Σκοπός της ερευνητικής αυτής προσπάθειας είναι η συμβολή στην κατανόηση
των τρόπων και των μηχανισμών με τους οποίους η δενδρώδης βλάστηση
αλληλεπιδρά με το περιβάλλον, διαμορφώνοντας το μικρομετεωρολογικό καθεστώς
στο σύστημα έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα και η απόκτηση γνώσης σχετικά με τις
ανταλλαγές μάζας και ενέργειας μεταξύ φυλλοβόλων οικοσυστημάτων και
ατμόσφαιρας, κάτω από τις ιδιαίτερες μεσογειακές συνθήκες. Επιχειρείται η
διερεύνηση των μικρομετεωρολογικών συνθηκών, όπως αυτές διαμορφώνονται μέσα
σε ένα φυσικό, δενδρώδες, φυλλοβόλο οικοσύστημα και στο υποκείμενο έδαφος, η
συγκριτική μελέτη του δασικού μικροπεριβάλλοντος με τις καιρικές συνθήκες που
επικρατούν πάνω από αυτό, ο εντοπισμός αλληλεπιδράσεων μεταξύ των
μικρομετεωρολογικών παραμέτρων και η μελέτη των χρονικών μεταβολών τους σε
κλίμακα ημέρας, εποχής και έτους (σε συνδυασμό με τις φαινολογικές μεταβολές),
αλλά και ο εντοπισμός των διαφοροποιήσεων μετά από ανθρωπογενείς παρεμβάσεις
(όπως ελεγχόμενη υλοτομία και έρπουσα πυρκαγιά). Μελετάται επίσης, η επίδραση
των καιρικών συνθηκών στην υδατοκατανάλωση και στην παραγωγή, αξιολογείται η
παραγωγικότητα του οικοσυστήματος σε σχέση με τη διαθεσιμότητα νερού και η
συσχέτιση υδατοκατανάλωσης και παραγωγής, εντοπίζονται οι μηχανισμοί άμυνας
και προσαρμογής των μεσογειακών οικοσυστημάτων στις δυσμενείς μετεωρολογικές
συνθήκες, ποσοστικοποιείται η συμβολή του δάσους στην απορρόφηση CO2 και
διερευνάται η ποιότητα, η ποσότητα και η κατανομή της διαθέσιμης ηλιακής
ενέργειας μέσα στη φυτοκόμη. Τέλος, μελετάται η αξιοποίηση της ηλιακής
ακτινοβολίας από τα φυτά αλλά και οι ανταλλαγές ενέργειας μεταξύ
οικοσυστήματος και περιβάλλοντος.
Η έρευνα πραγματοποιήθηκε σε δρυοδάσος στην περιοχή της Κορινθίας, με
λήψη μικρομετεωρολογικών και βιομετρικών στοιχείων για την περίοδο 1999-2006.
Από τα αποτελέσματα της ανάλυσης, προκύπτει ότι το μεγαλύτερο μέρος, τόσο της
ολικής μικρού μήκους κύματος ηλιακής ακτινοβολίας (Rs) όσο και ειδικότερα της
φωτοσυνθετικά ενεργής ακτινοβολίας (PAR), απορροφάται από τα στοιχεία της
κόμης ανεξαρτήτως φαινολογικού σταδίου, αν και τα ποσοστά τους γίνονται
μεγαλύτερα κατά το στάδιο της πλήρους βλαστικής ανάπτυξης. Λόγω της επιλεκτικής
απορρόφησης της PAR, το φως που καταφέρνει να φτάσει στο έδαφος είναι ιδιαίτερα
περιορισμένο. Η υλοτομία αυξάνει τη διαπέραση και μειώνει την ανακλαστικότητα
10
αλλά και την απορρόφηση της φυτοκόμης, όμως η ακτινοβολία κατανέμεται πιο
ομοιόμορφα μέσα στο φύλλωμα. Η επίδραση της έρπουσας πυρκαγιάς (Ιούλιος 2000)
στις οπτικές ιδιότητες του οικοσυστήματος είναι παροδική και οφείλεται κυρίως στις
μεταβολές των οπτικών ιδιοτήτων του εδάφους. Η διαφοροποίηση των οπτικών
ιδιοτήτων της κόμης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον ακριβή προσδιορισμό των
βλαστικών σταδίων του οικοσυστήματος. Η εφαρμογή του εκθετικού μοντέλου
απόσβεσης της ηλιακής ακτινοβολίας μέσα στη δενδρώδη βλάστηση δίνει
ικανοποιητικά αποτελέσματα παρά την ετερογένεια της κόμης.
