II WORKSHOPPROGETTO FINALIZZATO DI RICERCA

CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURARoma, 3 – 4 Aprile 2003

Maurizio Severini e Roberta AlillaIstituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima

ISAC – CNR, Sezione di Roma

L’ Effetto della Variazione del Clima sulle Popolazioni Naturali

Popolazione naturale: insieme degli individui della stessa Specie biologica che vivono nello stesso intervallo spazio-temporale.Esempi:

• le pecore di un gregge,• le mosche tse tse in un comprensorio,• l’ Artemia franciscana nel Grande Lago Salato,• le balene dell’Oceano Pacifico,• gli insetti di una Specie parassita in una coltura,• le piante di frumento di un campo coltivato,• le gemme a fiore di un pescheto,• gli individui della Specie Homo sapiens all’interno dei confini di uno Stato.

Funzione di stato:

Numerosità (o Densità) N = N(t)

Modello Dinamico

N(t)ΦB(t)

ΦE(t)ΦI(t)

ΦD(t)

ΦB(t) Flusso di natalità [individui/giorno]

ΦI(t) Flusso di immigrazione [individui/giorno]

ΦD(t) Flusso di mortalità [individui/giorno]

ΦE(t) Flusso di emigrazione [individui/giorno]

)()()()()(

ttttdt

tdNEDIB

)()(

)()(

)()(

)()(

tNEt

tNDt

tNIt

tNBt

E

D

I

B

dtEDIBtN

tdN )(

)(

)(

Popolazioni Pluricellulari

)(tNN

EE

DD

II

BB

k

k

k

k

k

Età fisiologica t

dTRt0

)]([)(

N1(t) N2(t) N3(t) N4(t)

Ciclo Vitale

uovo k = 1

larva k = 2

pupa k = 3

adulto k = 4

Stadi fenologici

Popolazione con struttura d’età

α = 0 per t = 0 ingressoα = 1 per t = tk uscita

R[T]

Tasso di sviluppo

Tasso di sviluppo è per definizione:

Se R[T] è lineare

][

1

][

1][

TjTtTR

kkk reciproco del

tempo di sviluppo

)(][ 0TTCTR

Somma dei tassi ][11

kj

jjTR

Somma termica )(1

01

kj

jk

TTC

kj

Tj temperatura media giornaliera (ambiente fisico)

T0k zero di sviluppo (caratteristica biologica)

1/Ck fabbisogno termico (caratteristica biologica)

Applicando il teorema della media

costantej)TT( k0k

… versione discreta del tempo fisiologico

Questo vale solo per le

e

Viventi pecilotermi

BATTERI

ALGHE

PROTOZOI

FUNGHI

GLOBULI ROSSI DEL SANGUE

ZOOPLANCTON

TUTTI I VEGETALI

ARTROPODI (2 MILIONI DI SPECIE)

PESCI E ANFIBI (NEGLI STADI IMMATURI)

CELENTERATI

ANELLIDI

TMAX

0.01

0.02

0.03

0.04

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.05

TV

TTR Reaùmur, 1735

0TCTR TBoussignault, 1837

De Gasparin, 1844

A

BCTR

Texp Coutagne, 1882

T

BCTR exp Price, 1909

TT

DD BA

CTR

2Janisch, 1933

T

BA

CTR

exp1Stinner, 1974

B

DDAACTR

TT expexp Logan,1976

Funzione Tasso R = R[T]

TT

TT

FE

DC

BA

TRexpexp1

exp

Sharpe & D.M, 1977

TL

Temperatura (°C)10 20 30

25

50

75

100

T0

Tem

po

t k[T]

[

d]

125

TL=22°C

Temperatura (°C)10 20 30

25

50

75

100

T0=6°C

TMAX

0.01

0.02

0.03

0.04 T

asso

R

k[T]

[

d-1] 0.05

Tem

po

t k[T]

[

d]

125

TV

TL=20°C

Temperatura (°C)10 20 30

25

50

75

100

T0=10°C

TMAX

0.01

0.02

0.03

0.04

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.05

Tem

po

t k[T]

