Valutazione degli impatti dell`ozono e dei cambiamenti climatici

FO3REST - Valutazione degli impatti dell’ozono e dei cambiamenti climatici sulle
foreste franco-italiane: definizione di criteri e soglie di protezione
N° del progetto
LIFE10 ENV/FR/000208
Website
www.fo3rest.eu
Contatto
Dr Pierre SICARD
Email : [email protected]
Durata
01/09/2011 – 31/12/2014
Bilancio totale
Contributo CE
1 320 752 euro
640 606 euro
Questo lavoro è reso possibile grazie al contributo finanziario
del programma LIFE dell'Unione Europea, ma anche alla buona
cooperazione e all’armonia fra i partner di progetto.
Peculiarità del Mediterraneo: il cambiamento climatico
e l’inquinamento da ozono, una problematica comune
Le foreste hanno funzioni significative sia dal punto di
vista economico sia ricreativo, per la tutela dell'ambiente
e per la conservazione della natura.
Il bacino del Mediterraneo sarà una delle aree del mondo
maggiormente colpite dal cambiamento climatico. La
temperatura media annuale potrebbe aumentare di almeno
3°C entro il 2100.
Attualmente, l'ozono è l'inquinante atmosferico più
preoccupante per le foreste. Le foreste mediterranee
saranno particolarmente vulnerabili agli impatti negativi
in un contesto di riscaldamento globale.
In stratosfera, l'ozono (O3) gioca un ruolo di schermo
naturale e benefico rispetto agli effetti dannosi dei raggi
ultravioletti (UV) sulla materia organica (= O3 buono).
Nella troposfera, l’O3 è un inquinante che si produce
durante la foto-ossidazione atmosferica dei suoi precursori:
composti organici volatili (COV) e ossidi di azoto (NOx)
emessi principalmente da attività antropiche (= O3 cattivo).
Progetto significativamente collegato alla biodiversità
Le foreste sono una delle principali sedi di biodiversità
dell'Unione europea e contribuiscono a regolare il clima
assorbendo CO2 dall'aria ed attraverso l’attività di
stoccaggio del carbonio.
I cambiamenti climatici e l'inquinamento dell'aria
interagiscono nell'influenzare la biodiversità forestale in
seguito a cambiamenti nella crescita degli alberi, nella
composizione e distribuzione delle specie, suscettibilità
delle piante, pericolo di incendio. ...
Contesto
Per proteggere la vegetazione, gli attuali standard europei
utilizzano l'indice AOT40, che si basa sulle
concentrazioni di O3 nell'aria eccedenti i 40 ppb, nelle ore
di luce della stagione vegetativa (aprile a settembre).
Figura 1: Schema semplice per la formazione di "O3 cattivo"
L'ozono è il terzo più importante gas a effetto serra, e
come tale è contribuisce significativamente al
cambiamento climatico. Su scala globale, i livelli di
ozono di fondo potrebbero triplicarsi entro il 2100.
Le più alte concentrazioni di O3 sono osservate in tutto il
bacino del Mediterraneo in cui le emissioni dei suoi
precursori, la temperatura e la radiazione solare sono
generalmente elevati, in particolare durante il periodo
estivo. In futuro, il bacino del Mediterraneo sarà
fortemente influenzato dall’aumento dell’ozono.
Alcuni scienziati hanno dimostrato che l'indicatore di
rischio attuale AOT40 è inadeguato, in particolare per le
aree mediterranee.
L'ozono penetra nelle foglie attraverso gli stomi1 (flusso
stomatico) e si degrada istantaneamente al contatto con
le cellule, innescando reazioni a catena che possono
condurle a morte.
Gli effetti dell'ozono sulla vegetazione non dipendono
solo dalle concentrazioni atmosferiche, ma dipendono
anche dall’assorbimento di O3 attraverso gli stomi delle
foglie o degli aghi.
1
Aperture specializzate nella superficie delle foglie e permettono alla pianta
gli scambi di gas a vapor d’acqua con l'atmosfera.
