Υδρολογικό καθεστώς ενός φυσικού δασικού οικοσυστήματος αειφύλλων πλατυφύλλων στη Δυτική Ελλάδα με έμφαση στη διαθεσιμότητα εδαφικού νερού

Abstract

Το βασικό αντικείμενο της παρούσας ερευνητικής μελέτης αφορά στην ανάλυση και ποσοτικοποίηση ροών του υδατικού ισοζυγίου σε μια δασική συστάδα αειφύλλων-πλατυφύλλων, δίνοντας έμφαση στην κίνηση του νερού μέσα στο έδαφος. Η έρευνα τα τελευταία χρόνια εστιάζεται στην ανάλυση των συνιστωσών του υδατικού ισοζυγίου στις λεκάνες απορροής, όπου η αβεβαιότητα των παραδοχών και των υποθέσεων έχει ευρέως μελετηθεί. Η γνώση όμως που μπορεί να αποκτηθεί σε τοπικό επίπεδο, μελετώντας τις μικρομετεωρολογικές και μικροϋδρολογικές συνθήκες που διαμορφώνει η ύπαρξη της βλάστησης σε ένα ώριμο δασικό οικοσύστημα και η διαρκής μεταβολή τους στον χρόνο, μπορεί να συμβάλει σε μεγαλύτερο βαθμό στην κατανόηση των σχέσεων έδαφος-φυτό-ατμόσφαιρα. Σχέσεις, οι οποίες είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και με ισχυρές αλληλοεπιδράσεις, γεγονός που καθιστά ερευνητικές προσπάθειες, όπως η συγκεκριμένη, αυξημένης πρόκλησης και ιδιαίτερα χρήσιμες για την επιστημονική κοινότητα. Η πειραματική επιφάνεια μελέτης βρίσκεται στην ευρύτερη περιοχή της Βαρετάδας Αμφιλοχίας, όπου υπάρχει εγκατεστημένο πλήθος υδρομετεωρολογικών οργάνων. Η έρευνα πραγματοποιήθηκε για χρονική περίοδο έξι ετών (2013-2018). Οι ροές που μελετήθηκαν στο έδαφος περιορίστηκαν στη μελέτη της κίνησης και κατανομής του νερού μέχρι το βάθος των 70 cm. Από εκεί και κάτω, το νερό που κατεισδύει, μαζί με τα θρεπτικά στοιχεία που μεταφέρει, θεωρήθηκε ότι δε συμβάλλει στη θρέψη των φυτών. Γενικά, το υδρολογικό καθεστώς της δασικής συστάδας αειφύλλων-πλατυφύλλων της περιοχής της Βαρετάδας και κυρίως η επιφανειακή απορροή καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την ύπαρξη της πολύ πυκνής βλάστησης. Η κινητική ενέργεια των σταγόνων της βροχής μειώνεται σημαντικά κατά τη διαδικασία της πρόσπτωσής τους στα φύλλα. Κατ’ αυτόν τον τρόπο οι σταγόνες της βροχής έχουν μικρότερες ταχύτητες κατά την πτώση τους στο έδαφος. Η ύπαρξη επίσης της εδαφικής φυλλάδας και ο χρόνος που απαιτείται για τη διαβροχή της είναι ένας πρόσθετος παράγοντας που εμποδίζει αλλά και καθυστερεί σημαντικά την έναρξη της επιφανειακής απορροής. Επίσης, τα εδαφολογικά δεδομένα έδειξαν πως η υδραυλική αγωγιμότητα στον κορεσμό (KS = 4,5 cm/h) δημιουργεί ταχύτητες διήθησης ικανές να προσροφήσουν ακόμα και τις μέγιστες εντάσεις βροχής που καταγράφονται στην περιοχή. Τα αποτελέσματα για τα κατακρημνίσματα έδειξαν εποχική διακύμανση που ταυτίζεται με το