Ecologia applicata e servizi ecosistemici

Ecologia applicata e servizi ecosistemici

Definizione di ecosistema

Ecosistema = insieme dei fattori biotici e abiotici che interagiscono in un determinato ambiente e costituiscono un sistema autosufficiente e in equilibrio dinamico.

Ecologia applicata

L'ecologia applicata, servendosi dei principi e dei concetti dell’ecologia di base, consiste nell’analisi, monitoraggio, prevenzione e gestione degli effetti causati dalle attività antropiche sugli ambienti naturali.

Problemi principali

• Inquinamento atmosferico
• Acidificazione oceani
• Ozono
• Alterazione del ciclo N e deposizioni azotate (ossidi azoto veicoli quindi formazioni nitrati che si depositano, fertilizzanti, quindi ammoniaca, inquinano i corsi d'acqua e falde + eutrofizzazione, formazione di nitrato di ammonio/particolato)
• Utilizzo acqua
• Perdita di biodiversità (ossia la varietà di geni, specie o tratti funzionali in un ecosistema, ha un impatto sul funzionamento dell’ecosistema stesso e sui servizi che offre all'umanità)
• Cambiamento uso del suolo

Millennium Ecosystem Assessment

Il Millennium Ecosystem Assessment è un progetto di ricerca istituito nel 2000 dall’allora presidente ONU (Nazioni Unite) con l’obiettivo di valutare e identificare i cambiamenti subiti dagli ecosistemi, le conseguenze sul benessere umano di questi cambiamenti, di sviluppare scenari per il futuro (basati sui trend dei cambiamenti osservati) e la base scientifica per le azioni necessarie a migliorare la conservazione e l'uso sostenibile di tali sistemi. Con 1500 scienziati, hanno fornito informazioni sulla condizione degli ecosistemi del mondo e dei servizi da essi offerti (come l'acqua pulita, cibo, prodotti forestali, controllo delle inondazioni e risorse naturali) e le opzioni per ripristinare, conservare o migliorare l'uso sostenibile degli ecosistemi.

Biodiversità e funzioni ecosistemiche

Biodiversità e funzioni ecosistemiche (= proprietà biologiche, di habitat, di sistema e dei processi, degli ecosistemi: relazioni ambientali, trofiche, catene alimentari, cicli biogeochimici) garantiscono la produzione dei beni e servizi ecosistemici (produzione di legname, alimenti, cicli biogeochimici, mitigazione del clima).

Beni e servizi ecosistemici

I beni e servizi ecosistemici sono i benefici che le popolazioni umane traggono, direttamente o indirettamente, dalle funzioni ecosistemiche/ecosistemi naturali. In particolare, beni ecosistemici sono ad esempio il cibo o le materie prime, mentre servizi ecosistemici sono ad esempio i processi di decomposizione e di riciclo della sostanza organica. Si dividono in servizi di approvvigionamento, di regolazione (hanno effetto diretto sull’umanità), servizi di supporto (pedogenesi, cicli nutrienti, produttività primaria, che sia derivano dagli altri processi ecosistemici sia li permettono) e servizi culturali. La qualità di questi servizi dipende da quella degli ecosistemi.

Essi influenzano tutte le componenti del benessere umano quali sicurezza, qualità della vita, salute, relazioni sociali etc. sono il contributo relativo al benessere umano; del Capitale Naturale, che comprende il capitale umano, sociale, culturale, infrastrutturale, e l’interazione tra tutti i capitali determina la produzione di servizi ecosistemici (il capitale naturale non fornisce direttamente i servizi ecosistemici all’uomo). Il concetto di “Capitale Naturale” è stato strumentalmente mutuato dal settore economico per indicare il valore in termini fisici, monetari e di benessere offerto dalla biodiversità al genere umano, anche al fine di orientare le scelte dei decisori pubblici. Il valore monetario del capitale naturale supera il pil mondiale.

Ex: processo ecosistemico (copertura vegetale), con tutte le sue funzioni, fornisce uno o più servizi ecosistemici (materie prime, regolazione climatica), e da questi derivano dei valori e dei benefici (benessere umano). SPA = aree che forniscono servizi ecosistemici (ex: tenuta Castel Porziano), il flusso/SCA = aree di connessione di servizi e le SBA = aree che beneficiano dei servizi (ex: Roma).

Grafico: Relazioni tra biodiversità e servizi ecosistemici. Valore dei servizi ecosistemici (dollari/ettaro/anno). “I servizi ecosistemici non sono commercializzabili e non vengono quantificati in termini comparabili con i servizi economici ed i prodotti industriali, molto spesso questi servizi non vengono considerati nelle decisioni politiche”.

