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Ministeri dell’Economia e delle Finanze, dell’Istruzione, Università e Ricerca, dell’Ambiente della Tutela del Territorio, delle Politiche Agricole e Forestali

---------------------------------------------- Fondo Integrativo Speciale per la Ricerca

PROGRAMMA STRATEGICO: B) SVILUPPO SOSTENIBILE E CAM BIAMENTI CLIMATICI

Progetto-Obiettivo: 1) Simulazioni, Diagnosi e Previsioni del Cambiamento Climatico

Titolo del Progetto:

Cambiamenti Climatici e Sistemi Produttivi Agricoli e Forestali: Impatto sulle Riserve di Carbonio e sulla Diversità Microbica del Suolo.

Acronimo: SOILSINK Linea 2: Modelli di simulazione ed applicazioni territoriali. (Capofila Dr.ssa Rosa Francaviglia) UO 03: CRA-RPS, Centro di Ricerca per lo Studio delle Relazioni tra Pianta e Suolo, Roma Responsabile scientifico Dr.ssa Rosa Francaviglia Partecipanti alla ricerca Rosa Francaviglia, ricercatore II livello Massimiliano Valentini, ricercatore III livello Margherita Falcucci, CTER V livello Roberta Farina, assegnista di ricerca (fino al 29

febbraio 2008) Gianni Maturilli, CTER V livello Alessandro Marchetti, assegnista di ricerca Bruno Pennelli, CTER VI livello (dal 16 aprile 2008)

Chiara Piccini, collaboratore a progetto

Relazione sulle attività svolte nel 2° anno di attività (01/07/2007-30/06/2008)

L’UO-03 ha lavorato in stretta relazione soprattutto con le UO-01, 02 e 09 del Progetto, afferenti rispettivamente a: Linea 1. Sistemi produttivi agro-forestali

• UO-01, Sistemi agricoli di collina, Università Politecnica delle Marche, Dipartimento di Scienze Ambientali e delle Produzioni Vegetali, capofila prof. Pier Paolo Roggero;

• UO-02, Sistemi agro-forestali, Università degli Studi di Sassari, Dipartimento di Scienze Agronomiche e Genetica vegetale agraria, capofila dr. Luigi Ledda;

Linea 2. Modelli di simulazione ed applicazioni territoriali UO-09, CRA – ex Istituto Sperimentale Agronomico, Sezione di Modena, attualmente Unità di Ricerca per la Suinicoltura, capofila dr.ssa Rosa Marchetti. Attività 1: Applicazione di un modello di ecosistemi per suoli agricoli al variare della gestione colturale Per ragioni di efficienza nella ripartizione del lavoro tra UO3 e UO9, nell’ambito della linea 2, l’attività delle due UO è stata di tipo sinergico e complementare e si è incentrata sui molteplici aspetti riguardanti la definizione dei criteri per l’attribuzione dei parametri di simulazione e per la compilazione dei file, intrecciandosi in questo principalmente con l’Attività 3, cui si rimanda, mentre le simulazioni con WinEPIC sono state eseguite esclusivamente dall’UO3.

