FENOLOGIA E SCAMBI ATMOSFERA/BIOSFERA

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1 FENOLOGIA E SCAMBI ATMOSFERA/BIOSFERA Sabina Dore, Riccardo Valentini Università degli Studi della Tuscia - Viterbo Introduzione Gli scambi di carbonio atmosfera biosfera rappresentano il bilancio dei processi produttivi e respirativi di un ecosistema e riflettono il controllo che su di essi hanno il clima e la fenologia. La tecnica eddy covariance misura gli scambi di carbonio, acqua ed energia a livello di ecosistema. Le misure avvengono in continuo, su larga scala e senza disturbare il sistema misurato. Questa tecnica può essere applicata a diversi ecosistemi, dalle superfici forestali alle superficie agricole. Negli ultimi anni si sono sviluppate reti di monitoraggio che comprendono numerose stazioni eddy covariance, che integrano i dati su scala nazionale, europea e mondiale. Questa tecnica permette di determinare grandezze quali la produttività netta, la respirazione e la produttività lorda dell ecosistema. E inoltre possibile quantificare le variazioni stagionali della funzionalità dell ecosistema e la lunghezza del periodo vegetativo. Vengono infine presentati alcuni esempi di applicazioni della tecnica ad ecosistemi agricoli e forestali. Materiali e metodi I flussi verticali di grandezze scalari quali anidride carbonica, acqua ed energia, risultanti dagli scambi tra biosfera e atmosfera a livello di ecosistema, vengono oggi misurati con la tecnica eddy covariance. I flussi sono calcolati come la covarianza tra le fluttuazioni della velocità verticale del vento e dello scalare. I dati vengono acquisiti in continuo e mediati su un periodo che solitamente è di 3 minuti (Baldocchi 1988, Baldocchi et al. 199, Aubinet et al. ). Per convenzione flussi positivi indicano flussi di massa ed energia diretti dalla superficie all atmosfera, flussi negativi flussi diretti dall atmosfera alla biosfera. I dati integrano i flussi generati su di una superficie posta sopravvento al punto di campionamento, di dimensioni che possono arrivare a qualche km, a seconda dell altezza di campionamento e delle caratteristiche atmosferiche. Il sistema standard è composto da un anemometro sonico tridimensionale, un analizzatore ad infrarossi e un computer per acquisire i dati e per calcolare i flussi (Aubinet et al. ). Le misure di flusso vengono completate da misure meteorologiche quali radiazione luminosa, temperatura del suolo e dell aria, precipitazione. La tecnica eddy covariance misura quindi i flussi a scala di ecosistema. Tra i vantaggi della tecnica si riporta l assenza di disturbo per l ecosistema (non altera le fluttuazioni della pressione atmosferica, i naturali processi di trasporto, il microambiente) e l integrazione dei processi dell ecosistema nello spazio e nel tempo. Tra gli svantaggi la dimensione minima necessaria per applicare la tecnica e il fatto che richiede una superficie orizzontale, uniforme e piana. Oggi esistono reti di monitoraggio di scambi atmosfera-biosfera basati sulla tecnica eddy covariance, che vanno dalla scala nazionale alla scala continentale (CAROBEUROFLUX per l Europa, AMERIFLUX per gli Stati Uniti, ASIAFLUX per l Asia) fino ad arrivare ad una rete di monitoraggio globale, FLUXNET (Valentini et al. 1999). 1

2 Inizialmente le stazioni erano localizzate in aree forestali, in seguito l interesse si è rivolto anche a piantagioni, coltivi, praterie e pascoli. Oggi in Italia esistono circa 15 stazioni eddy covariance. Tra le grandezze misurate con la tecnica eddy covariance figurano la produzione netta dell ecosistema (NEP); la respirazione dell ecosistema (ER) (misurata di notte, stimata di giorno); la produzione lorda dell ecosistema (GPP, data da NEP + ER) e l evapotraspirazione totale (ET). E possibile inoltre quantificare le variazioni stagionali/annuali delle grandezze misurate, l inizio, la fine e quindi la lunghezza della stagione vegetativa. E possibile infine ricavare grandezze quali l efficienza di uso idrico e rapporti utili per caratterizzare la funzionalità di un ecosistema quali RE/NEP, NEP/GPP. Risultati e discussione Gli scambi atmosfera e biosfera presentano notevoli variazioni stagionali. Dall andamento dello scambio di carbonio è possibile riconoscere le fasi di attività vegetativa e di dormienza invernale, i picchi di crescita e le fasi di senescenza (fig. 1). Tali ritmi e fasi sono caratteristici delle diverse vegetazioni: un ecosistema a prateria ha un picco vegetativo anticipato rispetto ad un popolamento forestale, specie sempreverdi hanno una stagione vegetativa più lunga rispetto alle decidue (fig. ). Le reti di stazioni di monitoraggio eddy covariance facilitano il confronto tra i diversi ecosistemi. In questo studio sono stati scelti quattro ecosistemi forestali lungo un gradiente altitudinale: nella fascia delle aghifoglie d alta quota un bosco misto di abete rosso e larice, nell orizzonte delle latifoglie sciafile una faggeta dell Appennino centromeridionale, nell orizzonte delle latifoglie eliofile una cerreta ed infine una lecceta costiera nella fascia delle sclerofille. E possibile notare come la relazione tra scambio di carbonio e luce cambi con le stagioni (fig.3), oltre che tra le varie zone fitoclimatiche. E possibile quantificare la differenza tra specie sempreverdi e decidue, con le specie decidue che raggiungono una maggiore intensità di assorbimento per un breve periodo, mentre le sempreverdi mantengono la capacità di assimilare carbonio per un periodo più lungo, particolarmente nel caso della lecceta, che rimane attiva durante tutto l anno. E inoltre da sottolineare l importanza dello stress idrico in queste aree mediterranee, dove gli scambi di carbonio tra biosfera e atmosfera diminuiscono durante l estate. Questo stesso fenomeno è riproposto nella relazione tra respirazione notturna dell ecosistema e temperatura (fig. ). Durante l estate, contrariamente a quanto avviene negli ecosistemi di zone temperate in cui ad un aumento della temperatura corrisponde un aumento della respirazione (Arrhenius 1889), a causa della limitazione dei processi di scambio causati dell aridità, ad un aumento della temperatura corrisponde una diminuzione della respirazione. Dal carbonio scambiato cumulativamente in un periodo di un anno (fig. 5) dai quattro ecosistemi esaminati, è facile determinarne la lunghezza del periodo vegetativo. Anche se con strategie e comportamenti diversi, anche se in situazioni climatiche diverse, anche se con specie diverse, tutti gli ecosistemi studiati mostrano un intensa attività di assorbimento di carbonio e si attestano a livelli di produttività simile.

