Al fine di predire la produttività forestale a larga scala occorre disporre di un modello affidabile che richieda in ingresso pochi parametri di facile misurabilità. Nel presente lavoro è stata condotta un’analisi di sensitività del modello a base funzionale 3-PG (Landsberg & Waring 1997) relativamente alla fertilità, ritenzione idrica e tessitura del suolo, parametri di difficile misura. Lo studio è stato suddiviso in due parti. Nella prima è stata analizzata la risposta del modello, per un terreno sabbioso-limoso, a differenti profondità del suolo e concentrazioni di nutrienti. Mentre per l’evapotraspirazione non si evidenziano differenze in risposta alla quantità di nutrienti, la produttività primaria lorda, il volume e il
La possibilità di predire il tasso di crescita e quindi la produttività di un bosco a partire da dati iniziali facilmente reperibili è uno dei principali problemi per la gestione forestale, sia nel caso di boschi già esistenti sia per la programmazione di nuovi impianti (
Modelli empirici basati interamente su misure effettuate in campo, sebbene descrivano accuratamente il sistema bosco nell’intervallo di condizioni per cui sono stati costruiti e calibrati, non sono però estrapolabili al di fuori di tale intervallo e quindi non sono applicabili ad altri contesti con scopo predittivo (
Per superare tale limite risulta utile l’impiego di modelli che siano in grado di descrivere le dinamiche della pianta e del bosco basandosi sulla conoscenza delle condizioni ambientali e dei processi fisiologici che ne governano la crescita. Nel corso degli ultimi anni sono stati sviluppati molti di questi modelli, che riflettono le nuove conoscenze di fisiologia e le sempre migliori capacità di descrivere quantitativamente tali processi e le loro interazioni. Questi modelli a base funzionale, però, se da un lato descrivono fedelmente la realtà, dall’altro richiedono un numero molto elevato di parametri d’ingresso, molti dei quali sono di difficile, se non impossibile, misurazione.
Nasce, quindi, l’esigenza di avere a disposizione uno strumento semplice e affidabile, con pochi parametri d’ingresso facilmente reperibili, utilizzabile per la gestione forestale e applicabile a larga scala.
Il modello 3-PG (
Allo scopo di facilitare l’applicazione del modello ad un ampio numero di situazioni occorre ridurre lo spettro di parametri di ingresso ovvero analizzare quali fra essi siano realmente indispensabili e quali al contrario possano essere trascurati o accorpati. A tal fine nel presente studio è stata condotta un’analisi di sensitività della risposta del modello a differenti livelli di fertilità e alle caratteristiche idriche e di tessitura del suolo: parametri, questi, di non facile misura che hanno ricevuto una limitata attenzione da parte della ricerca ecofisiologica.
Tale ricerca si è infatti principalmente focalizzata sull’effetto dei parametri meteorologici di più comune misura (radiazione, temperatura, precipitazioni,...) o sugli effetti di fattori modificabili dall’uomo nei sistemi colturali intensivi, quale ad esempio la fertilità chimica. Temperature troppo alte o troppo basse, valori elevati di deficit di pressione di vapore, la mancanza di acqua o un suolo poco fertile sono causa di una diminuzione della capacità della pianta di fotosintetizzare, inibendone così la crescita; il verificarsi anche di una sola di queste condizioni può avere conseguenze estreme (
Una minore attenzione è stata invece prestata agli effetti di altri fattori stazionali, di non immediata misura e non facilmente manipolabili, ma che l’esperienza selvicolturale ci dice giocare un ruolo centrale nella crescita del bosco, come la profondità o la tessitura del suolo.
È nota ad esempio l’importanza della profondità dei suoli su funzionalità e crescita del bosco, soprattutto in ambienti mediterranei (
Molto meno si sa invece degli effetti sulla crescita delle piante della tessitura del suolo. Mentre è noto che nei climi boreali la crescita può essere limitata dalle condizioni di saturazione e anossia spesso associate a suoli a tessitura fine (
Nel presente studio, gli effetti delle caratteristiche fisiche e chimiche del suolo sono state esplorate attraverso l’applicazione del modello ecologico 3-PG, con l’obiettivo di meglio comprendere i meccanismi alla base della interazione pianta-suolo, e di poter valutare quanto questi meccanismi incidano sulla produttività del bosco.
