pobierz plik - Wydział Biologii UW

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 0,78oC, 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 /1oC. 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 /1oC 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