Bioecological principles of maintaining stability in mountain forest ecosystems of the Ukrainian Carpathians

Лісовий покрив Карпат глибоко перетворений виробничою діяльністю минулих століть. Змінилась лісистість, вікова та видова структура екосистем. На місці букових і ялицевих лісів сформувались монокультури ялини європейської. За таких умов змінився біотичний кругообіг азоту та зольних елементів, порушились генетико-популяційна структура та виконання лісами екологостабілізаційних функцій. Це вимагає опрацювання біоекологічних засад щодо підтримання стабільності гірських лісових екосистем. Запропоновані біоекологічні засади підтримання та відновлення стабільності гірських лісових екосистем Українських Карпат – складова парадигми гірського лісознавства та лісівництва. Стратегія підтримання базується на біолого-екологічних, популяційно-генетичних особливостях головних лісотвірних видів, еволюційно-типологічній класифікації лісів, ландшафтно-екологічній специфіці гірської частини Українських Карпат, особливостях структури пралісових, старовікових і антропогенно порушених лісів, виконанні лісовими екосистемами функціональної ролі. У практичному плані підтримання стабільності передбачає застосування в ландшафтних екосистемах природоохоронних, вибіркових, оздоровчих і поступових рубок, формування наближених до природних деревостанів, орієнтацію на природне відновлення як стабілізувальної основи гірських лісових екосистем. Лісовий покрив Карпат глибоко перетворений виробничою діяльністю минулих століть. Змінилась лісистість, вікова та видова структура екосистем. На місці букових і ялицевих лісів сформувались монокультури ялини європейської. За таких умов змінився біотичний кругообіг азоту та зольних елементів, порушились генетико-популяційна структура та виконання лісами екологостабілізаційних функцій. Це вимагає опрацювання біоекологічних засад щодо підтримання стабільності гірських лісових екосистем. Запропоновані біоекологічні засади підтримання та відновлення стабільності гірських лісових екосистем Українських Карпат – складова парадигми гірського лісознавства та лісівництва. Стратегія підтримання базується на біолого-екологічних, популяційно-генетичних особливостях головних лісотвірних видів, еволюційно-типологічній класифікації лісів, ландшафтно-екологічній специфіці гірської частини Українських Карпат, особливостях структури пралісових, старовікових і антропогенно порушених лісів, виконанні лісовими екосистемами функціональної ролі. У практичному плані підтримання стабільності передбачає застосування в ландшафтних екосистемах природоохоронних, вибіркових, оздоровчих і поступових рубок, формування наближених до природних деревостанів, орієнтацію на природне відновлення як стабілізувальної основи гірських лісових екосистем. The forest cover of the Carpathians has been deeply transformed by productive activities over the past centuries. The forest cover, age and species structure of its ecosystems have been changed. Beech and fir forests were replaced by spruce monocultures. Consequently, nitrogen and mineral elements cycles changed, the genetic and population structures altered and the eco-stabilizing function of forests decreased. These negative trends make it desirable to process the bioecological principles of maintenance the stability of mountain forest ecosystems. The proposed bioecological principles of support and recovery of stability of forest ecosystems are part of the paradigm of mountain dendrology and silviculture. The strategy is based on maintaining bio-ecological and population-genetical features of the main forest forming species, evolutionary typological classification of the forests, landscape and environmental specifics of the mountain part of the Ukrainian Carpathians, features of virgin, old growth and anthropogenically disturbed forest structures, as well as performing the functional role of forest ecosystems. Support for landscape ecosystem stability involves the conservation, selective, health and gradual cutting, formation of forest stands which are close to natural conditions and focusing on natural regeneration (a basis for stable mountain forest ecosystems).

