Struttura, processi e funzioni degli ecosistemi

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PARMA DIPARTIMENTO DI SCIENZE AMBIENTALI Struttura, processi e funzioni degli ecosistemi Ricerca fluviali: idee ecologica per una e riqualificazione gestione sostenibile fluviale dei corsi Pierluigi d acqua d Viaroli e delle & Marco risorse Bartoli idriche Pierluigi Viaroli Dipartimento di Scienze Ambientali, Università di Parma L'Indice di Funzionalità Fluviale: strumento di gestione e pianificazione Trento, Novembre 2009

2 Complessità degli ecosistemi fluviali e del reticolo idrografico minore: dalla dimensione locale alla scala del bacino idrografico Ward J.V., Riverine-wetland interactions freshwater wetlands and wildlife. DOE Symposium Series No. 61. Vannote, R. L.,G. W. Minshall, K. W. Cummins, J. R. Sedell, C. E. Cushing, The river continuum concept. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 37: Likens, G. E., Beyond the shoreline: a watershed ecosystem approach. Verh. Internat. Verein. Limnol. 22: Junk W.J., Bayley P.B., Sparks R.E The flood pulse concept in riverfloodplain systems. Canadian Special Publications Fishery Aquatic Science 106: Wetzel, R.G., Land-water interfaces: metabolic and limnological regulators.verh. Internat. Verein. Limnol. 24: Zalewski M., Janauer G. A., Jolánkai G., Ecohydrology: a new paradigm for the sustainable use of aquatic resources. IHP, UNESCO, Paris Allan, J.D., Landscapes and riverscapes: the influence of land use on stream ecosystems. Annual Review Ecology Systematics 35: Seitzinger S. et al., Denitrification across landscape and waterscape a synthesis. Ecological Applications 16:

3 La gestione degli ecosistemi fluviali nel contesto del cambiamento globale e di una accresciuta pressione antropica diretta: connettività e frammentazione di ecosistemi e habitat Corsi d acqua di ordine basso prevalentemente montani Tratti fluviali planiziali Canali e reticolo idrografico minore della pianura

4 Le zone di confine e le interfacce tra fasi sono regolatori metabolici che operano a diverse scale: sistemi adiacenti, acqua-sedimento, radici-sedimento, foglie-acqua etc. (Wetzel R.G., 1990 ) sviluppo montevalle tratto planiziale golena aperta sezione trasversale

5 Alla scala più grande ogni interfaccia è costituita da un sistema di vegetazione e suoli ad un diverso livello di umidità che forma un filtro che trattiene e trasforma le sostanze inquinanti rilasciate dall ambiente antropizzato Trasformazione di nutrienti e composti dei metalli ad opera dei microorganismi Dipende da ossigeno, potenziale red-ox, ph Rimozione delle forme reattive di nutrienti e metalli per uptake e assimilazione delle piante (macrofite). Ogni specie necessita di elementi chimici in proporzioni ben definite (es. C:N:P:Fe = 700:35:1:0.5). La rimozione di un elemento dipende dalla disponibilità degli altri Ritenzione degli elementi nelle biomasse. Dipende dalla refrattarietà o resistenza alla decomposizione della materia organica (in genere è funzione del contenuto di materiali lignocellulosici)

6 elofite Nelle zone di transizione la vegetazione è il principale regolatore metabolico (Wetzel, 1990, Mitsch, 2000) Fattori chiave: durata sommersione/profondità lama d acqua vegetazione e variabili correlate (es. O 2 ) carico azotato (Howarth & Marino, 2006) processi biogeochimici sedimentari macrofite sommerse CO 2 CH O 2 O 2 org-c CO 2 CH 4 CO 2 CH 4 O 2 fitoplancton pleustofite O 2 CO 2 CH 4 microfitobentos

7 La gestione degli ecosistemi fluviali nel contesto del cambiamento globale e di una accresciuta pressione antropica diretta - connettività e frammentazione di ecosistemi e habitat

8 Alterazione dei sistemi fluviali e del reticolo idrografico (connettività longitudinale) Impianto idroelettrico sul Po a Isola Serafini (Piacenza)

9 Alterazione della connettività laterale numero ecosistemi acquatici periodo del rilevamento Ambienti acquatici permanenti nella golena del Po in provincia di Piacenza dal 1970 al 1998

