Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, 22-24 settembre 211 memoria n. IMPIEGO DI MISURE DI RADIONUCLIDE 137 CS PER LA STIMA DELLA PERDITA DI SUOLO IN TERRENI COLTIVATI F. Catona 1, C. La Spada 1, P. Porto 1, M. Romeo 2, R. Ruggiero 1 (1) Dipartimento STAFA, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria (2) Dipartimento BIOMAA, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria SOMMARIO La perdita di suolo rappresenta uno dei principali problemi legati alla produzione delle colture in ambiente mediterraneo. I criteri di stima associati a modelli a base fisica o empirica fanno riferimento a variabili capaci di quantificare il contributo attribuibile al clima, alla topografia, al tipo di suolo ed alla gestione dello stesso. Il loro impiego è comunque legato ad operazioni di calibrazione e verifica spesso di difficile conduzione essendo vincolate a misure dirette del fenomeno. In tali contesti, le misure condotte in parcelle sperimentali appositamente allestite per la quantificazione dei deflussi liquidi e torbidi risultano di grande utilità ma, allo stato attuale, soffrono della difficoltà di estrapolare tali risultati ad una scala spaziale più estesa come quella del bacino idrografico. L impiego di tecniche basate sull uso di traccianti come il 137 Cs ha attratto da tempo l attenzione degli studiosi ed ha fornito recentemente risultati molto incoraggianti in termini di previsione del fenomeno. In tal senso, gli autori hanno orientato la loro ricerca sulle indagini effettuate in 5 parcelle sperimentali, localizzate in provincia di Reggio Calabria, per le quali misure di perdita di suolo e di radionuclide 137 Cs sono state acquisite durante gli ultimi anni. Il buon accordo tra valori misurati di perdita di suolo e stime condotte utilizzando la tecnica del radionuclide hanno portato a confermare la validità del metodo incoraggiandone l applicazione anche a scale spaziali più estese. Parole chiave: cesio-137; erosione; perdita di suolo; parcelle sperimentali. 1 INTRODUZIONE L erosione del suolo rappresenta un fenomeno di grande importanza in ambiente mediterraneo poiché influenza direttamente la produttività delle colture e genera indirettamente problemi di degrado a valle delle zone di innesco. Numerosi sono i tentativi di prevenire tale fenomeno affidandosi a modelli e procedure di calcolo che richiedono informazioni più o meno dettagliate riguardanti il clima, la topografia, le caratteristiche del suolo e della componente vegetale. Tra questi, la Universal Soil Loss Equation (USLE) (Wischmeier e Smith, 1978), le sue forme rivisitate (RUSLE) (Renard et al., 1994), e altri modelli come WEPP (Nearing et al., 1989), EUROSEM (Morgan et al., 1992), ANSWERS (Beasley e Huggins, 1982), e LISEM (De Roo et al., 1996), di
P. Porto, C. La Spada, M. Romeo, R. Ruggiero diversa origine, sono stati largamente utilizzati a scopo previsionale. Tuttavia, la loro utilità rimane ancora circoscritta alle aree geografiche per le quali sono possibili operazioni di taratura. Tali operazioni richiedono evidentemente misure dirette di perdita di suolo le quali però impongono anzitutto una disponibilità di fondi per l allestimento di siti sperimentali e, secondariamente, dove tale limite è bypassato, si scontrano con la rappresentatività spaziale della misura stessa. In simili contesti infatti, l allestimento di parcelle sperimentali costituisce una valida iniziativa per fronteggiare tali problemi ma i risultati ottenuti si presentano spesso non utilizzabili perché poco rappresentativi di scenari geografici più estesi come per esempio un intero bacino idrografico. L impiego di traccianti come il cesio-137 ( 137 Cs) per la stima della perdita di suolo ha riscosso negli ultimi decenni un notevole successo (Walling, 21) proprio perché capace di fronteggiare i limiti derivanti da scale spaziali poco rappresentative. Studi dettagliati, derivanti da analisi circa il contenuto di radionuclide nei suoli erosi, hanno confermato le principali assunzioni legate all impiego dei modelli di conversione più comunemente utilizzati (Porto et al., 23). Più specificatamente, il confronto tra misure di erosione netta, rappresentative di lungo