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Strutture per l’acquacoltura estensiva d’acqua dolce (“Pond aquaculture”) Concetti generali, definizioni acquacoltura estensiva I sistemi colturali: naturali,

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1 Strutture per l’acquacoltura estensiva d’acqua dolce (“Pond aquaculture”) Concetti generali, definizioni acquacoltura estensiva I sistemi colturali: naturali, fertilizzati ed alimentati Calcolo dei limiti produttivi dei sistemi colturali: - produzione di ossigeno per fotosintesi algale - massimizzazione del processo fotosintetico Fertilizzazione dei sistemi naturali Caratteristiche costruttive degli stagni: - arginature - sistemi di carico/scarico - stratificazione e miscelazione

2 L’acquacoltura estensiva in stagni La coltivazione degli stagni rappresenta il sistema acquacolturale di tipo più primitivo ma non per questo privo di importanza economica. Nel mondo, la maggior parte della produzione ricavata dall'attività nel settore dell'acquacoltura deriva proprio da questo tipo di sistema (il 41% nel 1988). A livello mondiale, la produttività media di questo tipo di sistema supera leggermente 1t/ha anno, tuttavia la produzione per unità di area varia di un fattore 10 in funzione di pratiche gestionali e specie. SpecieProduzione (%)Produttività (t/ha.anno) Carpa, tilapia467 – 8 Molluschi37 Trota, salmoni4 Pesce gatto Crostacei20,5 – 1 Altre9

3 Acquacoltura in stagni e acquacoltura in canali La produzione degli stagni cresce enormemente se si procede all’aggiunta di fertilizzanti o alimenti, si ossigena, si incrementano le portate d’acqua. Sorge quindi spontaneo domandarsi: quando uno stagno estensivo si evolve in un sistema più intensivo? In termini generali si può affermare che: - lo stagno è quel sistema in cui i processi che avvengono nell’acqua ferma determinano la qualità della stessa e questa risulta vincolare la produttività del sistema stesso, - si parla invece di un sistema a canaletta quando la produttività diventa funzione solamente della portata dell’acqua di ricambio.

4 Stagni naturali fertilizzati e stagni alimentati artificialmente Classificare il tipo di conduzione che può essere effettuato negli stagni è problema alquanto difficile. In questa sede si propone di distinguere tra due principali sistemi di conduzione: 1)il primo, prevede l'allevamento “naturale” o, al più, l'aggiunta di fertilizzanti di natura organica od inorganica allo scopo di favorire la crescita della microflora che costituisce la prima fonte alimentare della catena trofica. In questo primo caso, la produzione è limitata dalla fotosintesi e dalla capacità del sistema ecologico di trasformare i prodotti vegetali primari in biomassa pescicola. L'obiettivo da perseguire, quindi, deve essere quello di massimizzare la produzione primaria della biomassa fotosintetizzante e di sfruttarla al meglio. 2)il secondo, prevede che i fabbisogni nutritivi dei pesci siano soddisfatti, parzialmente o totalmente, somministrando alimenti organici direttamene ai pesci, questo si chiama “sistema alimentato”. In questo secondo sistema, analogamente a quanto si verifica nei sistemi aperti, la produzione stessa è limitata dalla velocità con cui l'ossigeno può essere rifornito al sistema e dalla possibilità di eliminare nel frattempo i metaboliti del processo (NH 3 e CO 2 ).

