Il ruolo delle deposizioni atmosferiche negli apporti di azoto agli ecosistemi acquatici

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Annunziata Corti
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Gli impatti dell inquinamento atmosferico sugli ecosistemi naturali e antropici Roma, 23-24 gennaio 2014 Il ruolo delle deposizioni atmosferiche

1 Gli impatti dell inquinamento atmosferico sugli ecosistemi naturali e antropici Roma, gennaio 2014 Il ruolo delle deposizioni atmosferiche negli apporti di azoto agli ecosistemi acquatici Michela Rogora C.N.R. Institute of Ecosystem Study, Verbania Pallanza, Italy -

atmosferiche negli apporti di azoto agli ecosistemi acquatici Michela

2 Nitrogen: too much of a good thing Aumento netto nella produzione di N reattivo a partire dagli anni 50 (da 15 a 165 Tg N y -1 ), con conseguente aumento delle emissioni di Nr in atmosfera e delle deposizioni di N Human activity is radically altering the world s nitrogen cycle through food and energy production some food-producing systems are generating excess nitrogen, affecting air, land, and freshwater, and ultimately environment and human health. (UNEP 2004) Effetti negativi dell eccessivo input di N agli ecosistemi terrestri ed acquatici: acidificazione, eutrofizzazione (corpi idrici limitati da N), sbilanci nutritivi, riduzione della biodiversità Deposizioni atmosferiche come principale veicolo di N alle acque in aree scarsamente antropizzate Sala et al Science 287

and freshwater, and ultimately environment and human health.

3 A t t i v i t à a n t r o p i c h e Nitrogen cycle Nitrogen cascade Global warming NO x from burning fossil fuels N 2 in air Acid rain NO x N 2 O N 2, NO x, N 2 O Denitrifying bacteria and fungi Lightning Industrial fixation (fertilizers) N-fixation by bacteria Aerosols ground level O 3 smog Nitrates NO 3 - Batteri nitrificanti Plants Decay and animal waste Animals Nitrites NO 2 - Ammonia NH 3 Batteri nitrificanti Runoff, leaching (eutrophication) Galloway et al Bioscience 53

N-fixation by bacteria Aerosols ground level O 3 smog Nitrates NO 3 - Batteri nitrificanti Plants Decay and animal waste

4 N-saturazione ed effetti sulle acque N saturazione: input totale di N dalle deposizioni supera il fabbisogno dell ecosistema, e l azoto in eccesso (come NO 3 ) viene lisciviato alle acque superficiali (Aber et al Bioscience) Wet and dry deposition NO 3 - NH 4 + Winter/Spring Summer/Autumn Wet and dry deposition NO 3 - NH 4 + N + N O 2 2 Litterfall Mineralisation Nitrification Denitrification Traaen, T.S. & J.L. Stoddard Uptake Mineralisation Nitrification Groundwater Modello di Stoddard: 4 stadi di saturazione delle acque in base a concentrazioni mensili di NO 3

Bioscience) Wet and dry deposition NO 3 - NH 4 + Winter/Spring Summer/Autumn Wet and dry deposition NO 3 - NH 4 + N + N O 2 2 Litterfall

CNR ISE: attività e programmi di ricerca sul tema dell azoto Monitoraggio a lungo termine delle deposizioni atmosferiche in ecosistemi forestali (CONECOFOR, FUTMON) parte del Monitoraggio di Livello

5 CNR ISE: attività e programmi di ricerca sul tema dell azoto Monitoraggio a lungo termine delle deposizioni atmosferiche in ecosistemi forestali (CONECOFOR, FUTMON) parte del Monitoraggio di Livello II, co-finanziato da EU e UN-ECE ICP Forest) Studi sul Lago Maggiore e i suoi tributari finanziati dalla CIPAIS (Commissione Internazionale per la Protezione delle Acque Italo Svizzere) Monitoraggio a lungo termine della chimica delle acque superficiali in area alpina e subalpina (partecipazione al programma UN-ECE ICP WATERS finanziata dal Ministero Ambiente)

suoi tributari finanziati dalla CIPAIS (Commissione Internazionale per la Protezione delle Acque Italo Svizzere) Monitoraggio a lungo

