Giornata di Studio

Effetti dell’Ozono sulla vegetazione: monitoraggio, ricerca e politica nei Paesi mediterranei.

Torino, 22 febbraio 2008

Il Progetto OZONIT: un esempio di coordinamento nazionale delle ricerche su

ozono e vegetazione

Fausto Fausto ManesManes, Elisabetta Salvatori, Marcello Vitale, Daniele , Elisabetta Salvatori, Marcello Vitale, Daniele BiscontiniBiscontini..

Dipartimento di Biologia Vegetale, “Sapienza” Università di Roma,Piazzale Aldo Moro, 5 – 00185 RomaE-mail: fausto.manes@uniroma1.it

IL PROGETTO “OZONIT”:

“STUDIO DEI PRINCIPALI EFFETTI DELL'OZONO TROPOSFERICO SULLE PIANTE E CONTRIBUTO PER LA VALUTAZIONE POTENZIALE

DEI DANNI SULLA VEGETAZIONE A LIVELLO TERRITORIALE”

MINISTERO DELL’AMBIENTE E DELLA TUTELA DEL TERRITORIO DIREZIONI INQUINAMENTO ATMOSFERICO E RISCHI INDUSTRIALI E VALUTAZIONE DI IMPATTO AMBIENTALE

DIPARTIMENTO DI BIOLOGIA VEGETALE UNIVERSITA’ “LA SAPIENZA” DI ROMA

UNITA’ OPERATIVE CHE HANNO PRESO PARTE AL PROGETTO :Università di Roma “La Sapienza”Dip. di Biologia VegetaleR.S: Prof. Fausto Manes

Università Cattolica di BresciaDip. di Matematica e FisicaR.S.: Prof. Antonio Ballarin-Denti

ENEA Ente per le Nuove Tecnologie,

l'Energia e l'Ambiente R. S.: Dott. Giovanni Vialetto; Dott.ssa Stefania Racalbuto;

Dott.ssa Alessandra De Marco.

Università di Napoli "Federico II”Dip. Ingegneria agraria ed Agronomia del TerritorioR.S.: Dr. Massimo Fagnano

IIA-CNR,Monterotondo Scalo - RomaIstituto di Inquinamento AtmosfericoR.S: Dr. Franco De Santis

IBAF-CNR, Monterotondo Scalo - RomaIst. di Biologia Agroambientale e ForestaleR.S.: Dr. Francesco Loreto

IPP-CNRIst. per la Protezione delle PianteR.S.: Dr. Elena Paoletti

Università di PisaDip. Coltivazione & Difesa Specie Legnose "G. Scaramuzzi“ R.S.: Prof. Giacomo Lorenzini

Università di Salerno(Sede di Baronissi)Dip. di ChimicaR.S.: Prof. Anna Alfani

Principali Obiettivi del Progetto OZONIT

1) Caratterizzazione degli effetti macroscopici del danno e dei principali meccanismi di azione dell’ ozono troposferico (O3 ) in specie vegetali mediterranee, al fine di contribuire alle conoscenze degli effetti potenziali sulle foreste italiane e sulle colture agrarie;

2) Definizione delle relazioni tra concentrazione in aria di O3 ed effettivo “uptake” a livello dell’organo fogliare della pianta, al fine di comprendere meglio la relazione concentrazione ambientale dell’ozono/assorbimento effettivo/danno fogliare;

3) Valutazione di sistemi innovativi ed integrati di bioindicazione e biomonitoraggio, al fine di contribuire alle azioni di monitoraggio della qualità ambientale;

4) Rappresentazione cartografica dell’AOT40 in ambiti territoriali nazionali, e sviluppo di modelli per la spazializzazione dei dati di ozono troposferico, al fine di avviare le basi per la realizzazione di mappe del danno per le foreste italiane.

Considerazioni introduttive:

• CAMBIAMENTI CLIMATICI: nel bacino del Mediterraneo, previsto aumento delle Temperature e della variabilità climatica entro il 2100 (IPCC, 2007), con conseguente aumento della frequenza ed intensità degli stress ambientali per la vegetazione naturale;

• L’OZONO TROPOSFERICO è il più importante inquinante regionale che può interessare la vegetazione forestale in Europa;

• L’esposizione delle piante all’ozono (FORTE OSSIDANTE) induce una modifica del metabolismo del carbonio diminuendo la crescita e la produttività fino ad oltre il 30% nelle specie sensibili (Dizengremel, 2001; Nali et al., 2004).

Differenza tra le temperature medie sul Mediterraneo durante le decadi 2061-70 e 1981-90 ottenute dalle simulazioni eseguite per lo Scenario A2 IPCC. Pannello superiore: differenza tra le medie estive (Giugno-Luglio-Agosto); pannello inferiore: differenza tra le medie invernali (Gennaio-Febbraio-Marzo). Le differenze sono espresse in gradi centigradi

(Da: Gualdi S., Navarra A., 2005. Scenari climatici nel bacino mediterraneo).

ScenariScenari climaticiclimatici nelnel bacinobacino del del MediterraneoMediterraneo: temperature: temperature

Differenza tra le precipitazioni medie sul Mediterraneo durante le decadi 2061-70 e 1981-90 ottenute dalle simulazioni eseguite per lo Scenario A2 IPCC. Pannello superiore: differenza tra le medie estive (Giugno-Luglio- Agosto); pannello inferiore: differenza tra le medie invernali (Gennaio-Febbraio-Marzo). Le differenze sono espresse in millimetri per giorno.

(Da: Gualdi S., Navarra A., 2005. Scenari climatici nel bacino mediterraneo).

ScenariScenari climaticiclimatici nelnel bacinobacino del del MediterraneoMediterraneo: : precipitazioniprecipitazioni

Ozono troposferico: ciclo di formazione e distruzione

Modificato da Jenkin e Clemitshaw, Atmospheric Environment 34 (2000) 2499 - 2527

(Da Fowler et al., 1999).

