Il ruolo delle deposizioni atmosferiche negli apporti di azoto agli ecosistemi acquatici

Gli impatti dell inquinamento atmosferico sugli ecosistemi naturali e antropici Roma, 23-24 gennaio 2014 Il ruolo delle deposizioni atmosferiche negli apporti di azoto agli ecosistemi acquatici Michela Rogora C.N.R. Institute of Ecosystem Study, Verbania Pallanza, Italy - http://ise.cnr.it

Nitrogen: too much of a good thing Aumento netto nella produzione di N reattivo a partire dagli anni 50 (da 15 a 165 Tg N y -1 ), con conseguente aumento delle emissioni di Nr in atmosfera e delle deposizioni di N Human activity is radically altering the world s nitrogen cycle through food and energy production some food-producing systems are generating excess nitrogen, affecting air, land, and freshwater, and ultimately environment and human health. (UNEP 2004) Effetti negativi dell eccessivo input di N agli ecosistemi terrestri ed acquatici: acidificazione, eutrofizzazione (corpi idrici limitati da N), sbilanci nutritivi, riduzione della biodiversità Deposizioni atmosferiche come principale veicolo di N alle acque in aree scarsamente antropizzate Sala et al. 2000. Science 287

A t t i v i t à a n t r o p i c h e Nitrogen cycle Nitrogen cascade Global warming NO x from burning fossil fuels N 2 in air Acid rain NO x N 2 O N 2, NO x, N 2 O Denitrifying bacteria and fungi Lightning Industrial fixation (fertilizers) N-fixation by bacteria Aerosols ground level O 3 smog Nitrates NO 3 - Batteri nitrificanti Plants Decay and animal waste Animals Nitrites NO 2 - Ammonia NH 3 Batteri nitrificanti Runoff, leaching (eutrophication) Galloway et al. 2003. Bioscience 53

N-saturazione ed effetti sulle acque N saturazione: input totale di N dalle deposizioni supera il fabbisogno dell ecosistema, e l azoto in eccesso (come NO 3 ) viene lisciviato alle acque superficiali (Aber et al. 1989. Bioscience) Wet and dry deposition NO 3 - NH 4 + Winter/Spring Summer/Autumn Wet and dry deposition NO 3 - NH 4 + N + N O 2 2 Litterfall Mineralisation Nitrification Denitrification Traaen, T.S. & J.L. Stoddard. 1995 Uptake Mineralisation Nitrification Groundwater Modello di Stoddard: 4 stadi di saturazione delle acque in base a concentrazioni mensili di NO 3

CNR ISE: attività e programmi di ricerca sul tema dell azoto Monitoraggio a lungo termine delle deposizioni atmosferiche in ecosistemi forestali (CONECOFOR, FUTMON) parte del Monitoraggio di Livello II, co-finanziato da EU e UN-ECE ICP Forest) Studi sul Lago Maggiore e i suoi tributari finanziati dalla CIPAIS (Commissione Internazionale per la Protezione delle Acque Italo Svizzere) Monitoraggio a lungo termine della chimica delle acque superficiali in area alpina e subalpina (partecipazione al programma UN-ECE ICP WATERS finanziata dal Ministero Ambiente)

Deposizioni di N in siti forestali VAL1 PIE3 PIE1 LOM1 BOL1 TRE1 VEN1 VEN2 FRI2 kg ha -1 y -1 35 Fagus sylvatica 30 Picea abies 25 Larix decidua 20 Quercus cerris 15 Quercus ilex TOS1 EMI1 MAR1 10 Quercus robur, Quercus petraea 5 0 ON TOS2 LAZ1 ABR1 LAZ2 ABR2 PUG1 NH 4 NO 3 CAM1 SAR1 CAL1 Throughfall SIC1

NO 3 runoff (µeq L -1 ) Runoff nelle aree forestali 80 Runoff - siti forestali 60 40 20 0 30 55 80 105 130 155 180 N dep (meq m -2 y -1 ) Il rilascio di NO 3 alle acque è evidente al di sopra di una soglia critica di deposizione (~ 10-15 kg N ha -1 a -1 )

Focus sull area alpina e subalpina Fonte: EMEP http://www.emep.int Measured N deposition (2000-2001) over the Alps F SP25 Pay Cha CH Dev Gra Rob Pal Dub Rig Pio Acq Bre I Reu BOL1 Kuf Inn Nud Gru Wer Son FRI2 A Luz Naw Mas Hoc 5 kg ha -1 y -1 Rogora et al., 2006. Hydrobiologia, 562. 30 kg ha -1 y -1

Elevati volumi di precipitazione (circa1800 mm a -1 ) Elevate deposizioni di inquinanti e di composti azotati (15-25 N ha-1 a -1 )

Il bacino del Lago Maggiore Area totale: 6600 km 2, (tra Italia e Svizzera) Stazioni italiane Stazioni svizzere Copertura forestale: 50% Marcato gradiente altitudinale (quota media 1270 m s.l.m.) DATI Dati chimici sul Lago Maggiore dagli anni 50, sui tributari dagli anni 70 Dati su piccoli laghi alpini e subalpini dagli anni 70-80 14 stazioni per lo studio delle deposizioni atmoferiche; 130 stazioni meteo (volumi di precipitazione)