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Per lo studio dei sistemi colturali e dei processi di accumulo di carbonio nel suolo, l’UO-03 ha infatti prescelto il programma WinEPIC, versione con interfaccia Windows del modello di simulazione EPIC (Environmental Policy Integrated Climate, Williams et al:, 1989), messo a punto dalla Texas Agricultural Experiment Station, Blackland Research and Extension Center, (Temple, Texas, USA). WinEPIC, che riunisce molti aspetti del modello CropMan (Crop Production and Management, Gerik et al. 2004), è stato progettato appositamente per scopi di ricerca per l’analisi delle pratiche colturali e dei sistemi colturali su produzione, qualità del suolo, qualità dell’acqua, erosione idrica ed eolica, valutazione economica. Dal 21 settembre al 4 ottobre 2007 la Dr.ssa Rosa Francaviglia, la dr.ssa Roberta Farina (assegnista di ricerca del progetto) ed il dr. Alessandro Marchetti (assegnista di ricerca del progetto) di questo Centro di Ricerca hanno partecipato ad uno stage di formazione presso il Blackland Research Center (Temple, Texas), allo scopo di apprendere l’uso del programma WinEPIC e di calibrare lo stesso per potere simulare l’effetto di alcune variabili sui sistemi colturali studiati nel progetto SOILSINK. Il programma WinEPIC sviluppato dai ricercatori del Centro di ricerca Blackland, consente di simulare molti processi importanti nella gestione dei sistemi agricoli. Inizialmente era stato studiato per simulare gli effetti dell’erosione sulla produttività in parcelle sperimentali o piccoli bacini; in seguito è stato notevolmente arricchito al fine di potere simulare numerose colture, sistemi colturali, modalità di gestione, climi e suolo diversi. Esso inoltre è stato reso di più facile utilizzo dotandolo di una interfaccia grafica Windows che consente all’utilizzatore un più semplice caricamento dei dati e una organizzazione degli output in database che consentono una maggiore facilità di analisi statistica. L’ultima modifica apportata al modello riguarda l’incorporazione all’interno di WinEpic del modello Century, specificamente studiato per simulare il ciclo del Carbonio nel suolo. Il corso di apprendimento è stato coordinato dal prof. Wyatte Harman, con la collaborazione della dr.ssa Evelyn Steglich ed il contributo scientifico del dr. Jimmy Williams, uno degli sviluppatori del modello EPIC nella sua formulazione originaria. La prima parte del periodo trascorso presso il Centro è consistita in un corso frontale in cui si è appreso:

• come settare il programma relativamente ai dati dell’utente; • come settare il programma in relazione ai dati del sito sperimentale; • come inserire i dati della colture, dei suoli, del management (fertilizzanti, macchine per le

operazioni principali e secondarie epoche di svolgimento delle operazioni, dose di seme, investimento, raccolta, ecc.), del clima, ecc.

• come settare i parametri generali delle colture (tassi di mineralizzazione dell’azoto, coefficienti colturali per il calcolo dell’evapotraspirazione, ecc.

• come effettuare la simulazione; • come interpretare gli output; • come effettuare una visualizzazione grafica dei dati; • come importare ed analizzare i dati climatici raccolti per il loro impiego nel modello.

Alla fine di ciascun modulo di lezioni venivano assegnati degli esercizi per mettere in pratica quanto appreso durante la giornata e verificare il grado di apprendimento. I restanti giorni sono stati dedicata alla messa a punto del database con i dati relativi ai suoli, climi e sistemi colturali sperimentali del SOILSINK: 1) nelle Marche - Azienda P. Rosati di Agugliano e microbacini di Serra de’ Conti (AN), 2) in Sardegna: Berchidda (OT). Sito di Agugliano: sistemi colturali su scala macroparcellare con prove sperimentali di lungo termine di confronto tra 3 livelli di lavorazione (semina su sodo, minima e tradizionale) e tre livelli di concimazione azotata (0, 90 e 180 kg/ha di N) in una rotazione biennale frumento duro-mais (dal 2002 al 2006) e frumento duro-girasole (dal 1995 al 2001). Ogni coltura della rotazione è presente contemporaneamente nello stesso anno, lo schema sperimentale è a split-plot con due blocchi randomizzati, ogni subparcella ha la dimensione di 500 m2. Sono stati presi in considerazione i due