Si stima che attualmente un quarto delle foreste della Terra siano a rischio per l’O3 e che, entro il 2100, il 49% di esse (17 milioni di Km2) sarà esposto a concentrazioni dannose di ozono troposferico (Fowler et al., 1999).

LIVELLI CRITICI BASATI SULLE CONCENTRAZIONILIVELLI CRITICI BASATI SULLE CONCENTRAZIONI

LIVELLI CRITICI BASATI SUI FLUSSILIVELLI CRITICI BASATI SUI FLUSSI

• Fst Y (nmol m-2 PLA s-1)• AFst Y (mmol m-2 PLA)• CLef (mmol m-2 PLA)

Specie agrarie:AOT40 3 ppm h (3 mesi)

Specie forestaliAOT40 5 ppm h (stagione vegetativa)

AFst 6 (mmol m-2 PLA)GRANO:1 mmol m-2 PLA(40 giorni dopo la fioritura)PATATA: 5 mmol m-2 PLA

(70 giorni dopo la germinazione)AFst 1.6 (mmol m-2 PLA)

BETULLA E FAGGIO (Provvisoriamente: 4 mmol m-2

PLA)

(da UNECE, 2004 – Mapping Manual)

• AOTX (ppm h)• CLec (ppm h)

LIVELLI CRITICILIVELLI CRITICI

STRESS AMBIENTALISTRESS AMBIENTALI FreedmanFreedman (1995)(1995) : Influenze esterne che causano cambiamenti ecologici misurabili o

che limitano lo sviluppo ecologico.

ORIGINE NATURALEORIGINE NATURALE• Temperatura

• Elevata radiazione solare• Stress idrico

Principali stress ambientali correlati all’inquinamento da ozono troposferico:

- Reazioni in fase solida (con i componenti cuticolari della foglia);

-Reazioni in fase gassosa (con i composti organici volatili emessi dalle piante);

- Reazioni in fase liquida, che richiedono dissoluzione dell’ozono in un mezzo acquoso, seguita da reazioni con i lipidi, le proteine o altri componenti della cellula

Le reazioni dell’ozono con le piante sono di tre tipi Le reazioni dell’ozono con le piante sono di tre tipi ((MuddMudd, 1996):, 1996):

LIVELLI CRITICI BASATI SULLE CONCENTRAZIONILIVELLI CRITICI BASATI SULLE CONCENTRAZIONI

LIVELLI CRITICI BASATI SUI FLUSSILIVELLI CRITICI BASATI SUI FLUSSI

• Fst Y (nmol m-2 PLA s-1)• AFst Y (mmol m-2 PLA)• CLef (mmol m-2 PLA)

Specie agrarie:AOT40 3 ppm h (3 mesi)

Specie forestaliAOT40 5 ppm h (stagione vegetativa)

AFst 6 (mmol m-2 PLA)GRANO:1 mmol m-2 PLA(40 giorni dopo la fioritura)PATATA: 5 mmol m-2 PLA

(70 giorni dopo la germinazione)AFst 1.6 (mmol m-2 PLA)

BETULLA E FAGGIO (Provvisoriamente: 4 mmol m-2

PLA)

(da UNECE, 2004 – Mapping Manual)

• AOTX (ppm h)• CLec (ppm h)

LIVELLI CRITICILIVELLI CRITICI

La modellazione del flusso di ozono nasce dalla necessità di conoscerecon certezza la quantità di ozono

assorbito dalla vegetazione.(Rich, 1970).

L’ozono penetra nei tessuti della pianta attraverso gli STOMI (Wang, 1995; Fuhrer, 2000)

O3ext = f (Temperatura) (Wieser, 2000)

O3ext = (71.451/(1+ 417.54 · e(-0.236·TEMPERATURA))) · (100/53) (ppb)

FO3 = (O3ext -O3int )· Gs· 0,613 (nmolO3 m-2s-1)

(Chamberlain & Chadwick,1953)

((Quercus ilexQuercus ilex L.)L.)FlussoFlusso didi OO33

Rapporto tra il coefficiente di diffusione del vapor d’acqua e quello dell’ozono (Nobel, 1983).

Obiettivo 1): CARATTERIZZAZIONE DELLE RISPOSTE Obiettivo 1): CARATTERIZZAZIONE DELLE RISPOSTE ALL’OZONO DI SPECIE VEGETALI MEDITERRANEEALL’OZONO DI SPECIE VEGETALI MEDITERRANEE

Il protocollo sperimentale ha adottato fumigazioni in camere chiuse di semenzali di due anni di età, con concentrazioni orarie di ozono di 110-150 ppb, corrispondenti al doppio della media oraria ambiente e a 1,5 volte i picchi registrati in primavera, rispettivamente, in una stazione rurale toscana, su:

I. tre latifoglie sempreverdi mediterranee a xerofilia crescente (Laurus nobilis < Arbutus unedo < Phillyrea latifolia);

II. due cloni di Fagus sylvatica (C dall’Appennino toscano, Abetone, e S dalla Sicilia, Monti Nebrodi);

III. due specie di Frassino a differente ecologia (lo xerotollerante F. ornus e il mesofilo F. excelsior) con una provenienza meridionale (toscana) e 1-3 provenienze settentrionali (piemontesi) per specie.

Sintomi fogliari visibili (% dell’area fogliare campionata) attribuibili ad O3 dopo 90 giorni di fumigazione. Risposta alla fumigazione con ozono per quanto riguarda gli scambi gassosi a livello fogliare.