Οι κατατομές θερμοκρασίας, Τ, και σχετικής υγρασίας, RH, είναι περίπου
κατοπτρικές. Την ημέρα στην κορυφή των δένδρων παρατηρείται η μέγιστη Τ και η
ελάχιστη RH. Το έλλειμμα κορεσμού, VPD, ακολουθεί την κατανομή της Τ, ενώ η
τάση υδρατμών, ea, όντας μέγιστη στην περιοχή του φυλλώματος μειώνεται γρήγορα
με το ύψος, ιδιαίτερα το καλοκαίρι. Τη νύχτα οι κατακόρυφες βαθμίδες των Τ και
VPD είναι θετικές, ενώ των RH και ea αρνητικές, με εξαίρεση το χειμώνα, όπου η ea
αυξάνεται με το ύψος μέσα στην κόμη και περίπου σταθεροποιείται πάνω από αυτή.
Το ημερήσιο θερμοκρασιακό εύρος πάνω από το δάσος είναι σχετικά μικρό και
μεγεθύνεται προς το έδαφος. Η μεγέθυνσή του αμβλύνεται παρουσία φυλλώματος. Η
νεκρή φυλλική στρώση που καλύπτει το έδαφος δημιουργεί προστατευτικό
περιβάλλον για τη ρίζα, τόσο το χειμώνα (από τις χαμηλές θερμοκρασίες και τις
απότομες αυξομειώσεις τους), όσο και το καλοκαίρι (από τις υψηλές θερμοκρασίες
και την έντονη εξάτμιση νερού). Το οικοσύστημα κάθε χρόνο διανύει μια σχετικά
μακρά περίοδο κατά την οποία ευνοείται η βλαστική ανάπτυξη, όμως κατά
σημαντικό μέρος της οι θερμοκρασιακές συνθήκες προκαλούν καταπόνηση.
Η υλοτομία αμβλύνει τις έντονες ξηρικές συνθήκες στο φύλλωμα, λόγω
καλύτερης κατακόρυφης ανάμιξης του αέρα, ενώ ταυτόχρονα μικραίνει το ημερήσιο
εύρος της RH. Σε ιδιαίτερα χαμηλές εδαφικές υγρασίες, που παρατηρούνται τον
Αύγουστο, τα δένδρα αναστέλλουν την ανάπτυξή τους. Οι δρύες έχουν
προσαρμοστεί στις ελλειμματικές συνθήκες διαθεσιμότητας νερού του καλοκαιριού,
έχοντας αναπτύξει βαθύ ριζικό σύστημα για άντληση νερού από σχετικά μεγάλα
βάθη. Η ανάπτυξή τους πάνω από αργιλικό ορίζοντα αυξάνει επίσης την
ανεκτικότητά τους στις έντονα ξηροθερμικές μεσογειακές συνθήκες, όπως άλλωστε
και η περιορισμένη ανάπτυξη φύλλικής επιφάνειας. Η κάλυψη του εδάφους με το
αρκετά μεγάλου πάχους νεκρό φυλλόστρωμα, το οποίο μάλιστα αποδομείται με αργούς ρυθμούς, ευνοεί τη μείωση των απωλειών νερού μέσω εξάτμισης, ενισχύοντας
την ανοχή των δένδρων σε περιόδους ξηρασίας.
Η κατατομή ανεμοταχυτήτων πάνω από την κορυφή του οικοσυστήματος
ακολουθεί το τυπικό λογαριθμικό προφίλ ανέμου τόσο την ημέρα όσο και τη νύχτα.
