Applicazioni dei dati agrometeoclimatici nel settore cerealicolo, in relazione ai cambiamenti climatici Prof. Marco Bindi DISAT-UNIFI, P.le delle Cascine 18, Firenze Giovedì 12 Giugno 2008 Auditorium Centro Polifunzionale, “A. Maccarrone”, via Silvio Pellico, 6 Pisa Seminario di formazione

Argomenti 1.Influenza dell’andamento meteo- climatico sulla fisiologia delle piante 2.Principali cambiamenti climatici 3.Strumenti per lo studio dei cambiamenti climatici e dei relativi impatti 4.Impatti dei cambiamenti climatici sui principali cereali 5.Strategie adattamento per la cerealicoltura 6.Esempio di studio a livello regionale

Argomenti 1.Influenza dell’andamento meteo-climatico sulla fisiologia delle piante 2.Principali cambiamenti climatici 3.Strumenti per lo studio dei cambiamenti climatici e dei relativi impatti 4.Impatti dei cambiamenti climatici sui principali cereali 5.Strategie di adattamento per la cerealicoltura 6.Esempio di studio a livello regionale

Parametri meteorologici e fisiologia delle piante l Radiazione solare l Temperatura l Precipitazioni piovose

Sviluppo e crescita delle colture Lo sviluppo delle colture corrisponde alla sequenza temporale di stadi o eventi durante il ciclo vitale di una pianta (es. il progredire di una coltura dall'emergenza alla fioritura) ( temperatura, radiazione solare, acqua ) L'accrescimento, è definito come incremento di massa, volume o lunghezza di piante o porzioni di piante (divisione e crescita cellule) ( temperatura, radiazione solare, acqua )

Radiazione solare Temperatura Precipitazioni piovose Parametri meteorologici e fisiologia delle piante

Effetti fisiologici della radiazione Crescita: La radiazione solare fornisce l’energia chimica necessaria per lo svolgimento del processo fotosintetico Sviluppo: Passaggio dalla fase vegetativa a quella riproduttiva in base all’alternarsi giornaliero di periodi di illuminazione a periodi di buio (fotoperiodismo)

Risposta fotosintetica in rapporto all’intensità della luce Le piante hanno: –una soglia minima di illuminazione al disotto della quale la fotosintesi non avviene –Un intervallo in cui la fotosintesi aumenta con l’aumentare dell’intensità luminosa –Un massimo oltre il quale la fotosintesi non aumenta (livello di saturazione luminosa )

Efficienza fotosintetica Funzione: genotipogenotipo (specie e varietà) con superiore efficienza fotosintetica (specie C4) e basso livello di fotorespirazione concentrazione atmosferica di CO 2concentrazione atmosferica di CO 2 disponibilita’ elementi nutritivi (es. azoto) (disponibilita’ elementi nutritivi (es. azoto) (quantità di clorofilla per unità di superficie fogliare e la quantità di proteine fogliari). disposizione spaziale del fogliame e la durata del suo funzionamento.

Parametri meteorologici e fisiologia delle piante Temperatura Radiazione solare Precipitazioni piovose

Dalla temperatura dipendono tutti i processi chimici, fisici e chimico-fisici che sono alla base delle reazioni biologiche che hanno luogo nelle piante: viscosità dei liquidi, solubilità dei soluti, permeabilità cellulari, velocità di reazione, stabilità dei sistemi enzimatici. La temperatura determina quindi direttamente l’intensità con cui si svolgono le varie funzioni vegetali (germinazione, assorbimento radicale, fotosintesi, respirazione, traslocazione, etc.) e microbiche (umificazione, ammonizzazione, nitrificazione, etc.). La temperatura influisce anche sulla sviluppo fenologico delle piante, sulla espressione del sesso, sul rapporto stami/stelo, sulla dormienza dei semi, etc. Effetti fisiologici della temperatura

Temperature ottimali, cardinali e critiche Il rapporto fra temperatura e pianta viene generalmente analizzato considerando i seguenti valori soglia Le temperature ottimali sono quelle alle quali la funzione vitale si svolge con la massima velocità. Le temperature cardinali massime e minime sono quelle al di sopra ed al di sotto delle quali una funzione si arresta per riprendere quando le condizioni termiche miglioreranno. Le temperature critiche massime e minime sono quelle al di sopra ed al di sotto delle quali si verificano danni irreparabili alle funzioni ed agli organi delle piante.

Effetti sui principali processi fisiologici: crescita Processi di crescita: nella stessa pianta le diverse funzioni fisiologiche mostrano limiti termici diversi. Ad esempio la respirazione, la fotosintesi e la traslocazione hanno limiti termici decrescenti.

