title: Modeling the water-soil-plant ecosystem using the 
1D-Integrated Critical Zone (1D-ICZ) Model
title: Μοντελοποίηση του οικοσυστήματος «νερό-έδαφος-φυτό» χρησιμοποιώντας το Μονοδιάστατο Ολοκληρωμένο Μοντέλο της Κρίσιμης Ζώνης
Creators: name: Κουκιανακη Ευαγγελια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2024

description: Ecosystems deliver essential services that can be impacted by climate, land use and above ground biodiversity changes. Assessment of such impacts can be achieved through the ecosystem modeling of interlinked above- and below-ground processes. 
The objective of this thesis was to illustrate that the one-dimensional Integrated Critical Zone (1D-ICZ) model is capable of simulating and quantifying ecosystem services in several ecosystems. The 1D-ICZ model is a mathematical model that links soil aggregate formation and soil structure development to nutrient dynamics, plant nutrition, water flow and mass transport. It consists of four sub-modules: HYDRUS-1D (hydrology model), CAST (soil formation model), PROSUM (plant model) and SAFE (weathering model), with the CAST (Coupled carbon, Aggregation, Structure) sub-module being the heart of the model. 
The model was used to assess the biomass production, carbon and nutrient sequestration, soil structure and geochemistry of two mature forested ecosystems: Zöbelboden in Austria and Hyytiälä in Finland and, an avocado plantation in Koiliaris, Greece. The model was initialized and calibrated using long term observations along the soil-plant-atmosphere continuum. The model simulated a 25-year (1996-2020) period record (for Zöbelboden and Hyytiälä) and an 8-year (2016-2023) period record (for Koiliaris) of the main soil ecosystem functions by accounting for the interactions between water flow, solute transport, soil structure, carbon and nutrient dynamics and plant biomass production. 
The 1D-ICZ model proved to be a useful tool to fully model the water-soil-plant ecosystem and better understand the limitations to plant growth and below ground carbon accumulation, processes that are highly relevant to climate mitigation. Regarding the quantification of soil functions, in Zöbelboden, the annual average biomass growth (GPP) is 15.6 tC/ha/yr, the soil C stock 82.6 tC/ha, the N stock 3.8 tN/ha and the soil CO2 flux 0.04 tC/ha/yr, in Hyytiälä, the annual average biomass growth (GPP) is 11.6 tC/ha/yr, the soil C stock 38.6 tC/ha, the N stock 1.3 tN/ha and the soil CO2 flux 0.03 tC/ha/yr and in Koiliaris, the annual average biomass growth (GPP) is 14.7 tC/ha/yr, the soil C stock 80.7 tC/ha, the N stock 6.2 tN/ha and the soil CO2 flux at 8.3 tC/ha/yr.
description: Τα οικοσυστήματα παρέχουν βασικές υπηρεσίες που μπορούν να επηρεαστούν από το κλίμα, τη χρήση Γης και τις αλλαγές στην υπέργεια βιοποικιλότητα. Η εκτίμηση τέτοιων επιπτώσεων μπορεί να επιτευχθεί μέσω της μοντελοποίησης οικοσυστήματος των αλληλένδετων υπέργειων και υπόγειων διαδικασιών. 
Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής ήταν να αποδείξει ότι το Μονοδιάστατο Ολοκληρωμένο Μοντέλο της Κρίσιμης Ζώνης (1D-ICZ) είναι ικανό να ποσοτικοποιήσει τις οικοσυστημικές υπηρεσίες σε διάφορα οικοσυστήματα. Το Μονοδιάστατο Ολοκληρωμένο Μοντέλο της Κρίσιμης Ζώνης είναι ένα μαθηματικό μοντέλο που συνδέει τον σχηματισμό συσσωματωμάτων του εδάφους και της εδαφικής δομής με τη δυναμική των θρεπτικών ουσιών, τη θρέψη των φυτών, την ροή του νερού και την μεταφορά μάζας. Αποτελείται από τέσσερα υπομοντέλα: HYDRUS-1D (μοντέλο υδρολογίας), CAST (μοντέλο σχηματισμού εδάφους), PROSUM (μοντέλο φυτού) και SAFE (μοντέλο αποσάθρωσης), με τo υπομοντέλο CAST να αποτελεί την καρδιά του μοντέλου.
Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση της παραγωγής βιομάζας, της δέσμευσης άνθρακα και θρεπτικών ουσιών, της δομής του εδάφους και της γεωχημείας δύο ώριμων δασικών οικοσυστημάτων: του Zöbelboden στην Αυστρία και της Hyytiälä στη Φινλανδία και μιας φυτείας αβοκάντο στον Κοιλιάρη, Ελλάδα. Το μοντέλο αρχικοποιήθηκε και βαθμονομήθηκε χρησιμοποιώντας μακροχρόνιες μετρήσεις που αφορούν το έδαφος, το φυτό και την ατμόσφαιρα. Το μοντέλο προσομοίωσε χρονική περίοδο 25 ετών (1996-2020) (για Zöbelboden και Hyytiälä) και χρονική περίοδο 8 ετών (2016-2023) (για Κοιλιάρη) των κύριων εδαφικών οικοσυστημικών λειτουργιών λαμβάνοντας υπόψη τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ της ροής του νερού, της μεταφοράς διαλελυμένης ουσίας, της εδαφικής δομής, της δυναμικής του άνθρακα και των θρεπτικών συστατικών και της παραγωγής φυτικής βιομάζας.
Το μοντέλο 1D-ICZ αποδείχθηκε χρήσιμο εργαλείο για την πλήρη μοντελοποίηση του οικοσυστήματος «νερό-έδαφος-φυτό» και την καλύτερη κατανόηση των περιορισμών στην ανάπτυξη του φυτού και στην συσσώρευση άνθρακα κάτω από το έδαφος, διαδικασίες άκρως συνδεδεμένες με τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής. Όσον αφορά τον ποσοτικό προσδιορισμό των εδαφικών λειτουργιών, στο Zöbelboden, η μέση ετήσια παραγωγή βιομάζας είναι 15.6 tC/ha/έτος, το απόθεμα άνθρακα στο έδαφος 82.6 tC/ha, το απόθεμα αζώτου 3.8 tN/ha και η ροή CO2 από το έδαφος στην ατμόσφαιρα 0.04 tC/ha/έτος, στη Hyytiälä, η μέση ετήσια παραγωγή βιομάζας είναι 11.6 tC/ha/έτος, το απόθεμα άνθρακα στο έδαφος 38.6 tC/ha,  το απόθεμα αζώτου 1.3 tN/ha και η ροή CO2 από το έδαφος στην ατμόσφαιρα 0.03 tC/ha/έτος και στον Κοιλιάρη, η μέση ετήσια παραγωγή βιομάζας είναι 14.7 tC/ha/έτος, το απόθεμα άνθρακα στο έδαφος 80.7 tC/ha, το απόθεμα αζώτου 6.2 tN/ha και η ροή CO2 από το έδαφος στην ατμόσφαιρα 8.3 tC/ha/έτος.