I. Latifoglie sempreverdi mediterraneeI. Latifoglie sempreverdi mediterranee

II. Cloni di FaggioII. Cloni di FaggioIl clone S mostra adattamenti xeromorfici (più cere epicuticolari, maggiore densità stomatica, minore bagnabilità fogliare, ridotte dimensioni fogliari) e scambi gassosi più elevati del clone C. Gli effetti dell’ozono sono risultati leggermente più negativi per S, con una depressione media della fotosintesi del 45% (34% in C) rispetto ai controlli(Paoletti, Nali, Lorenzini, 2007 – Environmmental Monitoring and Assessment)

Istogramma rappresentante il primo giorno di espressione visibile del danno da ozono su almeno una piantina nelle provenienza delle due specie considerate. Ogni giorno corrisponde ad una fumigazione di 0,88 ppm h di ozono. Le provenienze settentrionali esprimono sintomi visibili più precocemente di quelle meridionali.

III. Specie di FrassinoIII. Specie di Frassino

CONCLUSIONI RELATIVE ALLA CARATTERIZZAZIONE DELLE RISPOSTE ALL’OZONO DI SPECIE VEGETALI

MEDITERRANEEPer gli alberi e le specie sempreverdi, che hanno lunghi tempi di vita, l’assimilazione della CO2 è considerata come il proxy più affidabile degli effetti dell’O3 sulla biomassa. Anche i sintomi visibili indotti dall’ozono a livello fogliare sono stati recentemente proposti come indicatori del danno da ozono in pieno campo. I nostri risultati indicano però che solo in una specie (Orniello) i danni all’apparato fotosintetico aumentano significativamente all’aumentare dei sintomi visibili. Quest’ultimi, inoltre, sono fortemente condizionati dalla predisposizione individuale e non sembrano quindi l’indicatore migliore del danno da ozono. Anche la riduzione della fotosintesi, tuttavia, può essere interpretata come un meccanismo di esclusione del danno da ozono, almeno finché fotosintesi e conduttanza stomatica rimangono rigidamente accoppiate. A questo risultato può aver contribuito il protocollo sperimentale, che tendeva a massimizzare gli scambi gassosi nelle specie (Fillirea, Orniello) e nelle provenienze (clone S di Faggio e provenienze meridionali dei Frassini) che in natura sono abituate a convivere con lo stress idrico, e che per questo posseggono un forte controllo stomatico. In presenza di ozono, i danni a livello idrico e fotosintetico in questi taxa comportano una pronta chiusura stomatica, e questo a sua volta limita l’assorbimento di ulteriore ozono (evitanza indotta), il che evidenzia la complessità di effettuare comparazioni realistiche tra taxa ecologicamente diversi.

I risultati dello studio hanno mostrato che la sensibilità delle piante all’ozono dipende sia dal taxa sia dall’ambiente. Pertanto, risulta necessario conoscere l’effettiva quantitò di O3 assorbita per via stomatica (flusso) da parte della vegetazione.

Tenuta Presidenziale di Castelporizano

(Roma)(Roma)

Obiettivo 3): Definizione delle relazioni tra concentrazione di Obiettivo 3): Definizione delle relazioni tra concentrazione di OO33 e e flusso stomatico fogliare flusso stomatico fogliare

Differenza notturna di ozono tra livello superiore e inferiore nel corso della stagione misurata con l’analizzatore nel sito di Grotta di Piastra, e relativa temperatura minima.

0

10

20

30

40

50

60

70

5/6/

03-

20/6

/03

20/6

/03-

27/6

/03

27/6

/03-

3/7/

03

3/7/

03-

11/7

/03

11/7

/03-

17/7

/03

17/7

/03-

24/7

/03

24/7

/03-

5/8/

03

5/8/

03-

20/8

/03

20/8

/03-

2/9/

03

2/9/

03-

16/9

/03

16/9

/03-

30/9

/03

30/9

/03-

16/1

0/03

16/1

0/03

-31

/10/

03

31/1

0/03

-14

/11/

03

tempo (giorni)

[O3]

(ppb

)

livello superiorelivello intermediolivello inferiore

0

5

10

15

20

25

3/07/03-10/07/03

10/07/03-16/07/03

4/08/03-21/08/03

21/08/03-2/09/03

2/09/03-17/09/03

17/09/03-30/09/03

30/09/03-15/10/03

15/10/03-31/10/03

31/10/03-13/11/03

tempo (giorni)

diff[

O3]

(ppb

)

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

tem

p (°

C)

Diff[O3] tra i due livelli

temperatura minima

Livello superiore

Livello intermedio

Livello inferiore

5/6/03-20/6/03 45.2 37.4 31.420/6/03-27/6/03 45 33.5 32.627/6/03-3/7/03 38 32 303/7/03-11/7/03 55 42 3811/7/03-17/7/03 35 25 24.617/7/03-24/7/03 41 33.4 3224/7/03-5/8/03 41 33 295/8/03-20/8/03 43 38 3420/8/03-2/9/03 43 32 292/9/03-16/9/03 34 25 1916/9/03-30/9/03 33 22 22

30/9/03-16/10/03 26 20 1716/10/03-31/10/03 26 21 1631/10/03-14/11/03 8 5 4

Concentrazioni medie di O3 misurate a tre diverse altezze presso il sito dello Scopone – Tenuta di Castelporziano, dal 5 giugno al 14 novembre

Anno 2003

Parametri ambientali (A) e fisiologici (B) relativi a misure condotte su Quercus ilex L. presso la tenuta Presidenziale di Castelporziano. E’ evidente la forte limitazione stomatica (Gs) sugli scambi gassosi nel periodo estivo. A destra sono evidenziati gli andamenti di Gs, di ozono e del flusso stomatico di O3 (FO3). I flussi più alti sono stati osservati nei mesi autunnali piuttosto che nei mesi estivi.

