RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Identificazione di indicatori precoci del danno da ozono...

RiO3-VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA

Identificazione di indicatori precoci del danno da ozono

sulla vegetazione mediante tecniche radiometriche

R. Colombo(1), M. Meroni(1), C. Panigada(1), M. Rossini(1), S. Cogliati(1), V. Picchi(2), C,

Nali(2), G. Lorenzini(2), G. Gerosa(3), R. Marzuoli(3), F. Faoro(4), M. Iriti(4), F. Bussotti(5), E.

Gatti(6), A. Ballarin-Denti(3), A. Tagliaferri(7)

(1) Università degli Studi di Milano-Bicocca, Lab. Telerilevamento Dinamiche Ambientali, DISAT; (2) Università di Pisa, Dipartimento di coltivazione e difesa delle specie vegetali G. Scaramuzzi;

(3) Università Cattolica del Sacro Cuore di Milano, sede di Brescia, Dipartimento di Fisica Ambientale;(4) Istituto di Patologia Vegetale, Università di Milano e Istituto di Virologia Vegetale;

(5) Università degli Studi di Firenze, Dipartimento di Biologia Vegetale;(6) Istituto di Biometeorologia, CNR di Bologna;

(7) Ente regionale per i Servizi all’Agricoltura e alle Foreste, Regione Lombardia.


Contesto e obiettivi della ricerca

Progetto INFOGESO (INfluenza dell’Ozono sulla GEstione SOstenibile del sistema agricolo e

forestale lombardo), DG Agr RL 2004-06: stime attendibili per valutare il danno reale e

potenziale dell’ozono sulla vegetazione agricola e forestale

Sviluppo di una tecnica di telerilevamento per individuare/monitorare/mappare il

danno a distanza (e.g. terra, elicottero, aereo)

• individuazione del danno da ozono mediante indici ottici tradizionali legati a

parametri biofisici;

• individuazione di indicatori precoci tramite tecniche innovative legati a processi

fisiologici: i) attivazione di meccanismi di fotoprotezione e ii) misura passiva della

fluorescenza.


• Misure di radianza riflessa e parametri biofisici;

• Telerilevamento dei processi;

• Risultati da esperimenti a livello fogliare e di canopy;

• Conclusioni.

Indice della presentazione


Misure di radianza riflessa e firma spettrale

Credit: Gamon et al, 2006

Credit: Zilioli et al., 2001

Analisi nel tempo di


Regioni spettrali e parametri fogliari

! Influenza della struttura e del LAI a livello di canopy!

Variazioni di a diversi contenuti di clorofilla (modello Prospect)

g/cm2


Regioni spettrali e parametri fogliari

! Influenza della struttura e del LAI a livello di canopy!

Variazioni di a diversi contenuti di acqua (modello Prospect)

g/cm2


Stima dei parametri biofisici

Foglie di pioppo caratterizzate da diverso grado di danno da ozono

asintomatica

danno medio

danno grave

Lunghezza d’onda (nm)

0 - 1

1 - 2

2 - 3

3 - 4

LAI [m2/m2]

Chl a+b [µg/cm2]

Stato di salute

Biomassa e sequestro CO2

Contenuto idrico, biomassa combustibile

Mer

oni e

t al

., 2

004

Pan

igad

a et

al.,

200

3C

olom

bo e

t al

., 2

006 EWTcanopy

[g/m2]30-100 100 - 175175 - 250 250 - 320320 - 391 > 392


Riflessa(6-12%)

Calore(75-97%)

Fluorescenza(3-5%)

Assorbita(48-94%))

Fotochimica(0-20%)

PAR incidente

Trasmessa(0-40%)

Interazione radiazione-foglia

(% della incidente)

Dissipazione dell’energia assorbita

(% dell’assorbita)

Indicatori dello stato fisiologico delle piante


Calore(75-97%)

Fluorescenza(3-5%)

Riflessa(6-12%)

Assorbita(48-94%))

Fotochimica(0-20%)

PAR incidente

Trasmessa(0-40%)

Interazione radiazione-foglia

(% della incidente)

Dissipazione dell’energia assorbita

(% dell’assorbita)

Indicatori dello stato fisiologico delle piante


Telerilevamento dei processi

Lu = ρ Ld + Fs

Flusso emergente (Flusso emergente (LLuu):):

flu

ores

cen

za

rifl

esso

Ld

riflesso

1-5% di Lu

Fluorescenza della clorofilla (Fs)

[naturalmente indotta dal sole e misurata in modo passivo]

0.03

0.05

0.07

0.09

0.11

480 500 520 540 560 580 600

Dissipazione calore (NPQ)

Viola Antera Zeaxantina(depossidazione crescente = NPQ crescente)

Photochemical Reflectance Index NPQ


Wavelength (nm)

640 660 680 700 720 740 760 780 800

Inc

om

ing

Ra

dia

nc

e (

Wm

-2 m

-1s

r-1)

0

30

60

90

120

150

180

Solar Radiance at Ground Level

F-687F-760

Radianza incidente

Fraunhofer lines dovute all’ossigeno atmosferico (760 e 687 nm)

Misura della fluorescenza

Spettro di emissione in fluorescenza


• Utilizzo di sistemi sperimentali per l’esposizione

(ERSAF/Università di Brescia, Curno, OTC; Università di Pisa,

camere di fumigazione):

• Utilizzo misure fisiologiche tradizionali (Fluorescenza attiva, Gas

exhange) per la quantificazione degli effetti dell’esposizione;

• Utilizzo di sistemi spettroradiometrici tradizionali di prossimità per

il segnale ottico. Riusciamo a utilizzare indici spettrali a supporto

delle misure fisiologiche per la valutazione del danno?

