Nauka poszła w las, czyli cztery pory roku dendrologa: Zima
Powszechnie uważa się, że zimą przyroda usypia lub zamiera. Część zwierząt przemierza setki lub tysiące kilometrów, by dotrzeć do regionów cieplejszych, obfitujących w pokarm. Inne chronią się przed deficytem pożywienia przez hibernację. Wiele jednak nadal żeruje, żywiąc się oziminą na polach, liśćmi roślin zielnych pozostającymi na powierzchni gleby, młodymi pędami drzew, ale najchętniej – ich pąkami. W nich właśnie ukryte są zawiązki pędu wraz z merystemami – tkankami twórczymi, które na wiosnę zaczną się dzielić i różnicować na komórki budujące inne rodzaje tkanek. Pokryte jedną lub kilkoma łuskami zawiązki czekają, by na wiosnę zareagować na rosnącą temperaturę i wydłużający się dzień rozpoczęciem wzrostu i rozwoju liści.
Liście: opłacalność inwestycji
Symbolem przetrwania trudnego zimowego okresu są w naszej kulturze drzewa iglaste i rośliny zimozielone. Choinka, jemioła czy ostrokrzew kojarzą się z trwałością i nadzieją. Kolor zielony zaś – z życiem. I słusznie, bo liście są organem odpowiedzialnym za prowadzenie fotosyntezy – procesu w którym dwutlenek węgla i woda przy udziale energii słonecznej tworzą cukry, służące podtrzymaniu egzystencji i budowie nowych organów. Ich utrzymanie wskazuje na zdolność do prowadzenia aktywności życiowej nawet zimą.
Takim roślinom opłaca się inwestować więcej produktów fotosyntezy w liście, które będą im służyć dłużej. Zwiększają np. ich grubość czy wprowadzają w nie związki chemiczne odstraszające roślinożerców. Ma to jednak swoją cenę – liście zawierają wodę, która zamarzając może rozsadzić od środka komórki i tkanki. Stąd liście roślin występujących w trudnych, mroźnych warunkach zawierają mniej wody, za to stężenia cukrów i białek są w nich wyższe, niż u podobnej flory z cieplejszych części świata. Taki zabieg zmniejsza temperaturę zamarzania i sprawia, że powstające kryształki lodu są mniejsze, więc rozsadzają komórek.
Koszt konstrukcji trwałych igieł jest większy niż liści delikatnych i cienkich. Produkcja liści o mniejszej grubości, ale o większej powierzchni, pozwala spożytkować tę samą ilość produktów fotosyntezy na zwiększenie obszaru, na którym ten proces zachodzi. Drzewo może więc zrekompensować koszty wytworzenia i utraty liści w każdym sezonie. To ewolucyjne przystosowanie jest jednym z kluczy do sukcesu roślin okrytozalążkowych w kolonizowaniu obszarów z ujemnymi temperaturami. Na dalekiej północy granicę lasu tworzą więc drzewa iglaste – sosna i świerk, jednak towarzyszą im gatunki liściaste – topola osika, brzozy czy wierzby. W Tatrach górną granicę lasu tworzy świerk i sosna limba, powyżej niej rosną zarośla kosodrzewiny przeplatane wierzbami i jarzębiną. W lasach strefy klimatu umiarkowanego na półkuli południowej skrajne siedliska zajmują bukany.
Drewno: inżynieria materiałowa
Najwięcej wody w drzewach znajduje się jednak w drewnie, stanowiącym większość jego masy. Funkcją tej tkanki jest transport pobieranej przez korzenie wody do liści oraz zapewnienie mechanicznej podpory dla drzewa. Tu także mamy do czynienia z kompromisami związanymi z cukrami wytworzonymi w procesie fotosyntezy.
Komórki drewna mogą być grubościenne lub cienkościenne, co w efekcie daje tkankę o większej lub mniejszej gęstości. Ma to wpływ na wytrzymałość (w tym na zdolność do utrzymania własnego ciężaru), ale także na koszt konstrukcji. Cięższe drewno wymaga więcej produktów fotosyntezy, więc jego przyrost jest wolniejszy. W ten sposób drzewo może przyrastać szybciej na wysokość kosztem mniejszej gęstości drewna, ale jego wysokość ogranicza mechaniczna wytrzymałość pnia.
