Relazione I anno di attivitá

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1 PROGETTO KYOTO RICERCA SUI CAMBIAMENTI CLIMATICI E IL CONTROLLO DEI GAS SERRA IN LOMBARDIA Linea Ciclo del carbonio e altri gas serra nel sistema agroforestale Relazione I anno di attivitá UO1. Linea 1: misure di flussi di gas serra in ecosistemi tipici lombardi: bilanci diretti, parametrizzazione e validazione di modelli. Unità Operativa Centro Comune di Ricerca, Ispra Coordinatore di linea Dr. Günther Seufert Coordinatore unità operativa Dr. Giacomo Grassi Ispra. Ottobre 25

2 LINEA CICLI DEI GAS SERRA Unità Operativa: Joint Research Centre; Institute for Environment and Sustainability - IES Climate Change Unit; Attività dell unità: Misure di flussi di gas serra in ecosistemi tipici lombardi: bilanci diretti, parametrizzazioni e validazione di modelli. Obiettivo generale: L unità ha l obiettivo di coordinare le ricerche dell intera linea e specificatamente di contribuire per i seguenti aspetti: Misure di scambio di gas serra in ecosistemi lombardi sia in continuo che con prove di breve termine Studi di fattibilità supersite e raccolta informazioni da altri siti di misura dei flussi. Attività di modellizzazione Obiettivi specifici: Stazioni di monitoraggio dei flussi di CO 2 (e altri gas dove rilevanti): Monitoraggio in continuo e a lungo termine, esperimenti a breve termine, comprensione processi, parametrizzazione, calibrazione e validazione modelli Raccolta informazioni per altre stazioni rappresentative (stazioni CarboEurope/CarboItaly) Supporto per JRC - Kyoto experiment (pioppo, risaia, bosco planiziale) Personale coinvolto: Dr. Günther Seufert: responsabile di linea. Coordinamento attività scientifica e sperimentale. Dr Giacomo Grassi: coordinamento attività scientifica dell unità. Dr Leonardo Montagnani: misure degli scambi gassosi ed elaborazione dati con la tecnica dell eddy covariance. Dr Terenzio Zenone: metodologie per la determinazione della biomassa above/belowground; determinazione della traiettoria temporale di LAI con metodi distruttivi; misure di flussi di anidride carbonica dal suolo (soil respiration). Bilancio gas serra (GHG). 2

3 Background dell UO Gli obiettivi di ricerca dell UO del Centro Comune di Ricerca di Ispra (JRC-IES, Climate Change Unit) sono espressi all interno dell Azione 2211 Data Quality System for greenhouse gas (GHG) emissions and sinks (GHG data) e possono essere riassunti come segue: fornire un sistema di qualità dei dati (Data Quality System) per le emissioni e gli assorbimenti (sink) dei gas serra come componente del Sistema di Inventario dell'unione Europea (EU Greenhouse Gas Inventory System); migliorare la qualità dei dati nel settore del sequestro di carbonio (CO 2 ) da parte delle foreste; ridurre l'incertezza dei dati o la mancanza di accordo nei seguenti settori: sequestro di CO 2 nella biosfera; emissioni di N 2 O e di CH 4 da attività agricole; rapporti e interrelazioni (tradeoffs) tra le emissioni e gli assorbimenti di gas serra legati ai cambiamenti d uso del suolo, le foreste e l agricoltura e le emissioni da installazioni individuali. In tale contesto, l attività di ricerca dell UO viene svolta nell ambito di diversi progetti, sia europei che nazionali, alcuni dei quali di notevole rilevanza in relazione agli obiettivi del Progetto Kyoto. In particolare, attraverso il progetto The JRC Kyoto Experiment in Parco Ticino, sono stati studiati gli effetti del cambiamento d uso del suolo sugli stock di carbonio e sui flussi dei gas ad effetto serra in un area localizzata all interno della foresta planiziale Bosco Siro Negri nel Parco Regionale del Ticino Lombardo. Tale area è caratterizzata da esemplari di pioppo bianco, quercia, olmo, robinia, e da una piantagione intensiva di pioppo euroamericano (Clone I 214). Gli aspetti indagati nel suddetto progetto hanno riguardato i seguenti aspetti: Confronto fra gli stock di carbonio presenti, i cambiamenti dovuti al cambio d uso del suolo, ed i flussi di anidride carbonica. Effetti delle pratiche agricolo-forestali (lavorazioni, irrigazione, fertilizzazioni etc) prima, durante e dopo le coltivazioni. Effetti sulle emissioni di altri gas ad effetto serra (NO, N 2 O, CH 4 ). Nelle due pagine seguenti sono sinteticamente presentate le metodologie impiegate ed i principali risultati ottenuti nell ambito di tale progetto. Natural forest Ticino river After logging regenerating forest Poplar plantation Rice-paddies Fig. 1. Mappa dell area oggetto di studio nell ambito del Progetto The JRC Kyoto Experiment in Parco Ticino (sinistra) e siti di misura nel bosco Negri e nel pioppeto (destra). 3