VIRGIN FORESTS AND NATURAL FORESTS AND THEIR DEFINITIONS

У лісовому покриві Українських Карпат, переважно на об'єктах природно-заповідного фонду й у важкодоступних захисних категоріях лісів, збереглись природні лісові екосистеми пралісового та умовно-пралісового клімаксового стану, а також перестійні і старовікові деревостани, які належать до власне природних лісів. Праліси – це лісові екосистеми (угруповання), які виникли й розвиваються природним шляхом під впливом лише природних стихій та явищ і пройшли повний цикл розвитку без істотного втручання людини, видова, вікова й просторова структури яких визначаються лише чинниками природного середовища. У циклі розвитку пралісу можна виділити сім фаз: відновлення, молодняку, жердняку, оптимальна, вибіркова, старіння, розпаду, які формують три стадії: доростання, оптимальну та розпаду. У сукцесійно-динамічному розвитку праліси є кінцевою стадією розвитку рослинності – клімаксовими ценозами. Основними ознаками їх ідентифікації є: цілісність території, наявність всіх фаз розвитку, здатність до самопідтримання і самовідновлення, складна ценотична і вікова структура, наявність відмерлої деревини, відсутність або дуже слабкий антропогенний вплив. На схемі показано структурну сукцесійно-клімаксову організацію пралісів, квазіпралісів і природних лісів першої і другої генерацій, їх сукцесійні стадії. Вони потребують збереження та охорони. У природних лісах, які перебувають на сукцесійній стадії відновлення, формування і стиглості, дія закону щодо заборони проведення господарських заходів не повинна поширюватись.Девственные леса – это лесные экосистемы, которые возникли и развиваются естественным путем под воздействием только природных стихий и явлений, прошли полный цикл развития без существенного вмешательства человека, видовая, возрастная и пространственная структуры которых определяются только факторами среды. В цикле развития девственного леса можно выделить семь фаз: восстановления, молодняка, жердняка, оптимальную, выборочную, старения, распада, которые образуют три стадии: дорастания, оптимальную и распада. В сукцессионно-динамическом развитии природного леса конечной стадией развития растительности является климаксовый ценоз. Основными признаками идентификации девственного леса являются: целостность территории, наличие всех фаз развития, способность к самоподдержанию и самовосстановлению, сложная ценотическая и возрастная структура, наличие отмершей древесины, отсутствие или очень слабое антропогенное воздействие. На схеме показана структурная сукцессионно-климаксовая организация девственных лесов, квазипралесов и природных лесов первой и второй генераций, их сукцессионные стадии. Они требуют сохранения и охраны. В естественных лесах, находящихся на сукцессионной стадии восстановления, формирования и спелости, действие закона о запрете проведения хозяйственных мероприятий не должно распространяться.In the forest cover of the Ukrainian Carpathians, natural forest ecosystems of the virgin forests and quasi-virgin forests of climax state, as well as overmature and uneven-aged forest stands that belong to the actual natural forest, are preserved mainly on the objects of the natural reserve fund and in hard-to-reach protective categories of forests. There are the first and second generations of natural forests. These categories of natural forests require conservation and protection. Virgin forests are forest ecosystems (groupings) that have emerged and develop naturally under the influence of only force of nature and natural phenomenon and have passed the full development cycle without significant human exposure, the species, age and spatial structures of which are determined only by environmental factors. In the cycle of development of the virgin forest, seven phases can be identified: restoration, offspring, pole stand, optimal, selective, aging, cleavage, which determine three main stages: growth, optimal and cleavage. In the succession-dynamic development of the virgin forests is the final stage of the development of vegetation, that is, climax cenosis. The main features of their identification are: the integrity of the territory, the presence of all phases of development, the ability to self-sustain and self-repair, complex cenotic and age structure, the presence of dead wood, the absence or very poor anthropogenic impact. Spatial representation of the structure and succession and climax organization is presented in this article as algorithm scheme that proposed by the authors. In the article, based on critical analysis of domestic and foreign literature, the structure of forests and quasi-virgin forests is described in detail. The stages and phases of their development are defined. The scheme shows the structural organization of natural forests of the first and second generation and their succession stage. It was suggested that the degree of naturalness of forests to be considered through the succession and climax concept. The concept was proposed in natural forests at the succession stage of restoration, formation and maturity, and the legislative ban on economic activities should not be extended. The principles presented in the article must be taken into account in the assessment methodical approach of protection and preservation, as well as the conduct of economic activities

Radial increment in European spruce (Picea abies) as indicator of sanitary condition of spruce forests in the Ukrainian Carpathians

