Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque...

32
Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e problemi semantici Pierluigi Viaroli Dipartimento di Scienze Ambientali, Università di Parma Dati e risultati dai progetti europei: CLEAN, ROBUST, NICE & DITTY e dal progetto MURST: NITIDA

Transcript of Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque...

Page 1: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e problemi semantici

Pierluigi ViaroliDipartimento di Scienze Ambientali, Università di Parma

Dati e risultati dai progetti europei: CLEAN, ROBUST, NICE & DITTY e dal progetto MURST: NITIDA

Page 2: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Il termine acque di transizione (transitional waters) viene introdotto con la direttiva 2000/60/EC con lo scopo di una semplice classificazione delle acque superficiali in dolci, intermedie, marino costiere (McLusky & Elliot, 2007). La definizione è : corpi idrici superficiali in prossimità della foce di un fiume, che sono parzialmente di natura salina a causa della loro vicinanza alle acque costiere, ma sostanzialmente influenzati dai flussi di acqua dolce

La definizione è però ambigua ed esclude la maggior parte delle lagune mediterranee che non ricevono acque dolci (Tagliapietra & Volpi Ghirardini, 2006), mentre è applicabile alle lagune del Baltico. Viene proposto il termine:ambienti di transizione

Una definizione operativa “aquatic areas which are neither fully open coastalnor enclosed or flowing freshwater areas” è proposta da McLusky & Elliot(2007).

McLusky & Elliott, 2007. Transitional waters: A new approach, semantics or just muddying the waters? Estuarine, Coastal and Shelf Science 71: 359-363

Tagliapietra, D., Ghirardini, A.V., 2006. Notes on the coastal lagoon typology in the light of the EU Water Framework Directive: Italy as a case study. Aquatic Conservation: Marine & Freshwater Ecosystems 16,457e467.

Page 3: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

… the term transitional waters … reflects the evolution of language in this subject area, encompassing tidalestuaries and non-tidal brackish water lagoons.La discussione è ancora aperta - conclusione dell’editorialdi McLusky & Elliot (2007)

Non solo una questione semantica : nell’applicazione della WFD alcuni stati membri non considerano le transitionalwaters.

McLusky & Elliott, 2007. Transitional waters: A new approach, semantics or just muddying the waters? Estuarine, Coastal and Shelf Science 71: 359-363

Page 4: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Giordani G., P. Viaroli, D. P. Swaney, C. N. Murray, J. M. Zaldivar and J. J. Marshall Crossland (eds), 2005. Nutrient fluxes in transition zones of the Italian Coast. LOICZ REPORTS & STUDIES No. 28. http://www.dsa.unipr.it/lagunet

Page 5: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Coastal lagoon typologyBasset, A., Sabetta, L., Fonnesu, A., Mouillot, D., Do Chi, T., Viaroli, P., Giordani, G., Reizopoulou, S., Abbiati, M., Carrada, G.C., 2006. Typology in Mediterranean transitional waters: new challenges and perspectives. Aquatic Conservation: Marine and Freshwater Ecosystems 16, 441-455.Tagliapietra, D., Ghirardini, A.V., 2006. Notes on the coastal lagoon typology in the light of the EU Water Framework Directive: Italy as a case study. Aquatic Conservation: Marine & Freshwater Ecosystems 16, 457-467.

Climate

Morphometry

Tidal range

Freshwaterinfluence

Geology

Biogeochemistry

y = 0.24x + 1.50R2 = 0.19, p<0.01

0.0

1.0

2.0

3.0

-1.0 0.0 1.0 2.0 3.0

Log surface area (Km2)

Log

num

ber o

f tax

a

Page 6: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

modified from Pearson & Rosemberg (1978), Hyland et al. (2000), de Wit et al. (2001); Viaroli et al. (2004)

Sedimentary organic matter TOC %DW

AR

BIT

RA

RY

UN

ITS

High stress/Disturbance

Intermediatestress

No effect

Macrobenthic variablesDissolved O2

BenthOCInvestigation of relationships between macrobenthos communities and sedimentaryorganic matter content in transitional waters soft sediments along the Italian coast todevelop benthic indicators of environmental quality(leaders P. Magni & D. Tagliapietra)

