Wpływ zmian klimatu na fenologię wybranych gatunków roślin wskaźnikowych w Polsce Praca doktorska wykonana na Wydziale Biologii Uniwersytetu Warszawskiego Autor: Katarzyna Jabłońska Promotor: Prof. dr hab. Anna Kwiatkowska- Falińska Recenzenci: Prof. dr hab. Zbigniew Ustrnul Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, Uniwersytet Jagielloński oraz IMGW-PIB Prof. dr hab. Jerzy Solon Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN Według ekspertów IPCC (Międzynarodowy Panel Ekspertów ds. Zmian Klimatu) działającego pod auspicjami ONZ, ostatnia dekada XX wieku była najcieplejszym okresem ostatniego tysiąclecia. W XX w. powierzchnia lądów ogrzała się średnio o 0,78 o C, a najbardziej ociepliły się średnie i wyższe szerokości geograficzne. Ocieplenie klimatu wpływa również na fizyczne i biologiczne komponenty ekosystemów, zmieniając przyrodę wraz z jej charakterystycznymi cyklami fenologicznymi. Badania dotyczące zmian w rytmach przyrody wykazały, że dobrym wskaźnikiem zmian klimatu są reakcje różnych gatunków roślin na rosnące trendy temperatury, co przejawia się w przyspieszeniu terminu początku faz fenologicznych (IPCC, 2007; Bissolli P. i in., 2005; Menzel A. i in., m.in. Jatczak* K., 2006). Skala tych zmian jest zróżnicowana przestrzennie i odpowiada obserwowanym zmianom klimatu w różnych szerokościach geograficznych. Sytuacja ta postawiła przed fenologią, jako dziedziną nauki całkiem nowe zadania, włączając ją w nurt badań nad klimatem i spowodowała rozwój badań fenologicznych w Europie (Koch E., 2009; Scheifinger H. i in. 2007; Siljamo P.i in., m.in. Jatczak* K., 2008). Celem badań było zweryfikowanie hipotezy zakładającej, że rosnącemu trendowi temperatury towarzyszy przyspieszenie terminów pojawów fenologicznych badanych gatunków na obszarze Polski oraz ustalenie: a) od której z charakterystyk temperatury zależy w największym stopniu termin badanych pojawów fenologicznych, b) czy zależność terminu pojawów fenologicznych od temperatury jest taka sama dla wszystkich badanych pojawów i gatunków wskaźnikowych, c) czasowych i przestrzennych wzorców zmian terminów pojawów fenologicznych w badanym wieloleciu, d) czy zależność terminu pojawów 1
fenologicznych od czasu jest taka sama dla wszystkich badanych pojawów i gatunków wskaźnikowych i stała w kolejnych dekadach. Materiał i metody Do badania zmian w fenologii gatunków zachodzących pod wpływem wzrostu temperatury wybrano gatunki uwzględniane najczęściej w badaniach klimatologicznych, których fazy fenologiczne wykorzystywane są do charakterystyki fenologicznych pór roku. Po wstępnym opracowaniu statystycznym 14 pojawów fenologicznych 10 gatunków wskaźnikowych, do szczegółowej analizy zmian na wykresach i mapach wybrano te gatunki, które w danej porze roku charakteryzowały się największą zmiennością terminów pojawów w badanym wieloleciu: Corylus avellana, Tussilago farfara, Betula pendula, Robinia pseudoacacia, Calluna vulgaris. Analizy były oparte na danych fenologicznych, pochodzących z 25 posterunków obserwacyjnych, rozmieszczonych niezbyt równomiernie na terenie całego kraju. Największe braki materiału badawczego dotyczyły obszaru południowo-wschodniej Polski, co znacznie utrudniało charakterystykę zmienności przestrzennej. Dysponowałam danymi meteorologicznymi w postaci średniej miesięcznej temperatury powietrza, pochodzącymi z 14 stacji meteorologicznych, zlokalizowanych najbliżej posterunków fenologicznych. Dane fenologiczne i meteorologiczne pochodziły z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej- PIB. Okresem badawczym było wielolecie 1951-1990. Przy doborze odpowiedniej metodyki pracy przyjęłam wytyczne z europejskiego projektu COST 725 Wykorzystywanie danych fenologicznych na potrzeby opracowań