Età e fase di sviluppo. Le piante in piena attività sono molto più sensibili alle basse temperature di quelle in riposo. Sviluppo fenologico: Il tempo richiesto per completare le diverse fasi di sviluppo è funzione del calore totale ricevuto dalle piante. Il passaggio dalla fase vegetativa a quella riproduttiva puo’ richiedere l’esposizione a basse temperature (vernalizzazione) Effetti sui principali processi fisiologici: sviluppo

Argomenti trattati Temperatura Radiazione solare Precipitazioni piovose

Effetto fisiologico delle precipitazioni piovose Disponibilita’ ottimale di acqua per il sviluppo e crescita delle piante: assorbimento da parte delle radici delle sostanze nutritive che si trovano sotto forma di soluzione nel terreno. veicolo delle sostanze nutritive dalle radici alle foglie e da queste agli organi di utilizzazione e di riserva. consistenza e l’aspetto caratteristici delle varie parti della pianta. termoregolazione

Caratteristiche delle piogge importanti per la crescita Quantità totale: Intensita’ degli eventi piovosi: –Danni diretti –Danni indiretti Frequenza e distribuzione degli eventi piovosi

Argomenti 1.Influenza dell’andamento meteo-climatico sulla fisiologia dei cereali 2.Principali cambiamenti climatici 3.Strumenti per lo studio dei cambiamenti climatici e dei relativi impatti 4.Impatti dei cambiamenti climatici sui principali cereali 5.Strategie di adattamento per la cerealicoltura 6.Esempio di studio a livello regionale

Variazioni climatiche Variazioni osservate (Europa): –Valori medi: Temperatura: –+ 0.90°C ( ) –+ 0.41°C per decade ( ) Precipitazioni: –  mediterraneo orientale –  restante parte del mediterraneo –Valori estremi: Temperatura: –  giorni freddi e con gelate –  giorni con alte temperature Precipitazioni: –  intensita’ eventi piovosi Klain Tank et al., 2002 Trend temperature Intensita’ pecipitazioni

Scenari futuri gas serra (SRES, 2001)

Variazioni previste per il futuro (Europa): –Valori medi: Temperatura: – °C (A1B ) –  estate ;  inverno Precipitazioni: –  - 4 a -27% –  estate ;  inverno –Valori estremi: Temperatura: –  giorni freddi e con gelate –  giorni con ondate di calore (intensita’, frequenza e durata) Precipitazioni: –  giorni piovosi,  intensita’ eventi piovosi,  periodi asciutti Variazioni climatiche A1B scenario IPCC-WGI, 2007

Cambiamenti climatici (Europa) A1B, , FAR-IPCC., 2007

Aree Vulnerabili Riduzione precipitazioni Aumento temperature

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Relazioni tra Cambiamenti Climatici e Produzioni Agricole

Strumenti di studio l Scenari climatici futuri: è Modelli Generali di circolazione dell’atmosfera l Incremento concentrazioni di CO 2 : è Sistemi per l’analisi degli ecosistemi vegetali in alta CO 2 l Variazioni climatiche: è Indici bioclimatici l Effetto variazioni climatiche ed concentrazione CO 2 : è Modelli di simulazione dei principali processi bio-fisici

Modelli di circolazione dell’atmosfera (GCM) Modelli nei quali vengono espressi in forma di equazione i principali processi fisici del sistema terra, acqua, aria

Evoluzione (GCM): risoluzione

Perche’ aumentare la risoluzione spaziale ?

GCM  Modelli Regionali (RCM)

Modelli Regionali (RCM): output Variazioni relative periodi e , IPCC SRES scenario A2. (12km risoluzione) (mappe elaborate da EC JRC/IES)

Sistemi di arricchimento CO 2

FACE OTC Sistemi di arricchimento CO 2

Indici Bioclimatici Limiti termici e idrici Output GCM o RCM

Modelli di crescita delle colture

Metodologia integrata

Argomenti 1.Influenza dell’andamento meteo-climatico sulla fisiologia dei cereali 2.Principali cambiamenti climatici 3.Strumenti per lo studio dei cambiamenti climatici e dei relativi impatti 4.Impatti dei cambiamenti climatici sui principali cereali 5.Strategie di adattamento per la cerealicoltura 6.Esempio di studio a livello regionale

Effetto indiretto Areale di coltivazione Produzione Lunghezza periodo di crescita

Areale di coltivazione (mais)

Lunghezza ciclo (frumento, , diff. gg)

Produzione (senza effetto CO 2 ): Mais Frumento

Effetto Diretto Frumento (550 ppmv, FACE)

Mais Frumento Effetto combinato (diretto + indiretto)

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Strategie di adattamento Finalita’: –Prevenire i danni futuri prevedibili: pianificare la protezione ambientale e lo sviluppo socio economico in relazione al clima futuro e non al clima passato (Misure proattive) –Minimizzare le conseguenze negative prevedibili: ridurre la vulnerabilità ambientale e socio economica ai cambiamenti del clima (Misure reattive)

Strategie di adattamento Strategie economiche prevedono di rendere i costi agricoli inferiori in funzione delle variazioni che si verificheranno a carico delle produzioni Strategie agronomiche prevedono di evitare totalmente o parzialmente la riduzione delle produzioni agricole: –Aggiustamenti di breve-termine (Autonomous adaptations) –Adattamenti di lungo-termine (Planned adaptations)