Verso una nuova normativa europea per proteggere
la vegetazione
I livelli critici sono definiti come il "flusso stomatico
cumulato di inquinanti al di sopra sopra del quale
possono verificarsi effetti negativi sulla vegetazione
sensibile in base alle attuali conoscenze".
L'approccio basato sul flusso stomatico stima il valore di
O3 che viene assorbita nelle foglie o negli aghi attraverso
gli stomi, tenendo conto degli effetti di molteplici fattori
climatici, caratteristiche della vegetazione e inputs locali
e fenologici.
La Dose di Ozono Fitotossica, superiore alla soglia Y di
assorbimento (PODY) è il flusso stomatico cumulato di
O3 nel corso della stagione di crescita e può essere
modellato con la Deposizione di Ozono ed il modello di
Scambio stomatico, detto DO3SE.
Attualmente,il PODy è in discussione come nuovo
standard legislativo europeo. Tuttavia, non c'è
consenso scientifico riguardo la finestra temporale per
l'accumulo di POD e manca ancora una validazione della
soglia Y in condizioni di campo.
Gli studi epidemiologici, dove le risposte biologiche su
larga scala sono confrontate con i dati raccolti sul
campo, possono fornire informazioni utili per stabilire i
migliori standard e le soglie per la protezione delle
foreste dall’O3 e per derivare nuovi livelli critici basati
sul flusso stomatico (CLef) per la protezione delle
foreste.
Perché è importante per sviluppare standard sulla
base della dose di ozono assorbita dalle piante?
Ad oggi, la maggior parte degli esperimenti per stabilire
standard sono stati eseguiti in condizioni controllate (in
laboratorio) che non sono rappresentative delle
condizioni di campo effettivo.
Pertanto, per proteggere le foreste contro l'inquinamento
da O3, sono necessarie norme appropriate e soglie
realistiche, rappresentative delle condizioni di campo
effettivo.
La derivazione di nuovi livelli critici (CLef) per specie
arboree sud-europee rappresenta un notevole progresso
nello sviluppo di metodi per quantificare gli effetti
dell’O3 sulla vegetazione a scala regionale.
Gli obiettivi erano (i) valutare le prestazioni di indici di
rischio da O3, cioè PODy e AOT40, da una indagine in
campo su larga scala in Europa meridionale, (ii) definire
quale soglia Y è più biologicamente significativa; (iii)
determinare la migliore finestra temporale di accumulo
del PODY; (iv) suggerire nuovi livelli critici di O3 basati
su dati epidemiologici per la protezione delle foreste e
(v) classificare specie forestali sulla base della loro
sensibilità all’O3 ambientale in alberi maturi.
Collaboratori
Collaboratori del progetto : ACRI-ST, GIEFS
(Raggruppamento di studi internazionali delle foreste
sud-europee), IPP-CNR (Consiglio Nazionale delle
Ricerche - Istituto per la Protezione delle Piante) e
ENEA (Agenzia nazionale per le nuove tecnologie,
l'energia e lo sviluppo economico sostenibile).
Il supporto tecnico del progetto è fornito dal Parco
Nazionale del Mercantour, Gran Sito Sainte-Victoire,
ONF (Office National des Forêts), IPLA (Istituto per le
Piante da Legno e l’Ambiente), CRA (Consiglio per la
Ricerca e la sperimentazione in Agricoltura), CFS
(Corpo Forestale dello Stato) e dal JRC (Joint Research
Centre).
Attività sperimentali
Le attività sperimentali sono state effettuate, in 2012 e
2013, in 30 siti forestali nel sud-est della Francia e 24
siti in Piemonte, in Italia, dove i livelli di O3 superficiali
sono molto elevati.
1. In questo progetto, i flussi stomatici di O3 sono state
modellati (DO3SE) e correlati (test di Spearman) a
specifici indicatori del mondo reale di risposta
forestale, cioè danni fogliare visibili da O3.
2. Sono stati confrontati tre indici di danno da O3, cioè
AOT40 e flusso stomatico cumulato con e senza una
soglia oraria (POD1 e POD0, rispettivamente).
