Monitoring of English oak (Quercus robur L.) phenology in the arboretum Borova Hora D. DOMČEKOVÁ and J. ŠKVARENINOVÁ Department of Applied Ecology, Technical university Zvolen, Slovak Republic (e-mail: DomcekovaD@gmail.com, janask@vsld.tuzvo.sk) Abstract Key words: The submitted paper deals with the monitoring of english oak (Quercus robur L.) in Arboretum Borova Hora in Zvolenska basin. Concretely it focuses on the onset and the progress of its phenological phases during the whole year. This research helps to identify the quantity and the extent of changes affected living organisms caused by climate change. These modifications in environment can impact the course of agriculture and silviculture, as well. Thus, it is of great importance to provide studies on this topic. The field observations were done within the period of 4 years (2003 2006). For every phenological phase were set the date of its 10%, 50% and 100% occurrence on the studied woody species. From the obtained data was calculated the mean date of the onset. Because of establishing the variability rate we calculated the coefficient of variation for each phenological phase, too. However, the main purpose of this paper was to introduce the methodology of phenological observations and represent the results obtained by its application. monitoring of phenological phases, English oak (Quercus robur L.), Arboretum Borova hora, phenology Úvod Hoci najstaršie systematické fenologické pozorovania môžeme zaradiť do druhej polovice 19. storočia [1], odborná verejnosť nikdy neprejavovala taký výrazný záujem o túto problematiku ako v poslednom desaťročí. Túto pozornosť možno pripísať klimatickým zmenám odohrávajúcim sa v atmosfére vďaka zvýšenej koncentrácii skleníkových plynov, predovšetkým CO2. Ako dokazujú závery Panelu pre klimatické zmeny z roku 2001, narástla globálna prízemná teplota vzduchu v priebehu 20. storočia o 0.6 ± 0.2 C, pričom najväčší nárast pripadá na obdobie rokov 1976 až 2000. Nie je preto žiadnym prekvapením, že sa v súčasnosti výskumy sústreďujú na tento problém a to najmä v súvislosti s prognózami zmien životného prostredia a vplyvu týchto zmien na živé organizmy. Dôsledky zmien v ekosystémoch sa samozrejme odrazia aj vo výrobných odvetviach -poľnohospodárstve a lesnom hospodárstve. [3] [4] [8] Rôzne prieskumy a pozorovania už v rámci Slovenska [2] i vo svete [6] dokázali, že najvhodnejším indikátorom premeny prostredia sú živé organizmy. Ekosystém je definovaný ako systém, v ktorom sú vo vzájomných vzťahoch všetky spoločenstvá organizmov (rastlinných i živočíšnych) spolu s komplexom všetkých fyzikálnych a chemických faktorov, ktoré vytvárajú prostredie týchto organizmov [12]. To znamená, že vzájomné interakcie a zložitosť vzťahov vo vnútri živého systému nedovoľujú presne stanoviť intenzitu a rozsah zmien spôsobených zvyšovaním koncentrácie atmosférického CO 2 v budúcnosti. Jedným z východísk je pozorovanie bioindikátorov, ktoré sú súčasťou jednotlivých ekosystémov. Na základe odlišností v ich vývoji a vitalite sa dá zistiť do akej miery pôsobí zmena jednej zložky prostredia cez zložitý cyklus interakcií na inú zložku resp. organizmus. Za najvhodnejší typ indikátorov