Stress

Stress = un fattore (stressors) inusuale dell’ambiente biotico/abiotico o usuale modificato (eccessi o carenze) causa dei danni, sia a livello fisiologico sia come alterazione dello stato di equilibrio. Eustress è positivo e può avere un’azione stimolatrice e attivatrice per lo sviluppo, distress è negativo. Strain = il cambiamento (deformazione) chimico/fisico prodotto in un organismo in risposta allo stress. Esso può essere una deformazione elastica (reversibile), e quindi si può avere riparazione, o plastica (irreversibile) fino a danno permanente/morte.

[Successione primaria = condizione iniziale mancanza di vita e di suolo e si parte con i batteri, funghi etc e successione secondaria = territorio in cui un forte disturbo e ci sono già propaguli e banca del seme con suolo già costituito.]

Organismi vegetali sono sessili quindi devono essere i più adattabili e tolleranti in ambienti in cui si manifestano periodicamente situazioni di stress. Qualsiasi cambiamento di un fattore ambientale influenza crescita e sviluppo ma non tutte le deviazioni di un fattore dal suo optimum rappresentano uno stress. Risposte specifiche e non a fattori di stress. EX: adattamenti morfo-anatomici come sclerofilla nelle piante mediterranee che ha consentito lo sviluppo di strutture idonee alle condizioni di aridità estive.

Ex: processi di germinazione in condizioni ottimale e di stress. Maturazione semi su pianta madre; se essa vive periodo di stress può ridurre sia numero sia qualità semi prodotti e ciò porta a minor num. di plantule che possono germinare e minor densità di individui. Cicli di idratazione e disidratazione influenzano vitalità semi e ciò porta, prima della germinazione, a processi di riparazione a livello di cellule embrionali, reidratazione delle proteine etc., ma se successivamente mancano le condizioni sufficienti per proseguire la germinazione (ex nuova disidratazione) possono esserci danni permanenti a causa dell’accumulo del danno per elevata frequenza stress.

Metodo Strasser

Metodo Strasser = metodi e strumenti per monitorare, tramite misura fluorescenza clorofilla a, le condizioni di stress nei vegetali. Secondo la teoria dello “state-change” di Strasser, le condizioni non ottimali rappresentano la driving force dell’adattamento (processo che porta un sistema ad essere più adeguato a confrontarsi con le caratteristiche dell’ambiente, caratteristica divenuta prevalente in un sistema poiché vantaggiosa). In questa teoria, nessun fattore ambientale viene considerato sfavorevole a priori, e la pianta non deve sia “resistere” allo stress, ma anche reagire ad esso. Finché il sistema è in grado di adattarsi, lo stress non è solo innocuo ma, addirittura, costruttivo, in quanto esso si traduce in un miglioramento della resistenza e in evoluzione adattativa.

Comunque, se i limiti di adattabilità del sistema vengono superati, allora lo stress diventa distruttivo, e porta a danno permanente o addirittura alla morte. Questo concetto di stress elaborato da Strasser è pienamente in accordo con la definizione data da Larcher: “Ogni organismo può subire uno stress, anche se il modo in cui lo stato di stress viene espresso differisce a seconda del livello di organizzazione dell’organismo considerato”.

Modelli di Lichtenthaler

Modelli di Lichtenthaler: l’esposizione di una pianta ad agenti di stress porta a tre fasi di risposta: Fase di allarme (inizio stress) = alterazione condizioni fisiologiche, declino vitalità, elevato catabolismo rispetto ad anabolismo. Stadio di resistenza = adattamento, riparazione, riattivazione. Fase finale = se rimozione agente di stress e danno non elevato, allora ricostituzione delle funzioni fisiologiche; se intensità stress troppo elevata (costo eccessivo dell’adattamento) allora malattia cronica o morte. (Lichtenthaler, 1996) Lo stadio di resistenza costa molto in termini energetici, fino all’esaurimento/riduzione o dello stress o della performance funzionale.

Risposta cellulare è immediata (secondi/minuti), a livello di organo o individuo si parla di acclimatazione e adattamento alle condizioni di stress (giorni), a livello di popolazione si parla di adattamento o anche di evoluzione (è un “adattamento genetico”, un cambiamento nelle frequenze alleliche e selezione di nuovi caratteri, che assicurano la sopravvivenza, trasmessi ereditariamente da parte delle forze micro/macro-evolutive). Quando uno stress ambientale compare con una relativa periodicità nel ciclo vitale di una pianta, le risposte a questo stress divengono fissate nel genoma della pianta stessa, portando all’evoluzione di ecotipi o razze.

