Ecologia - mod 2 Ecologia agraria CdL Agrotec 2009-2010   Docente: Marco Acutis Prof. ord. Dipartimento di Produzione Vegetale Attività di ricerca: Sistemi colturali, modellistica, impatto ambientale dei sistemi colturali Tel.: 02 50316591 cell. 348 8401237 (da usare senza problemi nel caso di non risposta dal telefono dell’ufficio, ma non il sabato e domenica, e tra 8:30 e le 19:30) e.mail: marco.acutis@unimi.it Mail per prenotazione esami: marco@acutis.it ricevimento: sempre, basta concordare data e ora per mail o telefono.

Denominazione del corso: Per Agrotec: Ecologia mod 2 eclogia agraria (4CFU) Obiettivi del corso Fornire gli elementi per una corretta gestione produttivistica e agro-ambientale delle coltivazioni e delle attività agricole legate alla produzione vegetale e per la comprensione dei fattori che regolano la crescita di una coltura.

Programma del corso di Ecologia –mod 2 ecologia agraria agroecosistema e rapporti pianta-atmosfera-ambiente Definizioni, generalità. L’agroecosistema a scala territoriale, aziendale e di singola unità di paesaggio agrario. Analisi dell'accrescimento e dello sviluppo. Efficienza d’uso della radiazione solare. Il clima e le piante: influenza delle variabili climatiche sulla produzione vegetale (radiazione solare, temperatura, idrometeore, vento, umidità). Mezzi di difesa dalle avversità meteoriche. Uso dell’acqua da parte delle colture: evapotraspirazione di riferimento, massima e effettiva. Assorbimento dell’acqua. Efficienza di uso dell’acqua. La valenza ambientale degli agroecosistemi: Dinamica dell’acqua Dinamica dell’N Dinamica degli agrofarmaci Valutazioni multifunzionali e paesaggistiche

Definizione di Ecologia Il termine fu coniato dal biologo tedesco Ernst Heackel nel 1866 (dal greco οικια = casa e λογος = studio) “l'Ecologia è lo studio dell'economia della natura e delle relazioni degli animali conl'ambiente inorganico e organico, soprattutto dei rapporti favorevoli e sfavorevoli, diretti o indiretti con le piante e con gli animali; in una parola, tutta quell'intricata serie di rapporti ai quali Darwin si è riferito parlando di condizioni della lotta per l'esistenza”. Andrewartha (1961): “lo studio scientifico della distribuzione e dell'abbondanza degli organismi'', Slobodkin: “l'ecologia, in termini generali, si occupa dell'interazione tra gli organismi e il loro ambiente nel più ampio senso possibile''. Krebs (1972): “Ecologia è lo studio scientifico delle interazioni che determinano la distribuzione e l'abbondanza degli organismi''. Chapman e Reiss 1992: “studio degli organismi in relazione all’ambiente in cui vivono” Odum, 1996: “studio del sistema terrestre per il sostentamento della vita”

Ruolo dell’ecologia Il degrado della situazione ambientale (es: CO2, O3, erosione ecc.) ci obbliga a riconsiderare il ruolo della specie umana. Tutti i fenomeni di valenza globale sono strettamente correlati L’ecologia ci fornisce gli elementi per la costruzione del quadro d’assieme generale Solo con il quadro generale sono possibili strategie e interventi ambientali efficaci e equilibrati

I livelli di organizzazione biologica Molecole Cellule Tessuti Organi Organismi (individui) Popolazioni: assieme di individui. Comunità/Ecosistemi: interazioni di popolazioni con altre e l’ambiente Biomi: complesso degli ecosistemi di una particolare area geografica del pianeta, definiti in base al tipo di vegetazione dominante. (es tundra, savana, foresta decidua) Biosfera Di interesse per l’ecologia