• Sviluppo/utilizzo di tecniche e di sistemi ottici innovativi per

misure telerilevate non tradizionali. Riusciamo a determinare in

modo remoto il danno da ozono prima della comparsa dei sintomi

visivi?

Metodologia sperimentale


Esperimenti condotti

In camere di fumigazione

Esperimenti 1,2

1) Leaf level: Pioppo (2005)

•26 giorni consecutivi f.c. (10 Sept-15 Oct 2005) fino a 80 ppb 5h;

•4 cicli di misura daily (0, 9, 16, 26) (meteo, fisiologia, radiometria);

2) Canopy level: Trifoglio (2006)

•21 giorni consecutivi f.c. (19 Sept-10 Oct) fino a 80 ppb 5h;

•6 cicli daily (meteo, fisiologia, radiometria);

Esperimenti 3,4

In Open Top Chambers

3) Leaf level: Faggio (2005)

•Superamento livello critico il 20 giugno e comparsa

danno il 24 luglio (AOT40 19000 ppb.h)

•9 cicli di misura night/day dal 31 May al 20 Oct 2005

4) Leaf level: Fagiolo (2006)

•Data di comparsa delle foglie trilobate: 22 luglio (DOY 203)

•Data di comparsa sintomi (su 1 foglia): 27 luglio AOT40 2800 (208)

•5 campionamenti diurni (radiometria e CF-PAM2000) dal 24 luglio a 8 agosto


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

630 650 670 690 710 730 750 770 790 810

Wavelength (nm)

Ap

par

ent

refl

ecta

nce

(-)

2 spettrometri OO (HR2000) con risoluzione elevata (FWHM=0.13 nm) per indagare le 2 F-lines

B

E

A

D

C

FCAMPIONE

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

630 650 670 690 710 730 750 770 790 810

Wavelength (nm)A

pp

aren

t re

flec

tan

ce (

-)

Meroni & Colombo, RSE (2006)

* = ( Li + F)/Li

Esperimento 1: fumigazione cronica a livello fogliare


capacità di Fs e PRI (processi) rispetto Indici ottici (parametri)

Efficienza in FluorescenzaNPQ, PRI

Riflessa / Trasmessa

Assorbita

Fotochimica, LUE

PAR incidente

bassa PAR

= fotoprotezione

E1: andamenti giornalieri

T

C


E1: evoluzione temporale (midday)

RS processi

T

C

Day 26, comparsa differenze in Fv/Fm (Fluorescenza attiva) e sintomi visibili

Misure fisiologiche


E2: fumigazione cronica a livello di canopy

T

C

Day 9, comparsa sintomi visibili 10-15%

Gli Indici ottici tradizionali non sono in grado di differenziare

precocemente i trattamenti!

Misure fisiologiche

RS processi


E3: foglie di faggio cresciute in OTC

Esposizione all’O

3 anticipa

senescenza nel NF

Luglio 2005

Misure fisiologiche

RS processi

DOY 204, 24 luglio, sintomi visibili

Luglio 2005


E4: foglie di fagiolo cresciute in OTC

Misure fisiologiche

RS processi


Telerilevamento dei processi e stato di salute

MISSIONI SPAZIALI ESA: FLEX (FLuorescence EXplorer)

“3rd International Workshop on Remote Sensing of Vegetation Fluorescence”

http://www.congrex.nl/07c01/

Attività future


• Esiste un segnale relativo alla fluorescenza e che può essere misurato in modo passivo!;

• Questo segnale, insieme alla riflettanza a 531 nm permette di fare un nuovo tipo di telerilevamento,

legato alle vie di dissipazione dell’energia;

• Abbiamo verificato che esiste un link tra queste misure radiometriche e misure tradizionali di

parametri fisiologici impiegati nella valutazione del danno;

• Sia a livello di foglia sia a livello di canopy sembra che questi indicatori sono precoci e pertanto utili

nella fase pre-sintomatica (early detection); ciò nonostante bisognerebbe fare dei test da aereo prima

di un up-scaling a scala di paesaggio.

Considerazioni conclusive


Grazie per Grazie per l’attenzionel’attenzione


Sommario

TELERILEVAMENTO E OZONO

• Continuazione delle ricerche per early detection: individuazione del danno nella fase pre

sintomi visivi;

• Superamento dose sostenibile: misure spettroradiometriche in continuo in siti

equipaggiati per la misura dei flussi di ozono.

• Upscaling: parametri distribuiti (spazio e tempo, e.g. LAI) come input per modelli di dose;

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