5 I sistemi naturali Lo scopo principale di questo tipo di allevamento è quello di ricavare da un ecosistema “naturale” la maggior quota possibile di carbonio: prima, fissato attraverso la fotosintesi; poi, processato dalla catena trofica in biomassa pescicola. Produttività primaria degli ecosistemi naturali(g C/m 2. giorno) Ecosistemi terrestri1,58 Ecosistemi d’acqua dolce0,55 Ecosistemi marini0,22 Media mondiale0,62 Produttività primaria di ecosistemi marini(g C/m 2. giorno) Mare aperto0,14 Aree costiere, estuari0,27 Aree ad elevata concentrazione nutrienti0,82 Densità algale eccezionale10-20

6 Produttività di ecosistemi d’acqua dolce(g C/m 2. giorno) Sistemi oligotrofici< 0,3 Sistemi mesotrofici0,3 – 1,0 Sistemi eutrofici> 1 Solo in casi eccezionali12 Produttività di sistemi acquacolturali(g C/m 2. giorno) Media o bassa intensità produttiva< 6 Alta intensità produttiva:> 6 - valore routinario valore mantenibile per pochi mesi valore mantenibile per brevissimi periodi

7

8 IN OUT

9 Luce Fotosintesi algale (fitoplancton) Biomassa primaria Biomassa secondaria PRODUZIONE FINALE (consumatori zooplancton, carnivori es. trote, salmoni) PRODUZIONE FINALE (consumatori primari, es. carpe, tilapie) FertilizzazioneAlimentazione

10 Produzione ossigeno fotosintetico Prod zn Produzione biomassa primaria Prod C PRODUZIONE FINALE Prod P

11 La produzione netta di ossigeno Produzione netta di O 2 = Produzione di O 2 – Consumo di O 2 I principale obiettivi (… e problemi) che si presentano nella gestione degli stagni naturali sono quelli di: A) massimizzare la produzione di ossigeno, che avviene per: - fotosintesi algale - trasferimento per diffusione naturale attraverso la superficie dell'acqua - introduzione con sistemi di areazione artificiale (se è un sistema alimentato) B) minimizzare il consumo di ossigeno, che avviene per: - respirazione algale notturna - ossidazione della sostanza organica C) rendere disponibile la massima quota di ossigeno per: - respirazione del pesce

12 Alcune importanti considerazioni: 1.il processo produttivo fotosintetico primario, cioè la fissazione del carbonio, comporta la produzione di ossigeno. Nei sistemi naturali, massimizzando la fotosintesi, si massimizza nel contempo la produzione di carbonio e di ossigeno. 2.la produzione di ossigeno avviene durante il giorno, mentre durante la notte si verifica un processo di consumo di ossigeno per respirazione. 3.il processo di produzione implica l'accumulo nella biomassa di una certa quota di ossigeno. Nel momento in cui si "raccoglie" il pesce si sottrae ossigeno al sistema. Maggiore è la produzione, più diventerà difficile che l'ossigeno necessario possa essere garantito solamente per via naturale. In uno stagno l'attività fotosintetica algale assume una importanza fondamentale. La fotosintesi algale si svolge nella colonna d’acqua stagnante secondo la seguente equazione generale: 106 CO H 2 O + 16 NO 3 + HPO 4 = C 106 H 263 O 110 N 16 P O 2

13 Dato che la produzione fotosintetica può essere considerata omogenea sul piano orizzontale, il problema è quello di analizzare il comportamento del fenomeno sul piano verticale, cioè rispetto alla intera colonna d'acqua. Infatti, la trasmissione della luce lungo la colonna d’acqua è influenzata da molti fattori: - profondità - intensità luminosa alla superficie - posizione della fonte luminosa - turbidità (coefficiente di estinzione luminosa). E’ chiaro che quello che interessa per il sistema acquacolturale è il calcolo di una produzione di ossigeno fotosintetico algale al netto del consumo di ossigeno stesso che si verifica per la respirazione algale. Il consumo di ossigeno è funzione degli stessi parametri ed in particolare della turbidità dell’acqua.

