Διερεύνηση της ιστορικής παρουσίας της φωτιάς και πρότυπα χωρικής μεταπυρικής αναγέννησης σε δασικά οικοσυστήματα Pinus nigra J. F. Arnold του όρους Ταϋγέτου

Abstract

During the recent decades there is an increasing trend of both fire activity and are aburned in many regions of the world. Moreover, there is a worldwide concernregarding the increasing presence of crown fires in forest types that were historically prone to surface fires. Among the recently affected mountainous forest ecosystems are those of Pinus nigra J. F. Arnold, an ecologically and economically important species that is widely distributed around the Mediterranean Basin. The aims of this study were to investigate the historical presence of fire in Black pine forest ecosystems, as well as to document the spatial patterns of its post-fire regeneration on Taygetos mountain range of Southern Greece that was severely burned in 2007. Dendrochronology has been used to investigate whether fire-regime attributes can be reconstructed from fire-scarred trees and also to examine the consistency of fire occurrence and spatial extent through time within the study area. Partial crosssections from fire scared Pinus nigra trees were sampled in June 2011 mainly within the perimeters of the 2007 and/or 1998 fires in order to be able to contrast recent fires with the long-term fire regime on the same sites. The sampling was designed to maximize the completeness of fire occurrence dates over as long a time period aspossible. The total number of individual trees sampled was 62: twenty five samples were collected from living trees, 23 from snags, 16 from cut stumps and 2 from logs. The elevation of sampling points varied between 1125 - 1588 m (mean 1361 m).Tree rings of the fire-scarred samples were measured and cross-dated. The COFECHA software was used with the tree-ring measurements to check the quality of dating and to assist in dating trees that could not be dated visually. The season offire occurrence was estimated based on the relative position of fire injuries within each annual ring. FHX2 software was used for analyzing the fire scar data. The meanfire interval and the Weibull median probability interval were calculated for all fires, as well as for ‘‘major’’ fire years, estimated by filtering only years in which ≥25% of the recording samples (those with open injuries, susceptible to further scarring) were scarred. For the events representing ‘‘major’’ fires their expected fire-extenthas been interpolated in space through a proximity analysis (Thiessen polygons) and the areas of Pinus nigra forests affected by each “major” fire event have been presented in maps. We were able to cross-date samples derived from 54 trees (87%) and identify their fire dates. The period covered by the fire-scarred samples was 290 years (1721-2010). The oldest confirmed fire date was 1801, while 1823 and 1830 represented the first fire dates recorded on more than one sample. During the last 165 years, 34 fire events have been recorded in the Black pine forest of the study area. The overall mean fire interval was 4.9 yrs, while 16.2 yrs was the mean fire interval for the larger in size fires (25%-scarred filter). Even at the individual-sample scale, with the sample mean fire interval equalling 29.5 years, the fire frequency still falls within the range of the ‘‘predictable stand-thinning fire’’ regime. The majority of fire scarsrecorded were dated to the warm and dry season of summer to fall. During the last 165 years of fire reconstruction, neither fire frequency nor percentage of trees scarred by fires varied significantly. Nevertheless, the size of the area burned as wellas the type of fire seem to have changed, with the 2007 event being the most extended crown fire encountered so far. For monitoring regeneration of Pinus nigra, after the megafire of 2007, a special design was followed by taking into consideration distance from unburned patches. Itis reported that active post-fire regeneration of Black pine is ensured only from neighboring unburned patches or sparse individuals of the species. Remote sensing techniques and GIS analysis were applied in order to extract information on the unburned patches within the fire perimeter and to spatially predict the potential recolonization of the burned areas. The spatial model predicts a regeneration failure over an area representing 12% of the pre-fire species distribution across the study area. A network of 18 sites was established for monitoring regeneration of Black pineduring three consecutive years from 2010 to 2012. Twelve sites were selected at the edges of the unburned patches, while six sites were established in completely burned areas, where the post-fire regeneration was expected to be practically zero. Densities of Black pine seedlings and saplings were measured in plots of 1x1m2 sequentially located along 3 transects of 100m long x 2m wide, established in each of the above sites. A total of 10,800 plots were sampled. Boosted regression tree analysis was used for identifying environmental and microhabitats variables with the most explanatory power concerning interpretation of Black pine post-fire regeneration. Statistically significant differences have been detected among pines densities recorded at sites located at the edges of the unburned patches and sites incompletely burned areas. Mean density in sites located at the edges of the unburned patches was 0.406 individuals m-2, while in the completely burned areas, five years after fire, the regeneration remains practically nil, with mean density being equal to 0.007 individuals m-2. Number of fires and presence of recovering ferns have a moderate effect on Black pine densities, followed by heat load, altitudeand diameter at breast height of the remaining unburned trees, while presence of herbs, coarse woody debris, soil depth and number of mature unburned trees have a relatively weak effect. The most important variable defining Black pine post-fire natural regeneration is distance from the unburned patch. Our study has provided additional evidence that Pinus nigra is indeed a fire-resistant tree species provided that it is exposed to surface fires, even if they are recurrently occurring. In the case of severe and extended crown fires its post-fire recovery depends almost exclusively on seed dispersal from neighboring unburned patches. Therefore, after a fire event, the assessment of the existence and the conservation of any unburned patch must be of primary importance. Environmental variables and