0

20

40

60

80

Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre

RH

:%; V

PD

: mba

r; Ta

ir: °C

0

400

800

1200

1600

E m

-2s-1

RH VPD Tair PhAR 1A

0

4

8

12

16

Giugno Luglio Agosto Settembre Ottobre

Pnet

: mm

olCO

2 m-2

s-1;

trans

p: m

mol

H2O

m-2

s-1

0

25

50

75

100

125

150

Gs:

mm

olH 2

O m

-2s-1

Pnet Transp Gs 1B

0

20

40

60

80

100

120

140

150 180 210 240 270 300

giorni dell'anno

Gs:

mm

olH 2

O m

-2s-1

; [O

3]: p

pb

00,511,522,533,54

FO3:

nmol

O3

m-2

s-1

O3 Gs FO3

Anno 2003

INPUT INPUT OUTPUT OUTPUT

Modello deterministico (software Stella 7.0) per la stima della produttività primaria e per il calcolo dei flussi di ozono a livello di

ecosistema

Assimilazione di carbonio della chioma

[A, Pn(i)]

Fusto e rami

Foglie

Radici

Qi

LAI f(SLA; Pn(i))

Traspirazione della chioma

[ET, E(i)]

Flusso di ozono

[Ca, FO3st]

Variabili climatiche

Coordinate geografiche

Tmed, Tair, Q0(i)

QY=f(Tleaf); Amax

Ph (i)

VPD

h

a) Trend delle concentrazioni di O3 simulate (--) e misurate (oo)

b) Trend dei flussi di O3 stomatici (FSc) e totali (FC), simulati dal modello di processo.

Concentrazione di O3

0102030405060708090

100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

giorni dell'anno

ppb

Flusso O3

0123456789

10

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

giorni dell'anno

nmol

O3 m

-2s-1

FC FSc

b

a

FIGURA 30. (a) Trend annuale della concentrazione di ozono simulata (−) e misurata (•); (b) trend dei flussi stomatici (FSc) e della chioma (FC) simulati dal modello

Anno 2003

Conduttanza stomatica: simulata vs. misurata

0

20

40

60

80

100

0 1 2 3 4 5 6

mese

mm

ol m

-2s-

1

GS modGS mis

Fotosintesi: simulata vs. misurata

0,01,02,03,04,05,06,07,0

0 1 2 3 4 5 6

mese

μm

olC

O2

m-2

s-1

Photo modPhoto mis

Flussi di ozono di chioma e stomatici - 2004

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

8,0

gen feb mar apr maggio giu lug ago sett ott nov dic

mese

FO3:

nm

olO

3 m

-2 s

-1

FO3st FO3 chioma

Sulla base dei valori di conduttanza stomatica media mensile sono stati calcolati i flussi medi mensili di uptake di ozono da parte della chioma e degli stomi. I valori più elevati di uptake di ozono è raggiunto in agosto con 1.79 nmol m-2 s-1 e 7.47 nmol m-2s-1

rispettivamente flusso stomatico e di chioma. È interessante notare che globalmente il flusso stomatico tiene conto del 26.2% del flusso totale di ozono, rimanendo vicino al valore trovato nel 2003 sempre per la stessa comunità a Q. ilex.

I valori simulati rientrano perfettamente nel range di variazione di quelli misurati; la divergenza osservata nel mese 4 (settembre) è dovuta alle particolari condizioni climatiche limitanti a carattere episodico. Importante è la stabilità dei valori medi mensili nel corso della stagione estiva 2004.

Il modello utilizzato in questo studio rappresenta un buon compromesso tra l’affidabilità delle simulazioni (flusso stomatico e non di ozono, produttività primaria della comunità, ecc.) e il numero delle variabili che occorre conoscere per attuarlo; in tale contesto, risulta essere particolarmente utile per tutte le situazioni ambientali per le quali non sono disponibili grandi quantità di dati, situazioni queste purtroppo assai frequenti nel panorama italiano, permettendo ai gestori di aree protette, agli amministratori di territorio comunale, provinciale ecc. di poter valutare in modo quantitativo l’impatto dell’ozono troposferico sulla vegetazione naturale e di interesse agrario.

CONCLUSIONI RELATIVE AGLI STUDI DI MODELLAZIONE DEL FLUSSO DI O3

Obiettivo 3): BIOINDICAZIONE E BIOMONITORAGGIOObiettivo 3): BIOINDICAZIONE E BIOMONITORAGGIO

Utilizzo di specie viventi come indicatori e risposta relativa per la determinazione delle condizioni dell’ambiente

European Environmental Agency (2005)

Requisiti fondamentali per la scelta di un bioindicatore:

• Sensibile all’inquinante in esame (bassa dose soglia per la comparsa del danno visibile per una buona stima)

• Deve avere ampia distribuzione sul territorio o deve essere facilmente coltivabile ed adattato all’ambiente

• Ciclo vitale piuttosto lungo

UNECE – ICP Vegetation:Trifolium repens L.

cv Regal

NC/RCLONE

NC/SCLONE

Tipica disposizione dei kit di germinelli di (Nicotiana tabacum L.) delle cvv. Bel- W3 (O3-sensibile) e Bel-B

(O3-resistente nelle stazioni di

biomonitoraggio.

“kit” di biomonitoraggio: cloni di Trifolium repens L.

cv. Regal sensibile

ESPERIMENTI DI CAMPOESPERIMENTI DI CAMPO

1-Valutazione del

DANNO FOGLIARE(1 volta alla settimana dalla 2° set)

Classe di danno:0 nessun tipo di danno

1 danno molto lieve; presenza dei primi sintomi

2 danno lieve; 1-5% foglie danneggiate

3 danno moderato; 5-25% foglie danneggiate

4 danno intenso; 25-50% di foglie danneggiate

5 danno molto intenso; 50-90% di foglie danneggiate

6 danno totale; 90-100% foglie danneggiate

( )∑=

=6

1*

nnclfF f

2-Produzione di

BIOMASSA

(alla raccolta)

3-RIPARTIZIONE della

BIOMASSA(2004 alla raccolta)

Scala patometrica standard per la stima del danno cotiledonare e fogliare da O3, in piantine di tabacco cv. Bel-

W3.Tipologia delle stazioni di monitoraggio nel comune di Roma e nelle province di

Pisa e Livorno.

