L inquinamento che fa bene all ambiente I paradossi del Global Change, e la necessità di una mente aperta Prof. F. Magnani Gruppo di Ecologia Forestale, Università di Bologna
Gas serra e cambiamento climatico Variazione di temperatura, C eh già, non è più il clima di una volta! (e non ci sono più mezze stagioni!!) 4 aumento atteso nel prossimo secolo in conseguenza delle emissioni antropogeniche di CO2 e gas serra 2 0-2 temperature relativamente stabili dall ultimo post-glaciale -4-6 -8-10 -12 ultima glaciazione 1000000 10000 Anni BP 100 1 da Jouzel et al. (2000)
Gas serra e cambiamento climatico ovvero: quando il sole scotta, non mettetevi sotto una coperta! 6 Il calore irradiato nell atmosfera deve bilanciare l apporto netto di energia luminosa 1 2 L energia luminosa del sole raggiunge la terra in parte (~30%) viene riflessa nello spazio 3 ed in parte (~70%) viene assorbita dalla terra e dall atmosfera Bilancio energetico: l energia luminosa assorbita è pari all energia termica irradiata. Quanto maggiore l effetto serra, tanto maggiore la temperatura necessaria per raggiungere questo equilibrio 4 La terra e l atmosfera si riscaldano e reirradiano l energia nello spazio. Più si surriscaldano, più energia irradiano 5 Una parte dei raggi termici è catturata da vapore acqueo, CO2 ed altri gas serra, contribuendo al riscaldamento dell atmosfera 7 Le attività umane (ad es. combustione di petrolio e carbone, discariche, allevamento) immettono CO2 ed altri gas serra nell atmosfera
Bilancio globale del carbonio e ruolo della vegetazione ecosistemi terrestri: è qui il missing sink? L analisi delle diverse componenti note del ciclo del carbonio ha messo da tempo in evidenza l esistenza di un inghiottitoio sconosciuto in cui il C scompariva: il missing sink, presumibilmente legato al ruolo non neutro della vegetazione terrestre Combustibili fossili Deforestazione Totale emissioni Assorbimento oceani Input teorico nell Atmosfera Input misurato nell Atmosfera Carbonio mancante (missing sink) Gt C anno-1 5.5 ±0.5 1.6 ±1.0 7.1 ±1.1 2.0 ±0.8 5.1 ±0.7 3.2 ±0.2 1.9 ±1.5 da Schimel, 1995
Bilancio globale del carbonio e ruolo della vegetazione quanta CO2 assorbono in tutto le piante? -0.2 0.0-0.1-0.3 0.0-0.1-0.2 +0.0 +0.3 +0.1 Rilascio di carbonio +0.1 0.0-0.1-0.1-0.3-0.1-0.1 0.0 Assorbimento di carbonio -0.5-0.7 Bilancio netto del carbonio della biosfera terrestre (Gt C anno-1) stimato da misure di CO2 atmosferica nel periodo 1980-1989 (derivato da Rayner et al. 1999, Tellus)
Bilancio del C della vegetazione misuriamo il respiro delle piante Mo come si sta, lì dentro? Da oltre 10 anni l Università di Bologna ha messo a punto un sistema raffinato per misurare il respiro di intere piante. Facendo circolare l aria dentro a grandi palloni di plastica che racchiudono la pianta, riusciamo a misurarne la fotosintesi per ore, giorni, mesi, Benessum, c è anche l aria condizionata!
Misura degli scambi di carbonio della vegetazione scambio netto dell ecosistema: il metodo dell eddy-covariance Il metodo dell eddy covariance permette di misurare gli scambi di carbonio dell intera copertura vegetale. Gli stumenti collocati al di sopra della vegetazione in cima ad una torre misurano i pacchetti di aria che entrano nelle chiome e quelli che ne escono, impoveriti della CO2 catturata dalle piante Una torre di eddycovariance svetta sulla foresta amazzonica. A destra, un dettaglio dell anemometro sonico 3D e degli analizzatori di CO2
Misura degli scambi di carbonio della vegetazione misura dei flussi di carbonio a scala territoriale L aereo Sky-Arrow del CNR-IBIMET modificato per la misura degli scambi di CO2 col metodo della eddy-covariance: sul naso frontale si notano i sensori di turbolenza e concentrazione di scalari. I sensori GPS 3D e i giroscopi sono portati invece sulle ali Misure di scambio di CO2 a scala regionale della regione intorno a Bordeaux. Cerchi neri indicano assorbimento di CO2, cerchi rossi indicano rilascio. Il diametro dei cerchi sta a indicare l intensità dei flussi
Misura degli scambi di carbonio della vegetazione scambio netto dell ecosistema: variabilità giornaliera Fagus sylvatica, Collelongo (AQ) 10 20 May 24 May 22 May 26 May NEE (µmol CO2 m-2 s-1) 5 C sottratto all atmosfera e accumulato dall ecosistema 0-5 -10-15 1993 1997 1998-20 -25 140 141 142 143 144 145 146 147 148 Giorno dell anno dati gentilmente forniti da Riccardo Valentini, Università della Tuscia
Ciclo del C della vegetazione dell Emilia-Romagna attività di monitoraggio in corso: il bosco di Nonantola (MO) Modena
