Wpływ ukształtowania terenu i wysokości n.p.m. na odtwarzanie się roślinności górskich zbiorowisk leśnych na gruntach porolnych

Sukcesja lasów na opuszczonych terenach rolniczych jest powszechna w różnych regionach, w tym w Karpatach. Porównanie stosunkowo dojrzałych lasów porolnych i ich składu gatunkowego z przyległymi „lasami starymi” (tj. lasami bez śladów użytkowania rolniczego, gdzie ciągłość siedliska leśnego została zachowana) jest kluczowe aby zrozumieć dynamikę regeneracji i bioróżnorodności zarówno obecnych, jak i przyszłych lasów wtórnych. Przesiedlenia ludności w latach 40. XX wieku w polskich Karpatach Wschodnich doprowadziły do zaprzestania działalności rolniczej na tysiącach hektarów gruntów rolnych, co z kolei skutkowało spontaniczną lub wspomaganą przez gospodarkę leśną sukcesją wtórną lasów na ogromnych obszarach. W rezultacie w regionie pojawiły się rozległe połacie lasów na gruntach porolnych, przeplatane płatami dobrze zachowanych lasów starych. Biorąc pod uwagę powszechną sukcesję lasów na niedawno opuszczonych terenach rolniczych w innych regionach, potrzebna jest ocena tempa regeneracji już dojrzałych lasów porolnych i porównanie składu gatunkowego ich runa z runem lasów starych. Takie badania mogą pomóc w skutecznym wdrożeniu niedawno przyjętego unijnego prawa o odbudowie zasobów przyrodniczych (Nature Restoration Law) poprzez dostarczenie metodologii i danych do typowania ekosystemów leśnych przeznaczonych do odbudowy. Głównym celem pracy było określenie wpływu ukształtowania terenu i wysokości n.p.m. na odtwarzanie się roślinności leśnej na gruntach porolnych. Aby osiągnąć cel główny określono następujące cele szczegółowe: • Wyznaczenie zasięgu lasów starych i porolnych w polskich Karpatach Wschodnich na podstawie archiwalnych zdjęć lotniczych i zobrazowań satelitarnych, • Wyznaczenie listy diagnostycznych gatunków starych lasów dla Karpat Północno-Wschodnich oraz porównanie jej z dotychczas publikowanymi listami, • Określenie stopnia regeneracji lasów porolnych i rozpoznanie czynników na nią wpływających. Do kartowania zasięgu lasów porolnych na obszarze badań wykorzystano archiwalne dane teledetekcyjne: a) - niemieckie zdjęcia lotnicze z 1944 roku, b) - zobrazowania satelitarne Corona z 1969 roku, c) - zobrazowania satelitarne Sentinel-2 z 2020 roku. Po ortorektyfikacji danych i klasyfikacji pokrycia terenu wyznaczono następujące kategorie: „las stary” – pokrywa leśna w każdym terminie (a, b, c,) „las porolny”, powstały po wysiedleniach lat 40. XX wieku – brak lasu w terminie a, pokrywa leśna w terminie b i c. Następnie przeprowadzone zostały prace terenowe na 294 losowo wybranych powierzchniach badawczych, reprezentujących zarówno lasy stare, jak i głównie lasy wtórne, gdzie wykonano badania roślinności (zdjęcia fitosocjologiczne), fotografie hemisferyczne i pobrano próbki glebowe. Poprzez analizę zdjęć fitosocjologicznych (lasy porolne vs lasy stare) wyznaczona została lista diagnostycznych gatunków starych lasów, którą następnie wykorzystano do obliczenia Wskaźnika Dojrzałości Lasu (Forest Maturity Index), jako narzędzia dla oceny stopnia regeneracji lasów porolnych. Przeanalizowano następnie charakterystyki ekologiczne zidentyfikowanych gatunków wskaźnikowych starych lasów, korzystając z danych środowiskowych zebranych