The effect of phenological changes on vegetation data sampling and analyses

Mgr. Marie Vymazalová, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Ačkoli patří rostlinná fenologie i sezónnost vegetace mezi dobře známé jevy, jejich vliv na sběr vegetačních dat a následné analýzy dosud nebyl náležitě testován. Největší vliv lze obecně předpokládat v mírném pásu s typickým střídáním ročních období, které může významně ovlivňovat sběr fytocenologických dat a jejich následné analýzy kvalitativního i kvantitativního charakteru. Rostliny vyvinuly vzhledem k odlišné délce vegetační sezóny různých oblastí (závislost na nadmořské výšce a zeměpisné šířce) četné adaptace k přečkání nepříznivých podmínek (zima, sucho), přičemž základní adaptaci představuje umístění obnovovacích pupenů (životní forma rostlin). Ačkoli je doporučeno vegetaci snímkovat v době jejího fenologického optima, vegetační snímky jsou běžně zapisovány v průběhu celé vegetační sezóny. Přesto dosud nebyl zkoumán vliv vnitro-sezónního sběru dat na základní fytocenologické analýzy. Proto jsem nejprve zjistila průběh kvalitativních i kvantitativních změn vegetace během jedné vegetační sezóny na trvalých plochách umístěných v opadavých listnatých lesích a na suchých trávnících. Dále jsem na datech z odlišných ročních období a na souborech kombinujících tato data prověřovala účinnost neřízené klasifikace a analýz beta-diverzity. S využitím České národní fytocenologické databáze jsem definovala skupinu hojněji se vyskytujících jarních druhů, které jsou pravděpodobně zdrojem největších vnitro-sezónních rozdílů. Zjistila jsem četnost jejich výskytu ve vegetačních jednotkách opadavých lesů a suchých trávníků a dále jsem testovala, zda vyloučení těchto druhů před klasifikací souborů obsahujících jarní snímky přispěje k získání výsledků podobnějších klasifikacím letních snímků. Nakonec jsem zkoumala ekologické nároky jarních druhů opadavých lesů. Vegetace opadavých lesů vykazovala proti vegetaci suchých trávníků odlišné trendy vnitro-sezónních změn v druhovém složení, druhové bohatosti, pokryvnosti vegetačních pater i v poměrech zastoupených životních forem. Klasifikace letních dat ve srovnání s jarními a podzimními daty nebo jejich kombinacemi nejlépe odolávaly různému nastavení parametrů neřízených klasifikací. Použití souborů kombinujících jarní a letní data vedlo ke zvýšení beta-diverzity opadavých lesů i suchých trávníků. V rámci České republiky bylo mezi hojněji zastoupenými druhy nalezeno 21 jarních druhů opadavých lesů a 36 jarních druhů suchých trávníků. Vyloučením jarních druhů ze souborů obsahujících jarní data bylo ve vegetaci bohaté na jarní druhy dosaženo výsledků podobnějších klasifikacím letních dat. Dále jsem zjistila, že počet jarních druhů opadavých lesů roste s půdní reakcí/obsahem kationů, zatímco vliv historické kontinuity lesa nebyl průkazný. Před vlastními analýzami fytocenologických dat doporučuji vyloučit snímky zaznamenané dříve než v červnu nebo provést důkladnou stratifikaci vzhledem k ročnímu období, zamezíme tak mylnému výkladu analýz druhového složení. Výjimkou jsou samozřejmě samostatné analýzy dat z jednotlivých ročních období. V neřízených klasifikacích by měly být použity pouze letní snímky, případně bychom měli uvést alespoň poměr zastoupení snímků z jednotlivých ročních období nebo před analýzami vyloučit jarní druhy ze souboru. Výskyt a počet jarních druhů opadavých lesů je zajisté ovlivněn mnoha aspekty lesního hospodaření současnosti i let minulých, přesto nebyl potvrzen vliv historické kontinuity lesa na počet jarních druhů, který v České republice roste společně s půdní reakcí/obsahem kationů.

Abstract:

Although the plant phenology and vegetation seasonality are well known phenomena, their impact on vegetation data sampling and further analyses has never been properly investigated. The length of the growing season changes with latitude and altitude, which is reflected in plant adaptations, developed to survive the harsh season (cold or drought) mainly in the position of plant renewing buds. The major response of plants could be generally expected in the temperate zone where the seasonal variation is well pronounced and therefore, the data sampling and further analyses using both qualitative and quantitative data can be considerably influenced. Despite recommendation to sample plots in vegetation phenological optimum, vegetation sampling is often conducted during the whole growing season. However, there are no studies dealing with the impact of intra-seasonally sampled data on basic vegetation data analyses. Therefore, I firstly investigated the basic patterns of both qualitative and quantitative vegetation changes of permanent plots of deciduous forests and dry grasslands during one growing season. Secondly, I explored the performance of unsupervised vegetation classifications and beta-diversity analyses using records from separate parts of the growing season and their mixtures. Furthermore, using the Czech National Phytosociological Database, I defined the group of vernal species which shows probably the most striking discrepancies in species intra-seasonal presences and abundances. I surveyed their occurrences within vegetation units of deciduous forest and dry grassland vegetation and concurrently, I tested if their exclusion can help to get more similar classification results of spring sampled data classifications to the summer sampled ones. Finally, I searched the basic ecological patterns in forest vernal species of the Czech Republic. Deciduous forest vegetation showed different intra-seasonal patterns than dry grassland vegetation in species composition, species richness, cover of layers and species life-form proportions. Partitions based on summer sampled data were mostly robust to classification settings compared to spring and autumnally sampled data or mixtures of intra-seasonally sampled data. Combinations of spring and summer records led to increase in beta-diversity in both deciduous forests and dry grasslands. Czech deciduous forests accommodate 21 and dry grasslands 36 frequently occurring vernal species. Their exclusion before spring records classifications showed more similar results to the partitions based on summer records in the vernal species rich vegetation. The positive relationship between richness of forest vernal species and soil pH/calcium content was found, while forest continuity showed no significant effect. To conclude, we recommend exclusion of relevés sampled before June or careful intra-seasonal stratification before vegetation data analyses to avoid potential misinterpretations of species composition analyses (or possibly analyses of relevés sampled during only one part of the growing season can be conducted). Only summer sampled plots should be used for unsupervised classifications, possibly at least the seasonal ratio of analysed data sets should be included or vernal species excluded before data analysing. Although occurrence and richness of forest vernal species is definitely connected with many aspects of the recent forest management, we did not confirm the relationship with forest continuity, while we found the positive relationship between richness of vernal species and soil pH/calcium content.

Keywords

Beta-diversity, Central Europe, Deciduous forests, Dry grasslands, Forest continuity, Geophytes, Intra-seasonal changes, Permanent plot, Soil pH, Species life forms, Species richness, Therophytes, Unsupervised classification, Vegetation seasonality, Vernal species

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 2. 7. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 25. 9. 2014
• Supervisor: doc. Mgr. Lubomír Tichý, Ph.D.
• Reader: Dr. Zoltán Botta-Dukát, Mgr. Radim Hédl, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Botany