Caratteristiche generali dei diversi tipi di stazioni di moniitoraggio, come descritte dal D.M. 16.05.1996.

A

D

C

B

A

D

C

B

Ubicazione delle quattro stazioni di biomonitoraggio dell’ozono poste nel comune di Roma. Legenda, A: Tenuta del Cavaliere; B: Castel Porziano; C: Castel di Guido; D: Montelibretti.

Localizzazione delle ventidue stazioni di biomonitoraggio dell’ozono poste nelle province di Pisa e Livorno. Legenda A: Via Contessa Matilde, B: Via Sancasciani, C: Via Croce, D: Via Ximenes, E: Via Moro, F: Via Milano, G: Via I Maggio, H: Via Salcioli, I: Piazza di Vittorio, L: Via dei Cavalieri, M: Via S. Gaetano, N: Via Basilicata, O: Via Vecchio Lazzaretto, P: Via Provenzal, Q: Via di Montenero 44, R: Via di Montenero 408, S: Via Gramsci, T: Via Gramsci, U: Via della Repubblica, V: Via Roma, X: Via Roma, Y: Piazza della Chiesa.

Comune Ubicazione Tipo

Roma Tenuta del Cavaliere D

Roma Castel Porziano D

Roma Castel di Guido D

Roma Montelibretti D

Pisa Passi B

Pontedera Viale Misericordia B

Livorno Piazza Cappiello B

Livorno Villa Maurogordato A

Rosignano Gabbro D

Rosignano Via Rossa I

Tipologia delle centraline nelle stazioni del comune di Roma e delle province di Pisa e Livorno.

Tempo (gg)

0 5 10 15 20 25 30 35

AOT4

0 (c

um)

0

2000

4000

6000

8000

MONTELIBRETTI CASTEL DI GUIDO CASTELPORZIANO TENUTA DEL CAVALIERE Critical level di lungo periodoper le colture agrariee la vegetazione spontanea

Andamento delle AOT40 di ozono per le quattro stazioni durante il periodo di monitoraggio 2004, rispetto alla soglia di 3000 ppb.h relativa al critical level di lungo periodo per le colture agrarie. Il livello critico di lungo periodo per le colture agrarie e la vegetazione spontanea (3000 ppb.h per tre mesi consecutivi) è risultato oltrepassato già alla fine della seconda settimana per le stazioni di tenuta del Cavaliere e Montelibretti, durante la terza settimana per la stazione di Castel Porziano, anche il valore misurato nella stazione di Castel di Guido, porta ad ipotizzare il superamento del critical level in meno di 3 mesi. Per quanto riguarda la provincia di Pisa e Livorno tale superamento è avvenuto a partire dalla prima settimana nella stazione del Gabbro

IDC Bel-W3

Stazione Castel di Guido

Castel Porziano

Tenuta del Cavaliere Montelibretti Media

(±DS)

14-20.07 1,60 (±0,086)

1,65 (±0,001)

2,32 (±0,097)

2,99 (±0,089)

2,14 (± 0,656)

21-27.07 2,08 (±0,082)

2,25 (±0,027)

2,72 (±0,145)

2,30 (±0,102)

2,3 (± 0.271)

28.07-03.08 2,05 (±0,009)

2,15 (±0,054)

2,46 (±0,193)

2,78 (±0,061)

2,36 (±0,329)

04-10.08 2,06 (±1,412)

1,78 (±0,262)

2,03 (±0,775)

2,54 (±0,288)

1,39 (±0,314)

Media (±DS)

1,95 (±0,234)

1,96 (±0,288)

2,38 (±0,286)

2,65 (±0,300) 2,33

IDF Bel-W3

Stazione Castel di Guido

Castel Porziano

Tenuta del Cavaliere Montelibretti Media

(±DS)

14-20.07 1,66 (±0,018)

1,52 (± 0,009 )

1,91 (±0,234)

2,49 (±0,104)

1,90 (±0,428)

21-27.07 1,86 (±0,068)

2,22 (±0,185)

2,15 (±0,234)

1,82 (±0,072)

2,01 (±0,198)

28.07-03.08 1,32 (±0,150)

1,70 (±0,203)

1,94 (±0,349)

2,34 (±0,090)

1,83 (±0,430)

04-10.08 1,66 (±0,197)

1,50 (±0,077)

1,64 (±0,054)

2,33 (±0,044)

1,78 (±0,370)

Media (±DS)

1,63 (±0,225)

1,73 (±0,333)

1,91 (±0,206)

2,25 (±0,291) 1,88

Indici di Danno Cotiledonare (IDC) e di Danno Fogliare (IDF) rilevati su Nicotiana tabacum cv. Bel-W3 nelle quattro stazioni nel periodo 14-07-10-08.2004. I dati rappresentano la media (±DS) calcolata sui due cotiledoni dei 17 germinelli di ognuno dei tre kit posti nelle stazioni di monitoraggio. DS rappresenta la deviazione standard

A

B

D

C A

B

D

C

A

B

D

C A

B

D

C

I

IV

II

III

A

B

D

C A

B

D

C

A

B

D

C A

B

D

C

A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C

A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C

I

IV

II

III

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

2,75

3,00

1,00

1,25

1,50

1,75

2,00

2,25

2,50

2,75

3,00

IDC

Andamento spaziale dei valori di Indice di Danno Cotiledonare nei siti di biomonitoraggio nel comune di Roma, rispettivamente nella I, II, III e IV settimana di monitoraggio. Legenda: A: stazione di Tenuta del Cavaliere; B: stazione di Castel Porziano; C: stazione di Castel di Guido; D: stazione di Montelibretti.