Page 7: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

ZonazioneVariabilità morfologica

ZonazioneGradienti di salinità

Prevalenza delle comunità bentoniche

RisospensioneBassa profondità

Nel Mediterraneo gli ambienti di transizione sono soprattutto lagune costiere

Caratteristiche unificanti e tratti distintivi

Page 8: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

EEA – Corine Land Cover 2000 © JRC-EC

Page 9: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

100.02045.2100.0209Total

17.8364.7364.70.51> 200.0

32.4132.3661.62.45100.0-200.0

17.960.8365.02.9650.0-100.0

16.522.6338.47.21510.0-50.0

5.26.6106.27.7165.0-10.0

7.92.4160.832.5681.0-5.0

1.20.825.215.8330.51-1.00

1.10.423.331.1650.25-0.50

%km2%No.

ArealaguneIntervallo disuperficie (km2)

Lagune mediterranee

46.9% con A< 0.50 km2 79.4% con A< 5.0 km2

Page 10: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

143.722.443.9120.21068.0Superficie totale

4049521Numero totale

00001> 200.0

00001100.0-200.0

0002150.0-100.0

4110710.0-50.0

300045.0-10.0

1515341.0-5.0

1823030.51-1.00

SardegnaSiciliaTirrenoSudAdriatico

Nord Adriatico

Intervallo disuperficie (km2)

Lagune italiane

Il 76% delle aree lagunari si trova nell’alto adriatico

Page 11: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Map Art Design: Atlante della Laguna, GIS CNR-ISMAR Venezia, LAR-IUAV Venezia

ISM

AR

A multiscalar approach (Tagliapietra and Co-workers)

Page 12: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Open Lagoon

Restricted lagoon

Map Art Design: Atlante della Laguna, GIS CNR-ISMAR Venezia, LAR-IUAV Venezia

Courtesy by D. Tagliapietra et al.

Page 13: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Mesotipologies

Open Lagoon Sheltered

Fringe Zone local Facies

Central Basin Dynamic

Central Basin Calm

Lower Fluvial Delta (Mouth, Distal)

Upper Fluvial Delta (Bay-Head, Proximal)

Remote Fringe Zone

Marginal Fringe Zone

Marine Tidal Delta Dynamic

Marine Tidal Delta Calm

Map Art Design: Atlante della Laguna, GIS CNR-ISMAR Venezia, LAR-IUAV Venezia

Courtesy by D. Tagliapietra et al.

Page 14: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Numero minimo di repliche che garantisce una descrizione adeguata dell’eterogeneità spaziale (Bartoli et al., 2003. Aquatic ecology 37: 341-349 )

Where:

BEAAnBEA

d�

184

)18(

���

nwithreplicatesnofAverageAn

replicatesofaveragetheasassumedAveragetruetheofEstimateBestBEA

D18_DD16_DD14_DD12_DD10_DD08_DD06_DD04_D

,25

,20

,15

,10

,05

0,00

-,05D18_LD16_LD14_LD12_LD10_LD08_LD06_LD04_L

,45

,40

,35

,30

,25

,20

,15

,10

,05

0,00

-,05

d<0,05 if n>6 0,05<d<0,1 if n>6

D evia tion fro m B E A (B est E stim ation fro m the true A verage) in th e d ark (le ft) and ligh toxygen in cubation s

Page 15: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Profondità delle tane

4 cm

Corophium spp.

17 cm

Neanthes spp.

Page 16: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

3 mm

40 mm

Area pareti:~700 mm2

Con densità di 5000 ind m-2

~3.5 m2

Estensione dell’interfaccia acqua-sedimento in relazione alla densità di Corophium

Page 17: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

32852920255521901825146010957303650�

���

���

���

���

����

����

����������������������������������������������������������

biomass (g DW m )A-2

32852920255521901825146010957303650�

���

��

���

��

����������������������������������������������������������

dissolved oxygen (% saturation) A

Sacca di Goro lagoon(Po River Delta,

Northern Adriatic Sea)

biomass of the seaweed Ulva rigida

and related dissolvedoxygen concentrations

Page 18: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Sacca di Goro Maggio-Luglio 1992 – variazioni delle concentrazioni dell’ossigeno nella colonna d’acqua

Page 19: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

mgO2 L-1

0 6 12 18 24 30

sed

wat

er l

evel

(mm

)

-5

0

5

10

15

20

4 am

3 pm

Sacca di Goro St GVariazioni delle concentrazioni dell’ossigeno disciolto all’interfaccia acqua-sedimento in presenza di microfitobenthos

