Alpine treeline ecotone of Orava Beskyds-Beskid Żywiecki, Slovak-Polish borderland - structure and ecological conditions

Abstract

Alpine tregrenser er noen av de mest iøynefallende og viktigste vegetasjonsgrensene i fjellområder over hele jordkloden. De er interresante både i forbindelse med klimaforandring og mulig tap av alpine områder og i forbindelse med beskyttelse mot snøskred, viktig for mange land i Europa. Hvilke faktorer som best definerer tregrensa er fortsatt ikke helt klarlagt. Mange forskere har foreslått mangel på varme som en sannsynlig forklaring. En nylig publiser artikkel antyder at jordtemperaturene i tregrenser over hele jordkloden ikke er veldig forskjellige. Denne undersøkelsen er fokusert til tregrenseøkoton av Orava Beskyder på grensa mellom Polen og Slovakia for å undersøke strukturen og de økologiske forholdene innenfor økotonen. Orava Beskyder ble valgt på grunn av uberørt natur som gir muligheter for skog å etablere en naturlig grense som trolig er klimatisk betinget. Økotonen ble delt i tre relative høydenivåer hvor lufttemperaturer, jordtemperaturer, egenskaper av trær som høyde og omkrets på brysthøyde, og økologiske forhold ble undersøkt. Gjennomsnitt av Ellenbergverdier og målinger av lysforhold ble brukt som forklaringsverdier for økologiske forhold. Hypoteser som ble testet var om temperatureforholdene innenfor de ulike relative høydenivåene var stabile på tross av forskjellige høyder over havet, helningsgrad og eksposisjon. Varme ble kvantifisert som gjennomsnittstemperatur i vekstsesongen, og som døgn-grad summer av temperaturer høyere enn 5 °C. Resultatene viser at de temperaturforholdene bare er stabile i det laveste nivået, dvs. på kanten av sammensatt skog. Det gjelder både luft- og jordtemperaturene. Temperaturforhold i de øvre delene av økotonen er mer påvirket av høyde, helningsgrad og eksposisjon. Temperatur lapserate mellom lavlandet og tregrensa var forskjellig fra standard lapserate som har vært brukt tidligere i tregrenseforskninga. Forholdet mellom luft- og jordtemperaturene viste en forsinket respons og påvirkningen av denne responsen ble forklart ved forskjeller i luftfuktighet. Når det gjelder øvrige økologiske forhold kvantifisert gjennom Ellenbergverdier og lysmålinger, var det kun jordfuktighet og lysforhold som forandret seg konsekvent med høyde over havet. Trehøyde og diameter minsket med høyde over havet med forskjellige rater som resulterte i forandringer av trehøyde-diameter forholdet. Det kan være en antydning av forskjeller i responsen mellom apikalmeristemer og kambium knyttet til mangel på varme. Utilstrekkelig respons av apikalmeristemet kan være forklaringen på hvorfor trær ved tregrensa ikke klarer å oppnå vanlig oppreist form. Presise mekanismer bak dette blir imidlertid et spørsmål for framtidige undersøkelser.

Alpine treelines are some of the most obvious and important vegetation boundaries in the mountains worldwide, separating the forest zone and the treeless alpine zone. They deserve interest both in context of climatic change and implications of the treeline advance for alpine areas, and in context of avalanche prevention actual for many European countries. The causes of their formation are, however, not fully understood yet. Heat deficiency has been suggested by many researchers as one of the plausible explanations of the phenomenon. A recent study has suggested that the soil temperatures at the treelines of the world are within a very narrow range. A datalogger campaign and case study were therefore devised to investigate the structure and ecological conditions in the alpine treeline ecotone in the Orava Beskyds on the border between Poland and Slovakia, as this mountain range is known for undisturbed natural conditions enabling the forests to attain their climatic limit. The ecotone was divided according to the structure into three relative altitudinal bands, where the air temperatures, soil temperatures, tree parameters such as height and circumference at breast height, and ecological conditions (using average Ellenberg indicator values and canopy shading as surrogates) were assessed. Hypotheses tested were that the relative altitudinal bands would possess unified temperature regimes overriding the effects of altitude, slope grade and aspect. The heat deficiency was quantified by the mean temperatures during the growing season, and by a day-degree sum above a certain threshold. The results have shown that only the lowest part of the ecotone, the edge of the closed forest, possessed an unified thermal regime regarding both air and soil temperatures. The temperatures in the upper parts of the ecotone were much more dependent on the actual altitude, slope grade and aspect than on the position within a certain relative altitudinal band. The lowland-timberline air temperature lapse rate was found to differ substantially from the standard lapse rate used in earlier studies of the treeline. The relationship between air and soil temperatures was observed to incorporate a delay in the effect of air temperatures, and a moderating effect of air humidity was observed. Regarding the overall ecological conditions measured by average Ellenberg values and canopy shading, only soil humidity and light conditions were observed to change consistently with altitude. The tree height and diameter decreased with altitude at different rate, resulting in changes in the height to diameter ratio. This may be a hint of differences in performance between apical and cambial meristems. Insufficient performance of the apical meristems in the conditions of heat deficiency was suggested by the treeline researchers to be a possible explanation of the cessation of arborescent growth at the treeline. The actual mechanisms are, however, yet to be fully explored.