A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C

I

A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C

II

A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C

III

A

B

D

C A

B

D

C A

B

D

C

IV

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

AOT40

Andamento spaziale dei valori di AOT40 cumulativo rispettivamente nella I, II, III e IV settimana di monitoraggio. Legenda: A: stazione di Tenuta del Cavaliere; B: stazione di Castel Porziano; C: stazione di Castel di Guido; D: stazione di Montelibretti.

T e m p o ( g g )

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4

AO

T40

(ppb

.h)

0

1 0 0 0

2 0 0 0

3 0 0 0

4 0 0 0

5 0 0 0

6 0 0 0

C a p p ie l lo M a u r o g o r d a t oG a b b r o R o s s a P a s s iP o n t e d e r aC r i t i c a l le v e l d i lu n g o p e r io d o p e r le c o l t u r e a g r a r ie e la v e g e t a z io n e s p o n t a n e a

Andamento delle AOT40 di ozono per le stazioni di Piazza Cappiello, Villa Maurogordato, Gabbro, Via Rossa, Passi e Viale Misericordia a Pontedera durante il periodo di monitoraggio 2004, rispetto alle soglie di 3000 ppb.h, relative al critical level di lungo periodo per le colture agrarie.

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

I IIIDC

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

I II

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

BCD E

F

G H

ILM N

OP Q

R

ST

UV X

A

Y

I IIIDC

1

2

3 4

6

5

12

3 4

6

5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

I II

AOT40 (ppb.h)

1

2

3 4

6

5

12

3 4

6

5

0

500

1000

1500

2000

2500

30001

2

3 4

6

5

1

2

3 4

6

5

1

2

3 4

6

5

12

3 4

6

5

12

3 4

6

5

12

3 4

6

5

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

I II

AOT40 (ppb.h)

Andamento spaziale dei valori di AOT40 cumulativo nelle due settimane di studio nei siti di biomonitoraggio nelle Province di Pisa e Livorno. I: 10-16.05.2004; II: 17- 23.05.2004. Legenda: 1: Passi (Pisa); 2: Viale Misericordia (Pontedera); 3: Piazza Cappiello (Livorno); 4: Villa Maurogordato (Livorno); 5: Gabbro (Rosignano Marittimo); 6: Via Rossa (Rosignano Marittimo).

Andamento spaziale dei valori di Indice di Danno Cotiledonare medio all’interno del periodo di studio nei siti di biomonitoraggio nelle ventidue stazioni. I: 10-16.05.2004; II: 17-23.05.2004; C: nell’intero periodo dal 10- 23.05.2004. Legenda A: Via Contessa Matilde, B: Via Sancasciani, C: Via Croce, D: Via Ximenes, E: Via Moro, F: Via Milano, G: Via I Maggio, H: Via Salcioli, I: Piazza di Vittorio, L: Via dei Cavalieri, M: Via S. Gaetano, N: Via Basilicata, O: Via Vecchio Lazzaretto, P: Via Provenzal, Q: Via di Montenero 44, R: Via di Montenero 408, S: Via Gramsci, T: Via Gramsci, U: Via della Repubblica, V: Via Roma, X: Via Roma, Y: Piazza della Chiesa.

• La cultivar di tabacco O3 sensibile Bel-W3 da un’indicazione circa i livelli di ozono troposferico, e il suo utilizzo su larga scala permette l’identificazione dei trend temporali dell’O3 nelle aree inquinate, da mettere in relazione con le caratteristiche climatiche e con la tipologia di sviluppo della zona.

• Il rischio fotochimico del comune di Roma risulta alto a Montelibretti, in relazione all’analisi dell'IDC e dell'IDF e al superamento dei critical level stabiliti in ambito UNECE; per quanto riguarda la provincia di Pisa e Livorno è stato messo in evidenza che gli effetti negativi prodotti dall’O3 interessano maggiormente le zone rurali, in particolare quelle di Montenero, S. Luce e Montescudaio.

• Si sono evidenziate correlazioni positive tra i sistemi di biomonitoraggio utilizzati in questa sperimentazione; in particolare tra l’IDC di Nicotiana tabacum cv. Bel-W3 e le classi di danno fogliare di Centaurea jacea e Trifolium repens cv. Regal clone NC-S.

Dal complesso del lavoro svolto, emerge che l’uso del biomonitoraggio per la valutazione dell’inquinamento atmosferico rappresenta una tecnica in grado di fornire importanti risultati sull’analisi della qualità ambientale; si rende pertanto auspicabile il suo utilizzo su vasta scala in complementarietà con gli analizzatori strumentali.

Conclusioni relative alla Bioindicazione e al Biomonitoraggio

Tecniche GeostatisticheKriging Ordinario (K):

stimatore lineare, spazializzazione attraverso combinazione lineare dei valori osservati nei punti campione impiegando una funzione di autocorrelazione spaziale. Non necessita di informazioni ausiliarie (derive esterne).

