Ecologia agraria

Ecologia agraria

Programma del corso

• Agrosistemi
• Il sistema circolatorio + le variabili atmosferiche di interesse agrario + sistemi di misura
• Relazioni variabili-atmosferiche pianta – risorse e limitazioni
• Pratiche agronomiche di protezione / difesa / adattamento
• Le colture agrarie - fenologia, cicli
• Es1 – calcolo delle risorse e limitazioni termiche
• Il suolo e la risorsa idrica
• Es2 – il bilancio idrico
• Es3- il cambiamento climatico
• Es4- un modello di produzione primaria
• Gestione e progettazione degli AES - la zonazioni
• Simulazione prova di esame (parte numerica)

Agronomia

Studio dei processi biologici, chimici e fisici che controllano le produzioni vegetali (cibo, foraggi, fibre, colture ornamentali, biocarburanti, altro…).

Multidisciplinarietà

Sintesi di numerose competenze / ambiti disciplinari: biologia, chimica, fisica, meteorologia/climatologia, geologia, pedologia, genetica, economia, meccanica, scienze politiche, sociali e giuridiche. Interazione fra tutti gli ambiti disciplinari che indagano le interazioni uomo ambiente.

Agricoltura

Definizione pratica

Coltivazione di piante e allevamento di animali finalizzato a produrre cibo e generi di consumo.

Definizione biochimica

Governo del ciclo del carbonio e in particolare delle due fasi di organicazione e mineralizzazione.

Definizione ecologica / antropologica

Simbiosi in cui l'uomo sviluppa piante e animali, ne trae nutrimento e nel contempo ne viene a sua volta plasmato e ricreato.

L'agronomia è la scienza della coltivazione delle piante. Come tale si occupa dei fattori che condizionano la produzione vegetale e delle tecniche che consentono di regolarli al fine di ottimizzare (in quantità e/o qualità) le produzioni nel rispetto della fertilità del terreno e dell'ambiente.

Gli agroecosistemi

Ecologia

Studio della struttura e del funzionamento della natura, incluso l'uomo.

Sistema

Insieme di elementi interconnessi e coordinati tra di loro in una unità funzionale, in relazione col contesto ambientale in cui si trovano. Gli elementi si qualificano più per le loro interazioni che per le loro caratteristiche intrinseche. Il sistema ha una finalità.

Ecosistema

Unità integrata funzionale che include tutti gli organismi viventi di una data area, in interazione fra loro e l'ambiente fisico in cui essi vivono.

• Fattori fisici e chimici dell'ambiente
• Fattori fisici e chimici degli organismi

In un ecosistema potremo riconoscere:

• Flussi di energia
• Diversità biologica
• Flussi/cicli di materia
• Strutture trofiche (catene/reti alimentari)

Agroecosistema

Ecosistema orientato dall'uomo alla produzione agraria. Un ecosistema naturale è caratterizzato da processi evolutivi di lunga durata in equilibrio dinamico rispetto alle caratteristiche fisiche dell'ambiente. I flussi di materia sono tendenzialmente ciclici. L'energia del sistema (fotosintesi) viene redistribuita all'interno del sistema. Nell'agroecosistema (AES) l'asportazione della produzione determina modifiche ed alterazioni dei flussi di materia ed energia.

I sistemi non sono definiti in modo assoluto ma dipende da chi ne definisce i confini, il contesto, le componenti e le relazioni fra queste ultime. Importanza delle competenze coinvolte (prospettive) - Approccio interdisciplinare approccio transdisciplinare - Singoli processi interazioni fra componenti. Ad esempio, un AES (sistema colturale) può essere interpretato come sottosistema di un AES più ampio (interazioni con componenti ambientali) sostenibile è un AES che dura nel tempo (importanza dell'avere uno sguardo a medio lungo termine).

Agronomia

Scienza della progettazione e gestione di AES capaci di realizzare produzioni agrarie garantendo la rigenerazione nello spazio e nel tempo delle risorse naturali su cui gli AES si basano.

Analisi degli agrosistemi

Approccio sistemico, olistico, multiscala (nello spazio e nel tempo), interdisciplinare e multi istituzionale.

Gli agrosistemi - finalità prodotti

Cibo, foraggi, fibre, biocarburanti, colture ornamentali, ecc. (Food + Non Food). Ogni processo produttivo comporta la produzione di raccolto + residui colturali; prodotto principale + sottoprodotti.