môžeme považovať viacročné rastliny, keďže sú svojou koreňovou sústavou pevne fixované na určité prostredie. V priebehu roka prechádzajú viacerými periódami v rámci vegetačného cyklu. Striedanie ročných období ako aj varírovanie nástupu jednotlivých fenofáz je v oblasti miernych zemepisných šírok závislé predovšetkým na prízemnej teplote vzduchu. Vzhľadom na to, že najvýraznejším prejavom globálnych zmien atmosféry je exponenciálny nárast prízemnej teploty vzduchu, môžu nám fenologické pozorovania živých organizmov poskytnúť v tejto oblasti spoľahlivé výsledky. Materiál a metodika Pre fenologický výskum sme zvolili oblasť Arboréta Borovej Hory. Arborétum Borová Hora je lokalizované na severo-západnom výbežku pahorkatín Zvolenskej kotliny pri ohybe rieky Hron. Stručnú charakteristiku prírodných pomerov uvádza tabuľka 1 a graf 1. Magic [7] svojom opise Zvolenskej kotliny uvádza, že je pre ňu typická kontinentalita podnebia t.j. veľmi nízke minimálne a vysoké maximálne teploty a vysoký počet hmlistých dní spôsobený inverziou, predovšetkým v jesennom a zimnom období. Rozmanité podmienky sú príčinou výskytu teplomilných druhov spolu s horskými druhmi, zastúpenými najmä na chladných vlhkých pôdach. Typickou drevinou pahorkatín Zvolenskej kotliny je dub letný (Quercus robur L.). Je to výrazne svetlomilná drevina so strednými nárokmi na vlhkosť znášajúca široké spektrum klimatických podmienok [10]. V oblasti pahorkatín Zvolenskej kotliny je prítomná už od obdobia boreálu (pred 7500 10000 rokmi) [5]. Vzhľadom na to ju môžeme považovať za najlepšie prispôsobenú drevinu v tomto type prostredia. V súvislosti s fenologickými pozorovaniami, ktorých cieľom je stanoviť rozsah a rýchlosť zmien prostredia, sa teda javí ako vhodná drevina
Tab. 1 Charakteristika mezoklimatickej stanice v Arboréte Borová Hora [11] Zemepisné súradnice N48 36 E19 08 Nadmorská výška 350 m n.m Expozícia juhozápadná Sklon 5-10% Priem. ročná teplota 8,2 C Priem teplota vo vegetačnom období (IV.-IX) 14,7 C Priem. ročný zrážkový úhrn 757 mm Priem. zrážkový úhrn vo vegetačnom období (IV.-IX) 428 mm Priemerná relatívna vlhkosť 76 % Priemerná dĺžka slnečného svitu 1943 h Priemerná oblačnosť 60 % Prevládajúci smer vetra NW, W, bezvetrie Priemerný počet dní: so snehovou pokrývkou 69 mrazových (pod 0 C) 127 letných (nad 25 C) 63 tropických (nad 30 C) 12 vegetačné obdobie 168 jasných 48 zamračených 119 s hmlou 67 Klimatická oblasť- okrsok teplý, mierne vlhký, s chladnou zimou Priemerná koncentrácia SO 2 12 µg.cm -3 Geologické podložie andezitový tuf a travertíny Pôdne pomery pararendziny, kambizeme, fluvizeme Lesný vegetačný stupeň 2. bukovo-dubový Skupiny lesných typov buková dúbrava (Fageto-Quercetum), drieňová dúbrava (Corneto-Quercetum) Graf 1 Klimadiagram dlhodobých klimatických hodnôt pre stanicu Arborétum Borová hora [11]