Cokriging Disgiuntivo (CK):

stimatore non lineare, spazializzazione attraverso combinazione di funzioni dei valori osservati nei punti campione impiegando una funzione di autocross- correlazione spaziale. Necessita di informazioni ausiliarie (derive esterne)

+

Obiettivo 4): RAPPRESENTAZIONE CARTOGRAFICA Obiettivo 4): RAPPRESENTAZIONE CARTOGRAFICA DELL’AOT40 IN AMBITI TERRITORIALI NAZIONALIDELL’AOT40 IN AMBITI TERRITORIALI NAZIONALI

Input data (1) K e CK: AOT40 derivati dalle stazioni di misura

Tabella es. dati forniti dall’ENEA

Legendaaotf

0,000000 - 10000,000000

10000,000001 - 20000,000000

20000,000001 - 30000,000000

30000,000001 - 40000,000000

40000,000001 - 50000,000000

50000,000001 - 60000,000000

60000,000001 - 70000,000000

Input data (2) CK: Digital Elevation Model (DEM)

McCune B., & Keon D. 2002. Equations for potential annual direct incident radiation and heat load. Journal of Vegetation Science 13: 603-606

Input data (3) CK: Radiazione diretta potenziale

LegendadirctrdValue

High : 1,053232

Low : 0,096021 2 1 [ · · ]Rad MJ cm yr

Corine Land Cover 2000 (3° livello)

(1) AOT40 2003 - Kriging & Standard Error

LegendaValue_Max

15942,8652344

16456,0117188

16925,4003906

17354,7617188

17747,5078125

18176,8691406

18646,2578125

19159,4042969

19720,390625

20333,6738281

LegendaValue_Max

6162,94970703

11970,3554688

17442,7285156

23250,1328125

29413,0820313

35953,34375

42894,015625

50259,6171875

58076,1523438

66371,2421875

(2) AOT40 2003 - Cokriging Rd. & Standard Error

LegendaseAOT40CK2003rdValue_Max

13331,8027344

15854,9833984

16830,0742188

17206,9003906

17352,5253906

17408,8027344

17430,5527344

17438,9570313

17442,2050781

17443,4609375

LegendaValue_Max

6162,94970703

11970,3554688

17442,7285156

23250,1328125

29413,0820313

35953,34375

42894,015625

50259,6171875

58076,1523438

66371,2421875

LegendaValue_Max

6162,94970703

11970,3554688

17442,7285156

23250,1328125

29413,0820313

35953,34375

42894,015625

50259,6171875

58076,1523438

66371,2421875

LegendaValue_Max

15942,8652344

16456,0117188

16925,4003906

17354,7617188

17747,5078125

18176,8691406

18646,2578125

19159,4042969

19720,390625

20333,6738281

LegendaseAOT40CK2003rdValue_Max

13331,8027344

15854,9833984

16830,0742188

17206,9003906

17352,5253906

17408,8027344

17430,5527344

17438,9570313

17442,2050781

17443,4609375

(4) Confronto Metodologico: Kriking Ord. Vs Cokriging Dis., anno 2003

Kriging 2002 Cokriging Rd 2002

LegendaValue_Max

7917,96777344

13141,5517578

16587,6171875

18861,0273438

20360,828125

22634,2382813

26080,3046875

31303,8886719

39221,8554688

51224

Cokriging Rd 2003

LegendaValue_Max

7917,96777344

13141,5517578

16587,6171875

18861,0273438

20360,828125

22634,2382813

26080,3046875

31303,8886719

39221,8554688

51224

Cokriging Rd 2002

LegendaValue_Max

6162,94970703

11970,3554688

17442,7285156

23250,1328125

29413,0820313

35953,34375

42894,015625

50259,6171875

58076,1523438

66371,2421875

Nell’analisi del campione di dati ottenuto mediante il data-base BRACE si evidenzia una ridotta disponibilità di dati per il calcolo dell’AOT40:

Cause:1. Una distribuzione non omogenea delle stazioni di monitoraggio sul territorio

nazionale (spaziale ed altimetrica) .

2. Un’efficienza di campionamento (ore di funzionamento/ore necessarie alla misura) di alcune stazioni non sufficiente secondo gli standard stabiliti (80%).

3. Alcuni casi sporadici di stazioni con alta efficienza di campionamento, con dati risultanti non attendibili (eccessivamente bassi persino rispetto ai minimi registrati e/o attesi)

Effetti: Questi fattori influenzano negativamente l’attendibilità della stime soprattutto a livello nazionale.

Analisi preliminare della distribuzione delle stazioni di

rilievo AOT40

Viene costruita una Buffer-zone 40km raggio intorno alle stazioni con buone misure.

Si osserva:• una ridondanza dovuta ad un più alto numero

di stazioni al centro-nord;• un maggiore errore a sud dovuto alla limitata

disponibilità dei dati.

Distribuzione delle stazioni e buffer zone di 40 km di raggio

Legenda2002aot40

2003aot40

LegendaValue_Min

15,016824

15,016825 - 17,474024

17,474025 - 18,481752

18,481753 - 18,895035

18,895036 - 19,180998

AOT40 standard error

CONCLUSIONI RELATIVE ALLA RAPPRESENTAZIONE CARTOGRAFICA DELL’AOT40:

Emerge la necessità di ottimizzare la disponibilità di dati a livello nazionale che supporta la proposta di una ipotesi operativa, che consentirebbe di formulare un progetto organico e rigoroso di Rete nazionale per l’analisi della distribuzione al suolo dell’ozono e per la valutazione della vulnerabilità della vegetazione”.

La migliore soluzione in seguito all’analisi condotta richiederebbe:• Una distribuzione più omogenea (spaziale ed altimetrica);• Un’analisi dell’efficienza di campionamento delle stazioni e il loro monitoraggio;• Una validazione delle stazioni con efficienza di campionamento elevata, ma valori non rappresentativi della realtà territoriale;

Inoltre, si ritiene opportuno proporre parallelamente un’attività di biomonitoraggio con sistemi integrati, analoghi a quelli proposti in questo studio, disposti seguendo un gradiente Nord-Sud. Tale attività consentirebbe una migliore valutazione degli effetti del potenziale carico ossidativo atmosferico sulle principali cenosi vegetali (naturali ed agrarie), permettendo quindi di quantificare, anche economicamente, gli effetti dell’ozono, e parallelamente di coadiuvare l’attività di micro-localizzazione delle stazioni sul territorio valutandone la relativa efficacia nel processo di monitoraggio.