4 Metodologie impiegate: Misure dei flussi di CO 2 e acqua nel pioppeto attraverso la tecnica Eddy Covariance. Camera per le misure dei flussi di CH 4,N 2 O, e CO 2 dal suolo con frequenza bimestrale nel pioppeto e nel bosco Negri. Camera automatica per le misure di N 2 O e CH 4 con cadenza settimanale nel pioppeto e nel bosco Negri. Principali risultati: g C m Fig.2. Scambio ecosistemico netto (NEE) cumulato mensile per gli anni 22, 23, 24 nel pioppeto NEE (gc m-2) 22 NEE (gc m-2) 23 NEE (gc m-2) 24 Jan Feb Mar Apr May Giu Jul Aug Sep Oct Nov Dec Month Flux rate of Nitrous oxide [μg N2O-N m -2 h -1 ] FERTILIZER APPLICATION 15 kg/ha urea-n IN THE POPLAR PLANTATION Bosco Negri Poplar Plantation Apr.2 May.2 Jun.2 Jul.2 Aug.2 Sep.2 Oct.2 Nov.2 Dec.2 Jan.3 Feb.3 Mar.3 Apr.3 May.3 Jun.3 Jul.3 Aug.3 Sep.3 Oct.3 Nov.3 Dec.3 Jan.4 Fig.3. Flussi di N 2 O misurati presso il bosco Siro Negri (cerchi) ed il pioppeto (triangoli). 4

5 Nitrogen content (g kg -1 ) Fig 4. Confronto tra bosco Negri e pioppeto nel contenuto di Azoto e Carbonio del suolo e nella respirazione specifica.. 4 Bosco Neri Pioppeto Organic carbon content (g kg -1 ) Bosco Neri Pioppeto Specific Respiration -1-1 (gc kgc soil day ) Bosco Neri Pioppeto Conclusioni: CICLO DEL CARBONIO Il pioppeto rappresenta un sink di carbonio con valori di accumulo tra 3.7 e 5.7 tc ha -1 La variabilità dell accumulo nel corso di diversi anni e rilevante: appaiono quindi necessari studi e osservazioni su più anni. Le lavorazioni e le fertilizzazioni appaiono come i fattori che maggiormente influenzano il bilancio dei gas serra. La respirazione specifica mostra come il carbonio contenuto nel suolo forestale sia 5 volte più stabile rispetto a quello della piantagione di pioppo. EFFETTI DEL CAMBIO D USO DEL SUOLO La trasformazione delle foreste planiziali causa una considerevole perdita del carbonio contenuto nel suolo. Comparando i valori del bosco Siro Negri con la piantagione di pioppo, nei primi 15 cm di suolo, si hanno valori 5 volte superiori. La conservazione delle formazioni forestali originarie appare quindi di prioritaria importanza per la mitigazione dei cambiamenti climatici e la conservazione della biodiversità. 5