Οι ανεμοταχύτητες μέσα στο δάσος είναι χαμηλές όπως και οι ανεμοβαθμίδες. Το
ύψος μετατόπισης της στάθμης μηδενισμού του ανέμου, d, και η παράμετρος
τραχύτητας, zo, έχουν τιμές 9,6 ± 1,3 m και 1,2 ± 0,9 m, αντίστοιχα, όταν το δάσος
διαθέτει φύλλα και 11,2 m και 1,2 m όταν δεν διαθέτει. Τα μεγέθη των d και zo
δείχνουν ότι το δάσος αποτελεί μια αρκετά τραχεία επιφάνεια, αποτελεσματική στην
απορρόφηση ορμής. Η ελεγχόμενη υλοτομία ελάχιστα επηρεάζει την κατατομή
ανέμου, ενώ τα κενά βλάστησης ευνοούν την κατακόρυφη παρά την οριζόντια ροή
αέρα.
Το ισοζύγιο ακτινοβολίας, Rn, αποτελεί το 75% της προσπίπτουσας Rs. Η
ακτινοβολία αξιοποιείται καλύτερα το καλοκαίρι παρά το χειμώνα και το μεσημέρι
παρά το πρωί ή το απόγευμα. Η θερμική καταπόνηση προκαλεί μείωση του λόγου
Rn/Rs και η ελεγχόμενη υλοτομία αύξηση (0,68 για το θερμό έτος 2000, 0,85 για το
έτος υλοτομίας 2004 και 0,84 για το 2005). Σε 24ωρη βάση, 53-56% της Rn, κατά την
πλήρη βλαστική ανάπτυξη, «καταναλώνεται» για εξατμισοδιαπνοή και το 27-30% ως
αισθητή θερμότητα. Τον Αύγουστο τα αντίστοιχα ποσοστά γίνονται 16% και 31%
υπό έντονες ξηροθερμικές συνθήκες και μειωμένη υδατοδιαθεσιμότητα στο έδαφος.
Η προσλαμβανόμενη ενέργεια από την κόμη (Rn-G) καταναλώνεται κατά 81% για Η
και L, ενώ το υπόλοιπο ποσοστό της αποθηκεύεται στη φυτομάζα υπό μορφή
θερμότητας, ΔΗ. Η ΔΗ μεγιστοποιείται τον Αύγουστο λόγω έλλειψης νερού, που δεν
επιτρέπει την παραγωγική αξιοποίηση της προσλαμβανόμενης ηλιακής ενέργειας.
Σε ανεμοταχύτητες μεγαλύτερες από 0,6 m/s ευνοείται η ανάμιξη του αέρα
και μειώνονται οι ροές LE και Η. Η αύξηση των ταχυτήτων ανέμου (μεταξύ 0 και 0,6
m/s), όμως, προκαλεί γραμμική αύξηση τόσο στην LE όσο και στην Η. Ο λόγος
Bowen, β, την ημέρα, κατά την πλήρη βλαστική ανάπτυξη, κυμαίνεται από 0,70 έως
1,67, ενώ τις περισσότερες ώρες είναι μεγαλύτερος της μονάδας. Το 37-67% των
αθροισμάτων των ροών θερμότητας (αισθητής και λανθάνουσας), αντιστοιχεί στην
LE (με τις μικρότερες τιμές να αφορούν τις μεσημβρινές ώρες). Η ροή θερμότητας στο
έδαφος, G, είναι ιδιαίτερα περιορισμένη και εμφανίζει θετικές τιμές μόνο για λίγες
ώρες το μεσημέρι. Η αποτελεσματικότητα στην αξιοποίηση της απορροφούμενης
ηλιακής ακτινοβολίας για εξατμισοδιαπνοή (ε = LE/PARαπορ.) κατά το στάδιο της
12
πλήρους βλαστικής ανάπτυξης είναι 0,69, αρκετά μικρότερη σε σχέση με
οικοσυστήματα βορειότερων χωρών, εξαιτίας της μειωμένης υδατοδιαθεσιμότητας.
Οι ετήσιες υδατικές ανάγκες του δρυοδάσους ανέρχονται σε 440 mm που
υπερκαλύπτονται από τις αντίστοιχες βροχοπτώσεις, όμως η ανισοκατανομή τους
υποβάλει το οικοσύστημα, από νωρίς, σε υδατική καταπόνηση, η οποία εντείνεται
τον Αύγουστο. Οι ημερήσιοι ρυθμοί εξατμισοδιαπνοής είναι μέγιστοι τον Ιούνιο και
τον Ιούλιο με μέση υδατοκατανάλωση 3,5 mm d-1 και μέγιστο μέσο ρυθμό περί το
μεσημέρι στα 0,43 mm h-1. Σε συνθήκες υδατικής έλλειψης (όπως συμβαίνει τον
Αύγουστο), ο περιορισμός του ανοίγματος των στοματίων αποτελεί σημαντικό
μηχανισμό άμυνας της βλάστησης στην έντονη ξηραντική δύναμη της ατμόσφαιρας.