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tipi di lavorazione estremi (T = tradizionale e S = semina su sodo) e le due concimazioni N0 e N90. I terreni sono di tipo limo-argilloso, con una pendenza media del 10-15 %. Sito di Serra de’ Conti: sistemi colturali a scala di microbacino fluviale in due sottobacini del fiume Misa (Spescia di 80 ha e Bottiglie di 60 ha), gestiti secondo le agrotecniche ordinarie della zona. L’area è stata interessata dalla applicazione su tutto il territorio dell’azione D3 del reg. CEE 2078/92 sulla tutela delle risorse idriche, nel quinquennio 1997-2001. L’area è caratterizzata da terreni prevalentemente argillosi, i sistemi colturali prevalenti nei due microbacini sono basati su seminativi (frumento duro, girasole, altri cereali autunno-vernini, erba medica, favino) e vite da vino (verdicchio). Le colture annuali implicano il ricorso a frequenti lavorazioni del terreno che comportano una elevata mineralizzazione della sostanza organica con conseguenti processi erosivi. Sito di Berchidda: analisi degli effetti di lungo periodo di usi del suolo a crescente livello di intensificazione, dall'erbaio autunno-vernino con pascolo, al vigneto con o senza inerbimento, irrigato ed in asciutto, senza e con pascolamento di ovini, al pascolo arborato fino ai sistemi seminaturali come la macchia mediterranea e la sughereta. Si tratta di terreni acidi costituiti da sabbioni granitici, nella zona di produzione del Vermentino, di cui viene monitorata la gestione agronomica. L’attività è finalizzata all’identificazione, delimitazione e caratterizzazione pedologica, bioclimatica e vegetazionale di aree rappresentative dei sistemi produttivi agro-forestali mediterranei, e allo studio dei possibili effetti sul C sink derivanti dai diversi usi del suolo. Particolare difficoltà ha presentato la messa a punto dei sistemi colturali della Sardegna poiché caratterizzati da notevole complessità, soprattutto nelle aree a vigneto ed in quelle utilizzate per il pascolo di ovini. Una volta messe a punto le basi di dati si è proceduto a varie simulazioni del modello modificando alcuni dei parametri fino a giungere ad una calibrazione dello stesso per i siti studiati. Alla fine del corso è stata rilasciata una prima release del data-base di WinEPIC, chiamata Italy-Marche, che è quella di base che verrà utilizzata per le simulazioni del progetto SOILSINK nei due siti di Agugliano e Serra de’ Conti. Continueranno i contatti con i ricercatori del Blackland Research Center per perfezionare il data-base Italy-Sardegna che presenta ancora alcune problematiche collegate alla parametrizzazione dei sistemi a pascolo e dei vigneti. Durante il soggiorno sono stati illustrati altri software che consentono la simulazione dei sistemi colturali a scala di bacino. Il modello SWAT (Soil & Water Assessment Tool), messo a punto dal dr. Jeff Arnold, che quantifica a scala di bacino fluviale l’impatto delle pratiche di gestione del suolo in bacini complessi e di notevole estensione. SWAT è dotato di un’interfaccia di supporto in ArcView per la rappresentazione degli output del modello. Il modello APEX (Agricultural Policy Environmental eXtender), messo a punto dal dr. Jimmy Williams, che riunisce le simulazioni del modello EPIC eseguite a livello di sub-aree, consentendo la gestione di intere aziende o di piccoli bacini. APEX, di cui è in corso la realizzazione di un’interfaccia GIS, rappresenta pertanto uno strumento promettente per un’applicazione territoriale nei microbacini di Serra de’ Conti e nelle aree di Berchidda. Si segnala infine la proposta di collaborazione offerta dal dr. James Kiniry, del Grassland Soil and Water Research Laboratory dell’USDA, che lavora in stretta collaborazione con il Blackland Research Center. In particolare ha mostrato interesse ad approfondire la parametrizzazione di alcune variabili del modello EPIC, con particolare riferimento ad alcuni parametri dei vigneti come il LAI (Leaf Area Index) e la curva di estinzione del PAR (Photosynthetically Active Radiation) all’interno del blocco di vegetazione. Nei grafici seguenti si riportano i risultati della calibrazione del modello WinEPIC sui dati produttivi per le due gestioni lavorazione tradizionale e semina su sodo, concimazione 90 kg/ha di azoto, delle parcelle sperimentali del sito di Agugliano, nelle Marche. Le simulazioni riguardano le annate dal 1994 al 2006, con rotazione biennale frumento duro-girasole fino al 2001 e frumento duro-mais da granella dal 2002 al 2006. Il disegno sperimentale è a split-plot con due ripetizioni per

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coltura; inoltre ogni coltura della rotazione è presente contemporaneamente nello stesso anno. Come si può vedere dai coefficienti delle rette di regressione e dal valore di R2, complessivamente la calibrazione del modello sui dati produttivi è da considerare accettabile per entrambi i sistemi di gestione.

