Morfologia, idrologia e processi biogeochimici come determinanti delle

comunità acquatiche

Pierluigi Viaroli

Dipartimento di Scienze Ambientali, Università di Parma

1. Cenni ad alcuni riferimenti ecologici

2. Elementi strutturali, proprietà e funzioni dell’ecosistema fluviale: sistema “laterale” nella golena aperta, ambiente iporeico, sinuosità eframmentazione dell’alveo bagnato.

3. Il sistema laterale nella golena aperta: gradiente di vegetazione e buffersbiogeochimici che dipendono dalla vegetazione acquatica.

4. Stato di conservazione e recupero degli ecosistemi acquatici marginali nella golena aperta e nelle aree di pertinenza fluviale nella fasciaplaniziale del Po.

5. Applicazioni ecologiche alla gestione della fascia golenale. Limnologia applicata ai laghi di cava.

Leggi, teorie, ipotesi e concetti in ecologia

“I will hit upon a special problem, which more or less frustrates concrete solutions to reduction problems, namely the almost complete lack of general laws and theories in ecology. This problem has been referred to as the ’intellectual immaturity’ of ecology (Fretwell 1981; Strong et al. 1984; McIntosh 1985; Hagen 1989). I will point to two particular ’causes’ of this problem, viz. the ambiguity of the ecological vocabulary and the inhibitory effect of the holism-reductionism dispute on the growth of knowledge.”

Richard Christiaan Looijen, 1998Holism and reductionism in biology and ecology. The mutual dependence of higher and lower level research programmes

Alcuni riferimenti ecologici

Concetti e modelli generali

River continuum concept

River spiralling

Flood-pulse concept

Interfacce come regolatori metabolici

-Macrofite

-Wetlands

-Ambiente iporeico

MODELLO FINALISTICO

P: produzione primaria lorda

B: biomassa totale della biocenosi

H’: diversità secondo Shannon

Margalef (1969). Diversity and stability: a practical proposal and model of interdependence. Brookhaven Symp. Biol. 22:25-37.

PEG Model (Sommer et al., 1986): si tratta di uno schema generale, sviluppato attraverso uno studio comparativo di molti laghi della zona temperata, finalizzato alla descrizione di un modello successionale delle comunità planctoniche

inverno estate inverno

biom

assa

Fattori fisici (F, Z)Nutrienti (F)Grazing (F)

Cibo (Z)

Predazione (Z)

FitoplanctonZooplancton

Interazioni fondamentali nella rete trofica

competizione

predazione

La catena alimentare è controllata da reazioni che muovono• dal basso (bottom- up): il controllo è nella disponibilità dei nutrienti• dall’alto (top-down): il controllo è nel livello trofico apicale

phytoplankton

HZP

CZ

F

nutrients

phytoplankton

HZP

CZ

F

nutrients

Body size

Hom

e ra

nge

Predators(carnivores)

SpecialisedHerbivores

Relazione body size – home range

Molte specie Poche specie

Modello specie-area

Area

Num

ero

spec

ie

Distanza da continente

N° SpecieTasso estinzione

Biogeografia delle isole

DISTURBO E BIODIVERSITÀ

DEGRADO E RIPRISTINO

SUCCESSIONE E RIORGANIZZAZIONE

DI ECOSISTEMI

Succession and re-organization of ecosystems as viewed by recent theory on change inecosystems (adapted from Holling et al., 1995). Arrows close to each other indicate rapidchanges, far from each other slow changes. The exit from the cycle at the left indicatesthat a change to a new system (degraded or more productive) is most likely at the stagebetween reorganization and exploitation.

Modello di Vollenweider

The River Continuum Concept(Vannote et al., 1980)

Nutrient Spiralling Conceptual Model

Il nutrient spiralling è un’applicazione dei cicli della materia ai corsi d’acqua

Nutrienti essenziali (es. P e N) sono trattenuti nella misura in cui circolano tra acqua, sedimento e biota anche se gli scambi sono influenzati dal movimento unidirezionale dell’acqua

Il deflusso unidirezionale dell’acqua causa movimenti assimilabili ad una spirale. La ciclizzazione è tanto più intensa quanto maggiore è il numero di spire e minore la loro distanza

The Flood-pulse Concept (Junk et al., 1989)

Nell’Aquatic-Terrestrial Transition Zone (ATTZ) :

la frequenza delle piene (pulsazione) è la “driving force” del sistema

I processi biogeochimici sono i principali regolatori della composizione in specie della comunità, della rete trofica e della dinamica dei nutrienti

Le interazioni terra-acqua sono di volta in volta analizzate nel contesto

del concetto di ecotone

eterogeneità del paesaggio

dinamica del mosaico

Le golene fluviali sono ecotoni o ecosistemi?

