Increase of nitrogen depositions, as oxidized (NOx) and reduced (NHx) compounds, has important implications on ecosystem nitrogen cycle. NOx comes predominantly from fossil fuel combustion in car engines and industrial processes, while agricultural activities (cattle farming, fertilizations) are the main sources for NHx emissions. Such fertilisations could stimulate growth and, therefore, productivity of forests, especially in temperate forests, where nitrogen is a limiting factor. On the other hand an excess of nitrogen can lead to an acidification of the soil and have a negative impact on the microbial fauna and structure of plants. NOx and NHx depositions can be separated with the help of stable isotopes with different 15 N-values reported for NOx originating from combustion sources. Consequently it was observed that the nitrogen isotopic composition of the vegetation reflects the isotopic signature of nitrogen sources. Our preliminary results on needles of Norway spruce trees exposed to NOx emissions along a transect perpendicular to a highway close to Faido and Brittnau show a clear isotopic enrichment in 15 N in trees growing closer to traffic pollution, indicating an uptake of atmospheric nitrogen by stomatal pathway. Carbon and oxygen isotopic composition measured in tree rings reveals the physiological response in plants. Trees more exposed to air pollution from traffic show an increase in δ13 C and δ18 O in tree rings, since mid sixties next to Erstfeld. This could mean a higher photosynthetic activity, enhanced by NOx traffic emissions, under low or not changed stomatal conductance. Our results confirm that stable isotopes of carbon, oxygen and nitrogen measured in needles and tree rings represent an important tool to monitor the impact of NOx load on tree physiology.
L’aumento delle deposizioni di azoto osservato negli ultimi decenni ha importanti implicazioni sul ciclo globale dell’azoto e sui processi biogeochimici che avvengono negli ecosistemi forestali.
Negli ecosistemi forestali, queste deposizioni hanno importanti implicazioni legate al ciclo globale dell’azoto. Nelle foreste temperate, in particolare, dove spesso l’azoto rappresenta il fattore limitante, le addizioni di azoto hanno un effetto fertilizzante, perlomeno in una fase iniziale. Deposizioni croniche, tuttavia, provocando un eccesso di azoto rispetto alla domanda da parte delle piante e della microflora tellurica, comportano squilibri nei cicli biogeochimici, con possibili alterazioni dei processi fisiologici delle piante. La maggiore disponibilità di azoto per gli alberi, ad esempio, provoca una riduzione del rapporto della biomassa radici/chioma, alterando l’equilibrio sia strutturale che fisiologico della pianta (in quanto una minore biomassa radicale in proporzione a quella fogliare comporta una scarsa compensazione delle perdite traspirative di acqua). Un altro effetto è stato evidenziato da
Un aspetto importante da considerare è quello dell’impatto sulle caratteristiche del suolo e sul conseguente cambiamento vegetazionale nel piano sottostante quello arboreo, all’interno di una foresta. In uno studio condotto da
L’assorbimento di azoto da parte delle piante avviene generalmente attraverso le radici (sotto forma di ioni NH4+ e di NO3- presenti nel suolo), ma bisogna considerare anche l’assorbimento di NO2 che avviene per via stomatica e che contribuisce in maniera significativa al budget complessivo di azoto (
La variazione della concentrazione dell’isotopo dell’azoto meno abbondante nel materiale vegetale viene espressa come composizione isotopica dell’azoto δ15N ed è data dal rapporto (
dove come standard si considera l’N2 atmosferico.
Nell’ambito di un ecosistema forestale, il grado di arricchimento o impoverimento di 15N è influenzato dai frazionamenti isotopici durante le trasformazioni biochimiche a livello dei diversi
La composizione isotopica dell’azoto misurata nelle foglie e negli anelli legnosi fornisce informazioni sull’input di azoto atmosferico per gli alberi, dal momento che il segnale isotopico delle due forme di deposizioni di azoto, NOx e NHx, è difatti differente: il primo mostra un valore δ15N più alto del secondo (
In studi condotti nei pressi di un’autostrada in Svizzera, sono stati osservati valori di δ15N più positivi in aghi ed anelli legnosi di alberi di abete rosso esposti alle emissioni di NOx derivanti dal traffico, piuttosto che in alberi di controllo (
L’obiettivo del presente lavoro è quello di i) verificare se vi è un segnale dell’assorbimento di NOx negli aghi di alberi di abete rosso lungo transetti perpendicolari all’autostrada; ii) studiare i possibili effetti dell’aumento del traffico sugli alberi, in seguito alla costruzione dell’autostrada, attraverso uno studio retrospettivo basato su misure dendrocronologiche ed isotopiche (δ13C e δ18O) degli anelli legnosi.
