Peculiarità del Mediterraneo: il cambiamento climatico e l inquinamento da ozono, una problematica comune

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1 FO3REST - Valutazione degli impatti dell ozono e dei cambiamenti climatici sulle foreste franco-italiane: definizione di criteri e soglie di protezione N del progetto Website Contatto Durata Bilancio totale Contributo CE LIFE10 ENV/FR/ Dr Pierre SICARD pierre.sicard@acri-st.fr 01/09/ /12/ euro euro Questo lavoro è reso possibile grazie al contributo finanziario del programma LIFE dell'unione Europea, ma anche alla buona cooperazione e all armonia fra i partner di progetto. Peculiarità del Mediterraneo: il cambiamento climatico e l inquinamento da ozono, una problematica comune Il bacino del Mediterraneo sarà una delle aree del mondo maggiormente colpite dal cambiamento climatico. La temperatura media annuale potrebbe aumentare di almeno 3 C entro il In stratosfera, l'ozono (O 3 ) gioca un ruolo di schermo naturale e benefico rispetto agli effetti dannosi dei raggi ultravioletti (UV) sulla materia organica (= O 3 buono). Nella troposfera, l O 3 è un inquinante che si produce durante la foto-ossidazione atmosferica dei suoi precursori: composti organici volatili (COV) e ossidi di azoto (NOx) emessi principalmente da attività antropiche (= O 3 cattivo). Figura 1: Schema semplice per la formazione di "O 3 cattivo" L'ozono è il terzo più importante gas a effetto serra, e come tale è contribuisce significativamente al cambiamento climatico. Su scala globale, i livelli di ozono di fondo potrebbero triplicarsi entro il Le più alte concentrazioni di O 3 sono osservate in tutto il bacino del Mediterraneo in cui le emissioni dei suoi precursori, la temperatura e la radiazione solare sono generalmente elevati, in particolare durante il periodo estivo. In futuro, il bacino del Mediterraneo sarà fortemente influenzato dall aumento dell ozono. Le foreste hanno funzioni significative sia dal punto di vista economico sia ricreativo, per la tutela dell'ambiente e per la conservazione della natura. Attualmente, l'ozono è l'inquinante atmosferico più preoccupante per le foreste. Le foreste mediterranee saranno particolarmente vulnerabili agli impatti negativi in un contesto di riscaldamento globale. Progetto significativamente collegato alla biodiversità Le foreste sono una delle principali sedi di biodiversità dell'unione europea e contribuiscono a regolare il clima assorbendo CO 2 dall'aria ed attraverso l attività di stoccaggio del carbonio. I cambiamenti climatici e l'inquinamento dell'aria interagiscono nell'influenzare la biodiversità forestale in seguito a cambiamenti nella crescita degli alberi, nella composizione e distribuzione delle specie, suscettibilità delle piante, pericolo di incendio.... Contesto Per proteggere la vegetazione, gli attuali standard europei utilizzano l'indice AOT40, che si basa sulle concentrazioni di O 3 nell'aria eccedenti i 40 ppb, nelle ore di luce della stagione vegetativa (aprile a settembre). Alcuni scienziati hanno dimostrato che l'indicatore di rischio attuale AOT40 è inadeguato, in particolare per le aree mediterranee. L'ozono penetra nelle foglie attraverso gli stomi 1 (flusso stomatico) e si degrada istantaneamente al contatto con le cellule, innescando reazioni a catena che possono condurle a morte. Gli effetti dell'ozono sulla vegetazione non dipendono solo dalle concentrazioni atmosferiche, ma dipendono anche dall assorbimento di O 3 attraverso gli stomi delle foglie o degli aghi. 1 Aperture specializzate nella superficie delle foglie e permettono alla pianta gli scambi di gas a vapor d acqua con l'atmosfera.

