Διερεύνηση εδαφικών βιολογικών και χημικών χαρακτηριστικών σε οικοσύστημα ανεπτυγμένο σε σερπεντινικά πετρώματα:
Creators: name: Χαραλαμπίδης, Γεώργιος Βοναπάρτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Σερπεντινικά πετρώματα
Εδαφική οικολογία
Βαρέα μέταλλα
Seperpentine soils
Soil ecology
Heavy metals

description: Τα εδάφη από σερπεντινικά πετρώματα χαρακτηρίζονται από υψηλές συγκεντρώσεις βαρέων μετάλλων και μαγνησίου, τα οποία καθιστούν αυτά τα εδάφη ιδιαίτερα τοξικά. Επίσης χαρακτηρίζονται από χαμηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών στοιχείων και φυσικές ιδιότητες δυσμενείς για φυτική ανάπτυξη. Ο σκοπός της εργασίας μας είναι (i) να μελετήσουμε το κατά πόσο τα εδαφικά βιολογικά-μικροβιακά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά διαφοροποιούνται από την παρουσία διαφορετικών φυτικών ειδών, (ii) να διαπιστωθεί αν υφίσταται διαφοροποίηση των εδαφικών χαρακτηριστικών ανάμεσα στις δυο δειγματοληπτικές περιόδους. Τα είδη λοιπόν που επιλέχτηκαν και αποτελούν κυρίαρχα είδη της σερπεντινικής κοινότητας στην περιοχή μελέτης, είναι δύο φρύγανα, τα Thymus sibthorpii και Cistus creticus και δύο αειθαλείς θάμνοι, τα Βuxus sempervirens και Juniperus oxycedrus. Επομένως, μιλάμε για δύο κατηγορίες φυτών με διαφορετικές στρατηγικές ζωής. Επιπλέον, λήφθηκαν εδαφικά δείγματα από τον χώρο χωρίς φυτική κάλυψη ως μάρτυρας. Οι δύο δειγματοληψίες που πραγματοποιήθηκαν βασίστηκαν στον κύκλο των φρυγανικών ειδών. Η πρώτη έγινε σε περίοδο ανθοφορίας και η δεύτερη σε περίοδο που έχουν ξεραθεί τα θερινά φύλλα των συγκεκριμένων ειδών. Οι εδαφικές παράμετροι που προσδιορίστηκαν σχετίζονται με την μικροβιακή κοινότητα του εδάφους, με την δράση των ενζύμων που συμμετέχουν στους τρεις κύριους κύκλους των θρεπτικών στοιχείων και επιπρόσθετα με τα χημικά χαρακτηριστικά. Η διαφοροποίηση των δειγμάτων με βάση τα βαρέα μέταλλα στο έδαφος τους, έδειξε ότι το έδαφος κάτω από τα δείγματα του Cistus, χαρακτηρίζεται από υψηλές συγκεντρώσεις σιδήρου και μαγγανίου. Από την ίδια ανάλυση, φαίνεται ότι τα δείγματα του Buxus δεν χαρακτηρίζονται από κάποιο συγκεκριμένο μέταλλο. Έπειτα, εφαρμόσαμε μια πολυδιάστατη ανάλυση διακύμανσης στο σύνολο των δεδομένων μας και για τις δύο δειγματοληψίες προκειμένου να διαπιστώσουμε ποιες εδαφικές παράμετροι επηρεάζονται από την εποχικότητα, ποιες από την δειγματοληπτική θέση και ποιες από την αλληλεπίδραση αυτών των δύο. Η μικροβιακή βιομάζα δεν διαφοροποιείται ούτε εποχιακά ούτε ανά θέση δειγματοληψίας. Η πίεση των υψηλών συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων και χαμηλών θρεπτικών που χαρακτηρίζει γενικότερα το συγκεκριμένο οικοσύστημα έχει καθοριστικό ρόλο στην αφθονία του μικροβιακού πληθυσμού. Με βάση τα αποτελέσματα της πολυδιάστατης ανάλυσης διακύμανσης, εφαρμόσαμε πολλαπλές εκ των υστέρων δοκιμασίες (post-hoc) για να μελετήσουμε τη διαφοροποίηση όσον αφορά την εποχικότητα. Στα θρεπτικά στοιχεία του εδάφους, σε ότι αφορά την εποχικότητα, παρατηρούμε το ίδιο πρότυπο και στις τρεις καταγραφές, δηλαδή αύξηση σε σχέση με την δειγματοληπτική περίοδο. Από τα αποτελέσματα των πολλαπλών εκ των υστέρων δοκιμασιών (post-hoc) για τα ένζυμα παρατηρούμε ότι έχουν διαφορετικό πρότυπο. Η ουρεάση φαίνεται να μειώνει την δράση της σε σχέση με την περίοδο δειγματοληψίας ενώ η αλκαλική φωσφατάση να την αυξάνει. Η