klimatologicznych, którego byłam uczestnikiem. Statystyczne analizy zmian terminów faz fenologicznych oraz ich zależności od zmian charakterystyk termicznych przeprowadzono na podstawie analizy liniowej regresji z wykorzystaniem modelu regresji i korelacji. Przy wnioskowaniu uwzględniano wartości współczynnika kierunkowego trendu oraz współczynnika korelacji liniowej r-pearsona. Dodatkowo w celu uszczegółowienia charakterystyki terminów faz fenologicznych w badanym wieloleciu i w kolejnych jego dekadach zbadano statystyczną istotność różnic między średnimi, wykorzystując jednoczynnikową analizę wariancji ANOVA. Wyżej wymienione metody statystyczne zastosowano po sprawdzeniu statystycznym warunków ich stosowalności (odpowiednio: zgodność z rozkładem normalnym i równość wariancji). 2
Wyniki prezentowane były graficznie w postaci: wykresów, tabel oraz map, które miały ułatwić interpretację otrzymanych wyników statystycznych oraz zilustrować charakterystyki przestrzenne terminów i tendencje zmian fenologicznych, występujących w środowisku geograficznym Polski w analizowanym okresie badawczym. Wyniki i Wnioski Wyniki niniejszej pracy, pozwoliły oszacować wpływ temperatury na zmienność terminu poszczególnych faz fenologicznych. Opisywane w pracy fazy fenologiczne wybranych gatunków wskaźnikowych dobrze odzwierciedlają sezonowy rozwój wegetacji i następowanie po sobie kolejnych fenologicznych pór roku. Kierunek zmienności przestrzennej każdej z analizowanych faz fenologicznych poszczególnych gatunków oddaje specyfikę przemieszczania się przez obszar naszego kraju fenologicznych pór roku. Kwitnienie leszczyny pospolitej oraz podbiału pospolitego w Polsce rozpoczynało się na południowym-zachodzie, postępując ku północnemu-wschodowi. Na mapach zakwitania bzu lilaka, charakteryzującego pełnię wiosny, zatarły się różnice pomiędzy zachodnia i wschodnia częścią Polski, a opóźnienie widoczne jest w północnej i południowej części kraju. Natomiast kwitnienie robinii akacjowej obejmowało obszar naszego kraju w kierunku zbliżonym do równoleżnikowego, co charakterystyczne jest dla letnich fenologicznych pór roku. Jesienne fazy pojawiały się na początku we wschodnich rejonach kraju, postępując w kierunku północno-wschodnim oraz południowym, jak miało to miejsce przypadku wrzosu zwyczajnego. Żółknięcie brzozy brodawkowatej rozwijało się z północnego-wschodu i północnego-zachodu na południe. Spośród wszystkich analizowanych fenofaz największą zmiennością w badanym wieloleciu charakteryzowały się wczesnowiosenne fenofazy (początek kwitnienia żeńskich kwiatów Corylus avellana SD =20 dni, początek kwitnienia Tussilago farfara SD =16 dni. Zmienne były również fazy jesienne: początek kwitnienia Calluna vulgaris, żółknięcie liści Betula pendula SD =16 dni. Zdecydowanie mniejszą zmiennością charakteryzowały się fazy późnowiosenne: początek kwitnienia Syringa vulgaris SD =9 dni, początek kwitnienia Aesculus hippocastanum - SD =8 dni. Przy badaniu zależność terminu pojawów fenologicznych od czasu, dla większości faz uzyskano trendy ujemne, jednakże były one nieistotne statystycznie. Istotne statystycznie trendy uzyskano tylko w sezonie letnim. Na przeważającym obszarze Polski, przyspieszenie kwitnienia robinii akacjowej wynosiło od - 5 do -3 dni/ 10 lat, przy czym największe zmiany pojawiły się na południowym - zachodzie oraz północnym wschodzie kraju, tymczasem na wschodzie obserwowane było opóźnianie procesu. Istotne trendy uzyskano również 3
