Diapositiva 1 - e

FORESTE E CAMBIAMENTI CLIMATICI
SFA (GAB) – II anno – II semestre
A.A. 2013-2014
CICLO DELL’ACQUA
CICLO DELL’ACQUA
1 Pg = 1 Gt = 1015 g
Atmosfera = 13 000 Pg
Il serbatoio dell’atmosfera è ≈ 1%
dei flussi di acqua tra superficie
(terre+oceani) e atmosfera
NON IMMAGAZZINA ACQUA
Acqua nel suolo = 120 000 Pg
Traspirazione = 10 000 Pg
Evap. superficie = 61 000 Pg
ETTOT = 496 000 Pg
Evap. oceani = 425 000 Pg
FLUSSI
Precip. sulla superficie = 110 000 Pg
Precip. Sugli oceani = 385 000 Pg
PrecipitazioniTOT = 495 000 Pg
CICLO DEL CARBONIO
Emisfero Nord
Emisfero Sud
CICLO DEL CARBONIO
~ 800
CICLO DEL CARBONIO
Atmosfera = 800 Pg
Acque superficiali = 1000 Pg
Acque profonde = 38 000 Pg
Vegetazione = 650 Pg
Decomposizione = 60 Pg
Suolo = 1500 Pg
(+ ≈1700 Pg permafrost)
Produzione primaria netta (NPP) = 60 Pg
Emissioni antropogeniche ≈ 8 Pg C
Incendi ≈ 4 Pg C
- Respirazione eterotrofi = 55 Pg
+ 5 Pg
BILANCIO FLUSSI C
Su scala globale la vegetazione ha un effetto
sink (sottrazione di CO2) pari a 5 Pg C
Le emissioni di C antropogeniche e
naturali superano le capacità di
assorbimento di ≈ 5 Pg (assorbimento
annuale netto dell’atmosfera)
Gli oceani hanno un effetto sink pari a 2 Pg C
CICLO DEL CARBONIO
FORESTE E CICLO DEL CARBONIO
Effetto sink globale degli ecosistemi forestali: 1.21 Pg yr-1
ALTERAZIONE CICLO DEL CARBONIO
È in gran parte dovuta alle attività antropiche
• Ecosistemi forestali non compensano completamente per le emissioni
antropiche
 Elemento sensibile del ciclo del carbonio:
 Foreste boreali (sink: > accrescimento; incendi boschivi?)
 Foreste temperate (sink: > accrescimento; ricolonizzazione forestale)
 Foreste tropicali (in equilibrio: zone sink compensano deforestazione;
aridità? feedback deforestazione?)
In che direzione stiamo andando?
• Quali sono i tempi di risposta degli ecosistemi forestali ai cambiamenti climatici?
 Tempi di adattamento / acclimatazione?
 Suscettibilità ai disturbi?
• Interazioni e meccanismi di retroazione (feedback)
• …
• …
CICLO DELL’AZOTO
La disponibilità di azoto (N) rappresenta un importante fattore limitante
per la produttività di un ecosistema
CICLO DELL’AZOTO
La maggior parte di N è immagazzinata in
atmosfera
N2 è indisponibile alla maggior parte degli
organismi
Organismi azoto fissatori trasformano N2
in ammonio (NH4+) innescando il ciclo
complessivo
Ciclo di N è fortemente legato al
turnover della sostanza organica negli
ecosistemi forestali e marini
Processi di nitrificazione e denitrificazione avvengono per la maggior parte negli oceani
e negli ecosistemi tropicali-equatoriali
Attività antropiche:
• Utilizzo di specie in simbiosi con azotofissatori
• Produzione e utilizzo di fertilizzanti
• Emissione di composti azotati in atmosfera (N2O, NOx, NH3)
CICLO DELL’AZOTO
La fissazione di N di origine antropogenica negli ecosistemi terrestri è pari a quella di
origine naturale ad opera dei microorganismi azoto-fissatori
Può avere un forte impatto sulla biodiversità, in quanto può favorire specie “consumatrici
di azoto”
Utilizzo massiccio di fertilizzanti determina un accumulo di nitriti (NO2) e nitrati (NO3)
(nocivi alla salute) nel terreno e nei bacini idrici
CICLO DEL FOSFORO (P)
CICLO DEL FOSFORO (P)
Atmosfera è povera di P
Ciclo di P non ha flussi mediati da
organismi viventi
P entra nel ciclo nella sua forma minerale