6 ACTIVITY REPORT ( I ANNO) Premessa Con l entrata in vigore del Protocollo di Kyoto, nel febbraio 25, l Italia si è assunta l obbligo di ridurre le proprie emissioni di gas serra del 6.5 % entro il 212 rispetto ai livelli di emissione del 199. Tra le molteplici strategie per il raggiungimento di questo obiettivo, lo sviluppo di fonti energetiche rinnovabili appare svolgere un ruolo di primaria importanza. Fra esse, le biomasse di origine agricola e forestale rappresentano, per il nostro Paese, una risorsa diffusa sul territorio. Accanto alle tradizionali fonti di approvvigionamento, prevalentemente scarti delle produzioni agricole e forestali, nel corso degli ultimi anni si sono diffuse colture dedicate alla produzione di biomassa destinata, in larga parte, alla trasformazione energetica. I fattori che hanno portato alla nascita e progressivo sviluppo di questa filiera possono essere riassunti in alcuni punti principali: ricerca da parte degli imprenditori agricoli di nuove soluzioni colturali, presenza di finanziamenti pubblici (previsti dai Piani di Sviluppo Rurale Regionale) per la realizzazione e manutenzione di questi impianti, la realizzazioni di centrali di trasformazione energetica in grado di acquistare il prodotto, crescente presenza sul mercato di soggetti privati in grado di fornire l assistenza tecnica e commerciale. Tutto questo ha acceso l interesse, negli ultimi anni in Lombardia, per i cosiddetti impianti Short Rotation Forestry (SRF), cioè caratterizzati da turni molto brevi (1-3 anni) e prevalentemente destinati alla trasformazione energetica. Sebbene la superficie a SRF in Lombardia sia ancora relativamente modesta (circa 2 ha), l importanza di questo tipo di piantagione sta rapidamente crescendo. Per tale motivo, e nell ambito degli obiettivi della presente UO, si è ritenuto opportuno effettuare uno specifico approfondimento sulla capacità di accumulo di carbonio da parte di un impianto di SRF. Tale approfondimento, fornendo indicazioni aggiuntive e complementari rispetto a quelle già ottenute dal Centro Comune di Ricerca attraverso il progetto The JRC Kyoto Experiment in Parco Ticino (vedasi pagine precedenti), permetterà tra l altro di giungere ad utili informazioni sul potenziale contributo della filiera bioenergetica al raggiungimento degli obiettivi del Protocollo di Kyoto. Nel terzo anno di progetto, le indicazioni emerse e la metodologia utilizzata in tale approfondimento verranno utilizzate per spazializzare a scala regionale il bilancio di gas serra per le principali colture agro-forestali, arrivando a fornire informazioni utili in relazione alle esigenze di rendicontazione previste dal Protocollo di Kyoto. Fasi di lavoro Nel mese di maggio 24 sono stati compiuti diversi sopralluoghi in campo al fine di individuare il sito di studio più adatto. Dopo aver valutato diverse opportunità, è stata scelta una piantagione di pioppo ibrido a Short Rotation Forestry (SRF), con turno di 1 anno, in provincia di Pavia. A partire dal 27 maggio 24, con l esecuzione dei primi rilievi su parametri biometrici (in collaborazione con l unità operativa DISAT Unimib), è partita la prima fase dello studio, volta a stimare la Produzione Ecosistemica Netta (NEP) attraverso diverse tecniche (misure biometriche ed eddy covariance ). Nell ambito di tale fase, a luglio 24 sono iniziate le misure di eddy covariance, dei parametri meteorologici accessori e dei flussi respirativi dal suolo. Al termine del primo anno di coltivazione (24) è stata avviata la seconda fase, volta a quantificare il bilancio complessivo dei gas ad effetto serra (GHG) dell impianto SRF. A tal fine sono stati considerati, oltre alla NEP misurata nella prima fase, anche le emissioni di gas serra derivanti dalle operazioni d impianto e dalle cure colturali (costi energetici diretti) e dalla costruzione/manutenzione dei macchinari impiegati (costi energetici indiretti). Di seguito sono illustrati i metodi ed i principali risultati finora emersi nell ambito di queste prime due fasi, mentre nel Programma di attività per il 26 (III anno) (p. 17) verranno delineati gli obiettivi e le metodologie della terza fase. 6

7 FASE 1: STIMA DELLA PRODUZIONE ECOSISTEMICA NETTA (NEP) ATTRAVERSO DIVERSE TECNICHE Metodologia Nella fase di individuazione dell area di studio, si è cercato un sito con parametri di ampiezza ed omogeneità tali da garantire un elevata qualità dei dati raccolti con la tecnica dell eddy covariance (vedasi dopo), e al tempo stesso che potesse essere distinguibile nelle immagini da satellite. La piantagione individuata, realizzata con pioppo ibrido (Populus generosa x P. nigra, clone Pegaso), è situata nel Comune di Vigevano (PV) in località La Sforzesca, è stata realizzata nella prima decade di marzo 24 e si estende su una superficie complessiva di 66 ha. La stima del bilancio del carbonio di tale piantagione é stata condotta con due diverse metodiche: la tecnica biometrica, con la quale si può stimare la Produzione Primaria Netta (NPP), e la correlazione di turbolenza (eddy covariance) tramite la quale si può stimare la Produzione Ecosistemica Netta (NEP). Inoltre, per poter confrontare le due diverse metodiche, sono state condotte misure di respirazione del suolo e, all interno di questa, sono state distinte le componenti di respirazione eterotrofa ed autotrofa. Infatti, la NPP è pari alla somma tra NEP e respirazione eterotrofa (NPP=NEP+Rhet). Stima della Produzione Primaria Netta (NPP) con metodi biometrici. Per le misure di biomassa epigea sono state delimitate due parcelle sperimentali di 4 x 4m. In ognuna di esse sono state delimitate 3 sub-parcelle distanti ognuna 16.5 m, di superficie pari a 1m 2. A partire da giugno 24, con scadenza mensile, in ognuna di esse sono stati rilevati il numero dei polloni con altezza superiore a 15 centimetri ed il diametro a 13 centimetri dal suolo. Delle trenta piante campionate, sono state scelte sei ceppaie sulle quali è stato rilevato: diametro ortogonale a 13 centimetri dal suolo, peso fresco di fusto e foglie, peso secco corrispondente attraverso essiccamento in forno ventilato a 15 C sino al raggiungimento del peso costante. I dati raccolti hanno permesso di calcolare i coefficienti dell equazione esponenziale che lega il peso totale secco (PS) con il diametro (D) rilevato a 13 cm dal suolo, nella forma: PS = ad b. Considerando il numero delle piante presenti e applicando l equazione descritta è stata calcolata la biomassa epigea presente. La biomassa radicale è stata calcolata attraverso il prelievo di campioni di suolo a volume noto, secondo uno schema sperimentale a transect rappresentativi della variabilità spaziale, sino ad una profondità di 18 cm. Il contenuto di carbonio è stato calcolato applicando un fattore di conversione dalla biomassa anidra pari a.5. I valori espressi sono stati tutti riportati in g C m -2. Stima della Produzione Ecosistemica Netta (NEP) attraverso la tecnica dell eddy covariance. Per le misure di correlazione di turbolenza (eddy covariance) sono stati utilizzati un anemometro sonico del tipo Gill R3 HS ed un analizzatore a cammino aperto Licor 75, secondo la metodologia descritta da Aubinet et al. (2). I dati meteorologici acquisiti comprendono la misura della radiazione netta e delle sue componenti tramite un radiometro Kipp & Zonen CNR1, la misura della temperatura nell aria e nel suolo a diverse profondità, la misura delle precipitazioni e dell umidità del suolo. Misure dei flussi di flussi di CO 2 dal suolo In prossimità del sito per le misure di eddy covariance sono stati posti 1 collari per la misura di respirazione del suolo. Tali collari sono stati distribuiti in modo che fosse campionato in maniera analoga il suolo posto in vicinanza delle bine lungo le quali sono stati piantati i pioppi ed il suolo posto nell interfila. Le misure sono state condotte ad intervalli di 2 giorni a partire dal mese di Luglio 24. Per giungere ad una piena confrontabilità tra le misure basate sull eddy covariance e quelle basate sull approccio biometrico, è stato necessario stimare la respirazione eterotrofa. In 7