μεσογειακό κλίμα της περιοχής. Επίσης, η πολύ ισχυρή συσχέτιση (0,864) της συνολικής βροχόπτωσης (PRB) την άνοιξη με τον αριθμό των επεισοδίων του χειμώνα, σε συνδυασμό με μια μέτρια αρνητική συσχέτιση (-0,492) με την PRB του χειμώνα, καταδεικνύει ότι μετά από έναν υγρό χειμώνα, η ποσότητα της ανοιξιάτικης βροχόπτωσης αναμένεται να είναι μικρή, διαμοιρασμένη σε πολλά μικρότερης έντασης επεισόδια (2,65±0,75 mm/h). Αντίστοιχη πολύ ισχυρή θετική συσχέτιση (0,967) της ετήσιας PRB με αυτή της άνοιξης, υποδηλώνει ότι η κρίσιμη, σε υδατικές ανάγκες, περίοδος αύξησης της βλάστησης, διαμορφώνει τη συνολική βροχόπτωση του έτους. Ο Δεκέμβριος του 2015 και 2016 ήταν άνυδροι γεγονός που επηρέασε σημαντικά τη συσχέτιση της PRB μεταξύ του χειμώνα και του φθινοπώρου, η οποία βρέθηκε ισχυρά αρνητική (-0,907). Από την ανάλυση 380 επεισοδίων βροχής ως προς τα βασικά χαρακτηριστικά τους (ύψος βροχής, μέση ένταση, διάρκεια και ταχύτητα ανέμου) και την πολλαπλή παλινδρόμηση που εφαρμόστηκε, προέκυψαν δύο μοντέλα εκτίμησης της υδατοσυγκράτησης (Ia) και της καθαρής βροχόπτωσης (PREF). Οι στατιστικοί δείκτες R2, d και EF για την εκτίμηση της Ia ήταν 0,765, 0,878 και 0,75, αντίστοιχα, ενώ για την PREF ήταν 0,984, 0,976 και 0,97. Με βάση το προτεινόμενο μοντέλο για την Ia, η χωρητικότητα της κόμης της συστάδας είναι 1,33 mm. Ο αυξημένος αριθμός των ογκομετρικών συλλεκτήρων της διαπερώσας βροχής (THR) που χρησιμοποιήθηκαν, μας έδωσε τη δυνατότητα να μελετήσουμε τη χωρική διακύμανσή της. Τα αποτελέσματα παραπέμπουν στη σύσταση και αρχιτεκτονική της δασικής κόμης, αφού ακόμη και σε απόσταση λίγων μέτρων καταγράφηκαν διαφορές στα ποσοστά της THR που ξεπερνούσαν το 25% της PRB. Επίσης, διαπιστώθηκε μια ισχυρή αρνητική συσχέτιση μεταξύ του συντελεστή παραλλακτικότητας (CV) του ποσοστού της THR που συλλέγουν τα βροχόμετρα και της PRB, τόσο της διάρκειας (-0,77) όσο και του μεγέθους της (-0,70). Επιπρόσθετα, τα ποσοστά της PREF κυμάνθηκαν σε ετήσια βάση από 65,6% έως 77,2% σε σχέση με τη συνολική βροχή εκτός συστάδας (PRB). Η συγκριτική αξιολόγηση της ETo που υπολογίστηκε με την Penman-Monteith (ΕΤΡ-Μ), με 27 μεθόδους όλων των κατηγοριών, ανέδειξε τις συνδυαστικές μεθόδους ως τις πιο αξιόπιστες, ενώ σε εποχικό επίπεδο οι μικρότερες αποκλίσεις παρατηρήθηκαν το καλοκαίρι και οι μεγαλύτερες το χειμώνα σχεδόν σε όλες τις μεθόδους. Από τις μεθόδους που αξιολογήθηκαν, συνεπέστερες στην εκτίμηση της ημερήσιας ETo ήταν οι ETCOP, ETHAR, ETVA1, ETVA2 και ETVA3. Από τις υπόλοιπες, οι ΕΤVA4, ETTUR, ETHS1, ETHS2, ETSTU και ETJ-H προτείνονται επίσης για χρήση