Strategie di adattamento Aggiustamenti di breve-termine: Interventi che prevedono variazioni minime (come costi) del sistema agricolo, attraverso modifiche: –gestione dei sistemi colturali: impiego contemporaneo di cultivar con caratteristiche diverse (ridurre variabilità produzione) cambio cultivar cambio pratiche agronomiche (data di semina) cambio tipo e/o modalità di impiego di fertilizzanti e pesticidi –conservazione dell'umidità del suolo: introduzione tecniche di conservazione dell'umidità (no tillage, pacciamatura, ecc. ) gestione irrigazione (ammontare ed efficienza) da Bindi & Howden, 2005

Strategie di adattamento Adattamenti di lungo-termine: Interventi che prevedono modifiche strutturali del sistema produttivo agricolo: –Cambio dell’uso-suolo per ottimizzare o stabilizzare produzione (es. sostituzione di colture con alta variabilità inter-annuale con colture a più bassa variabilità, monocoltura con rotazioni) –Sviluppo di nuove cultivar per adattarsi agli stress indotti dai cambiamenti climatici piu’ velocemente (idrico, termico, fitopatie, ecc.) –Sostituzione colture per conservare meglio l'umidità del suolo (es. mais con sorgo) –Modifiche del microclima per migliorare l’efficienza dell’uso dell’acqua (es. frangivento, colture intercalari, ecc.) da Bindi & Howden, 2005

Strategie di adattamento Girasole Frumento duro Giannakopoulos et al., 2005 Werners et al., 2007 Diversificazione (Guadiana river, Spain) –Impiego contemporaneo di cultivars o colture con caratteristiche diverse (riduzione rischio variabilita’ produttiva) –Introduzione di nuove colture (esigenze idriche) Aggiustamenti di breve- termine (Autonomous adaptations): –Variazioni cultivars (resistenza stress termico, lunghezza ciclo), data di semina (anticipo)

Barriere e Limiti: Introduzione delle strategie di adattamento –Incertezza e precisioni delle informazioni (cambiamenti climatici e relativi impatti) a scala regionale per valutare i costi e i benefici delle strategie –Disponibilità finanziarie per attuare le strategie (in modo particolare in presenza di bassi redditi) –Carenze tecnologiche ad affrontare variazione brusche e su larga scala (ondate di calore, carenze idriche, ecc.)

Argomenti 1.Influenza dell’andamento meteo-climatico sulla fisiologia dei cereali 2.Principali cambiamenti climatici 3.Strumenti per lo studio dei cambiamenti climatici e dei relativi impatti 4.Impatti dei cambiamenti climatici sui principali cereali 5.Strategie di adattamento per la cerealicoltura 6.Esempio di studio a livello regionale (risultati preliminari)

Progetto ARSIA: Cambiamenti cLimatici e impatto sul sistema AgRIcolo-forestale toscaNO (CLARINO) Durata: –2 anni ( ) Unita’ coinvolte: –Fondazione per il Clima e la Sostenibilita’ (FCS) –Dip. di Scienze Agronomiche e Gestione del Territorio (DISAT) – UNIFI –Dip. di Scienza del Suolo e Nutrizione della Pianta (DSSNP) – UNIFI –Dip. Scienze e Tecnologie Ambientali Forestali (DISTAF) – UNIFI –Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA) –Dip. Biotecnologie Agrarie - Sezione Patologia vegetale (DIBA) – UNIFI –Dip. Scienze Zootecniche (DIPZOO) - UNIFI –Dip. Economia Agraria e delle Risorse Territoriali (DEART) –AeDIT –Ist. Sper. Colture Industriali (ISCI)- CRA –Comunita’ Montana del Casentino –Consorzio Agrario di Siena

Metodologia

Variazioni temperature

Variazioni Precipitazioni

Il frumento duro in Toscana Variazioni data maturazione Modello di Circolazione Generale: HADCM3 Scenari di emissione: A2

Il frumento duro in Toscana Presente Modello di Circolazione Generale: HADCM3 Scenari di emissione: A2 (in alto); B2(in basso) Variazioni Rese

Conclusioni: Variazioni climatiche –    Temperature (medie ed estreme) –   Piogge (soprattutto estive) –   Aumento intensita’ piogge,  riduzione numero giorni piovosi –   Aumento evapotraspirazione Impatto sulla produttività cereali –Areali di coltivazione: Espansione verso nord e verso quote piu’ alte dei limiti di coltivazione –Ciclo di sviluppo: anticipo fasi fenologiche riduzione lunghezza totale ciclo di sviluppo –Rese:   estivi irrigui,   estivi non irrigui  autunno-vernini (frumento) –Fabbisogno irriguo:   irrigazione Strategie di adattamento –Variazione data di semina, Introduzione di varieta’ con ciclo piu’ lungo –Diversificazione colturale