8 questo studio, in base a riferimenti bibliografici (Janssens et al., 21), è stato imposto che la respirazione eterotrofa rappresenti il 4% di quella totale del suolo. Inoltre, nel corso della primavera 25, è stato realizzato un trench al fine di isolare una porzione di suolo dalla crescita degli apparati radicali; i flussi respiratori misurati all interno saranno imputabili alla sola componete eterotrofa e consentiranno quindi di avere un dato sperimentale relativo al sito studiato. Risultati ottenuti Andamento della Produzione Primaria Netta (NPP) misurata con metodi biometrici In fig. 5 è mostrato l andamento temporale del contenuto di carbonio ripartito in fusti, foglie, apparati radicali e la sommatoria di queste componenti che rappresenta la produzione primaria netta dell ecosistema (NPP) ottenuta con metodi biometrici. Al termine del primo anno d impianto, nel corso del mese di dicembre, è stata eseguita la ceduazione dell impianto per la raccolta della biomassa destinata ad uso energetico e all industria dei pannellifici. La NPP misurata a maggio 25 è stata pari a 616 g C m -2. Particolarmente rilevante è stato il contributo degli apparati radicali: i rilievi eseguiti hanno permesso di evidenziare come nel corso della prima stagione vegetativa le radici abbiano raggiunto una profondità di 18 cm (fig. 6). Il carbonio totale accumulato nella componente ipogea, a dicembre 24, è stato pari a 184 g C m -2, distribuito in prevalenza negli strati più superficiali. Andamento della Produzione Ecosistemica Netta (NEP) misurata con l eddy covariance Nelle fig. 7 e 8 sono mostrati i risultati ottenuti con la tecnica dell eddy covariance dal luglio 24 fino a maggio 25. Lo sviluppo dell area fogliare e le variazioni nel contenuto d acqua nel suolo hanno determinato una forte variabilità su base mensile dei flussi di calore sensibile e latente, nonché di CO 2, nell ecosistema considerato. Durante il mese di luglio 24, a causa della relativa aridità si è avuto un rapporto di Bowen (β=le/h) prossimo a 2, e valori medi giornalieri di scambio netto di carbonio prossimi a 1 µ mol m -2 s -1 (fig. 8). Nel mese di agosto si è avuto il massimo valore stagionale di assimilazione di CO 2. Con il procedere della stagione vegetativa, in ragione della minor energia incidente, i valori di scambio ecosistemico netto sono stati progressivamente inferiori in termini assoluti, mantenendo valori di accumulo di carbonio in linea con la produzione di biomassa misurata con metodi biometrici. Contemporaneamente è progressivamente aumentato il valore del rapporto di Bowen. Mentre β si è dimostrato essere in stretta relazione con il contenuto idrico nel suolo, lo scambio ecosistemico netto di carbonio è stato influenzato in misura minore da questo fattore. Dopo la raccolta meccanica della biomassa, avvenuta nei primi giorni di Dicembre 24, si è avuto un bilancio del carbonio moderatamente negativo fino all Aprile 25. Nel corso dell inverno 25, e fino al 31 Maggio, si è avuta una perdita di 49 grammi di carbonio per metro quadrato da parte dell ecosistema. Il valore di NEP cumulato nel periodo 13 luglio-31 maggio 25 é stato di 257 g C m -2 (fig. 7). Respirazione del suolo I flussi di CO 2 dal suolo sono risultati fortemente correlati con la temperatura (fig. 9), mentre l umidità del suolo è parsa esercitare un effetto meno rilevante. Applicando regressioni non lineari è stato possibile stimare l andamento annuo delle emissioni di CO 2 dal suolo. Le equazioni applicate per calcolare la respirazione del suolo (SR) sono state quella derivante dall equazione di Arrhenius, proposta da Lloyd e Taylor (1994) che può essere espressa come SR=R=a*exp(b*(1/( T)- 1/(t-T))) e quella logistica, del tipo SR= B/(1+k*e^(-l*B*Tsoil). Quest ultima ha dimostrato di seguire meglio l andamento del flusso respiratorio dal suolo per buona parte dell intervallo termico studiato (fig. 9). Si è proceduto quindi ad una tecnica di interpolazione mista, mediante una combinazione delle due equazioni prescelte, imponendo una soglia termica di applicazione a ciascuna delle due equazioni. 8

