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RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Identificazione di indicatori precoci del danno da ozono sulla vegetazione mediante tecniche radiometriche R. Colombo.

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1 RiO 3 -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 allAgricoltura e alle Foreste, Regione Lombardia.

2 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Contesto e obiettivi della ricerca Progetto INFOGESO (INfluenza dellOzono sulla GEstione SOstenibile del sistema agricolo e forestale lombardo), DG Agr RL : stime attendibili per valutare il danno reale e potenziale dellozono 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.

3 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Misure di radianza riflessa e parametri biofisici; Telerilevamento dei processi; Risultati da esperimenti a livello fogliare e di canopy; Conclusioni. Indice della presentazione

4 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Misure di radianza riflessa e firma spettrale Credit: Gamon et al, 2006 Credit: Zilioli et al., 2001 Analisi nel tempo di

5 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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/cm 2

6 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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/cm 2

7 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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/cm 2

8 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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/cm 2

9 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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/cm 2

10 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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/cm 2

11 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Stima dei parametri biofisici Foglie di pioppo caratterizzate da diverso grado di danno da ozono asintomatica danno medio danno grave Lunghezza donda (nm) LAI [m 2 /m 2 ] Chl a+b [µg/cm 2 ] Stato di salute Biomassa e sequestro CO 2 Contenuto idrico, biomassa combustibile Meroni et al., 2004 Panigada et al., 2003 Colombo et al., 2006 EWTcanopy [g/m2] > 392

12 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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 dellenergia assorbita (% dellassorbita) Indicatori dello stato fisiologico delle piante

13 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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 dellenergia assorbita (% dellassorbita) Indicatori dello stato fisiologico delle piante

14 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Telerilevamento dei processi L u = ρ L d + Fs Flusso emergente (L u ): fluorescenza riflesso LdLd 1-5% di L u Fluorescenza della clorofilla (Fs) [naturalmente indotta dal sole e misurata in modo passivo] Dissipazione calore (NPQ) Viola Antera Zeaxantina (depossidazione crescente = NPQ crescente) Photochemical Reflectance Index NPQ

15 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA F-687 F-760 Radianza incidente Fraunhofer lines dovute allossigeno atmosferico (760 e 687 nm) Misura della fluorescenza Spettro di emissione in fluorescenza

16 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Utilizzo di sistemi sperimentali per lesposizione (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 dellesposizione; 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

17 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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 (AOT ppb.h) 9 cicli di misura night/day dal 31 May al 20 Oct ) Leaf level: Fagiolo (2006) Data di comparsa delle foglie trilobate: 22 luglio (DOY 203) Data di comparsa sintomi (su 1 foglia): 27 luglio AOT (208) 5 campionamenti diurni (radiometria e CF-PAM2000) dal 24 luglio a 8 agosto

18 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 2 spettrometri OO (HR2000) con risoluzione elevata (FWHM=0.13 nm) per indagare le 2 F-lines Meroni & Colombo, RSE (2006) * = ( L i + F)/L i Esperimento 1: fumigazione cronica a livello fogliare

19 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA capacità di Fs e PRI (processi) rispetto Indici ottici (parametri) Efficienza in Fluorescenza NPQ, PRI Riflessa / Trasmessa Assorbita Fotochimica, LUE PAR incidente bassa PAR = fotoprotezione E1: andamenti giornalieri T C

20 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA E1: evoluzione temporale (midday) RS processi T C Day 26, comparsa differenze in F v /F m (Fluorescenza attiva) e sintomi visibili Misure fisiologiche

21 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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

22 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA E3: foglie di faggio cresciute in OTC Esposizione allO 3 anticipa senescenza nel NF Luglio 2005 Misure fisiologiche RS processi DOY 204, 24 luglio, sintomi visibili Luglio 2005

23 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA E4: foglie di fagiolo cresciute in OTC Misure fisiologiche RS processi

24 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Telerilevamento dei processi e stato di salute MISSIONI SPAZIALI ESA: FLEX (FLuorescence EXplorer) 3rd International Workshop on Remote Sensing of Vegetation Fluorescence Attività future

25 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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 dellenergia; 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

26 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA Grazie per lattenzione

27 RiO 3 -VEG Pisa, 24 Novembre 2006 LTDA 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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