Τότε ακόμα και το μεσημέρι οι ρυθμοί υδατοκατανάλωσης περιορίζονται κάτω από
0,16 mm h-1.
Η απορρόφηση CO2 είναι μέγιστη όταν το δάσος διαθέτει φύλλωμα, ενώ τις
υπόλοιπες εποχές το οικοσύστημα φαίνεται να λειτουργεί περισσότερο ως πηγή
εκπομπής παρά ως καταβόθρα CO2. Οι ρυθμοί απορρόφησης CO2 από τα φυτά και
αποθήκευσης C στο οικοσύστημα αυξάνουν με την απορρόφηση ηλιακής
ακτινοβολίας, ενώ πυκνότητες ροής PARαπορ. μικρότερες από 220 W m-2,
αντιστοιχούν σε μηδενικές απορροφήσεις. Η συνολική παραγωγή C για το
οικοσύστημα είναι 6,37 t C ha-1 y-1, ποσότητα αρκετά αυξημένη σε σχέση με τα
βορειότερα οικοσυστήματα. Οι μεγαλύτεροι ρυθμοί απορρόφησης CO2
επιτυγχάνονται τον Ιούνιο και τον Ιούλιο και είναι 752 g CO2 m-2 month-1, ενώ κατά
τη διάρκεια του έτους, απορροφούνται συνολικά 13.500 t CO2 από το σύνολο της
έκτασης του δάσους του Μογγοστού (580 ha). Η μέση ετήσια απορροφητικότητα κάθε
δένδρου είναι 7,3 kg CO2. Μέγιστοι ρυθμοί απορρόφησης CO2 εντοπίζονται περί τα
μέσα καλοκαιριού με μέσο ρυθμό αποθήκευσης C, 0,82 g C m-2 h-1, όταν βέβαια η
εδαφική υγρασία δεν αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα. Τον Αύγουστο η
απορρόφηση CO2 μειώνεται έντονα λόγω μειωμένης φωτοσυνθετικής
δραστηριότητας (απόρροια υδατοκαταπόνησης) και φτάνει περίπου το ήμισυ της
μέγιστης απορρόφησης τουλάχιστον κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η
αποτελεσματικότητα στη χρήση νερού είναι περίπου 0,20 mmol H2Ο/μmol CO2, που
σημαίνει ότι για να αποθηκευτούν 3,3 g C στο οικοσύστημα απαιτείται
εξατμισοδιαπνοή 1 kg νερού. Οι βέλτιστοι ρυθμοί παραγωγικότητας στο δάσος
επιτυγχάνονται σε κατ’ όγκο εδαφική υγρασία περίπου 0,35. Μικρότερες τιμές της
περιορίζουν την εξατμισοδιαπνοή καθώς και την απορρόφηση CO2. Σε μέσες ημερήσιες τιμές VPD (σε ύψος 18,55 m) μεγαλύτερες από 2 kPa η παραγωγικότητα
του οικοσυστήματος μειώνεται κατά 50%, αν και τέτοιες περιπτώσεις είναι ιδιαίτερα
σπάνιες για την περιοχή
Το οικοσύστημα αναπτύσσεται σε οριακές κλιματικές συνθήκες, όμως παρόλα
αυτά ανταποκρίνεται ικανοποιητικά όσον αφορά την παραγωγικότητα του. Έχει
σχετικά μικρές υδατικές ανάγκες και σε περιόδους έντονης θερμικής καταπόνησης,
που συνοδεύονται από περιορισμένη διαθεσιμότητα νερού, έχει αναπτύξει
προσαρμοστικούς μηχανισμούς επιβίωσης, όπως η αξιοποίηση της δρόσου τα πρωινά
του καλοκαιριού, η ανάπτυξη ριζικού συστήματος για την αξιοποίηση νερού των
βαθύτερων εδαφικών στρωμάτων, η ανάπτυξη πάνω από αργιλικό εδαφικό στρώμα
υψηλής υδατοσυγκράτησης, ο περιορισμός της εξατμισοδιαπνοής και η αναστολή
της ανάπτυξης σε έντονες ξηροθερμικές συνθήκες μέσω περιορισμού του ανοίγματος
των στοματίων, η μικρή φυλλική επιφάνεια, η σχετικά μικρή αξιοποίησή της έντονα
απορροφούμενης από το φύλλωμα ηλιακής ακτινοβολίας και η ύπαρξη στρώσης
μεγάλου πάχους βραδέως αποδομούμενης νεκρής φυλλάδας, που προστατεύει το
ριζόστρωμα από θερμική και υδατική καταπόνηση.