periodo, con le stime ottenute dall applicazione della tecnica del 137 Cs ha condotto a risultati di un certo interesse per suoli caratterizzati da coperture naturali o forestali (Porto et al., 21, 23, 24), tuttavia, la validità di tale tecnica con riferimento a suoli coltivati risulta ancora da verificare. In tale contesto, gli autori hanno focalizzato l attenzione su un set sperimentale costituito da 5 parcelle, localizzate in provincia di Reggio Calabria, ed allestite per la misura della perdita di suolo da terreni coltivati. Nella fattispecie, le parcelle, realizzate nel 25, sono state ricavate senza produrre alterazioni significative alla giacitura delle pendici e imponendo una serie di rotazioni colturali tipiche della zona di allestimento. Pertanto, è stato possibile confrontare le misure di perdita di suolo ottenute dall apparato sperimentale nei 4 anni successivi all allestimento, con le stime di erosione netta ricavate applicando la tecnica del 137 Cs. 2 L AREA DI STUDIO Le indagini sperimentali sono state condotte nell Azienda Caratozzolo, sita in agro di S. Eufemia d Aspromonte (RC). L area sperimentale (Fig. 1), gestita dal Dipartimento BIOMAA dell Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria, è situata in una zona collinare avente un altitudine media di circa 56 m s.l.m. Figura 1. Area di studio e disegno sperimentale La precipitazione media annua relativa al periodo 1921-2, misurata nelle stazioni di Bagnara e Sinopoli varia da circa 995 mm a circa 1373 mm. L area ricade in una fascia termo-climatica compresa tra le isoterme medie annue di 14 C e 15 C. Per una
Impiego di misure di radionuclide 137cs per la stima della perdita di suolo in terreni coltivati definizione più puntuale delle caratteristiche climatiche della zona è stata installata nel 25, all interno del sito sperimentale, una stazione meteorologica (datalogger CR1). Il tipo litologico del sito sperimentale è composto da superfici terrazzate di origine marina con suoli a profilo Ap-Bw-Ab-2Bw, molto profondi, con scheletro assente, a tessitura media, a reazione subacida, con riserva idrica molto elevata e drenaggio buono. Secondo la classificazione USDA tali suoli rientrano nella categoria Typic Hapludands, medial, amorphic, mesic. L installazione sperimentale per la misura dei deflussi idrici e solidi è composta da 5 parcelle, di forma rettangolare, della superficie di circa 125 m 2. La loro realizzazione è stata condotta delimitando il contorno, al fine di isolare idraulicamente la parcella, mediante fogli di lamiera zincata infissi nel suolo ad una profondità di circa 3 cm. All estremità di valle delle parcella è posizionata una canaletta di raccolta avente la funzione di convogliare i deflussi torbidi in una vasca munita di rubinetti posti a diversa altezza. Alla fine di ciascun evento di precipitazione, la torbida raccolta nelle vasche viene lasciata sedimentare per circa 2 giorni al termine dei quali il surnatante viene eliminato mediante i rubinetti collocati alle altezze superiori. Successivamente, ogni vasca è sottoposta a svuotamento completo mediante apertura dei rubinetti; la torbida viene quindi campionata e conservata in adeguati contenitori; contestualmente viene raccolto, anche, il materiale solido depositato lungo le canalette di convogliamento. Il complesso dei campioni (torbida più materiale depositato lungo le canalette) viene quindi essiccato in stufa per 48 ore e pesato. I dati utilizzati nella presente indagine fanno riferimento alle misure condotte durante i primi 4 anni di funzionamento del dispositivo sperimentale. In particolare, considerando il periodo di osservazione compreso tra gennaio 26 e dicembre 29, sono stati presi in rassegna 57 eventi piovosi, ciascuno dei quali responsabile della produzione di deflusso liquido e solido. 3 LE MISURE DI 137 CS: CAMPIONAMENTO DEI SUOLI ED ANALISI DI LABORATORIO Il campionamento dei suoli è stato condotto in due siti separati, il primo dei quali in una zona adiacente alle parcelle per determinare il contenuto di riferimento del radionuclide 137 Cs. 137 Cs (Bq kg -1 ) 1 2 3 4 5 5 1 15 2 25 3 35 5162 Bq m -2 4 Figura 2. Profilo di concentrazione del radionuclide nel sito di riferimento Il secondo campionamento è stato invece effettuato nella parte centrale di ciascuna
