Growth dynamics of novel forest ecosystems: A case study form the Sirgala oil shale quarry

Abstract

Magistritöö Metsamajanduse ja metsaökoloogia õppekavalPõlevkivikarjääride tasandatud alad kujutavad endast inimese poolt tugevalt muudetud maastikke, kus on hävinud looduslikud elupaigad, mullakiht ja taimestik ning asemele on kujunenud teistsuguse ökoloogilise toimimisega kooslused. Selliseid kooslusi käsitletakse teaduskirjanduses kui uudseid ökosüsteeme (novel ecosystems), mille kujunemisel ja toimimisel on oluline roll inimtekkel ja looduslikel suktsessiooniprotsessidel. Käesoleva uurimistöö eesmärgiks oli hinnata Sirgala karjääri 3,3 ha suurusele katsealale rajatud 68 püsiproovitüki andmete põhjal erinevate puuliikide edukust ning analüüsida puistute kasvudünaamikat, liigilist koosseisu ja mitmekesisust. Uuring põhineb aastatel 2012, 2018 ja 2023 teostatud kordusmõõtmistel. Töö tulemusena selgus, et Sirgala katsealale istutatud 12 puuliigist olid pikaajaliselt edukad vaid neli: lehis (Larix spp.), harilik kuusk (Picea abies), harilik mänd (Pinus sylvestris) ja kask (Betula spp.). Nendest liikidest eristus lehis üldiselt suurimate tagavara väärtuste poolest (keskmiselt 348 ± 106 m³/ha, maksimaalselt 564 m³/ha), kuigi keskmise tagavara poolest jäi lehis alla kuusele (402 ± 146 m³/ha, maksimaalselt 505 m³/ha). Lehisel olid samuti oluliselt suuremad mudelkõrgused ja diameetrid (vastavalt 20,3 ± 2,4 m; 22,6 ± 4,1 cm) võrreldes kuuse (19,3 ± 1,6 m; 17,8 ± 0,6 cm), männi (17,9 ± 1,8 m; 18,0 ± 2,0 cm) ja kasega (18,1 ± 1,0 m; 16,4 ± 4,3 cm). Männi ja kase puistute keskmised tagavarad olid madalamad – vastavalt 229 ± 101 m³/ha ja 214 ± 91 m³/ha. Kasvudünaamika analüüs näitas, et perioodil 2012 – 2018 toimus puistutes märkimisväärne juurdekasv, kuid aastatel 2018 – 2023 kasvu intensiivsus aeglustus. Samuti selgus, et liigtihedates puistutes on puude, eriti männi, kasv pärsitud ning puude suremus märgatavalt suurenenud. Samas viitab kuuse edukas looduslik uuenemine, et katsealal on kujunenud liigile soodsad mikrokliima- ja mullatingimused. Töö tulemuste põhjal võib järeldada, et taasmetsastatud karjääridest kui uudsetest metsaökosüsteemidest võivad arendada mitmeliigilised ja produktiivsed kooslused, kuid puude kasv ja areng sõltub paljudest eri teguritest, sealhulgas kultiveeritud puuliigist ning kasvutingimustest (sh mullastikust). Töös saadud tulemused aitavad kaasa paremate taastamispraktikate rakendamisele ja metsastamismudelite täiustamisele Eestis.Reclaimed oil shale quarries represent heavily human-modified landscapes, where natural habitats, soil layers, and vegetation have been destroyed and replaced by ecosystems with different ecological functioning. In scientific literature, such systems are referred to as novel ecosystems, whose development and functioning are shaped by both anthropogenic and natural succession processes. The aim of this study was to assess the performance of different tree species, as well as to analyse stand dynamics, species composition, and diversity based on data from 68 permanent sample plots established on a 3.3 ha study area in the Sirgala oil shale quarry. The study is based on repeated measurements conducted in 2012, 2018, and 2023. The results showed that out of the 12 tree species planted, only four were successful in the long term: larch (Larix spp.), Norway spruce (Picea abies), Scots pine (Pinus sylvestris), and birch (Betula spp.). Among these, larch generally exhibited the highest stand volume values (mean 348 ± 106 m³/ha, maximum 564 m³/ha), although the highest mean stand volume was observed in spruce stands (mean 402 ± 146 m³/ha, maximum 505 m³/ha). Larch also had significantly greater model tree heights and diameters (20.3 ± 2.4 m; 22.6 ± 4.1 cm) compared to spruce (19.3 ± 1.6 m; 17.8 ± 0.6 cm), pine (17.9 ± 1.8 m; 18.0 ± 2.0 cm), and birch (18.1 ± 1.0 m; 16.4 ± 4.3 cm). The mean stand volumes for pine and birch were lower – 229 ± 101 m³/ha and 214 ± 91 m³/ha, respectively. Growth dynamics analysis revealed substantial stand development between 2012 and 2018, while growth intensity decreased during 2018 – 2023. Additionally, tree growth, particularly for pine, was suppressed in overly dense stands, which also exhibited significantly increased tree mortality. In contrast, the successful natural regeneration of spruce suggests that favorable microclimatic and soil conditions for this species have developed in parts of the study area. The findings indicate that reforested quarry landscapes, as novel forest ecosystems, can support multi-species and productive stands. However, tree growth and development are influenced by a range of factors, including the choice of species and local site conditions (such as soil properties). The results of this study can contribute to the improvement of forest restoration practices and afforestation models in Estonia