Ex: differente risposta tra una plantula e un albero della stessa specie allo stesso fattore di stress. Tre tipologie di stock di carbonio: quello assimilato ex novo durante fotosintesi, quello accumulato e quello sotto forma di composti non strutturali. Stress che diminuisce quantità di carbonio in questi stock. La maggior parte dei fattori di stress hanno come effetto la riduzione della fotosintesi netta, del pool dei nuovi assimilati che vengono sia traslocati agli organi in crescita (foglie nuove, radici fini e strutture del legno), sia utilizzati per la respirazione di mantenimento nelle cellule viventi della pianta, e anche utilizzati per costruire le riserve di carbonio. Oltre al carbonio neosintetizzato, tutte le piante legnose hanno significative riserve di carboidrati non strutturali (zuccheri e amido) nelle foglie, fusti e rami, oltre che nelle radici. Tali riserve possono essere utilizzate per supportare le necessità di mantenimento della pianta durante il periodo di stress. Nelle plantule una gran parte dei carboidrati totali non strutturali è invece derivante dal carbonio neoassimilato. Perciò, riduzioni nel tasso di fotosintesi netta hanno immediate ripercussioni sulla sopravvivenza dell’individuo, al contrario di quanto accade in alberi adulti, che hanno grandi riserve di carboidrati non strutturali. La sopravvivenza degli alberi adulti durante lo stress è pertanto meno dipendente dalla riduzione nel tasso istantaneo di assimilazione del carbonio. (Da Niinemets et al., 2013).

Effetto memoria

“Effetto memoria” di una precedente condizione di stress. La risposta delle piante a stress singoli e ripetuti senza acclimatazione può portare a un danno da stress (effetto negativo), alla comparsa di acclimatazione (effetto neutrale), oppure alla comparsa di un effetto di memoria ecologica addizionale (riposta migliorata). L’acclimatazione aiuta a prevenire il danno e a promuovere il recupero, nonostante spesso sia accompagnata da riduzione della crescita durante lo stress. Una memoria ecologica dello stress esiste quando la pianta mantiene una sorta di “impronta dello stress” dopo l’esposizione ad uno stress, che migliora la risposta e aumenta la performance della pianta a eventi di stress ricorrenti, paragonati a piante che non presentano memoria dello stress. Effetti ritardati dello stress sono effetti negativi che avvengono qualche tempo dopo l’evento stressante. Il danno da stress può portare danni ancora maggiori o al completo collasso se avvengono eventi di stress ricorrenti. (Da Walter et al., 2013).

Caratteristiche dello stress

Caratteristiche dello stress = intensità, durata, numero di ripetizioni e combinazione di più stressors. I meccanismi che permettono la sopravvivenza durante lo stress sono chiamati meccanismi di resistenza. I meccanismi di evitanza (avoidance) comprendono una riduzione delle attività metaboliche, fino ad uno stato di dormienza o specie che completano il loro ciclo di vita prima dell'inizio della stagione sfavorevole. La tolleranza comporta cambiamenti nelle attività metaboliche, dipendenti dalla sensibilità allo stress. Durante l’acclimatazione un organismo altera la propria omeostasi per rispondere ai cambiamenti dell’ambiente esterno. L’adattamento comprende processi microevolutivi quali il cambiamento delle frequenze geniche nella popolazione. Se le possibilità di acclimatazione/adattamento di una specie sono superate, si ha la morte cellulare o individuo.

Stress idrico e cambiamenti climatici

Stomi = pori costituiti da cellule di guardia che regolano scambi gassosi e posizionate generalmente sulla pagina abassiale delle foglie. Il livello/grado di apertura e chiusura degli stomi è detto conduttanza stomatica (GS), velocità con cui CO₂ attraversa dall’esterno verso interno per fotosintesi e il vapor d’acqua dall’interno del mesofillo (tessuto parenchimatico delle foglie posto fra le epidermidi, formato da tessuto a palizzata ricchi di cloroplasti e tessuto lacunoso con cellule irregolari intervallate da spazi pieni di aria comunicanti con l’esterno tramite gli stomi) verso esterno per traspirazione. GS misurata in millimol/m² di foglia/sec (in ordinata) e in ascissa date (maggio-luglio) in cui effettuate misure in campo su Arbutus unedo, Quercus ilex e Phyllirea latifolia, tutti arbustivi. Istogrammi. Durante condizioni di aridità si tende a chiudere gli stomi per conservare l’acqua, ma non tutte le piante rispondono allo stesso modo. Soil Water Content a diverse profondità in terreno molto sabbioso nella macchia mediterranea, fasce/dune costiere e falda non molto affiorante ma profonda. Limitato humus che ha forte ritenzione idrica. Risposta diversa nelle tre specie a questi fattori di stress. A. unedo e Q. ilex chiudono gli stomi mentre P. latifolia non chiude stomi ma l’apparato radicale è più profondo, assorbe di più e ha quindi elevata conduttanza stomatica. Riportata anche la deviazione standard con valori min/max per ogni specie. Se la P. latifolia non potesse assorbire l’acqua può chiudere gli stomi come le altre.

