Influence of plant characteristics on the successful establishment and development in degraded forest ecosystems

Abstract

An experiment was conducted to find out the influence of drought on seedling’s morphology, biomass allocation, architecture of first-order lateral roots (FOLR) and field survival at the early stages of transplanting. Four Mediterranean species were selected to test the above responses where two species were outplanted as bare-rooted and undercut; Cercis siliquastrum and Fraxinus ornus (3 years old) and the other two species were outplanted as container-grown; viz. Spartium junceum and Cupressus sempervirens (2 years old). The study was carried out at the Arboretum of the Laboratory of Silviculture of AUTh near the village Peristera which belongs to the municipality of Vasilka, Thessaloniki, Greece (Longitude 23º 04′ 58″ E and Latitude 40º 30′ 27″ N) during the period from 2011 to 2012. The climate of the study area is typical of Mediterranean areas with a hot dry summer and cool winter. The seedlings were transplanted from nursery to field conditions during November 2011. A total of 120 seedlings per species of same age and similar size were transplanted in the field. After establishment, half of the seedlings were kept well-watered while the rest other were kept water stress i.e. received no other irrigation except natural rainfall (water stressed). The experiment was complete randomized block design. Seedlings were harvested by total excavation method after 6, 8 and 10 months of outplanting. In each harvest, 12 seedlings were randomly chosen (4 seedlings × 3 replications) per treatment per species for the analysis of root and shoot systems. The study exposed that survival of bare-rooted C. siliquastrum and F. ornus seedlings were severely affected to drought (water stress) compared to S. junceum and C. sempervirens seedlings (which were initially containerized in the nursery) after outplanting in the field condition. Among the stressed treatment, S. junceum had the highest survival rate (85%) followed by C. sempervirens (73.7%), C. siliquastrum (51.7%) and the lowest survival rate had the species of F. ornus (45%) after 10 months of outplanting. In the well-watered treatment, lowest survival rate was also recorded in the seedlings of F. ornus (75%) and the other three species had higher survival rate which ranged from 90 to 93.3%. Bare-rooted C. siliquastrum and F. ornus seedlings experienced higher plant water stress after transplanting and more mortality in the field than container-grown S. junceum and C. sempervirens seedlings. The disturbances to the bareroots during lifting, transportation and planting might be the causes of the higher initial mortality of the bare-rooted seedlings. Extreme weather and poor soil conditions and seedling’s age might have also played a significant role for the survival and initial establishment of the studied seedlings in the field condition. Shoot-root morphology, biomass allocation and architecture of FOLR of bare-rooted seedlings were not affected by drought while those of the container-grown seedlings were affected after 10 months of outplanting. Reduction of initial height in the form of shoot dieback followed by new shoot, leaf, or needle growth in the lower part of stems might be the adaptive mechanisms to minimize excessive transpiration and to establish at the early stages of the outplanted species. Moreover, higher diameter increment than height of stressed seedlings of all species, might also be a mechanism to adapt during the drought periods. The number of FOLR increased from the initial number in all bare-rooted and container-grown seedlings after outplanting. Generally the well-watered seedlings had significantly higher number of FOLR than the stressed ones. The number of FOLR was correlated with the growth i.e. more number of FOLR, better growth and survival in the field. Mean length of FOLR of all S. junceum and C. sempervirens seedlings was found significantly similar in both treatments because of their intact root system while varied differently in bare-rooted C. siliquastrum and F. ornus seedlings. In C. siliquastrum mean length of FOLR varied significantly after 8 months but after 10 months, the length of FOLR increased 30.28% in the stressed treatment and 11.55% in the well-watered one which might be an adaptive mechanism of stressed seedlings to establish in the dry field. The mean length of FOLR of F. ornus did not vary initially but varied after 10 months between the two water regimes. We observed that FOLR formation was very slow from the undercut central root of F. ornus. It can be interpreted from the results that undercut F. ornus seedlings may need more time to be well- adapted than C. siliquastrum seedlings in the dry sites.Mean diameter of FOLR of bare-rooted and container-grown seedlings decreased from 8 months to 10 months period in both water regimes in the field conditions. Increase of length of FOLR in expense of their diameters especially for the stressed seedlings may be one the adaptive mechanisms of these seedlings in the dry Mediterranean sites. The relative water content of leaves and needles was found higher in the well-watered seedlings than in the stressed ones in all species. The moisture content of field soil varied due to sporadic rainfall and temperature variation. The lowest moisture content of soil was in well-watered plots 18.81±0.44% and 5.56±0.08% in stressed plots during the experimental period. In order to reduce the mortality rate and to have a successful establishment of undercut bare-rooted seedlings, first year irrigation is recommended during summer months.