Trend - deposizioni 240 200 meq m -2 y -1 SO 4 = Pallanza 160 120 80 40 H + 200 meq m -2 y -1 0 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 160 120 NH 4 + 80 40 NO 3-0 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 Rogora et al. 2012. Sci. Tot. Envir. 417-418

Trend Corsi d acqua Evidenza di una condizione di N saturazione nei bacini nei principali tributari del Lago Maggiore trend positivo delle concentrazioni di NO 3 da stadio 1-2 (N saturazione bassa o moderata) negli anni 70-80 a stadio 2-3 (saturazione avanzata) N-NO 3 (µeq L -1 ) Cann Erno Gion Magg Sber 150 125 100 75 50 Sgio Tici Toce Tres Verz 25 Mean values 1978-82 0 Gen Mar Mag Lug Set Nov Mean values 2001-05 Gen Mar Mag Lug Set Nov Rogora et al., 2007. Biogeochemistry

NO 3 - (µeq l -1 ) SO 4 = (µeq l -1 ) NO 3 - (µeq l -1 ) Trend Laghi 240 220 Lago di Mergozzo 60 50 200 180 160 140 1980 1986 1992 1998 2004 2010 40 30 20 66 62 Lake Maggiore Lago Maggiore Bilancio dell N per il bacino del Lago Maggiore 58 54 50 1982 1990 1998 2006 2014 Deposizioni atmosferiche contribuiscono agli input a lago per il 65-80% Mosello et al. 2001. J. Limnol.

Laghi Paione, Alpi Occidentali (2000-2269 m s.l.m.) I laghi remoti come indicatori Non interessati da disturbo antropico diretto Soggetti alla deposizione di inquinanti trasportati con le masse d aria dalle zone di emissione Utilizzati come indicatori (early warning systems) delle variazioni climatiche e della composizione chimica dell atmosfera

Svalbard Islands, 3 lakes Central Alps, Italy 35 lakes Laghi remoti Dataset CNR ISE Serra da Estrela, Portugal, 9 lakes 0.5 0.4 Himalaya, Khumbu-Himal region, Nepal, 31 lakes N-NO 3 (mg N L -1 ) Antarctica, Terra Nova Bay, 29 lakes Northern Patagonia 18 lakes 0.3 0.2 0.1 0.0 ALP AND ANT HIM POR SVA

Il ruolo del NO 3 nell acidificazione 40 laghi alpini d alta quota (> 2000 m s.l.m.) Analisi dei trend nella chimica delle acque (dagli anni 80) Recovery dall acidificazione grazie alla riduzione dell acidità delle piogge ( SO 4 ) Importanza del NO 3 come anione acidificante, soprattutto al disgelo 100% 80% STA 60% 40% 20% 0% 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 Rogora et al. 2013. Wat. Air Soil Pollut.

Un trend in diminuzione? Analisi delle serie temporali (12 siti, laghi e fiumi): Elevata correlazione temporale tra i siti Andamento sincrono, con trend positivo (1978-2005), seguito da fase di diminuzione (2006 -) 3.0 2.0 1.0 0.0-1.0 200 160 120 80 40 Mer - lake LPS - lake LPI - lake Can - river Pel - river PIE1 - river meq m -2 y -1 Sbe - river Sgi - river Mag - river Deposizioni Gio - river Ern - river Pls - river NH + 4 NO - 3-2.0 0 1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010-3.0 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 Rogora et al. 2012. Sci. Tot. Envir.

Fattori meteo-climatici e idrologia C 14 Temperature Precipitazioni mm 2500 13 2000 12 1500 11 1000 Staz. Meteo - Pallanza 10 500 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010 2014 Elevata variabilità interannuale delle precipitazioni (effetti sulle deposizioni a parità di concentrazione) Eventi estremi: picchi di NO 3 nelle acque dopo periodi caldi e asciutti seguiti da piogge brevi e intense

NH 4 e NO 3 nelle deposizioni 2.0 1.8 Pallanza Bellinzago N S 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008 2012 Rapporto NH 4 :NO 3 aumenta nel tempo: deposizioni di NH 4 importanti soprattutto nell area subalpina, più prossima alla Pianura Padana

Alcune conclusioni Le deposizioni di azoto, nonostante una recente tendenza alla diminuzione, rimangono elevate nell area alpina e subalpina N-Occidentale e contribuiscono in modo rilevante agli apporto di N alle acque in aree remote I livelli di NO 3 nelle acque superficiali (laghi e corsi d acqua) rispondono alle variazioni negli apporti atmosferici, con una tempistica che dipende dalle caratteristiche dei bacini Le deposizioni di ammonio stanno assumendo un ruolo sempre più importante in termini di contributo all acidificazione e di apporti complessivi di N agli ecosistemi I fattori meteo-climatici interagiscono con le deposizioni nell influenzare I livelli di N nelle acque e le loro variazioni temporali

Grazie a. Aldo Marchetto, Gabriele Tartari, Alfredo Pranzo, Paola Giacomotti, Arianna Orru, Rosario Mosello, Silvia Arisci www.ise.cnr.it