SWIMP: Sediment-WaterInterface MicroProfiler, ISMES©, Italy. Modifiedfrom (Barbanti et al., 1996)

Page 20: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

St. 17: 13:00 29/9/95

�mol O 2L-1

0 100 200 300

sedi

men

tw

ater

(m

m)

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

µmolS2-L-1

0 600 1200 1800 2400 Sacca di Goro lagoon, st. 17 - Profili verticali di ossigeno e solfuri in uno strato di Ulva adagiato sul sedimento

SWIMP: Sediment-WaterInterface MicroProfiler, ISMES©, Italy (Barbanti et al., 1996)

Ulva bed

Sistemi a macroalghe

Page 21: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

2D Graph 2Net Maximum Productivity (�mol m-2h-1)

-10000 0 10000 20000 30000 40000

Dar

k R

espi

ratio

n (�

mol

m-2

h-1)

-16000

-14000

-12000

-10000

-8000

-6000

-4000

-2000

0

TH

H A TA

stG-Ulva stS-Bare sedimentstS-RuppiastG-bare sediment

Concentrazioni dell’ossigeno o flussi di ossigeno?Ecosystem properties represented with NP and DR maximum potential: TH = total heterotrophy; H = net heterotrophy; A = net autotrophy; TA = total autotrophy (after Rizzo et al., 1996; and Viaroli and Christian, 2003)

Unbalancedunstable

Balancedstable

Page 22: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

.

.

===============================================================CATEGORIES CONDITION SYSTEM QUALIFICATIONS

Rates BP/BD Timing-------------------------------------------------------------------------------------------------------------Dystrophy DR=NP <0 1-10 gO2m-2 h-1 H/La STotal heterotrophy DR=NP ����0 < 1 gO2m-2 h-1 L/La CNet heterotrophy DR < NP����0 < 1 gO2m-2 h-1 L/R CNet autotrophy 0 < NP���� |DR| < 1 gO2m-2 h-1 L /R CTotal autotrophy 0 < |DR| < NP < 1 gO2m-2 h-1 L/R CHyperautotrophy 0 < |DR| << NP 1-10 gO2m-2 h-1 H/La S------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Classification of ecosystem metabolism based on oxygenproduction (NP = net production at light saturation) and consumption (DR = dark respiration). BP = biomass peak (L: low, H:High), BD = biodegradability (R: refractory, La: labile) C= NP and DR peaks are coincident, S= DR peak follows the NP peak(Rizzo et al., Estuaries, 1996; Viaroli & Christian, Ecological Indicators, 2003)

Page 23: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Il metabolismo netto dell’ecosistema (NEM) può essere stimato con il modellobiogeochimico LOICZ. Il NEM misura la produttività del sistema.

Relazione tra NEM (mol m-2 y-1) e carico del fosforo inorganico (DIP, mol m-2

y-1) in 17 lagune italiane (Giordani et al., 2005. LOICZ R&S 28)

Page 24: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

•Eutrofizzazione•Bassa profondità ���� processi sedimentari•Centralità del comparto bentonico•Vegetazione bentonica come tracciante

Conceptual representation of the succession of aquatic vegetation along an increasing eutrophication gradient according to 1: Nienhuis (1992), 2: Valiela et al. (1997) and Dahlgreen and Kautsky (2004); 3: Schramm (1999)

?phytoplanktonpicoplankton

cyanobacteria

free floating macroalgae+phytoplankton

macrophytes+ fast growing epiphytes

perennial benthic macrophytes

2, 3phytoplanktonmacroalgaeseagrasses

1macroalgae+phytoplanktonphanerogams+epiphytesphanerogams

RefSuccession phases and conditions (pristine � altered)

Page 25: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

In nutrient poor, well-flushed and shallow waters phanerogams take advantage of nutrient supply from sediment. Long water residence times favour macroalgae and phytoplankton. Given a certain water residence time, the succession from perennial benthic species to macroalgae and phytoplankton seems mainly caused by nutrient loadings (Valiela et al., 1997, L&O 42: 1105-1118; Dahlgreen & Kautsky, 2004. Hydrobiologia 514: 249–258,).