μείωση στην ενζυμική δραστηριότητα της ουρεάσης στην δεύτερη δειγματοληψία θα μπορούσε να αποδοθεί στο χαμηλό υδατικό περιεχόμενο του εδάφους, μια και αρχίζει η ξηρή περίοδος. Οι τιμές τις φωσφατάσης στα εδάφη όλων των φυτικών ειδών παρουσιάζουν αύξηση κατά την δεύτερη δειγματοληψία. Το αποτέλεσμα αυτό συμφωνεί με τα αποτελέσματα άλλων ερευνών που αποδίδουν την υψηλή φωσφατάση στον εμπλουτισμό του εδάφους με ασβέστιο από την πτώση των φύλλων. Έπειτα εφαρμόσαμε πολλαπλές εκ των υστέρων δοκιμασίες (post-hoc) για να δούμε με ποιο τρόπο διαφοροποιούνται οι παράμετροι ανάλογα με το είδος της δειγματοληπτικής θέσης. Το ανόργανο άζωτο, το οργανικό άζωτο και το ασβέστιο εμφανίζουν την μεγαλύτερη τους τιμή στο Τhymus και στο Buxus, ενώ την μικρότερη στο κενό χώρο χωρίς φυτική κάλυψη. Τα ένζυμα που μελετήσαμε διαφοροποιούνται σημαντικά σε σχέση με την δειγματοληπτική θέση. Η ουρεάση παρουσιάζει την μεγαλύτερη της συγκέντρωση στο Thymus και ακολουθούν τα υπόλοιπα φυτικά είδη. Η ανάλυση διακύμανσης δείχνει ότι η αφυδρογονάση παρουσιάζει παρόμοια εικόνα με την ουρεάση. Το Juniperus χαρακτηρίζεται από πολύ χαμηλές τιμές αφυδρογονάσης. Η αλκαλική φωσφατάση δεν παρουσιάζει διαφοροποίηση μεταξύ των φυτικών ειδών με μόνη εξαίρεση το Cistus που εμφανίζει λίγο μικρότερες τιμές από τα υπόλοιπα φυτικά είδη. Αυτό που είναι άξιο αναφοράς είναι ότι τα είδη που ανήκουν στην ίδια στρατηγική ζωής φαίνεται να έχουν διαφορετική επίδραση στις βιοχημικές παραμέτρους. Όσο αφορά την αφυδρογονάση, το Juniperus φαίνεται να εμφανίζει στο έδαφος του τις υψηλότερες συγκεντρώσεις στην πλειονότητα των βαρέων μετάλλων. Η ανάλυση συσχετίσεων έδειξε ότι οι τιμές αφυδρογονάσης συσχετίζονται αρνητικά με τις συγκεντρώσεις του ψευδαργύρου και του κοβαλτίου. Συνεπώς οι χαμηλές τιμές αφυδρογονάσης που καταγράφηκαν στο Juniperus θα μπορούσαν να αποδοθούν στην τοξικότητα που δημιουργείται εκεί λόγω αυτών των συγκεντρώσεων. Τέλος εφαρμόσαμε στο σύνολο των δεδομένων μας ένα δέντρο απόφασης προκειμένου να δούμε πως ταξινομούνται τα εδαφικά δείγματα που προέρχονται από διαφορετικές δειγματοληπτικές θέσεις και στις δύο δειγματοληπτικές περιόδους. Μια πρώτη παρατήρηση έχει να κάνει με την συγκέντρωση του καλίου με βάση την οποία διαφοροποιείται ο κενός χωρίς φυτική κάλυψη χώρος από τις υπόλοιπες φυτικές καλύψεις. Η συγκέντρωση του καλίου φαίνεται να είναι η κύρια παράμετρος που καθορίζει την εγκατάσταση ή όχι των φυτικών ειδών σε έδαφος από σερπεντινικά πετρώματα στην συγκεκριμένη περιοχή. Ο διαχωρισμός χώρου απουσία – παρουσία φυτοκάλυψης υπερβαίνει το φαινόμενο της εποχικότητας. Μια δεύτερη παρατήρηση έχει να κάνει με το σύνολο των δειγματοληπτικών θέσεων κάτω από τα φυτά, όπου εκεί καταγράφεται όντως η εποχική διαφοροποίηση με βάση τις τιμές της ουρεάσης, με υψηλές τιμές την πρώτη περίοδο και χαμηλές την δεύτερη. Τέλος, η πλειονότητα των δειγματοληπτικών θέσεων έχει υψηλά ποσοστά σωστής ταξινόμησης. Εξαίρεση σε αυτό, αποτελούν τα Cistus και Buxus, τα δείγματα των οποίων παρουσιάζουν υψηλή διασπορά. Στο διάγραμμα διαφοροποίησης των δειγμάτων με βάση τα βαρέα μέταλλα στα φύλλα, παρατηρήσαμε ότι τα είδη που ανήκουν στην ίδια στρατηγική ζωής, φαίνεται να χαρακτηρίζονται από τα ίδια βαρέα μέταλλα. Ο υψηλός λόγος Ca/Mg που παρατηρούμε στα φύλλα μπορεί να οφείλεται σε ένα μηχανισμό αυτοπροστασίας του φυτού.
