Biodiversità vegetale e cambiamenti climatici, prof: Cannone

NDVI

 MODIS sensor provides a measure of Leaf Area Index (LAI), similar to the fractional leaf cover

calculated through spectral mixture analysis (SMA) of satellite reflectance data

Two major issues have impeded progress in the development and application of satellite-derived

phenological metrics: atmospheric interference and a lack of biome-scale ground phenological data.

Drivers of phenological responses

Warming: early-spring flowering species are the most accelerated by warming.

Species that are active later in the growing season can either be unresponsive or even have delayed

phenology, particularly if temperatures rise above their physiological tolerances.

Precipitations: despite the importance of water availability for plant growth, researchers have

generally found no or species-specific responses to rainfall manipulations, with contrasting

responses even in the Mediterranean region.

The increase in atmospheric [CO2]: responses of crop species to elevated CO2 have found

predominantly accelerated phenological development, WHILE most studies have found no

significant effects of elevated CO2 on phenology of wild species.

Ciclo del carbonio

La Terra contiene circa 10 g di carbonio: la grande maggioranza si trova nelle rocce sedimentarie

sotto forma di carbonati (6.5 x 10 g) e composti organici (1.56 x 10 g). Se non esistesse vita

sulla terra la concentrazione di anidride carbonica nell'atmosfera sarebbe essenzialmente

determinata dal ciclo che coinvolge oceani e atmosfera. Il carbonio passa dall'atmosfera agli oceani

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mediante lenti processi di natura chimica. In primo luogo la CO presente in atmosfera può

disciogliersi nelle acque (legge di Henry, la solubilità è proporzionale alla pressione parziale del gas),

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dove poi formerà ioni carbonato e bicarbonato. In secondo luogo la CO atmosferica, a contatto con

rocce silicee, le degrada ed i carbonati prodotti dalla degradazione vengono trasportati dai fiumi agli

oceani. Comunque vi arrivi, lo ione carbonato in acqua, in presenza di calcio, forma carbonato di

calcio (calcare). Grazie alla bassa solubilità del carbonato di calcio si realizza una ``pompa oceanica''

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che rimuove la CO dall'atmosfera per depositarla in forma di carbonati nei sedimenti oceanici.

Tuttavia i lentissimi movimenti di subduzione portano i sedimenti nella crosta terrestre dove ad

elevate temperature e pressioni avvengono fenomeni di metamorfismo: il carbonato di calcio viene

riconvertito in silicato e l'anidride carbonica ritorna quindi in atmosfera per l'attività di vulcani e

fumarole. Secondo Berner et al. (Berner, Lasaga et al. 1983) questo ciclo è in grado di mantenere la

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concentrazione atmosferica di CO tra 200 e 6000 ppm (parti per milione).

In realtà il ciclo del carbonio è profondamente influenzato dalla presenza di vita sulla terra. Solo una

piccola parte del carbonio (40 x 10 g) è presente nei comparti attivi (cioè con minore tempo di

residenza), come l'atmosfera o gli organismi viventi sulle terre emerse e negli oceani. Ma è fra questi

comparti che si realizzano i flussi maggiori: attraverso processi biologici, come ad esempio la

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fotosintesi e la respirazione aerobia ed anaerobia, il carbonio, in forma di anidride carbonica (CO )

ed in misura molto minore di metano (CH4), viene trasferito dall'atmosfera alla componente biotica

sulle terre emerse e negli oceani e viceversa. Inoltre l'azione di molti organismi marini che si

costruiscono scheletri di carbonato di calcio aumenta l'efficacia della pompa oceanica di CO2.

Vediamo quindi come è fatto il ciclo del carbonio completo della componente organica. È da notare

che questo ciclo, a differenza di quello di altri elementi, non implica necessariamente la presenza di

decompositori al suo interno in quanto gli autotrofi prelevano il carbonio di cui hanno bisogno nella

stessa forma (CO2) in cui il carbonio viene emesso da tutti gli organismi nel processo di respirazione.

Anche senza decompositori, che peraltro sono comunque presenti, il carbonio continuerebbe a

percorrere ciclicamente gli ecosistemi, accumulandosi però nella MOM.

La Fig. 3 illustra il ciclo globale del carbonio a livello dell'intera terra: atmosfera, terre emerse e

oceani. Si tenga presente che fino alla metà del secolo diciannovesimo la concentrazione di anidride

carbonica nell'atmosfera era relativamente costante: circa 280 ppmv (cioè 280 parti per milione in

volume) come mostrato in Fig. 4. Ricordando che volumi uguali di gas diversi alla stessa temperatura

e pressione contengono lo stesso numero di molecole, ciò vuol dire che c'erano 280 molecole di

anidride carbonica ogni milione di molecole di aria. Si può calcolare con gli opportuni coefficienti di

conversione che 280 ppm equivalgono a 2.18 x 10 g di CO2 e quindi a 594 Pg di C (Pg = Petagrammi

= 10 grammi). Attualmente la concentrazione di CO2 è di circa 380 ppm.

Figura 3: Il ciclo globale del carbonio. Le unità dei serbatoi sono petagrammi (Pg) = 10$ ^{15}$ g e

quelle dei flussi Pg a$ ^{-1}$. I processi di deforestazione e di combustione indicano i flussi dovuti

all'azione dell'uomo.