Wetzel R.G., 1990. Land-water interfaces: Metabolic andlimnological regulators. Verh. Internat. Verein. Limnol. 24: 6-24

terrestre

wetland

acquatico

1 2

3

4

5

6

80

60

40

20

0

Pro

duzi

one

( t h

a-1 y

-1)

1 Foreste

2 Praterie

3 Macrofite emergenti

4 Macrofite sommerse

5 Epifiti

6 Fitoplancton

Le zone umide e le fasce di transizione tra ecosistemi terrestri edacquatici sono i regolatori del sistema acquatico i processi sono

controllati da vegetazione e produzione primaria e dall’attività microbica

sviluppo monte-valle

tratto planiziale

golena aperta - sezione trasversale

Successione della vegetazione in relazione alla profondità

Canneto (Phragmites australis)

Nelle golene troviamo una successione primaria di tipoidrarchico

TyphaSpartina

Phragmites

AsterCarex

Piante sommerseHanno la maggior parte degli organi sempre sommersidall’acqua. I fiori possono costituire emergere dall’acqua

Miriophyllum

Ceratophyllum

Vallisneria

Lobelia

Macrofite con foglie galleggianti

La maggior parte degli organiè sommersa dall’acqua, le radici penetrano nelsedimento. Foglie e fiori sonodotati di petioli che li rendono galleggianti. Piantedi alto valore estetico.

NupharNymphaea Nelumbo

Macrofite galleggianti non sessili

Piante completamentegalleggianti con radici che nonsono attaccate al substratosolido, ma immersedirettamente nell’acqua.Hanno una crescita vegetativa molto elevata.

Pistia

Lemna

Eichhornia

Alcune funzioni

Trasformazione di nutrienti e composti dei metalli ad opera dei

microorganismi

Dipende da ossigeno, potenziale red-ox, pH

La disponibilità di ossigeno dipende in larga misura dalla vegetazione acquatica

Rimozione delle forme reattive di nutrienti e metalli per uptake e

assimilazione delle piante (macrofite)

Ogni specie necessita di elementi chimici in proporzioni ben definite (es. C:N:P:Fe = 700:35:1:0.5). La rimozione di un elemento dipende dalla disponibilità degli altri

Ritenzione degli elementi nelle biomasse

Dipende dalla refrattarietà o resistenza alla decomposizione della materia organica (in genere è funzione del contenuto di materiali ligno-cellulosici)

Lancone o Lanca di Po (Villanova, PC)

Variazioni di biomassa di Trapa natans

0

100

200

300

400

500

600

giu-00 ago-00 ott-00 dic-00 feb-01 apr-01 giu-01 ago-01 ott-01

g m

-2

fruttipeli radicalifoglie sommersefustifoglie

Massimi di circa 5 Kg di sostanza fresca per metro quadrato

Variazioni dei nutrienti inorganici disciolti

0

20

40

60

80

100

giu-00 set-00 dic-00 mar-01 giu-01 set-01

μM

NH4+

NO2-

0

150

300

450

600

giu-00 set-00 dic-00 mar-01 giu-01 set-01

μM

NO3-

0

1

2

3

4

5

giu-00 set-00 dic-00 mar-01 giu-01 set-01

μMPO4

3-

0

30

60

90

120

150

giu-00 set-00 dic-00 mar-01 giu-01 set-01

μMSiO2

Attività respiratoria

CO2

CO2

O2

Fotosintesi

N,P,Fe

P, N P, N

Attività nella rizosfera

Attività degli epifiti

Attività diretta delle macrofite

La vegetazione: un sistema complesso

Macrofite con il fusto emergente

dall’acqua e organi ipogei ben

sviluppati (rizosfera) – es.