2 Verso una nuova normativa europea per proteggere la vegetazione I livelli critici sono definiti come il "flusso stomatico cumulato di inquinanti al di sopra sopra del quale possono verificarsi effetti negativi sulla vegetazione sensibile in base alle attuali conoscenze". L'approccio basato sul flusso stomatico stima il valore di O 3 che viene assorbita nelle foglie o negli aghi attraverso gli stomi, tenendo conto degli effetti di molteplici fattori climatici, caratteristiche della vegetazione e inputs locali e fenologici. La Dose di Ozono Fitotossica, superiore alla soglia Y di assorbimento (PODY) è il flusso stomatico cumulato di O 3 nel corso della stagione di crescita e può essere modellato con la Deposizione di Ozono ed il modello di Scambio stomatico, detto DO3SE. Attualmente,il PODy è in discussione come nuovo standard legislativo europeo. Tuttavia, non c'è consenso scientifico riguardo la finestra temporale per l'accumulo di POD e manca ancora una validazione della soglia Y in condizioni di campo. Gli studi epidemiologici, dove le risposte biologiche su larga scala sono confrontate con i dati raccolti sul campo, possono fornire informazioni utili per stabilire i migliori standard e le soglie per la protezione delle foreste dall O 3 e per derivare nuovi livelli critici basati sul flusso stomatico (CLef) per la protezione delle foreste. Perché è importante per sviluppare standard sulla base della dose di ozono assorbita dalle piante? Ad oggi, la maggior parte degli esperimenti per stabilire standard sono stati eseguiti in condizioni controllate (in laboratorio) che non sono rappresentative delle condizioni di campo effettivo. Pertanto, per proteggere le foreste contro l'inquinamento da O 3, sono necessarie norme appropriate e soglie realistiche, rappresentative delle condizioni di campo effettivo. La derivazione di nuovi livelli critici (CLef) per specie arboree sud-europee rappresenta un notevole progresso nello sviluppo di metodi per quantificare gli effetti dell O 3 sulla vegetazione a scala regionale. I risultati serviranno come strumento di supporto decisionale per le autorità nazionali ed europee. Gli obiettivi erano (i) valutare le prestazioni di indici di rischio da O 3, cioè PODy e AOT40, da una indagine in campo su larga scala in Europa meridionale, (ii) definire quale soglia Y è più biologicamente significativa; (iii) determinare la migliore finestra temporale di accumulo del PODY; (iv) suggerire nuovi livelli critici di O 3 basati su dati epidemiologici per la protezione delle foreste e (v) classificare specie forestali sulla base della loro sensibilità all O 3 ambientale in alberi maturi. Collaboratori Collaboratori del progetto : ACRI-ST, GIEFS (Raggruppamento di studi internazionali delle foreste sud-europee), IPP-CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche - Istituto per la Protezione delle Piante) e ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l'energia e lo sviluppo economico sostenibile). Il supporto tecnico del progetto è fornito dal Parco Nazionale del Mercantour, Gran Sito Sainte-Victoire, ONF (Office National des Forêts), IPLA (Istituto per le Piante da Legno e l Ambiente), CRA (Consiglio per la Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura), CFS (Corpo Forestale dello Stato) e dal JRC (Joint Research Centre). Attività sperimentali Le attività sperimentali sono state effettuate, in 2012 e 2013, in 30 siti forestali nel sud-est della Francia e 24 siti in Piemonte, in Italia, dove i livelli di O 3 superficiali sono molto elevati. 1. In questo progetto, i flussi stomatici di O 3 sono state modellati (DO3SE) e correlati (test di Spearman) a specifici indicatori del mondo reale di risposta forestale, cioè danni fogliare visibili da O Sono stati confrontati tre indici di danno da O 3, cioè AOT40 e flusso stomatico cumulato con e senza una soglia oraria (POD1 e POD0, rispettivamente). 3. Dalle relazioni statisticamente significative flussoeffetto, sono state proposte nuovi livelli critici specie-specifici (CLef) per la protezione delle foreste. Obiettivi del progetto L'obiettivo principale è stato quello di valutare l'attuale standard normativo europeo AOT40 e di suggerire nuovi standard e livelli critici appropriate per la tutela delle foreste del Mediterraneo, in base alla quantità di ozono assorbita dalle piante, rispetto all'esposizione esterna implicita nell'indice AOT40. Figura 2: Area di studio. I punti neri rappresentano i siti forestali studiati

