Βιογεωχημικές διεργασίες στο οικοσύστημα του δάσους

Abstract

Our country may not have a high forest cover rate which is only 26.5%, but it has an extremely wide range of forest ecosystems, the largest in Europe (Ntafis, 2010). This variety is due to the rich flora, the variety of climatic types (from the clear Mediterranean to the pure continental climate) in the horticultural formation (Greece is a mountainous mountain with 42 peaks over 2,000 meters), the wide variety of geological formations and rocks, the variety of territorial types, historical-cultural development, as well as the economic and social structure of the country (Ntafis, 2010).For this study, the fir forests were selected in the areas of Ghiona, Parnassos, Kallidromo and Erymanthos mountains as well as the Sequoia clusters in Troodos Mountain in Cyprus. No secondary pest insects are reported for the trees of Abies cephalonica in the forests of Ghiona, Parnassos, Kallidromos and Erymanthos, which are being studied. Also, there is no data from the bibliographic review that refers to the effect of acid rain on the foliage of Abies cephalonica which are being studied. The same, that is the absence of secondary insect attack, is also observed for the forest ecosystem of Troodos in Cyprus, which is studied in parallel in this thesis. Therefore, it is very important to investigate the effect of soil chemical composition on the formation of tree morphology and growth. And this is the significant aim of this thesis. The aim of this PhD thesis is to investigate the effect of the geochemical characteristics of the soil and thus the geological substrate on the development of the forest and the dependence of the chlorosis phenomenon on the composition of the rocks. In the forest ecosystems studied, the phenomenon of chlorination was observed, which led to the thought that it is likely to be due to the increased presence of metals. This is particularly likely in the Parnassos region, Ghiona due to the presence of bauxite deposits, which are rich in certain elements (e.g. Cr, Ni, Ca, Cu, Zn, Pb, P, Mg and Fe).In order to achieve the aim of this thesis from the research areas, samples of soils, rocks and foliage of Abies cephalonica and Sequoiodendrum giganteum were collected from representative positions of the studied areas which were analyzed for a number of elements after appropriate laboratory preparation and processing. Also, in representative samples of soils and rocks there was also a mineral analysis. A number of criteria were taken into consideration for the selection of the samples. The research areas of the Ghiona, Parnassos and Kallidromo mountain ranges have sedimentary rocks. In these areas, limestones and clay shale predominate. In the area of Erymanthos Mountain there are also limestones. On the contrary, in the Troodos ophiolithic complex in the sampling area, volcanic rocks, generally magma rocks prevail. Specifically, sampling was carried out in the wider area of asbestos mines. The pH values of the soils range from 5.82 to 7.55. The largest number of soil samples in the areas of Kallidromo, Parnassos and Ghiona is characterized by the pH, slightly acidic to neutral (Gs1, Gs3, Gs4, Gs5, Gs6, Gs7, Gs11, Gsz, Ks13, Ks14, Ps1, Ps2, Ps4) with the exception of the soil sample Gs2 which is characterized as moderately acidic. Four soil samples characterized as slightly alkaline (Gs12, GsD, Ks15, Ks16). The importance of the effect of pH conditions on soils on the good and healthy appearance of trees is based on the following observation: Trees that grow on red shale with low pH are small and without chlorosis. in contrast, trees in the vicinity of limestone in soils with high pH are in very good condition. Chromium exhibits a similar geochemical behavior to nickel, i.e. it is directly related to soils enriched in iron oxides. In conclusion, the presence of bauxite components in the soils of the Ghiona forest region plays a decisive role in the acidity of the soil and ultimately in the bioavailability of