επειδή οι εκτιμήσεις της ETο συγκρίνονται αρκετά καλά με εκείνες της μεθόδου ETP-M. Οι τελευταίες μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ετήσια εκτίμηση του ETο. Για όλες τις υπόλοιπες εξεταζόμενες μεθόδους, συνιστάται η προσεκτική βαθμονόμησή τους πριν τη χρήση τους σε παρόμοια περιβάλλοντα με αυτόν της περιοχής μελέτης. Στις περιπτώσεις που τα πρωτογενή δεδομένα εισόδου για την εκτίμηση της ETΡ-M προέρχονται από σύνολα πλέγματος δεδομένων, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη βαρύτητα στην επιλογή τους, επειδή το σφάλμα για κάθε επιμέρους παράμετρο, λειτουργεί αθροιστικά, με αποτέλεσμα να υπάρχουν μεγάλες αποκλίσεις, οι οποίες οδηγούν και σε λανθασμένες τιμές των ροών του υδατικού ισοζυγίου. Η μηνιαία ποσότητα της φυλλόπτωσης μετρήθηκε για τέσσερα χρόνια (2014-2017) και ήταν πολύ αυξημένη τους μήνες Απρίλιο, Μάϊο και Ιούνιο με το βάρος της να αντιπροσωπεύει το 56,1±0,09% της συνολικής ετήσιας φυλλόπτωσης, κυμαινόμενο από 63,0% για το 2016 έως 43,9% για το 2017. Το γεγονός αυτό δείχνει πως η βλάστηση, εξαιτίας των αυξημένων υδατικών της αναγκών την περίοδο αυτή, δρομολογεί μια μερική αντικατάσταση του φυλλώματος. Η τιμή της μηνιαίας φυλλικής επιφάνειας που απορρίπτεται μετρήθηκε περίπου σταθερή (46,1±3,6 LA/g) και ο δείκτης φυλλικής επιφάνειας (LAI) εκτιμήθηκε 5,84 m2/m2. H PRB, κατά συνέπεια και η εδαφική υγρασία (SM) φαίνεται να καθορίζουν την έναρξη των φαινολογικών σταδίων της βλαστικής περιόδου συγκριτικά με τη μέση ημερήσια θερμοκρασία αέρα (Taver) ή/και τη θερμοκρασία εδάφους (ST). Η ανάλυση έδειξε ότι οι απαιτήσεις της ξηρανθεκτικότερης αριάς σε διαθέσιμο νερό, προκειμένου να ξεκινήσει τα φαινολογικά της στάδια, είναι τουλάχιστον 48,3 mm, ενώ η κουμαριά χρειάζεται 52,1 mm και το φιλλύκι 61,6 mm. Το εδαφικό στρώμα μεταξύ 40 cm και 70 cm ήταν το πιο υγρό καθόλη τη χρονική διάρκεια παρακολούθησης. Παρόλα αυτά διαπιστώθηκε, ότι η βλάστηση ακολουθεί μια στρατηγική «οικονομίας του εδαφικού νερού» των ανώτερων στρωμάτων, διατηρώντας τα σχετικά υγρά, πυροδοτώντας την άνοιξη μια εντονότερη πρόσληψη νερού από τα κατώτερα στρώματα (κάτω από τα -70 cm), προκειμένου τα δέντρα να ανταπεξέλθουν στις ξηρές επερχόμενες συνθήκες του καλοκαιριού. Οι τρεις θέσεις παρακολούθησης της SM έδειξαν συγχρονισμένη συμπεριφορά και στα τρία μοτίβα που αναλύθηκαν, ήτοι ανταπόκριση στη βροχόπτωση, στη διήθηση της PREF και στην αποστράγγιση, εμφανίζοντας παρόμοιες κλίσεις. Τα τρία μοντέλα εκτίμησης της διαθέσιμης εδαφικής υγρασίας (AvWC) που εφαρμόστηκαν, έδειξαν αρκετά ικανοποιητικά αποτελέσματα, με τα καλύτερα στατιστικά να σημειώνονται στο WBS3 και τα χειρότερα στο B90. Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι η AvWC υπερεκτιμήθηκε και στα τρία μοντέλα κατά την υγρή περίοδο (Οκτώβριος έως Μάρτιος του επόμενου έτους) με συνεπέστερο το WB (3,81% απόκλιση), ενώ υποεκτιμήθηκε και από τα τρία μοντέλα επίσης κατά την ξηρή περίοδο εμφανίζοντας αυξημένη κλίση της γραμμής αποστράγγισης σε σχέση με τη μετρημένη. Προτείνεται όμως η χρήση τους, με την παραίνεση να προηγηθεί μια πρόσθετη βαθμονόμηση του B90 για την ξηρή περίοδο. Ο έλεγχος εισροών-εκροών της μάζας τριών στοιχείων (Ca, Mg και K), έδειξε ότι το οικοσύστημα δεν είναι σε ισορροπία αφού κάθε χρόνο υπάρχει εμπλουτισμός του εδάφους με κατιόντα, με μεγαλύτερη αυτή του Ca. Επίσης, καταγράφηκε αύξηση των συγκεντρώσεων των ιχνοστοιχείων B, Co και Pb στη THR σε σχέση με την PRB, η οποία παραπέμπει σε ξηρή απόθεση προερχόμενη από τη θάλασσα, εξαιτίας της επικράτησης των Δ, ΝΔ ανέμων. Η δοκιμή του μοντέλου βροχής-απορροής GR4J που έγινε στη λεκάνη απορροής, επέδειξε πολύ καλή συμφωνία με τη μετρημένη απορροή με στατιστικούς δείκτες d και EF 0,957 και 0,845, αντίστοιχα. Η πρόταση είναι ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί, μόνο όμως για τη μελέτη της απορροής στη λεκάνη 1Δ. Για τις υπόλοιπες ροές του υδατικού ισοζυγίου προτείνεται περαιτέρω μελέτη και κυρίως αυτή της υποεπιφανειακής απορροής. Διαπιστώθηκε ότι η βλάστηση έχει προσαρμοστεί να αντλεί από το εδαφικό στρώμα των 70 cm, ποσότητες νερού μεγαλύτερες από 1,0 mm, εκτός από τις χρονικές περιόδους (κυρίως το χειμώνα) όπου οι ανάγκες για εξατμισοδιαπνοή είναι μικρότερες από την ποσότητα αυτή. Τα ποσοστά άντλησης του νερού από το εδαφικό στρώμα παρουσιάζουν παρόμοιο ρυθμό με αυτόν της αποστράγγισης της εδαφοτομής μέχρι τα μέσα Μαΐου. Τον Ιούνιο, όπου η περιεκτικότητα της εδαφοτομής κατεβαίνει κάτω από το ποσοστό του 50% της AvWC, τότε τα ποσοστά άντλησης σχεδόν ταυτίζονται με τον ρυθμό αποστράγγισης. Τέλος, βρέθηκε ότι απαιτούνται 4 τουλάχιστον μήνες και περισσότερα από 500 mm κατακρημνισμάτων προκειμένου η AvWC της εδαφικής κατατομής των 70 cm, να ανέλθει από τη μικρότερη τιμή της (14,0 mm τον Αύγουστο) και να σταθεροποιηθεί στη μέγιστη τιμή της (102,9 mm). Τα αποτελέσματα της συγκεκριμένης διατριβής ευελπιστούμε να συνεισφέρουν στη διαμόρφωση προτάσεων ή/και μοντελοποίησης διαχείρισης αντίστοιχων δασικών οικοσυστημάτων ώστε να επιτευχθεί αφενός αύξηση της διαθεσιμότητας του νερού για τα φυτά και αφετέρου μείωση των ποσοτήτων των θρεπτικών στοιχείων που εκπλύνονται από το οικοσύστημα.