P. Porto, C. La Spada, M. Romeo, R. Ruggiero parcella (vedi Fig. 1) con l obiettivo di determinare il grado di impoverimento di radionuclide nelle zone assoggettate alle pratiche di coltivazione. I campioni di suolo sono stati trasportati in laboratorio, essiccati, disaggregati e vagliati (a 2 mm) al fine di effettuare le misure di concentrazione del radionuclide. Tali analisi sono state condotte presso il laboratorio radiometrico dell Università di Exeter (UK). La Fig. 2 mostra il profilo di distribuzione, tipico dei suoli coltivati, ed il contenuto globale (5162 Bq m -2 ) del radionuclide nel sito di riferimento prescelto. La Fig. 3, che riassume i profili di concentrazione ricavati dai 5 campionamenti, indica che il contenuto globale di radionuclide varia da 2869 a 3776 Bq m -2. Plot 1 Plot 2 Plot 3 Plot 4 Plot 5 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 5 5 5 5 5 1 15 2 25 3 1 15 2 25 3 1 15 2 25 3 1 15 2 25 3 1 15 2 25 3 35 4 2869 Bq m -2 35 4 3629 Bq m -2 35 4 3616 Bq m -2 35 4 3776 Bq m -2 35 4 3674 Bq m -2 Figura 3. Profilo di concentrazione del radionuclide nelle parcelle sperimentali Ciascuno dei 5 valori si presenta inferiore a quello di riferimento e conferma la presenza di fenomeni erosivi nell ambito dell area di studio. 4 RISULTATI L impiego delle misure di 137 Cs per la stima dell erosione idrica è basato su un confronto tra i valori di radionuclide misurati nei punti di campionamento e quello ricavato dal profilo di riferimento. Nel presente studio, poiché i valori di radionuclide ottenuti nelle parcelle sono risultati inferiori a quest ultimo, si deduce che ciascuno dei 5 siti campionati è caratterizzato da evidenti fenomeni di perdita di suolo. L entità del processo erosivo si calcola attraverso un modello di conversione capace di trasformare il grado di riduzione del radionuclide in perdita di suolo netta. Per il caso di suoli coltivati, il ricorso al modello proporzionale (Walling & He, 1999), sia pure con i limiti e le assunzioni semplificative che la sua applicazione richiede, costituisce un giusto compromesso tra semplicità di impiego e affidabilità delle stime. Il metodo proporzionale, per il caso di siti interessati da fenomeni di erosione, viene espresso analiticamente dalla seguente relazione: Y B d X 1 1 T P = (1)
Impiego di misure di radionuclide 137cs per la stima della perdita di suolo in terreni coltivati dove con Y (t ha -1 anno -1 ) si indica la perdita di suolo medio-annua; con d (m) si esprime lo strato di suolo lavorato; con B (kg m -3 ) la densità apparente; con T (anni) il tempo trascorso dal momento in cui è iniziato il fallout (1954) all anno di prelievo del campione; con P un coefficiente correttivo che tiene conto della granulometria del campione (in conseguenza del fatto che l adsorbimento di cesio è diverso a seconda della tessitura del suolo); con X la riduzione percentuale del contenuto di cesio definita dalla seguente espressione: X A ref 1 ref = (2) A A dove con A (Bq m -2 ) si indica la quantità di cesio rilevata nel singolo campione e con A ref (Bq m -2 ) il valore di riferimento. In Tab. 1, unitamente ai valori misurati di perdita di suolo, vengono riportati, per ciascuna parcella, i valori di erosione netta ottenuti mediante la tecnica del cesio-137. Plot 1 Plot 2 Plot 3 Plot 4 Plot 5 Misura (t ha -1 anno -1 ) 85.4 24.5 29.4 9.6 32.2 Stima (t ha -1 anno -1 ) 23. 12.6 12.9 1.2 11.4 Tabella 1. Confronto tra valori misurati di perdita di suolo e stime ottenute dalle misure di 137 Cs. 5 CONCLUSIONI I dati riportati in Tab. 1 mettono in evidenza che i valori stimati della perdita di suolo medio-annua rispetto ai dati ricavati dai quattro anni di misura sono tutti inferiori. Tale risultato, che porterebbe a ipotizzare una non perfetta aderenza del metodo proposto rispetto ai dati sperimentali, non va visto in senso assoluto ma deve essere collocato in uno scenario più articolato basato su un analisi retrospettiva dei processi erosivi nell ambito dell area di studio. Non bisogna infatti dimenticare che le stime provenienti dalla tecnica del 137 Cs ricoprono un range