La Fitofenologia. Prof. Giovanna Puppi Dipartimento di Biologia E.S.

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1 La Fitofenologia Prof. Giovanna Puppi Dipartimento di Biologia E.S. Milano 30 novembre 2007

2 Definizione la Fitofenologia è la scienza che studia: il ritmo temporale di fenomeni biologici ricorrenti negli organismi vegetali le loro cause (fattori biotici e abiotici) e le interrelazioni tra fasi della stessa o di differenti specie (Comitato di Fenologia US/IBP)

3 in termini operativi La Fitofenologia. Raccoglie e analizza i dati di osservazione sui bioritmi vegetali, rilevati in natura o in condizioni controllate. Elabora modelli interpretativi. Fornisce spazializzazioni e previsioni

4 Valore indicatore le manifestazioni fenologiche nelle piante (fioritura, fruttificazione, fogliazione) ) sono caratterizzate da un forte determinismo ambientale, in cui la temperatura gioca un ruolo determinante

5 Valore indicatore Inizio della fogliazione e temperature

6 Valore indicatore i ritardi e gli anticipi nella comparsa di una fenofase dipendono dall andamento termico stagionale e territoriale DEGREE DAYS above 5,5 C I gradienti fenologici territoriali entro certi limiti riflettono il campo termico e viceversa

7 campi di ricerca e applicazioni Fisiologia vegetale: fattori e leggi che modulano i bioritmi Ecologia vegetale: adattamenti stagionali delle strategie vitali ritmi collettivi delle fitocenosi Allergologia Patologia vegetale Agricoltura Selvicoltura Telerilevamento Bioclimatologia

8 Monitoraggio fenologico territoriale Qualunque sia lo scopo per cui si effettuano rilevazioni fenolgiche, si possono fare alcune osservazioni generali per chiarire il rapporto esistente tra il tipo di dati, le modalità del rilevamento e i limiti del successivo utilizzo.

9 Monitoraggio fenologico territoriale La varianza intrinseca dei dati fenologici è elevata Variabilità temporale (tra annate) Variabilità spaziale (tra stazioni) Variabilità tassonomica (tra taxa) Variabilità genetica (tra individui) A questa si aggiunge la varianza dovuta all errore di campionamento

10 la Variabilità spazio- temporale

11 la Variabilità interannuale Ritardi e anticipi in giorni T media Febbraio Marzo Aprile

12 la Variabilità interannuale Il 2007 ha avuto fioriture molto precoci: Nei primi 3 mesi dell anno l anticipo medio è stato di 15 giorni rispetto al 1983 (14,6 + 2,6 E.S.) di 30 giorni rispetto al 1987 (30,4 + 2,3 E.S.) date di fioritura nelle altre annate anticipo fenologico del 2007 a Bologna date di fioritura nel 2007 Corylus avellana Cornus mas Ulmus minor Ostrya carpinifolia Helleborus viridis Anemone nemorosa Pulmonaria apennina Tussilago farfara Viola odorata Ranunculus ficaria Anemone ranunculoides Symphytum bulbosum t medie marzo temperature a Bologna singole annate 1984 media trentennio t medie gennaio-febbraio Il 1983 ha avuto una temperatura media invernale (GFM) vicino alla media trentennale, mentre il 1987 è stato uno degli anni più freddi

13 la Variabilità interannuale SD Fitter et al. (1995) Functional ecology 9:55-60 Date di inizio fioritura e loro varianza nella flora inglese (36 anni) La variabilità interannuale delle fenofasi è più accentuata nei primi mesi dell anno

14 Rappresentare la Variabilità spaziale Spazializzazione per interpolazione dei dati fenologici Spazializzazione con modelli feno-topografici Spazializzazione con modelli feno-climatici Il metodo di realizzazione delle carte fenologiche ne determina il significato e i limiti di utilizzo

15 Spazializzazione per interpolazione manuale Isofene= linee di ugual data Mappa cronologica delle fioriture primaverili arrivo della primavera nell Europa media Hoffmann 1881

16 Spazializzazione per interpolazione con algoritmi Il numero elevato di stazioni e la loro diffusa distribuzione garantisce la validità della carta arrivo della primavera negli USA Caprio, Hopp, Williams, 1974 Mappa cronologica dell inizio fioritura del Lillà

17 Spazializzazione con modelli feno-topografici gradienti fenologici rispetto alla topografia: Altitudine Latitudine Longitudine Mappa cronologica a piccola scala del risveglio vegetativo Sviluppo delle prime foglie in Europa Rotzer et Chmielewski 2001