microhabitat characteristics such as vegetation and presence of fallen branches and trunks, stumps and snags can greatly affect Black pine recruitment. Control of perennial herbs and reduction of ferns presence to a moderate level can promote Black pine regeneration. Removal of coarse woody debris should be avoided as apartfrom soil protection from erosion can also provide suitable microhabitats for Blackpine regeneration. To assist integrated forest management further research into fuel management, as well as and potential effects from changes in climate, is needed to clarify the factors leading to increasingly large and severe wildfires, in a region thatis expected to be severely impacted by climatic change.

Κατά τη διάρκεια των τελευταίων δεκαετιών, σε πολλές περιοχές του κόσμου,παρατηρείται μια σημαντική τάση αύξησης, τόσο του αριθμού των πυρκαγιών, όσο και των καμένων εκτάσεων. Επιπλέον, υπάρχει προβληματισμός για την αυξανόμενη παρουσία επικόρυφων πυρκαγιών σε δασικά οικοσυστήματα που ιστορικά δέχονταν κυρίως έρπουσες πυρκαγιές. Ανάμεσα στα πρόσφατα ευρέως επηρεαζόμενα από μεγάλες δασικές πυρκαγιές οικοσυστήματα περιλαμβάνονται και τα δάση Pinus nigra J. F. Arnold (Μαύρη πεύκη). Η Pinus nigra είναι ένα είδος μεγάλης οικολογικής και οικονομικής σημασίας, με ευρεία κατανομή στη Μεσογειακή λεκάνη. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση της ιστορικής παρουσίας της φωτιάς σε δασικά οικοσυστήματα Μαύρης πεύκης του όρους Ταϋγέτου, καθώς και η παρακολούθηση των χωρικών προτύπων μεταπυρικής αναγέννησης του είδους, ύστερα από τη μεγάλη σε ένταση και έκταση πυρκαγιά του 2007.Για την ανασύσταση της ιστορίας της φωτιάς στα δασικά οικοσυστήματα Μαύρης πεύκης εφαρμόστηκε η μέθοδος της δενδροχρονολόγησης και ειδικότερα η ανάλυση των σημαδιών φωτιάς. Οι δειγματοληψίες που πραγματοποιήθηκαν τον Ιούνιο του 2011, έλαβαν χώρα κυρίως εντός των ορίων των δύο πρόσφατων πυρκαγιών (2007 και 1998), προκειμένου να γίνει σύγκριση των πρόσφατων πυρκαγιών με τα παλαιότερα περιστατικά στις ίδιες θέσεις. Ο σχεδιασμός της δειγματοληψίας έγινε έτσι ώστε να μεγιστοποιηθούν οι καταγραφές της φωτιάς από κάθε θέση, να εκτιμηθεί η έκταση του κάθε περιστατικού και να διαπιστωθεί η ύπαρξη περιστατικών όσο το δυνατόν παλαιότερα στο χρόνο. Κατά τη διάρκεια των ερευνών πεδίου έγινε λήψη σφηνών από πεσμένους ή / και κομμένους κορμούς, ενώ για τα όρθια, ζωντανά ή νεκρά δένδρα, λήφθηκαν σφήνες μικρότερου μεγέθους, κοντά στο σημάδι της φωτιάς. Συνολικά, συλλέχθηκαν δείγματα από 62 άτομα: 25 από ζωντανά δένδρα, 23 από όρθιους καμένους κορμούς ή νεκρά δένδρα, 16 από υπολείμματα κομμένων κορμών και 1 από πεσμένο κορμό. Το υψόμετρο των θέσεων δειγματοληψίας κυμαινόταν από 1125 - 1588 m (μέσο υψόμετρο: 1361 m). Μετά την κατάλληλη επεξεργασία των δειγμάτων στο εργαστήριο, μετρήθηκε το πλάτος των ετησίων δακτυλίων αύξησης,έγινε διασταυρούμενη χρονολόγηση, τόσο οπτική, όσο και με χρήση του ειδικού προγράμματος COFECHA, και προσδιορίστηκε το έτος των περιστατικών πυρκαγιάς.