Pri vizuálnych pozorovaniach sme využili Návod pre fenologické pozorovania rastlín Slovenského Hydrometeorologického ústavu z roku 1984 [9]. Na základe tejto metodiky sme pozorovali na dube letnom tieto fenologické fázy: Tab. 2 Prehľad pozorovaných fenofáz Vegetatívne Generatívne Jarné Pučanie listových puk. Pučanie kvetných puk. Rozpuk listových puk. Butonizácia Zalistenie Kvitnutie Odkvet Jesenné Žltnutie listov Nasadzovanie plodov Opad listov Plná zrelosť V ďalšej časti uvádzame úryvky z predmetnej metodiky v pôvodnom znení, aby sme jednoznačne zadefinovali sledované fenologické fázy. Nástup fenofázy Nástup určitej fenofázy sa stanovuje čo najpresnejším odhadom. Zaznamenáva sa dátum dňa, kedy určitá fenofáza nastúpila v predpísanom % výskytu. Nástup fenologickej fázy prebieha v 3 štádiách: 1. začiatok nástupu za začiatok nástupu fázy považujte deň, keď na pozorovacej skupinke dosiahla fáza 10 %-ný výskyt. (Nastúpila aspoň u 3-4 jedincov pozorovacej skupinky). 2. všeobecný nástup za všeobecný nástup fázy považujte deň, keď na pozorovacej skupinke dosiahla fáza 50 %-ný výskyt. 3. úplny nástup - za úplný nástup fázy považujte deň, keď na pozorovacej skupinke dosiahla fáza 100 %-ný výskyt. Od uvedenej zásady sa odlišujú tieto fázy: jánske výhonky, letné žltnutie lístia, druhotné kvitnutie, u ktorých zaznamenajte i ojedinelý výskyt a zistený údaj uveďte v stĺpci dreviny pri 10 % výskyte. Upozornenie: Pri pozorovaní fenologických fáz v korunách stromov používajte ďalekohľad. Nasledujúci popis fenofáz je schematický. Pozorujte fenofázy v takom poradí, ako nastupujú v skutočnosti u jednotlivých druhov. Pučanie listových pupeňov Listové pupene vplyvom rastu zväčšili svoj objem a na okrajoch pupeňových šupín sa objavilo bledozelené sfarbenie. Upozornenie: Pozorujte iba terminálne pupene na vetvách. Pupene na postranných vetvičkách nepozorujte. Rozpuk listových pupeňov Zalistenie Obalové šupiny praskli a v strede pupeňa sa objavili zelené konce mladých lístkov (ihličia). Obalové šupiny zotrvávajú v strednej a spodnej časti pupeňa. Jednotlivý terminálny pupeň vstupuje do fázy zalistenie vtedy, keď má už úplne rozvitý prvý lístoček, ktorý má normálny tvar a čepeľ, nemá však ešte normálnu veľkosť a sfarbenie. Upozornenie: Pri zisťovaní začiatku, všeobecného a úplného nástupu fázy (10 %, 50 %, 100 % výskyt) nečakajte, až kým sa rozvinú všetky lístočky v terminálnych pupeňoch, ale uvažujte iba s rozvitím prvého lístočka. Žltnutie lístia V jesenných mesiacoch sa objavuje žlté sfarbenie lístia Listy menia farbu zo zelenej na žltú resp. žlto-hnedú. Upozornenie: Určuje sa odhadom z pomeru zelených listov a žltých listov na strome i pod stromom. Pri odhade žltých listov postupujte takto : do počtu (percenta) žltých listov na strome započítajte aj % žltého lístia, ktoré je už opadané pod stromom. Napr.: 40 % žltých listov je na strome a 10 % žltých listov je už opadaných pod stromom, spolu žlté lístie 50 % (platí pre 1 strom). Odhad pre celú pozorovaciu skupinku vykonajte podľa zásady, ktorá je uvedená na začiatku popisu fenofáz. Aj v priebehu letných mesiacov môžeme počas suchého počasia zaznamenať tzv. letné žltnutie listov. V rámci nášho fenologického prieskumu sme však túto fenologickú fázu nepozorovali. Opadávanie lístia Prvé farebne zmenené listy na jeseň začali samovoľne opadávať zo stromov aj za bezvetria alebo pri ľahkom zatrasení vetiev (obvykle spadne 3 5 listov). Upozornenie: Nezamieňajte túto fázu s letným alebo predčasným opadom lístia, ktoré spôsobilo letné sucho alebo choroby a škodcovia.