nutrients. The influence of the soil substrate on growth, the proper functioning of the vital processes of the tree and, consequently, its morphology is shown below: The fir sample G12, which is in an excellent morphological condition, exhibits high concentrations of magnesium in both the foliage and on the soil, while the soil has the highest concentration of phosphorus and iron as well as mineral apatite. It is especially interesting to note that the tree leaf in this position presents the highest value of chlorophyll. The soils from Kallidromo Mountain are generally more alkaline than those of Ghiona. Therefore, it is concluded that the presence of bauxite components in the Ghiona soil plays an important role in soil acidity control. Field observations have shown that in Parnassos forest, soils are generally characterized by a distinct presence of Fe oxides resulting from dense vegetation, unlike the Ghiona soils except for the Gs12 sample. The soil samples which are characterized by high concentrations of bioavailable magnesium and iron are found in areas where the trees do not exhibit the chlorosis effect, therefore, it results in a significant conclusion that the presence of magnesium and iron, possibly together with other factors inhibit the phenomenon of chlorosis. The analysis of Abies cephalonica foliage in the present study has shown that the geochemical behavior of Cr, Ni and Fe actually supports their bauxite origin. Interestingly, Fe, Ni and Cr concentrations in specific foliage samples are high compared to other samples. This demonstrates that the pH affects the adsorption of these elements, i.e. Ni, Fe and Cr, from the trees. Also, the chlorosis of the trees could be due to the lack of nutrients such as e.g. Fe. The levels of Fe concentrations in the foliage of trees studied are not below the values that justify deficiency for this element and therefore the chlorosis cannot be due to the lack of Fe. In Erymanthos forest, interesting deficiencies were found in Mg, Mn & Cu. It is noteworthy that there is a large enrichment of Mn in Ef2 sample in relation to the other samples.In the trees of Sequoia (S.giganteum) of Troodos Mountain we observe the phenomenon of chlorosis as well as in fir trees in Greece. The average Fe, Cr and Pb concentrations in the Sequoia foliage (S.giganteum) in the Troodos Mountains is much higher than the corresponding average values in the fir trees of the areas studied in Greece. In the area of Troodos Mountains prevail rocks which are rich in Ni, Cr & Mn which are also reflected in the foliage. Characteristic case is the Ni. There is an enrichment of Ni with an enrichment factor 4.73. The same is observed for Cr with an enrichment factor 3.82. Also, there is Mn enrichment in Sequoia (S.giganteum) with an enrichment factor reaching the value of 2.36. The degree of enrichment in Sequoia (S.giganteum) foliage is reduced in the following order: Ni / 4.73 > Cr / 3.82 > Mn / 2.36. In the fir foliage there is a clear effect of the concentration of Mg of the rock on the concentration of magnesium in fir foliage. This apparent effect means that the absorption of Magnesium from the tree is important for its development that is for its vitality. The correlation between the concentration of magnesium in the rock and the concentration in the foliage can be used as a guide or criterion to draw conclusions about the condition of the trees (how healthy they are). It is important to note that metals such as chromium and nickel are directly related to bauxite products and show a strong correlation with iron. Taking into consideration the factors influencing the degree of adsorption of metals from the tree (geomorphology, pH, precipitation, parental rock, bioavailability of the elements, etc.) there is a strong indication of the effect of chemical composition of the rock on the chemical composition of the needles. Where tree deficiencies are observed in certain forest areas, the tree's resistance can be increased by improving soil conditions. Improving soil quality in areas where trees will be used in the wood industry can lead to reduced conservative consumption and environmental protection. It is demonstrated here that more than one factor plays an important role in the development of the chlorosis phenomenon, such as rock type, soil thickness, chemical composition, pH, microbial soil biomass, bioavailability of nutrients {(Mg, Fe, K, Ca, P the degree of bioavailability of toxic metals (ie Cd, Pb, Cr, Ni, etc.)