Η εκτίμηση της εποχής εκδήλωσης των πυρκαγιών έγινε με βάση τη σχετική θέση των σημαδιών εντός των ετήσιων δακτυλίων. Το μεσοδιάστημα μεταξύ των πυρκαγιών και το μέσο πιθανό διάστημα του Weibull υπολογίστηκαν για το σύνολο των πυρκαγιών, καθώς και για τις μεγαλύτερες μόνο πυρκαγιές, οι οποίες αντιστοιχούν σε αυτές που σημάδεψαν ποσοστό ≥25% των εκάστοτε διαθέσιμων δένδρων καταγραφέων. Ως καταγραφείς θεωρούνται τα δένδρα που διαθέτουν ανοιχτή πληγή και στα οποία είναι πιο εύκολο να σχηματιστεί νέο σημάδι από τη δράση της φωτιάς. Για τα περιστατικά των μεγαλύτερων πυρκαγιών, δημιουργήθηκαν χάρτες εκτιμώμενης καμένης έκτασης, μέσω της ανάλυσης εγγύτητας.Κατέστη δυνατό να γίνει διασταυρούμενη χρονολόγηση σε 54 δένδρα (87%),στα οποία και έγινε προσδιορισμός των ημερομηνιών των πυρκαγιών. Η ανασύσταση του ιστορικού της φωτιάς καλύπτει περίοδο 290 ετών (1721-2010). Το παλαιότερο περιστατικό πυρκαγιάς εντοπίστηκε το 1801, ενώ κατά τα έτη 1823 και 1830 σημειώνονται οι πρώτες πυρκαγιές που καταγράφονται σε περισσότερα από ένα δένδρα. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων 165 ετών(1845-2010) εντοπίστηκαν 34 περιστατικά πυρκαγιών στο σύνολο της περιοχής μελέτης. Από το σύνολο των πυρκαγιών, 11 περιστατικά σημάδεψαν σημαντικό αριθμό δένδρων και μπορούν να θεωρηθούν πυρκαγιές μεγαλύτερης έκτασης, ενώ οι υπόλοιπες αφορούσαν σε περιστατικά μάλλον τοπικού χαρακτήρα. Οι περισσότερες πυρκαγιές σημειώθηκαν κατά την καλοκαιρινή περίοδο. Το μεσοδιάστημα μεταξύ δύο διαδοχικών πυρκαγιών σε επίπεδο συστάδας ήταν 4,9 χρόνια για το σύνολο των πυρκαγιών και 16,2 για τις μεγαλύτερες πυρκαγιές, ενώ σε επίπεδο ατόμου το αντίστοιχο διάστημα ήταν 29,5 χρόνια. Κατά τη διάρκεια των 165 ετών ανάλυσης δεν διέφεραν σημαντικά ούτε η συχνότητα των πυρκαγιών, ούτε το ποσοστό των σημαδεμένων δένδρων. Ωστόσο, τόσο το μέγεθος της καμένης έκτασης όσο και ο τύπος της φωτιάς φαίνεται να έχει αλλάξει, με την πυρκαγιά του 2007 να αποτελεί το πιο εκτεταμένο και το μεγαλύτερο σε ένταση περιστατικό στην περιοχή μελέτης. Για την παρακολούθηση της αναγέννησης της Pinus nigra, μετά τη μεγαπυρκαγιά του 2007, ακολουθήθηκε ειδικός σχεδιασμός με έμφαση στην παρουσία άκαυτων συστάδων. Σύμφωνα με την υφιστάμενη βιβλιογραφία, σε περιπτώσεις μεγάλης έντασης επικόρυφων πυρκαγιών η φυσική αναγέννηση του είδους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την επιβίωση, την παραγωγή και τη διασπορά σπερμάτων από ώριμα άτομα ‘μητέρες’ που βρίσκονται, είτε εντός των καμένων εκτάσεων (άκαυτες νησίδες), είτε στα όρια της άκαυτης έκτασης. Για τον καθορισμό των ορίων της πυρκαγιάς του 2007, τη διερεύνηση της διαθεσιμότητας άκαυτων νησίδων P. nigraκαι την πρόβλεψη της πορείας εποικισμού των καμένων εκτάσεων έγινε συνδυασμένη χρήση τεχνικών δορυφορικής τηλεπισκόπησης και τεχνικών Γεωγραφικών Συστημάτων Πληροφοριών. Επί των αρχικών χαρτών που προέκυψαν από την εφαρμογή αυτών των τεχνικών, εφαρμόστηκε μία σειρά κριτηρίων με τα οποία αφενός μεν έγινε χωρική πρόβλεψη της δυνατότητας φυσικής αναγέννησης της P. nigra και αφετέρου επιλέχτηκαν οι θέσεις δειγματοληψίας πεδίου για την παρακολούθηση της μεταπυρικής αναγέννησης. Το βέλτιστο σενάριο μεταπυρικής αναγέννησης στο μοντέλο που εφαρμόστηκε προβλέπει σημαντική απώλεια δασικών οικοσυστημάτων Μαύρης πεύκης στην περιοχή του Ταϋγέτου της τάξης του 12% και αφορά σε θέσεις απομακρυσμένες από άκαυτες συστάδες. Στη συνέχεια, επιλέχθηκε ένα δίκτυο 18 θέσεων δειγματοληψίας για την υλοποίηση ερευνών πεδίου. Εξ αυτών, οι 12 θέσεις βρίσκονταν στα όρια άκαυτων συστάδων ή νησίδων, ενώ οι 6 αφορούσαν σε τελείως καμένες εκτάσεις, που βρίσκονταν σε μεγάλη απόσταση από άκαυτες συστάδες ή νησίδες. Σε κάθε θέση δειγματοληψίας, η πυκνότητα των αρτιβλάστων και των νεαρών ατόμων Pinusnigra μετριόταν σε δειγματοληπτικές επιφάνειες 1x1m κατά μήκος 3 διατομών,μήκους 100m και πλάτους 2m. Συνολικά έγιναν δειγματοληψίες σε 10.800 δειγματοληπτικές επιφάνειες 1x1m. Οι δειγματοληψίες για την παρακολούθηση της μεταπυρικής αναγέννησης ξεκίνησαν τον Απρίλιο του 2010 και ολοκληρώθηκαν το Σεπτέμβριο του 2012. Για τον προσδιορισμό των μεταβλητών που έχουν τη μεγαλύτερη σημασία στην ερμηνεία της μεταπυρικής αναγέννησης της P. nigra χρησιμοποιήθηκε η στατιστική ανάλυση με ενισχυμένα δένδρα παλινδρόμησης.Στατιστικώς σημαντικές διαφορές βρέθηκαν ως προς την πυκνότητα νεαρών ατόμων Μαύρης πεύκης στις θέσεις που βρίσκονταν κοντά σε άκαυτες συστάδες και στις τελείως καμένες και απομονωμένες εκτάσεις. Η μέση πυκνότητα νεαρών ατόμων Μαύρης πεύκης στις θέσεις κοντά σε άκαυτες συστάδες ήταν 0,406 άτομαm-2, ενώ στις τελείως καμένες και απομονωμένες εκτάσεις η αναγέννηση παραμένει πρακτικά μηδενική, με τη μέση πυκνότητα να είναι ίση με 0.007 άτομα m-2. Ο σημαντικότερος παράγοντας που ουσιαστικά καθορίζει το ρυθμό αναγέννησης τηςPinus nigra είναι η απόσταση από την άκαυτη συστάδα. Από τις περιβαλλοντικές παραμέτρους που εξετάστηκαν, ο αριθμός των πυρκαγιών και η παρουσία του είδους Pteridium acquilinum έχουν μέτρια επίδραση στην πυκνότητα Μαύρης πεύκης, ενώ ακολουθούν το θερμικό φορτίο, η διάμετρος των άκαυτων δένδρων και το υψόμετρο. Η παρουσία ποωδών ειδών, πεσμένων ή όρθιων καμένων ή και κομμένων κορμών, το βάθος εδάφους και ο αριθμός των άκαυτων δένδρων έχουν σχετικά μικρή επίδραση.Η παρούσα έρευνα παρέχει πρόσθετα αποδεικτικά στοιχεία ότι η Pinus nigra είναι ένα είδος ανθεκτικό στη φωτιά, με την προϋπόθεση ότι εκτίθεται σε έρπουσες πυρκαγιές, ακόμα και όταν συμβαίνουν κατ’ επανάληψη. Σε περιπτώσεις μεγάλης έντασης επικόρυφων πυρκαγιών η μεταπυρική της αναγέννηση εξαρτάται σχεδόν αποκλειστικά από τη διασπορά σπερμάτων από γειτονικές άκαυτες συστάδες. Η αξιολόγηση της παρουσίας και η διατήρηση των άκαυτων συστάδων και νησίδων,ιδίως αυτών με μεγάλα ενήλικα άτομα, είναι πρωτεύουσας σημασίας για τη μεταπυρική διαχείριση των οικοσυστημάτων του είδους αυτού. Παρόλα αυτά,διάφοροι περιβαλλοντικοί παράγοντες, καθώς και τα χαρακτηριστικά του μικροενδιαιτήματος επηρεάζουν το ρυθμό φυσικής μεταπυρικής αναγέννησης. Ο έλεγχος των ποωδών ειδών και της πυκνότητας της φτέρης εκτιμάται ότι μπορεί να προωθήσει τη φυσική αναγέννηση της Pinus nigra. Παράλληλα, θα πρέπει να αποφεύγεται η απομάκρυνση των νεκρών πεσμένων ή όρθιων καμένων κορμών, οι οποίοι, εκτός από την προστασία του εδάφους από τη διάβρωση και την παροχή θρεπτικών, μπορούν να προσφέρουν και κατάλληλα μικροενδιαιτήματα για τη φυσική μεταπυρική αναγέννηση της P. nigra. Για την αποτελεσματική διαχείριση και προστασία των δασών απαιτούνται περισσότερες έρευνες όσον αφορά στη διαχείριση της καύσιμης ύλης, καθώς και στις πιθανές επιπτώσεις που μπορεί να επιφέρει η κλιματική αλλαγή, προκειμένου να προσδιοριστούν οι παράγοντες που οδηγούν στην εμφάνιση πυρκαγιών μεγαλύτερης έντασης και έκτασης. Η υλοποίηση παρόμοιων ερευνών καθίσταται ιδιαίτερα σημαντική στην περιοχή της Μεσογείου, η οποία αναμένεται να επηρεασθεί σημαντικά από την κλιματική αλλαγή.