Filoni di studio AUTOECOLOGIA: interazioni tra i fattori ambientali e la vita di una specie (limiti di tolleranza, preferenze per fattori ecologici, adattamenti fisiologici e bio-etologici) DEMOECOLOGIA: dinamica delle popolazioni variazioni dell’abbondanza di una specie in relazione ai fattori ambientali e alle risorse) SINECOLOGIA: studio delle relazioni ecologiche di una comunità, ovvero interazioni tra specie diverse nell’ambito di uno stesso biotopo

ECOSISTEMA Unità spazialmente individuabile che include tutti gli organismi viventi tutte le componenti fisiche e chimiche e considera tutte le interazioni tra essi e il livello di organizzazione autonoma. BIOSFERA ATMOSFERA IDROSFERA LITOSFERA pedosfera

Agroecosistema Gli agroecosistemi differiscono da quelli naturali per l’azione dell’uomo: riduzione della complessità biologica: solo le specie coltivate sono volute somministrazione di input energetici asportazione di biomassa (output energetici) miglioramento produttivo delle parti di pianta utili (genetica) perturbazioni (lavorazioni, irrigazione) Agronomia: insieme delle tecniche per MIGLIORARE la produttività primaria alterando il meno possibile l’ambiente produttivo Imperativo: lasciare alle generazioni successive un ambiente non compromesso obbiettivi tecnici: garantire il reddito agli operatori evitare eccessi di concimazioni evitare erosione impiego razionale mezzi chimici evitare l’impiego errato di acque salse contenere la desertificazione

Aspetti economici e sociali Agroecosistema Clima radiazione temperatura precipitazioni OUTPUT SO (prodotti e flussi economici) CO2 (suolo e piante) NH3 (volatilizzazione) CH4 (atmosfera) NO3 (lisciviazione e ruscellamento) NOx (in atmosfera) N2O (in atmosfera) Agrofarmaci (in falda e atmosfera) Erosione (ruscellamento) P (erosione e ruscellamento) Paesaggio fruibilità Atmosfera Composizione inquinamento Aspetti economici e sociali Interventi agronomici Scelte organizzative lavorazioni irrigazione diserbo difesa fitosanitaria Ambiente biologico infestanti microbiologia del suolo crittogame animali Suolo caratteristiche fisiche e chimiche Acqua aria elementi chimici e loro dinamica temperatura Pianta -genotipo produttività adattabilità all’ambiente

domande Cosa è un sistema ? quali sono le variabili guida degli agroecosistemi ? quali sono gli output dell’agroecosistema ? quale è la “destinazione” degli output degli agroecosistemi ? Quali output sono esternalità positive e quali negative dell’agroecosistema ? quali sono gli elementi interni all’agroecosistema ? Quali sono le macro-tipologie degli interventi agronomici ? Quali categorie di organismi fanno parte dell’agroecosistema ?

AGROMETEOROLOGIA: le variabili guida climatiche, i loro effetti sull’agroecosistema e i possibili interventi Introduzione: Definizioni, caratteristiche dell'atmosfera Radiazione solare: PAR, il bilancio della radiazione. Assorbimento, riflessione e trasmissione della radiazione in una coltura, Fotoperiodismo. Tecniche per la miglior utilizzazione della radiazione. Analisi di crescita: Indici per la valutazione dell’efficienza fotosintetica: LAI, LAD, RGR, CGR, SLA. Temperature: andamenti diurni e stagionali; gradienti verticali e inversione termica; effetti sulla vegetazione; cardinali minimi e massimi, temperature critiche. Termoperiodismo. Precipitazioni: piogge, altezza, frequenza, intensità, distribuzione stagionale. Probabilità di pioggia.. Neve, Grandine, Rugiada. Umidità dell’aria: significato di umidità relativa e assoluta, variazioni diurne, deficit di saturazione dell’aria,effetto sui vegetali attraverso la regolazione della traspirazione; Vento: velocità. Effetto sulla vegetazione. Cenni all’erosione eolica. Ripari antivento, vivi e morti. Evapotraspirazione (ET): Concetto di ET potenziale, caratteristiche della coltura di riferimento, fattori climatici che influenzano l’ETP. ET massima, coefficienti colturali, ET reale. Misura con lisimetri, tipi di lisimetro. Cenni a formule empiriche per il calcolo dell’ETp. variazioni del Kc per specie e fase vegetativa, rapporti con il LAI, andamento del rapporto ETR/ETM in funzione delle disponibilità idriche. Cenni alle tipologie climatiche. Climodiagrammi.  