[

d]

125

TV

TL=23°CT0=8°C0.05

0.10

0.15

0.20 T

asso

R

k[T]

[

d-1] 0.25

TL=28°C

T0=12°C0.05

0.10

0.15

0.20

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.25

10 20 30Temperatura (°C)

semina - germogli

oviposizione - adulti

TL=29°CT0=8°C0.01

0.02

0.03

0.04

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.05

oviposizione - schiusa

Temperatura (°C)10 20 30

0.25

0.50

0.75

1.00

Sop

ravv

iven

za

TL=12°CT0=2°C

0.02

0.04

0.06

0.08

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.10

10 20 30Temperatura (°C)

schiusa - fioritura

TL=27°CT0=12°C0.03

0.06

0.09

0.12

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.15

oviposizione - adulto

TL=29°C

T0=13°C

0.03

0.06

0.09

0.12

Tas

so

Rk[

T]

[d-1

] 0.15

10 20 30Temperatura (°C)

gamont - sporoziote

TL=17°CT0=4°C

0.02

0.04

0.06

0.08 T

asso

R

k[T]

[

d-1] 0.10

semina - germogli

Sviluppo Stocastico

tempo

larve pupestadio larvale

uova larve

tempo

stadio embrionale

tempo

pupe adultistadio di pupa

Modello a Ritardo Distribuito (Manetsch, 1976)

),...,2,1()()(][)( 1 HhttRHt hhh T

tRHtH

RHt H

H

H

][exp

!1

][)( 1 T

T

tempo

tk(T1)tk(T2)

T2 > T1

Distribuzione di Erlang

… la distribuzione dei tempi di sviluppo di una coorte è asimmetrica

Pioppo, Canada, 100 anni: anticipo 26 giorni (Beaubien et al., 2000)

Macchia mediterranea, 50 anni: anticipo 16 giorni (Penũelas et al., 2002)

Giardini fenologici, Nord Europa e Nord America, 30 anni: anticipo 6 giorni (Menzel et al. 1999)

Indice di verde, 45°-70°Nord, 9 anni: anticipo 8 giorni (Myneni et al., 1997)

Macchia mediterranea, 50 anni: allungamento 29 giorni (Penũelas et al., 2002)

Giardini fenologici, Nord Europa ed America, 30 anni: allungamento 11 giorni (Menzel et al. 1999)

Indice di verde, Nord Eurasia, 9 anni: allungamento 18 giorni (Myneni et al., 1997)

Margine conifere subalpine, Nord America, 100 anni: spostamento verso Nord (Peterson, 1994)

Lepidotteri, Olanda, 20 anni: anticipo del volo 12 giorni (Ellis et al., 1997)

Lepidotteri, Spagna, 50 anni: anticipo del volo 11 giorni (Penũelas et al., 2002)

Afidi, Inghilterra, 25 anni: anticipo del volo 6 giorni (Fleming et al., 1995)

Lepidotteri, 22 Specie, Europa, 100 anni: spostamento 35-240 Km Nord (Parmesan, 1999)

Lepidotteri, 2 Specie, Europa, 100 anni: spostamento verso Sud (Parmesan, 1999)

Anofele, Nuova Guinea, Tanzania, Kenya: spostamento oltre quota 2000 m (Epstein et al., 1998)

Anfibi, Stati Uniti, 100 anni: anticipo del canto 10 giorni (Gibbs, 2001)

Anfibi, Inghilterra, 16 anni: anticipo oviposizione 10 giorni (Beebee, 1995)

Uccelli, 20 Specie, Inghilterra, 25 anni: anticipo oviposizione 9 giorni (Crick, 1997)

Uccelli, 1 Specie, Inghilterra, 25 anni: ritardo oviposizione (Crick, 1997)

Marmotte, Stati Uniti, 23 anni: anticipo uscita letargo 38 giorni (Inouye et al., 2000)

Piccoli mammiferi, 19 Specie, Stati Uniti: spostamento verso Nord (Davis et al., 1992)