Pučanie kvetných pupeňov Vplyvom rastu kvetné pupene začínajú nápadne zväčšovať svoj objem a na okrajoch pupeňových šupín sa objavilo bledozelené sfarbenie. Butonizácia Kvitnutie Odkvet Objavenie viditeľného nerozvitého kvetu alebo súkvetia v pazuchách listov alebo v kvetných pupeňoch. U jahňád peľové vačky a samčie kvety u ihličnatých drevín začínajú napučiavať, avšak ešte neprášia peľ. Na pozorovaných jedincoch duba sa úplne rozvinuli normálne vyvinuté kvety. Tyčinkové (samčie) kvety v tejto dobe prášia peľ. Tyčinkové kvety zasychajú, menia farbu zo žltej na hnedastú a začínajú opadávať (rozpadať sa). Úroda Stupeň úrody sa zisťuje odhadom podľa nasledujúcej tabuľky číselné Označenie stupňa úrody slovné Charakterakter. stupňa úrody 0 neúroda 0 0 1 2 3 slabá úroda stredná úroda plná úroda Dátum odhadu úrody malé množstvo plodov (šišiek) priemerné množstvo plodov (šišiek) hojnosť plodov (šišiek) Spresnenie charakter. stupňa úrody smreka a jedle 1-40 šišiek na jednom strome 41-70 šišiek na jednom strome viac ako 71 šišiek na jednom strome Odhad úrody smreka, jedle, borovice, smrekovca, buka, duba, jelše, lipy, agátu, javora, jarabiny vykonajte k 30. 7. Približne 1 mesiac pred zberom semena (plodov) spresnite stupeň úrody. Výpočet úrody Odhad úrody vykonajte osobitne pre každý pozorovaný strom (ker) a z týchto údajov vypočítajte priemerný stupeň úrody za celú pozorovaciu skupinku podľa nasledujúceho vzorca : Nasadzovanie plodov Zrelosť plodov Nastupuje po odkvete. Plody začínajú mať charakteristický tvar, sú však ešte malé a zelené. Zrelé plody (semená) majú normálnu veľkosť, tvar a sfarbenie. Zrelosť sa u duba prejavuje padaním a rozsievaním plodov. Žalude vypadávajú z čiašok, v ktorých boli uzavreté. kde: SU= priemerný stupeň úrody 0,1,2,3 = stupeň úrody Pa - d = počet stromov (kríkov) s rovnakým stupňom úrody. Pa+Pb+Pc+Pd = počet stromov (kríkov)pozorovacej skupinky. Poznámka: Ak výpočtom vychádza stupeň úrody: 0,5 zaokrúhlite na 1; 1,5 zaokrúhlite na 2; 2,5 zaokrúhlite na 3 Kódovanie dátumu dňa Čísla uvádzané v tabuľkách pri nástupoch jednotlivých fenofáz predstavujú poradové číslo dňa v roku. Poradie dňa v roku získame prekódovaním zaznamenaných dátumov pomocou tabuľky Kalendárne dni v metodike vydanej SHMU. Napr.: fáza zalistenie 10 % výskyt u buka nastúpila 27.4., v tabuľke Kalendárne dni ku tomuto dátumu odpovedá číslo 117.
Výsledky Tab. 3 Prehľad nástupov fenologických fáz duba letného počas rokov 2003 až 2006 Quercus robur 2003 2004 2005 2006 pučanie 10% 87 97 95 100 listových 50% 99 105 99 103 pupeňov 100% 105 110 101 108 rozpuk listových pupeňov 10% 108 112 109 111 50% 114 116 112 115 100% 118 119 116 118 zalistenie 10% 123 126 119 123 50% 127 128 122 128 100% 131 131 125 132 žltnutie lístia opadávanie lístia 10% 255 271 269 272 50% 272 279 291 286 100% 289 292 297 296 10% 295 297 298 303 50% 304 306 320 318 100% 314 312 332 325 butonizácia 10% 120 125 121 123 50% 122 126 123 125 100% 124 127 125 127 kvitnutie 10% 125 128 128 128 50% 126 128 130 129 100% 127 129 131 130 odkvet 10% 128 130 133 132 50% 130 131 135 136 100% 131 132 138 139 nasadzovanie plodov zrelosť plodov 10% 146 148 148 144 50% 152 153 155 149 100% 158 160 161 153 10% 232 257 248 251 50% 255 267 264 263 100% 265 273 271 276 stupeň úrody 3 2 3 3 pučania listových púčikov 5,08%. Naopak najnižšiu