Perpendicolari all’autostrada A2, in Svizzera, sono stati individuati tre transetti all’interno di foreste di abete rosso (
Per le analisi isotopiche del δ15N sono stati campionati aghi di due anni da due alberi all’interno di cinque
Tre carote di legno sono state estratte da sei alberi individuati in due aree poste a differente altitudine (approssimativamente 200 m di dislivello) vicino all’autostrada nei pressi di Erstfeld (
I dati disponibili di emissioni di NO2 (a partire dal 1900) sono relativi all’intera Svizzera e derivano dalla rete nazionale d’osservazione degli inquinanti atmosferici (NABEL), gestita dall’EMPA, su incarico dell’Ufficio Federale dell’Ambiente e delle Foreste (
Delle tre carote prelevate da ciascun albero, due sono state utilizzate per le analisi isotopiche ed una per le misure dendrocronologiche. Per essere sicuri dell’esatta datazione di ciascun anello destinato alle analisi isotopiche, abbiamo datato, misurato e crossdatato anche le carote destinate alle analisi isotopiche.
Per ciascuna carota ogni singolo anello è stato identificato, datato e misurato, partendo dalla corteccia fino al midollo, lavorando sotto uno stereomicroscopio. Per le misure delle ampiezze anulari, è stato utilizzato il sistema combinato di tavola misuratrice Lintab e
Le curve delle ampiezze anulari ottenute per ogni pianta sono state plottate e, ad una prima fase di confronto visivo (in modo da poter individuare possibili errori), è seguita l’analisi statistica, mediante la quale le curve di ciascuna pianta sono state confrontate con la cronologia media (per maggiori dettagli si veda, ad esempio,
Da ciascuna delle due carote destinate alle analisi isotopiche, gruppi di tre anelli sono stati individuati, separati e tagliati. Prima delle misure isotopiche, gli aghi e i gruppi di anelli sono stati macinati con un mulino (Retsch, Germania) e successivamente pesati in capsule di stagno. Il
La quantità di materiale usata per le analisi è stata, per gli aghi, di 3.8-4.2 mg sia per il carbonio che per l’azoto, mentre per l’ossigeno 1.1-1.3 mg. Per quanto riguarda gli anelli legnosi è stata analizzata una quantità di 0.6-0.8 mg sia per l’ossigeno che per il carbonio. Considerata la bassa concentrazione di azoto nel legno, per la misura del δ15N è stato necessario considerare una quantità di campione pari a 20 mg. I campioni sono stati bruciati in un analizzatore elementare (EA-1100, Carlo Erba, Milano, Italia) per le analisi isotopiche di carbonio e azoto (nel caso del materiale fogliare) e di carbonio (per i campioni legnosi). Dopo la combustione, l’acqua è stata rimossa mediante trappola contenente perclorato di magnesio, mentre N2 e CO2 sono stati separati in una colonna gascromatografica e convogliati successivamente nello spettrometro di massa (Delta - S Finnigan MAT, Bremen, Germania) mediante un’interfaccia (EA-1108, Carlo Erba, Milano, Italia) connessa all’analizzatore elementare.
La composizione isotopica dell’ossigeno è stata misurata separatamente, utilizzando un differente analizzatore elementare, connesso allo stesso spettrometro di massa, che decompone i campioni in assenza di ossigeno, mediante pirolisi termica ad una temperatura di 1080°C (
In
Allontanandosi dall’autostrada il valore di δ15N misurato negli aghi diminuisce. In particolare, a Brittnau, l’impatto delle emissioni provenienti dall’autostrada si riduce drasticamente già a 50 metri di distanza dall’autostrada. In uno studio condotto da
Ciascun punto della curva rappresenta la media dei valori misurati su gruppi di tre anelli consecutivi (in accordo con le misure isotopiche). Si osserva una notevole variabilità dell’ampiezza anulare tra gli alberi in entrambi i
Le basse correlazioni trovate tra ampiezza anulare e dati climatici misurati a Zurigo (
Analizzando i risultati relativi ai valori di composizione isotopica di carbonio e di ossigeno misurati su gruppi di tre anelli consecutivi si nota che nel
Nel
L’albero T2 mostra un simile andamento del δ13C e del δ18O fino agli anni ’70 dopodiché, ad un aumento del δ13C corrisponde una diminuzione del δ18O. Il minore arricchimento isotopico dell’ossigeno suggerirebbe un elevato tasso traspirativo, accompagnato da un maggiore “
Per l’albero T3 si osserva solo un lieve cambiamento dell’andamento dei valori di δ18O e, soprattutto di δ13C. L’impatto delle emissioni di NOx derivanti dal traffico sembra, quindi, attenuarsi man mano che ci si allontana dall’autostrada, come osservato anche per gli aghi.