RIFLESSIONI CONCLUSIVEOZONIT ha contribuito a comprendere meglio le interazioni pianta-ozono in ambiente mediterraneo, anche nell’ottica dei cambiamenti climatici in atto;

OZONIT ha consentito di creare un forte spirito di collaborazione scientifica tra ricercatori del settore a livello nazionale, attestata dalle pubblicazioni prodotte non solo dai singoli Gruppi quanto per quelle realizzate congiuntamente tra i Gruppi;

OZONIT ha gettato le basi per presentare in importanti sedi internazionali (Workshop CLRTAP di Obergurgl - Austria, 2005) le ricerche condotte in Italia, e per contribuire in modo significativo al dibattito tra ricercatori, decisori e amministratori sullo sviluppo e l’applicazione del concetto di Flusso stomatico di ozono in confronto all’indice AOT40 sul quale è basata l’attuale normativa europea e nazionale;

OZONIT è stato il volano per molteplici iniziative scientifiche quali ad esempio RIO3 VEG, e di progetti cooperativi di ricerca e campagne sperimentali internazionali quali ad esempio OZONEFLUX e ACCENT- BIOFLUX. Tali iniziative hanno consentito l’avvio di nuove collaborazioni tra Gruppi italiani e stranieri, lo sviluppo e la messa a punto di nuovi approcci sperimentali di analisi e proposte di gestione per la qualità ambientale.

Grazie per l’attenzioneda parte di tutti responsabili e collaboratori

delle Unità Operative che hanno preso parte al Progetto “OZONIT”

Università di Roma “La Sapienza”Dip. di Biologia VegetaleR.S: Prof. Fausto Manes

Università Cattolica di BresciaDip. di Matematica e FisicaR.S.: Prof. Antonio Ballarin-Denti

ENEA Ente per le Nuove Tecnologie,

l'Energia e l'Ambiente R. S.: Dott. Giovanni Vialetto; Dott.ssa Stefania RacalbutoDott.ssa Alessandra De Marco

Università di Napoli "Federico II”Dip. Ingegneria agraria ed Agronomia del TerritorioR.S.: Dr. Massimo Fagnano

IIA-CNR,Monterotondo Scalo - RomaIstituto di Inquinamento AtmosfericoR.S: Dr. Franco De Santis

IBAF-CNR, Monterotondo Scalo - RomaIst. di Biologia Agroambientale e ForestaleR.S.: Dr. Francesco Loreto

IPP-CNRIst. per la Protezione delle PianteR.S.: Dr. Elena Paoletti

Università di PisaDip. Coltivazione & Difesa Specie Legnose "G. Scaramuzzi“ R.S.: Prof. Giacomo Lorenzini

Università di Salerno(Sede di Baronissi)Dip. di ChimicaR.S.: Prof. Anna Alfani

III. Specie di FrassinoIII. Specie di Frassino

La riduzione della fotosintesi indotta dall’ozono è maggiore nella specie e nelle provenienze che hanno gli scambi costituzionalmente più elevati, il che sembra confermare un’elevata conduttanza stomatica di base come parametro principale per definire il rischio da ozono a cui una pianta è sottoposta.

Tenuta del CavaliereO3 max min NO2 max min

Maggio 29.067 67.92 0.16 12.395 40.27 0.98Giugno 30.6924 100.76 0.548 14.942 55.14 1.17Luglio 35.686 101.02 0.501 21.034 64.13 0Agosto 32.043 103.43 0.176 15.568 42.945 0.019Settembre 25.35 79.83 0.138 18.81 93.94 0Ottobre 16.168 64.06 0.085 19.426 91.56 0Novembre 8.233 41.06 0 19.697 56.76 0Dicembre 9.303 41.68 0 19.855 59.67 0

Castel di GuidoO3 max min NO2 max min

Maggio 29.618 79.38 2.28 5.895 40.43 0Giugno 28.711 83.011 3.35 5.2776 35.6 0Luglio 34.61 67.49 2.89 9.161 35.91 0.25Agosto 33.967 91.49 1.21 6.687 41.88 0Settembre 31.88 76.8 0.48 6.23 36.16 0Ottobre 21.41 61.6 0 9.658 38.16 0Novembre 15.393 53.34 0 12.624 46.6 0Dicembre 15.583 58.51 0 11.677 45.12 0.012

MontelibrettiO3 max min NO2 max min

Maggio 29.68 66.81 0.43 *Giugno 31.537 101.43 0.4 *Luglio 36.955 105.06 0 *Agosto 32.77 92.11 0.01 *Settembre 20.95 72.76 0.033 *Ottobre 15.83 61.46 0 *Novembre 8.79 34.91 0.08 *Dicembre * *

CastelporzianoO3 max min NO2 max min

Maggio * *Giugno 42.47 98.21 2.226 *Luglio 41.2 98.21 2.22 10.57 47.53 2.17Agosto 31.94 83.74 2.44 6.082 23.69 1.06Settembre * *Ottobre * *Novembre * *Dicembre * *

Concentrazioni di O3 ed NO2 rilevati dalle stazioni fisse di monitoraggio

Biomassa epigea di Trifolium repens cv Regal misurata su ciascuna mini stazione

Castelporziano

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1°raccolta 2°raccolta 3°raccolta 4°raccolta

biom

assa

(g)

abb

aba

Castel di Guido

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1°raccolta 2°raccolta 3°raccolta 4°raccolta

biom

assa

(g)

a

bbc c

Montelibretti

00.20.40.60.8

1

1°raccolta 2°raccolta 3°raccolta 4°raccolta

biom

assa

(g)

aab

bcc

Tenuta del Cavaliere

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1°raccolta 2°raccolta 3°raccolta 4°raccolta

biom

assa

(g)

a

bb b