10 A Connettività laterale Isolamento e pensilizzazione di un sistema di lanche nella golena di Stagno (Roccabianca, PR) A A A

11 Rettificazione e impermeabilizzazione del reticolo idrografico artificiale e/o semi-naturale

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13 Accelerazione del deflusso superficiale come risposta ai cambiamenti globali e alle modificazioni a livelo locale m 3 /sec mm / giorno /5/07 21/5/07 4/6/07 18/6/07 2/7/07 0 relazione tra portate del F. Taro a S. Secondo e deposizione umida a S. Maria del Taro

14 4100 m3/sec /1/91 5/6/93 8/11/95 12/4/98 14/9/00 17/2/03 22/7/05 25/12/07 data Change Point Analisys dei dati di portata del Po dal 1991 al Sono evidenziati gli intervalli temporali che presentano valori medi statisticamente diversi tra di loro e con il periodo di riferimento (linee rosse, ). I limiti superiore e inferiore delle aree rappresentano i valori massimo e minimo di un dato periodo.

15 Numero di giorni con portata < 500 m 3 s -1 (linea) and < 250 m 3 s -1 (istogrammi) Numero di giorni Q < 500 m 3 s -1 Q < 250 m 3 s anno P. Viaroli et al., Studio per l approfondimento delle variazioni dei carichi di azoto e fosforo transitati nella stazione di Pontelagoscuro e per l analisi dei processi rilevanti ai fini della composizione e delle trasformazioni dei carichi. Studio finanziato dall Autorità di bacino del Fiume Po

16 Sistema idrografico del Mincio sub-lacuale A B C D A C B 2 3 D

17 Mincio 5-15 m 3 s m 3 s -1 Virgilio Derivazione delle acque del Mincio nel canale Virgilio a valle della diga di Salionze

18 Daily load of Total Phosphorus Days since January 1 st, 2003 t P d -1 1/03 4/03 7/03 10/03 1/04 4/04 7/04 10/04 1/05 4/05 7/05 10/05 1/06 4/06 7/06 10/06 1/07 4/07 7/07 10/ Alterazioni dell idrologia e carichi inquinanti flood events

19 Calcolo del surplus azotato su suolo agrario nel bacino del fiume Oglio sublaculale e analisi di NO 3- nelle acque del fiume da monte a valle Analsi Solo interventi per Comune a livello di bacino possono essere risolutivi per il controllo dei carichi azotati nel fiume 10 NO 3-8 [NO 3 - ], mg l Lago Palazzolo sull'oglio Pontoglio Calcio-Urago Rudiano a monte dep. Soncino-Orzinuovi Acqualunga Bordolano-Quinzano Pontevico-ponte ferrovia Seniga Ostiano Isola Dovarese Canneto sull'oglio Calvatone Marcaria Gazzuolo Ponte di Barche Nord Stazioni Sud A livello di bacino risulta un surplus complessivo di azoto di oltre t y -1, corrispondente ad una disponibilità teorica di circa 600 kg N y -1 per ettaro di superficie coltivata. La situazione più critica in termini di surplus risulta quella della porzione centrale del bacino; nella stessa porzione di fiume i tenori di nitrato aumentano in modo considerevole a seguito di probabili interazioni con falde superficiali inquinate.

20 Ca Morta µg N-NO 3 - L Ca Stanga gen/04 gen/05 gen/06 gen/07 gen/08 gen/09 Nitrati: variazioni delle concentrazioni medie (pesate sui volumi) in due laghi di cava nel comune di Piacenza

21 Dtot (mol N m -2 yr -1 ) lakes rivers coastal ecosystems estuaries connected sites isolated sites Importanza della connessione idraulica tra fiume e aree di pertinenza fluviale Relazione con la dentrificazione (Racchetti et al, Biogeochemistry, in review) OG1 OG2 MI4 Oglio OG3 Mincio PO1 PO5 PO6 OG4 OG5 OG6 OG8 OG7 OG10 OG9 MI1 MI3 MI2 PO7 PO2 PO3 PO4 OG11 N km Po

22 20000 DW DIN net consumption mmol N m -2 d /02 01/04 01/06 01/08 01/10 01/12 Potamogeton pectinatus 01/02 01/04 01/06 01/08 01/10 01/12 microalghe bentoniche Andamento della denitrificazione totale (DW) e dell abbattimento dell azoto inorganico disciolto nel litorale di un lago di cava con e senza vegetazione a macrofite sommerse