description: The soils of serpentine rocks are characterized by high concentrations of heavy metals and magnesium, which make them highly toxic. They present also low nutrient concentrations and physical properties unfavorable for plant growth. The aim of our work is to study whether the soil biological-microbial and physicochemical properties are differentiated by the presence of plant species. The selected species, which dominate the serpentine community in the study area, are two phryganic species, Thymus sibthorpii and Cistus creticus and two evergreen shrubs, the Buxus sempervirens and Juniperus oxycedrus. Therefore, we are talking about two categories of plants with different life strategies. In addition, soil samples were taken from the area without vegetative cover as a witness. Sampling procedure was based on the cycle of phryganic species. The first was at the flowering stage and the second at dry period of specific species. The soil parameters studied are related with the soil microbial community, with the action of enzymes associated with three main cycles of nutrients and with the chemical characteristics. Discrimination of samples according to soil heavy metals showed that soil samples beneath the Cistus are characterized by high concentrations of iron and manganese. From the same analysis, appeared that samples of Buxus are not characterized by a particular metal. Then, we applied a multidimensional analysis of variance in our data set for both samples to see which soil parameters are influenced by seasonality, which by the presence of plant species and which by the interaction of these two. Microbial biomass did not differ either seasonally or by sampling location. The pressure of high concentrations of heavy metals and low nutrients that generally characterizes this ecosystem has a key role in the abundance of microbial populations. Based on the results of the multidimensional analysis of variance, we applied post-hoc analysis to study the variation of seasonality. At soil nutrients, we observe the same pattern in all of them, an increase over the sample period. Results of post-hoc analysis for enzymes, show a different pattern. The urease appears to reduce its activity with respect to the sampling period, but the alkaline phosphatase to increase. The decrease in enzymatic activity of urease in the second sample could be attributed to the low water content of soil, because the dry season begins. The values of phosphatase in the soils of all plant species are increasing in the second sampling. This result agrees with the results of other investigations attributing the high phosphatase to the enrichment of soil with calcium from the fall of leaves. Then we applied post-hoc analysis to see how the parameters vary depending on the type of ground cover. Inorganic nitrogen, organic nitrogen and calcium have the highest value in Thymus and Buxus, but lower value is in area without vegetative cover. Enzymes studied vary significantly in relation to the type of ground cover. Urease has the largest concentration under Thymus, followed by other plant species. The variance analysis shows that the dehydrogenase is similar to the urease. Soil under Juniperus is characterized by very low values of dehydrogenase. Alkaline phosphatase shows no differentiation between plant species with only exception of Cistus showing slightly lower values than other plant species. It is noteworthy that species belonging to the same life-strategy seem to have different effects on biochemical parameters. As for dehydrogenase, Juniperus appears to have the canopy with the highest concentrations in the majority of heavy metals. Correlation analysis showed that values of dehydrogenase are correlated with concentrations of zinc and cobalt. Thus the low values of dehydrogenase recorded could be attributed to the toxicity generated there by these concentrations. Finally we applied to all of our data a classification tree to see how the soil samples from different sampling locations are classified in both sampling periods. A first observation is about the concentration of potassium, which differentiates the area without vegetation cover of the remaining plant covers. The concentration of potassium seems to be the main factor that determines the establishment of plant species in soil from serpentine rocks in this region. The separation of space absence – presence of vegetation exceeds seasonality effect. A second observation has to do with all sampling positions beneath the plants, where there, actually recorded the seasonal variation based on the values of urease, with high values at the first period and low at the second. Finally, the most of sampling positions have high rates of correct classification. Exception to this are Cistus and Buxus, samples of which are highly dispersed. At the discrimination graph of samples according to heavy metals in leaves, we observed that species belonging to the same strategy of life seems to be characterized by the same heavy metal. The high ratio of Ca/Mg, we observe at leaves, may be due to a self-protection mechanism of plant.