Rivista Environnement

LA TERRA COME TERMOMETRO

Un primo effetto diretto del riscaldamento globale sulla vegetazione consiste nell’aumento della durata della stagione vegetativa, il cui avvio e termine possono essere rispettivamente anticipato e posticipato.

FORESTE COME INDICATORI DI CAMBIAMENTO CLIMATICO

di L. Magri, E. Cremonese, M.Galvagne e U. Morra di Cella

Le fasi di sviluppo primaverile e di ingiallimento autunnale. I riquadri rossi indicano le fasi che sono state utilizzate per definire l'inizio (BGS) e la fine della stagione (EGS).

Nel corso degli ultimi decenni il cambiamento climatico è diventato argomento di grande attenzione da parte dell’opinione pubblica e di intensa attività per il mondo della ricerca; la valutazione degli effetti del global change sugli ecosistemi e, più in generale sull’assetto del territorio, è divenuto elemento di conoscenza imprescindibile nella gestione e nell’uso sostenibile delle risorse naturali. Il progressivo innalzamento della temperatura media del pianeta e le variazioni delle precipitazioni, in termini di quantità totale e di distribuzione nel corso dell’anno, determinano impatti non trascurabili anche sugli ecosistemi forestali, la cui distribuzione è strettamente connessa alle condizioni climatiche. Un esempio di questo fenomeno è legato alla diffusione della Palma del Giappone in Svizzera. Tale specie originaria del Nord dell’India, della Tailandia e della Cina, per la sua diffusione necessita di giornate invernali miti e senza gelo. Nella prima metà del XX secolo, nel Ticino meridionale, vi erano mediamente 75 giorni di gelo, dagli anni ’70 questo valore si è ridotto fino a raggiungere i 30 giorni di gelo all’anno (Valther et al., 2002). Attualmente, alle quote più basse, questa palma si sta diffondendo nei boschi del Ticino entrando in concorrenza con specie caducifoglie e insediandosi stabilmente nei boschi cedui. Nelle regioni alpine gli ambienti di alta montagna risultano essere tra i più sensibili e vulnerabili a tali cambiamenti in relazione ai forti stress “ecologici” a cui sono sottoposti e alla loro scarsa capacità di migrazione. Un primo effetto diretto del riscaldamento globale sulla vegetazione consiste nell’aumento della durata della stagione vegetativa, il cui avvio e termine possono essere rispettivamente anticipato e posticipato; tale incremento ha impatti significativi sullo stato di salute dei popolamenti, sulla produttività della vegetazione e sui delicati equilibri che caratterizzano gli ecosistemi. Per tale motivo l’analisi delle variazioni interannuali del ciclo fenologico (definito come il ripetersi periodico delle fasi riproduttive e di sviluppo vegetativo delle piante, quali l’apertura delle gemme, l’espansione delle foglie, la fioritura e la senescenza) ha assunto recentemente un posto di rilievo nelle attività di monitoraggio ambientale. Infatti, a fronte dell’incremento di 0.74°C della temperatura media mondiale nel corso dell’ultimo secolo, evidenziato nell’ultimo rapporto dell’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC 2007), è stato registrato in diversi contesti ambientali un aumento medio della durata della stagione vegetativa pari a 4 giorni ogni 10 anni. Tali variazioni, osservate a scala globale, si stanno manifestando in modo evidente anche a livello locale, interessando un vasto numero di specie e di biocenosi. Sulle Alpi svizzere, ad esempio, è stato registrato un sensibile anticipo della fioritura dei ciliegio negli ultimi 20 anni, fenomeno che secondo Meteo-Svizzera (2005) accomuna diverse specie vegetali in tutta la Nazione. Con l’obiettivo di monitorare il ciclo fenologico di popolamenti di larice (Larix decidua Mill.) come indicatore degli effetti dei cambiamenti climatici in ambiente alpino, l’Agenzia Regionale per la Protezione dell’Ambiente della Valle d’Aosta ha avviato nella primavera del 2005 il progetto REPHLEX (Remote sensing of PHenology Larix EXperiment). L’attività, condotta in collaborazione con il Laboratorio di Telerilevamento dell’Università degli Studi di Milano Bicocca e il Dipartimento di Biologia Vegetale dell'Università di Torino, ha previsto la definizione e l’applicazione di una metodologia integrata per il monitoraggio della variabilità interannuale del ciclo fenologico della vegetazione forestale; tale metodo prevede osservazioni in campo, impiego di dati satellitari, sviluppo di modelli fenologici, misura di parametri fisiologici (fluorescenza della clorofilla, concentrazione di pigmenti) ed è supportato dalla raccolta di dati meteorologici. La necessità di potersi riferire ad una specie ampiamente diffusa sul territorio regionale e caratterizzata da ciclo fenologico particolarmente evidente ha “imposto” la scelta del Larice. Il progetto interessa attualmente 5 siti distribuiti in diverse località in Valle d’Aosta, costituiti da lariceti pressoché puri, caratterizzati da estensione e morfologia adatti alle analisi a partire da immagini satellitari MODIS. Al fine di considerare situazioni differenziate sulla base di aspetti climatici ed ecologici i diversi siti sono stati selezionati in modo da includere popolamenti compresi all’interno dell’areale di distribuzione naturale (1500-2100 m di quota) sia i rimboschimenti delle quote inferiori (1300). La tabella 1 riporta l’elenco dei siti di monitoraggio con indicazione del codice identificativo, del comune, della quota e della esposzione.