3. Dalle relazioni statisticamente significative flussoeffetto, sono state proposte nuovi livelli critici
specie-specifici (CLef) per la protezione delle
foreste.
I risultati serviranno come strumento di supporto
decisionale per le autorità nazionali ed europee.
Obiettivi del progetto
L'obiettivo principale è stato quello di valutare l'attuale
standard normativo europeo AOT40 e di suggerire
nuovi standard e livelli critici appropriate per la tutela
delle foreste del Mediterraneo, in base alla quantità di
ozono assorbita dalle piante, rispetto all'esposizione
esterna implicita nell'indice AOT40.
Figura 2: Area di studio. I punti neri rappresentano i siti
forestali studiati
Il flusso stomatico di ozono modellato
Per ogni specie di alberi, utilizzando il modello DO3SE,
il flusso di O3 stomatico cumulato (Fst) è stato calcolato
nel corso di un intervallo di tempo specificato ed
espresso come PODY cioè Dose di Ozono Fitotossica,
dove Y rappresenta una soglia di detossificazione.
con almeno 30 aghi / foglie per ciascun ramo, o ago per
classe di età, e sono stati classificati per punteggio.
Infine, è stato calcolato una percentuale media di
superficie di ago / foglia colpita da danni visibili fogliare
da O3 per ogni sito.
Il PODY stato stimato per due diverse soglie Y: 1 e 0
nmolO3*m-2*S-1 come suggerito dal fatto che ogni
molecola O3 che entra nella foglia può indurre una
risposta metabolica.
PODY   max (Fst  Y),0 .dt
n
i 1
dove PODy (mmol*m-2) è il flusso stomatico di O3 al di
sopra della soglia Y cumulato, calcolato dai valori orari
di Fst, dove n indica il numero di ore da includere nel
periodo di calcolo e dt = 1h.
Sia POD0 che POD1 sono stati calcolati su 3 finestre
temporali nel corso della stagione di crescita:
 Dalle 8am alle 8pm, in accordo definizione adottata
dalla normativa europea (direttiva 2008/50 / CE);
 Nelle ore in cui la radiazione globale era> 50 Wm-2,
secondo il criterio adottato da UNECE2
 Nelle ore con una radiazione globale> 0 Wm-²,
assumendo che gli stomi siano aperti anche con
radiazione solare <50 Wm-2.
Abbiamo usato le parametrizzazioni disponibili per le
foreste decidue latifoglie (Fagus sylvatica, Quercus
cerris, Q. petraea, Fraxinus excelsior, Robinia
pseudoacacia) e per le conifere in Europa centrale (P.
cembra, P. sylvestris, Abies alba e Picea abies) e per le
foreste mediterranee sempreverdi (P. halepensis).
I flussi di ozono modellati sono stati tradotti in impatti
sulle foreste Mediterranee in termini di danni visibili.
Figura 3: Per esempio, i sintomi dell'ozono su due alberi nella
nostra regione
In generale,
Conifere
 Tipburn – tessuto morto (di solito rosso o marrone)
diffondendo dalla punta degli aghi verso il basso.
 Photobleaching - Specifica decolorazione degli aghi, su
superfici esposte alla luce.
 Chlorotic mottle - Piccola macchia giallo o verde chiaro o
marmorizzazione con contorno diffuso, in particolare sul
lato superiore e la punta degli aghi.
 Senescenza accelerata.
Latifoglie
 Stippling - scolorimento che avviene tra le nervature. Di
solito appare come macchie rosse o brune.
 Chlorosis - Perdita di clorofilla manifesta come
pigmentazione non verde in zone discrete sulla foglia.
Scolorimento delle superfici fogliari esposte alla luce.
 Bronzing / Flecking – aree brune o nere sulla superficie
superiore della foglia determinate da morte di alcune
cellule nella pianta.
 Bifacial necrosis – aree morte su entrambe le face fogliari.
 Senescenza accelerata – perdita premature di foglie, fiori o
frutti.