14 La presenza stessa di pigmenti clorofilliani degli organismi fotosintetizzanti determina un aumento della turbidità del mezzo, ed è chiaro quindi che in condizioni di acqua con turbidità nulla, non si avrà comunque produzione di ossigeno fotosintetico. Velocità di produzione netta di ossigeno in funzione delle ore del giorno e della turbidità dell’acqua (coefficiente di estinzione della luce). Alta turbidità Bassa turbidità

15 Nella realtà il fenomeno così descritto è alquanto semplificato, infatti, in un generico bacino oltre alla biomassa algale fotosintetizzante sono pure presenti altri consumatori di ossigeno, sia biologici (si pensi a esempio ai pesci stessi) sia non biologici (si pensi ai processi di ossidazione che possono avvenire sul fondo del bacino). Così in genere l'andamento delle due funzioni della produzione e del consumo totale di ossigeno assume l’andamento indicato nel presente grafico: produzione e consumi tendono a bilanciarsi su scala giornaliera. La produzione, e quindi il consumo, di ossigeno tendono a bilanciarsi su un valore di: 20 g O 2 /m 3. giorno

16 La conoscenza dell'evolversi della concentrazione di ossigeno su base giornaliera può essere estremamente utile per definire le strategie di progettazione dello stagno (es. stabilirne la profondità) e di conduzione (es. valutare la necessità di fertilizzazione). Inoltre, consente di valutare l'efficienza dei produttori primari di ossigeno e di prevenire i fenomeni di asfissia che tendono a verificarsi durante le prime ore del mattino. L'obiettivo della gestione di un stagno naturale resta comunque quello, all'interno di detti limiti per l'ossigeno, di massimizzare la produzione di pesce nell'arco dell'anno. La produzione di ossigeno da fotosintesi, così come sopra calcolata, può fornire un'idea dell'efficienza del processo produttivo. Infatti si ha che: Prod C = Prod zn  k 5 [g C/m 2 die] dove: - k 5 è il coefficiente di trasformazione di O 2 in C [0,288 g C/g O 2 ] - Prod zn è la produzione di ossigeno netta cumulativa [g O 2 / m 2. giorno] La produzione di biomassa primaria

17 Esempio Dal grafico precedentemente esposto si ricava che la produzione di ossigeno è di circa 20 g O 2 / m 3 e, se la profondità dello stagno considerato è di 1 m, la Prod zn sarà di 20 g O 2 / m 2. giorno. La produzione giornaliera primaria di carbonio sarà quindi pari a: Prod C = Prod zn. k 5 = 20 x 0,288 = 5,76 [g C/ m 2. giorno]

18 La produzione finale dello stagno E’ possibile stimare la produzione finale (ad es. di pesce commerciale) di un sistema acquacolturale partendo dai dati appena visti di produttività primaria dei sistemi. Infatti si ha semplicemente la seguente relazione: Prod P = Prod C  k 3  k 4  10  365 dove: - Prod P è la produzione di pesce [kg/ha anno]; - Prod C è la produzione primaria di carbonio [g C/m 2. giorno]; - k 3 è il coefficiente di conversione del C in biomassa pari a 4,38; - k 4 è il coefficiente di trasformazione (C nel pesce/ C da produzione primaria) della particolare specie di pesce allevata, che vale ad esempio: k 4 = 0,1  pesci consumatori primari, quali i diversi tipi di carpe e tilapie k 4 = 0,01  consumatori di zooplancton (tipo trota e salmone)

19 Esempio Un allevamento di carpe effettuato in un ecosistema dove si verifica una produzione primaria di 5,76 g C/m 2. giorno (riprendendo l’esempio precedente), ipotizzando un coefficiente di trasformazione pari a 0,1 avrà una produzione ettaro teorica di: 5,76  4,38  0,1  10  365 = [kg/ha anno]

20 Altro esempio Un allevamento di carpe effettuato in un ecosistema dove si verifica una produzione primaria di 20 g C/m 2. giorno, ipotizzando un coefficiente di trasformazione pari a 0,1 avrà una produzione ettaro teorica di: 20  4,38  0,1  10  365 = [kg/ha anno] Per contro un allevamento di trote in un ecosistema con una produzione primaria di 1 g C/m 2. giorno, ipotizzando un coefficiente di trasformazione pari a 0,01, avrà una produzione teorica di: 1  4,38  0,01  10  365 = 160 [kg/ha anno] I valori riportati in esempio per i due allevamenti rappresentano i limiti teorici produttivi che si possono ottenere, il primo, in ambienti estremamente produttivi, il secondo, al contrario, in ambienti poveri di nutrienti. Appare altresì evidente che l'allevamento della trota in bacino naturale senza aggiunta di alimenti difficilmente possa diventare di interesse pratico.