Le osservazioni fenologiche in campo

Data media di inizio della stagione vegetativa dei lariceti valdostani, nel periodo 2000-2007.

Le osservazioni fenologiche sono finalizzate essenzialmente alla collocazione temporale delle diverse fasi dello sviluppo vegetale. Nel caso specifico le fasi fenologiche monitorate sono quelle di inizio e fine della stagione vegetativa, corrispondenti rispettivamente al budburst e al completo ingiallimento delle chiome (vedi figura nella pagina accanto). In ciascun sito i rilievi sono realizzati con cadenza settimanale nei periodi fine marzo-metà giugno e inizio settembre-metà novembre, in tre diverse aree di saggio, localizzate lungo un gradiente altitudinale, all’interno delle quali sono monitorate 10 individui (per un totale di 30 piante per sito). Per le fasi primaverili di fogliazione è stata predisposta una scala di valori indicativi delle diverse fasi di sviluppo, basata principalmente sulla lunghezza degli aghi. Le fasi autunnali vengono descritte mediante la definizione di classi basate sulla colorazione predominante e sulla diffusione sulla chioma del fenomeno di ingiallimento. I valori degli indici di fogliazione e ingiallimento, ricavati settimanalmente attraverso le osservazioni fenologiche, vengono elaborati al fine di individuare una data di inizio stagione vegetativa (BGS) e una data di fine stagione vegetativa (EGS) per ogni sito; il periodo compreso tra queste due date, EGS e BGS, permette di determinare l’intera lunghezza, in giorni, della stagione vegetativa (GSL). Le osservazioni realizzate dal 2005 al 2007 hanno permesso di definire l’inizio (BGS), la fine (EGS) e la durata della stagione (GSL) per ogni anno e per ogni sito indagato. Le date di BGS e EGS sono strettamente legate alla quota del sito, ovvero l'inizio della stagione procede dalle quote più basse alle più alte; viceversa, l’ingiallimento procede partendo dalle quote più alte alle più basse. La durata della stagione vegetativa è compresa tra 150 e 210 giorni in funzione della quota. Le date di inizio, fine e la durata della stagione, relative a ciascun anno e ciascun sito sono riportate nella tabella 2. La sfasatura, tra anni successivi, delle date di inizio e fine della stagione vegetativa è un indicatore dell'effetto delle variazioni di temperatura che vengono registrate nei diversi periodi. Ad esempio le maggiori temperature registrate nell’autunno 2006 hanno condotto ad un allungamento della stagione vegetativa mediamente di 3 giorni rispetto al 2005. Inoltre, l'eccezionale caldo dell'inverno 2006/2007, probabilmente il più caldo degli ultimi 500 anni, si è tradotto in un anticipo medio dell'inizio della stagione vegetativa di più di due settimane ed in un conseguente aumento della durata totale della stagione. Nella figura che segue si riporta l'andamento della temperatura media giornaliera dell'inverno 2006/2007 rispetto alla media degli 11 anni precedenti (1995-2006). I dati si riferiscono alla stazione della rete ARPA localizzata in comune di Etroubles (circa 1350 m slm). Parallelamente si riporta l'entità dell'anticipo nell'inizio della stagione vegetativa registrata nei 5 siti di osservazione.

I dati satellitari

Anticipo dell'inizio della stagione 2007 rispetto alla media del periodo 2000-2007. In grigio scuro sono rappresentati i pixel in cui non è stato osservato alcun anticipo.