mieru premenlivosti sme zaznamenali pre úplný nástup fenologickej fázy rozpuk listových púčikov 0,93%. Celkovo možno pozorovať najvyššiu variabilitu pri pučaní listových púčikov a najnižšiu v rámci ich rozpuku. Vzhľadom na dĺžku trvania fenofáz v rámci pozorovaných rokov sme v roku 2003 v porovnaní s ostatnými rokmi zistili najdlhší priebeh u piatich z desiatich fenofáz. Na základe meteorologického opisu sledovaného obdobia, ktorú uvádza vo svojej práci Zmarzlák [13], možno konštatovať, že jarné obdobie v roku 2003 bolo na množstvo zrážok chudobnejšie. Aj to môže byť príčinou dlhšieho vývoja v rámci pučania a rozpuku listových pukov. Celkovo bol zistený najdlhší priebeh pri jesenných fenofázach žltnutie (27 dní), opadávanie lístia (23 dní) a zrelosť plodov (24 dní). Ako fenofázy s najrýchlejším priebehom sme zaznamenali kvitnutie (2 dni), odkvet (4 dni) a butonizáciu (4 dni). Pre dĺžku trvania fenofáz sme taktiež vypočítali variačné rozpätie vyjadrujúce mieru variability. Najvyššiu premenlivosť sme následne zistili v rámci fenologickej fázy odkvet 45,18% a najnižšiu v rámci fenologickej fázy nasadzovanie plodov 13,04%. Záver Na záver možno konštatovať, že najväčšou mierou variability sa vyznačuje jarná fenofáza - pučanie listových pupeňov. Príčinou je asi vysoká premenlivosť skorého jarného počasia v rokoch 2003 2006 a pravdepodobnosť výskytu neskorých jarných mrazov, ktoré môžu vývoj a nástup fenofáz do značnej miery oneskoriť. Najnižšia miera variability sa naopak prejavila pri kvitnutí, čo súvisí s relatívne ustáleným počasím v neskorom jarnom období. Pre jesenné fenofázy sme taktiež vypočítali vysoké hodnoty variability, čo v tomto prípade môže súvisieť s výskytom skorých jesenných mrazov. Keďže štvorročné pozorovania predstavujú pre posudzovanie klimatických zmien príliš krátke časové obdobie zamerali sme túto prácu hlavne na predstavenie použitej metodiky a čiastočnú analýzu získaných výsledkov. V rámci nej sme vypočítali z odpozorovaných dátumov pre každú fenofázu priemerný dátum v každom jej štádiu - začiatok nástupu, všeobecný nástup a úplný nástup za 4 roky. Pre podrobnejšie poznanie premenlivosti nástupu jednotlivých fenofáz počas roka sme z pozorovaných hodnôt vypočítali pre každé štádium nástupu fenofázy (10%, 50%, 100%) variačný koeficient. Z uvedených tabuliek vyplýva, že najvyššiu mieru premenlivosti, zistenú na základe variačného koeficientu má začiatok nástupu
Tab. 4 Štatistické vyhodnotenie zistených údajov Quercus robur 2003 2004 2005 2006 priemer sx sx% pučanie listových pupeňov 10% 87 97 95 100 95 4,82 5,08 50% 99 105 99 103 102 2,60 2,56 100% 105 110 101 108 106 3,39 3,20 dĺžka trvania fenofázy 18 13 6 8 11 4,66 41,40 rozpuk listových pupeňov 10% 108 112 109 111 110 1,58 1,44 50% 114 116 112 115 114 1,48 1,29 100% 118 119 116 118 118 1,09 0,93 dĺžka trvania fenofázy 10 7 7 7 8 1,30 16,76 zalistenie 10% 123 126 119 123 123 2,49 2,03 50% 127 128 122 128 126 2,49 1,97 100% 131 131 125 132 130 2,77 2,14 dĺžka trvania fenofázy 8 5 6 9 7 1,58 22,59 žltnutie 10% 255 271 269 272 267 6,87 2,58 50% 272 279 291 286 282 7,18 2,54 100% 289 292 297 296 294 3,20 1,09 dĺžka trvania fenofázy 34 21 28 24 27 4,87 18,19 opadávanie lístia 10% 295 297 298 303 298 2,95 0,99 50% 304 306 320 318 312 7,07 2,27 100% 314 312 332 325 321 8,17 2,55 dĺžka trvania fenofázy 19 15 34 