18 Spazializzazione con modelli feno-topografici La distribuzione delle stazioni permette di stimare adeguatamente i gradienti feno-topografici Sviluppo delle prime foglie in Europa Rotzer et Chmielewski 2001

19 Spazializzazione con modelli feno-topografici Mappa sinottica a media scala (Zanotti e Puppi 2003) La distribuzione delle stazioni è programmata in modo da stimare adeguatamente i gradienti fenotopografici Reno BOLOGNA 20 $T $T $T$T$T $T $T $T $T$T $T$T$T $T $T 31 $T$T$T$T$T $T $T$T$T$T$T 81 $T$T$T $T$T $T$T $T $T$T $T$T$T $T$T$T $T$T $T$T$T $T$T$T$T$T$T $T$T$T $T $T $T 87 $T $T $T $T $T 12 $T 11 6 $T$T 2 $T $T 3 Reno 1IMOLA $T CARTA SINOTTICA DEL 16 APRILE 1999 DI ACER CAMPESTRE $T STAZIONI DI RILEVAMENTO 0-75 m m m m m > 850 m Fiumi e torrenti linee ferroviarie Città autostrade strade statali W N S E gradienti fenologici rispetto alla topografia: altitudine esposizione pendenza fondovalle FENOFASE

20 Spazializzazione con modelli feno-climatici Sambucus nigra Boccioli pronti all apertura Infiorescenze visibili Mappa sinottica della fioritura del Sambuco gemme (10 aprile 2006)

21 Variabilità tassonomica e genetica Menzel et al a) Variabilità della risposta tra individui e tra popolazioni della stessa specie b) Eterogeneità della risposta tra specie diverse

22 Variabilità tra fenofasi Menzel et al La modalità e l intensità della risposta fenologica ai fattori ambientali varia con le fenofasi

23 L errore nel campionamento Rappresentatività del campione Rappresentatività del sito di rilievo

24 Rappresentatività del sito di rilievo EFFETTI DEL MICROCLIMA: Esposizione del versante Radiazione solare incidente : -0,6 giorni/mj.mq -1 Da elaborazioni effettuate su circa 6000 dati raccolti dal 1983 al 1988 su circa 70 specie nella valle del Reno (BO) (Puppi e Zanotti, 1989 Aerobiologia, 5:44-54) Piano : 19,1 MJ.mq - 1 giornalieri (media aprile) Nord 30 gradi : 10,7 MJ.mq - 1 giornalieri ritardo di 5 giorni Sud 30 gradi : 22,2 MJ.mq - 1 giornalieri anticipo di 2 giorni N-S = 7 gg MJ/mq.giorno 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 energia solare incidente in Aprile inclinazione suolo (gradi) nord est sud

25 Rappresentatività del sito di rilievo EFFETTI DEL MICROCLIMA: Urbanizzazione Date stimate di massima fioritura R4: Città=133 Parco=143 = 10 gg date in giorni fioritura di Sambucus Bologna ,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 stadi di fioritura y = 7,402x R 2 = 0,9285 BO1 parco BO2 città y = 6,8984x R 2 = 0,9121

26 L errore nel campionamento procedura di rilievo Obiettività e precisione della procedura di rilievo delle fenofasi: Frequenza dei rilevamenti Scale (chiavi) fenologiche

27 Periodicità dei rilievi La cadenza decadale dei rilievi fenologici è valida per la fenologia descrittiva,, ma può risultare insufficiente quando si usano le piante come sensori bioclimatici o per calibrare modelli previsionali phenophases logistic curve observed data E possibile migliorare la precisione approssimando una serie di dati successivi con funzioni stadi/tempo dates of flowering (Julian day)

