Il ruolo delle deposizioni atmosferiche negli apporti di azoto

Gli impatti dell’inquinamento atmosferico
sugli ecosistemi naturali e antropici”
Roma, 23-24 gennaio 2014
Il ruolo delle deposizioni atmosferiche
negli apporti di azoto
agli ecosistemi acquatici
Michela Rogora
C.N.R. Institute of Ecosystem Study,
Verbania Pallanza, Italy - http://ise.cnr.it
Nitrogen: too much of a good thing
Aumento netto nella produzione di N reattivo a partire dagli anni ’50 (da 15 a 165 Tg N y-1),
con conseguente aumento delle emissioni di Nr in atmosfera e delle deposizioni di N
Human activity is radically altering the world’s nitrogen cycle through food and energy
production… some food-producing systems are generating excess nitrogen, affecting
air, land, and freshwater, and ultimately environment and human health.” (UNEP 2004)
Effetti negativi dell’eccessivo input di N
agli ecosistemi terrestri ed acquatici:
acidificazione, eutrofizzazione (corpi idrici
limitati da N), sbilanci nutritivi, riduzione
della biodiversità
Deposizioni atmosferiche come
principale veicolo di N alle acque in aree
scarsamente antropizzate
Sala et al. 2000. Science 287
Nitrogen cycle
Nitrogen cascade
NOx from burning fossil fuels
N2 in air
Acid
rain
Global warming
Attività
antropiche
N2, NOx, N2O
N-fixation by
bacteria
Industrial
Aerosols
fixation
ground level O3
(fertilizers)
smog
Denitrifying bacteria
and fungi
NOx
N2O
Lightning
Plants
Nitrates
NO3-
Animals
Ammonia
NH3
Decay and
animal waste
Batteri
nitrificanti
Batteri
nitrificanti
Nitrites
NO2Runoff, leaching
(eutrophication)
Galloway et al. 2003. Bioscience 53
N-saturazione ed effetti sulle acque
N saturazione: input totale di N dalle deposizioni supera il fabbisogno dell’ecosistema, e l’azoto
in eccesso (come NO3) viene lisciviato alle acque superficiali (Aber et al. 1989. Bioscience)
Wet and dry
deposition
Winter/Spring Summer/Autumn
Wet and dry
deposition
NO3- NH4+
NO NH4+
3
N2 + N2O
Mineralisation
Litterfall
Uptake
Mineralisation
Nitrification
Nitrification
Denitrification
Traaen, T.S. & J.L. Stoddard. 1995
Groundwater
Modello di Stoddard: 4 stadi di saturazione delle acque in base a concentrazioni mensili di NO3
CNR ISE: attività e programmi di ricerca sul tema dell’azoto
Monitoraggio a lungo termine delle deposizioni
atmosferiche in ecosistemi forestali
(CONECOFOR, FUTMON) parte del Monitoraggio
di Livello II, co-finanziato da EU e UN-ECE ICP
Forest)
Studi sul Lago Maggiore e i suoi tributari finanziati
dalla CIPAIS (Commissione Internazionale per la
Protezione delle Acque Italo Svizzere)
Monitoraggio a lungo termine della
chimica delle acque superficiali in area
alpina e subalpina (partecipazione al
programma UN-ECE ICP WATERS
finanziata dal Ministero Ambiente)
kg ha-1 y-1
Deposizioni di N
in siti forestali
35
Fagus sylvatica
30
Picea abies
25
BOL1
PIE3
LOM1
VAL1
Larix decidua
FRI2
20
TRE1
Quercus cerris
VEN1
VEN2
PIE1
15
Quercus ilex
10
EMI1
Quercus robur,
Quercus5 petraea
MAR1
TOS1
0
TOS2
LAZ1
ABR2
ABR1
PUG1
ON
LAZ2
NH4
CAM1
NO3
SAR1
CAL1
SIC1
Throughfall
Runoff nelle aree forestali
80
NO3 runoff (µeq L-1)
Runoff - siti forestali
60
40
20
0
30
55
80
105
130
155
180
N dep (meq m-2 y-1)
Il rilascio di NO3 alle acque è evidente al di sopra di una
soglia critica di deposizione (~ 10-15 kg N ha-1 a-1)
Focus sull’area alpina e subalpina
Fonte: EMEP
http://www.emep.int
Measured N deposition (2000-2001)
over the Alps
Nud
SP25
Pay
Kuf
Wer
Reu
Cha
Rig
Son
CH
Rob
Dev
Gra
A
Mas
Hoc
Inn
Pio
Acq
BOL1
FRI2
Bre
Pal
Naw
Gru
Dub
F
Luz
I
Rogora et al., 2006. Hydrobiologia, 562.
5 kg ha-1 y-1
30 kg ha-1 y-1
Elevati volumi di precipitazione (circa1800 mm a-1)
Elevate deposizioni di inquinanti e di composti azotati
(15 -25 N ha-1 a-1)
Il bacino del Lago Maggiore
Stazioni italiane
Area totale: 6600 km2,
(tra Italia e Svizzera)
Copertura forestale: 50%
Marcato gradiente altitudinale
(quota media 1270 m s.l.m.)
DATI
Dati chimici sul Lago
Maggiore dagli anni ’50, sui
tributari dagli anni ‘70
Dati su piccoli laghi alpini e
subalpini dagli anni ‘70-80
14 stazioni per lo studio delle
deposizioni atmoferiche; 130
stazioni meteo (volumi di
precipitazione)
Stazioni svizzere
Trend - deposizioni
240
meq m-2 y-1
200
Pallanza
SO4=
160
120
80
H+
40
200
160
meq m-2 y-1
0
1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010
NH4+
120
80
NO3-
40
0
1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010
Rogora et al. 2012.
