CLIM AGRI L’ Effetto della Variazione del Clima II WORKSHOP PROGETTO FINALIZZATO DI RICERCA CLIM AGRI CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURA Roma, 3 – 4 Aprile 2003 Maurizio Severini e Roberta Alilla Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima ISAC – CNR, Sezione di Roma L’ Effetto della Variazione del Clima sulle Popolazioni Naturali

di animali e piante (spontanee e coltivate) a grande scala. Popolazioni Naturali di animali e piante (spontanee e coltivate) a grande scala. Prima la teoria poi le evidenze sperimentali

Fattori Climatici a rischio 'Global Change' temperatura irradianza ultravoletta precipitazioni ... ma una teoria dell'impatto di fattori climatici sulle Popolazioni Naturali è oggi disponibile solo per la temperatura

Popolazione naturale: insieme degli individui della stessa Specie biologica che vivono nello stesso intervallo spazio-temporale. Esempi: • le pecore di un gregge, • le mosche tse tse in un comprensorio, • l’ Artemia franciscana nel Grande Lago Salato, • le balene dell’Oceano Pacifico, • gli insetti di una Specie parassita in una coltura, • le piante di frumento di un campo coltivato, • le gemme a fiore di un pescheto, • gli individui della Specie Homo sapiens all’interno dei confini di uno Stato. Funzione di stato: Numerosità (o Densità) N = N(t)

Modello Dinamico N(t) ΦB(t) ΦD(t) ΦI(t) ΦE(t) ΦB(t) Flusso di natalità [individui/giorno] ΦI(t) Flusso di immigrazione [individui/giorno] ΦD(t) Flusso di mortalità [individui/giorno] ΦE(t) Flusso di emigrazione [individui/giorno]

Popolazioni Pluricellulari uovo k = 1 larva k = 2 pupa k = 3 adulto k = 4 Stadi fenologici Popolazione con struttura d’età N1(t) N2(t) N3(t) N4(t) Ciclo Vitale α = 0 per t = 0 ingresso α = 1 per t = tk uscita R[T] Tasso di sviluppo Età fisiologica

Tasso di sviluppo è per definizione: reciproco del tempo di sviluppo Tasso di sviluppo è per definizione: Somma dei tassi … versione discreta del tempo fisiologico Se R[T] è lineare Somma termica Applicando il teorema della media Tj temperatura media giornaliera (ambiente fisico) T0k zero di sviluppo (caratteristica biologica) 1/Ck fabbisogno termico (caratteristica biologica) se la temperatura media aumenta, il tempo di sviluppo diminuisce ... se R[T] è lineare ... Questo vale solo per le Specie peciloterme e

Viventi pecilotermi  TUTTI I VEGETALI  BATTERI  ALGHE  FUNGHI  PROTOZOI  ZOOPLANCTON  CELENTERATI  ANELLIDI  ARTROPODI (2 MILIONI DI SPECIE)  PESCI E ANFIBI (NEGLI STADI IMMATURI)  GLOBULI ROSSI DEL SANGUE

Funzione Tasso R = R[T] Tasso Rk[T] [d-1] Reaùmur, 1735 TMAX 0.01 0.02 0.03 0.04 Tasso Rk[T] [d-1] 0.05 TV Funzione Tasso R = R[T] Reaùmur, 1735 Boussignault, 1837 De Gasparin, 1844 Coutagne, 1882 Price, 1909 TL Temperatura (°C) 10 20 30 25 50 75 100 T0 Tempo tk[T] [d] 125 Janisch, 1933 Stinner, 1974 Logan,1976 Sharpe & D.M, 1977

Frumento: emergenza - accestimento Frumento: accestimento - levata TL=22°C Temperatura (°C) 10 20 30 25 50 75 100 T0=6°C TMAX 0.01 0.02 0.03 0.04 Tasso Rk[T] [d-1] 0.05 Tempo tk[T] [d] 125 TV Frumento: emergenza - accestimento TL=20°C Temperatura (°C) 10 20 30 25 50 75 100 T0=10°C TMAX 0.01 0.02 0.03 0.04 Tasso Rk[T] [d-1] 0.05 Tempo tk[T] [d] 125 TV Frumento: accestimento - levata

oviposizione - schiusa valliceps TL=23°C T0=8°C 0.05 0.10 0.15 0.20 Tasso Rk[T] [d-1] 0.25 TL=28°C T0=12°C 10 20 30 Temperatura (°C) cotone verme del semina - germogli oviposizione - adulti TL=29°C T0=8°C 0.01 0.02 0.03 0.04 Tasso Rk[T] [d-1] 0.05 bufo oviposizione - schiusa valliceps Temperatura (°C) 10 20 30 0.25 0.50 0.75 1.00 Sopravvivenza