21 La produzione può anche essere espressa in termini energetici inserendo un opportuno coefficiente di trasformazione: EN = Prod C  k 6 dove: - EN è il corrispettivo contenuto energetico della produzione primaria giornaliera [kWh/ m 2. giorno]; - k 6 è il coefficiente di trasformazione di C in energia [0,0116 kWh/g C] Da ciò è poi possibile calcolare l'efficienza di trasformazione dell'energia solare in produzione primaria come:  pp = EN/ES dove: -  pp è l'efficienza del processo di produzione primaria; - ES è l'energia solare incidente giornaliera [kWh/ m 2. giorno]. L’efficienza di trasformazione

22 Esempio Supponendo che mediante un solarimetro sul bacino di cui all'esempio precedente sia stata misurata nel periodo considerato una radiazione solare pari a 3,5 kWh/ m 2. giorno, quale sarà l'efficienza energetica dell'intero processo di produzione primaria? 5,76  0,0116  pp = = 0,019 cioè l’1,9 % (circa il 2%) 3,5

23 La fertilizzazione degli stagni La fertilizzazione viene effettuata per incrementare la produzione di fitoplancton, primo passo della catena trofica. La sfida nel progettare e gestire uno stagno sta nell'ottimizzare sia la quantità di cibo a disposizione, sia la qualità dell'acqua. Ciò attraverso il controllo delle quantità e delle modalità temporali di distribuzione dei fertilizzanti. L'eccessiva fertilizzazione può portare ad un eccessivo innalzamento della quantità di biomassa presente e al conseguente decadimento della qualità dell'acqua a causa di: · accumulo di eccessivi metaboliti; · ampie variazioni giornaliere dei parametri di qualità dell'acqua; · limitazione della penetrazione della luce; · eccessiva stratificazione delle caratteristiche dell’acqua.

24 Approccio “sperimentale” Le indicazioni tradizionalmente utilizzate per la fertilizazzione degli stagni sono basate su raccomandazioni empiriche ottenute sperimentando gli effetti sull’accrescimento dei pesci in funzione di diverse dosi di fertilizzante distribuite (principalmente calce, azoto e fosforo): un approccio simile a quello normalmente utilizzato per determinare le richieste di concimazione delle colture agrarie. Approccio basato sul bilancio dei nutrienti Un approccio alternativo per la determinazione delle quantità di fertilizzazione può essere basato sulla stima dei rapporti di assimilazione dei principali nutrienti (carbonio C, azoto, N, e fosforo, P). Il fitoplancon utilizza questi nutrienti nel rapporto approssimato: C : N : P = 42 : 7 : 1 Questo significa che ogni 42 parti (in peso) di carbonio saranno necessarie 7 parti di azoto e 1 parte di fosforo. Procedendo in tal maniera alla stima dei fabbisogni di fertilizzazione, tuttavia, si ottengono sovrastime eccessive rispetto a quelle determinate tradizionalmente, principalmente dovute al fatto che non tiene conto del riciclo dei nutrienti e di altre possibili fonti di nutrienti.