Effetti diversi dei cambiamenti climatici a seconda della latitudine. Il periodo di tempo con assenza di precipitazioni necessario per produrre aridità dipende principalmente da:

• Durata assenza precipitazioni
• Capacità di ritenzione idrica del suolo
• Tasso di traspirazione delle piante

A seconda di dove ci troviamo nel bacino mediterraneo variano i mesi di aridità. Il bacino del Mediterraneo per la sua posizione intermedia tra il clima tropicale/subtropicale africano e il clima temperato delle medie latitudini europee è anche considerato come l’area europea a maggior rischio di conseguenze ad opera del cambiamento climatico. Nell’Europa del sud si registrano diminuzioni nelle precipitazioni che arrivano al 20% e aumento della temperatura tra 0.3 e 4 gradi entro il 2050. Proiezione a livello modellistico e simulato con previsioni di scenari delle temperature percepite sopra i 40.7 (heat index) gradi dal 1961 fino al 2100. Numero di giorni estivi in Europa che superano quella temperatura apparente. Nel mediterraneo si possono raggiungere decine di giorni al di sopra dell’heat index. Aumento dei fenomeni estremi.

Cambiamento climatico globale e scenari dell’IPCC di emissione di gas serra (GHG) dal 2000 al 2100, e rispettive proiezioni delle temperature medie globali. Si prevede un aumento della temperatura compreso tra 1.8 e 4°C entro il 2100. L’IPCC (Gruppo Intergovernativo sul Cambiamento Climatico), nel 2000, ha pubblicato il primo report (Special Report on Emission Scenarios) sui possibili scenari futuri sui cambiamenti climatici dell’intero globo terrestre che possono essere raggruppati in quattro gruppi principali, legati a variabili sociopolitiche che vanno intese a loro volta come un insieme di scenari. In altre parole, ogni scenario può essere catalogato e riassunto nel seguente modo:

• A2 (World Markets): sviluppo economico di tipo consumista e globalizzato dove si fa un largo uso delle risorse;
• A1 (Global Sustainability): sviluppo economico di tipo conservazionista e globalizzato;
• B1 (Provincial Enterprise): sviluppo economico di tipo individualista e localista;
• B2 (Local Stewardship): sviluppo economico di tipo conservazionista e localista.

Variazioni del ciclo idrologico nel Mediterraneo previste per il periodo 2070–2099, rispetto al periodo 1950–2000, per la stagione “umida” e per quella “arida” (mm/giorno), con differenze nell’evaporazione di 0.5/0.7 mm/giorno, che è una quantità elevata (più di 150 mm all’anno). A Roma per esempio si anno 800/1000 mm/anno di precipitazioni. Questo cambiamento può portare ad una vera e propria variazione sub-arida del clima. Grafico indice di limitazione di disponibilità idrica. Rapporto tra disponibilità attuale di precipitazioni e quella teorica necessaria per consentire l’accrescimento delle colture agrarie. Ci rappresenta la situazione europea in assenza di irrigazione e sfruttando soltanto le precipitazioni naturali e come varierà nel corso degli anni. Quando questo rapporto è uguale a uno le precipitazioni attuali e teoriche sono uguali, è questo nel centro-nord Europa. Vedere B1 e A2 sopra e differenze nel grafico. Nel corso degli anni questo rapporto diminuirà e ci sarà quindi una maggior richiesta di acqua per irrigare, e a sua volta un consumo maggiore della stessa già carente.

Stress idrico = bassi potenziale idrico (potenziale chimico dell’acqua) e energia libera dell’acqua nell’ambiente, che porta a perdita di turgore ed energia libera dell’acqua all’interno della pianta. Pot. Idrico del suolo, quello all’interno delle radici, dei tessuti della pianta e della foglia. Per il trasporto dell’acqua è importante il rapporto tra ar...