3 Il monitoraggio nel corso degli anni degli scambi atmosfera-biosfera di un ecosistema permette di determinare la variabilità interannuale della produttività dell ecosistema e di quantificare le conseguenze dei cambiamenti climatici sulla funzionalità dell ecosistema. Dall analisi della variabilità interannuale è inoltre possibile esaminare quali siano i fattori che controllano la produttività dell ecosistema. Su questo argomento Goulden (199) osserva come lo scambio annuo di CO sia influenzato per prima cosa dalla lunghezza della stagione vegetativa, oltre che dalla copertura nuvolosa estiva, dalla copertura nevosa e in genere temperatura del suolo durante l inverno ed infine dall aridità estiva. Fig. 1: Scambi di carbonio di una prateria sottoposta a fuoco prescritto (Suyker and S.B. 1) 3

4 8 latif. dec. prat. conif. latif. sempr. NEP (g C m - d -1 ) Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Fig. : Scambi giornalieri di carbonio di biomi diversi: una prateria (prat.), un bosco di latifoglie decidue (latif. dec.), un bosco di conifere (conif.) ed un bosco di latifoglie sempreverdi (latif. sempr.). PRIMAVERA ESTATE NEP (umol m - s -1 ) -1 - CPZ COLL REN ROCC -3 AUTUNNO INVERNO NEP (umol m - s -1 ) PPFD (umol m - s -1 ) PPFD (umol m - s -1 ) Fig. 3: Relazione tra gli scambi di carbonio (NEP) e radiazione luminosa (PPFD) nelle diverse stagioni per ecosistemi italiani: REN: bosco misto di conifere alpino, COLL: faggeta appenninica, ROCC: cerreta, CPZ: lecceta.

5 Resp. Ec. notturna (umol m - s -1 ) Resp. Ec. notturna (umol m - s -1 ) PRIMAVERA AUTUNNO CPZ COLL REN ROCC ESTATE INVERNO 1 Temp (C) 1 3 Temp. (C) Fig : Relazione tra gli scambi di carbonio (NEP) e temperatua del suolo (Temp) nelle diverse stagioni per ecosistemi italiani: REN: bosco misto di conifere alpino, COLL: faggeta appenninica, ROCC: cerreta, CPZ: lecceta. 5 NEP (gc m - ) -5 CPZ 98 CPZ 97 COLL 97 REN 1 ROC Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Fig 5: Scambio di carbonio cumulato durante un periodo di un anno per ecosistemi italiani: REN: bosco misto di conifere alpino, COLL: faggeta appenninica, ROCC: cerreta, CPZ: lecceta. Per la lecceta è inoltre mostrata la variabilità interannuale (97-98). 5

6 Conclusioni Gli scambi atmosfera biosfera misurati con la tecnica eddy covariance hanno come caratteristica la scala temporale, in quanto il monitoraggio avviene in continuo, e la scala spaziale, in quanto i processi vengono misurati a scala di ecosistema. Essi forniscono numerose informazioni su stagionalità, lunghezza del periodo vegetativo e influenza che questa ha sulla funzionalità dell ecosistema. Bibliografia Arrhenius S., (1989). Uber die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Inversion von Rohrzucker durch Sauren. Zeitschrift fur Physikalische Chemie, :-8. Aubinet, M., Grelle, A., Ibrom, A., Rannik, U., Moncrieff, J., Foken, T., Kowalski, A.S., Martin, P.H., Berbigier, P., Bernhofer, C., Clement, R., Elbers, J., Granier, A., Grunwald, T., Morgenstern, K., Pilegaard, K., Rebmann, C., Snijders, W., Valentini, R. & Vesala, T. () Estimates of the Annual Net Carbon and Water Exchange of Forests: The EUROFLUX Methodology. Advances in Ecological Research 3, Baldocchi, D.D., Hicks, B.B. & Meyers, T.P. (1988) Measuring biosphere-atmosphere exchanges of biologically related gases with micrometeorological methods. Ecology 9, Baldocchi, D., Valentini, R., Running, S., Oechel, W. & Dahlman, R. (199) Strategies for measuring and modelling carbon dioxide and water vapour fluxes over terrestrial ecosystems. Global Change Biology, Goulden, M. L., J. W. Munger, et al. (199). Exchange of Carbon Dioxide by a Deciduous Forest: Response to Interannual Climate Variability. Science 71: Suyker, A. E. and V. S.B. (1). Year-round observations of the net ecosystem exchange of carbon dioxide in a native tallgrass prairie. Global Change Biology 7: Valentini, R., D. Baldocchi, et al. (1999). FLUXNET: a challenge that is becoming reality. Global Change News Letter 37: