30 Określanie wysokości górnej drzewostanu Ryc. 14c. Wysokość góna drzewostanu przed trzebieżą 30

31 Określanie wysokości górnej drzewostanu Ryc. 14d. Wysokość górna drzewostanu po trzebieży 31

32 Przyczyny błędów określania bonitacji Stosowanie błędnie zdefiniowanej wysokości drzewostanu Niedostosowanie modeli bonitacyjnych do warunków lokalnych; regionalna zmienność przebiegu wzrostu wysokości. Warunki klimatyczne Warunki glebowe Różny sposób zagospodarowania, hodowli lasu. Zmienność proweniencyjna. Błędy w budowie modeli bonitacyjnych (błędy metodyczne, błędy wynikające z nieodpowiedniego doboru danych oraz metody opracowania modeli bonitacyjnych).

33 Jakie warunki powinien spełniać model bonitacyjny? polimorfizm krzywych bonitacyjnych, pozwalający na uwzględnienie ewentualnych różnic w przebiegu wzrostu wysokości, wynikających z odmiennych warunków siedliskowych; dostosowanie do lokalnych warunków wzrostu; zmienne asymptoty (maksymalne osiągane wysokości) dla różnych siedlisk; możliwość biologicznej interpretacji parametrów równania bonitacji.

34 B u d owa modeli bonitacyjnych n a podstawie czasowych p owierzchni p r óbnych metoda krzywej wiodącej ( a n g. : g u i d e c u rve) Ryc. 15. Krzywa wiodąca wyrównująca przebieg wzrostu wysokości drzewostanów jodły kalifornijskiej w USA (1 stopa = 0,3048 m) Źródło: Mathiasen i in. [2006]

35 Budowa modeli bonitacyjnych na podstawie czasowych powierzchni próbnych metoda krzywej wiodącej (ang.: guide curve) Ryc. 16. Krzywa wiodąca wyrównująca przebieg wzrostu wysokości drzewostanów jodły kalifornijskiej w USA (1 stopa = 0,3048 m) Źródło: Mathiasen i in. [2006]

36 Budowa modeli bonitacyjnych na podstawie obserwacji na stałych powierzchniach próbnych Ryc. 17. Krzywe bonitacyjne dla buka opracowane na podstawie długookresowych obserwacji na stałych powierzchniach badawczych w Danii (źródło: Nord-Larsen 2006). Liczby odnoszą się do wysokości w wieku bazowym 50 lat.

37 Ryc. 18. Długowieczne organizmy wymagają długookresowych badań. Wzrost zasobności buka w eksperymencie trzebieżowym W Fabrikschleichach. Pomiary wykonywane przez ponad 130 lat. Źródło: Pretzsch (2009)

38 Budowa krzywych bonitacyjnych na podstawie analizy wzrostu wysokości drzew z górnej warstwy drzewostanu Ryc. 20. Krzywe wzrostu wysokości 245 sosen z południowej Polski (źródło: Socha, Orzeł 2012) 38

39 Budowa krzywych bonitacyjnych na podstawie analizy wzrostu wysokości drzew z górnej warstwy drzewostanu Ryc. 19. Rozmieszczenie powierzchni badawczych, z których pochodzą dane z analiz strzał 245 sosen (źródło: Socha, Orzeł 2012) 39

40 Budowa modeli bonitacyjnych na podstawie analiz strzał Ryc. 21. Modelowe krzywe wzrostu wysokości wykreślone na bazie opracowanego modelu bonitacyjnego na tle rzeczywistych krzywych wzrostu wysokości drzew. (Socha, Orzeł 2012)