anofele oviposizione - adulto girasole semina - germogli TL=17°C T0=4°C 0.02 0.04 0.06 0.08 Tasso Rk[T] [d-1] 0.10 girasole semina - germogli TL=27°C T0=12°C 0.03 0.06 0.09 0.12 Tasso Rk[T] [d-1] 0.15 anofele oviposizione - adulto TL=29°C T0=13°C 0.03 0.06 0.09 0.12 Tasso Rk[T] [d-1] 0.15 10 20 30 Temperatura (°C) plasmodio gamont - sporoziote TL=12°C T0=2°C 0.02 0.04 0.06 0.08 Tasso Rk[T] [d-1] 0.10 10 20 30 Temperatura (°C) albicocco schiusa - fioritura

Sviluppo Stocastico stadio embrionale stadio larvale stadio di pupa uova larve tempo stadio embrionale tempo larve pupe stadio larvale tempo pupe adulti stadio di pupa

Modello a Ritardo Distribuito (Manetsch, 1976) Distribuzione di Erlang … la distribuzione dei tempi di sviluppo di una coorte è asimmetrica tk(T2) T2 > T1 tk(T1) tempo se la temperatura media aumenta, il tempo medio di sviluppo diminuisce e diminuisce anche la variabilità intorno alla media

conseguenze dell'aumento della temperatura media sulla fenologia delle piante a) riduzione della dormienza invernale b) anticipo del risveglio primaverile c) anticipo dell'emissione delle foglie e della fioritura Pioppo, Canada, 100 anni: anticipo 26 giorni (Beaubien et al., 2000) Macchia mediterranea, 50 anni: anticipo 16 giorni (Penũelas et al., 2002) Giardini fenologici, Nord Europa e Nord America, 30 anni: anticipo 6 giorni (Menzel et al. 1999) Indice di verde, 45°-70°Nord, 9 anni: anticipo 8 giorni (Myneni et al., 1997) d) allungamento della stagione di crescita Macchia mediterranea, 50 anni: allungamento 29 giorni (Penũelas et al., 2002) Giardini fenologici, Nord Europa ed America, 30 anni: allungamento 11 giorni (Menzel et al. 1999) Indice di verde, Nord Eurasia, 9 anni: allungamento 18 giorni (Myneni et al., 1997) e) spostamento verso latitudini ed altitudini maggiori Margine conifere subalpine, Nord America, 100 anni: spostamento verso Nord (Peterson, 1994)

conseguenze dell'aumento della temperatura media sulla fenologia e demografia degli artropodi a) anticipo uscita dalla diapausa b) anticipo degli stadi del ciclo vitale Lepidotteri, Olanda, 20 anni: anticipo del volo 12 giorni (Ellis et al., 1997) Lepidotteri, Spagna, 50 anni: anticipo del volo 11 giorni (Penũelas et al., 2002) Afidi, Inghilterra, 25 anni: anticipo del volo 6 giorni (Fleming et al., 1995) c) aumento del numero delle generazioni e della densità di popolazione d) spostamento verso latitudini ed altitudini maggiori Lepidotteri, 22 Specie, Europa, 100 anni: spostamento 35-240 Km Nord (Parmesan, 1999) Lepidotteri, 2 Specie, Europa, 100 anni: spostamento verso Sud (Parmesan, 1999) Anofele, Nuova Guinea, Tanzania, Kenya: spostamento oltre quota 2000 m (Epstein et al., 1998)

conseguenze dell'aumento della temperatura media sulla fenologia di Anfibi, Uccelli e Mammiferi a) anticipo degli stadi del ciclo vitale Anfibi, Stati Uniti, 100 anni: anticipo del canto 10 giorni (Gibbs, 2001) Anfibi, Inghilterra, 16 anni: anticipo oviposizione 10 giorni (Beebee, 1995) Uccelli, 20 Specie, Inghilterra, 25 anni: anticipo oviposizione 9 giorni (Crick, 1997) Uccelli, 1 Specie, Inghilterra, 25 anni: ritardo oviposizione (Crick, 1997) Marmotte, Stati Uniti, 23 anni: anticipo uscita letargo 38 giorni (Inouye et al., 2000) b) spostamento verso latitudini ed altitudini maggiori Piccoli mammiferi, 19 Specie, Stati Uniti: spostamento verso Nord (Davis et al., 1992)