P negli ecosistemi è reso disponibile
dal turnover della sostanza organica
Apporti naturali di P negli ecosistemi avvengono in tempi lunghi e determinati da
processi di erosione
P utilizzato nei fertilizzanti è ≈ 20% dei flussi naturali di P
CICLO DEL FOSFORO (P)
Nonostante il continuo aumento di fertilizzanti fosfati, la riduzione del contenuto di
fosforo negli ecosistemi forestali è pari al doppio dell’apporto di P di origine antropica
Le attività antropiche (uso del suolo + pascolo) favoriscono l’erosione dei suoli
CICLO DELLO ZOLFO (S)
Bassa concentrazione
Grande importanza per la fisica
dell’atmosfera
Solfati (aerosols)
Albedo
(diretto +indiretto (nuvole))
Attività antropiche (emissioni + miniere: 100 Tg yr-1) aggiungono il 50% di S al naturale ciclo
globale
Come agenti condensanti riducono la capacità di ritenzione del vapore dell’atmosfera
FORCING RADIATIVO: variazione sul bilancio radiativo terrestre (W·m-2) a livello della bassa
troposfera causata da una perturbazione
RISPOSTA AL FORCING
Componente del
sistema climatico
(Temp. H2O)
intermezzo
(calore)
Forzante
climatico
Il tempo di risposta è esponenziale:
l’intensità di risposta si attenua in maniera
costante fino al raggiungimento dell’equilibrio
(es. ΔT si dimezza per ogni minuto trascorso)
VELOCITÀ DI RISPOSTA AL FORCING RADIATIVO
La velocità di risposta è tanto maggiore quanto più lo
stato del sistema è distante dall’equilibrio
-
-
intensità
forcing
velocità
risposta
+
+
Quando il forcing segue un andamento ciclico, anche la risposta è ciclica
FORCING CICLICI
L’intensità della risposta dipende dalla frequenza del forcing
L’intensità della risposta è alta per cicli lenti (il sistema ha più tempo per reagire)
+
frequenza
forcing
intensità
risposta
+
VELOCITÀ DI RISPOSTA E FORCING CICLICI
Se il tempo di risposta è lento, il segnale di risposta al forcing è più debole e
difficile da decifrare
CRIOSFERA
RIDUZIONE DEI GHIACCI POLARI
Arctic sea
I ghiacci dell’Artico sono più
sensibili allo scioglimento:
• > ghiaccio marino
• Corrente del Golfo
• Prossimità aree industrializzate
< albedo
Antarctic sea
I ghiacci dell’Antartide:
• > ghiaccio continentale
• No correnti calde
• Distanza da altri continenti
PERMANENZA DI NEVE E GHIACCIO
L’estensione della copertura nevosa è
minore nella tarda stagione invernale (si
scioglie prima)
Laghi e fiumi ghiacciano più tardi, mentre il
periodo di disgelo avviene prima
GHIACCIAI ALPINI
1 km
LAGO TSHO-ROLPA (NEPAL)
Le acque di scioglimento dei ghiacciai a monte
stanno alimentando il lago, contenuto da una diga
naturale di origine morenica
Forte rischio per i 18 villaggi a valle
GEOSFERA
GEOSFERA
LITOSFERA
Variazioni su scale temporali molto
lunghe:
 Movimenti tettonici
 Movimenti del mantello
 Litogenesi
PEDOSFERA (SUOLO)
Sistema dinamico e complesso
all’interfaccia tra:
• Atmosfera
• Idrosfera
• Biosfera
Variazioni su scale temporali mediobrevi:
 Temperatura
 Acqua
 Tipo di soprassuolo
PEDOGENESI
Insieme di processi fisici, chimici e biologici che portano alla formazione di un
suolo a partire dal substrato pedogenetico (alterazione della roccia madre)
•
Disgregazione della roccia madre
•
Processi di erosione
•
Primi depositi di sostanza organica
•
Sviluppo del soprassuolo
•
Formazione humus
•
Evoluzione soprassuolo
TEMPI LUNGHI
TEMPI MEDIO-BREVI
•
Maturazione suolo
anni-decenni-secoli?