Valutazione dei danni fogliare visibili da ozono
Nei 54 siti, 1.080 alberi sono stati esaminati nel corso
dei due anni alla fine della stagione di crescita
(settembre).
Analisi statistica
Le valutazioni hanno seguito la metodologia europea
ICP-Forests3 comprendente tre fasi: la descrizione dei
sintomi, la determinazione delle cause e quantificazione
dei sintomi, cioè la percentuale di superficie fogliare
colpita da danni da O3 per foglia (danni visibili fogliari
da O3).
Il test di Spearman ha permesso di chiarire il rapporto tra
le quantità di ozono assorbito dalle piante (PODY) e i
danni fogliari visibili da O3.
Per ogni sito, cinque alberi sono stati selezionati in
modo casuale. Per ogni albero sono stati rimossi (con
forbici telescopiche), 5 rami esposti alla luce del sole
Poiché il PODY era fortemente correlata con i danni
fogliari visibili da O3 e le correlazioni erano più
significativeo per il POD0 che per il POD1, abbiamo
selezionato i danni fogliari visibili da O3 come
parametro di effetto ed il POD0 come indicatore di O3
per la definizione dei livelli critici basati sul PODY.
2
United Nations Economic Commission for Europe
The International Co-operative Programme on Assessment and Monitoring
of Air Pollution Effects on Forests
3
Abbiamo correlato PODY (Y = 0 e Y = 1) agli impatti
sulle foreste in termini di danni fogliari visibili da O3.
Calcolo dei livelli critici
Il CLef è stato derivato dalle funzioni flusso-effetto per
il 15% dei danni fogliari visibili da O3. Abbiamo
considerato che un albero con danni fogliari visibili da
O3 superiore al 15% è classificato come danneggiato.
Dalle relazioni flux-effetto statisticamente significative,
sono stati quindi derivati nuovi livelli critici speciespecifici, unendo i dati provenienti da tutti i siti e gli
anni per la protezione delle foreste.
Validazione del modello DO3SE
FO3REST ha fornito l'occasione per presentare una
validazione del modello di parametrizzazione DO3SE
attraverso un confronto tra deposizione di O3 totale
osservata e modellata de ha esteso il numero di studi di
valutazione del modello DO3SE condotti in condizioni
di "stile mediterraneo" per le specie arboree
mediterranee.
Grazie a FO3REST, abbiamo ampliato il set di dati sitospecifici biologici, climatici, del suolo e dell’O3 così
come i dati dei danni sulla vegetazione, per validare la
metodologia di flusso.
Principali risultati
Abbiamo dimostrato che una valutazione del rischio
basata su PODY e sui sintomi delle piante reali è più
appropriata rispetto al metodo basato sulla
concentrazione.
Figura 4: Esempio di rapporto flusso -effetto per conifere che
mostra la risposta dei danni fogliari visibili da O3 rispetto al
POD0 e calcolo del livello critico flux-based (CLef) sulla base
di soglia del 15% come media superficie fogliare danneggiata
per sito.
Il PODY era meglio correlato danni visibili fogliari da
O3 rispetto all’AOT40, mentre l’AOT40 era meglio
correlato con indicatori aspecifici (ad esempio la
decolorazione e la defogliazione delle chiome).
Il PODY è meglio dell’AOT40 come indice di rischio da
O3 per le foreste del Sud Europa.
Il flusso di ozono stomatico misurato
Le misurazioni dei flussi di O3 sono state effettuate in
siti selezionati attraverso approccio micrometeorologico
Eddy-covariance a livello della chioma forestale.
L'innovativa tecnica Eddy-covariance si basa sul
calcolo della covarianza della componente verticale del
vettore vento e della concentrazione di ozono, entrambe
misurate ad altissima frequenza di campionamento
(10Hz).
La tecnica Eddy-covariance richiede misurazioni di
fluttuazioni turbolente estremamente rapide e quindi i
sensori utilizzati e gli analizzatori devono avere un breve
tempo di reazione combinato con un elevata selettività.
Le relazioni migliori flux-risposta rispetto ai danni
fogliari visibili da O3 sono stati ottenuti quando non vi
era alcuna soglia (POD0) oltre la quale il flusso è stato
accumulato rispetto a quando è stato utilizzato il POD1.