I modelli a base funzionale cercano di saldare le conoscenze di dettaglio disponibili sui singoli processi biologici e sulle loro mutue interrelazioni per spiegare e predire quantitativamente le proprietà emergenti di sistemi complessi quali le piante e gli ecosistemi forestali. Il modello 3-PG, in particolare, cerca di catturare la funzionalità del bosco concentrando l’attenzione su un numero molto limitato di processi fondamentali, a loro volta rappresentati con la massima semplicità. Se da una parte questa rappresentazione schematica implica un minor realismo e una ridotta capacità predittiva, dall’altra essa permette di meglio individuare e comprendere le mutue interrelazioni delle parti e le dinamiche alla base delle proprietà emergenti del sistema. Tale semplicità si traduce inoltre in una più semplice parametrizzazione, rendendone possibile l’applicazione ad un ampio spettro di situazioni (
Il modello 3-PG (
la fotosintesi del bosco sia proporzionale alla quantità di energia luminosa assorbita dalla copertura (
a causa delle limitazioni ambientali (legate a contenuto idrico del suolo, deficit di saturazione, temperatura atmosferica, giorni di gelo) e dell’età solo una parte della radiazione fotosinteticamente attiva assorbita possa essere effettivamente utilizzata nei processi fotosintetici;
il rapporto tra la produttività primaria netta (
l’allocazione delle risorse disponibili per la crescita all’apparato radicale aumenti in relazione ai fattori di stress e all’età del bosco (
le risorse non utilizzate per la crescita radicale vengano ripartite tra fusto e foglie secondo equazioni allometriche appropriate per la specie;
la conduttanza di copertura (somma della conduttanza stomatica delle foglie nell’intera chioma) e quindi la traspirazione del bosco raggiungano un valore massimo quando l’indice di area fogliare (
la densità delle piante nel popolamento venga ridotta dai processi di competizione secondo la legge dell’auto-diradamento (
Per una descrizione di maggior dettaglio del modello si rimanda a
Poiché la risposta del bosco alle caratteristiche fisiche del suolo ed alla fertilità stazionale costituisce l’obiettivo della presente analisi, la trattazione di questi processi nel modello 3-PG viene descritta in maggiore dettaglio.
La fertilità chimica del suolo viene catturata empiricamente nel modello da un semplice parametro sintetico (FR,
dove
Funzionalità e crescita delle piante sono inoltre influenzate dallo stato idrico del suolo e quindi dalle sue caratteristiche fisiche (
Si assume che la profondità del suolo agisca sulla pianta solo attraverso i suoi effetti sulla capacità totale di ritenzione idrica, la quale permette alla pianta di affrontare periodi secchi facendo affidamento sulle riserve accumulate nella stagione piovosa. Si trascurano invece eventuali effetti legati all’aerazione del suolo, alla resistenza all’accrescimento delle radici o alla loro mortalità.
Valori di evapotraspirazione superiori alle precipitazioni determineranno deficit idrici del suolo crescenti, deprimendo l’evapotraspirazione stessa in un ciclo di retroazione negativa, così come l’efficienza di uso della luce e l’allocazione dei fotosintetati alla parte epigea. La risposta dei tre processi al deficit idrico è influenzata inoltre dalla tessitura del suolo, con una risposta più precoce e graduale nel caso di terreni argillosi e più brusca e tardiva nel caso di tessiture grossolane. L’effetto della tessitura riflette in maniera implicita la risposta funzionale della pianta al potenziale idrico piuttosto che al contenuto idrico del suolo (
I valori dei parametri
A parità di altri fattori, in condizioni di stress idrico tanto la produttività primaria lorda quanto l’evapotraspirazione variano in proporzione diretta al fattore di riduzione per l’umidità del suolo
dove il coefficiente
Il modello 3-PG richiede come variabili di ingresso dati mensili di radiazione globale incidente, deficit di saturazione e temperatura media dell’aria, precipitazioni e frazione mensile di giorni di gelo. Nel presente studio sono stati utilizzati in particolare i valori riportati da Waring e McDowell (
La produzione primaria lorda, i flussi di allocazione e crescita, la mortalità e la caduta delle foglie, il valore dell’indice fogliare (
Un elenco dei valori numerici e di alcune espressioni analitiche utilizzate nel modello viene riportato in
Per caratterizzare la risposta del bosco si è focalizzata l’attenzione in particolare su quattro variabili di risposta: il valore massimo di
Al fine di meglio comprendere le predizioni del modello, l’analisi degli effetti del suolo su funzionalità e crescita è stata suddivisa in due fasi, analizzando dapprima (1) la risposta a fertilità e profondità per un suolo di medio impasto, e quindi (2) la risposta alla profondità del suolo in condizioni di diversa granulometria per un dato valore di fertilità.