temporale molto vasto (dal 1954 ad oggi) mentre i dati ricavati dalle misure si limitano ad un periodo molto più breve (soltanto 4 anni) e non necessariamente rappresentativo degli ultimi 5-6 anni. La mancanza di informazioni sui processi erosivi a lungo termine nell area di studio impedisce un confronto omogeneo dal punto di vista temporale. R (MJ ha -1 mm -1 ) 45 4 35 3 25 2 15 1 5 1934 1936 1937 1938 1939 194 1941 1942 1944 1945 1946 1948 1949 195 1951 1952 1953 1954 1955 1956 1957 1958 1959 196 1961 1962 1963 1964 1965 1966 1967 1991 1993 1994 1995 1996 1998 1999 2 21 22 23 24 25 26 27 28 29 21 Figura 4. Indice di aggressività delle piogge per la stazione di Reggio Calabria
P. Porto, C. La Spada, M. Romeo, R. Ruggiero Tuttavia, nel grafico di Fig. 4 viene riportato, per completezza, l andamento dell indice di aggressività delle piogge (Wischmeier e Smith, 1978) relativo alla stazione di Reggio Calabria distante circa 3 km dall area di studio. La figura, pur lamentando un assenza di informazione per alcune fasce temporali, evidenzia con chiarezza che l indice R, notoriamente legato al fenomeno erosivo, presenta un andamento crescente soprattutto nell ultimo decennio (a cui sono evidentemente riferite le misure disponibili). Ciò porterebbe a pensare che i dati ricavati dalle parcelle sperimentali riflettano i processi erosivi dell ultimo periodo e che, più in generale, rappresentino una sovrastima rispetto al range temporale esplorato invece dalla tecnica del 137 Cs. Ulteriori analisi sono comunque richieste al fine di confermare tali assunzioni sia per quanto concerne il modello di conversione utilizzato sia per ciò che riguarda l acquisizione di nuove misure. A tal riguardo sarà oltremodo interessante individuare l effetto delle diverse rotazioni colturali utilizzate nel sito sperimentale nei riguardi della risposta idrologica delle parcelle e definire, in combinazione con i risultati forniti dalla tecnica del 137 Cs, il sistema di governo idoneo per i territori in esame. Ringraziamenti. La ricerca è stata svolta con fondi RdB 29. Il contributo va diviso in maniera paritetica tra gli autori. BIBLIOGRAFIA Beasley, D.B., Huggins, LF. ANSWERS Users Manual. U.S. Environmental Protection Agency, Region V, Chicago, Illinois. Purdue University, West Lafayette, Indiana, 1982, pp. 54. De Roo, A.P.J., Wesseling, C.G., Ritsema, C.J.. LISEM: a single event physically-based hydrologic and soil erosion model for drainage basins. I: Theory, input and output: Hydrol. Proc., 1996, 1, 117-1117. Morgan, R.P.C., Quinton, J.N., Rickson, R.J.. EUROSEM documentation manual. Silsoe College, Silsoe, Bedford, UK, 1992. Nearing, M.A., Foster, G.R., Lane, L.J., Finkner, S.C.. A process-based soil erosion model for USDA-Water Erosion Prediction Project Technology. Transactions of the ASAE, 1989, 32, 1587-1593. Porto, P., Walling, D.E., Ferro, V.. Validating the use of caesium-137 measurements to estimate soil erosion rates in a small drainage basin in Calabria, Southern Italy. Journal of Hydrology, 21, 45, 817-832. Porto, P., Walling, D.E., Tamburino, V., Callegari, G.. Relating caesium-137 and soil loss from cultivated land. Catena, 23, 53, 33-326. Porto, P., Walling, D.E., Ferro, V., Di Stefano, C.. Validating erosion rate estimates by caesium- 137 measurements for two small forested catchments in Calabria, southern Italy. Land Degradation and Development, 23, 14, 389-48. Porto, P., Walling, D.E., Callegari, G. Validating the use of caesium-137 measurements to estimate erosion rates in three small catchments in Southern Italy. IAHS Publ. 288, 24, 75-83. Renard, K.G., Foster, G.R., Yoder, D.C., McCool, D.K.. RUSLE revisited: status, questions, answers, and the future. Journal of Soil and Water Conservation, 1994, 49, 213-22. Walling, D.E. Using fallout radionuclides to investigate erosion and sediment delivery: some recent advances. IAHS Publ. 337, 21, 3-16. Walling, D.E., He, Q., 1999. Improved models for estimating soil erosion rates from cesium-137 measurements. J. Environ. Qual. 28, 611-622. Wischmeier, W.H., Smith, D.D. Predicting Rainfall-erosion Losses. A Guide to Conservation Farming, vol. 537. US Dept. of Agric., Agr. Handbook, 1978, pp. 151.