Ogni molecola di O3 che entra nella foglia induce una
risposta metabolica. Inoltre, la sensibilità del PODY agli
inputs tipicamente aumenta con il valore della soglia di
Y.
Si consiglia di mantenere il valore Y più basso possibile
(POD0) come soglia più biologicamente significativa.
A seguito di una definizione pratica, confrontando il
PODY accumulato dalle 08:00 alle 20:00 o per le sole
ore diurne con radiazione globale> 50 W.m-², abbiamo
dimostrato si aveva una sottostima del reale
assorbimento di O3.
Nella valutazione epidemiologica del rischio da O3 per
le foreste, si consiglia l'uso di POD0 con 24 ore di
finestra temporale di accumulo a radiazione solare non
nullo, perché ha sia significato biologico che praticità
nell'uso.
Figura 5 : Vista schematica di uno strumento di misura dei
flussi di ozono
La più importante variabile ambientale che influenza i
danni visibili da O3, in tutte le specie arboree, era il
contenuto idrico del suolo. Il modello DO3SE deve
quindi includere la funzione contenuto idrico del suolo,
perché è fondamentale per gli ambienti con limitata
disponibilità idrica.
A seconda della superficie medio affetti da danni
visibili da O3, i nostri risultati hanno permesso di
classificare le specie forestale sulla base della loro
sensibilità rispetto all'O3.
Come conclusione principale, proponiamo di utilizzare
livelli critici generici basati sul flusso, come 19 mmol.m2
per conifere altamente sensibili (es P. cembra) e specie
di latifoglie (cioè Fraxinus excelsior); 24 mmol.m-2 per
conifere moderatamente sensibili (es P. halepensis) e 21
mmol.m-2 per le specie di latifoglie moderatamente
sensibili (es. Fagus sylvatica).
ecosistemici nell'UE entro il 2020: "La nostra
assicurazione sulla vita, il nostro capitale naturale:
strategia dell'UE sulla biodiversità fino al 2020" (COM
(2011) 244).
FO3REST contribuisce al raggiungimento degli obiettivi
dell'UE per la biodiversità attraverso:
Abies alba, P. abies e Quercus specie (es Q. cerris e Q.
petraea) hanno mostrato livelli molto bassi di danni
visibili da O3 e possono essere classificate come specie
ozono tolleranti.
 Una migliore comprensione degli effetti dei
cambiamenti climatici sulla biodiversità, resilienza e
servizi associati, e di individuare modi per
migliorare il quadro giuridico e politico.
 Lo sviluppo di strategie basate sulla scienza, metodi
e raccomandazioni per i decisori politici e dirigenti
per migliorare la gestione delle foreste in Europa e
di promuovere la conservazione delle foreste su
scala pan-europea.
Principali outputs
Impatti per supportare i decisori politici
 Una migliore comprensione dell’inquinamento
atmosferico e del cambiamento climatico in siti
forestali e dei loro effetti sugli ecosistemi forestali.
 Armonizzazione e miglioramento dei metodi
esistenti in materia di monitoraggio dell'ozono
 Validazione del modello di flusso stomatico DO3SE
 Affinamento dei criteri e livelli critici per la
protezione delle foreste contro l'ozono e il
cambiamento climatico
 Dati sullo stato e le tendenze di salute delle foreste
 Realizzazione di strumenti di supporto decisionale
per le autorità nazionali ed europee
 Nuove strategie per la gestione forestale per
l'adattamento
 Molte attività di comunicazione e diffusione
FO3REST migliorerà le informazioni per l'elaborazione
e la valutazione delle politiche dell'Unione europea, in
particolare per la segnalazione relativa alla realizzazione
della protezione delle foreste e della politica per la
protezione della biodiversità dell'area UE.
FO3REST consentirà di aumentare la consapevolezza,
identificare lo scambio di informazioni per promuovere
la conservazione delle foreste / biodiversità.
