Παρακολούθηση και προσομοίωση των ροών άνθρακα σε Μεσογειακά δάση: η περίπτωση του πευκοδάσους της Λέσβου

Abstract

Forest ecosystems, one of the main biostorages of carbon, interact with climate change, which affects a multitude of ecosystem services. Investigating the factors that control the variation of key carbon fluxes in Mediterranean pine forests, as well as quantifying and modeling them, is important to be able to make predictions and draw conclusions about their primary productivity and how it may change under warmer and drier conditions. In this thesis, a methodology was developed for coupling data from permanent monitoring plots with mathematical models for simulating the productivity of forest ecosystems with the aim of creating an integrated framework for recording and simulating C fluxes in Mediterranean pine forests. Initially, a monitoring protocol of the main C flows in forest stands was designed and applied along four monitoring plots of different post-fire ages in Pinus brutia stands and in two Pinus nigra monitoring plots of different orientations, for two years in the island of Lesvos. A general semi-empirical-mechanistic model for Mediterranean pine forests primary productivity was developed, able to simulate the most important carbon (C) fluxes from stand scale to landscape (island) scale. The simulation model was parameterized using ecophysiological and biometric data from the original 4+2 monitoring plots. Its predictive ability was tested on the former six and to additional five Calabrian pine stands using data from annual growth rings samples. Further combined with additional measurements of biometric traits in 63 additional sampling plots, a spatial version of the model was applied to simulate C fluxes in the entire Lesvos pine forest. Both at the stand and landscape level the model was run for current climate conditions and two climate change scenarios (RCP 4.5 & RCP P8.5) in two reference periods (2051-2060 & 2091-2100). Under current climate conditions the simulations of the stands net primary productivity showed satisfactory agreement with the interannual growth data as derived from the annual tree rings. Furthermore, the gross and net primary productivity estimates are in agreement with the values reported in the international literature. The results of our simulations, under climate change conditions, indicate that despite the reduction in productivity, the pine forests of Lesbos will continue to be characterized as carbon sinks, but with great uncertainty at the end of the century.

Τα δασικά οικοσυστήματα, μία από τις κυριότερες βιοαποθήκες άνθρακα, αλληλοεπιδρούν με την κλιματική αλλαγή, η οποία επηρεάζει ένα πλήθος επιμέρους οικοσυστημικών υπηρεσιών που αυτά προσφέρουν. Η διερεύνηση των παραγόντων που ελέγχουν τη διακύμανση των βασικών ροών άνθρακα στα μεσογειακά πευκοδάση, καθώς και η ποσοτικοποίηση και μοντελοποίησή τους είναι σημαντική για να μπορούν να πραγματοποιηθούν προβλέψεις και να εξαχθούν συμπεράσματα για την πρωτογενή παραγωγικότητά τους και τον τρόπο που αυτή μπορεί να μεταβάλλεται υπό θερμότερες και ξηρότερες συνθήκες. Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία σύζευξης δεδομένων από επιφάνειες μόνιμης παρακολούθησης με μαθηματικά μοντέλα προσομοίωσης της παραγωγικότητας των δασικών οικοσυστημάτων με στόχο την δημιουργία ενός ολοκληρωμένου πλαισίου καταγραφής και προσομοίωσης των ροών C σε Μεσογειακά πευκοδάση. Αρχικά σχεδιάσθηκε ένα πρωτόκολλο παρακολούθησης των βασικών ροών C. Το πρωτόκολλο εφαρμόσθηκε για δύο έτη στο νησί της Λέσβου κατά μήκος τεσσάρων επιφανειών παρακολούθησης διαφορετικής μεταπυρικής ηλικίας σε συστάδες Pinus brutia (Τραχείας πεύκης) και δύο επιφανειών παρακολούθησης σε συστάδες Pinus nigra (Μαύρης πεύκης) διαφορετικού προσανατολισμού. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα γενικό ημι-εμπειρικό /μηχανιστικό μοντέλο πρωτογενούς παραγωγικότητας των Μεσογειακών πευκοδασών, με ικανότητα προσομοίωσης των σημαντικότερων ροών άνθρακα (C) από κλίμακα συστάδας έως κλίμακα τοπίου (νησιού). Το μοντέλο προσομοίωσης παραμετροποιήθηκε με τη βοήθεια οικοφυσιολογικών και βιομετρικών δεδομένων από τις αρχικές 4+2 επιφάνειες παρακολούθησης. Η προβλεπτική ικανότητα του ελέγχθηκε στις αρχικές έξι και σε επιπλέον πέντε επιφάνειες Τραχείας πεύκης με τη χρήση δεδομένων από ετήσιους δακτυλίους αύξησης. Περαιτέρω σε συνδυασμό με επιπρόσθετες μετρήσεις βιομετρικών χαρακτηριστικών σε 63 επιπλέον δειγματοληπτικές επιφάνειες, μια χωρική έκδοση του μοντέλου εφαρμόσθηκε για την προσομοίωση των ροών C στο σύνολο του πευκοδάσους της Λέσβου. Τόσο σε επίπεδο συστάδας όσο και επίπεδο τοπίου το μοντέλο εφαρμόσθηκε για τις τωρινές κλιματικές συνθήκες και για δύο σενάρια κλιματικής αλλαγής (RCP 4.5 & RCP8.5) σε δύο περιόδους αναφοράς (2051-2060 & 2091-2100). Υπό τις σημερινές κλιματικές συνθήκες οι προσομοιώσεις του μοντέλου για την καθαρή πρωτογενή παραγωγικότητα των συστάδων έδειξαν ικανοποιητική συμφωνία με τα διαχρονικά δεδομένα αύξησης, όπως προκύπτουν από τους ετήσιους δακτυλίους. Επιπλέον οι εκτιμήσεις της μικτής και της καθαρής πρωτογενούς παραγωγικότητας συμφωνούν με τις τιμές που αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεών, υποδεικνύουν ότι πάρα τη μείωση της παραγωγικότητάς τους λόγω της κλιματικής αλλαγής, τα πευκοδάση της Λέσβου θα εξακολουθούν να χαρακτηρίζονται ως δεξαμενές άνθρακα, με μεγάλη όμως αβεβαιότητα κατά το τέλος του αιώνα.