Φυτοκοινωνιολογική - οικολογική προσέγγιση σερπεντινικών εδαφών της Β. Πίνδου

Abstract

The present PhD thesis focuses on the interdisciplinary study of grassland ecosystems developing on ultramafic substrates in the Northern Pindus mountain range. Serpentine soils, derived from the weathering of ultramafic rocks, create an extremely harsh environment known as the “serpentine syndrome.” This environment is characterized by elevated to toxic concentrations of heavy metals, mainly nickel, chromium, and cobalt, an imbalance in the calcium to magnesium ratio (Ca/Mg<1), and deficiencies in essential macronutrients (N, P, K). The main objectives of this research were the study of the flora, the analysis of edaphic and bioclimatic parameters, the phytosociological classification (syntaxonomic) of the vegetation, and the evaluation of the hyperaccumulation ability of endemic plant species to nickel in the context of the environmentally sustainable practice of agromining.Field research was conducted through 120 sampling plots (relevés) within ultramafic substrates, according to the classical Braun-Blanquet phytosociological method. Elemental concentrations in soil and plant samples were determined using the modern Monochromatic X-Ray Fluorescence technology (MXRF, model Z-SPEC JP500). Bioconcentration Factor (BCF) was additionally calculated to assess accumulation efficiency and support the identification of nickel hyperaccumulator taxa. For the classification of plant communities and the identification of diagnostic species, floristic data were statistically analyzed using the software JUICE.NET and R, applying the TWINSPAN method and the ordination techniques DCA and NMDS. The resulting floristic catalogue includes 493 taxonomic units (taxa), distributed across 61 families and 234 genera, confirming the role of Northern Pindus as an important biodiversity hotspot. The dominant families identified were Asteraceae, Poaceae, Fabaceae, and Lamiaceae. The area exhibits a high degree of endemism, hosting 22 Greek endemic taxa, including the stenoendemics Bornmuellera baldaccii subsp. rechingeri and Thymus teucrioides subsp. alpinus, as well as 95 taxa of Balkan distribution. From a chorological perspective, the area functions as a transitional zone, with a strong presence of both European (38.7%) and Mediterranean elements (32%). The biological spectrum is dominated by Hemicryptophytes (55.8%), followed by Therophytes (22.5%), reflecting both the cold, mountainous character of the climate and the intense edaphic/thermal stress during the summer period. The syntaxonomic study revealed that the four vegetation units distinguished in the serpentine grasslands of Northern Pindus cannot be assigned to the established Central Balkan order Halacsyetalia sendtneri, mainly due to the complete absence of diagnostic species of this order. Instead, the results support the need to establish a new syntaxonomic structure within the class Festuco-Brometea. Specifically, the new order Bornmuellero emarginatae-Odontarrhenetalia chalcidicae is proposed and described, comprising two new alliances that follow the altitudinal and geochemical zonation of the study area. The first alliance, Xeranthemo cylindracei-Pilosellion bauhini, occurs at lower and warmer elevations and includes the Vicia villosa subsp. eriocarpa – Dasypyrum villosum community and the new association Chrysopogono grylli-Centauretum thracicae. The second alliance, Noccaeo tymphaeae-Bornmuellerion tymphaeae, characterizes subalpine elevations and includes