FO3REST aiuterà a rafforzare la collaborazione
interdisciplinare tra ecologi forestali e scienziati
atmosferici, dimostrando la necessità di misure di flusso
di ozono a lungo termine.
FO3REST contribuirà all'attuazione, all'aggiornamento e
allo sviluppo della politica ambientale e della
legislazione dell'Unione europea.
Vantaggi ambientali
I benefici a lungo termine e la sostenibilità
Integrazione scienza-politica ed input politico
Potenziale socio-economico e benefici per la salute
Il cambiamento climatico è una pressione significativa e
crescente sulle foreste in grado di alterare gli habitat e
gli ecosistemi.
Le foreste offrono spazio per la ricreazione, i contatti
sociali, e per vivere la natura. Un ambiente attraente per
le attività ricreative ha un effetto positivo sulla salute. Il
cambiamento climatico, e l'inquinamento da ozono,
possono causare una grave perdita del valore economico
delle foreste europee.
FO3REST affronta direttamente i problemi in UE 2020
Biodiversity strategy, il Seventh Environment Action
Programme dell'UE e la strategia dell'UE per le foreste.
Si riferisce agli obiettivi della Convenzione delle
Nazioni Unite sulla diversità biologica, la Convenzione
quadro sui cambiamenti climatici e la politica agricola
comune.
A seguito del Libro bianco "L'adattamento ai
cambiamenti climatici: verso un quadro d'azione
europeo" (COM (2009) 147), il Libro verde sulla
"protezione delle foreste e dell'informazione nell'UE:
preparare le foreste ai cambiamenti climatici" (COM
(2010) 66), il Consiglio ha riconosciuto l'importanza di
fermare la perdita di biodiversità e il degrado dei servizi
I risultati ottenuti faciliteranno una gestione forestale
sostenibile, e rafforzeranno la competitività del settore
forestale.
Il contesto socio-economico dei risultati
I principali risultati del Millennium Ecosystem
Assessment (2005) sono stati che il 60% dei servizi
ecosistemici valutati vengono degradati con le attuali
pressioni del cambiamento globale. Ogni anno il 3% del
PIL, si perde a causa della perdita di biodiversità.
Gli impatti di FO3REST saranno visibili attraverso la
promozione di misure efficaci, metodi di gestione
innovativi e l'avanzamento dei meccanismi di
governance.
Per valutare l'impatto socio-economico delle azioni del
progetto, abbiamo aumentato la consapevolezza sociale
e l'accettazione dei benefici della protezione
dell'ambiente (attraverso volantini, visite presso le
scuole, la stampa, etc.).
Replicabilità e trasferibilità ad altre regioni europee
La metodologia può essere facilmente applicata ad altre
aree europee coinvolte nella stessa problematica
ambientale.
L'applicazione del metodo consentirà la validazione del
CLef e darà un contributo positivo per la convergenza e
la politica che porta alla armonizzazione e l'efficacia del
monitoraggio delle foreste, fornendo un quadro per la
ricerca e l'analisi.
Lezioni di Best Practice
Gli outputs principali sono: (i) Affinamento dei migliori
limiti e soglie per la protezione delle foreste
mediterranee; (ii) Miglioramento della conoscenza delle
condizioni delle foreste mediterranee; (iii) Miglior
efficacia dei livelli critici basati sul flusso; (iv) Aumento
del dibattito a livello europeo circa l'uso (a livello di
legislazione) di POD invece di AOT40 per la protezione
delle foreste mediterranee.
FO3REST ha risposto alle priorità in materia di
cambiamento climatico: (i) Migliorare la base di
conoscenze per azioni e misure di adattamento efficace
al cambiamento climatico; (Ii) sviluppo e dimostrazione
di strategie di gestione all’adattamento, migliori pratiche
e metodi innovativi (replicabili) per adattamento ai
cambiamenti climatici; (iii) Contributo per migliorare
l'informazione per l'elaborazione delle politiche
dell'Unione europea; (iv) valutazione se particolari
regioni dell'UE sono più esposte / vulnerabili agli effetti
dei cambiamenti climatici.