3 Il flusso stomatico di ozono modellato Per ogni specie di alberi, utilizzando il modello DO3SE, il flusso di O 3 stomatico cumulato (Fst) è stato calcolato nel corso di un intervallo di tempo specificato ed espresso come PODY cioè Dose di Ozono Fitotossica, dove Y rappresenta una soglia di detossificazione. Il PODY stato stimato per due diverse soglie Y: 1 e 0 nmolo 3 *m -2 *S -1 come suggerito dal fatto che ogni molecola O 3 che entra nella foglia può indurre una risposta metabolica. PODY n i 1. max (Fst Y),0 dt dove PODy (mmol*m -2 ) è il flusso stomatico di O 3 al di sopra della soglia Y cumulato, calcolato dai valori orari di Fst, dove n indica il numero di ore da includere nel periodo di calcolo e dt = 1h. Sia POD0 che POD1 sono stati calcolati su 3 finestre temporali nel corso della stagione di crescita: Dalle 8am alle 8pm, in accordo definizione adottata dalla normativa europea (direttiva 2008/50 / CE); Nelle ore in cui la radiazione globale era> 50 Wm -2, secondo il criterio adottato da UNECE 2 Nelle ore con una radiazione globale> 0 Wm-², assumendo che gli stomi siano aperti anche con radiazione solare <50 Wm -2. Abbiamo usato le parametrizzazioni disponibili per le foreste decidue latifoglie (Fagus sylvatica, Quercus cerris, Q. petraea, Fraxinus excelsior, Robinia pseudoacacia) e per le conifere in Europa centrale (P. cembra, P. sylvestris, Abies alba e Picea abies) e per le foreste mediterranee sempreverdi (P. halepensis). I flussi di ozono modellati sono stati tradotti in impatti sulle foreste Mediterranee in termini di danni visibili. Valutazione dei danni fogliare visibili da ozono Nei 54 siti, alberi sono stati esaminati nel corso dei due anni alla fine della stagione di crescita (settembre). Le valutazioni hanno seguito la metodologia europea ICP-Forests 3 comprendente tre fasi: la descrizione dei sintomi, la determinazione delle cause e quantificazione dei sintomi, cioè la percentuale di superficie fogliare colpita da danni da O 3 per foglia (danni visibili fogliari da O 3 ). Per ogni sito, cinque alberi sono stati selezionati in modo casuale. Per ogni albero sono stati rimossi (con forbici telescopiche), 5 rami esposti alla luce del sole 2 United Nations Economic Commission for Europe 3 The International Co-operative Programme on Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests con almeno 30 aghi / foglie per ciascun ramo, o ago per classe di età, e sono stati classificati per punteggio. Infine, è stato calcolato una percentuale media di superficie di ago / foglia colpita da danni visibili fogliare da O 3 per ogni sito. Figura 3: Per esempio, i sintomi dell'ozono su due alberi nella nostra regione In generale, Conifere Tipburn tessuto morto (di solito rosso o marrone) diffondendo dalla punta degli aghi verso il basso. Photobleaching - Specifica decolorazione degli aghi, su superfici esposte alla luce. Chlorotic mottle - Piccola macchia giallo o verde chiaro o marmorizzazione con contorno diffuso, in particolare sul lato superiore e la punta degli aghi. Senescenza accelerata. Latifoglie Stippling - scolorimento che avviene tra le nervature. Di solito appare come macchie rosse o brune. Chlorosis - Perdita di clorofilla manifesta come pigmentazione non verde in zone discrete sulla foglia. Scolorimento delle superfici fogliari esposte alla luce. Bronzing / Flecking aree brune o nere sulla superficie superiore della foglia determinate da morte di alcune cellule nella pianta. Bifacial necrosis aree morte su entrambe le face fogliari. Senescenza accelerata perdita premature di foglie, fiori o frutti. Analisi statistica Abbiamo correlato PODY (Y = 0 e Y = 1) agli impatti sulle foreste in termini di danni fogliari visibili da O 3. Il test di Spearman ha permesso di chiarire il rapporto tra le quantità di ozono assorbito dalle piante (PODY) e i danni fogliari visibili da O 3. Calcolo dei livelli critici Poiché il PODY era fortemente correlata con i danni fogliari visibili da O 3 e le correlazioni erano più significativeo per il POD0 che per il POD1, abbiamo selezionato i danni fogliari visibili da O 3 come parametro di effetto ed il POD0 come indicatore di O 3 per la definizione dei livelli critici basati sul PODY.