In recent years, there has been an intense desiccation of spruce forests in the Ukrainian Carpathians, where European spruce is the main forest-forming species. Over the recent years, desiccation has spread to the spruce forest stands which grow in the Carpathians at the height of over 1,000 m above the sea level. This process causes large economic losses, significant deterioration of the condition and productivity of the forests in the Carpathians, decrease in the level of provision of ecosystemic services by forests, functions they perform, therefore leading to dangerous exogenic processes (floods, freshets, erosion, mudflows, landslides). To determine the interaction between the radial increment and sanitary condition of the spruce stands and substantiate the measures of the use of drying spruce forests, in the Vysokohirsky forestry reserve district of the Ukrainian Carpathians in anti-erosion forests, in hotbeds of desiccation of spruce in 2018, dendrochronological surveys were undertaken in two monitoring plots in forests in weak and severely weakened condition. We collected cores from the model trees, measured width of the annual rings, and developed individual dendrochronologies according to the absolute values of the radial increments and generalized dendrochronologies according to the absolute values of the radial increments and increment indices of the duration of 97 (1921–2017) and 81 years (1937–2017). We conducted single-factor dispersion analysis, calculated the indices of abnormality of the radial increments and correlation coefficient. The results revealed that the lowest increments occurred in the years 1965–1990 in the weakened stand and in 1997–2017 in the severely weakened stand. The relative indices of the forests ranged 83.8–114.6%. The cycles of increment lasted 7–9 years. Over the last few decades, favourable conditions for the growth of the trees took place in 1991–2010, unfavourable in 2011–2017, very unfavourable in 1981–1990. Synchronicity of annual radial increments in the spruces of two monitoring plots equaled 49 years. Correlation coefficient indicates that the type of the conditions of growth location has a significant effect on its variability in the process of trees’ life cycle. Average radial increment of the weakened stand of trees over the last 10 years decreased by 7.9%, while it declined by 54.9% in the severely weakened stand compared with the average increments of the tree stands for the surveyed periods, suggesting that the forests undergo different stages of succession: the weakened stand undergoes the stage of recovery after disturbance, severely weakened forest – stage of disturbance. The studies revealed the dependence of radial increment of spruce on the sanitary condition of the forests. The results of the studies may be used for the assessment of dynamic processes in forest ecosystems as a result of the impact of various factors and planning of the forestry measures

Поліморфізм і диференціація популяцій Pinus syilvestris в Українських Карпатах

The analysis and synthesis of the data on allozyme structure, polymorphism and degree of genogeographic differentiation of mountain populations of Scots pine isolated in the Ukrainian Carpathians showed considerable genetic variability of foothill and mountain populations of Pinus sylvestris L., as well as the average genetic distance between these groups of populations. The differentiation between these groups of populations isolated by the ridges corresponds to the rank of geographic groups of populations. On the basis of our results there are sufficient grounds to separate the Carpathian mountain geographical race of Pinus sylvestris L. – var. carpatica Klika. Проанализированы и обобщены основные результаты исследований аллозимной структуры, полиморфизма и степени геногеографической дифференциации системы разновысотных горных популяций-изолятов сосны обыкновенной в Украинских Карпатах. Выявлена значительная генетическая вариабельность предгорных и горных популяций Pinus sylvestris L., а также cредняя генетическая дистанция между группами этих популяций. Дифференциация между группами популяций, изолированных отрогами хребтов, соответствует рангу географических групп популяций. На основаниии полученных результатов имеются достаточные аргументы для выделения карпатской горной географической расы Pinus sylvestris L. – var. carpatica Klika. Проаналізовано та узагальнено основні результати досліджень алозимної структури, поліморфізму та ступеня геногеографічної диференціації системи різновисотних гірських популяцій-ізолятів сосни звичайної в Українських Карпатах. Виявлено значну генетичну варіабельність передгірських і гірських популяцій Pinus sylvestris L., а також cередню генетичну дистанцію між групами цих популяцій. Диференціація між групами популяцій, ізольованих відрогами хребтів, відповідає рангу географічних груп популяцій. На основі отриманих результатів є достатні підстави для виділення карпатської гірської географічної раси Pinus sylvestris L. – var. carpatica Klika.