w przypadku pojawu jesiennego - żółknięcia liści brzozy brodawkowatej. Najsilniejsze przyspieszanie (<-5 dni/ 10 lat) procesu występowało na południowym - zachodzie oraz północnym wschodzie kraju. Opóźnianie procesu obserwowane było w centrum oraz na wschodzie. Przyspieszanie terminów faz fenologicznych w badanym wieloleciu obrazuje analiza przestrzenna zmienności dekadowej średnich terminów faz fenologicznych. Wyraźne różnice ujawniły się szczególnie przy zestawieniu pierwszej i ostatniej dekady badanego wielolecia. Na mapach 1951-1960 znaczne regiony kraju obejmowały terminy późne, których zasięg, w miarę upływu kolejnych dekad znacznie się zmniejszał. Natomiast na mapach 1981-1990 pojawiły się terminy wczesne, które nie występowały w pierwszej dekadzie badanego wielolecia. Przy badaniu zależności terminu pojawów fenologicznych od średniej miesięcznej temperatury stwierdzono najwyższą korelację z temperaturą miesiąca poprzedzającego dany pojaw (w sezonach, w których zaobserwowano przyspieszanie reakcji fenologicznych). Np. kwitnienie leszczyny występujące średnio na początku marca najsilniej skorelowane było ze średnią temperaturą lutego, kwitnienie podbiału występujące średnio na początku kwietnia najsilniej skorelowane było ze średnią temperaturą marca, listnienie brzozy ze średnią temperaturą kwietnia, kwitnienie akacji-ze średnią temperaturą maja itd. U większości gatunków zdecydowane przyspieszenie reakcji fenologicznych, związane ze zmianami średniej miesięcznej temperatury, zaznaczało się w sezonie wiosennym i letnim. Istotne, ujemne trendy zmian wystąpiły w przypadku kwitnienia leszczyny i podbiału oraz listnienia brzozy i kwitnienia akacji. W sezonie wiosennym, zmiany kwitnienia leszczyny i podbiału oraz listnienia brzozy na przeważającym obszarze Polski zachodziły w tempie od -4 do -2 dni /1 o C. Większe przyspieszenie zaznaczało się na zachodzie kraju. W sezonie letnim zmiany kwitnienia robinii akacjowej zachodziły podobnie jak w sezonie wiosennym w tempie od -4 do -2 dni /1 o C na przeważającym obszarze Polski. Większe przyspieszenie zaznaczało się na zachodzie i południu kraju. W sezonie wiosennym i letnim największe przyspieszenie pojawów fenologicznych występowało na obszarze zachodniej Polski. Nie stwierdzono jednak wspólnego wzorca zróżnicowania przestrzennego (zachód - wschód). Dla sezonu jesiennego nie udowodniono związku pomiędzy zmianami terminu pojawów fenologicznych a zmianami średniej miesięcznej temperatury. Uzyskane wyniki potwierdziły rezultaty badań prowadzonych w całej Europie, które dowodzą, iż fenologia gatunków reaguje na zmiany klimatu w kontekście zmian temperatury. 4
Przebieg zjawisk fenologicznych nie jest wynikiem oddziaływania wyłącznie warunków termicznych (np. wzrostu temperatury). W dalszych etapach badań nad zjawiskami fenologicznymi, prowadzonymi przez badaczy zainteresowanych interdyscyplinarnymi zagadnieniami związanymi ze zmianami klimatu, warto oszacować wpływ czynników solarnych, higrycznych i pluwialnych na przebieg zjawisk fenologicznych. LITERATURA 1. Bissolli Peter [et all.], 2005, 50-year time series of phenological phases in Germany and Slovakia: a statistical comparison. Meteor. Z. Vol. 14 nr 2 s. 173-182 2. IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 (AR4), Contribution of Working Group II : Impacts, Adaptation and Vulnerability 3. Koch E., Donelly A., Lipa W., Menzel A., Nekovar J., 2009, Final Scientific Raport of COST 725, COST Office 4. Menzel Annette [i in.; m.in. Jatczak* K.], 2006, European phenological response to climate change matches the warming pattern. Global Change Biology Vol. 12 nr 10 s. 1969-1976 5. Scheifinger H., Koch E., Matulla C., and Cate P., 2007, New frontiers in plant phenological research, Geophysical Research Abstracts, Vol. 9 6. Siljamo P.[i in.; m.in. Jatczak* K.], 2008, Representativeness of point-wise phenological Betula data collected in different parts of Europe. Research paper. Global Ecology and Biogeography, DOI: 10.1111/j.1466-8238.2008.00383.x * Nazwisko panieńskie 5