4 Il CLef è stato derivato dalle funzioni flusso-effetto per il 15% dei danni fogliari visibili da O 3. Abbiamo considerato che un albero con danni fogliari visibili da O 3 superiore al 15% è classificato come danneggiato. Dalle relazioni flux-effetto statisticamente significative, sono stati quindi derivati nuovi livelli critici speciespecifici, unendo i dati provenienti da tutti i siti e gli anni per la protezione delle foreste. Validazione del modello DO3SE FO 3 REST ha fornito l'occasione per presentare una validazione del modello di parametrizzazione DO3SE attraverso un confronto tra deposizione di O 3 totale osservata e modellata de ha esteso il numero di studi di valutazione del modello DO3SE condotti in condizioni di "stile mediterraneo" per le specie arboree mediterranee. Grazie a FO 3 REST, abbiamo ampliato il set di dati sitospecifici biologici, climatici, del suolo e dell O3 così come i dati dei danni sulla vegetazione, per validare la metodologia di flusso. Figura 4: Esempio di rapporto flusso -effetto per conifere che mostra la risposta dei danni fogliari visibili da O 3 rispetto al POD0 e calcolo del livello critico flux-based (CLef) sulla base di soglia del 15% come media superficie fogliare danneggiata per sito. Il flusso di ozono stomatico misurato Le misurazioni dei flussi di O 3 sono state effettuate in siti selezionati attraverso approccio micrometeorologico Eddy-covariance a livello della chioma forestale. L'innovativa tecnica Eddy-covariance si basa sul calcolo della covarianza della componente verticale del vettore vento e della concentrazione di ozono, entrambe misurate ad altissima frequenza di campionamento (10Hz). La tecnica Eddy-covariance richiede misurazioni di fluttuazioni turbolente estremamente rapide e quindi i sensori utilizzati e gli analizzatori devono avere un breve tempo di reazione combinato con un elevata selettività. Principali risultati Abbiamo dimostrato che una valutazione del rischio basata su PODY e sui sintomi delle piante reali è più appropriata rispetto al metodo basato sulla concentrazione. Il PODY era meglio correlato danni visibili fogliari da O 3 rispetto all AOT40, mentre l AOT40 era meglio correlato con indicatori aspecifici (ad esempio la decolorazione e la defogliazione delle chiome). Il PODY è meglio dell AOT40 come indice di rischio da O 3 per le foreste del Sud Europa. Le relazioni migliori flux-risposta rispetto ai danni fogliari visibili da O 3 sono stati ottenuti quando non vi era alcuna soglia (POD0) oltre la quale il flusso è stato accumulato rispetto a quando è stato utilizzato il POD1. Ogni molecola di O 3 che entra nella foglia induce una risposta metabolica. Inoltre, la sensibilità del PODY agli inputs tipicamente aumenta con il valore della soglia di Y. Si consiglia di mantenere il valore Y più basso possibile (POD0) come soglia più biologicamente significativa. A seguito di una definizione pratica, confrontando il PODY accumulato dalle 08:00 alle 20:00 o per le sole ore diurne con radiazione globale> 50 W.m - ², abbiamo dimostrato si aveva una sottostima del reale assorbimento di O 3. Nella valutazione epidemiologica del rischio da O3 per le foreste, si consiglia l'uso di POD0 con 24 ore di finestra temporale di accumulo a radiazione solare non nullo, perché ha sia significato biologico che praticità nell'uso. Figura 5 : Vista schematica di uno strumento di misura dei flussi di ozono La più importante variabile ambientale che influenza i danni visibili da O 3, in tutte le specie arboree, era il contenuto idrico del suolo. Il modello DO3SE deve quindi includere la funzione contenuto idrico del suolo, perché è fondamentale per gli ambienti con limitata disponibilità idrica.

5 A seconda della superficie medio affetti da danni visibili da O 3, i nostri risultati hanno permesso di classificare le specie forestale sulla base della loro sensibilità rispetto all'o 3. Come conclusione principale, proponiamo di utilizzare livelli critici generici basati sul flusso, come 19 mmol.m - 2 per conifere altamente sensibili (es P. cembra) e specie di latifoglie (cioè Fraxinus excelsior); 24 mmol.m -2 per conifere moderatamente sensibili (es P. halepensis) e 21 mmol.m -2 per le specie di latifoglie moderatamente sensibili (es. Fagus sylvatica). Abies alba, P. abies e Quercus specie (es Q. cerris e Q. petraea) hanno mostrato livelli molto bassi di danni visibili da O 3 e possono essere classificate come specie ozono tolleranti. Principali outputs Una migliore comprensione dell inquinamento atmosferico e del cambiamento climatico in siti forestali e dei loro effetti sugli ecosistemi forestali. Armonizzazione e miglioramento dei metodi esistenti in materia di monitoraggio dell'ozono Validazione del modello di flusso stomatico DO3SE Affinamento dei criteri e livelli critici per la protezione delle foreste contro l'ozono e il cambiamento climatico Dati sullo stato e le tendenze di salute delle foreste Realizzazione di strumenti di supporto decisionale per le autorità nazionali ed europee Nuove strategie per la gestione forestale per l'adattamento