9 Confronto dell andamento temporale della Produzione Ecosistemica Netta con le due tecniche utilizzate La contemporanea esecuzione delle misure biometriche, dei flussi di anidride carbonica dal suolo, e dei rilievi con la tecnica dell eddy covariance hanno permesso di confrontare gli andamenti della produzione ecosistemica netta ottenuta con diverse tecniche. In fig. 1 vengono mostrati gli andamenti di NEP calcolati con la tecnica dell eddy covariance e per via biometria. In quest ultimo caso, il NEP è stato calcolando assumendo che la respirazione eterotrofa sia una componente costante della respirazione totale del suolo pari al 4% (Janssens et al., 21). L incertezza nella quantificazione della componente eterotrofa della respirazione del suolo, nel corso della stagione vegetativa, rappresenta il punto cruciale per il confronto fra le misure eseguite. 9

10 7 NPP + biomassa raccolta (g C m-2) Biomassa fogliare (g C m-2) 6 Biomassa dei fusti in piedi Stem (g C m-2) Biomassa radicale (g C m-2) 5 NPP cumulata (g C m -2 ) lug-4 ago-4 ago-4 set-4 ott-4 nov-4 dic-4 gen-5 feb-5 mar-5 apr-5 mag-5 Fig. 5. Andamento temporale della Produzione Primaria Netta (NPP) dell impianto SRF ottenuta con metodi biometrici Pofondita` cm Luglio 24 Dicembre g C m -2 Fig. 6. Distribuzione verticale del contenuto di carbonio negli apparati radicali. 1

11 g C m lug-4 ago-4 set-4 ott-4 nov-4 dic-4 gen-5 feb-5 mar-5 apr-5 mag-5 Fig. 7. Andamento temporale della Produzione Ecosistemica Netta (g C m -2 ) misurata con la tecnica dell eddy covariance LE, H fluxes (W m -2 ) Fc (CO2 flux, µmol m -2 s -1 ) H LE Fc Lug 4 Ago 4 Set 4 Ott 4 Nov 4 Dic 4 Gen 5 Feb 5 Mar 5 Apr 5 Mag 5-5 Fig. 8. Visione d insieme degli andamenti mensili, mediati su base giornaliera, dei flussi di calore latente (LE, istogrammi blu) calore sensibile (H, istogrammi rossi) e di CO 2 (Fc, linea nera, asse delle ordinate secondario). Seguendo la convenzione micrometeorologica, i valori negativi indicano ingresso nell ecosistema, i valori positivi emissione. 11

12 3 Relation between soil temperature and CO 2 flux from the soil. Logistic regression model (blue) and Loyd & Taylor regression model (red) CO2 soil efflux (µmol m -2 s -1 ) 2,5 2 1,5 1, Soil temperature 5 cm deep ( C) Logistic regession: expl. var. =.78, R 2 =.88 Lloyd & Taylor regression: expl. var. =.73, R 2 =.86 Fig. 9. Relazione tra la temperatura del suolo misurata a 5 cm di profondità ( C) ed il flusso di CO 2 dal suolo (μmol m -2 s -1 ). 6 Produzione primaria netta NPP Produzione Ecosistemica Netta NEP (Eddy) Produzione Ecosistemica Netta NEP (Biometrica) 2 g C m lug-4 ago-4 set-4 ott-4 nov-4 dic-4 Respirazione eterotrofa -2-3 Respirazione totale del suolo -4 Fig. 1. Andamento temporale della produzione ecosistemica netta (NEP) misurata con tecniche biometriche e dello scambio ecosistemico netto (NEE) misurato con la tecnica dell eddy covariance. 12