This study is a contribution to understanding the ways and mechanisms with
which tree-stands interact with the environment, forming the micrometeorological
regime of the soil-plant-atmosphere system, along with expanding knowledge on the
mass and energy exchanges between vegetation and the atmosphere, under the
Mediterranean climate conditions. The thesis is focused on the investigation of the
micrometeorology of a natural deciduous ecosystem, compared to the weather
conditions above, the specification of the interactions between the
micrometeorological parameters on a diurnal, seasonal and annual basis (combined
with the phenological phases of the vegetation), the differentiation of the
micrometeorological regime following a forest fire or logging, the study of the
weather effects on the vegetation water requirements and the relationship between
water consumption and production, the evaluation of defense and adaptation
mechanisms of Mediterranean ecosystems against extreme weather and climate
conditions, the evaluation of the forest contribution on CO2 absorption, the study of
radiation quantity, quality and distribution in and use by the canopy and finally the
study of the ecosystem-environment energy exchanges.
Research was accomplished in a selected natural deciduous oak forest within
the region of Corinth, S. Greece, where a well equipped micrometeorological station
was placed. The data covers the period 1999-2006 with some missing gaps.
The results of the study show that the main portion of the global solar
radiation, Rs and specifically the photosynthetically active radiation, PAR, is
captured by the tree-tissues even when there is no foliage. Due to selective
absorption of PAR, the light that finally reaches the forest floor is extremely reduced.
Logging increases the radiation transmission and reduces reflection and absorption
by the canopy, although radiation distributes more uniformly in the foliage.
Crawling-fire effect on the optical properties of the ecosystem is rather periodic,
because of changes in the properties of the ground only. The seasonal optical
properties variation can be used for the accurate identification of the phenological
stages of the trees. The exponential radiation model for the radiant energy
distribution in the canopy gives satisfactory results, although the deciduous canopy
architecture is non uniform.
16
The temperature and relative humidity profiles inside and over the canopy
show an almost mirror effect to each other. During the day, maximum temperature
and minimum relative humidity are observed at the top of the forest. Vapor pressure
deficit profile is almost identical to that of temperature and vapor pressure, being
maximum at the canopy top, reduces with height especially in summer. At night, the
temperature and vapor pressure deficit profiles are positive, whereas those of
relative humidity and vapor pressure are negative (in all seasons except in winter).
Vapor pressure values increase with height in the forest and stabilize above canopy
top. The daily temperature range over the ecosystem is relatively small, becoming
maximum near the ground, especially at full foliage. The layer of dead leaves
covering the forest floor protects roots from frost damage in winter and high
temperature and evaporation loss in summer. The period favoring vegetation growth
is quite long, but a significant part of it, is characterized by thermal stress.
Logging reduces drought conditions in foliage - by allowing better air
mixture - and daily relative humidity range. In extremely low soil moisture
conditions (mainly in August) oak trees inhibit their growth. Trees have been
adapted to reduced water availability during summer, by developing an extended
root system, which allows the exploitation of water in deeper layers. Development
over a clay soil layer and formation of a relatively small leaf area increase their
ability to survive under the intensive drought Mediterranean conditions. The soilcovering
quite thick layer of slowly decomposing dead leaves reduces water losses
through evaporation and strengthens vegetation to cope with dry periods.