the Dianthus viscidus-Poa bulbosa subsp. bulbosa community and the new association Campanulo tymphaeae-Carduetum tmolei. The soil chemical analysis revealed high concentrations of nickel and chromium. In this context, eight nickel hyperaccumulator taxa were identified with concentrations > 1000 ppm and BCF >> 1. Of particular importance are the species Bornmuellera tymphaea with maximum concentrations reaching 21923 ppm, Bornmuellera emarginata with maximum concentrations up to 29063 ppm, and the widely studied Odontarrhena chalcidica with concentrations up to 17485 ppm. At the same time, high concentrations up to 25933 ppm were recorded in the species Noccaea tymphaea and also the ability of the species Centaurea thracica to hyperaccumulate nickel (up to 8,800 ppm) at lower altitudes was confirmed. The results indicate that hyperaccumulation ability is not expressed uniformly, but is maximized within specific syntaxonomic units, such as the alliance Noccaeo tymphaeae-Bornmuellerion tymphaeae. In this context, in order to optimize agromining at an industrial scale, it is considered important to take into account the characteristics of the vegetation unit in which these species grow, as well as the plant species with which they coexist. The present thesis attempts to address a significant scientific gap in the study of the flora and vegetation of serpentine grassland ecosystems in Northern Pindus, which constitutes the core area of ultramafic outcrops in Greece. At the same time, it aims to contribute to the conservation of these unique ecosystems while also supporting their sustainable use through the innovative practice of agromining.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στη διεπιστημονική μελέτη των λιβαδικών οικοσυστημάτων που αναπτύσσονται σε υπερμαφικά υποστρώματα στην οροσειρά της Βόρειας Πίνδου. Τα σερπεντινικά εδάφη, τα οποία προέρχονται από την αποσάθρωση των υπερμαφικών πετρωμάτων, διαμορφώνουν ένα εξαιρετικά αντίξοο περιβάλλον, γνωστό ως «σερπεντινικό σύνδρομο». Το περιβάλλον αυτό, χαρακτηρίζεται από αυξημένες έως τοξικές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων, κυρίως νικελίου, χρωμίου και κοβαλτίου, ανισορροπία στην αναλογία ασβεστίου προς μαγνήσιο (Ca/Mg<1) και ελλείψεις βασικών μακροθρεπτικών στοιχείων (Ν, Ρ, Κ). Κύριος σκοπός της έρευνας είναι η μελέτη της χλωρίδας, η ανάλυση των εδαφικών και οικολογικών παραμέτρων, η φυτοκοινωνιολογική ταξινόμηση (συνταξινόμηση) της βλάστησης και η αξιολόγηση της υπερσυσσωρευτικής ικανότητας ενδημικών φυτικών ειδών ως προς το νικέλιο στο πλαίσιο της περιβαλλοντικά βιώσιμης πρακτικής της αγροεξόρυξης (agromining).Η έρευνα πεδίου υλοποιήθηκε μέσω 120 δειγματοληπτικών επιφανειών (relevés) εντός των υπερμαφικών υποστρωμάτων, σύμφωνα με την κλασική φυτοκοινωνιολογική μέθοδο του Braun-Blanquet. Η ανάλυση των εδαφικών και φυτικών δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της σύγχρονης τεχνολογίας του Μονοχρωματικού Φθορισμού Ακτίνων Χ (MXRF, μοντέλο Z-SPEC JP500), η οποία επέτρεψε τον ακριβή προσδιορισμό των συγκεντρώσεων των στοιχείων. Επιπλέον, υπολογίστηκε ο Συντελεστής Βιοσυγκέντρωσης (Bioconcentration Factor - BCF) για την αξιολόγηση της ικανότητας συσσώρευσης και τον έλεγχο της υπερσυσσώρευσης. Για την συνταξινόμηση των φυτοκοινωνιών και τον προσδιορισμό των διαγνωστικών ειδών, τα χλωριδικά δεδομένα αναλύθηκαν στατιστικά με τα λογισμικά JUICE.NET και R, με εφαρμογή της μεθόδου TWINSPAN και των τεχνικών ταξιθέτησης DCA και NMDS.