Molte attività di comunicazione e diffusione Vantaggi ambientali Integrazione scienza-politica ed input politico Il cambiamento climatico è una pressione significativa e crescente sulle foreste in grado di alterare gli habitat e gli ecosistemi. FO 3 REST affronta direttamente i problemi in UE 2020 Biodiversity strategy, il Seventh Environment Action Programme dell'ue e la strategia dell'ue per le foreste. Si riferisce agli obiettivi della Convenzione delle Nazioni Unite sulla diversità biologica, la Convenzione quadro sui cambiamenti climatici e la politica agricola comune. A seguito del Libro bianco "L'adattamento ai cambiamenti climatici: verso un quadro d'azione europeo" (COM (2009) 147), il Libro verde sulla "protezione delle foreste e dell'informazione nell'ue: preparare le foreste ai cambiamenti climatici" (COM (2010) 66), il Consiglio ha riconosciuto l'importanza di fermare la perdita di biodiversità e il degrado dei servizi ecosistemici nell'ue entro il 2020: "La nostra assicurazione sulla vita, il nostro capitale naturale: strategia dell'ue sulla biodiversità fino al 2020" (COM (2011) 244). FO 3 REST contribuisce al raggiungimento degli obiettivi dell'ue per la biodiversità attraverso: Una migliore comprensione degli effetti dei cambiamenti climatici sulla biodiversità, resilienza e servizi associati, e di individuare modi per migliorare il quadro giuridico e politico. Lo sviluppo di strategie basate sulla scienza, metodi e raccomandazioni per i decisori politici e dirigenti per migliorare la gestione delle foreste in Europa e di promuovere la conservazione delle foreste su scala pan-europea. Impatti per supportare i decisori politici FO 3 REST migliorerà le informazioni per l'elaborazione e la valutazione delle politiche dell'unione europea, in particolare per la segnalazione relativa alla realizzazione della protezione delle foreste e della politica per la protezione della biodiversità dell'area UE. FO 3 REST consentirà di aumentare la consapevolezza, identificare lo scambio di informazioni per promuovere la conservazione delle foreste / biodiversità. FO 3 REST aiuterà a rafforzare la collaborazione interdisciplinare tra ecologi forestali e scienziati atmosferici, dimostrando la necessità di misure di flusso di ozono a lungo termine. FO 3 REST contribuirà all'attuazione, all'aggiornamento e allo sviluppo della politica ambientale e della legislazione dell'unione europea. I benefici a lungo termine e la sostenibilità Potenziale socio-economico e benefici per la salute Le foreste offrono spazio per la ricreazione, i contatti sociali, e per vivere la natura. Un ambiente attraente per le attività ricreative ha un effetto positivo sulla salute. Il cambiamento climatico, e l'inquinamento da ozono, possono causare una grave perdita del valore economico delle foreste europee. I risultati ottenuti faciliteranno una gestione forestale sostenibile, e rafforzeranno la competitività del settore forestale. Il contesto socio-economico dei risultati I principali risultati del Millennium Ecosystem Assessment (2005) sono stati che il 60% dei servizi ecosistemici valutati vengono degradati con le attuali pressioni del cambiamento globale. Ogni anno il 3% del PIL, si perde a causa della perdita di biodiversità.

6 Gli impatti di FO 3 REST saranno visibili attraverso la promozione di misure efficaci, metodi di gestione innovativi e l'avanzamento dei meccanismi di governance. Per valutare l'impatto socio-economico delle azioni del progetto, abbiamo aumentato la consapevolezza sociale e l'accettazione dei benefici della protezione dell'ambiente (attraverso volantini, visite presso le scuole, la stampa, etc.). Replicabilità e trasferibilità ad altre regioni europee La metodologia può essere facilmente applicata ad altre aree europee coinvolte nella stessa problematica ambientale. L'applicazione del metodo consentirà la validazione del CLef e darà un contributo positivo per la convergenza e la politica che porta alla armonizzazione e l'efficacia del monitoraggio delle foreste, fornendo un quadro per la ricerca e l'analisi. Lezioni di Best Practice Gli outputs principali sono: (i) Affinamento dei migliori limiti e soglie per la protezione delle foreste mediterranee; (ii) Miglioramento della conoscenza delle condizioni delle foreste mediterranee; (iii) Miglior efficacia dei livelli critici basati sul flusso; (iv) Aumento del dibattito a livello europeo circa l'uso (a livello di legislazione) di POD invece di AOT40 per la protezione delle foreste mediterranee. FO 3 REST ha risposto alle priorità in materia di cambiamento climatico: (i) Migliorare la base di conoscenze per azioni e misure di adattamento efficace al cambiamento climatico; (Ii) sviluppo e dimostrazione di strategie di gestione all adattamento, migliori pratiche e metodi innovativi (replicabili) per adattamento ai cambiamenti climatici; (iii) Contributo per migliorare l'informazione per l'elaborazione delle politiche dell'unione europea; (iv) valutazione se particolari regioni dell'ue sono più esposte / vulnerabili agli effetti dei cambiamenti climatici.