25 Esempio La produzione primaria di fitoplancton dello stagno calcolata precedentemente era 5,76 g C/m 2. giorno. Se lo stagno ha una profondità di 1 m, questo significa che risultano necessari circa 5,76 g/m 3. giorno di C, che corrispondono a 57,6 kg/ha. Allora risultano necessari: N = (57,6 / 42) x 7 = 9,60 kg N/ha P = (57,6 / 42) x 1 = 1,37 kg P/ha

26 Esempio Conoscendo che l'energia solare incidente durante i mesi di maggio, giugno luglio nell'area in cui è presente il nostro allevamento è rispettivamente pari a 4,7; 5,5; 5,1 kWh/m 2. giorno, stimare quali sono le dosi di N e P massime da distribuire. Ipotizzando un  pp = 2% avremo, per maggio: 4,7  0,02 Prod C = = 8,1 [g C/m 2. giorno] 0,0116 che corrispondono a 81 kg C/ha. Applicando il rapporto C:N:P sopra visto possiamo prevedere una concimazione di: N = 81/42 x 7 = 13,5 kg. giorno P = 81/42 x 1 = 1,9 kg. giorno Esercizio: calcolare la necessità di fertilizzazione in giugno e luglio.

27 Costruzione degli stagni: scelta del sito La scelta del sito è la prima importante fase della costruzione dello stagno. La scelta dovrebbe essere fatta sulla base delle seguenti caratteristiche: topografia – la quota del fondo e degli argini deve risultare economica, l’altezza massima degli argini dovrebbe essere 6 m. Altezze superiori oltre a non essere economiche di realizzazione, conducono a stratificazione dell’acqua. suolo – gli argini ed il fondo devono essere realizzati in un suolo sufficientemente impermeabile, quindi argilloso e compatto. I suoli sciolti non sono adeguati per eccessive infiltrazioni, mentre quelli limosi non lo sono per possibilità di fessurazioni. I suoli paludosi non sono convenienti per le difficoltà di drenaggio ed il costoso mantenimento. approvvigionamento idrico – la fonte di approvvigionamento deve avere una portata sufficiente a riempire rapidamente il bacino, non deve essere troppo fluttuante durante l’anno, deve avere lo spazio spartiacque vegetato, deve avere un limitato carico di particelle limose (spesso l’acqua viene filtrata).

28 Da un punto di vista costruttivo, escludendo le soluzioni ricavate in preesistenti bacini naturali o cave, gli stagni si possono realizzare in tre differenti modi: semplice escavazione 1. La semplice escavazione è in genere un intervento molto costoso che, inoltre, richiede per lo svuotamento l’impiego di pompe. Il riempimento può avvenire per gravità laddove esistono acque superficiali. escavazionee riporto 2. L’escavazione e riporto consente, rispetto alla precedente, notevoli economie e permette il prosciugamento e riempimento parziale per gravità; evita, in parte, le perdite per infiltrazione. stagni sopraelevati 3. Gli stagni sopraelevati, realizzati mediante la sola formazione di argini, infine, consentono, sempre che si disponga di terreni argillosi, notevoli risparmi in fase di costruzione. Il prosciugamento in genere avviene per gravità, mentre il sollevamento, qualora siano disponibili acque superficiali, deve essere eseguito a mezzo di pompe. Caratteristiche costruttive degli stagni

29 Stagni ottenuti da bacini naturali preesistenti 4. Stagni ottenuti da bacini naturali preesistenti Esistono molteplici soluzioni locali, estremamente diversificate. Esempio di stagno ottenuto per sbarramento fluviale con una diga. Le scarpate laterali vengono scavate ed il materiale riportato sul fondo, in modo da rendere la sezione più uniforme.

30 Profondità I bacini ad acqua ferma sono tipicamente profondi da 0,8 a 2,5 m. La profondità minima è generalmente scelta in funzione della produttività ed in modo da impedire la penetrazione delle luce fino al fondo, evitando così la crescita di vegetali radicanti. Nel contempo, lo stagno non deve essere troppo profondo, ciò al fine di: - limitare la stratificazione termica e fisico-chimica, - facilitare le operazioni di raccolta, - minimizzare la quantità di acqua utilizzata. A partire da 1 m di profondità si possono manifestare differenze di temperatura tra superficie e fondo dell’ordine di 10 °C e di contenuto di ossigeno di oltre 2 mg/l. L’unico sistema per ovviare a questi fenomeni è ricorrere alla miscelazione meccanica dell’acqua, che però è un’operazione piuttosto dispendiosa energeticamente. Superficie La superficie produttiva degli stagni è quanto mai varia. Ad esempio, per gli stagni con produzione industriale di pesce-gatto e gamberi, le superfici generalmente adottate passano da un minimo di 0,4 ha ad un massimo di 8 ha, anche se in realtà esistono occasionalmente stagni con superficie di 40 ha.