Dinamica dipendente da GPP e DECOMPOSIZIONE
DECOMPOSIZIONE
Insieme di processi fisici, chimici e biologici che ri-processano (riducono) la sostanza
organica morta (piante, animali, materiale microbico,…) per via metabolica, rilasciando
carbonio in atmosfera ed elementi inorganici (mineralizzazione; rilascio di nutrienti nel
suolo)
3 PROCESSI
•
•
LISCIVIAZIONE
FRAMMENTAZIONE DELLA LETTIERA
•
ALTERAZIONE CHIMICA
LISCIVIAZIONE
•
Discioglimento di SO solubile (nella lettiera fresca: zuccheri, amminoacidi) in
acqua e percolazione verso gli strati più profondi del suolo
•
È maggiore in ambienti caldi e umidi (molte precipitazioni)
•
È scarsa in ambienti aridi
FRAMMENTAZIONE DELLA LETTIERA
•
Attività di animali che sminuzzano la lettiera per cibarsi
•
Cicli di gelo/disgelo (importante per ecosistemi sub-polari, es. tundra)
 Aumenta l’esposizione di superfici labili all’attacco di batteri e funghi
ALTERAZIONE CHIMICA
FUNGHI
•
•
•
•
Presenti soprattutto nella lettiera
Ife esplorano il terreno
Solo metabolismo aerobio
Vantaggio competitivo a pH acidi (bassi)
BATTERI
•
•
•
•
•
Presenti soprattutto nei macropori della rizosfera
Solo immobili e si muovono passivamente (acqua o animali)
Possono impoverire il suolo se la disponibilità idrica è scarsa
Vantaggio competitivo a pH basici (alti)
Lunghi periodi di quiescenza
Batteri e funghi rappresentano il 70-80 % di C e N labili (facilmente
degradabili)
ANIMALI NEL TERRENO
Animali acquatici:
• Predazione batteri
80 g m-2 anno-1 di batteri
2-13 g m-2 anno-1
mineralizzazione azoto
Digestione di lettiera fine+batteri:
• facilita l’azione dei batteri
Modificano le proprietà fisiche di
suolo e lettiera:
• creano canalizzazioni che
migliorano l’aerazione
migliorano il movimento
dell’acqua
• alterano gli orizzonti del suolo
Turnover di C e N nel suolo (disponibile per l’assorbimento radicale delle piante) è
direttamente proporzionale al tasso di predazione di batteri da parte degli animali.
DECOMPOSIZIONE
La massa di sostanza organica decomposta diminuisce con il tempo secondo una
funzione esponenziale
Lt
ln   kt
L0
Lt  L0  e  kt
Tasso di
decomposizione
k varia con le caratteristiche del substrato:
• Decomposizione più rapida (k grande) dove la
SO è facilmente degradabile (meno lignine,
fenoli, ecc.)
1
t
k
Laccumulat a
Ldepositat a
k
Il tempo di residenza della lettiera (t)
La decomposizione dipende dall’attività dei microorganismi del suolo
TEMPERATURA
Il tasso metabolico dei MO è fortemente
influenzato dalla temperatura
Effetti:
• Comunità di MO variano con T
(acclimatazione)
• Aumento T produce:
 aumento decomposizione in ambienti
umidi (migliora aerazione suolo)
 riduzione decomposizione in
ambienti aridi (immobilità batteri)
UMIDITÀ DEL SUOLO
ALTA: limitante quando non permette una sufficiente aerazione del suolo
(torbiere)
Feedback positivo con il riscaldamento globale e l’aumento di prolungati periodi
di siccità
BASSA: è meno limitante rispetto alle piante
PRODUZIONE E ACCUMULO DI LETTIERA
Gradiente latitudinale di tasso di decomposizione della lettiera (k)
• Dipende da temperatura e precipitazioni
• Dal tipo di soprassuolo (o viceversa?):
 Alti valori di k sono strettamente legati alla buona qualità della lettiera
(comosti organici labili: basso rapporto lignina:N)
Alcune considerazioni…
Su scala globale, il bilancio di C nelle
foreste è al limite delle capacità di
assorbimento netto (sink)
Tempo di risposta e acclimatazione
delle comunità di MO nel suolo è più
veloce delle comunità vegetali
Importante stimare e monitorare i
serbatoi di C nel suolo
Effetti dei cambiamenti climatici sul ciclo del C?
• Degradatzione suoli?
• Successioni?
• Capacità e velocità di acclimatazione/adattamento delle diverse specie?
• Biodiversità?
PERMAFROST
Suolo perennemente congelato
• Prevalente nelle regioni artiche
• Presente ad alte altitudini (nelle Alpi oltre 2600
m s.l.m. esposizioni N)
Ricco di sostanza organica:
• 500-1700 Pg (1015 g) di C [C in atmosfera è 760
Pg]
• ≈ riserve di C stoccate nel suolo su scala
globale [1500 Pg]
SISTEMA VULNERABILE:
• Perdita 1% permafrost ≈ 0.5-2*emissioni
antropiche annue (≈8Pg/anno)
• Decomposizione suolo ha tempi di
risposta rapidi
• Alto rischio innesco feedback positivo sul
riscaldamento globale
• Sotto al permafrost:
 estesi giacimenti di CH4
BIOSFERA
BIOSFERA
Insieme delle zone della Terra in cui le condizioni ambientali permettono lo
sviluppo della vita.