The present research deals with the analysis and quantification of water balance flows in a forest stand, emphasizing on the movement of the water within the soil. Research in recent years has focused on the analysis of water balance components in forest catchments, where the uncertainties of the assumptions have been widely studied and discussed. However, the knowledge that can be acquired at a regional level, by studying the micrometeorological and microhydrological conditions formed by the existence of vegetation in a mature forest ecosystem and their continuous change over time, can contribute to our understanding of soil-plant-atmosphere relationships. Relationships, being extremely complex and with strong interactions, make research efforts, such as the present one, extremely challenging and particularly useful for the scientific community. The experimental study area is located in the wider area of Varetada village (Amfilochia), where a large number of equipment and hydrometeorological instruments have been installed. The research was carried out in an evergreen broadleaved forest stand, for the period of six years (2013-2018). Flow rates were limited to the study of the movement and distribution of water down to the depth of 70 cm. From there on, the infiltrating water, along with the nutrients it carries, was considered not to contribute to plant nutrition. The hydrological status of the evergreen broadleaved (maquis) forest stand in the Varetada area, and especially the surface runoff depends mainly on the existence of the very dense vegetation. The kinetic energy of the raindrops is significantly reduced during the process of their impact on the leaves. In this way, the raindrops have lower velocities when they fall to the ground. The existence of litterfall on the soil surface and the time required for its wetting is an additional factor that prevents and significantly delays the onset of surface runoff. Moreover, the soil data showed that the high value of the hydraulic conductivity at saturation creates infiltration rates capable of adsorbing even the maximum rain intensities recorded in the area (KS = 4.5 cm/h). The results for the precipitation showed a seasonal variation that is identified with the Mediterranean climate of the region. Also, the very strong correlation (0.864) of spring total precipitation (PRB) with the number of winter episodes combined with a moderate negative correlation (-0.492) with winter PRB demonstrates that after a wet winter, the amount of spring precipitation is expected to be small, divided into several episodes of lower intensity (2.65±0.75 mm/h). Corresponding very strong positive correlation (0.967) of annual PRB with spring suggests that the critical, water-demanding period of vegetation growth, which affects the annual C balance of Mediterranean evergreen forests of maquis, depends on the year's total precipitation. December 2015 and 2016 were completely dry, which significantly affected the PRB correlation between winter and autumn, which was found to be strongly negative (-0.907). From the analysis of 380 rain events in terms of their main characteristics (rain height, average intensity, duration and wind speed) and the applied multiple regression, two models for estimating interception (Ia) and net precipitation (PREF) rates were derived. The statistics R2, d and EF for the estimation of Ia were 0.765, 0.878 and 0.75, respectively, while for PREF they were 0.984, 0.976 and 0.97. Based on the proposed model for Ia, crown storage capacity was estimated at 1.33 mm. The high number of throughfall (THR) volumetric collectors used, enabled us to study its spatial variation. The recorded differences in the percentages of THR exceeding 25% even at a distance of a few meters, led to the composition and architecture of the forest crown. A strong negative correlation was also found between the coefficient of variation (CV) of the percentage of THR collected by rain gauges and PRB, both for rainfall event duration (-0.77) and magnitude (-0.70). Additionally, the percentages of PREF ranged annually from 65.6% to 77.2% in relation to PRB. The comparative evaluation of ETo calculated with Penman-Monteith (ETP-M), with 27 methods of all categories, highlighted the combined methods as the most reliable ones, while at the seasonal level, the smallest deviations were observed in summer and the largest in winter, almost in all methods. The methods evaluated as most consistent in estimating daily ETo were ETCOP, ETHAR, ETVA1, ETVA2 and ETVA3. From