41 Określanie bonitacji siedliska dla sosny na podstawie modelu bonitacyjnego 41

42 Określanie bonitacji siedliska dla sosny na podstawie modelu bonitacyjnego 42

43 Określanie bonitacji siedliska dla sosny na podstawie modelu bonitacyjnego 43

44 Określanie bonitacji siedliska dla sosny na podstawie modelu bonitacyjnego

45 Określanie bonitacji siedliska dla sosny na podstawie modelu bonitacyjnego 45

46 46

47 Model bonitacyjny dla drzewostanów sosnowych z południowej Polski

48 Określanie bonitacji w drzewostanach młodszych (w wieku poniżej ~30 lat)

49 Ograniczenia fitocentrycznych sposobów określania bonitacji siedliska Drzewostany mieszane, różnowiekowe (szczególnie gatunki cienioznośne). Różnice w przebiegu wzrostu wysokości w drzewostanach z odnowienia naturalnego, sztucznego i plantacyjnej uprawy drzew. Brak możliwości ustalenia bonitacji siedlisk dla terenów nieleśnych oraz dla drzewostanów najmłodszych I-IIa Klasa wieku. 49

50 Określanie produkcyjności siedliska w drzewostanach najmłodszych oraz na obszarach bez drzewostanu i terenach nieleśnych

51 Geocentryczne (biogeoklimatyczne) modele potencjalnej produkcyjności siedlisk Metody określania potencjalnej produkcyjności siedlisk bazujące na środowiskowych charakterystykach siedliska nazywane są geocentrycznymi (West 2004, Skovsgaard i Vanclay 2007)

52 Geocentryczne metody określania bonitacji klucz bonitacyjny M - zagłębienie, H - zbocze, R - podłoże bogate, B - podłoże ubogie, N - wystawa północna, S - wystawa południowa, JU - Jura, Mi - Wyżyna Szwajcarska, VR - Przedgórze Alpejskie, WA - Alpy Wysokie.

53 Geocentryczny model bonitacyjny dla topoli osiki w Kolumbii Brytyjskiej Tabela 4. Modele do określania wskaźnika bonitacji (SI) z kombinacji zmiennych klimatycznych i topograficznych [6], klimatycznych i edaficznych [7], klimatycznych i właściwości próchnicy [8a], klimatycznych i gleby mineralnej [8b], klimatycznych i właściwości gleby [8c], klimatycznych i zawartości składników mineralnych w igłach [5] (Klinka i Chen 1998).

54 Ryc. 27. Mapa potencjalnej produkcyjności dla sosny wydmowej (Pinus contorta) w stanie Alberta (USA) (źródło: Monserud & Huang 2003) i Huang 2003) Średni błąd kwadratowy oszacowania bonitacji (RMSE) - 1,16 m 54

55 Model produkcyjności siedlisk dla świerka Ryc. 28 Lokalizacja powierzchni próbnych na tle numerycznego modelu terenu NMT Dane z 334 powierzchni próbnych w drzewostanach świerkowych w Beskidach Pomiary: pierśnica, wysokość Wiek drzewostanu, Wzniesienie n.p.m. Wystawa Nachylenie terenu Charakterystyka drzewostanów Wiek: years Wzniesienie n.p.m.: m Wysokość górna: 14.46m m

56 Lokalny model bonitacyjny dla świerka ( S o c h a ) SI H 1 T T 1,92988 SI 1, ( T ( T 1, ,92988 SI R 16,5122) R 16,5122) 216,5122 H 2 1 R Z0 Z0 1,92988 T Z0 H ,8 1 0,5 SI bonitacja (site index), H wysokość górna, T wiek drzewostanu 56

57 Ryc. 30. Bieżący roczny przyrost wysokości drzewostanów świerkowych wg tablic zasobności Schwappacha (1943) oraz wg modelu bonitacyjnego dla Beskidów Zachodnich (Socha 2011)

58 Geocentryczny model bonitacyjny dla świerka SI 33,7226 0,83868( Elin) 0, ( E K S I) 1,4668( LF10) 5,5676( WŁ) 5,4166( WM ) 4,7565( WK) 4,2556( WB) 4,0076( WP) 3,2210( PH ) 3,5669( PP) 3,5936( WR) 2,12301( WIG) 2,0395( WGG) 1,5180( WID) gdzie: SI wskaźnik bonitacji (site index) E lin linearyzowana wysokość nad poziom morza (E) E lin K B transponowana wartość wystawy [0-2], A azymut [ ], A max wystawa o skrajnych wartościach czynników klimatycznych [ ]. K S nachylenie terenu 277, B sin ,9665 ( E 406,9665)( E 406,8377) E 2 A 90 A 1 max R=0,9115, R 2 adj = 0,8142, RMSE=2,3m 406,8377 LF 10 kategoria terenu szczyty i wysokie grzbiety I wyraz warunkowy równy 0 dla E>950 i 1 dla E<950 m n.p.m. typy podłoża geologicznego: WŁ warstwy łąckie, WM warstwy magurskie, WK warstwy koluwialne, WB warstwy biotytowe, WP warstwy podmagurskie, PH piaskowce hieroglifowe, PP piaskowce pasierbieckie, WR warstwy ropianieckie, WIG warstwy istebniańskie górne, WGG warstwy godulskie górne, WID warstwy istebniańskie dolne.