31 Gli argini Pendenze: consigliate almeno 2:1 quindi L sponde = 2H L totale = 2H + 2H + T Scavo e compattazione del piede dell’argine per evitare le infiltrazioni laterali sponda testa piede Gli argini dovrebbe essere inerbiti subito dopo la costruzione per prevenire l’erosione.

32 Realizzazione di uno stagno (Virginia St. University, extension service) 1. diserbo dell’area 2. rimozione dello strato di terreno superficiale 3. scavo del cuore dell’argine 4. riempimento del cuore con terreno argilloso ad elevata impermeabilità 5.contemporaneo inserimento di tubazione per il drenaggio di fondo, ancorata con blocchi di cemento 6. copertura del cuore dell’argine 7. riempimento delle porzioni esposte con terreno argilloso 8. realizzazione di adeguate pendenze (1:2 interno, 2 o 3:1 esterno) 9. realizzazione di protezioni alle sponde interne 10.inerbimento delle sponde 4 m ca. per il traffico veicolare ed evitare perforazioni da tane di animali. tubazione di drenaggio cuore in argilla valvola di fondo (per svuotare lo stagno in 3 – 7 giorni) tubazione di troppo pieno per mantenere costante il livello

33 Approvvigionamento idrico e scarico degli stagni Stagni ottenuti per sola escavazione: -approvigionamento per gravità - scarico idrico per sollevamento meccanico Stagni ottenuti per escavazione e riporto: -approviginamento per sollevamento meccanico - scarico parziale per gravità Stagni sopraelevati: -approvigionamento per sollevamento meccanico - scarico per gravità Normalmente le canalizzazioni sono a cielo aperto (es. canali di irrigazione per le colture agricole). E’ però indispensabile che i manufatti per l’approvvigionamento evitino l’entrata di specie ittiche “inquinanti”, mentre quelli in uscita evitino l’uscita del pesce allevato e favoriscano il ricambio d’acqua dal fondo.

34 Esempio di sistema interno al bacino per lo scarico dell’acqua dal fondo e la regolazione del livello idrico del bacino stesso. Ingresso dell’acqua Bacino allevamento Scarico dell’acqua Bacino allevamento Approvigionamento di acqua più ossigenata, evitando i sedimenti. Scarico di acqua dal fondo, meno ricca di ossigeno e regolazione del livello idrico nello stagno Pendenza del fondo Per garantire un rapido deflusso in fase di prosciugamento, il fondo dovrebbe avere una pendenza dello 0,2-0,4% verso il punto di evacuazione delle acque.

35 Inlet Outlet

36 Sistemi con alimentazione artificiale L'equilibrio ecologico che si crea in un bacino naturale fa sì che l'andamento della produzione (grazie alla fotosintesi) e del consumo di ossigeno (da parte della biomassa totale e imputabile ai fenomeni di ossidazione che si verificano sul fondo del bacino) tendano ad equivalersi quando considerati su base giornaliera. Nel momento in cui si passa ad alimentare direttamente in modo artificiale la biomassa piscicola saltando i primi anelli della catena trofica, ci si trova in pratica ad aggiungere un ulteriore consumatore di ossigeno ad un sistema che di per se dovrebbe trovarsi in condizioni di equilibrio. Il primo effetto degli aumentati consumi sarà l'incremento del deficit di ossigeno. Da ciò la necessità di coprire i consumi aggiuntivi con una quota di ossigeno che deve essere trasferita con sistemi meccanici. Questo argomento viene affrontato nel corso di Meccanica per l’acquacoltura.


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