Quercus cerris 15 Quercus ilex TOS1 EMI1 MAR1 10 Quercus robur, Quercus

6 Deposizioni di N in siti forestali VAL1 PIE3 PIE1 LOM1 BOL1 TRE1 VEN1 VEN2 FRI2 kg ha -1 y Fagus sylvatica 30 Picea abies 25 Larix decidua 20 Quercus cerris 15 Quercus ilex TOS1 EMI1 MAR1 10 Quercus robur, Quercus petraea 5 0 ON TOS2 LAZ1 ABR1 LAZ2 ABR2 PUG1 NH 4 NO 3 CAM1 SAR1 CAL1 Throughfall SIC1

7 NO 3 runoff (µeq L -1 ) Runoff nelle aree forestali 80 Runoff - siti forestali N dep (meq m -2 y -1 ) Il rilascio di NO 3 alle acque è evidente al di sopra di una soglia critica di deposizione (~ kg N ha -1 a -1 )

8 Focus sull area alpina e subalpina Fonte: EMEP Measured N deposition ( ) over the Alps F SP25 Pay Cha CH Dev Gra Rob Pal Dub Rig Pio Acq Bre I Reu BOL1 Kuf Inn Nud Gru Wer Son FRI2 A Luz Naw Mas Hoc 5 kg ha -1 y -1 Rogora et al., Hydrobiologia, kg ha -1 y -1

Gra Rob Pal Dub Rig Pio Acq Bre I Reu BOL1 Kuf Inn Nud Gru Wer Son FRI2 A

9 Elevati volumi di precipitazione (circa1800 mm a -1 ) Elevate deposizioni di inquinanti e di composti azotati (15-25 N ha-1 a -1 )

10 Il bacino del Lago Maggiore Area totale: 6600 km 2, (tra Italia e Svizzera) Stazioni italiane Stazioni svizzere Copertura forestale: 50% Marcato gradiente altitudinale (quota media 1270 m s.l.m.) DATI Dati chimici sul Lago Maggiore dagli anni 50, sui tributari dagli anni 70 Dati su piccoli laghi alpini e subalpini dagli anni stazioni per lo studio delle deposizioni atmoferiche; 130 stazioni meteo (volumi di precipitazione)

Trend - deposizioni 240 200 meq m -2 y -1 SO 4 = Pallanza 160 120

2002 2006 2010 160 120 NH 4 + 80 40 NO 3-0 1974 1978 1982 1986

11 Trend - deposizioni meq m -2 y -1 SO 4 = Pallanza H meq m -2 y NH NO Rogora et al Sci. Tot. Envir

Trend Corsi d acqua Evidenza di una condizione di N saturazione nei bacini nei principali tributari del Lago Maggiore trend positivo delle concentrazioni di NO 3 da stadio 1-2 (N saturazione bassa o

12 Trend Corsi d acqua Evidenza di una condizione di N saturazione nei bacini nei principali tributari del Lago Maggiore trend positivo delle concentrazioni di NO 3 da stadio 1-2 (N saturazione bassa o moderata) negli anni a stadio 2-3 (saturazione avanzata) N-NO 3 (µeq L -1 ) Cann Erno Gion Magg Sber Sgio Tici Toce Tres Verz 25 Mean values Gen Mar Mag Lug Set Nov Mean values Gen Mar Mag Lug Set Nov Rogora et al., Biogeochemistry

2-3 (saturazione avanzata) N-NO 3 (µeq L -1 ) Cann Erno Gion Magg Sber 150 125 100 75 50 Sgio Tici Toce Tres Verz 25

NO 3 - (µeq l -1 ) SO 4 = (µeq l -1 ) NO 3 - (µeq l -1 ) Trend Laghi 240 220 Lago di Mergozzo

Maggiore Bilancio dell N per il bacino del Lago Maggiore 58 54 50 1982 1990 1998 2006 2014

13 NO 3 - (µeq l -1 ) SO 4 = (µeq l -1 ) NO 3 - (µeq l -1 ) Trend Laghi Lago di Mergozzo Lake Maggiore Lago Maggiore Bilancio dell N per il bacino del Lago Maggiore Deposizioni atmosferiche contribuiscono agli input a lago per il 65-80% Mosello et al J. Limnol.