Servizi

Servizi ecosistemici (ecosistemi)

• Supporto alla vita (produzione primaria, pedogenesi, cicli dei nutrienti, ecc.)
• Approvvigionamento (produzione di cibo, acqua potabile, materiali e biocombustibili, ecc.)
• Regolazione (del clima, depurazione delle acque, controllo erosione, impollinazione, controllo infestazioni, ecc.)
• Valori culturali (educativi, spirituali, estetici, ricreativi)
• Servizi economici e sociali (occupazione, prevenzione calamità, recupero terreni inquinati, ecc.)

Importante valutare e gestire la molteplicità dei servizi offerti da un ecosistema e le complesse relazioni fra essi. Non esistono strategie di valorizzazione e gestione valide in generale per ciascun servizio né politiche e misure valide per ogni combinazione di servizi. Singole strategie efficaci per la conservazione di un ecosistema e/o la valorizzazione di uno specifico servizio possono produrre effetti inattesi si altri servizi o ecosistemi.

I sistemi agrari sono ecosistemi di importanza trasversale nella fornitura di gran parte dei servizi ecosistemici. Nell'essere finalizzati alla produzione (cibo, ecc.), hanno implicazioni su tutte le tipologie di servizi ecosistemici → esternalità positive e negative.

Socioecosistema

Resilienza

Capacità di recupero del sistema quando viene modificato da una perturbazione. Gli AES grazie alla loro complessità ed eterogeneità sono caratterizzati da un alto livello di resilienza.

Capacità trasformative / adattamento

Capacità di cogliere le opportunità insite nelle perturbazioni al fine di ricombinare le strutture esistenti, rigenerare i sistemi e definire nuove traiettorie.

Fattori ambientali

Ambiente

Insieme dei fattori di contesto necessari allo sviluppo e all'accrescimento di un dato organismo.

Fattori ambientali

• Variabili atmosferiche: Radiazione, temperatura, acqua, vento, ecc.
• Elementi nutritivi: Fattori abiotici
• Organismi: Fattori biotici

I fattori ambientali variano nello spazio e nel tempo. Le caratteristiche e le esigenze degli organismi variano nello spazio e nel tempo. La variabilità dei fattori e dell'organismo influenza la produzione. (!)

Fattori ambientali e organismi

• Disponibilità del fattore (quantità e qualità)
• Relazione fra l'organismo e i fattori ambientali (risposta dell'organismo alla disponibilità del fattore)

Fattori biotici

Modalità di interazione con organismi di altre specie:

• Mutualismo [++] rapporti vantaggiosi per entrambi gli organismi
• Commensalismo [+-] un organismo avvantaggiato, l'altro indifferente
• Predazione [+-] un organismo si nutre di un altro, a svantaggio di quest'ultimo
• Parassitismo [+-] un organismo approfitta di un altro, a svantaggio di quest'ultimo
• Concorrenza [--] contesa di due organismi per una risorsa limitata

Gli agroecosistemi – componenti funzionali

In un ecosistema abbiamo:

• Flussi di energia
• Flussi/cicli di materia
• Strutture trofiche (Catene/Reti alimentari)

Componenti funzionali

Flussi energetici

• Radiazione solare (ecosistemi, agroecosistemi) - Radiazione solare [MJ m^-2]
• Fotosintesi - Sostanza organica [kg m^-2][t ha^-1]

Si passa da energia solare ad energia chimica di legame.

Flussi energetici 2

• Input di altra natura (agroecosistemi): Meccanizzazione, irrigazione, impiego di fertilizzanti e fitofarmaci necessitano energia ausiliaria.
• Impiego diretto per meccanizzazione, trasporti, commercializzazione
• Impiego indiretto per sintesi molecole…

Componenti funzionali – cicli degli elementi

Elementi minerali necessari per l'accrescimento degli organismi vegetali:

• Macroelementi: H, O, C, N, P, K, Ca, Fe, Mg, S
• Microelementi: Mb, Cu, Zn, Mn, B, Fe, Cl

Disponibilità (concentrazioni basse, ottimali, eccessive). Gli elementi si spostano continuamente (fra organismi e ambiente) in modo ciclico:

• Ciclo biochimico: Movimenti dell'elemento chimico all'interno di un organismo.
• Ciclo biogeochimico: Movimenti dell'elemento chimico all'interno di un ecosistema, fra organismi e ambiente fisico.
• Ciclo geochimico: Movimenti dell'elemento chimico fra ecosistemi diversi.