Lavorazione tradizionale Semina su sodo

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Attività 2: Simulazioni in condizioni climatiche modificate. Per le simulazioni con gli scenari di clima modificato (cfr. attività 4) sono stati usati due modelli di circolazione generale che accoppiano gli effetti della circolazione atmosferica e di quella oceanica:il GISS del Goddard Institute of Space Studies della NASA (Hansen et al., 2000; 2002) e l’HadCM3 (Gordon et al., 2000) del Met Office dell’Hadley Centre (UK). I due scenari (SRES) prescelti rappresentano un climate change marcato (A2) ed uno moderato (B2), quest’ultimo interpretabile come uno scenario di mitigazione per mantenere la CO2 sotto i 600 ppm entro il 2100 ed il riscaldamento globale intorno ai 2°C, corrispondenti a due scenari di riferimento tra quelli indicati dall’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007). I livelli di CO2 in ppm utilizzati per le simulazioni con clima modificato in corrispondenza delle decadi sono:

SRES 2020 2050 2080 SRES 2020 2050 2080 A2 425 540 710 B2 410 480 555

Gli scenari “2020” rappresentano le condizioni climatiche medie del periodo 2010-2039, quelli “2050” gli anni 2040-2069, i “2080” gli anni 2070-2099. Le scelte degli archi temporali sono state effettuate per simulare uno scenario di cambiamento climatico molto vicino, uno intermedio ed uno completamente realizzato. Le simulazioni con gli scenari di cambiamento climatico sono state eseguite con il modello WinEPIC già calibrato sulla gestione con lavorazione tradizionale (cfr. Attività 1), per un periodo di 30 anni, sulle due rotazioni frumento duro-girasole e frumento duro-mais. Simulazioni sulla rotazione frumento duro-girasole Per il frumento duro le diminuzioni di produzione di granella rispetto al clima di base sono più accentuate con il modello GISS (4.4-5.8 % nel 2020, 13.2-16.8 % al 2080) e sono significativamente differenti a P<0.05 solo nell’arco temporale 2080. Il decremento di produzione con il modello Hadley, decisamente minore, raggiunge il 5.1-6.2 % nel 2080 ma le differenze rispetto al clima di base non sono mai significative

Anche per il girasole le diminuzioni di produzione di acheni sono più accentuate con il modello GISS (da 11.2-11.3 % nel 2020 a 26.9-29.7 % nel 2080), ma sono significativamente differenti a P<0.001 già a partire dal 2050. Con il modello Hadley il decremento di produzione varia da 7.8-11.9 % nel 2020 a 20.5-22.5 % nel 2080, con differenze significative a P<0.05 solo nel 2080. Trattandosi di una coltura non irrigua, saranno valutate nel proseguimento della ricerca una serie di strategie di adattamento ai cambiamenti climatici studiando l’effetto di diverse scelte agrotecniche tra cui lo spostamento delle date di semina.

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Simulazioni sulla rotazione frumento duro-mais Per il frumento duro le diminuzioni di produzione di granella sono più accentuate con il modello GISS, con differenze significative a P<0.05 solo nel 2080, simili come ordine di grandezza a quelle della rotazione con il girasole (14.9-16.1 %). Con il modello Hadley le diminuzioni di produzione sono minori ed anche in questa rotazione simili come ordine di grandezza a quelle del frumento in rotazione con il girasole; le differenze, comunque, non sono mai significative.

Per il mais le diminuzioni di produzione sono molto accentuate con entrambi i modelli, con differenze che per l’Hadley sono significative a P<0.05 già dal 2020. L’entità dei cali di produzione, dell’ordine del 30 e 50 % rispettivamente al 2050 e al 2080, imporrà anche per il mais la valutazione di strategie di adattamento ai cambiamenti climatici per evitare di penalizzare il reddito degli agricoltori.