the rest, ΕΤVA4, ETTUR, ETHS1, ETHS2, ETSTU, and ETJ-H are also recommended for use because their ETο estimates compared quite well with those of the ETP-M method. All the latters can also be used for the annual estimate of ETo. For all the other methods tested, it is recommended to carefully calibrate them before their use in similar environments. In cases, where gridded data-sets used as input data for ETP-M estimation, particular attention must be given to their selection, because the cumulative estimation error from each individual parameter results in large deviations that also lead to incorrect values of the water balance flows. The monthly amount of leaf-fall was measured for four years (2014-2017) and was very high in April, May and June with its weight representing 56.1±0.09% of the total annual leaf-fall, ranging from 63.0 % for 2016 to 43.9% for 2017. This fact shows that the vegetation due to its increased water content during this period initiates a partial replacement of the foliage. The value of the monthly leaf area shed was measured to be approximately constant (46.1±3.6 LA/g) and the leaf area index (LAI) was estimated to be 5.84 m2/m2. Bulk precipitation (PRB), thus soil moisture (SM) seems to determine the initiation of the phenological stages of the growing season compared to mean daily air temperature (Taver) and/or soil temperature (ST). The analysis showed that the available water requirements of the most drought-resistant species (Quercus ilex) is at least 48.3 mm, in order for it to start its phenological stages, while the Arbutus unedo needs 52.1 mm and the Phillyrea latifolia 61.6 mm. The soil layer between 40 cm and 70 cm was the wettest throughout the monitoring period. Nevertheless, it was found that the vegetation follows a strategy of "economy of soil water" in the upper soil layers, keeping them relatively wet, triggering in the spring a more intense water uptake from the lower layers (below -70 cm), in order to overcome the dry upcoming summer conditions. The soil moisture at the three monitoring sites showed temporally synchronized behavior in all three patterns analyzed, which means that the response to precipitation, PREF’s infiltration and drainage showed similar gradients. The application of three models for the available soil moisture (AvWC) estimation, showed quite satisfactory results, with the best statistics noted in WBS3 and the worst in BROOK90. It is noteworthy that AvWC was overestimated by all three models during the wet season (October to March next year) with WB being the most consistent (3.81% variation), while it was underestimated by also all three models during the dry season showing an increased slope of the drain curve in relation to the measured one. Therefore, their use is recommended, pointing out that an additional calibration of the BROOK90 for the dry season is needed. Regarding the masses of three elements (Ca, Mg and K), the control of inputs-outputs in soil solution, showed that the ecosystem is not in balance since every year there is an enrichment of the soil with cations, especially of Ca. Furthermore, an increase in trace element concentrations of B, Co, and Pb was recorded in THR relative to PRB, suggesting dry deposition. Testing of the GR4J rainfall-runoff model in the catchment showed very satisfactory agreement with measured runoff with d and EF statistics of 0.957 and 0.845, respectively. The proposal is that it can only be used to study runoff in the catchment. For the other flow rates of the water balance, further study is proposed, especially that of the subsurface runoff. It was found that the vegetation has adapted to adsorb water quantities greater than 1.0 mm from the 70 cm soil layer, except from the time periods (mainly in winter) when the needs for evapotranspiration are less than this quantity. Until mid-May, water uptake and drainage rates from the soil layer showed similar curves. In June, when the soil water content dropped below 50% of AvWC, then the two curves were almost identical. Finally, it was found that for the 70 cm soil profile, the increase of the AvWC from its lowest value (14.0 mm in August) and stabilization at its maximum value (102.9 mm) requires at least 4 months and more than 500 mm of precipitation. Hopefully, the results of this thesis can serve in the formulation of proposals and/or management modelling for similar forest ecosystems to achieve an increase of the water availability for plants and a reduction in the amounts of nutrients leached from the ecosystem.