Phragmites australis

Parenchima spugnoso adatto al

trasporto di gas dalla foglia alla

radice e vice-versa

Eutrofizzazione - Nelle acque superficiali la concentrazione di P è bassa (< 10 g/L). Piccoli aumenti causano aumenti della produzione primaria. Questo causa un aumento dei depositi sedimentari di sostanza organica, da cui dipende l’aumento del consumo di ossigeno

Agricoltura

Zootecnia

Depurazione

Le macrofite assorbono ed assimilano N, P, MetalliRilasciano ossigeno e favoriscono processi ossidativiModificano gli equilibri delle coppie redox, ecc

NH4+ + O2 NO3

-

N2

A)

B)

A) Nitrification

B) Denitrification

O2

O2

Oxic/Anoxic interface

Alle interfacce

acqua-sedimento

acqua-foglia

radice-sedimento

Si hanno variazioni che sono misurabili con microelettrodi, es.•O2 alla luce e al buio•pH•potenziale redox

[O2], μM

-100 0 100 200 300 400

prof

ondi

tà (m

m)

-4

-3

-2

-1

0

1

2aprilemaggiogiugnoluglioagostoottobre

LANCA DI PO

VARIAZIONI STAGIONALI DELL’ATTIVITA’NITRIFICANTE,DELL’AMMONIO

INTERSTIZIALE E DEI PROFILI DELL’O2

gennaio aprilemaggiogiugno luglioagostosettembreottobre

nmol

N m

l-1 h

-1

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

[NH

4+ ], μ

M

-50

0

50

100

150

200

250

NPNH4+

Nitrificazione potenziale associata alla rizosfera

0

5

10

15

20

25

30

35

phra

gmite

s fu

sto

R

phra

gnite

s riz

oma

R

phra

gmite

s S

pota

mog

eton

nat

ans

R

pota

mog

eton

nat

ans

S

pota

mog

eton

luce

ns R

pota

mog

eton

luce

ns S

nym

phae

a R

nym

phae

a S

nuph

ar R

nuph

ar S

valli

sner

ia R

valli

sner

ia S

myr

ioph

yllu

m R

myr

ioph

yllu

m S

naja

s m

arin

a R

naja

s m

arin

a S

nm

ol

N m

l-1h

-1

R = peli radicaliS = sedimenti

Aerenchima

O2

131

101

25

6

110

89

saturazione di acqua

ABCDEF

Lanca di Po20.08.03

NITRIFICAZIONEin relazione al

gradiente di umidità

nmol

Nm

l-1h-1

disponibilità di ossigeno

Relazione tra ritenzione dell’azoto nelle biomasse (mmol m-2),dentrificazione e flussi bentonici dell’azoto inorganico disciolto –DIN ( mol m-2 h-1) in ambienti con e senza macrofite. MPB = microfitobenthos

biomassa uptake Denitrif

diretta

Denitrif

accoppiata

Flusso di

DIN

Ruppia 739 1356 1.5 1.4 170

Ulva 928 2901 57 53 3001

Sedimnudo

0 0 56 53 -320

MPB 15 109 168 1027 1052

Isole d’acqua nella pianura

Nymphaea alba, Potamogeton lucens e Myriophyllumspicatum; ai lati Thypha angustifolia e Phragmites australis.

Ceratophyllum demersum e Myriophyllum spicatum, con occasionale presenza diNajas marina. Sulla sponda sono presenti vasti fragmiteti caratterizzati da Calthapalustris, con una significativa fascia riparia dominata da Acorus calamus e Carexriparia.

Phragmites australis e Nuphar luteum colonizza la colonna d’acqua.

Minacce

1. Frammentazione 2. Interramento

4. Specie alloctone3. Eutrofizzazione

Controllo delle specie invasive?

In sintesi

•Deterioramento/perdita del reticolo idrografico minore

•Semplificazione (banalizzazione del reticolo idrografico principale)

•Rettificazione e canalizzazione•Abbassamento dell’alveo bagnato ( ca. – 4 m in 20 anni tra CR e foce Enza)•Pensilizzazione delle golene fluviali•difese fluviali progettate con superamento a 1400-1500 m-3 s-1 rif.anni 50-60•Superamento a ca. 3000-3500 m-3 s-1 rif. anni 90

Problemi di scala

•Possibili riferimenti ecologiciRelazione home range - body sizeRelazione specie-areaBiogeografia delle isole

•Approccio dell’ecologia del paesaggio

•Metodi della limnologia applicata

Ipotesi di gestione

• Rimozione dei sedimenti• Modellamento delle sponde• Monitoraggio e gestione dei

livelli idrici

livellomassimo*

livellominimo°

area con alternanza stagionaledi presenza/assenza di acqua

70-100 cm20-30 cm 70-100 cm

~ 400 cm

Fiume Po

fontanili

Canali di bonifica

Bo Autostrada Mi

Golena

Chiaravalle della Colomba

Canale di scolo:

-lunghezza 1600 m

-larghezza 1,5m

-profondità pochi dm

-vegetazione ripariascarsa, presenza di macrofite sommerse

Canale di adduzione:

lunghezza 1200 m larghezza 6,8 m

sponde ripide profondità media 90

scarsità di vegetazione riparia

copertura pleustofitica uniforme

Recupero a funzioni ecologiche dei canali di bonifica

Recupero di ambienti acquatici laterali nella golena fluviale (abbassamento della golena?)