Το πείραμα διεξήχθη για να μελετηθεί η επίδραση της ξηρασίας στη μορφολογία των δενδρυλλίων, στην κατανομή της βιομάζας, στην αρχιτεκτονική των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης και στην επιβίωση στο πεδίο στα πρώτα στάδια της μεταφύτευσης. Τέσσερα μεσογειακά είδη επιλέχθηκαν να μελετηθούν ως προς τα προαναφερθέντα στοιχεία: δύο είδη μεταφυτεύτηκαν ως γυμνόριζα με ριζοκοπή τα Cercis siliquastrum και Fraxinus ornus (3 ετών) και τα άλλα δύο είδη μεταφυτεύτηκαν ως βωλόφυτα, τα Spartium junceum και Cupressus sempervirens (2 ετών). Η μελέτη διεξήχθη στο Arboretum του Εργαστηρίου Δασοκομίας του ΑΠΘ, κοντά στο χωριό Περιστερά το οποίο ανήκει στο Δήμο Βασιλικών Θεσσαλονίκης (γεωγραφικό μήκος 23º04'58"Ε και γεωγραφικό πλάτος 40º30'27"Β), κατά τη διάρκεια της περιόδου 2011-2012. Το κλίμα της περιοχής μελέτης είναι χαρακτηριστικό των μεσογειακών περιοχών με ζεστό και ξηρό καλοκαίρι και δροσερό χειμώνα. Τα δενδρύλλια μεταφέρθηκαν από το φυτώριο στο πεδίο το Νοέμβριο του 2011. Συνολικά 120 δενδρύλλια ανά είδος, ίδιας ηλικίας και παρομοίου μεγέθους μεταφυτεύτηκαν στο πεδίο. Μετά την εγκατάσταση, στα μισά δενδρύλλια εφαρμόστηκε ελεγχόμενη άρδευση, ενώ τα υπόλοιπα δεν έλαβαν καμία άλλη άρδευση εκτός από τις φυσικές βροχοπτώσεις (υδατικό στρές). Το πειραματικό σχέδιο ήταν πλήρως τοχαιοποιημένο. Η συλλογή δειγμάτων δενδρυλλίων πραγματοποιήθηκε σε τρείς περιόδους, με εκσκαφή μετά από 6, 8 και 10 μήνες από την στιγμή της μεταφύτευσης. Σε κάθε περίοδο, 12 δενδρύλλια συλλέχθηκαν τυχαία (4 δενδρύλλια × 3 επαναλήψεις) ανά χειρισμό και ανά είδος για την ανάλυση του ριζικού και βλαστικού συστήματος.Η έρευνα έδειξε ότι στα δενδρύλλια που εφαρμόστηκε το υδατικό στρες, η επιβίωση των γυμνόριζων των C. siliquastrum και F. ornus επηρεάστηκε σοβαρά από την ξηρασία εν συγκρίσει με τα βωλόφυτα δενδρύλλια (S. junceum και C. sempervirens). Οι χειρισμοί που έγιναν με έλλειψη άρδευσης απέδειξαν ότι το S. junceum είχε το υψηλότερο ποσοστό επιβίωσης (85%) ακολουθούμενο από το C. sempervirens (73,7%), C. siliquastrum (51,7%), ενώ το χαμηλότερο ποσοστό επιβίωσης είχε το F. ornus (45 %) μετά από 10 μήνες από την στιγμή της μεταφύτευσης. Στους χειρισμούς που έγιναν με ελεγχόμενη άρδευση (μάρτυρας), χαμηλότερο ποσοστό επιβίωσης καταγράφηκε πάλι στα δενδρύλλια του F. ornus (75% ), ενώ τα άλλα τρία είδη είχαν υψηλότερο ποσοστό επιβίωσης που κυμάνθηκε από 90 έως 93,3%. Για την επιβίωση και την αρχική εγκατάσταση των δενδρυλλίων που μελετήθηκαν σε συνθήκες πεδίου τα γυμνόριζα δενδρύλλια των C. siliquastrum και F. ornus παρουσίασαν μεγαλύτερη καταπόνηση στο υδατικό στρές μετά τη μεταφύτευση τους και μεγαλύτερα ποσοστά θνησιμότητας στο πεδίο, από τα βωλόφυτα δενδρύλλια των ειδών S. junceum και C. sempervirens. Αυτό οφείλεται στις καταπονήσεις των γυμνόριζων δενδρυλλίων κατά τη διάρκεια της εξαγωγής, μεταφοράς και φύτευσης τους, καθώς επίσης και στις ακραίες καιρικές συνθήκες, τις κακές εδαφικές συνθήκες και την ηλικία των δενδρυλλίων Η μορφολογία του βλαστού και της ρίζας, η κατανομή της βιομάζας και η αρχιτεκτονική της πρώτης τάξης των πλαγίων ριζών των γυμνόριζων δενδρυλλίων δεν επηρεάστηκαν από την ξηρασία, ενώ στην περίπτωση των βωλόφυτων δενδρυλλίων υπήρξε επίδραση 10 μήνες μετά την μεταφύτευση τους στο πεδίο. Τη μείωση από το αρχικό ύψος λόγω βλαστικού μαρασμού ακολούθησε η έκπτυξη νέων βλαστών, φύλλων ή η ανάπτυξη βελόνων στο κάτω μέρος των βλαστών. Αυτό μπορεί να αποτελεί προσαρμοστικό μηχανισμό για την ελαχιστοποίηση της υπερβολικής διαπνοής στα πρώτα στάδια εγκατάστασης των μεταφυτευμένων ειδών. Επιπλέον, η μεγαλύτερη αύξηση της διαμέτρου έναντι του ύψους των δενδρυλλίων όλων των ειδών, θα μπορούσε επίσης να είναι ένας μηχανισμός για την προσαρμογή κατά τις περιόδους ξηρασίας .