Cicli degli elementi

Negli AES, ogni forma di asportazione di prodotti provoca un impoverimento più o meno grave che può ripercuotersi sulla produttività futura. Da cui la necessità di adottare pratiche agronomiche atte a bilanciare i suddetti squilibri.

Ciclo del carbonio

Ciclo biogeochimico, interessa:

• Atmosfera
• Geosfera
• Idrosfera
• Biosfera

Interscambio dinamico fra i 4 sink mediante processi chimici, fisici, biologici e geologici.

Ciclo del carbonio – biosfera

Il Carbonio è elemento fondamentale nella struttura cellulare.

• Organismi autotrofi: Organicazione CO² da acqua o aria mediante:
  • Fotosintesi : 6 CO² + 6 H²O → 6 C⁶H¹²O⁶ + 6 O²
  • Chemiosintesi
• Organismi eterotrofi: Nutrizione da altri organismi.

Respirazione aerobica: Emissione di CO² in aria o acqua.

6 C⁶H¹²O⁶ + 6 O² → 6 CO² + 6 H²O

Respirazione anaerobica: Rilascia CH⁴ in aria o acqua.

Combustione: Rilascia CO² o CO in atmosfera.

Stoccaggio: Avviene a diverse scale temporali (dai giorni ai millenni).

Geosfera

Sostanza organica sedimenta e viene incorporata nella geosfera. CO² atmosferica mediante piogge.

Idrosfera

Equilibrio dinamico di CO² fra strato superficiale e atmosfera. Grandi quantità negli strati profondi (equilibri di lungo termine – circolazione termoalina).

Uomo

Attività umane ad alto impatto – combustibili fossili, cemento. Modifiche di AES e ES → variazione dei SINK.

Ciclo dell'azoto

Ciclo biogeochimico, interessa:

• Atmosfera
• Biosfera
• Geosfera
• Idrosfera

Ciclo dell'azoto

• N atmosferico utilizzato direttamente esclusivamente da batteri N fissatori (Azortobacter + Clostridim + Rhizobium + Cyanobacteria + Frankia)
• Fissazione in atmosfera (fulmini)
• Fissazione industriale
• Piante – assorbimento radicale di Nitriti, Nitrati e Sali di Ammonio disciolti in acqua → catena alimentare Autotrofi → Eterotrofi
• Decomposizione residui organici → restituzione al suolo + ritorno in atmosfera

• Mineralizzazione/Ammonificazione + Nitrificazione
• Denitrificazione
• Lisciviazione
• Volatilizzazione
• Fissazione argille
• Immobilizzazione

Ciclo del fosforo

Ciclo biogeochimico, interessa:

• Geosfera
• Biosfera
• Idrosfera

• Riserve in giacimenti terrestri
• Bassa mobilità (opt: pH neutro dei suoli)
• Residui → mineralizzazione → P nel suolo
• Rifiuti → discariche + reflui → corpi idrici superficiali → sedimenti + prodotti ittici
• Erosione

Componenti funzionali: catene alimentari

Organismi = accumulatori di energia (per vivere e riprodursi). In un ecosistema ogni organismo riceve energia da una fonte e diventa fonte di energia per un altro organismo → catena alimentare / trofica.

• Sistema a base autotrofica

Catena trofica

1. Autotrofi = produttori primari energia solare → Sostanza Organica [SO]
2. Eterotrofi = produttori secondari organismi (energia dei legami chimici) → SO

→ Eterotrofi consumatori – utilizzano SO viva → Eterotrofi decompositori – utilizzano SO morta.

Catene trofiche AES

Gli agroecosistemi si caratterizzano per catene alimentari semplificate:

• Pianta coltivata → uomo
• Pianta coltivata → animale da allevamento → uomo
• Pascolo → animale da allevamento → uomo
• Pianta coltivata → animale da allevamento → uomo

Gli ecosistemi naturali sono generalmente caratterizzati da catene più complesse:

• Numero maggiore di produttori
• Erbivori che si nutrono di specie vegetali diverse
• Carnivori che predano diverse specie animali

→ Reti trofiche complesse.

Lezione 2

Definizioni

• Condizioni meteorologiche: Stato istantaneo dell'atmosfera (temperatura, umidità, precipitazione, ecc.)
• Clima: Insieme delle condizioni meteorologiche viste su periodi di tempo lunghi (decenni) astrazione statistica.
• Clima attuale: Ultimi 30 anni di dati (1981-2010 – 1988-2017)
• Cambiamento climatico: Variazione negli indici statistici che caratterizzano una variabile meteorologica (temperatura, umidità, precipitazione). Variazione nella frequenza e persistenza dei tipi di tempo (tipi di circolazione atmosferica).