Lago di isola Giarola

(Villanova sull’Arda)

Lanca

di Po

Po River

Lago di IsolaGiarola

Profondità massima

Profondità media

Area

Volume

12 m

5 m

192000 m2

962000 m3

T°C5

Figura 3. Situazione invernale: lago con copertura ghiacciata

T°C5

Figura 4. Situazione estiva: lago stratificato

25

pro

fon

dit

à (

m)

epilimnio

metalimnio

ipolimnio

ghiaccio

pro

fon

dit

à (

m)

Condizioni fisiche: lecondizioni termiche di un

lago

Inverno: la copertura ghiacciata mantiene condizioni termiche accettabili per la soppravivenzadel biota acquatico

Estate: la stratificazione termica determina un gradiente di densità che confina la produzione primaria nel solo strato superficiale

ghiaccio

Inverno

Estate

Perdita dicalore

ossigeno disciolto (mg/L) clorofilla-a (μg/L)

trasparenza (cm) DRSi (mg Si/L)

SRP (μg P/L) azoto ammoniacale (mg N/L)

azoto nitrico (mg N/L) conducibilità a 20 °C (μS /cm)

giorni dal 1 giugno 1999 giorni dal 1 giugno 1999

a b

c d

e f

hg

302520151050

-10

-8

-6

-4

-2

0

temperatura (°C)

prof

ondi

tà (m

)

02.02.0011.08.99

16.11.99

20151050

-10

-8

-6

-4

-2

0

ossigeno disciolto (mg/L)

prof

ondi

tà (m

)

06.03.00

11.08.99

16.11.99

Schematizzazione dei processi che favoriscono il mantenimento di unabuona ossigenazione delle acque di fondo dei laghi di cava in golena. Il lagodi piccole dimensioni separato dal contesto fluviale riceverà acqua solo conle piene ordinarie che sommergono la golena fluviale.

Quando si ha un canale di collegamento, l’innalzamento del livello del fiumedi una quota K determina l’apporto nel lago di un volume (minimo) d’acquadato dal prodotto K*S (dove S rappresenta l’area dello specchio d’acqua). Lamassa d’acqua a maggior densità tende a sprofondare facendo risalire unugual volume d’acqua di fondo. Ciò determina il rimescolamento delle massed’acqua e favorisce l’ossigenazione del fondo.

Innalzamento del livello idrometrico

fiume

K

Acqua di fondoanossica

Impatto sulla falda

Fioriturealgali

Schema di lago artificiale (serbatoio)

Prelievoacqua

Acqua anossica

MODALITÀ COSTRUTTIVE E SCENARI GESTIONALI

PER I LAGHI DI CAVA NELLA GOLENA DEL PO

50-70 m

Fascia collinare – estrazione e lavorazione di ghiaia

50-70 m

Alta pianura – estrazione di ghiaia e sabbie grossolane

Bassa pianura e golena fluviale – estrazione di sabbie e ghiaie fini

volume di inerte/area in concessione = 0.35-0.50

Opzione 1 – livello ambientale basso

Opzione 2 – livello ambientale intermedio

Riequilibrioecologico di un corso d’acqua e delle fasce di pertinenzadell’ambienteacquatico

Eutrofizzazione fluviale ? ……in condizioni di magra (2003)

Tempo (giorni)

3603303002702402101801501209060300

Por

tata

(mq/

s)

6000

5000

4000

3000

2000

1000

0

Por

tata

(m3

s-1 )

Tempo progressivo (giorni dal 01.01.2003)

tempo (giorni dal 12.08.03)

0 10 20 30 40

clor

ofilla

e S

RP

0

20

40

60

80

100

120

Solid

i Sos

pesi

Tot

ali

0

10

20

30

40

50

60

SRP ( gP/L)clorofilla ( g/L)

SST (mg/L1) 1)

Risposta ai quesiti dati dalla Prefettura del Dipartimento dell’alto Po al Professore di Storia Naturale del Liceo di Cremona (Cremona, Tipografia Feraboli, 1807)

Betula Ontano, Onizzo albero spontaneo in alcune alluvioni del Po. Ordinariamente si mantiene basso sulle rive dei fossati, ove si radunano i Gamberi sotto le radici

Deposizioneumida

Deposizionesecca

throughfall

runoff

Reazioni nella

rizosfera

Filtromeccanico