Sono necessari alcuni commenti al diagramma di flusso di Fig. 3. In primo luogo notiamo che

nonostante il comparto dei consumatori e dei decompositori terrestri sia molto piccolo (inferiore a

1 PgC) rispetto a quello delle piante, il suo contributo in termini di flusso di CO2 dovuto alla

respirazione è pari a quello delle piante (60 PgC. Per quanto riguarda gli oceani abbiamo indicato

per le piante acquatiche (essenzialmente fitoplancton) il flusso netto, differenza tra fotosintesi e

respirazione, che ammonta a 40 PgC. Un flusso di uguale entità, ma in senso opposto, è quello

dovuto alla respirazione di consumatori e decompositori acquatici.

Un discorso accurato merita lo scambio di carbonio tra atmosfera e oceani. Come già detto sopra,

l'anidride carbonica si discioglie nell'acqua seguendo la legge di Henry, ma reagisce poi con l'acqua

formando carbonati CO2 + H2O H + HCO 2H + CO .

A seconda del pH la reazione è più o meno spostata verso destra o verso sinistra. Con pH <4.3

l'anidride carbonica si trova essenzialmente come gas disciolto, mentre con pH >8.3 si ha prevalenza

di carbonato. Le acque oceaniche hanno in generale un pH intermedio e quindi la forma più comune

di carbonio inorganico disciolto (DIC, dissolved inorganic carbon), che forma un grande comparto di

38000 Pg, è lo ione bicarbonato HCO3-. Si ricordi che una parte del bicarbonato reagisce con lo ione

calcio formando carbonato di calcio che precipita nei sedimenti. La solubilità della CO2 dipende

anche dalla temperatura. L'anidride carbonica è circa due volte più solubile a 0 C di quanto non lo

sia a 20 C. L'anidride carbonica entra quindi negli strati profondi dell'oceano a causa del flusso

verso il basso di acque fredde alle latitudini polari. La maggior parte dell'anidride carbonica degli

strati profondi dell'oceano è però restituita all'atmosfera quando le acque fredde e profonde

dell'oceano risalgono alle latitudini tropicali (si ricordi la circolazione termoalina e il nastro

trasportatore delle correnti oceaniche). Naturalmente una buona parte dell'anidride carbonica

presente negli oceani viene utilizzata dalle piante acquatiche per il processo di fotosintesi, mentre

la respirazione degli organismi acquatici restituisce la CO2 alle acque. È da notare che, se

consideriamo il DIC, le entità dei flussi dovuti a fotosintesi e respirazione sono paragonabili a quelli

dovuti allo scambio di interfaccia tra atmosfera e acqua. Data l'entità del DIC il tempo di residenza

di un atomo di C in tale comparto è di circa 260 anni (38000/145).

Il comparto dei combustibili fossili ha naturalmente una grande importanza. L'accumulo di

combustibili fossili (carbone, petrolio, gas) è dovuto al fatto che una parte del carbonio organico nel

corso di miliardi di anni è scampato all'ossidazione: una parte delle piante e degli animali sono

rimasti sepolti in paludi o sedimenti marini in cui erano assenti sia l'ossigeno sia i decompositori

anaerobi (particolari batteri che possono funzionare anche in assenza di ossigeno). Tuttavia la gran

parte del carbonio non ossidato non è nei combustibili fossili, ma nei sedimenti, che contengono

circa 1000 volte più carbonio del compartimento dei combustibili fossili. Tale carbonio non è però

utilizzabile dall'uomo per produrre energia. Nel ciclo del carbonio preindustriale il flusso di CO2 dai

combustibili fossili era praticamente trascurabile, mentre ora non lo è più, ammontando a circa 5

PgC a . Anche la deforestazione e più in generale la distruzione della vegetazione provocano

un'ulteriore flusso verso l'atmosfera dovuto all'attività dell'uomo (circa 2 PgC a ). Si noti che il

comparto atmosferico non è in condizioni stazionarie in quanto la somma dei flussi di carbonio

entranti è maggiore della somma di quelli uscenti. Infatti (almeno per i dati del 1985 riportati in

Fig. 3) si ha una compensazione dei flussi di fotosintesi e respirazione negli ambienti terrestri e un

assorbimento da parte dell'oceano di 107 - 105 = 2 PgC a , ma questo bilancia solo parzialmente

il flusso di 5+2 = 7 PgC a dovuti all'attività antropica.

 GPP = gross primary production: Gross primary production (GPP) is the total amount of

energy produced by vegetation; some of that energy is used for cellular respiration i.e. for

the growth and development of the plant. What is left over is called net primary production

(NPP) and that represents the total available energy in an ecosystem the form of dry plant

biomass (NPP = GPP – Rauto, la quale dipende dal tasso di crescita, temperature, massa

dell’organismo). NPP an important variable in the terrestrial biosphere because it is an

indicator of incoming energy to the biosphere and a measure of terrestrial carbon dioxide

assimilation. Hence it represents the fundamental source of energy for all organisms in an

ecosystem and is a driver of the most essential of ecosystem services necessary for human

welfare.

 NEP = net ecosystem production: is NPP – heterotrophic respiration or NEP = GPP-Rauto-

Retero. Heterotrophic respiration (Retero) is respiration of fungi, aerobic bacteria,

invertebrates and vertebrates in the soil. It is a function of temperature, soil moisture,

carbon content and lability, priming from recent photosynthesis.

 NBP = net biome productivity: is NEP – carbon loss via disturbance or NBP = NEP – Fc(fire,

herbivory, disturbance …).

Dove viene prodotta la biomassa? Ovvero, fissazione maggiore della co2 negli organism viventi.

Causes of recent climate change (vedi IPCC)

Anthropogenic greenhouse gas emissions have increased since the pre-industri