w terenie oraz z cech funkcjonalnych roślin przypisanych z literatury. Na podstawie zebranych danych o roślinności i środowisku utworzony został model regresji wielorakiej, aby wskazać najważniejsze czynniki środowiskowe wpływające na różnicę w częstotliwości występowania gatunków wskaźnikowych między lasami porolnymi a starymi. Ponadto obliczony został model regresji wielorakiej, aby zidentyfikować czynniki środowiskowe wpływające na regenerację lasów. W oparciu o stwierdzone zależności opracowana została mapa z hipotetycznym/modelowanym poziomem regeneracji lasów porolnych w polskich Karpatach Wschodnich. Wyniki niniejszej pracy pozwoliły stwierdzić, że obszar badań (221 244 ha) obejmuje 43 000 hektarów 60- 70-letnich lasów porolnych i 96 000 hektarów lasów starych. Zidentyfikowano 15 gatunków runa (z 215 rozpoznanych podczas badań terenowych) spełniających kryteria gatunków diagnostycznych starych lasów i 9 gatunków z istotnie wyższą obecnością w lasach porolnych. Wykazano również, że formy życiowe roślin, trwałość liści i sposób rozprzestrzeniania się (choria) są czynnikami najlepiej wyjaśniającymi różnice w częstotliwości występowania gatunków między lasami porolnymi a starymi. Wyniki pierwszego modelu pokazały, że gatunki runa w lasach starych są znacznie częściej geofitami, z zielonymi liśćmi od wczesnej wiosny do wczesnego lata, a rozprzestrzeniane są głównie przez mrówki. Z kolei w lasach porolnych gatunki były znacznie częściej charakteryzowane jako terofity z zielonymi liśćmi w okresie letnim. Zakwestionowano dla regionu status trzech gatunków ze stosownych ogólnopolskich list gatunków starych lasów (Brachypodium sylvaticum, Impatiens noli-tangere i Circaea lutetiana), ponieważ faktycznie występowały istotnie częściej w badanych lasach porolnych. Wartości obliczonego Wskaźnika Dojrzałości Lasu pokazały, że stopień regeneracji runa lasów porolnych znajdujących się w korzystnych warunkach środowiskowych może być porównywalny do mediany wartości FMI lasów starych. Jednak duża część lasów porolnych w regionie znajduje się pod wpływem czynników ograniczających regenerację runa. Wyniki drugiego modelu pozwoliły stwierdzić, że stopień regeneracji maleje wraz z wysokością n.p.m., pokryciem sosny w drzewostanie i odległością od płatów starego lasu, natomiast wzrasta wraz z nachyleniem stoku. Wykazano, że listy gatunków starych lasów powinny być dostosowane do skali regionalnej poprzez bezpośrednie porównania lasów starych i porolnych, z myślą o opartym na dowodach zarządzaniu i ochronie lasów. Wiedza o negatywnym wpływie sosny na regenerację runa karpackich lasów porolnych może przyczynić się do lepszego planowania zarządzania i ochrony lasów. Wyniki tej pracy pozwalają zidentyfikować dobrze zregenerowane lasy porolne, które ze względu na wysoką wartość gatunków starych lasów i współistnienie wielu innych gatunków leśnych, są warte ochrony. W związku z istnieniem w różnych regionach dużych obszarów młodych (niedojrzałych) lasów porolnych i przewidywanym wzroście ich powierzchni a także potrzebą wiarygodnej oceny i porównania tempa ich regeneracji oraz wartości ochronnej, zaleca się przyjęcie Wskaźnika Dojrzałości Lasu oraz opracowanych ram metodologicznych jako standardowej miary regeneracji runa, możliwej do zastosowania w skali krajowej lub szerszej.