22 23 7,09 31,51 butonizácia 10% 120 125 121 123 122 1,92 1,57 50% 122 126 123 125 124 1,58 1,28 100% 124 127 125 127 126 1,30 1,03 dĺžka trvania fenofázy 4 2 4 4 4 0,87 24,74 kvitnutie 10% 125 128 128 128 127 1,30 1,02 50% 126 128 130 129 128 1,48 1,15 100% 127 129 131 130 129 1,48 1,14 dĺžka trvania fenofázy 2 1 3 2 2 0,71 35,36 odkvet 10% 128 130 133 132 131 1,92 1,47 50% 130 131 135 136 133 2,55 1,92 100% 131 132 138 139 135 3,54 2,62 dĺžka trvania fenofázy 3 2 5 7 4 1,92 45,18 nasadzovanie plodov 10% 146 148 148 144 147 1,66 1,13 50% 152 153 155 149 152 2,17 1,42 100% 158 160 161 153 158 3,08 1,95 dĺžka trvania fenofázy 12 12 13 9 12 1,50 13,04 zrelosť plodov 10% 232 257 248 251 247 9,25 3,74 50% 255 267 264 263 262 4,44 1,69 100% 265 273 271 276 271 4,02 1,48 dĺžka trvania fenofázy 33 16 23 25 24 6,06 24,98 stupeň úrody 3 2 3 3 3 0,43 16 Acknowledgement The authors gratefully thank to the Slovak Ministry of Education, Project VEGA No. 1/4393/07, for funding the opportunity to carry out this kind of Research. Literatúra [1] Braslavská, O., 2000: Monitoring zmeny klímy v rastlinných ekosystémoch prostredníctvom fenologických pozorovaní. Životné prostredie. Vol 34, No 2, s.81 83. [2] Braslavská, O., Kamenský, L., 2000: Fenologické javy odraz teplotných zmien. In: Krajňák, M., Ondrašovič, M., Dunajský, E., Nejedlík, P. (editors): Bioklimatológia a životné prostredie. XIII. bioklimatologická konferencia SBkS a ČBkS, 12. - 14. IX. 2000, Košice, CD ROM: ISBN 80-88985-22-6. 7 s. [3] Dunajský, E., 2001: Vplyv sucha na vývin a rast poľnohospodárskych plodín na Východoslovenskej nížine. In: Rožnovský, J., Janouš, D. (editors): Sucho, hodnocení a predikce. Pracovní seminář, Brno 19.11.2001
[4] Fuhrer, J., 2003: Agroecosystem responses to combinations of elevated CO2, ozone and global climate change. Agriculture, Ecosystems and Environment 97, s. 1 20. [5] Krippel, E., 1980: Vývoj vegetácie v postglaciáli. Mapa 1:2 000 000. In Atlas SSR. SAV a SÚGK, Bratislava, s. 90. [6] Linderholm, H., 2006: Growing season changes in the last century. Agricultural and Forest Meteorology 137, s.1 14 [7] Magic, D., 1997: Náčrt floristicko-fytocenologických pomerov dubín východnej časti Zvolenskej kotliny. In.: Benčaťová, B., Ujházy, K. (eds.): Floristický kurz Zvolen 1997. Zborník výsledkov floristického kurzu, Zvolen, s. 75-80. [8] Minďáš, J., Škvarenina, J., 2003: Lesy Slovenska a globálne klimatické zmeny. EFRA Zvolen, Lesnícky výskumný ústav Zvolen, 128 s. [9] Návod na fenologické pozorovania lesných rastlín. SHMÚ Bratislava, 1984, 23 s. [10] Pagan, J., 1992: Lesnícka dendrológia. Skriptá. Technická univerzita Zvolen, 347 s. [11] Střelcová, K., Škvarenina, J., Kučera, J., Skarbová, A., 2007: Biometeorologický monitoring na regionálnych meteorologických staniciach Technickej univerzity s online prenosom údajov z do internetu. In: Rožnovský, J., Litschmann, T., Vyskot, I. (editors): Klima lesa. Sborník referátu z mezinárodní vědecké konference. Křtiny 11.- 12.2007. [12] Tansley, A., 1935. Et: Krížová, E., a kol., 2000: Základy ekológie. Skriptá. Technická univerzita Zvolen, s.9. [13] Zmarzlák, M., 2007: Vyhodnotenie fenologických faz vybraných lesných drevín vo vzťahu k biometeorologickým podmienkam v Arboréte Borová Hora v rokoch 2003 2006. Diplomová práca. Technická univerzita Zvolen, 87 s.