Per queste simulazioni si è considerato un suolo sabbioso limoso (
Il contenuto idrico massimo del suolo
Come si osserva nei grafici di
Non si osserva alcun effetto della fertilità stazionale sull’evapotraspirazione dell’ecosistema (
Confrontando la risposta del modello ad una variazione del 25% sia del contenuto idrico massimo sia della fertilità, si può osservare come il modello sia molto più sensibile a questo secondo parametro date le condizioni ambientali riportate in
Avendo analizzato in dettaglio gli effetti della fertilità, si è deciso di assumere nel resto dell’analisi un valore costante di fertilità (
Due sono i meccanismi di azione della tessitura del suolo presi in considerazione nel modello: (i) attraverso i suoi effetti sulla capacità di campo e quindi sulla quantità di acqua disponibile per le piante nel corso dell’anno e (ii) per le differenze nella risposta degli scambi gassosi al contenuto idrico del suolo (
I risultati delle simulazioni sono stati espressi in relazione sia alla profondità (
Per tutte le variabili di risposta considerate la funzionalità del bosco appare essere favorita da tessiture fini, mentre i risultati peggiori sono costantemente osservati nel caso di suoli sabbiosi per ogni valore di profondità (
L’effetto della tessitura appare però legato in larga misura alla diversa capacità di ritenzione idrica dei suoli di differente granulometria, massima nei suoli argillosi e minima nei suoli sabbiosi. Una volta compensato l’effetto dovuto alla capacità di campo, esprimendo cioè i risultati in termini non di profondità del suolo ma di contenuto idrico massimo, si osserva infatti che a parità di quest’ultimo i valori di crescita e funzionalità non differiscono significativamente fra i diversi suoli (
L’esigenza di stimare su larga scala la produttività e la capacità di fissazione ed immagazzinamento del carbonio atmosferico da parte degli ecosistemi forestali ci pone di fronte al problema di disporre di un modello affidabile che richieda al contempo un basso numero di parametri di facile misurabilità o reperibilità. Il modello 3-PG, sviluppato da
I modelli sono per definizione delle rappresentazioni semplificate e schematiche della realtà. Per tale motivo rischiano ovviamente di non cogliere le proprietà essenziali dell’ecosistema. Questo rischio è tanto più concreto nel caso di un semplice modello quale 3-PG. Anche considerando solo la risposta alla disponibilità idrica del suolo, infatti, il modello trascura numerosi dettagli evidenziati dalla ricerca idrologica. Nella realtà tessitura, ritenzione e capacità idrica, contenuto in nutrienti e profondità del suolo non sono fattori scollegati tra di loro, così come invece vengono trattati dal modello. Relativamente alla profondità del suolo, ad esempio, è noto come il parametro di reale interesse non sia tanto la profondità del suolo minerale, più facilmente determinabile, quanto piuttosto la profondità del suolo esplorato dalle radici, la quale varia in funzione della specie, dello stato di sviluppo delle piante e della tessitura del suolo stesso. In suoli con maggiore porosità si creano infatti condizioni di aerazione favorevoli ad un maggiore sviluppo in profondità dell’apparato radicale, che può così sfruttare meglio l’acqua e i nutrienti presenti nel suolo (
Anche l’applicazione di un modello semplificato come 3-PG, d’altra parte, rischia di risultare limitata, più che dalla conoscenza dei parametri funzionali della specie, dalla disponibilità di informazioni precise sulle caratteristiche stazionali. Se infatti variabili d’ingresso quali radiazione, temperatura e precipitazioni sono disponibili in forma spazializzata per tutto il territorio nazionale, altre informazioni, relative in particolare alla natura dei suoli ed alla loro profondità, sono di più difficile reperimento. Da qui la ricerca di ulteriori elementi di semplificazione attraverso un’analisi di sensitività ai fattori legati al suolo.