The succession of forests on abandoned farmlands is widespread across various regions, including the Carpathians. Investigating relatively mature post-agricultural forests and comparing their species composition with adjacent ancient forests (i.e. forests with no traces of former agricultural use, where continuity of forest habitat has been preserved) is crucial for understanding the regeneration and biodiversity dynamics of both current and future secondary forests. The population displacement during the 1940s in the Polish Eastern Carpathians, led to the abandonment of thousands of hectares of agricultural land, sparking widespread reforestation, either spontaneous or driven by forest management. As a result, vast expanses of post agricultural forests developed in the region, interspersed with well-preserved ancient beech forests. Given the prevalent forest succession on recently abandoned farmlands in other regions, assessing the regeneration rate of yet quite mature post-agricultural forests and comparing their understory species composition with that of ancient forests is imperative. Demonstrating the condition of such forests will inform decision-makers and help efficiently implement the recently adopted EU Nature Restoration Law. The main aim was to assess the impact of topography on vegetation regeneration in mountain forest communities on abandoned farmlands. To achieve the main aim, the following specific goals were set: • Detailed mapping of post-agricultural and ancient forest areas in the Polish Eastern Carpathians using archival remote sensing data • The development of a list of ancient forest species for the NE Carpathians and a comparison with already published lists of ancient forest species, • The assessment of the post-agricultural forest understory regeneration rate and the factors influencing it. Archival remote sensing data were used to map post-agricultural forests in the study area, including German Flown Aerial Photography from 1944, Corona satellite images from 1969, and Sentinel-2 satellite images from 2019. After orthorectification of the data and land cover classification, the following categories were identified: 'ancient forest' – forest cover present at each time period (a, b, c), 'post-agricultural forest,' created after the displacements of the 1940s – no forest in time period a, forest cover present in time periods b and c. Fieldwork was subsequently conducted on 294 randomly selected plots (both in ancient and post-agricultural forests), including vegetation surveying (phytosociological relevés), shade assessment (hemispherical photographs), and soil sampling. Through the analysis of relevés (post-agricultural vs ancient forest), a list of diagnostic ancient forest plant species was compiled and later employed to quantify the Forest Maturity Index (FMI) and assess the regeneration rate of post-agricultural forests. The ecological characteristics of identified ancient forest species were analyzed using environmental data collected in the field, as well as the plant functional traits from literature. Based on the collected vegetation and environmental data, multiple regression models were parametrized to find the most important predictors of differences in species frequency between recent and ancient forests. Furthermore, regression modelling was also used to identify the environmental factors driving forest regeneration. Based on the identified dependencies, the modeled level of post-agricultural forest regeneration indicated by the Forest Maturity Index was mapped in the entire research area. Research findings revealed that the study area encompasses 43,000 hectares of 60-70-year-old post agricultural forests and 96,000 hectares of ancient forests. Out of 215 understory plant species recorded during fieldwork, 15 were identified as meeting the criteria of ancient forest species, and 9 species occurred significantly more often in post-agricultural forests. Plant life form, leaf persistence and dispersal mode were shown to be the best predictors explaining differences in frequency between recent and ancient forests. The results of the first model showed that understory species in ancient forests were significantly more often geophytes, with green leaves from early spring to early summer and dispersed by ants. In turn, in recent forests, species were significantly more often characterized as therophytes with green leaves during summer. Moreover, there are three species (Brachypodium sylvaticum, Impatiens noli-tangere and Circaea lutetiana) shown as no longer warranting a status as ancient-forest species, given that they actually occurred significantly more often in the studied recent forests. The application of the Forest Maturity Index revealed that the understory regeneration rate of the recent forest located in favorable environmental conditions, can be comparable to the median value of FMI in the ancient forest. However, a large share of recent forest in NE Carpathians is under the influence of factors limiting understory regeneration. Second modeling results indicated that regeneration rates decrease with elevation, pine cover, and distance to the ancient forest but increase with slope steepness. One of the conclusions of this study is that the lists of ancient forest plant species applicable to broad spatial scales need to be adapted to a regional scale through direct comparisons of ancient and recent forests, with a view to evidence-based assessment, management and protection of forest being achieved. Furthermore, the demonstrated negative impact of pine cover on regeneration can contribute to better planning of forest management and protection. The obtained results offer also insights for identifying well-regenerated forests, which due to the high conservation value of ancient forest species and the coexistence of many other forest species, are worth recognizing and protecting. Given the widespread establishment of recent forests in various regions in the past and anticipated in the future, along with the need to reliably assess and compare their regeneration rate and conservation value, the use of the Forest Maturity Index and the developed methodological framework as the standard understory regeneration measure applicable to a national or broader scales is recommended.