Sci. Tot. Envir. 417-418
Trend – Corsi d’acqua
Evidenza di una condizione di N saturazione nei
bacini nei principali tributari del Lago Maggiore
• trend positivo delle concentrazioni di NO3
• da stadio 1-2 (N saturazione bassa o moderata) negli
anni ’70-’80 a stadio 2-3 (saturazione avanzata)
N-NO3 (µeq L-1)
Cann
Erno
Gion
Magg
Sber
150
Sgio
Tici
Toce
Tres
Verz
125
100
75
50
25
Mean values 1978-82
0
Gen
Mar
Mag
Mean values 2001-05
Lug
Set
Nov
Gen
Mar
Mag
Lug
Set
Nov
Rogora et al., 2007. Biogeochemistry
Trend – Laghi
240
60
220
50
200
40
180
30
160
20
140
1980
66
1986
1992
1998
2004
2010
Bilancio dell’N per il
bacino del Lago
Maggiore
Lake Maggiore
Lago Maggiore
NO3- (µeq l-1)
NO3- (µeq l-1)
SO4= (µeq l-1)
Lago di Mergozzo
62
58
Deposizioni atmosferiche
contribuiscono agli input
a lago per il 65-80%
54
50
1982
1990
1998
2006
2014
Mosello et al. 2001. J. Limnol.
I laghi remoti come indicatori
Laghi Paione, Alpi Occidentali
(2000-2269 m s.l.m.)
 Non interessati da disturbo antropico diretto
 Soggetti alla deposizione di inquinanti trasportati
con le masse d’aria dalle zone di emissione
Utilizzati come indicatori (early warning systems)
delle variazioni climatiche e della composizione
chimica dell’atmosfera
Svalbard
Islands, 3 lakes
Central Alps, Italy
35 lakes
Serra da Estrela,
Portugal, 9 lakes
Himalaya, Khumbu-Himal
region, Nepal, 31 lakes
Laghi remoti
Dataset CNR ISE
0.5
0.4
Northern Patagonia
18 lakes
Antarctica, Terra
Nova Bay, 29 lakes
N-NO3 (mg N L-1)
0.3
0.2
0.1
0.0
ALP
AND
ANT
HIM
POR
SVA
Il ruolo del NO3 nell’acidificazione
40 laghi alpini d’alta quota (> 2000 m
s.l.m.) Analisi dei trend nella chimica
delle acque (dagli anni ‘80)
• Recovery dall’acidificazione grazie alla
riduzione dell’acidità delle piogge ( SO4)
• Importanza del NO3 come anione
acidificante, soprattutto al disgelo
100%
STA
80%
60%
40%
20%
0%
1986
1990
1994
1998
2002
2006
2010
Rogora et al. 2013. Wat. Air Soil Pollut.
Un trend in diminuzione?
Analisi delle serie temporali (12 siti, laghi e fiumi):
Elevata correlazione temporale tra i siti
Andamento sincrono, con trend positivo (1978-2005), seguito da fase di diminuzione (2006 -)
3.0
2.0
Mer - lake
LPS - lake
LPI - lake
Can - river
Pel - river
PIE1 - river
-2
-1
meq
m y Sgi - river
- river
Mag - river
200 Sbe
Deposizioni
Gio - river
Ern - river
Pls - river
160
NH4+
1.0
120
0.0
80
NO3-
-1.0
40
-2.0
0
1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006 2010
-3.0
1978
1982
1986
1990
1994
1998
2002
2006
2010
Rogora et al. 2012. Sci. Tot. Envir.
Fattori meteo-climatici e idrologia
°C
Temperature
Precipitazioni
mm
14
2500
13
2000
12
1500
11
1000
10
1978
1982
1986
1990
1994
1998
2002
2006
2010
Staz. Meteo - Pallanza
500
2014
 Elevata variabilità interannuale delle precipitazioni (effetti sulle deposizioni a parità
di concentrazione)
 Eventi estremi: picchi di NO3 nelle acque dopo periodi caldi e asciutti seguiti da
piogge brevi e intense
NH4 e NO3 nelle deposizioni
2.0
1.8
Pallanza
N
Bellinzago
S
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
1984
1988
1992
1996
2000
2004
2008
2012
Rapporto NH4:NO3 aumenta nel tempo: deposizioni di NH4 importanti soprattutto nell’area
subalpina, più prossima alla Pianura Padana
Alcune conclusioni
 Le deposizioni di azoto, nonostante una recente tendenza alla diminuzione, rimangono
elevate nell’area alpina e subalpina N-Occidentale e contribuiscono in modo rilevante agli
apporto di N alle acque in aree “remote”
 I livelli di NO3 nelle acque superficiali (laghi e corsi d’acqua) rispondono alle variazioni
negli apporti atmosferici, con una tempistica che dipende dalle caratteristiche dei bacini
 Le deposizioni di ammonio stanno assumendo un ruolo sempre più importante in termini di
contributo all’acidificazione e di apporti complessivi di N agli ecosistemi
 I fattori meteo-climatici interagiscono con le deposizioni nell’influenzare I livelli di N nelle
acque e le loro variazioni temporali
Grazie a ….
Aldo Marchetto, Gabriele Tartari,
Alfredo Pranzo, Paola Giacomotti,
Arianna Orru’, Rosario Mosello, Silvia Arisci
www.ise.cnr.it

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