13 FASE 2: BILANCIO COMPLESSIVO DEI GAS AD EFFETTO SERRA Al termine del primo anno di coltivazione è stato avviato uno studio volto a quantificare il bilancio complessivo dei gas ad effetto serra (GHG) dell impianto SRF. A tal fine, sono stati considerati da un lato gli assorbimenti di CO 2 da parte delle piante e dall altro le emissioni di CO 2 CH 4 (metano) e N 2 O (protossido d azoto) derivati dalla combustione dei carburanti utilizzati durante le operazioni d impianto e cure colturali (costi energetici diretti) e le emissioni derivanti dalla costruzione e manutenzione delle macchine operatrici impiegate (costi energetici indiretti). Il bilancio è stato riferito esclusivamente alla fase di campo: sono state cioè finora escluse le emissioni derivanti dal trasporto e trasformazione della biomassa. Questa seconda fase si concluderà nel terzo anno del progetto giungendo, con l analisi del bilancio di gas serra post-raccolta, ad un completo life-cycle analysis per gli impianti di Short Rotation Forestry. Assorbimento di CO 2 I rilievi biometrici, eseguiti nell arco dell intera stagione vegetativa, e le misure di flussi di CO 2 dal suolo hanno permesso di calcolare la Produzione Ecosistemica Netta (NEP, fig. 11) risultata pari a 417 g C m NPP NEP Produzione Ecosistemica Netta NEP 4 g C m Fig. 11. Produzione Primaria Netta (NPP, sinistra) e Produzione Ecosistemica Netta (NEP, destra) rilevate al termine del primo anno d impianto. Il contenuto in g c m -2 è stato convertito in t ha -1. La conversione in t CO 2 è stata ottenuta moltiplicando il contenuto di carbonio per il rapporto fra il peso molecolare della CO 2 (44) e quello del carbonio (12). L applicazione di questa metodologia ha permesso di quantificare in 15.2 ton ha -1 la CO 2 sequestrata dall impianto. Emissioni di CO 2 CH 4 e N 2 O derivanti dalle operazioni colturali. Al fine di quantificare le emissioni dirette e indirette di GHG è stato condotto uno studio analitico dei tempi di esecuzione, e relativi consumi di combustibile, delle operazioni colturali eseguite nel corso del primo anno (tab. 1). 13

14 Sulla base dei dati acquisiti sono state calcolate le emissioni dirette di GHG utilizzando la metodologia prevista dall IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change: Revised 1996 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories). Per il calcolo dei costi indiretti si è fatto riferimento all energia di costruzione (energia necessaria per la fabbricazione delle attrezzature impiegate durante il processo produttivo) e alle spese energetiche relative alla manutenzione e riparazione delle macchine secondo la metodologia proposta da Bona e Mosca (in fase di pubblicazione su Energia e ambiente ). Sono state inoltre considerate le emissioni derivanti dalla produzione dei fitofarmaci utilizzati per il controllo dei patogeni. Non sono state prese in considerazione le emissioni per la produzione di fertilizzanti in quanto non utilizzati nella tecnica colturale adottata. Tutte le emissioni calcolate sono state trasformate in tonnellate di CO 2 equivalente considerando un potere, come gas serra, per CH 4 e N 2 O rispettivamente di 21 e 31 volte superiore alla CO 2. Gennaio Aratura Erpicatura messa a dimora talee Diserbo chimico di pre - emergenza Controllo meccanico delle infestanti Trattamenti fitosanitari Irrigazione Raccolta Febbraio Marzo Aprile Maggio Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre Novembre Dicembre 6 Tab. 1. Operazioni colturali considerate e relativi consumi (in litri di gasolio). In fig. 12 sono mostrate le emissioni dirette, indirette, e totali per le diverse operazioni colturali. Risulta evidente che raccolta e controllo meccanico delle infestanti rappresentano le voci di maggior spesa. La sommatoria dei valori è di 1.3 tonnellate di CO 2 equivalente emessa. Confrontando tale valore con gli assorbimenti (15.2 tonnellate, fig. 13) risulta evidente come il bilancio sia ampiamente favorevole alla coltivazione. Tuttavia, devono essere evidenziati alcuni aspetti: Il sequestro di carbonio misurato è legato alla buona performance produttiva dall impianto esaminato, a sua volta influenzato dalle buona fertilità del suolo. La destinazione di suoli marginali, o dotati di scarsa fertilità, ad impianti SRF influenzerebbe in maniera negativa la produzione e di conseguenza il sequestro di carbonio. L irrigazione non ha contribuito all emissione di gas serra in quanto eseguita per scorrimento superficiale (tecnica che non prevede l utilizzo di pompe alimentate a combustibile). Non sono state eseguite fertilizzazioni, le quali avrebbero determinato dei considerevoli costi indiretti legati al processo di produzione industriale. 14