28 Le scale (chiavi) fenologiche Scala GFI FASI VEGETATIVE V1 Gemme in riposo Scala BBCH (Hack( et al 1992, Meier 1997) STADI PRINCIPALI V2 Gemme rigonfie prossime alla schiusura 0 Germinazione / germogliamento / sviluppo delle V3 Gemme rigonfie insieme a gemme aperte, con foglie ripiegate gemme V4 Gemme appena aperte insieme a foglie giovani con lembo disteso so 1 Sviluppo delle foglie (fusto principale) V5 Foglie giovani a lembo disteso 2 Formazione dei germogli laterali / accestimento V6 Foglie giovani insieme a foglie adulte 3 Allungamento del fusto principale o crescita della V7 Foglie adulte rosetta V8 Inizio della decolorazione fogliare 4 Sviluppo degli organi per la propagazione vegetativa / stadio di botticella nelle Graminacee V9 Foglie prevalentemente decolorate 5 Comparsa dei fiori o infiorescenze (visibili) prima V10 Inizio disseccamento delle foglie (erbacee) dell antesi V11 Foglie prevalentemente disseccate (erbacee) Scala GFI 6 Fioritura (fiori aperti) V12 Inizio caduta foglie (caducifoglie( caducifoglie) 7 Sviluppo dei frutti V13 Foglie prevalentemente cadute (caducifoglie( caducifoglie) FIORITURA e FRUTTIFICAZIONE 8 Maturazione dei frutti e dei semi V14 Pianta completamente spoglia o secca 9 Senescenza delle foglie, inizio della dormienza R1 Boccioli presenti ma poco sviluppati R2 Boccioli prossimi alla schiusura,, rigonfi, con petali visibili(+00) R3 Boccioli rigonfi e fiori aperti(++0) R4 Piena fioritura: boccioli, fiori aperti e fiori sfioriti(+++) R5 Inizio sfioritura: fiori aperti e fiori appassiti(0++) R6 Completa sfioritura: fiori appassiti, caduta petali (00+) R7 Allegagione: : inizio ingrossamento ovari (000) R8 Inizio fruttificazione: : sviluppo dei frutti immaturi(+00) R9 Frutti sviluppati ma in prevalenza immaturi (++0) R10 Culmine della fruttificazione,, la più parte dei frutti maturi (+++) R11 Frutti in parte caduti,degenerati o secchi(0++) R12 Presenza di soli frutti residui(00+) In paesi e in ambienti scientifici diversi si usano scale di rilievo diverse. L uso di chiavi diverse crea problemi di confrontabilità dei dati

29 GFI CHIAVE DI RILEVAMENTO dei GIARDINI FENOLOGICI ITALIANI FASI VEGETATIVE V1 Gemme in riposo V2 Gemme rigonfie prossime alla schiusura V3 Gemme rigonfie insieme a gemme aperte, con foglie ripiegate V4 Gemme appena aperte insieme a foglie giovani con lembo disteso so V5 Foglie giovani a lembo disteso V6 Foglie giovani insieme a foglie adulte V7 Foglie adulte V8 Inizio della decolorazione fogliare V9 Foglie prevalentemente decolorate V10 Inizio disseccamento delle foglie (erbacee) V11 Foglie prevalentemente disseccate (erbacee) V12 Inizio caduta foglie (caducifoglie( caducifoglie) 6 5 V13 Foglie prevalentemente cadute (caducifoglie( caducifoglie) V14 Pianta completamente spoglia o secca stadi 1 0 Prevalentemente qualitativa Fasi vegetative di Sambucus 2006 BO1 BO giorni giuliani

30 GFI CHIAVE DI RILEVAMENTO dei GIARDINI FENOLOGICI ITALIANI FIORITURA e FRUTTIFICAZIONE R1 Boccioli presenti ma poco sviluppati R2 Boccioli prossimi alla schiusura,, rigonfi, con petali visibili(+00) R3 Boccioli rigonfi e fiori aperti(++0) R4 Piena fioritura: boccioli, fiori aperti e fiori sfioriti(+++) R5 Inizio sfioritura: fiori aperti e fiori appassiti(0++) R6 Completa sfioritura: fiori appassiti, caduta petali (00+) R7 Allegagione: : inizio ingrossamento ovari (000) R8 Inizio fruttificazione: : sviluppo dei frutti immaturi(+00) R9 Frutti sviluppati ma in prevalenza immaturi (++0) 13 R10 Culmine della fruttificazione,, la più parte dei 12frutti maturi (+++) 11 R11 Frutti in parte caduti,degenerati o secchi(0++) 10 R12 Presenza di soli frutti residui(00+) stadi riproduttivi GF Prevalentemente qualitativa fioritura e fruttificazione di Sambucus Bologna giorni giuliani BO1 BO2

31 La scala BBCH Scala BBCH (Hack( et al 1992, Meier 1997) STADI PRINCIPALI 0 Germinazione / germogliamento / sviluppo delle gemme 1 Sviluppo delle foglie (fusto principale) 2 Formazione dei germogli laterali / accestimento 3 Allungamento del fusto principale o crescita della rosetta 4 Sviluppo degli organi per la propagazione 100 vegetativa / stadio di botticella nelle Graminacee 90 5 Comparsa dei fiori o infiorescenze (visibili) 80 prima dell antesi 70 6 Fioritura (fiori aperti) 60 7 Sviluppo dei frutti 50 8 Maturazione dei frutti e dei semi Senescenza delle foglie, inizio della dormienza stadi BBCH 20 Qualitativa negli stadi principali quantitativa in quelli secondari fenologia di Sambucus nigra 2006 BO1 BO giorni giuliani