Le osservazioni da satellite sono strumenti fondamentali per lo studio della distribuzione spaziale degli eventi fenologici a media o piccola scala (scala regionale o scala dell'intero arco alpino). Mentre le osservazioni a terra permettono di descrivere la stagione vegetativa in modo dettagliato a livello di singoli individui arborei, il telerilevamento fornisce informazioni spazialmente integrate che derivano dall'osservazione di estese coperture vegetali e dalla misura della relativa riflettanza (quantità di radiazione solare che viene riflessa dalla superficie fogliare, direttamente correlabile alle variazioni fenologiche annuali del popolamento osservato). I dati acquisiti dai sensori sono sintetizzati in indici di vegetazione che rappresentano la quantità di biomassa verde del popolamento osservato. I dati utilizzati nel progetto REPHLEX sono rilevati dal sensore MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectro-radiometer) e relativi al periodo 2000-2007. L’indice di vegetazione utilizzato è l’NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), il cui valore è strettamente correlato alle variazioni fenologiche del popolamento stesso. Infine le serie temporali di NDVI sono elaborate con appositi algoritmi di calcolo allo scopo di individuare le date dei principali eventi fenologici: inizio, fine e durata della stagione vegetativa (BGS, EGS e GSL) per tutti gli anni compresi tra il 2000 e il 2007. Nella figura di pagina seguente sono riportate alcune carte ottenute dalle elaborazioni dei dati MODISNDVI (è stata omesso il settore occidentale della regione per il quale le elaborazioni devono ancora essere completate): in particolare si riporta la distribuzione spaziale delle date medie di inizio stagione dei lariceti valdostani nel periodo 2000-2007. E' possibile osservare come all'aumentare della quota corrisponda un più tardivo risveglio primaverile. Inoltre si riporta la distribuzione spaziale dell'anticipo dell'inizio della stagione 2007 rispetto alla media del periodo 2000-2007: gli anticipi maggiori, compresi tra 20 e 30 giorni, sono avvenuti nei popolamenti a quota minore.

I modelli fenologici

Confronto fra dati osservati (rilievo fenologico) e dati derivati dall'applicazione dei modelli Spring Warming (SW) e Growing Season Index (GSI) per la previsione della fenologia del larice.

I modelli fenologici sono modelli matematici semi-empirici (che non descrivono i processi fisici e biologici che determinano gli eventi ma si basano su una relazione tra dati di input – es. temperatura dell'aria - e dati
di output – es. data di inizio della stagione vegetativa) impiegati per predire l’andamento della fenologia della vegetazione nel corso della stagione a partire da dati climatici. Tali modelli si basano quindi su osservazioni dirette in campo delle diverse fasi fenologiche inizialmente impiegate per “addestrare” il modello (calibrazione) e successivamente per comprendere l'entità degli errori commessi nel predire gli eventi fenologici (validazione). L’utilizzo dei modelli fenologici è fondamentale allo scopo di definire l’influenza delle variabili meteorologiche sui popolamenti in studio, ottenendo degli strumenti in grado di predire le future dinamiche fenologiche in funzione dell'evoluzione delle condizioni climatiche (scenari proposti a livello globale e locale). Per la previsione delle date di inizio e fine stagione vegetativa, sono stati impiegati sia modelli basati esclusivamente sulla temperatura dell’aria, sia modelli che considerano contemporaneamente il ruolo della durata delle ore di luce (fotoperiodo), della temperatura dell’aria e dell'umidità dell'aria. (deficit di pressione di vapore, VPD). Alla prima tipologia appartiene il modello Spring Warming (SW), che basa il suo funzionamento sul principio dei gradi giorno (somma, nel tempo, di gradi di temperatura dell'aria al di sopra di una determinata soglia). Una volta raggiunta tale somma ha inizio l’apertura delle gemme e lo sviluppo fogliare. Tale modello può essere applicato solo alle fasi della ripresa vegetativa e non permette quindi di stimare la fine della stagione. Il secondo modello utilizzato è il GSI, Growing Season Index,che considera l’azione limitante esercitata dalle variabili climatiche sullo sviluppo fogliare e sul ciclo fenologico. Tale modello simula la limitazione imposta dai fattori ambientali interagenti con lo sviluppo stagionale (fotoperiodo, temperatura dell’aria e umidità) definendo la tempistica dei vari processi fenologici considerati. Il GSI permette di fornire sia la data di inizio stagione (BGS), sia quella di fine stagione (EGS). L’applicazione dei modelli descritti ha consentito di predire con successo le date fenologiche rispetto a quelle osservate. Gli errori di predizione dello Spring Warming e del Growing Season Index sono risultati pari rispettivamente a soli 4 e 5 giorni. Nei grafici sotto riportati si evidenzia il confronto tra le date osservate (rilievo fenologico) e quelle ricavate dall’applicazione dei modelli.