23 Ricostruzione del reticolo idrografico Azioni nel corso d acqua per recuperare almeno in parte processi e funzioni biogeochimiche Azioni sulle aree laterali (in particolare in quelle golenali) per ricostruire o salvaguardare struttura, processi e funzioni del sistema fluviale Azioni sul sistema idrografico minore per salvaguardare il corso d acqua principale

24 il reticolo idrografico minore canali Regione Emilia Romagna: km di canali di bonifica laghi di piccole dimensioni Circa 200 laghi di cava tra Piacenza, Parma e Reggio Emilia

25 Progetto di riqualificazione ecologica del Canale Navarolo (MN) Foto Malaggi-Longhi

26 suolo inondabile poco produttivo

27 Ricostruzione delle fasce riparie

28 ambiente agricolo improduttivo e difficile da lavorare

29 Impianto a canneto misto

30 sistema agricolo produttivo, ma inondabile e soggetto ad erosione

31 zona umida con acque relativamente profonde

32 SCENARI GESTIONALI PER I LAGHI DI CAVA NELLA GOLENA DEL PO

33 Un esempio: recupero di corpi idrici e attività estrattiva

34 E possibile il recupero degli ambienti golenali e delle loro funzioni ecologiche? Lago di cava di isola Giarola (Villanova sull Arda PC). Parco Comunale dal Profondità max 12.0 m Profondità media 5.0 m Superficie 19.2 ha Volume m 3

35 PROGETTO PILOTA DI RECUPERO SPERIMENTALE Lanca dei Francesi, Comune di Roccabianca (PR) Regione Emilia Romagna Coord. Prof. G. Rossi

36 Le indicazioni della direttive europee: quali basi scientifiche e quali livelli di fattibilità? Le basi scientifiche per la gestione sostenibile degli ecosistemi fluviali e delle risorse idriche: una sfida impossibile?

37 riferimento normativo e conoscenza scientifica 91/676/CEE 91/271/CEE 2000/60/CE 2006/118/CE 2007/60/CE Protezione delle acque dall inquinamento da nitrati di origine agricola Trattamento delle acque reflue urbane Direttiva quadro sulle acque Protezione delle acque sotterranee dall inquinamento e dal deterioramento Valutazione e gestione dei rischi dalle alluvioni 2008/60/CE 79/409/CEE 92/43/CE Marine strategy directive Conservazione degli uccelli selvatici Conservazione degli habitat naturali e seminaturali e della flora e della fauna selvatiche

38 Fattori limitanti: occupazione e uso del suolo Azzurro = fondo, nessuna luce/mare aperto Nero = luce intensa presente nel e nel 2000 Rosso = luce molto più intensa nel Giallo = luce presente nel 2000 non nel Grigio chiaro = luce soffusa stabile nel e nel 2000 Blu = Luce meno intensa o scomparsa nel 2000 NOAA-NESDIS National Geophysical Data Center, Boulder, Colorado,USA

39 Fattori limitanti Pianificazione e interventi sono basati su conoscenze non aggiornate frammentarie serie temporali brevi Roberto Marchetti (ed), Problematiche del sistema idrografico padano. Acqua & Aria, vol. 6 e 7, 1993.

40 Le nuove sfide - identificare le funzioni ecologiche - rilevanza della stechiometria ecologica (ciclo dell azoto) -variazioni sensibili del regime idrologico -Cambiamento climatico -Bacinizzazione -DMV Naiman R.J., Bunn S.E., Nilsson C., Petts G.E., Pinay G., Thompson L.C., Legitimating fluvial ecosystems as users of water: an overview. Environmental Management 30: Pinay G., Clemént J.C., Naiman R.J., Basic principles and ecological consequences of changing water regimes on nitrogen cycling in fluvial systems. Environmental Management 30: Bunn S.E., Arthington A.H., Basic principles and ecological consequences of altered flow regimes for aquatic biodiversity. Environmental Management 30: Humborg C., Venugopalan I., Cociasu A., Bodungen B.V., Effects of Danube River dam on Black Sea biogeochemistry and ecosystem structure. Nature 386:

41 Integrazione delle politiche ambientali Integrated River Basin Management (IRBM) Integrated Coastal Zone Management (ICZM) Integrated Coastal Area and River Basin Management (ICARM) ( IRBM ICZM ICARM