}. The results of the present study show geochemical processes taking place in the fir forest substrate, which lead to the release of Ni, Cr and Fe from the bauxite ores which are adsorbed by the trees.

Η διδακτορική διατριβή ασχολείται με το φαινόμενο της χλώρωσης (αποχρωματισμός της φυλλωσιάς) των δένδρων που παρατηρήθηκε σε διάφορα ελληνικά δασικά οικοσυστήματα και σε ένα κυπριακό δασικό οικοσύστημα σε σχέση με το γεωλογικό υπόστρωμα πάνω στο οποίο φύονται τα δένδρα. Τα αντιπροσωπευτικά δένδρα που επελέγησαν για μελέτη ήταν είτε κοντά σε μεταλλευτικές δραστηριότητες (Γκιώνα, Παρνασσός & Τρόοδος) είτε μακριά (όπως η περίπτωση του Ερύμανθου & του Καλλίδρομου). Οι περιοχές έρευνας των οροσειρών Γκιώνας, Καλλίδρομου και Παρνασσού έχουν υπόστρωμα με ιζηματογενή πετρώματα. Στις περιοχές αυτές επικρατούν ασβεστόλιθοι, δολομίτες και αργιλικοί σχίστες. Στην περιοχή του Ερύμανθου επικρατούν εδάφη με προέλευση από φλύσχη & ραδιολαρίτες. Αντίθετα στο οφιολιθικό σύμπλεγμα του Τροόδους στην περιοχή δειγματοληψίας, επικρατούν μαγματικά υπερβασικά σερπεντινιούχα πετρώματα (σερπεντινίτης, βερλίτης, κ.ά.). Πρωταρχικός στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η διερεύνηση της επίδρασης των γεωχημικών χαρακτηριστικών του εδάφους και κατ΄επέκταση του γεωλογικού υποστρώματος στην ανάπτυξη του δάσους και της εξάρτησης του φαινομένου της χλώρωσης από τη σύσταση των πετρωμάτων. Ένας άλλος στόχος της διατριβής είναι ο καθορισμός των χαρακτηριστικών του εδάφους και του υποστρώματος στο οποίο φύεται το δένδρο, έτσι ώστε να επιτρέπουν τη φυσιολογική ανάπτυξή του. Η διερεύνηση του βαθμού εισόδου των διαφόρων στοιχείων και ιδιαίτερα των μετάλλων στο δασικό είδος της ελάτης, καθώς επίσης και ο καθορισμός των παραγόντων που διέπουν τον βαθμό εισόδου των στοιχείων στο δασικό αυτό είδος αποτελεί έναν άλλο στόχο. Για να επιτευχθούν οι στόχοι της διατριβής & προκειμένου να διερευνηθεί η πηγή προέλευσης των στοιχείων που μελετώνται στη φυλλωσιά των δένδρων συλλέχθηκαν αντιπροσωπευτικά δείγματα πετρωμάτων εδαφών και νερών και αναλύθηκαν για τα στοιχεία εκείνα που ενδεχόμενα επηρεάζουν τη λειτουργία του δένδρου. Παράλληλα έγιναν υπαίθριες παρατηρήσεις κατά τις οποίες εξετάστηκαν τα μορφολογικά χαρακτηριστικά των δένδρων. Ταυτόχρονα έγιναν συσχετίσεις με δασολογικές παραμέτρους από αντίστοιχες διαχειριστικές μελέτες, ενώ μετρήθηκε και ο Δείκτης Περιεκτικότητας Χλωροφύλλης (ΔΠΧ) των δένδρων που μελετήθηκαν δηλ. της ελάτης αλλά και σε έναν αριθμό δένδρων της ευρύτερης περιοχής των δειγμάτων αυτών. Χρησιμοποιήθηκε η ενδεδειγμένη μεθοδολογία για τις αναλύσεις των εδαφών, πετρωμάτων, νερών και φυλλωσιάς καθώς και για τον προσδιορισμό του δείκτη περιεκτικότητας χλωροφύλλης. Τα βασικά συμπεράσματα συνοψίζονται ως κάτωθι: Λαμβάνοντας υπόψη τους παράγοντες που επηρεάζουν το βαθμό προσρόφησης των στοιχείων από το δένδρο (γεωμορφολογία, pH, βροχόπτωση, μητρικό πέτρωμα, βιοδιαθεσιμότητα των στοιχείων, κ.ά.) υπάρχει ισχυρή ένδειξη της επίδρασης της χημικής σύστασης του πετρώματος στη χημική σύσταση της φυλλωσιάς. Διαπιστώθηκε ότι υπάρχει ισχυρή επίδραση των πετρωμάτων στη διασπορά του ασβεστίου στη φυλλωσιά ελάτης η οποία αποδίδεται ιδιαίτερα στους ασβεστόλιθους. Το χρώμιο και το νικέλιο, τα οποία συσχετίζονται άμεσα με τα βωξιτικά κοιτάσματα, δείχνουν μεγαλύτερη συσχέτιση με τον σίδηρο. Τα εδάφη στην περιοχή της Γκιώνας με υπόστρωμα σχίστη είναι χημικά αποσαρθρωμένα και χαρακτηρίζονται από σχετικά χαμηλό pH (μετρίως όξινα έως ελαφρώς αλκαλικά). Τα εδάφη στο όρος Καλλίδρομο είναι γενικά πιο αλκαλικά σε σύγκριση με αυτά της Γκιώνας. Ως εκ τούτου, συνάγεται το συμπέρασμα ότι η παρουσία των βωξιτικών συστατικών στα εδάφη της Γκιώνας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στον έλεγχο της οξύτητας του εδάφους. Η παρουσία του μαγνησίου και του σιδήρου στα εδάφη, μαζί ενδεχομένως και με άλλους παράγοντες επηρεάζουν ανασταλτικά το φαινόμενο της χλώρωσης. Αποδεικνύεται ότι περισσότεροι από ένας παράγοντας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη του φαινομένου της χλώρωσης, όπως είναι ο τύπος πετρώματος, το πάχος του εδάφους, η χημική του σύνθεση, το pΗ, η μικροβιακή βιομάζα του εδάφους, η βιοδιαθεσιμότητα των θρεπτικών στοιχείων (Mg, Fe, K, Ca, P), ο βαθμός της βιοδιαθεσιμότητας τοξικών στοιχείων (π.χ. Cd, Pb, Cr, Ni). Έλατα που έχουν αυξημένες συγκεντρώσεις Ni στη φυλλωσιά σχετίζονται με εδάφη που είναι εμπλουτισμένα σε οξείδια του σιδήρου. Τα δένδρα με καθόλου συμπτώματα χλώρωσης βρίσκονται σε περιοχές όπου τα εδάφη έχουν περίπου 40-45% αργιλοπυριτικά συστατικά με ίση ποσότητα οξειδίων Fe και Mn και περίπου 10% ανθρακικό κλάσμα. Αποδείχτηκε ότι δείγματα φυλλωσιάς που συλλέχθηκαν από δένδρα που φύονται σε βωξιτικούς ασβεστόλιθους παρουσιάζουν έναν συντελεστή εμπλουτισμού 7,5 για το Ni και το Cr και 3,67 για το Fe σε σχέση με τα δένδρα τα οποία βρίσκονται μακριά από βωξιτικούς ασβεστόλιθους. Τα δένδρα με προβλήματα χλώρωσης δείχνουν τροφοπενία Mg. Το pH επηρεάζει την προσρόφηση αυτών των στοιχείων δηλ. του Ni, Fe και Cr στη φυλλωσιά ελάτης, καθώς είναι σημαντική η παρουσία τους ως βωξιτικά συστατικά στα εδάφη της Γκιώνας. Η επίδραση του εδαφικού υποστρώματος στην ανάπτυξη, στη καλή λειτουργία των ζωτικών διεργασιών του δένδρου και κατ’ επέκταση στην μορφολογία του, φαίνεται από τα πιο κάτω: Σε δείγμα ελάτης που βρίσκεται σε μια εξαιρετικά καλή μορφολογική κατάσταση παρουσιάζει υψηλές συγκεντρώσεις μαγνησίου, τόσο στη φυλλωσιά όσο και στο έδαφος, ενώ παράλληλα το έδαφος παρουσιάζει τη μεγαλύτερη συγκέντρωση φωσφόρου και σιδήρου. Είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρον να σημειωθεί ακόμα ότι η φυλλωσιά του δένδρου στη θέση αυτή παρουσιάζει τη μεγαλύτερη τιμή χλωροφύλλης. Ο Δείκτης Περιεκτικότητας Χλωροφύλλης (ΔΠΧ) επηρεάζεται από την παρουσία μετάλλων σε τοξικές συγκεντρώσεις. Παρουσία αυξημένης συγκέντρωσης Ni & Cr στη φυλλωσιά ελάτης παρουσιάζει χαμηλό Δείκτη Περιεκτικότητας Χλωροφύλλης. Το αντίθετο συμβαίνει με την αυξημένη παρουσία θρεπτικών στοιχείων στο έδαφος όπως Mg & Ca, όπου παρουσιάζει αύξηση και ο Δείκτης Περιεκτικότητας Χλωροφύλλης. Παρατηρήθηκε για την περιοχή της Γκιώνας η αύξηση της συγκέντρωσης του Mg στη φυλλωσιά ελάτης με τη μείωση του βαθμού συγκόμωσης. Αρνητική συσχέτιση μεταξύ του βαθμού συγκόμωσης και της συγκέντρωσης του Ni στη φυλλωσιά ελάτης παρατηρήθηκε για την περιοχή της Γκιώνας. Σε δείγμα ελάτης το οποίο έχει υψηλότερη σαφώς συγκέντρωση Ca στη φυλλωσιά ελάτης παρατηρείται να έχει και μεγάλη τιμή ξυλώδους κεφαλαίου. Βρέθηκε πολύ καλή συσχέτιση μεταξύ της συγκέντρωσης Mn στη φυλλωσιά Σεκβόϊας (Sequoia giganteum) και του υψομέτρου στο οφιολιθικό σύμπλεγμα του Τρόοδους. Παρατηρήθηκε εμπλουτισμός Ni, Cr & Mn στη φυλλωσιά Σεκβόϊας (S.giganteum) στη Κύπρο. Ο βαθμός εμπλουτισμού στη φυλλωσιά της Σεκβόϊας μειώνεται με την εξής σειρά: Ni > Cr > Mn. Η ανάλυση φυλλωσιάς Κεφαλληνιακής ελάτης στην παρούσα εργασία κατέδειξε ότι η γεωχημική συμπεριφορά Cr, Ni και Fe πράγματι υποστηρίζει την βωξιτική τους προέλευση. Στην παρούσα διατριβή αποδεικνύεται πόσο σημαντική είναι η επίδραση του γεωλογικού υποστρώματος πάνω στο οποίο φύονται τα δένδρα, στην ανάπτυξη και στην υγιή κατάσταση ενός δένδρου και εν γένει του δάσους. Η χημική σύσταση των πετρωμάτων και του εδάφους σε συνδυασμό με άλλους παράγοντες όπως είναι: το pH του εδάφους, το ποσοστό των θρεπτικών συστατικών στη φυλλωσιά των δένδρων, τη βιοδιαθεσιμότητα των στοιχείων και την ικανότητα του δένδρου να τα βιοσυσσωρεύει, αποδεικνύουν πόσο σημαντικός είναι ο ρόλος της γεωλογίας και ειδικότερα της γεωχημείας στη καλλιέργεια και ανάπτυξη υγιών δένδρων. Αυτό είναι ένα πολύ σημαντικό κεφάλαιο για την ελληνική οικονομία.