Comprende:
• Parte superiore geosfera (suolo)
• Idrosfera
• Primi strati atmosfera (bassa troposfera)
 Presenza di organismi viventi
Autotrofi
 Piante
 Alghe
 Batteri
Eterotrofi:
 Animali
 Batteri
 Funghi
Produttori di SO negli ecosistemi
 Fotosintesi
Consumatori di SO
 Respirazione aerobia
 Altro: chemioautotrofia
 Altro: fermentazioni
Ecosistemi forestali: 30% terre emerse; 80% C epigeo a scala globale
(≈ 0.8*650 ≈ 520 Pg)
!!!TANTO CARBONIO!!!
“COMPRENDERE” L’EFFETTO DEI
CAMBIAMENTI CLIMATICI
SULLE DINAMICHE FORESTALI
FOTOSINTESI
Processo fotochimico che porta alla trasformazione di acqua e anidride
carbonica in zuccheri (glucosio), più ossigeno (scarto)
+
6 H2O + 6 CO2 = C6H12O6 + 6 O2
Assorbimento radicale e
trasporto fino alle foglie
• Tensione coesione
 VPD atmosfera
 Stato idrico del suolo
 Efficienza sistema di
trasporto xilematico
= Stato idrico della pianta
Diffusione all’interno del
mesofillo e fissazione
enzimatica
• Dimensione e densità stomi
• Apertura stomatica
• Attività Rubisco
Limitazioni:
• ridotto gradiente di potenziale
idrico (ΔΨ) tra foglie e radici
Limitazioni:
• bassa concentrazione di CO2
• alta e bassa tempertura
IMPORTANZA DELL’ACQUA
Il trasporto dell’acqua è un processo molto costoso
1%
FOTOSINTESI
• Precursore fondamentale
(donatore di elettroni)
99 %
EVAPOTRASPIRAZIONE
• Fondamentale per la
termoregolazione (calore
latente di evaporazione)
Limitazioni al processo di trasporto idrico sono molto dannose per le piante
perché impediscono:
• L’attività fotosintetica
IL TRASPORTO IDRICO DEVE
 Blocco produzione nuova SO
• La termoregolazione dei tessuti
 Degenerazione dei tessuti
ESSERE MANTENUTO
EFFICIENTE A TUTTI I COSTI
TRASPORTO IDRICO
Flusso idrico può essere analizzato come un circuito elettrico
Legge di Darcy
CONDUCIBILITÀ IDRAULICA
(CONDUTTANZA)
F = K·(ΨATM - ΨSUOLO)
R = 1/K
RESISTENZA IDRAULICA
Atmosfera: ΨATM ≈ -100 MPa
RFOGLIE
F=
+
RFUSTO
F
RRADICI
Suolo: ΨSUOLO ≈ -0.1 MPa
ΨATM - ΨSUOLO
R RADICI + RFUSTO + RFOGLIE
ΨFOGLIARE si misura con la camera a pressione (≈ -1 MPa)
ET  F 
ΨATM - ΨFOGLIARE
RFOGLIA
>90 % RTOT della pianta
VAPORE
ΨFOGLIARE = -2 MPa
ACQUA LIQUIDA
Xilema (fusto e radici):
• 99.9% lunghezza del percorso idrico
• ΔΨ molto piccolo
• Trasporto apoplastico:
• Tensione-coesione
ΨFOGLIARE  ΨSUOLO
F
R XILEMA  RROOTLETS
Peli radicali:
• Bande di Caspary (F per via simplastica)
 Trasporto H2O mediato dalla membrana cellulare
 Alta resistenza idraulica
ΨSUOLO = -0.1 MPa
F  K  ΔΨ 
L
ΔΨ
d
F
1
256
R
ΔΨ
R
128  η  L
π  d4
DARCY
HAGENPOISEUILLE
F = F
• In prossimità delle foglie la tensione è elevata (Ψ
molto negativo):
 Vasi/tracheidi piccoli per evitare cavitazione
• La pianta sfrutta/gestisce il gradiente di Ψ lungo
fusto e radici per ingrandire gli elementi verso la
base →
WIDENING
• La capacità di formare cellule grandi dipende da:
 Genetica
 Disponibilità idrica
 Temperatura
WIDENING
Aumento grado di
widening
Per effetto del widening la resistenza
idraulica (RTOT) rimane costante anche se H
aumenta
F ≈ cost
durante l’ontogenesi
CRESCITA IN ALTEZZA
TAPERING
GENETICA
ACQUA
CELLULE GRANDI
ALLA BASE
CELLULE
PIÙ PICCOLE
TEMPERATURA
L’accrescimento longitudinale è un parametro diagnostico per lo
stato di salute della piante e della risposta alla variazione dei fattori
ambientali