Bilancio del carbonio della vegetazione la deforestazione, un problema globale? Nel periodo 1990-2000 si stima che la superficie forestale mondiale si sia ridotta di 9.4 milioni di ettari (-0.24% anno-1). Unità di misura: milioni di ha e variazione % annuale media nel periodo 1990-2000 933 + 0.06% 457 + 0.17% La superficie della foresta tropicale si è ridotta di 12.3 milioni di ha (-0.32% anno-1), meno comunque di quanto riportato da alcuni resoconti allarmistici. Notiamo invece l espansione delle foreste temperate e boreali (+2.9 milioni ha; +0.07% anno-1), frutto della ridotta pressione dell uomo e della ricolonizzazione da parte del bosco di ex-coltivi e pascoli. 871-0.53% 511-0.71% 594-0.49% Global Forest Resources Assessment 2000, FAO (2001)
Accumulo di carbonio nella vegetazione temperata e boreale il bosco avanza Un primo meccanismo responsabile dell accumulo di C nei boschi boreali e temperati è la progressiva espansione del bosco, a rioccupare aree abbandonate dall agricoltura. L aumento di CO2 e temperatura e le deposizioni di N facilitano inoltre la crescita del bosco in aree boreali. Aumento dell area coperta da bosco alle alte latitudini: variazioni di NDVI dal 1981 al 1991 (Myneni et al 1997)
Amazzonia, Amazzonie deforestazione, riforestazione, sovrappopolazione e povertà
Amazzonia, Amazzonie deforestazione, riforestazione, sovrappopolazione e povertà da Kauppi et al. (2006)
Equilibrio e stabilità dei sistemi equilibri stabili e instabili, collasso del sistema punto di equilibrio instabile del sistema punto di equilibrio stabile del sistema: se perturbato ritorna al punto di equilibrio (omeostasi) altro punto di equilibrio stabile del sistema (ma non desiderabile!): sistema degradato Es.: un deserto è in equilibrio stabile
La successione ecologica un esempio: successione primaria su morene glaciali Possiamo osservare visivamente gli effetti del processo di successione primaria dove l area disponibile per le piante si sia progressivamente espansa, ad esempio per il progressivo interramento di un lago. Qui possiamo osservare nello spazio gli effetti delle dinamiche temporali.
La successione ecologica un esempio: successione primaria su morene glaciali Stadio 1 Stadio 2
La successione ecologica un esempio: successione primaria su morene glaciali Stadio 4 Stadio 3
La successione ecologica variazione degli attributi delle specie e dell ecosistema Si osserva in genere un aumento della biomassa in piedi nell ecosistema, legato non solo alla crescita degli individui, ma all ingresso di nuove specie più lngeve e tolleranti l ombra (migliore sfruttamento della luce e dello spazio)
Equilibri naturali e mantenuti dall uomo equilibri naturali e antropici, stabili e instabili, collasso lenta deriva del sistema (antropizzato) verso il collasso alla rimozione dell input energetico, il sistema tende verso l equilibrio stabile naturale (gestione non sostenibile) punto di equilibrio instabile mantenuto con input energetico (sistema antropizzato) equilibrio stabile naturale del sistema
Macchia a leccio e ginepro soggetta a pascolo
Macchia mediterranea dopo incendio
Transizione e degrado dei sistemi biforcazioni nella fase di sviluppo verso l equilibrio naturale un sistema mantenuto dall uomo in equilibrio instabile all interruzione degli input di energia può evolvere verso un ecosistema naturale vitale stabile ma può anche evolvere verso un equilibrio degradato ugualmente stabile Possiamo visualizzare così questo caso di biforcazione delle dinamiche del sistema Può essere quindi necessario indirizzare il sistema verso lo stato di equilibrio desiderato
Esempio di degrado in fase di transizione i calanchi su argille del Pliocene La bonifica dei calanchi prima della crisi dell agricoltura collinare e montana: regimazione delle acque e movimento terra (sistema antropizzato) Effetto della crisi dell agricoltura collinare: erosione lineare e incanalata, formazione dei calanchi
Conseguenze dell interruzione delle cure colturali erosione incanalata, smottamenti In assenza di queste cure agronomiche ed in mancanza di copertura vegetale continua, si avviano processi di ruscellamento, erosione incanalata e smottamenti. La vegetazione non riesce ad affermarsi. Invece di ritornare il bosco, nasce il calanco. Dettaglio di smottamento
Il bosco cresce gli effetti sorprendenti dell inquinamento sull accumulo di C 1860 Deposizioni atmosferiche di NOy (mmol N m-2 yr-1) 1990 2050 da Galloway et al. 2004
Inquinamento, fertilizzazione e fissazione della CO2 deposizioni azotate a scala globale Deposizioni atmosferiche di NOX (mmol N m2 yr-1) 1860 1990 2050 da Galloway et al. 2004 Le attività dell uomo (industria, trasporti, agricoltura intensiva) hanno determinato una forte emissione in atmosfera di composti reattivi di azoto (NOy). Questo inquinante ricade poi sugli ecosistemi naturali, determinando una fertilizzazione nascosta Le deposizioni azotate sono una delle componenti delle piogge acide (legate però soprattutto agli ossidi di zolfo, oggi fortemente ridotti nei Paesi occidentali). Nella maggior parte dei casi, però, sembra che l effetto di questa fertilizzazione nascosta sia positivo, di stimolo a crescita e fissazione di C.