14 Laghi Paione, Alpi Occidentali ( m s.l.m.) I laghi remoti come indicatori Non interessati da disturbo antropico diretto Soggetti alla deposizione di inquinanti trasportati con le masse d aria dalle zone di emissione Utilizzati come indicatori (early warning systems) delle variazioni climatiche e della composizione chimica dell atmosfera

15 Svalbard Islands, 3 lakes Central Alps, Italy 35 lakes Laghi remoti Dataset CNR ISE Serra da Estrela, Portugal, 9 lakes Himalaya, Khumbu-Himal region, Nepal, 31 lakes N-NO 3 (mg N L -1 ) Antarctica, Terra Nova Bay, 29 lakes Northern Patagonia 18 lakes ALP AND ANT HIM POR SVA

4 Himalaya, Khumbu-Himal region, Nepal, 31 lakes N-NO 3 (mg N L -1 )

16 Il ruolo del NO 3 nell acidificazione 40 laghi alpini d alta quota (> 2000 m s.l.m.) Analisi dei trend nella chimica delle acque (dagli anni 80) Recovery dall acidificazione grazie alla riduzione dell acidità delle piogge ( SO 4 ) Importanza del NO 3 come anione acidificante, soprattutto al disgelo 100% 80% STA 60% 40% 20% 0% Rogora et al Wat. Air Soil Pollut.

) Analisi dei trend nella chimica delle acque (dagli anni 80) Recovery dall acidificazione grazie

17 Un trend in diminuzione? Analisi delle serie temporali (12 siti, laghi e fiumi): Elevata correlazione temporale tra i siti Andamento sincrono, con trend positivo ( ), seguito da fase di diminuzione (2006 -) Mer - lake LPS - lake LPI - lake Can - river Pel - river PIE1 - river meq m -2 y -1 Sbe - river Sgi - river Mag - river Deposizioni Gio - river Ern - river Pls - river NH + 4 NO Rogora et al Sci. Tot. Envir.

(1978-2005), seguito da fase di diminuzione (2006 -) 3.0 2.0 1.0 0.0-1.

18 Fattori meteo-climatici e idrologia C 14 Temperature Precipitazioni mm Staz. Meteo - Pallanza Elevata variabilità interannuale delle precipitazioni (effetti sulle deposizioni a parità di concentrazione) Eventi estremi: picchi di NO 3 nelle acque dopo periodi caldi e asciutti seguiti da piogge brevi e intense

Meteo - Pallanza 10 500 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 2014 Elevata variabilità

19 NH 4 e NO 3 nelle deposizioni Pallanza Bellinzago N S Rapporto NH 4 :NO 3 aumenta nel tempo: deposizioni di NH 4 importanti soprattutto nell area subalpina, più prossima alla Pianura Padana

8 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 Rapporto NH 4 :NO 3

20 Alcune conclusioni Le deposizioni di azoto, nonostante una recente tendenza alla diminuzione, rimangono elevate nell area alpina e subalpina N-Occidentale e contribuiscono in modo rilevante agli apporto di N alle acque in aree remote I livelli di NO 3 nelle acque superficiali (laghi e corsi d acqua) rispondono alle variazioni negli apporti atmosferici, con una tempistica che dipende dalle caratteristiche dei bacini Le deposizioni di ammonio stanno assumendo un ruolo sempre più importante in termini di contributo all acidificazione e di apporti complessivi di N agli ecosistemi I fattori meteo-climatici interagiscono con le deposizioni nell influenzare I livelli di N nelle acque e le loro variazioni temporali

atmosferici, con una tempistica che dipende dalle caratteristiche dei bacini Le deposizioni di ammonio stanno assumendo un ruolo sempre più importante in termini di contributo

21 Grazie a. Aldo Marchetto, Gabriele Tartari, Alfredo Pranzo, Paola Giacomotti, Arianna Orru, Rosario Mosello, Silvia Arisci

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