32 La chiave BBCH è più precisa e graduale nella descrizione del ciclo fogliare Confronti tra chiavi stadi BBCH 8 Fogliazione nel Sambuco Bologna giorni giuliani Fogliazione nel Sambuco Bologna 2006 BO1 BO2 7 La chiave GFI è più suscettibile di soggettività nella descrizione del ciclo fogliare stadi GFI BO2 BO giorni giuliani

33 fioritura e fruttificazione Sambucus nigra Bologna 2006 La chiave BBCH è carente nella fruttificazione perché si arresta alla piena maturazione dei frutti Confronti tra chiavi stadi riproduttivi BBCH giorni giuliani fioritura e fruttificazione di Sambucus Bologna 2006 BO1 BO2 La chiave GFI, pur essendo composta da meno stadi descrive in modo preciso lo svolgersi della fioritura stadi riproduttivi GF giorni giuliani BO1 BO2

34 Le scale (chiavi) fenologiche GFI scala utilizzata nei Giardini Fenologici Italiani V01 gemme in riposo V02 gemme rigonfie prossime alla schiusura V03 gemme miste rigonfie insieme a gemme aperte con foglioline ripiegate V04 gemme appena aperte insieme a foglioline giovani con lembo disteso V05 foglie giovani a lembo disteso V06 foglie giovani insieme a foglie adulte V07 foglie adulte V08 inizio della decolorazione fogliare V09 foglie prevalentemente decolorate V10 inizio disseccamento foglie V11 foglie prevalentemente disseccate V12 inizio caduta foglie V13 foglie prevalentemente cadute V14 pianta completamente spoglia R01 boccioli presenti ma poco sviluppati R02 boccioli prossimi alla chiusura, rigonfi con petali visibili R03 boccioli rigonfi e fiori aperti R03 boccioli rigonfi e fiori aperti R04 piena fioritura: boccioli, fiori aperti e fiori sfioriti R05 inizio sfioritura: fiori aperti e fiori appassiti R06 completa sfioritura: fiori appassiti R07 allegagione: inizio ingrossamenti ovari R08 inizio fruttificazione: ovari ingrossati e pochi frutti immaturi R09 frutti evidenti ma in prevalenza immaturi R09 frutti evidenti ma in prevalenza immaturi R10 culmine della fruttificazione: frutti maturi R10 culmine della fruttificazione: frutti maturi R11 frutti in parte caduti, degenerati o secchi (dispersione dei semi) R12 presenza di soli frutti residui BBCH fasi corrispondenti 00 gemme dormienti 03 fase terminale del rigonfiamento delle gemme inizio apertura delle gemme, prime foglie distinte ma ripiegate 11 primo paio di foglie distese più paia di foglie giovani distese 19 prime foglie completamente distese (dimensioni finali) 91 sviluppo dei germogli completato, fogliame di colore verde vivo 92 inizio dell'ingiallimento fogliare 94 50% delle foglie ingiallite 93 inizio disseccamento foglie 95 50% delle foglie disseccate 93 inizio della caduta delle foglie 95 50% delle foglie cadute 97 tutte le foglie cadute 55 primi boccioli visibili (poco sviluppati) 57 boccioli sviluppati con petali visibili 60 primo fiore aperto 61 primi fiori aperti - 10% dei fiori aperti 65 piena fioritura: almeno 50% dei fiori aperti, primi petali caduti 67 fiori per lo più appassiti 69 fine della fioritura: tutti i petali caduti 71 ingrossamento degli ovari: frutti al 10% delle dimensioni finali 72 fruit al 20% delle dimensioni finali 81 inizio colorazione dei frutti 85 maturazione avanzata 87 maggior parte dei frutti sono maturi 89 culmine della fruttificazione: frutti maturi e inizio della dispersione 89 culmine della fruttificazione: frutti maturi e inizio della dispersione IPHEN: Tentativo di realizzare una tabella di conversione tra GFI e BBCH

35 conclusioni In Europa esiste una grande quantità di dati fenologici raccolti in varie epoche, con finalità e metodi diversi Il recupero di serie storiche di dati per ricostruire pattern spazio-temporali richiede preventivamente un accurato lavoro di analisi dei metodi di campionamento per verificarne la reale possibilità di utilizzo e per procedere alla conversione dei dati in un unico linguaggio L adesione ad una metodologia standardizzata consentirà in futuro di evitare approssimazioni e sprechi di dati

36 grazie Sambucus nigra