15 taglio irrigazione Totale Indirette Dirette trattamenti fito-sanitari diserbo chimico diserbo meccanico messa a dimora talee fertil. fondo & copertura erpicatura semplice aratura Tonnellate CO 2 equivalente Fig. 12. Tonnellate di CO 2 equivalente emessi durante le operazioni colturali e i trattamenti fitosanitari nel corso del primo anno. Tonnelate CO 2 equivalente Fig. 13. Tonnellate di CO 2 sequestrati (valori negativi) ed emessi (valori positivi) nel corso del primo anno di impianto di SRF. 15

16 Obiettivi raggiunti I rilievi eseguiti nella prima fase hanno permesso di quantificare, tramite due diverse tecniche, l accumulo di carbonio e il relativo sequestro netto di CO 2 nel primo anno d impianto di una piantagione di pioppo a ciclo breve (SRF). La tecnica dell eddy covariance ha inoltre permesso di studiare l andamento temporale dell accumulo di carbonio e l influenza dei fattori agronomico - ambientali su di esso. Nella seconda fase, tramite l analisi delle emissioni dirette ed indirette, si è giunti ad un bilancio complessivo pre-raccolta dei gas ad effetto serra dell impianto SRF. Prodotti forniti I parametri biometrici ed ecosistemici rilevati consentono la parametrizzazione del modello BIOME BGC, in grado di simulare il ciclo biogeochimico del carbonio a scala ecosistemica. I dati di eddy covariance ed i relativi dati meteorologici saranno introdotti nel database del network europeo CARBOEUROPE- IP. Criticità emerse Dal punto di vista tecnico le metodologie applicate al nostro gruppo di lavoro non hanno presentato particolari difficoltà in quanto trattasi di tecniche collaudate. La stima della Produttività Ecosistemica Netta a partire dalla Produttività Primaria Netta è fortemente influenzata dal dato di respirazione eterotrofa, difficilmente misurabile sperimentalmente. Commenti / suggerimenti L unita operativa IES- JRC si ritiene soddisfatta della collaborazione instaurata con le altre UO della linea «ciclo del carbonio ed altri gas ad effetto serra». È stata particolarmente proficua la collaborazione con l Unita Unimib Disat. In collaborazione con questa UO sono stati condotti studi inerenti le traiettorie temporali dell indice di area fogliare (LAI), della frazione di radiazione fotosinteticamente attiva assorbita (fapar), del contenuto idrico e del contenuto di clorofilla fogliari. 16

17 PREVISIONE ATTIVITÀ ANNO 26 Obiettivi - Completamento della seconda fase di lavoro, per giungere ad un life-cycle analysis complessivo dei gas serra per gli impianti di Short Rotation Forestry. - Realizzazione della terza fase del lavoro: spazializzazione a scala regionale del bilancio complessivo di gas serra per le principali colture agro-forestali (riso, mais, pioppeti). A tal fine per le colture esaminate verrà utilizzato, in modo semplificato, l approccio seguito per stimare al bilancio complessivo di gas serra degli impianti SRF. Nell ambito di questa fase verranno anche fornite indicazioni sugli effetti dei cambiamenti d uso del suolo sul bilancio complessivo di gas serra per le principali colture agro-forestali in Lombardia, in relazione alle esigenze di rendicontazione nell ambito del Protocollo di Kyoto. Attività previste - Completamento della seconda fase del progetto al fine di giungere ad una life-cycle analysis per gli impianti di Short Rotation Forestry e per i pioppeti, in riferimento alle filiere di trasformazione industriale del legno e bioenergetica. A tal fine, i bilanci di gas serra a livello di ecosistema e di gestione colturale condotti per le suddette colture saranno integrati dall analisi del bilancio di gas serra post-raccolta. Nel caso della filiera trasformazione industriale del legno, verrà valutata la dinamica temporale di immobilizzazione di carbonio nel legno trasformato. In riferimento alla filiera bioenergetica, verrà valutato il potenziale complessivo di sostituzione di energia fossile con quella proveniente da biomasse dedicate. - Stima del bilancio complessivo dei gas serra per le colture di mais e riso, con particolare riferimento all effetto delle tecniche colturali. Tale stima verrà effettuata integrando dati raccolti nell ambito di altri progetti (ad es., The JRC Kyoto Experiment in Parco Ticino, Nitroeurope ) con le informazioni provenienti dalla letteratura disponibile in materia. - Realizzazione di una mappa a scala regionale del bilancio complessivo di gas serra, in termini di tonnellate di CO 2 equivalente, per le colture agro-forestali esaminate. Questa mappa sarà ottenuta anche grazie alle informazioni derivanti dal progetto CAPRI DynaSpat, che tramite disaggregazione e spazializzazione di dati statistici a livello europeo fornisce mappe 1x1 km contenenti informazioni sulle diverse tipologie colturali e sulle relative pratiche gestionali. In tale progetto, la Regione Lombardia e stata scelta come studio pilota per la validazione a livello regionale (vedi figura 12), sono perció disponibili delle mappe dettagliate collegabili alla scala Europea per le colture principali. - Realizzazione di una matrice di sostituzione per ciascuna delle colture agro-forestali esaminate. Sulla base dei risultati emersi, tale matrice potrà fornire indicazioni sugli effetti, in termini di bilancio complessivo di gas serra, di eventuali politiche miranti a modificare le superfici o le tecniche colturali relative a specifiche colture. - Analisi delle informazioni raccolte in relazione alle esigenze di rendicontazione previste dal Protocollo di Kyoto. A tal fine, verrà predisposta una bozza di matrice di calcolo per ognuna delle attività previste dal Protocollo di Kyoto, sia obbligatorie (art. 3.3: afforestazione/reforestazione e deforestazione) che volontarie (art. 3.4: gestione delle terre agricole, dei pascoli, gestione forestale e rivegetazione). Tale matrice sarà ottenuta integrando diverse fonti di informazioni, tra le quali: o dati raccolti dalla presente UO nelle prime due fasi di questo progetto; o dati e informazioni contenute nel database AFOLU DATA realizzato dall Unità Climate Change del Centro Comune di Ricerca di Ispra; questo database, raccogliendo dati dagli inventari forestali europei ed informazioni provenienti dalla 17

18 letteratura scientifica, permette di stimare il carbonio contenuto nei diversi compartimenti delle principali tipologie forestali. o dati di letteratura (serie statistiche, letteratura scientifica). Infine, nella matrice saranno evidenziate le lacune conoscitive e verranno suggeriti le possibili strategie di stima e raccolta dei dati mancanti. Figura 12: mappa della distribuzione di Mais in Lombardia dal progetto CAPRI Risultati attesi 1. Mappatura a scala regionale delle informazioni sul bilancio complessivo dei gas serra per le principali colture agro-forestali in Lombardia (riso, mais, pioppeti, impianti SRF). 2. Matrice di sostituzione per ognuna delle colture agro-forestali esaminate, con evidenziati i probabili effetti sul bilancio complessivo di gas serra. 3. Bozza di matrice di calcolo per ognuna delle attività previste dal Protocollo di Kyoto (art. 3.3 e 3.4), con evidenziate le lacune conoscitive e le possibili strategie di stima e raccolta dei dati mancanti. 18

19 BIBLIOGRAFIA Aubinet M. et al. (2) Estimates of the annual net carbon and water exchange of European forest: the EUROFLUX methodology. Advances in Ecological Research, 3: Facciotto G. Zenone T. Failla O. (23) Non-destructive methodology for the determination of the biomass in short rotation poplar coppices Research comunication. ISAFA, Trento. Janssens I. A, Dore S, Epron D, Lankreijer H, Buchmann N, Longdoz B, Brossaud J, Montagnani L (22) Climatic influences on seasonal and spatial differences in soil CO2 efflux. In: Canopy fluxes of energy, water and carbon dioxide of European forests. Valentini R. [edit.], Berlin, Springer, 23, p Ecological Studies. p Janssens I.A., Dore S., Epron D., Lankreijer H., Buchmann N., Longdoz B., Brossaud J., Montagnani L. (23).Climatic influences on seasonal and spatial differences in soil CO2 efflux. - In: Canopy fluxes of energy, water and carbon dioxide of European forests. Valentini R. [edit.], Berlin, Springer, p Scarascia Mugnozza G., Matteucci G., Hajny M., Montagnani L., Masci A. (21) Gestione forestale sostenibile e carbonio organico nei suoli in ambiente mediterraneo: inquadramento del problema e aspetti metodologici per una ricerca nel territorio del Parco Nazionale della Calabria. Italia Forestale e Montana, 5, Seufert G. (23) Carboeuroflux: 36-months report of IES- JRC. Valentini R., Matteucci G., Dolman A.J., Schulze E.-D., Rebmann C., Moors E.J., Granier A., Gross P., Jensen N.O., Pilegaard K., Lindroth A., Grelle A., Bernhofer Ch., Grünwald T., Aubinet M., Ceulemans R., Kowalski A.S., Vesala T., Rannik Ü., Berbigier P., Loustau D., Guðmundsson J., Thorgeirsson H., Ibrom A., Morgenstern K., Clement R., Moncrieff J., Montagnani L., Minerbi S., Jarvis P. G. (2). Respiration as the main determinant of carbon balance in European forests. Nature. 44, Verwijst T. Telenius B.. (1997) Biomass estimation procedures in Short Rotation forestry. Forest ecology and Management. 121, Zenone T. Facciotto G. Sperandio G. (24) Short rotation poplar coppices: an evaluation of the colture in Lombardy Region 2 nd world conference and technology exhibition on biomass for energy, industry and climate protection. Rome, Italy. 19