Inquinamento, fertilizzazione e fissazione della CO2 deposizioni azotate a scala globale
Bodenmais (Alpi Bavaresi, D) Settembre 1994 Pecceta con danni da piogge acide. Le piante morte sono state rimosse. Sottopiantagione di abete rosso. Nella diapositiva successiva le piante morte sono state lasciate in piedi
Inquinamento, fertilizzazione e fissazione della CO2 l azoto, un potente fertilizzante: avete presente il Gesal?
Inquinamento, fertilizzazione e fissazione della CO2 tiriamo le somme di 30 anni di studi Deposizioni di N kg N ha-1 a-1 foreste (n = 29) boschi di neo-formazione (n = 35) Abbiamo studiato il bilancio del C di oltre 60 foreste in tutto il mondo, dalla Siberia alla Cina all Australia, per vedere se la fissazione di CO2 possa essere spiegata da deposizioni di azoto e fertilizzazione occulta.
Inquinamento, fertilizzazione e fissazione della CO2 ovvero: non tutto il male viene per nuocere!! Quali le conclusioni? La capacità delle foreste di fissare carbonio dall atmosfera è strettamente correlata alle deposizioni atmosferiche di azoto. Questo inquinante, ricadendo sulle foreste, le fertilizza e ne stimola la crescita. Ma allora: l inquinamento fa bene all ambiente? Andiamoci piano! Ma ricordiamo che a volte la natura ha in serbo delle sorprese! da Magnani et al. 2008
Deposizioni azotate e bilancio del C effetti dell eutrofizzazione degli ecosistemi Deposizioni N Rh NPP Prelievo N Piante Prelievo N Suolo C & N in lettiera Deposizioni di N NEP Rh NPP Piante Suolo C & N in lettiera
Accumulo di carbonio nella vegetazione temperata e boreale aumento della crescita dei boschi europei Nella maggior parte dei Paesi europei si osserva inoltre oggi un aumento dei tassi di crescita, legati al maturare di boschi spesso ancora troppo giovani, all effetto della CO2 e delle temperature, ma soprattutto all effetto spesso benefico delle emissioni antropiche di Nox, che fungono da veri e propri fertilizzanti per gli ecosistemi forestali in genere poveri di nutrienti. Occorre ricordare che non sempre l azione dell uomo ha effetti del tutto negativi! Aumento della crescita delle foreste europee, 22 studi in 12 paesi (Spiecker et al. 1998)
Accumulo di carbonio nella vegetazione temperata e boreale aumento della crescita dei boschi europei
da Kuusela 2004
Il bosco in Italia recenti variazioni della copertura forestale Una comprensione della storia del bosco è tanto più importante per i cambiamenti intercorsi nel territorio appenninico nell ultimo secolo. Molte aree oggi boscate erano infatti sensibilmente degradate a causa del pascolo transumante e dei tagli intensivi per legna da ardere. Non sempre ci troviamo di fronte ad un peggioramento dello stato dell ambiente. Lago Pradaccio (PR): modificazioni 1900-2000
Non solo carbonio dall azoto adottiamo una prospettiva globale N use and emissions + Atmospheri c ozone + + Aerosol, CH4 turnover - + N leaching, water quality Atmospheri c ozone Other environmental effects N deposition on natural ecosystems + 40 vs 200 kg C / kg N N2O + Ecosystem C sink - + Climate forcing Climate change
Effetti del Global Change sulle foreste aumento della temperatura: la lezione della heat wave del 2003 Aumento temperatura Luglio-Settembre Variazione precipitazioni annue Variazione frazione luce assorbita Variazione produttività primaria
Effetti del Global Change sulle foreste aumento della temperatura: variazioni di habitat e infestazioni Non bisogna inoltre dimenticare gli effetti potenziali dell espansione degli habitat di specie potenzialmente nocive, ed il conseguente rischio di infestazioni (ad es. Dendroctonus ponderosae in Canada; Kurz et al. 2008) da Kurz et al. 2008
E allora? qualche riflessione la realtà è più complessa di quanto ci piaccia credere, e sorprende chi la studia con sempre nuovi colpi di scena e paradossi. Sta a noi non farci intrappolare nei nostri preconcetti ma guardare il mondo con una mente aperta. non sia sempre giusto rimpiangere una supposta età dell oro pre-industriale in cui l uomo viveva in equilibrio con la Natura la crisi ambientale non esiste, allora? Esiste, eccome! ma ogni suo aspetto va valutato con un sano spirito critico