1. AGROMETEOROLOGIA: DEFINIZIONI E’ una disciplina che studia l'atmosfera e i fenomeni che in essa si verificano in un determinato ambiente ed in un certo periodo;    CLIMATOLOGIA  Studia le relazioni reciproche dei fenomeni meteorologici e le loro modificazioni in rapporto alle condizioni geografiche della superficie terrestre (clima vero e proprio), a prescindere dal periodo di osservazione. ANDAMENTO METEOROLOGICO = caratteristiche di un determinato periodo, mese, anno,…. CLIMA = caratteristiche medie (minimo 30 anni) di una determinata località.

FATTORI CLIMATICI A) F. cosmici: 1) movimento di rivoluzione della Terra; 2) eccentricità dell'orbita terrestre; 3) movimento di rotazione della Terra; 4) angolo di incidenza dei raggi solari.  B) F. geografici: 1) latitudine; 2) longitudine; 3) altitudine; 4) esposizione; 5) distanza dal mare e da altri bacini idrici; 6) presenza di correnti marine; 7) presenza di venti; 8) orografia.  

ELEMENTI CLIMATICI: 1) radiazione solare; 2) vento; 3) precipitazioni; 4) pressione atmosferica; 5) Umidità dell'aria; 6) temperatura.

Composizione dell'atmosfera:   1. Per i 4/5 l'atmosfera è costituita da Azoto e per il restante quinto da Ossigeno, 2. altri gas (Argon, Xenon, Neon, Kripton, Idrogeno ed Elio) sono presenti in quantità trascurabili ma più o meno costanti entro i primi 90 km di altitudine; 3. oltre a questi ultimi gas, altri sono presenti in tracce ed in concentrazioni variabili in funzione dell'altitudine, del periodo dell'anno e delle condizioni climatiche: anidride solforosa (SO2), monossido di carbonio (CO), metano (CH4) ma soprattutto anidride carbonica (CO2), vapor acqueo (H2O), ozono (O3) .

Anidride carbonica (CO2):   1. deriva da un bilancio che vede alla voce attiva la combustione del carbonio (fuoco, combustibili fossili, respirazione degli organismi viventi) ed alla voce passiva l'organicazione da parte dei vegetali; 2. è presente negli strati più bassi dell'atmosfera; 3. la sua concentrazione negli strati più bassi dipende prevalentemente dall'attività degli organismi vegetali ed animali (alle nostre latitudini è maggiore d’inverno e minore d’estate (così come è più alta di notte e più bassa di giorno); (di notte le piante respirano, ma non fotosintetizzano)

Nel 2001 = 360 ppm (aumento dell’1-2% all’anno) ALLE NOSTRE LATITUDINI Polo Sud Mauna Loa Media 380 Siple 360 340 Concentrazione di CO2 ppm 320 300 280 260 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Andamento delle concentrazioni di CO2 negli ultimi 1000 anni anni Nel 2001 = 360 ppm (aumento dell’1-2% all’anno) ALLE NOSTRE LATITUDINI 500 di notte, 200 di giorno / 400 in inverno, 300 in estate

combustibili fossili e produzione cemento atmosfera 750 superficie oceano 1020 sedimenti 150 DOC <700 5,5 60 1,6 90 92 91,6 100 61,4 0,5 50 40 6 4 0,2 produzione primaria e respirazione uso del suolo Ciclo globale del Carbonio (Valori in miliardi di tonnellate di C) combustibili fossili e produzione cemento vegetazione 610 suolo e detriti 1580 totale 2190 biota marino 3 oceano intermedio e profondo 38100