Ο αριθμός των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης αυξήθηκε από τον αρχικό αριθμό σε όλα τα γυμνόριζα και τα καλλιεργούμενα σε δοχεία δενδρύλλια μετά τη μεταφύτευση. Γενικά τα δενδρύλλια με ελεγχόμενη άρδευση (μάρτυρας) είχαν σημαντικά μεγαλύτερο αριθμό πλαγίων ριζών πρώτης τάξης από αυτά που δεν ποτίστηκαν καθόλου. Ο αριθμός των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης συσχετίστηκε με την ανάπτυξη, δηλαδή μεγαλύτερος αριθμός πλαγίων ριζών πρώτης τάξης, καλύτερη ανάπτυξη και επιβίωση στο πεδίο.Το μέσο μήκος των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης όλων των βωλόφυτων δενδρυλλίων των ειδών S. junceum και C. sempervirens βρέθηκε παρόμοιο στους δυο χειρισμούς λόγω του ανέπαφου ριζικού τους συστήματος, ενώ παρουσίασε σημαντική διακύμανση στα γυμνόριζα δενδρύλλια των C. siliquastrum και F. οrnus. Στο C. siliquastrum το μέσο μήκος των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης διέφερε σημαντικά μετά από 8 μήνες, αλλά μετά από 10 μήνες, το μήκος των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης αυξήθηκε 30,28% στα δενδρύλλια που δεν ποτίστηκαν καθόλου και 11,55 % στα δενδρύλλια που υπέστησαν ελεγχόμενη άρδευση, γεγονός που θα μπορούσε να ερμηνευτεί ως προσαρμοστικός μηχανισμός των καταπονημένων δενδρυλλίων για την εγκατάσταση τους σε συνθήκες ξηρασίας. Το μέσο μήκος των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης του F. ornus δεν διέφερε αρχικά, αλλά διέφερε μετά από 10 μήνες μεταξύ των δύο υδατικών καταστάσεων. Παρατηρήσαμε ότι ο σχηματισμός των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης που προήλθαν μετά τη ριζοκοπή της κεντρικής ρίζας του F. οrnus, ήταν πολύ αργός. Αυτό μπορεί να ερμηνευθεί από τα αποτελέσματα του ότι τα δενδρύλλια του F.οrnus που έχουν υποστεί ριζοκοπή, μπορεί να χρειαστούν περισσότερο χρόνο για να προσαρμοστούν σε ξηρές τοποθεσίες από τα δενδρύλλια του C. siliquastrum σε αντίστοιχες συνθήκες.Η μέση διάμετρος των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης των γυμνόριζων και των βωλοφύτων δενδρυλλίων μειώθηκε από τους 8 μήνες στους 10 μήνες και στις δύο περιπτώσεις υδατικού καθεστώτος στις συνθήκες πεδίου. Η αύξηση του μήκους των πλαγίων ριζών πρώτης τάξης σε βάρος των διαμέτρων τους, ιδίως για τα δενδρύλλια που υπέστησαν υδατικό στρές μπορεί να είναι ένας από τους προσαρμοστικούς μηχανισμούς αυτών των δενδρυλλίων στις ξηρές περιοχές της Μεσογείου.Το σχετικό υδατικό περιεχόμενο (RWC) των φύλλων και βελονών βρέθηκε υψηλότερο στα δενδρύλλια με ελεγχόμενη άρδευση από ό, τι στα στρεσαρισμένα, σε όλα τα είδη. Η περιεκτικότητα σε υγρασία του εδάφους μεταβαλλόταν λόγω σποραδικών βροχοπτώσεων και διακυμάνσεων της θερμοκρασίας. Η περιεχόμενη υγρασία εδάφους ήταν 18,81 ± 0,44 % στις καλά ποτιζόμενες δοκιμαστικές επιφάνειες και 5,56 ± 0,08 % στις δοκιμαστικές επιφάνειες χωρίς άρδευση κατά τη διάρκεια διεξαγωγής του πειράματος. Προκειμένου να μειωθεί το ποσοστό θνησιμότητας και να έχουμε μια επιτυχημένη εγκατάσταση των γυμνόριζων δενδρυλλίων τα οποία έχουν υποστεί και ριζοκοπή, συνιστάται η άρδευση στο πρώτο έτος κατά τη διάρκεια των καλοκαιρινών μηνών.