W chłodniejszym klimacie w zimie drzewa stają przed dodatkowym wyzwaniem – zamarzająca woda może rozsadzić je od środka. Dlatego rośliny zagęszczają wtedy płyn znajdujący się w pniu, gromadząc zapasy na wiosnę. Jest to szczególnie widoczne u brzóz i klonów, których soki są wykorzystywane jako źródło cukru lub do produkcji syropu. Jednak cechą, która najbardziej wpłynęła na opanowanie strefy chłodniejszego klimatu przez drzewa liściaste było wykształcenie komórek drewna (cewek i naczyń przewodzących wodę) o wąskim świetle, czyli o małej średnicy wewnętrznej. Pozwala to zapewnić ciągły przepływ wody i zabezpiecza przed ich zatkaniem na skutek zamarzania.
Słoje: czytanie w historii
Budowa drewna zmienia się również w ciągu sezonu wegetacyjnego. Jego rysunek – który widzimy np. na meblach czy podłodze – składający się z jasnych i ciemnych pasów, odzwierciedla przebieg powstawania drewna wczesnego i późnego.
Na wiosnę, gdy jest coraz cieplej i rośnie aktywność fotosyntezy, drzewo potrzebuje coraz więcej wody, stąd tworzone wtedy przez kambium (tkankę budującą drewno i łyko) komórki drewna mają szersze światło (większą średnicę i przepustowość). Latem natomiast tworzy się drewno późne, o mniejszym świetle, występujące w postaci cieńszego ciemnego pasa. Drewno wczesne pełni głównie funkcję transportową, a późne – mechaniczną, wzmacniającą konstrukcję pnia. Coroczna sekwencja jasnego i ciemnego pasa różni się szerokością. Jeśli rok był ciepły i obfitował w opady deszczu, to drzewo mogło wytworzyć więcej surowców i zbudować więcej drewna. Z kolei lata zimne i suche odznaczają się węższymi pasmami przyrostów drewna. Słoje roczne w drewnie pozwalają więc na rekonstrukcję historycznych warunków pogodowych, ale także odzwierciedlają zaburzenia, zarówno lokalne jak i globalne.
Sekwencja przyrostowa będzie inna niż wynikałoby to z temperatur i opadów w danym roku, jeśli drzewo zyskało więcej światła lub zostało uszkodzone przez pożar czy lawinę. Dłuższe serie słojów są unikatowe dla danego okresu, co pozwala wykorzystać je do datowania znalezisk archeologicznych, nawet sprzed kilku tysięcy lat – dzięki tej metodzie udało się np. określić że osada w Biskupinie pochodzi z VIII w. p.n.e. Różne drzewa reagują jednak w różny sposób na zmienność warunków klimatycznych, niektóre z nich są bardziej czułe, inne zaś reagują na niekorzystne czynniki słabszym przyrostem.
Lasy: potencjalne i rzeczywiste
Dzięki przystosowaniu się drzew liściastych do zimy, to one stanowią potencjalną roślinność naturalną w polskich lasach. Termin ten określa typ zbiorowisk roślinnych, który wykształciłby się i utrzymywał w stałych warunkach klimatycznych na danym terenie, gdyby nie przeszkadzał im w tym człowiek (nie to precyzyjne, bo nasze lasy liściaste różnią się od tych w strefie śródziemnomorskiej czy lasów tropikalnych przede wszystkim trwałością liści).
Lasy iglaste są głównym komponentem strefy klimatu borealnego półkuli północnej, a u nas występują w tych miejscach, gdzie warunki klimatyczne lub glebowe są mniej korzystne. Gatunki pionierskie (sosna i modrzew, ale też brzoza czy osika) szybciej przyrastają na wysokość i grubość, ale wymagają też więcej światła. Gatunki późniejszych stadiów sukcesyjnych (dęby, buk czy jodła) mogą rozwijać się pod okapem innych drzew, ale za to rosną wolniej. Potrzebują też nieco cieplejszego klimatu i żyźniejszej gleby. Dlatego naturalnie sosny i świerki występują u nas tam, gdzie trudniej się żyje dębom i bukom: na glebach piaszczystych, torfowiskach czy w lasach wysokogórskich.