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Attività 3: Valutazione di un modello per la simulazione dei flussi e delle riserve di C nei suoli agricoli, sul breve periodo Per questa attività sono stati utilizzati gli output del modello WinEPIC, dopo la calibrazione sui dati produttivi di cui all’attività 1. Come accennato in precedenza, l’implementazione più significativa riguarda l’incorporazione in WinEPIC del modello CENTURY che simula il ciclo del carbonio nel suolo, sviluppato presso la Colorado State University (Parton et al., 1987). Nel modello Century la SO del suolo è ripartita in 3 pools, la cui somma rappresenta il contenuto di carbonio organico nel suolo, espresso in kg ha-1: Active pool, microrganismi e prodotti microbici, turnover da qualche mese fino a 5 anni; Slow pool,–materiali resistenti e metaboliti microbici stabilizzati, turnover fino a 50 anni; Passive pool, materiali resistenti stabilizzati fisicamente e chimicamente, turnover 400-2000 anni. Nelle simulazioni sulle parcelle con lavorazione tradizionale, iniziate nel 1994 con la semina autunnale del frumento duro e terminate nel 2006, il carbonio organico è passato da 64766 a 64015 kg ha-1, con una perdita di circa 800 kg ha-1. Dal grafico che segue risulta evidente l’effetto positivo dei residui colturali nel 1995, sempre lasciati in campo dopo la raccolta, che hanno portato il carbonio organico a 66411 kg ha-1. Se si considera la differenza tra il 1995 ed il 2006, la perdita di carbonio organico è stata quindi di circa 2400 kg ha-1, cioè 218 kg ha-1 all’anno. In termini di variazione del sink di carbonio organico la perdita è stata di 0.218 t ha-1 che equivalgono a 0.8 t CO2 ha-1 all’anno emessa in atmosfera. Dal grafico si evidenzia inoltre il passaggio alla rotazione frumento duro-mais avvenuta nel 2002, che ha riportato il valore di carbonio organico al termine della rotazione praticamente allo stesso valore del 1995.

Nelle simulazioni per le parcelle su cui è stata effettuata la semina su sodo, il carbonio organico è passato da 82563 a 84560 kg ha-1, con un aumento di circa 2000 kg ha-1, cioè 166 kg ha-1 all’anno. In termini di variazione del sink di carbonio organico l’aumento è stato di 0.166 t ha-1, che equivalgono a 0.6 t CO2 ha-1 all’anno sottratte dall’atmosfera. Il passaggio alla rotazione frumento duro-mais avvenuta nel 2002, ha innalzato lievemente il valore di carbonio organico al termine della rotazione, in quanto è stato minore l’apporto medio dei residui colturali per le minori produzioni delle rotazione con semina su sodo rispetto a quelle con lavorazione convenzionale, soprattutto per le colture estive (cfr. tabella).

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Produzioni medie di granella e di acheni in t ha-1 Lavorazione convenzionale Semina su sodo

Sim. Mis. Sim. Mis. Mais 2.40 2.15 1.77 1.69 Frumento 3.41 3.46 3.01 3.41 Girasole 1.41 1.44 0.73 0.73

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Attività 4: Organizzazione dei data base dei parametri necessari per le simulazioni con i modelli globali di circolazione e la generazione del clima in scenari futuri di cambiamenti climatici mediante modelli di circolazione globale. Attraverso una consulenza professionale con il dr. Francesco N. Tubiello della Columbia University (NY, USA), a partire dalle serie storiche di Jesi per le Marche (1959-2006) e di Monti per la Sardegna (1985-2006) sono stati generati i dati climatici corrispondenti a due scenari di riferimento tra quelli indicati dall’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC, 2007):

• A2, che corrisponde ad un cambiamento climatico marcato; • B2, scenario moderato interpretabile come uno scenario di mitigazione per mantenere la

concentrazione di CO2 sotto le 600 ppm entro il 2100 ed il riscaldamento globale intorno a 2 °C.