Nelle aree di studio di Faido e Brittnau, gli alberi di abete rosso più vicini all’autostrada hanno mostrato un chiaro arricchimento isotopico in 15N, confermando la possibilità per le piante di assorbire l’azoto anche per via stomatica. È interessante osservare come gli alberi più vicini all’autostrada fungano da barriera, diminuendo l’impatto delle emissioni di NO2 legate alla circolazione dei veicoli, procedendo lungo il transetto, verso l’interno della foresta. Successive analisi su carote estratte dagli alberi considerati per il campionamento degli aghi consentiranno di capire se e con quale entità il segnale osservato negli aghi possa essere trasferito negli anelli di accrescimento.
Dallo studio retrospettivo sugli anelli di accrescimento degli alberi nei pressi di Erstfeld è emerso un segnale interessante, attribuibile in parte al possibile impatto dell’aumento delle emissioni di NOx registrato in Svizzera a partire dagli anni ’60. Questo segnale non è tanto visibile nelle ampiezze anulari (ad eccezione della pianta T1) quanto nei valori di composizione isotopica dell’ossigeno e, soprattutto del carbonio. In quest’ ultimo caso, infatti, il trend crescente di δ13C osservato tra gli anni ’60 e ’80 per le piante T1 e T2 denoterebbe una maggiore attività fotosintetica, quindi un aumento dell’efficienza d’uso dell’acqua per queste piante. Questo risultato suggerirebbe un effetto di fertilizzazione da parte delle emissioni di NOx (e probabilmente anche di CO2) derivante dalla circolazione dei veicoli. L’andamento crescente dei valori di δ18O osservato negli anelli legnosi della pianta T1, più vicina all’autostrada, indica, tuttavia, una riduzione dell’attività stomatica, suggerendo un effetto tossico da parte delle emissioni di NO2.
Questo studio conferma la potenzialità della misura degli isotopi stabili di carbonio, ossigeno ed azoto quale utile strumento per il monitoraggio dell’impatto delle deposizioni di azoto sulla risposta fisiologica degli alberi negli ecosistemi forestali.
L’attività di ricerca è stata svolta da M.R.G. durante il periodo di stage presso il
Area di studio nei pressi di Erstfeld (fonte: ©AlpTransit San Gottardo SA. [online] URL: http://www.alptransit.ch/).
Andamento della emissioni di NO2 in Svizzera dal 1900 al 2004. Con la linea continua si rappresentano le emissioni totali di NO2 derivanti da diverse fonti (traffico, attività industriali, riscaldamenti) mentre i simboli indicano l’andamento dei valori di NO2 senza il contributo del traffico. È chiaro il notevole apporto delle emissioni di NO2 derivante dal traffico sulle emissioni totali. Dati riportati dall’Ufficio Federale dell’Ambiente (UFAM).
Andamento del δ15N misurato su aghi campionati dalla porzione alta delle chiome di alberi di abete rosso lungo un transetto perpendicolare all’autostrada nei pressi delle località di Faido e Brittnau.
Andamento delle ampiezze anulari di alberi di abete rosso in due differenti
Andamento del δ13C e del δ18O misurati su gruppi di tre anelli consecutivi di alberi di abete rosso in due differenti
Parametri derivanti dal confronto statistico (
Id campione | Overlap | Gleichläufigkeit | P | |
---|---|---|---|---|
T1 | 101 | 74 | 0.001 | 5.3 |
T2 | 149 | 66 | 0.001 | 9.9 |
T3 | 116 | 69 | 0.001 | 7.8 |
T4 | 125 | 63 | 0.05 | 4.3 |
T5 | 109 | 61 | 0.05 | 3.0 |
T6 | 96 | 70 | 0.001 | 5.5 |
Coefficiente di correlazione (R) e grado di significatività (P) derivante da correlazioni, per ciascun albero, tra i valori delle ampiezze anulari e temperatura (Temp) e precipitazioni (Prec) medie. I dati climatici sono relativi alla stazione più vicina all’area di studio (Zurigo).
Id Campione | Prec | Temp | ||
---|---|---|---|---|
R | P | R | P | |
T1 | 0.01 | 0.95 | -0.20 | 0.24 |
T2 | -0.20 | 0.24 | -0.30 | 0.07 |
T3 | -0.27 | 0.20 | -0.58 | 1.8e-4 |
T4 | -0.09 | 0.60 | -0.25 | 0.13 |
T5 | 0.42 | 0.01 | 0.14 | 0.44 |
T6 | -0.24 | 0.15 | -0.63 | <0.0001 |