The wind velocity profile over the canopy follows the typical logarithmic
form, day and night. The wind speed values inside the forest (at and below the top)
are very small. The canopy roughness parameters, d and zo, take the values 9.6±1.3 m
and 1.2±0.9 m, respectively, at full leaf development and 11.2 m and 1.2 m at
senescence. Forest surface seems to be very rough, absorbing momentum effectively.
Limited tree logging has a negligible effect on wind profile, as vegetation gaps
created seem to encourage vertical rather than horizontal air flow.
Net radiation fluxes, Rn, are almost 75% of Rs. Solar radiation is used more
effectively during summer than in winter and at midday than at noon or morning.
The thermal stress reduces the effective use of radiation but logging seems to
increase effectiveness. On a 24 h basis, during the fully leafed period, Rn is composed
by 53-56% latent heat, LE, and by 27-30% sensible heat, H. In August, the percentages become 16% and 31%, respectively, under rather extreme dry atmospheric conditions
and reduced soil water availability.
The energy absorbed by the canopy (Rn-G) is “consumed” by 81% for H and
LE (in June and July), whereas the rest is stored in plant tissues as heat, ΔΗ. ΔH
becomes even greater in August, due to water shortage not allowing the productive
use of the absorbed solar radiation.
Windspeeds greater than 0.6 m/s favor faster air mixing, reducing LE and H
fluxes. However, a speed increase up to 0.6 m/s linearly increases heat fluxes. When
trees are fully leafed and during daytime, the Bowen ratio, b, takes values between
0.70-1.67 and most of the time is greater than unit (with smaller values at midday).
About 37-67% of the sum (LE+H) is devoted to LE (with lower percentages at
midday). Soil heat flux, G, is quite small and gets positive values only a few hours
during midday. The evapotranspiration efficiency of PAR absorbed by the ecosystem
(ε=LE/PARabs) during the fully leafed period is about 0.69, a relatively small value
(compared to similar ecosystems in northern Europe), due to reduced water
availability in summer.
The annual water requirements of the ecosystem are about 440 mm, when the
annual precipitation in the region is much greater. However, because of its
imbalanced time distribution, the trees face water stress in summer, which becomes
more intensive in August. The daily mean evapotranspiration rate is maximum in
June and July (3.5 mm d-1), with an even greater value at midday (0.43 mm h-1).
Under reduced soil water availability (as in August), stomatal resistance increases
and water loss reduces rapidly. Stomatal closure is, thus, a defense mechanism that
the vegetation calls up under strong drying atmospheric forces. Then, even at
midday, the mean evapotranspiration rate is smaller than 0.16 mm h-1.
CO2 absorbance is maximum when the canopy has leaves. In other seasons,
the ecosystem is functioning as a source rather than as a sink of carbon. The rates of
CO2 absorption are increasing with absorbed radiation fluxes, becoming almost zero
when PARabs is lower than 220 W m-2. The annual net carbon uptake by the
ecosystem is 6.37 t C ha-1 y-1, when the greater monthly CO2 absorbance is achieved
during June and July (mean value 752 g CO2 m-2 month-1) and especially at midday
(0.82 g C m-2 h-1). On an annual basis, about 13,500 t CO2 are absorbed by the whole
ecosystem (580 ha). Every tree absorbs about 7.3 kg CO2 per year. In August, CO2
absorbance reduces rapidly because of low photosynthetic rates and becomes about
18
half of the maximum (July) values. Water use efficiency (WUE) is about 0.20 mmol
H2O/μmol CO2 (water loss of 1 kg produces 3.3 g C). Maximum productive rates are
achieved when soil moisture is about 0.35. At lower values CO2 and H2O fluxes
reduce almost linearly. Mean daily values of VPD greater than 2 kPa lead to about
50% reduction in productivity.
Although the deciduous ecosystem develops under rather adverse
(xerothermic) climatic conditions seems to be quite productive. It has relatively short
water needs and developed adaptation (survival) mechanisms, such as the use of
morning dew as an additional water source in summer, the root system development
for deeper soil water use, the biomass development over a water holding clay soil
layer, the evaptoranspiration and photosynthesis reduction under extremely dry
conditions via stomatal closure, the development of a relatively small leaf area, the
relatively inefficient use of the absorbed by leaves radiation and finally the existence
of a thick layer of dead leaves covering the forest floor and protecting the root
system against thermal and water stresses.