Measurement of the asymmetries in 3He→ \overrightarrow{\sf He}(¯e, e′p)d and 3He→ \overrightarrow{\sf He}(¯e, e′p)np

Abstract.: The electron target asymmetries A || and A⊥ with target spin parallel and perpendicular to the momentum transfer \ensuremath{\boldsymbol{q}} were measured for both the two- and three-body breakup of 3He in the 3 $\overrightarrow{\rm He}$ (¯e, e'p)-reaction. Polarized electrons were scattered off polarized 3He in the quasielastic regime in parallel kinematics with the scattered electron and the knocked-out proton detected using the Three-Spectrometer Facility at MAMI. The results are compared to Faddeev calculations which take into account Final-State Interactions as well as Meson Exchange Currents. The experiment confirms the prediction of a large effect of Final-State Interactions in the asymmetry of the three-body breakup and of an almost negligible one for the two-body breaku

Worldwide diversity of endophytic fungi and insects associated with dormant tree twigs

International trade in plants and climate change are two of the main factors causing damaging tree pests (i.e. fungi and insects) to spread into new areas. To mitigate these risks, a large-scale assessment of tree-associated fungi and insects is needed. We present records of endophytic fungi and insects in twigs of 17 angiosperm and gymnosperm genera, from 51 locations in 32 countries worldwide. Endophytic fungi were characterized by high-throughput sequencing of 352 samples from 145 tree species in 28 countries. Insects were reared from 227 samples of 109 tree species in 18 countries and sorted into taxonomic orders and feeding guilds. Herbivorous insects were grouped into morphospecies and were identified using molecular and morphological approaches. This dataset reveals the diversity of tree-associated taxa, as it contains 12,721 fungal Amplicon Sequence Variants and 208 herbivorous insect morphospecies, sampled across broad geographic and climatic gradients and for many tree species. This dataset will facilitate applied and fundamental studies on the distribution of fungal endophytes and insects in trees

ПОПУЛЯЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА БУКОВЫХ И ХВОЙНО-БУКОВЫХ КЛИМАКСОВЫХ ДРЕВОСТОЕВ УКРАИНСКИХ КАРПАТ В ЛЕСНОМ ПОКРОВЕ

According to the age classes, middle-aged forest stands predominate in the mountan forests of the Carpathians (46.2), overmature stands occupy 6.9% (62 thousand ha). According to the recent inventory, about 85 thousand hectares of climax old-growth forests are identified, including climax virgin forests that occupy about 54 thousand hectares which are uneven-aged. For their identification, a population matrix with a division into age groups is suggested, taking into account the age condition of the edificator. There are 6 age groups: pre-generative – juvenile-immature, virginal; generative – young generative, middle-aged, mature and old generative. In terms of the number of uneven-aged beech and coniferous/beech stands, the adequate cenopopulations of beech is dominated. The age spectra of fir and spruce, sycamore maple, ash-tree are generally non-stabilized or fragmentary. On average, on 1 ha of elementary demographic cenopopulation of beech and coniferous/beech stands on the generative generation there are 174-235 beech individuals, 42-52 – fir, 5-16 – spruce, 5-10 – sycamore and ash-tree, respectively.Half of the timber stock (50-60%) is over-mature, and 25% is in mature age condition. In climax cenosis, it can be recommended to conduct a uniform or non-uniform selection felling system. Introduction of population paradigm in forest synecology opens up a new opportunity to divide stands into age generations and treat them as a set of cenopopulations of key species for old-growth forests and virgin forests.За класами віку гірських лісів Карпат переважають середньовікові деревостани (46,2%), перестійні займають 6,9% (62 тис. га). За сучасною інвентаризацією виділено близько 85 тис. га клімаксових старовікових лісів, зокрема, близько 54 тис. га клімаксових різновікових пралісів. Для їх ідентифікації запропоновано екологічну матрицю з поділом на вікові групи з урахуванням вікового стану едифікатора. Виділено 6 вікових груп: догенеративна – ювінільно-іматурна і віргінільна; генеративна – молода, середньовікова, стигла і стара (перестійна). За чисельністю в різновікових хвойно-букових і букових деревостанів домінує повночленна ценопопуляція бука. Вікові спектри ялиці та смереки, клена-явора, ясена, ільма, зазвичай, неповночленні або фрагментарні. У середньому на одному гектарі елементарної демографічної клімаксової ценопопуляції букових і хвойно-букових деревостанів на генеративне покоління припадає 174-235 особин бука, 42-52 – ялиці, 5-16 – ялини, 5-10 – клена-явора та ясена звичайного, відповідно. Запас деревини на 50-60% приурочений до перестійних і на 25% – до спілого вікового стану. У клімаксових ценозах доцільно проводити рівномірно або нерівномірно вибіркову систему рубань. Впровадження популяційної парадигми в лісову синекологію відкриває нову можливість членувати деревостани на вікові покоління та трактувати їх для старовікових лісів і пралісів як сукупність ценопопуляцій ключових видів, встановити стратегічну поведінку.По классам возраста горных лесов Карпат преобладают средневозрастные древостои (46,2%), перестойные занимают 6,9% (62 тыс. га). По современной инвентаризации выделено около 85 тыс. га климаксовых старовозрастных лесов, в т.ч. около 54 тыс. га климаксовых девственных лесов разновозрастных. Для их идентификации предложена популяционно-экологическая матрица с разделением на возрастные группы с учетом возрастного состояния эдификатора. Выделено 6 возрастных групп: догенеративная – ювинильно-иматурная и виргинильная; генеративная – молодая, средневозрастная, спелая и старая (перестойная). По численности в разновозрастных хвойно-буковых и буковых древостоях доминирует полночленная ценопопуляция бука. Возрастные спектры пихты и ели, клена-явора, ясеня, ильма, как правило, неполночленны или фрагментары. В среднем на одном гектаре элементарной демографической климаксовой ценопопуляции буковых и хвойно-буковых древостоев на генеративное поколение приходится 174-235 особей бука, 42-52 – пихты, 5-16 – ели, 5-10 – клена-явора и ясеня обыкновенного, соответственно. Запас древесины на 50-60% приурочен к перестойному и на 25% – к спелому возрастному состоянию. В климаксовых ценозах целесообразно проводить равномерно или неравномерно выборочную систему рубок. Внедрение популяционной парадигмы в лесную синекологию открывает новую возможность членить древостой на возрастные поколения и трактовать их для старовозрастных и девственных лесов как совокупность ценопопуляций ключевых видов, наметить стратегическое поведение