59 Geocentryczny model bonitacyjny dla świerka

60 Obecne i prognozowane wskaźniki klimatyczne dla Beskidów Scenariusz 1 GISS E 2 CO 2 in 2050 Scenariusz 2 GISS E WC 1.3 CO 2 in 2050 Tabela. Obecne wskaźniki klimatyczne i prognozy klimatu z wykorzystaniem generatora WGEN_K (Socha, Durło 2011) Index Okres Okres Scena-riusz rok Scena-riusz rok Średnia roczna temperatura (MAT) Średnia temperatura w okresie wegetacyjnym Długość okresu wegetacyjnego (days) Roczna suma opadów (mm) (MAPS) Suma opadów w lecie (mm) Suma opadów w okresie wegetacyjnym (mm) Stosunek opadów w zimie do opadów w lecie (%)

61 R=0.82, R 2 =0.67 Funkcja dawki

62 Obecna produkcyjność siedliska

63 Potencjalna produkcyjność siedliska scenariusz 1 dwukrotne zwiększenie CO 2

64 Zmiany produkcyjności siedliska scenariusz 1 dwukrotne zwiększenie koncentracji CO 2

65 Potencjalna produkcyjność siedliska scenariusz 2 30 % zwiększenie koncentracji CO 2

66 Zmiany produkcyjności siedliska scenariusz 2 30% zwiększenie koncentracji CO 2

67 Zmiany produkcyjności siedliska dla świerka w zależności od wzniesienia n.p.m. 67

68 Zmiany produkcyjności siedliska dla buka w zależności od wzniesienia n.p.m. 68

69 Niepewność prognoz 1. Inne ważne czynniki, trudne do przewidzenia, które mogą mieć decydujący wpływ na siedlisko to ekstremalne zjawiska pogodowe takie jak susze, silne opady i huragany, które w ostatnich latach istotnie wpływały na zdrowotność drzewostanów.

70 Podsumowanie Wbrew założeniom przyjętym przy klasyfikacji siedlisk leśnych typy siedliskowe lasu nie odzwierciedlają potencjalnej produkcyjności siedlisk Potencjalną produkcyjność siedliska dla danego gatunku można opisać za pomocą wskaźnika bonitacji określanego na podstawie wysokości górnej drzewostanu za pomocą właściwie zbudowanych lokalnych modeli bonitacyjnych. Zmiany warunków siedliskowych związane z obserwowanymi wahaniami klimatu oraz innymi czynnikami środowiskowymi sprawiają, że statyczne modele produkcyjności siedlisk (w tym tablice) powinny być zastępowane modelami dynamicznymi opisujących związek produkcyjności z właściwościami gleby, podłoża geologicznego, topografii terenu i klimatu. Tego typu modele można stosować również do określania bonitacji dla drzewostanów różnowiekowych, młodych oraz terenów pozbawionych drzewostanu. Dynamiczne, geocentryczne modele produkcyjności siedlisk mogą stanowić podstawę analiz z zakresu strategicznych celów gospodarki leśnej. Niepewność prognoz związanych z różnymi scenariuszami sprawia, że dla zapewnienia wysokiej produkcyjności oraz stabilności ekosystemów leśnych działalność gospodarcza powinna być prowadzona tak by możliwie maksymalnie rozproszyć ryzyko i przez przygotowanie ekosystemów leśnych na różne scenariusze zmian warunków siedliskowych.

71 Dziękuję za uwagę Fot. Drzewostan bukowy w Nadleśnictwie Gryfino o zasobności około 1030 m3/ha (fot. J. Socha)