Obiettivi degli standard osservativi - esempio

• Come e dove misurare la temperatura dell'aria
• Come installare un pluviometro
• Che caratteristiche deve avere un anemometro e dove dev'essere collocato
• Dove installare un radiometro....
• Come raccogliere, archiviare e controllare i dati

Le scale

Perché le scale? In meteorologia convivono fenomeni enormi (es: grandi anticicloni) e fenomeni piccolissimi (es: vortici a microscala evidenziati dal fumo di sigaretta, la brinata su un campo).

Problema: trattare insieme fenomeni molto piccoli e molto grandi produce molta confusione (è fonte di errore) → problema risolto suddividendo i fenomeni in base alla loro dimensione.

La base energetica del concetto di scala

L'energia del Sole muove i vortici più grandi che con la loro energia alimentano vortici più piccoli che a loro volta alimentano vortici ancora più piccoli e così via fino ai vortici a microscala (cascata energetica).

Il concetto di scala è fondamentale per

• Analizzare in modo esauriente i fenomeni atmosferici ed i loro effetti (esempio della gelata)
• Progettare le reti osservative (passo di griglia)
• Disegnare algoritmi di analisi che distinguano il segnale dal rumore (es: possibilità di filtrare effetti di microscala in reti sinottiche)

Concetti analoghi si ripropongono in tutti gli ambiti di interesse dell'agronomia.

Di fronte al sistema atmosferico

Compito della climatologia

• Descrivere il passato su archi temporali più o meno lunghi:
  • Clima attuale
  • Climi del passato

Compito della meteorologia

1. Analizzare lo stato attuale-osservazione-diagnosi (=descrizione)
2. Prevedere lo stato futuro (prognosi)

È necessario un atteggiamento umile! (conosciamo ancor oggi pochissimo)

Punto di partenza

Elementi che rendono il nostro pianeta un unicum:

• L'atmosfera
• Gli oceani

E di conseguenza:

• La circolazione atmosferica e oceanica
• L'effetto serra

Tentiamo una chiave di lettura quantitativa di questi fenomeni.

La legge di Stefan Boltzmann

Scoperta sperimentalmente da Stefan nel 1879 e spiegata teoricamente da Boltzmann nel 1884. Lega l'energia emessa da una corpo alla sua temperatura.

E=s T⁴

Ove:

• L'energia E emessa dal corpo (W m^-2) è proporzionale alla 4a potenza della temperatura (K)
• La costante di proporzionalità s è pari a 5.67*10^-8

Alla luce di questa legge

Valutiamo due casi di studio:

• Un pianeta senza atmosfera e oceano (solo roccia)
• Un pianeta con atmosfera e oceano (la Terra)

Entrambi i pianeti hanno le stesse caratteristiche della Terra in termini di:

• Dimensione
• Distanza dal sole (per cui ricevono 235 Wm^-2 di energia)
• Albedo planetario (31%)
• Inclinazione dell'asse
• Rotazione intorno al proprio asse (1 angolo giro ogni 24 ore) e rivoluzione intorno al sole (in 365 giorni).

Circolazione: l'assorbimento di energia si concentra nella fascia equatoriale ma l'emissione è assai più regolare → dev'esserci un trasferimento latitudinale di energia dovuto alla circolazione.

Effetto serra: mediamente 235 W m^-2 sono assorbiti e altrettanti sono emessi per ragioni di equilibrio energetico. 235 W m^-2 è l'emissione di un corpo con T=-19°C. L'effetto serra giustifica il fatto che la Terra in superfice ha una temperatura di +14°C.

Il sistema climatico

È un sistema termodinamico (porzione limitata dell'universo contenente materia ed energia). Nel suo complesso è un sistema chiuso (con lo spazio esterno scambia energia e non materia). I suoi sottosistemi sono sistemi aperti (scambiano fra loro energia e materia).

L'atmosfera e la sua composizione

Questa composizione viene rispettata fino a 100 km di altezza (omosfera). In passato è sempre stata così? - Il ruolo degli autotrofi.

Il ruolo della circolazione

Scopo della circolazione: riequilibrare gli scompensi dovuti all'irregolare distribuzione della radiazione solare. Come assolve a tale scopo: in massima parte attraverso...