Ο χλωριδικός κατάλογος που προέκυψε περιλαμβάνει 493 ταξινομικές μονάδες (taxa), κατανεμημένες σε 61 οικογένειες και 234 γένη, επιβεβαιώνοντας τον ρόλο της Βόρειας Πίνδου ως σημαντικού κέντρου βιοποικιλότητας. Κυρίαρχες οικογένειες αναδείχθηκαν οι Asteraceae, Poaceae, Fabaceae και Lamiaceae. Η περιοχή παρουσιάζει υψηλό βαθμό ενδημισμού, καθώς φιλοξενεί 22 ελληνικά ενδημικά taxa, μεταξύ των οποίων τα στενοενδημικά Bornmuellera baldaccii subsp. rechingeri και Thymus teucrioides subsp. alpinus, καθώς και 95 taxa βαλκανικής εξάπλωσης. Από χωρολογική άποψη, η περιοχή λειτουργεί ως μεταβατική ζώνη, με ισχυρή παρουσία τόσο ευρωπαϊκών (38,7%) όσο και μεσογειακών στοιχείων (32%). Το βιοτικό φάσμα κυριαρχείται από τα Ημικρυπτόφυτα (55,8%) και ακολουθείται από τα Θερόφυτα (22,5%), γεγονός που αντανακλά τον ψυχρό, ορεινό χαρακτήρα του κλίματος αλλά και το έντονο εδαφικό/θερμικό στρες κατά τη θερινή περίοδο. Από τη συνταξινομική μελέτη προέκυψε ότι οι τέσσερις μονάδες βλάστησης που διακρίθηκαν στα σερπεντινικά λιβάδια της Βόρειας Πίνδου δεν μπορούν να ενταχθούν στην καθιερωμένη τάξη των Κεντρικών Βαλκανίων Halacsyetalia sendtneri, κυρίως λόγω της πλήρους απουσίας διαγνωστικών ειδών της τάξης αυτής. Αντιθέτως, τα δεδομένα τεκμηριώνουν την ανάγκη δημιουργίας μιας νέας, συνταξινομικής δομής εντός της κλάσης Festuco-Brometea. Συγκεκριμένα, προτείνεται και περιγράφεται η νέα τάξη Bornmuellero emarginatae-Odontarrhenetalia chalcidicae, η οποία διακρίνεται σε δύο νέες ενώσεις, ακολουθώντας την υψομετρική και γεωχημική ζώνωση της περιοχής έρευνας. Η πρώτη ένωση, η Xeranthemo cylindracei-Pilosellion bauhini, εντοπίζεται στα χαμηλότερα και θερμότερα υψόμετρα και περιλαμβάνει την κοινότητα Vicia villosa subsp. eriocarpa -Dasypyrum villosum και τη νέα φυτοκοινωνία Chrysopogono grylli-Centauretum thracicae. Η δεύτερη ένωση, η Noccaeo tymphaeae-Bornmuellerion tymphaeae, χαρακτηρίζει τα υποαλπικά υψόμετρα και περιλαμβάνει την κοινότητα Dianthus viscidus-Poa bulbosa subsp. bulbosa και τη νέα φυτοκοινωνία Campanulo tymphaeae-Carduetum tmolei.Η χημική ανάλυση του εδάφους ανέδειξε υψηλές συγκεντρώσεις νικελίου και χρωμίου. Στο πλαίσιο αυτό, ταυτοποιήθηκαν οκτώ taxa υπερσυσσωρευτές νικελίου με συγκεντρώσεις > 1000 ppm και BCF >> 1. Ιδιαίτερη αξία παρουσιάζουν τα είδη Bornmuellera tymphaea με μέγιστες συγκεντρώσεις που φτάνουν τα 21923 ppm, Bornmuellera emarginata με μέγιστες συγκεντρώσεις έως 29063 ppm και το ευρέως μελετημένο Odontarrhena chalcidica με συγκεντρώσεις έως 17485 ppm. Παράλληλα, υψηλές συγκεντρώσεις έως 25933 ppm καταγράφηκαν στο είδος Noccaea tymphaea και επιπλέον επιβεβαιώθηκε η ικανότητα του είδους Centaurea thracica να υπερσυσσωρεύει νικέλιο (έως 8800 ppm) σε χαμηλότερα υψόμετρα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η ικανότητα υπερσυσσώρευσης δεν εκδηλώνεται με ομοιόμορφο τρόπο, αλλά μεγιστοποιείται σε συγκεκριμένες συνταξινομικές μονάδες, όπως στην ένωση Noccaeo tymphaeae-Bornmuellerion tymphaeae. Στο πλαίσιο αυτό, για τη βελτιστοποίηση της αγροεξόρυξης σε βιομηχανική κλίμακα, κρίνεται σημαντικό να ληφθούν υπόψη τα χαρακτηριστικά της μονάδας βλάστησης στην οποία αναπτύσσονται και τα φυτικά είδη με τα οποία συνυπάρχουν. Η παρούσα διατριβή επιχειρεί να καλύψει ένα σημαντικό επιστημονικό κενό στη μελέτη της χλωρίδας και της βλάστησης των λιβαδικών οικοσυστημάτων των σερπεντινικών εδαφών της Β. Πίνδου, η οποία αποτελεί τον πυρήνα των υπερμαφικών εμφανίσεων της Ελλάδας. Παράλληλα, προσβλέπει να συμβάλει στη διατήρηση των μοναδικών αυτών οικοσυστημάτων και ταυτόχρονα να υποστηρίξει τη βιώσιμη αξιοποίησή τους μέσω της καινοτόμου πρακτικής της αγροεξόρυξης.