Simulation of beech stand dynamics under climate change conditions in the Carpathians and Roztocze using FORKOME model

This paper presents a computer prognostic modeling of the beech (Fagus sylvatica L.) forests dynamics in the Carpathians and Roztocze using FORKOME model. The study was conducted in the Polish Bieszczady (Stuposiany forestry), Ukrainian Beskidy (Nadsanski Landscape Park) and in Polish Roztocze (Roztoczanski National Park) regions. The aim of this study was to carry out prognosis of possible dynamics of beech stands in Carpathians and Roztocze using computer model. For this purpose, a computer prognostic FORKOME model has been applied. Different scenario of changes were included: a control scenario, warm dry, warm humid, cold dry and cold humid. The simulations were realized for a time period covering next 500 years. Using the control scenario, FORKOME model predicted that for the next 500 years beech stands will dominate in terms of biomass and number of trees. The results have confirmed the periodic tendency of changes in stands consisting of biomass participation exchange between beech and fir. The obtained results are important issues for forest management and prognosis

A prognosis for the impact of climate change on beech stand dynamics in the Polish and Ukrainian Roztoche region

This study has been carried out in the Polish Roztoczański National Park and the Ukrainian Ravs’ke Roztochia Regional Landscape Park, both of which are part of the Roztoche region. In each of these two locations, representative study plots were established in beech (Fagus sylvatica L.) stands occupying sites with similar environmental conditions. A longterm prognosis for the dynamics of the chosen beech stands were generated using the computer model FORKOME. The model was used to forecast stand developments for four climatic scenarios (warm-humid, warm-dry, cold-humid, cold-dry) covering a time span of 500 years. Our simulation results indicate that in the control scenario, beech stands were dominating and cyclical changes between beech and Silver fir (Abies alba Mill.) may occur. In the scenarios with assumed climate warming, a decline of fir biomass and an increase of beech biomass, as compared to the control conditions, was noticed. In the scenario with assumed climate cooling, fir biomass increased for the duration of the investigated time span. To conclude, the application of the FORKOME model was found to be a useful tool for analyzing potential scenarios of long-term dynamics of beech stands in the Roztoche region in Poland and Ukraine