Ozono (O3): STRATOSFERICO  1. si genera per dissociazione di molecole di ossigeno (causata dalla radiazione UV) in atomi liberi che, entrando in collisione con altre molecole di O2 formano l'ozono;   2. queste reazioni sono particolarmente frequenti ad altitudini comprese tra 30 e 60 km di altitudine; 3. lo strato di ozono riveste particolare importanza dal punto di vista biologico, in quanto la sua molecola assorbe la radiazione UV (0.2-0.3 m), dannosa per gli organismi viventi; 4. tale assorbimento di energia determina un aumento di temperatura alla sommità dello strato di ozono; 5. la concentrazione di questo gas è di circa 7 ppm e diminuisce verso la superficie della terra (O3 TROPOSFERICO), dove è dannoso alla biosfera (è un gas altamente tossico).

riducono anche i danni da ozono Ozono TROPOSFERICO Si genera per l’alterazione del ciclo fotolitico (naturale) da parte degli idrocarburi reattivi volatili (VOCs): NO2 + uv + O2  NO + O- + O2  NO + O3  NO2 + O2 La presenza di VOCs elimina NO bloccando la 3a reazione e determinando l’accumulo di ozono. I danni alla vegetazione si hanno per ossidazione delle membrane cellulari, dopo la penetrazione attraverso gli stomi, per cui: DANNO = Concentrazione x Conducibilità stomatica  Tutti i fattori che limitano gli scambi gassosi (stress idrico e salino,…) riducono anche i danni da ozono

Andamenti giornalieri in 3 località della Campania (valori medi estivi)

Moderatamente sensibili Moderatamente tolleranti Tolleranti Frumento La risposta delle piante è specifica (in alcuni casi varietale) perché esistono diversi meccanismi di resistenza (biochimici, morfologici, enzimatici, fisiologici) Da alcune stime (eseguite in OTC) la perdita di produzione è del 10 - 30% “Entro il 2006 dovrà essere attivata una normativa europea che stabilisca i livelli critici e che imponga agli Stati membri la riduzione delle emissioni dei precursori”, per ora non c’è nulla. Sensibili Moderatamente sensibili Moderatamente tolleranti Tolleranti Frumento Soia Fagiolo Cotone Trifoglio Patata Tabacco Pomodoro B.bietola E.medica Riso Mais Vite Pascoli Avena Orzo

CAMPO PER LO STUDIO DEI DANNI DA OZONO ALLA VEGETAZIONE

Vapor acqueo (H2O):   1. la concentrazione di questo gas varia fortemente nel tempo e nello spazio (tra 0.1 e 7% al suolo); 2. i 3/4 di vapor acqueo dell'atmosfera si trovano generalmente a quote superiori a 4 km; 3. il vapor acqueo si origina dall'evaporazione delle masse di acqua libera (oceani, mari, laghi etc) ma anche dai processi di respirazione e di traspirazione a carico degli esseri viventi; 4. il vapor acqueo contribuisce a provocare le precipitazioni ed agisce sullo scambio di calore tra la terra, che si raffredda per evaporazione, e l'atmosfera, che si riscalda per condensazione di vapor acqueo. E’ responsabile dell’effetto serra.

Pressione atmosferica:   1. è la pressione esercitata da tutte le molecole presenti nella colonna d'aria sovrastante il punto di osservazione; 2.è proporzionale alla massa stessa ma in misura non lineare (a causa del fatto che l'aria è un fluido comprimibile, per cui negli strati più bassi ha una densità maggiore); 3. a parità di altitudine il regime di pressione è assai variabile in relazione a numerosi fattori (latitudine, temperatura, moto dell'aria); 4. quando l'aria è riscaldata diviene meno densa e quindi una colonna d'aria calda pesa meno di una colonna di aria fredda di pari altezza e sezione; 5. il moto d'aria influenza la pressione sia in funzione della sua direzione sia in funzione della sua velocità (addensamento=aumento di pressione).