The vegetation of Greek fir (Abies cephalonica Loudon) forests on the Oxia – North Vardousia mountain system, central Greece, in relation to drought

Abstract

This study aimed to describe the Greek fir forest vegetation of the flysch area in Oxia-North Vardousia mountain range in relation to drought. It also applied and compared two different methodological approaches for the quantification of drought. The quantification of the most important environmental thresholds for the occurrence of the different forest vegetation units were also assessed.Two methods were used to quantify the drought: a humidity/aridity index (HI), which incorporates only the climatic components of drought (climatic drought); a more complete, water balance, method that includes, additionally, the soil components of drought (site drought). The spatial quantification of drought for the whole study area was assessed with the use of HI. The HI was calculated for different time periods and the values for the vegetation period were used for the stratification of the study area. Geostatistical methods were used for the spatial prediction of temperature and precipitation, and a GIS-based model for the calculation of solar irradiation. For the estimation of reference potential evapotranspiration (PETref) an empirical equation was chosen after a careful evaluation of its performance. The description of fir forest vegetation was based on floristic, structural and abiotic parameters recorded in 45 relevés. For the sampling the area was stratified based on the climate conditions during the vegetation period, and the locations of the plots in each stratum were randomly selected. The soil hydraulic properties were derived from soil profiles and laboratory analysis of undisturbed soil samples. Vegetation relevés were classified with cluster analysis and vegetation units were defined and compared with existing published relevés from central Greece. Gradient analysis was performed with the use of non-metric multidimensional scaling. The vegetation pattern was analyzed with several drought-related variables and other abiotic and biotic variables. Classification trees were used to determine the most important environmental factors and to quantify their limits between the Abies forest vegetation units.Two forest communities (Crepis fraasii-Abies cephalonica comm. and Sanicula europaea-A. cephalonica comm.), including four subtypes, were identified within the Abietion cephalonicae alliance, related to a drought gradient. The Crepis fraasii-Abies cephalonica comm. occupied the driest side of the gradient, in contrast to Sanicula europaea-A.cephalonica comm. which occupied the moister sites. The syntaxonomy and nomenclature of those units was discussed as well as their affinities with other Abies vegetation units from central Greece. Humidity index followed by potential evapotranspiration were found to be the most important variables for the discrimination of the two forest communities. The Crepis fraasii-Abies cephalonica comm. occurs when HI is < 0.26 for the four driest months or when PETref is > 1034.3 mm for the growth period. For values of HI > 0.26 or PETref < 1034.3 mm the Sanicula europaea-A. cephalonica comm. occurs. Among the subtypes there were no significant differences in terms of water availability. Their differentiation could be partly explained by abiotic (aspect, slope, cover of exposed rocks) and biotic (canopy cover, humus depth, litter cover) variables which are mainly influencing the micro-climatic and edaphic conditions. The method for the estimation of PETref that gave the best results was the Abtew empirical equation.The community patterns of the Abies forest vegetation in the study area reflect a major differentiation between mesophytic and xerophytic Abies forests along a gradient of decreasing drought. The humidity index appears to be the most suitable variable to express the meso-climatic drought conditions in the Greek fir forests of the study area. The threshold values of HI and PETref can be used for the prediction of the occurrence of the two forest communities. In a finer scale, the influence of drought on the floristic composition and structure of the Greek fir forests is weak. Other micro-site factors and historic events seem to play a higher role in further differentiating the two plant communities. The Abtew empirical equation performed best under the mediterranean climate conditions for the estimation of PETref. It is, therefore, recommended for similar applications in regional or local scales in the fir forests of central Greece.

Σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν η περιγραφή της βλάστησης των δασών της κεφαλληνιακής ελάτης που φύονται επί φλύσχη στην οροσειρά Οξυάς - Βορείων Βαρδουσίων και η συσχέτισή τους με την ξηρασία. Στόχος ήταν επίσης η εφαρμογή και σύγκριση δύο διαφορετικών μεθοδολογικών προσεγγίσεων για την ποσοτικοποίηση της ξηρασίας. Τα όρια των σημαντικότερων περιβαλλοντικών παραμέτρων, που επηρεάζουν την εξάπλωση των διαφόρων δασικών φυτοκοινωνιών της ελάτης, αξιολογήθηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν.Δύο μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για τη ποσοτικοποίηση της ξηρασίας: ένας δείκτης υγρασίας/ξηρασίας (ΗΙ), ο οποίος ενσωματώνει μόνο τις κλιματικές συνιστώσες της ξηρασίας; και μια μέθοδος υδατικού ισοζυγίου, η οποία ενσωματώνει επιπρόσθετα τις εδαφικές συνιστώσες της ξηρασίας. Για τη χωρική πρόβλεψη των κατακρημνισμάτων και της θερμοκρασίας του αέρα χρησιμοποιήθηκαν γεωστατιστικές μέθοδοι και μέθοδοι γραμμικής παλινδρόμησης, ενώ για τον υπολογισμό της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο r.sun, βασισμένο σε ένα σύστημα γεωγραφικών πληροφοριών. Για την εκτίμηση της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής (PETref) επιλέχθηκε, μετά από προσεκτική αξιολόγηση, μια εμπειρική μέθοδος (εξίσωση του Abtew). Η περιγραφή της βλάστησης των ελατοδασών βασίστηκε στη συλλογή χλωριδικών, δομικών και αβιοτικών δεδομένων από 45 δειγματοληπτικές επιφάνειες που πάρθηκαν με τυχαία στρωματωμένη δειγματοληψία. Για τη στρωμάτωση της περιοχής έρευνας χρησιμοποιήθηκε η κλιματική ξηρασία. Ο προσδιορισμός των υδατικών σταθερών του εδάφους πραγματοποιήθηκε σε αδιατάρακτα εδαφικά δείγματα που πάρθηκαν από τις 45 εδαφοτομές που πραγματοποιήθηκαν σε όλες τις δειγματοληπτικές επιφάνειες. Οι επιφάνειες ταξινομήθηκαν με μια μέθοδο ανάλυσης ομάδων (cluster analysis) με σκοπό τη διάκριση των μονάδων βλάστησης. Οι διακριθείσες φυτοκοινωνίες περιγράφηκαν και συγκρίθηκαν με δημοσιευμένες δειγματοληψίες (relevés) από την κεντρική Ελλάδα. Έμμεση ταξιθέτηση (indirect ordination) των επιφανειών με τη μέθοδο της μη-μετρικής πολυδιάστατης κλιμακοποίησης (non-metric multidimensional scaling) εφαρμόστηκε με σκοπό τη μελέτη της διαβάθμισης της βλάστησης (gradient analysis). Για την ερμηνεία της διαβάθμισης της βλάστησης διάφορες συνιστώσες της ξηρασίας καθώς και άλλες βιοτικές και αβιοτικές παράμετροι χρησιμοποιήθηκαν. Για τον προσδιορισμό των σημαντικότερων περιβαλλοντικών παραμέτρων και την ποσοτικοποίηση των οριακών τους τιμών, για τις διάφορες δασικές φυτοκοινωνίες, εφαρμόστηκε η μέθοδος της δενδρικής ταξινόμησης (classification tree).Δύο δασικές φυτοκοινότητες διακρίθηκαν (Crepis fraasii – Abies cephalonica κοινότητα και Sanicula europaea - A. cephalonica κοινότητα) κατά μήκος της διαβάθμισης της έντασης ξηρασίας. Οι φυτοκοινότητες, που περιλαμβάνουν τέσσερις υποτύπους, εντάχθηκαν στη συνένωση Abietion cephalonicae. Η Crepis fraasii – Abies cephalonica κοινότητα εμφανίζεται στους ξηρότερους σταθμούς, σε αντίθεση με τη Sanicula europaea - A. cephalonica κοινότητα που καταλαμβάνει τις πιο υγρές θέσεις. Η συνταξινομική θέση και η ονοματολογία των μονάδων βλάστησης συζητήθηκε, καθώς και η σχέση τους με άλλες μονάδες βλάστησης από το χώρο της κεντρικής Ελλάδας. Ο δείκτης υγρασίας/ξηρασίας (HI) και η δυνητική εξατμισοδιαπνοή (PETref) αποδείχτηκαν οι πιο σημαντικές παράμετροι για τη διάκριση των δύο δασικών φυτοκοινοτήτων. Η Crepis fraasii - Abies cephalonica κοινότητα εμφανίζεται σε θέσεις όπου οι τιμές του HI είναι ≤ 0,26 κατά τη διάρκεια των τεσσάρων ξηρότερων μηνών ή όπου η PETref ξεπερνά τα 1034,3 mm κατά τη αυξητική περίοδο. Αντίθετα, η Sanicula europaea - A. cephalonica κοινότητα εμφανίζεται σε θέσεις όπου ο HI είναι > 0.26 ή όπου η PETref δεν ξεπερνά τα 1034,3 mm. Μεταξύ των υποτύπων δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές όσων αφορά τη διαθέσιμη υγρασία. Η διαφοροποίησή τους θα μπορούσε να αποδοθεί, εν μέρει, σε αβιοτικές (έκθεση, κλίση, κάλυψη εδάφους με πέτρες και βράχια) και βιοτικές παραμέτρους (κάλυψη κομοστέγης, βάθος δασικού τάπητα, κάλυψη ξηροφυλλάδας) οι οποίες επηρεάζουν το μικροκλίμα και τις εδαφικές συνθήκες.Η εξάπλωση των δασικών φυτοκοινωνιών της κεφαλληνιακής ελάτης στην περιοχή έρευνας αντικατοπτρίζει μια βασική διαφοροποίηση σε ξηροφυτικά και μεσοφυτικά ελατοδάση κατά μήκος της διαβάθμισης της έντασης ξηρασίας. Ο δείκτης υγρασίας εμφανίζεται ως η καταλληλότερη περιβαλλοντική παράμετρος για την έκφραση των μεσο-κλιματικών συνθηκών ξηρασίας στα ελατοδάση της περιοχής έρευνας. Οι οριακές τιμές του δείκτη υγρασίας (ΗΙ) και της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής (PETref) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την πρόβλεψη της χωρικής κατανομής των δύο δασικών φυτοκοινοτήτων. Η εμπειρική εξίσωση του Abtew έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα στην εκτίμηση της PETref και γι’ αυτό το λόγο συνιστάτε η χρήση του σε παρόμοιες εφαρμογές τοπικής κλίμακας στα ελατοδάση της κεντρικής Ελλάδας.