phanerogams macroalgae

phytoplankton

Nutrient loading ����

Water depth

�� ��

Water residence tim

e �� ��

multivariate systems with non-liner behaviour

Page 26: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

OM+SO42- HS-

HS- + Fe2+ + PO43-

FeS + FeS2

anoxic

HS-

anoxic

HS-

oxicO2

SO42-

FeOOH-PO43-

oxic

O2 PO43-

SO42-

FeOOH-PO43-

uptake

decay

Winter � Summer � Winter

biogeochemical controls and switches (de Wit et al., 2001; Rozan et al., 2002)

Page 27: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

key biogeochemical controls

CaCO3 Fe HS-

PO43-

-+-++-+-

PO43-HS-FeCaCO3

•Caumette P., Castel J, Herbert R., 1996. Coastal lagoon eutrophication and anaerobic processes (C.L.E.A.N.). Hydrobiologia 329•Chambers RM, Fourquren JW, Macko SA, Hoppenot R, 2001. Biogeochemical effects of iron availability on primaryproducers in a shallow marine carbonate environment. Limnology and Oceanography 46: 1278-1286•de Wit R et al., 2001. ROBUST: The ROle of BUffering capacities in STabilising coastal lagoon ecosystems. Continental Shelf Research 21: 2021-2041.•Lapointe, B.E., M.M. Littler & D.S. Littler, 1992. Nutrient availability to marine macroalage in siliciclastic versus carbonate-rich coastal waters. Estuaries 15: 75-82•Meysman FJR, Middleburg JJ, 2005. Acid-volatile sulphide (AVS) – A comment. Marine Chemistry 97: 206-212. Rickard D, Morse JW, 2005. Acid Volatile Sulphide (AVS). Marine Chemistry 97: 141-197.

Page 28: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Relationship between sedimentary organic matter, oxygen and macrobenthic variables. Modified fromPearson & Rosemberg (1978), De Wit et al. (2001), and Hyland et al. (2000)

Sedimentary organic matter TOC %DW

AR

BIT

RA

RY

UN

ITS

High stress/Disturbance

Intermediatestress

No effect

Macrobenthic variablesDissolved O2

Page 29: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

37287-9DecompositionHalf-time (d)

3.1-7.22.0-3.4-Lignin

15.1-20.012.0-19.17.4-14.0Cellulose

25.3-29.219.6-26.522.3-29.3Hemicellulose

77-8276-8466-83AFDW

0.24-0.290.14-0.380.11-0.68P

2.4-3.12.2-3.42.2-5.1N

40.1-45.534.9-37.720.5-38.9C ZosteraRuppiaUlva

Elemental and molecular composition (units: % dry weight) and decomposition of different macrophyte biomass under summerconditions (from De Wit et al., 1996; Viaroli et al., 1992 and 1996)

Page 30: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

>150100-15050-100<50µmol cm-3Sedimentary Acid Volatile Sulphide (AVS)

<5050-100100-200>200µmol cm-3Sedimentary Reactive Iron

<55-2020-40>40% dwSedimentary carbonates

<55-1010-20>20-C:N ratio in the sedimentary OM

>105-101-5< 1% dwSedimentary Organic Matter (OM)

claysilt-claysand-siltsand-Granulometry

<-10 or >10±10±5±1mol m-2y-1Net Ecosystem Metabolism (NEM)*

>10010-1001-10<1daysWater Residence Time (WRT)

0123Score

Very HighHighModerateLowUnitsPotential Vulnerability Level

Variables and ranges for assessing the potential vulnerability level. Sedimentary variables are referred to the

upper 5 cm sediment horizon

* NEM or NPmax vs DR

Page 31: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

Potential Vulnerability level

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Goro Lesina

PV

L

Water Residence TimeNet Ecosystem MetabolismGranulometrySedimentary Organic MatterC:N ratio in sedimentary OMSedimentary carbonatesSedimentary Reactive IronSedimentary AVS

Page 32: Ambienti acquatici di transizione: aspetti ecologici e ... interventi 5-6 febb 08/Acque Transizion… · estuaries and non-tidal brackish water lagoons. La discussione è ancora aperta

vulnerability = impacts – effects of adaptation(McFadden, Nicholls, Penning-Rowsell (eds), 2007. Managing Coastal Vulnerability.

Elsevier, Oxford, 262 p.)

potential vulnerability = impacts – buffering capacity ?(CLEAN and ROBUST projects)

Stressors?Controlling factors?Indicators of vulnerability?