Potencjalna roślinność naturalna Polski nie odpowiada roślinności rzeczywistej, zwłaszcza kiedy patrzy się na strukturę lasów, zdominowaną przez sosnę zwyczajną i świerka. W XIX w. i w pierwszej połowie XX obowiązujący model gospodarki leśnej zakładał maksymalizację zysków z produkcji drewna poprzez masową uprawę sosny na nizinach i świerka w górach, niezależnie od tego czy żyzność gleby pozwalała na wprowadzenie gatunków liściastych. Sadzone wtedy jednogatunkowe drzewostany są mniej odporne na wiatry, choroby i gradacje owadów.
Duże zagęszczenie drzew w takich uprawach, stymulujące wzrost na wysokość, zwiększa też ich zapotrzebowanie na wodę. Mniejsze opady w okresie wegetacyjnym związane z nasileniem zmian klimatycznych przyczyniają się do osłabienia wzrostu drzew. Tego typu drzewostany są więc przebudowywane, aby rozproszyć ryzyko uszkodzeń na więcej niż jeden gatunek. Ma to szczególnie duże znaczenie w obliczu prognoz na najbliższe dekady, kiedy wszystkie sposoby radzenia sobie z niskimi temperaturami wypracowane przez drzewa okażą się nie atutem, a przeszkodą w przetrwaniu.
Pejzaż: wielka ucieczka
Opracowane przez nasz zespół modele rozmieszczenia gatunków wskazują, że gatunki iglaste w latach 2061-80 znajdą się na terenie Polski poza optimum klimatycznym. Oznacza to, że ich przystosowania do chłodnego klimatu, które jednocześnie pozwalają na szybki wzrost w warunkach braku konkurencji ze strony gatunków liściastych, staną się kulą u nogi, utrudniającą przetrwanie w klimacie cieplejszym i bardziej suchym. Wraz ze zniknięciem zimowych pejzaży możemy się też spodziewać ustępowania drzew iglastych.
Nasze modele rozmieszczenia gatunków opracowaliśmy analizując dane o rozmieszczeniu 12 najważniejszych europejskich gatunków drzew i aktualnych warunkach klimatycznych. Mogliśmy dzięki temu określić obszary, na których warunki będą najkorzystniejsze dla występowania danego gatunku. Znalezienie się poza optimum klimatycznym nie oznacza oczywiście, że dane drzewo zniknie, lecz będzie bardziej podatne na suszę, wiatr, owady czy grzyby. Będzie także wolniej rosnąć, przez co przegra konkurencję z innymi gatunkami.
Następnie połączyliśmy modele z trzema scenariuszami zmian klimatycznych opracowanymi przez Międzyrządowy Panel ds. Zmian Klimatu (IPCC): optymistycznym (zakładającym drastycznie zmniejszenie emisji dwutlenku węgla), umiarkowanym (zakładającym część nieodwracalnych zmian) oraz pesymistycznym (zakładającym emisje dwutlenku węgla na poziomie dzisiejszym). Porównanie dzisiejszego i przyszłego optimum klimatycznego pozwoliło nam wskazać obszary, na których badane gatunki znajdą się poza optymalnymi zakresami temperatury i opadów atmosferycznych.
Wyróżniliśmy w ten sposób „zwycięzców”, czyli gatunki których potencjalny zasięg występowania zwiększy się w warunkach ocieplenia klimatu, oraz „przegranych” – których zasięg występowania się zmniejszy. Pierwszą grupę stanowią głównie gatunki liściaste typowe dla późnych stadiów sukcesji (buk, dęby, jesion) oraz jodła. Drugą – gatunki pionierskie, głównie iglaste (sosna, świerk, modrzew) oraz brzoza. Na ograniczanie ich występowania wpłynie głównie niedobór wody w okresie wegetacyjnym, który przy wyższych temperaturach będzie skutkował zwiększonym parowaniem wody z nadziemnych części drzew. Zarówno wśród zwycięzców, jak i wśród przegranych stwierdziliśmy przesunięcie zasięgu geograficznego na północ, a także utratę zasięgu na południu.
Gdy miejsce do życia staje się nieprzyjazne, organizmy mają cztery możliwości: uciec, dostosować się, trwać mimo przeciwności losu, lub zginąć. Drzewa nie są aż tak mobilne jak zwierzęta, jednak również – na swój sposób – migrują. Lasy znikały, ilekroć na Europę nasuwał się lądolód, ale po ustąpieniu zlodowaceń udało im się ponownie zasiedlić większość jej obszaru. Dziś tempo zmian klimatycznych jest jednak bezprecedensowe. Jedynym wyjściem jest ucieczka.