Per le due stazioni climatiche di riferimento, sono stati organizzati e resi disponibili anche alle UO 01-02-09 i seguenti database:

Stazione di Jesi Riferimento per le prove di Agugliano (Marche)

Stazione di Monti Riferimento per le prove di Berchidda (Sardegna)

Clima attuale (baseline) 1959-2006 Clima attuale (baseline) 1985-2006 GISS 2020 A2 GISS 2020 A2 GISS 2020 B2 GISS 2020 B2 GISS 2050 A2 GISS 2050 A2 GISS 2050 B2 GISS 2050 B2 GISS 2080 A2 GISS 2080 A2 GISS 2080 B2 GISS 2080 B2

Hadley 2020 A2 Hadley 2020 A2 Hadley 2020 B2 Hadley 2020 B2 Hadley 2050 A2 Hadley 2050 A2 Hadley 2050 B2 Hadley 2050 B2 Hadley 2080 A2 Hadley 2080 A2 Hadley 2080 B2 Hadley 2080 B2

Ogni database contiene lo stesso numero di anni del clima attuale, con i due modelli (GISS e Hadley), con le tre proiezioni temporali (2020, 2050, 2080) e con i due scenari di riferimento per il climate change (A2, B2). Stazione di Jesi - Marche

Scenario Anno Livello

CO2 Temperatura (+°C)

Precipitazioni atmosferiche (- %)

GISS HadCM3 GISS HadCM3

A2 2020 425 0.68 1.03 -1.3 -2.2 2050 540 1.72 2.46 -7.0 -5.8 2080 710 3.50 4.48 -13.1 -16.8

B2 2020 410 0.67 1.31 -1.3 -2.7 2050 480 1.20 2.01 -6.0 -4.6 2080 555 2.36 3.00 -10.6 -5.7

Stazione di Monti - Sardegna

Scenario Anno Livello

CO2 Temperatura (+°C)

Precipitazioni atmosferiche (-%)

GISS HadCM3 GISS HadCM3

A2 2020 425 0.52 0.73 -9.6 -2.3 2050 540 1.43 1.90 -16.4 -7.4 2080 710 3.06 3.54 -21.6 -25.5

B2 2020 410 0.56 0.74 -8.6 -2.8 2050 480 0.98 1.40 -13.7 -8.8 2080 555 1.98 2.25 -18.4 -10.1

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Dai dati riportati nelle tabelle si nota che nella stazione di Jesi nelle Marche si avrebbe un cambiamento climatico dovuto soprattutto agli aumenti di temperatura, sempre maggiori rispetto alla stazione di Monti in Sardegna, e che si attestano annualmente tra 0.67-1.31 °C nel 2020 e 2.36-4.48 °C nel 2080. Per la stazione di Monti, a fronte di un aumento delle temperature compreso tra 0.52-0.74 °C nel 2020 e 1.98-3.54 °C nel 2080, si assiste anche ad una diminuzione consistente delle precipitazioni atmosferiche che sfiorano il 10 % nel 2020 con il modello GISS e superano il 20 % nel 2080 con entrambi i modelli. E’ inoltre evidente l’effetto di mitigazione dello scenario B2 nel 2080 rispetto a quello A2. Per Jesi, le temperature variano da 3.50-4.48 °C (A2) a 2.36-3.00 °C (B2). Per Monti le variazioni termiche sono di 3.06-3.54 °C (A2) e 1.98-2.25 °C (B2). Le corrispondenti diminuzioni di precipitazioni in % sono 13.1-16.8 (A2) e 5.7-10.6 (B2) per Jesi, 21.6-25.5 (A2) e 10.1-18.4(B2) per Monti. Nei grafici che seguono si riportano i dati mensili della stazione di Jesi, utilizzati per le simulazioni in condizioni climatiche modificate con il modello WinEPIC (cfr. Attività 2). Per quanto riguarda le temperature, le previsioni con entrambi i modelli di circolazione GISS e Hadley, per i tre archi temporali, mostrano un aumento generale rispetto al clima di base.

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Per le piogge, i valori mensili dei mesi estivi sono quasi sempre inferiori rispetto al clima di base con entrambi i modelli di circolazione, quelli autunnali ed invernali sono invece frequentemente superiori. Questo spiega anche la minore diminuzione di produzione del frumento duro ed il calo molto accentuato delle produzioni delle colture estive girasole e mais, non irrigate, soprattutto del mais, coltura molto esigente in termini di fabbisogni acquei.

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Il coordinatore dell’Unita’ Operativa

Dr.ssa Rosa Francaviglia