Da quanto detto, è quindi evidente la necessità di meglio comprendere quale sia l’effetto delle semplificazioni introdotte e in che misura sia possibile trattare i diversi processi in forma aggregata.
Dall’analisi di sensitività alle variazioni di fertilità e contenuto idrico del suolo è emersa una risposta positiva del modello a questi parametri, più marcata nel primo caso che nel secondo: per differenze del 25 % della fertilità del terreno la variazione di produttività primaria lorda si mantiene intorno al 30 %; in condizioni di suolo moderatamente superficiale (25 cm) tale variazione raggiunge il 32 % rispetto a condizioni di suolo profondo. È nota l’importanza della disponibilità di nutrienti per la crescita dei soprassuoli forestali (
Ciò sembrerebbe essere in accordo con l’osservazione (
Molto limitata è invece la risposta della produttività forestale alla tessitura del suolo, a parità di grado di fertilità e di disponibilità idrica totale.
Nella presente analisi è stato messo in evidenza come due siano in realtà i meccanismi di azione della tessitura del suolo: (i) attraverso i suoi effetti su capacità di ritenzione idrica totale dell’intero profilo del suolo e quindi sulla quantità di acqua disponibile per le piante nel corso dell’anno, avendo i suoli sabbiosi tipicamente una capacità di campo più bassa dei suoli a porosità fine, e (ii) per le differenze nella risposta degli scambi gassosi al contenuto idrico del suolo, legate al diverso rapporto fra contenuto idrico e potenziale idrico del suolo. Vale la pena sottolineare come solo questo secondo aspetto fosse stato esplicitamente menzionato nella descrizione del modello 3-PG. I risultati dell’analisi dimostrano come funzionalità e produttività del bosco paiano essere favorite da tessiture fini, mentre i risultati peggiori sono costantemente osservati nel caso di suoli sabbiosi per tutti i valori di profondità del suolo (
L’effetto della tessitura sembra legato però in larga misura alla diversa capacità di campo dei suoli a differente granulometria: massima nei suoli argillosi e minima nei suoli sabbiosi. Una volta infatti compensato l’effetto dovuto alla capacità di campo, esprimendo cioè i risultati in termini non di profondità del suolo ma di contenuto idrico massimo, i valori di crescita e funzionalità non differiscono sostanzialmente fra i diversi suoli (
In fase predittiva sembrerebbe quindi possibile trascurare i parametri legati alla tessitura del suolo e riferirsi al solo quantitativo massimo di acqua disponibile nell’intero profilo a capacità di campo senza commettere errori significativi.
Le simulazioni condotte con il modello hanno anche sottolineato l’assenza di risposta dell’evapotraspirazione alla variazione del grado di fertilità del terreno. Questo risultato sembra confermato dalle osservazioni di
È questo un risultato di notevole importanza per la selvicoltura in area mediterranea, che dovrebbe pertanto mirare ad aumentare la fertilità chimica dei suoli attraverso un’attenta gestione della sostanza organica.
Numerosi studi evidenziano una correlazione tra quantitativo idrico disponibile e concentrazione di nutrienti nel suolo, sottolineando come la produttività aumenti in risposta alla fertilizzazione solo se l’apparato radicale dispone del quantitativo di acqua necessario per poterne trarre giovamento (
Concludendo è possibile affermare che il modello 3-PG risulta sensibile sia a variazioni dell’indice di fertilità che al contenuto idrico massimo. Trascurando questi due fattori si ottengono errori nella stima della produttività primaria dell’ordine del 30-32%.
Valore massimo del LAI (A), valore medio a 100 anni del volume (B) e valori medi mensili a 100 anni dell’evapotraspirazione (C) e della produzione primaria netta (D), in funzione della profondità del suolo per quattro differenti tipi di suolo (argilloso, argilloso limoso, sabbioso limoso e sabbioso).
Valore massimo del LAI (A), valore medio a 100 anni del volume (B) e valori medi mensili a 100 anni dell’evapotraspirazione (C) e della produzione primaria netta (D), in funzione della profondità del suolo e della fertilità, per un suolo sabbioso-limoso.