L’analisi dei parametri fisiologici
Durante i primi due anni di monitoraggio (2005 e 2006) sono stati analizzati aspetti biologici e fisiologici del ciclo fenologico del larice con lo scopo di valutarne l’andamento temporale e l’influenza esercitata dalle variabili climatiche. Tali analisi sono state realizzate attraverso la stima dell’efficienza di fotosintesi e la valutazione della concentrazione dei pigmenti fotosintetici (clorofilla a e b e carotenoidi). L’indagine ha previsto l’analisi della variazione temporale di parametri chiave della fotosintesi attraverso misure di fluorescenza, realizzate con un fluorimetro (Handy-PEA, Hansatech Inst.) e la determinazione spettrofotometrica delle concentrazioni dei pigmenti. Tali misure sono state realizzate su aghi campione prelevati presso i siti di misura. L’applicazione delle tecniche basate sulla fluorescenza della clorofilla rappresenta un metodo rapido e non invasivo per il monitoraggio di variazioni nell’efficienza di fotosintesi in relazione all’andamento stagionale dell’attività vegetativa, ma soprattutto in relazione ai fattori ambientali. La valutazione delle concentrazioni dei pigmenti fotosintetici permette di ricavare i pattern di ingiallimento fogliare autunnale. Tali analisi hanno fornito un’indicazione “fisiologica” della durata della stagione vegetativa e delle influenze ambientali su essa esercitate.

Considerazioni conclusive
Le attività di monitoraggio del ciclo fenologico condotte da ARPA Valle d’Aosta si basano su una metodologia di indagine integrata appositamente sviluppata che, prevedendo un approccio multidisciplinare, consente di sfruttare al meglio le potenzialità delle singole azioni ed analisi condotte. Alla “certezza” del dato acquisito mediante le osservazioni a terra si associa l’informazione distribuita, geometricamente meno accurata, derivata dal telerilevamento e posta in stretta connessione con i parametri meteo-climatici locali attraverso l’impiego di modelli matematici. Le analisi finora condotte consentono, inoltre, una prima valutazione degli effetti del cambiamento climatico sulla vegetazione alpina e pongono le basi per successive considerazioni legate agli scenari futuri e ai possibili impatti sulle risorse naturali. Fra gli sviluppi immediati del progetto vi è l’approfondimento degli effetti delle variazioni fenologiche sulla produttività dei popolamenti oggetto di indagine, con particolare riferimento alla capacità dei boschi di sequestrare anidride carbonica dall'atmosfera e contribuire concretamente alla mitigazione degli impatti dei cambiamenti climatici. Parallelamente allo sviluppo del progetto in questione è importante tenere in considerazione le ricadute che una certa gestione forestale può avere sull’evoluzione dei boschi. Ogni anno, durante la scelta delle piante che verranno abbattute (martellata), si determina una direzione evolutiva del popolamento forestale secondo differenti aspetti: ecologici, naturalistici, turistici, economici, ecc. In una fase così delicata, è fondamentale valutare come parametro discriminante anche i cambiamenti climatici in atto. Un esempio potrebbe essere dato dal tenere in considerazione una certa sensibilità dell’abete rosso all’innalzamento delle temperature e all’aumento della siccità. Contrariamente alle conifere, alcune latifoglie quali l’acero e la quercia sopportano maggiormente le alte temperature e le scarse precipitazioni.
Se ne deduce che, in alcuni ambiti, sarebbe auspicabile ottenere una certa mescolanza di conifere con latifoglie piuttosto che un soprassuolo esclusivo di conifere miste. Un altro esempio, potrebbero essere il deperimento del pino silvestre che si è verificato in quest’ultimi anni in Valle d’Aosta. Le cause di tale situazione sono sicuramente molteplici, ma per avvalorare le nostre considerazioni, si può mettere l’accento sulla successione naturale delle dinamiche evolutive amplificate dai recenti cambiamenti climatici. Il pino silvestre è una specie pioniera ma poco resistente agli stess idrici prolungati. Un innalzamento della temperatura e un periodo di scarse precipitazioni potrebbero indebolire le pinete alle quote più basse esponendole a eventuali attacchi parassitari. Anche in questo caso è importante, in fase di pianificazione, mantenere dei popolamenti misti capaci di adattarsi ai cambiamenti climatici e continuare così a svolgere le proprie molteplici funzioni.