Valore massimo del LAI (A), valore medio a 100 anni del volume (B) e valori medi mensili a 100 anni dell’evapotraspirazione (C) e della produzione primaria lorda (D), in funzione del contenuto idrico massimo nel suolo per quattro differenti tipi di suolo (argilloso, argilloso limoso, sabbioso limoso e sabbioso).
Distribuzione stagionale di temperature e precipitazioni dal 1900-1977 a Wind River, Washington (
Valori dei parametri di risposta
Tipo di suolo | Capacità dicampo (m3 /m3) | ||
---|---|---|---|
Argilloso | 0.4 | 3 | 0.443 |
Argilloso - limoso | 0.5 | 5 | 0.357 |
Sabbioso - limoso | 0.6 | 7 | 0.213 |
Sabbioso | 0.7 | 9 | 0.148 |
Valori del coefficiente di fertilità e di efficienza di uso della luce corrispondente utilizzati nelle simulazioni (
FR | a c (kgC MJ-1 APAR) |
---|---|
0.42 | 0.00237 |
0.45 | 0.00248 |
0.50 | 0.00276 |
Variazione percentuale di
Variabile | Indice di fertilità FR | Diminuzione percentuale (%) |
---|---|---|
GPP | 0.42 | 18.58 |
0.45 | 18.01 | |
0.50 | 17.08 | |
LAI | 0.42 | 16.79 |
0.45 | 16.33 | |
0.50 | 15.57 | |
Volume | 0.42 | 13.74 |
0.45 | 13.67 | |
0.50 | 13.56 |
Variazione percentuale di
Variabile | Profondità del terreno (m) | Diminuzione percentuale (%) |
---|---|---|
GPP | 0.50 | 19.20 |
1 | 17.71 | |
LAI | 0.50 | 21.81 |
1 | 20.67 | |
Volume | 0.50 | 18.87 |
1 | 18.71 |
Sensitività del modello a variazioni del 25% della profondità del suolo (valore di riferimento 1m) e della fertilità (valore di riferimento FR = 0.45) per: GPP, LAI, ET e volume.
Variabile | Risposta alla variazione della profondità suolo (%) | Risposta alla variazione della fertilità (%) |
---|---|---|
GPP | 4.43 | 29.51 |
LAI | 7.95 | 34.37 |
Volume | 6.63 | 30.87 |
ET | 1.54 | - |
Valore dei parametri utilizzati per le simulazioni con il modello 3-PG, relativi ad un soprassuolo di Douglasia sulla costa ovest del Nord America (
Simbolo | Descrizione | Valore e funzioni | Unità di misura | Fonte |
---|---|---|---|---|
|
Rapporto PN /PG | 0.47 | - | 1 |
Esponente in |
4 | - | 1 | |
Età per cui |
190 | anni | ||
Temperatura minima in |
-2 | °C | 2 | |
Temperatura massima in |
40 | °C | 2 | |
Temperatura ottimale in |
20 | °C | 2 | |
Coefficiente in |
0.5 | kPa-1 | 2 | |
|
Area fogliare specifica | 12 | m2 kgC-1 | 2 |
Massima conduttanza stomatica | 0.006 | m s-1 | 2 | |
Massima conduttanza di copertura | 0.018 | m s-1 | 2 | |
|
Massimo coefficiente di mortalità fogliare tasso di caduta delle foglie | 0.2 | annomth-1 | 2 |
Costante empirica per γ f | 15 | - | 2 | |
|
Esponente per γf | 0.12 | - | 2 |
|
Valore inizio auto-diradamento | 11 | kgC m-2 | 2 |
- | Densità del legno | 200 | kgC m-3 | 2 |
- | Numero iniziale di alberi | 1500 | alberi ha-1 | 2 |
|
Biomassa legnosa iniziale | 0.3 | kgC m-2 | 2 |
Biomassa fogliare iniziale | 0.05 | kgC m-2 | 2 | |
Biomassa radicale iniziale | 0.15 | kgC m-2 | 2 | |
- | Equazione allometrica per massa legnosa | Ws=0.0843x(diametro(cm)) 2.436 | kg | 2 |
- | Equazione allometrica per massa fogliare | Wf=0.1484x(diametro(cm)) 2.167 | kg | 2 |
- | Equazione allo metrica per massa radicale | Wr=0.0161x(diametro(cm)) 2.533 | kg | 2 |