Determinazione della Discriminazione Ecosistemica della Macchia Mediterranea Mediante Approcci Isotopici Scartazza A. 1, Bertolini T. 2,4, Di Tommasi P. 2, Peressotti A. 3, Cotrufo M.F. 4, Magliulo V. 2, Brugnoli E CNR-IBAF Porano (Terni), 2. CNR-ISAFOM Ercolano (Napoli), 3. DPVTA, Università di Udine, 4. DSA Seconda Università di Napoli, A livello ecosistemico, il bilancio del carbonio dipende dai flussi di CO 2 legati ai processi fotosintetici e respiratori. L’analisi degli isotopi stabili consente la ripartizione dello scambio netto di carbonio (C) tra biosfera ed atmosfera nei suoi flussi componenti (Bowling et al., 2001). La fotosintesi discrimina contro l’isotopo più pesante del carbonio 13 C, arricchendo la CO 2 dello strato limite; al contrario, la respirazione utilizzando substrati organici di origine fotosintetica, tende a rilasciare nell’atmosfera CO 2 impoverita in 13 C. Di conseguenza la composizione isotopica (  13 C) della CO 2 dello strato limite risulterà determinata dal bilancio netto tra i processi fotosintetico e respiratorio (Yakir e Sternberg, 2000). Il  13 C della CO 2 respirata dall’ecosistema (  13 C ER ) può essere determinato tramite Keeling plot notturno, come intercetta della relazione lineare tra l’inverso della concentrazione ed il  13 C della CO 2 dell’aria in equilibrio con l’attività dell’ecosistema (Keeling, 1958). Tale parametro fornisce indicazioni sul substrato respiratorio e può essere utilizzato al fine di ripartire i flussi netti di C e valutare la discriminazione isotopica dell’ecosistema in studio (  e ; Buchmann et al., 1998). Inoltre, in base alla relazione inversa tra  e ed efficienza d’uso idrico (WUE) nelle piante a metabolismo C3 (Brugnoli e Farquhar, 2000), l’analisi isotopica fornisce una stima indiretta di WUE dell’intero ecosistema e delle singole specie vegetali. Figura 2. Keeling plot notturno della macchia mediterranea bassa durante il mese di maggio. L’intercetta della regressione lineare tra la composizione isotopica e l’inverso della concentrazione di CO 2 dell’aria prelevata al di sopra della copertura vegetale fornisce il valore di  13 C della respirazione ecosistemica (  13 C R ). Figura 3. Composizione isotopica del carbonio (  13 C) delle foglie delle principali specie della vegetazione costiera. L’ampia variabilità in  13 C (oltre il 5 ‰) indica la coesistenza di specie caratterizzate da differente attività fotosintetica e strategia d’uso idrico. In base alla ben nota relazione inversa tra discriminazione isotopica ed efficienza d’uso idrico (WUE), è possibile individuare specie caratterizzate da alta WUE (quali il Juniperus p.) ed altre da bassa WUE (quali il Cistus m.). Inoltre, tale variabilità in  13 C indica un differente contributo delle specie in questione al segnale isotopico della respirazione ecosistemica. Introduzione Figura 4. Correlazione tra composizione isotopica del carbonio (  13 C) ed ossigeno (  18 O) su foglie di una tipica associazione vegetale di macchia mediterranea. Una relazione positiva indica che le differenze in  13 C sono principalmente dovute al diverso grado di apertura stomatica (Scheidegger et al., 2000).  13 C dipende dal rapporto tra assimilazione di CO 2 e conduttanza stomatica (A/gs).  18 O è determinato, oltre che da  18 O della fonte idrica, dal frazionamento isotopico contro l’ 18 O dell’acqua fogliare per traspirazione. Tale frazionamento dipende da gs. Valori elevati di gs causano una riduzione in  18 O dell’acqua fogliare e, quindi, del materiale organicato. Stomi più aperti determinano anche un incremento di A/gs che si riflette in una riduzione di  13 C.   ER = (nelle ore notturne)  aria  troposferico ee  foglia  fotosintesi  lettiera  SOM biosfera pedosfera troposfera Risultati La discriminazione isotopica ecosistemica (  e ) può essere calcolata conoscendo la composizione isotopica della CO 2 respirata dall’ecosistema (  13 C ER ) e quella troposferica (  13 C trop ), attraverso la seguente formula (Farquhar, 1982; Buchmann et al., 1998): Nel nostro caso, assumendo come valore di  13 C trop quello della CO 2 prelevata sopravvento e, quindi, non influenzata dall’attività dell’isola e come  13 C ER quello ottenuto dall’intercetta del Keeling plot notturno di maggio si ottiene:  e = 17,1 ‰ Materiali e Metodi Discriminazione Isotopica Ecosistemica della macchia mediterranea Conclusioni Prospettive future Attraverso l’analisi combinata di concentrazione e  13 C dei flussi di CO 2 e delle composizioni isotopiche di lettiera, suolo e componenti vegetali dell’ecosistema in studio, si procederà alla ripartizione dei flussi netti nei flussi fotosintetico e respiratorio e, di quest’ultimo, nelle componenti auto- ed eterotrofiche. Scopi della Ricerca Il PianosaLab è un progetto nazionale finalizzato alla determinazione del bilancio del carbonio ed allo studio del processo di rinaturalizzazione dell’isola di Pianosa. Tale isola, dopo il disturbo antropico e l’attività della colonia penale, è attualmente un ecosistema composito costituito da ambienti caratterizzati da un diverso grado di naturalità. Nell’ambito di tale progetto sono stati studiati i flussi isotopici fotosintetici e respiratori della zona costiera a macchia mediterranea bassa, uno degli ecosistemi di maggiore interesse della regione mediterranea. Lo scopo della ricerca consiste nell’ottenere informazioni sui meccanismi funzionali che regolano gli scambi di carbonio di questo ecosistema. Nel mese di maggio 2000 durante differenti ore del giorno e della notte sono stati prelevati campioni di aria (2 litri) sopravento all’isola e sulla zona costiera sottovento, dominata da un vegetazione di macchia mediterranea bassa. Su tale ecosistema, nel corso di due notti del mese di maggio 2001, sono stati prelevati campioni di aria a diverse quote da terra, misurando in tempo reale le corrispondenti concentrazioni di CO 2 utilizzando un analizzatore all’infrarosso. I suddetti campioni sono stati purificati al fine di separare l’H 2 O e la CO 2 attraverso una serie di trappole criogeniche. In tale area dell’isola sono stati inoltre raccolti campioni vegetali fogliari che sono stati successivamente essiccati e polverizzati. Sulla CO 2 purificata e sul materiale fogliare è stato in seguito determinato il valore di  13 C tramite spettrometro di massa per isotopi stabili. Il valore di  e fornisce una stima indiretta dell’efficienza d’uso idrico dell’ecosistema in studio durante il mese di maggio. Tale valore permette un confronto con la discriminazione di ecosistemi terrestri posti a differenti latitudini e longitudini (Buchmann e Kaplan, 2001). Da questa indagine preliminare è stato possibile: - determinare l’incidenza dei processi fotosintetici e respiratori sulla composizione isotopica della CO 2 dello strato limite della zona a macchia mediterranea dell’isola di Pianosa. -determinare la composizione isotopica della CO 2 respirata durante il mese di maggio e, attraverso di questa, la discriminazione isotopica ecosistemica della macchia mediterranea. - determinare la composizione isotopica del carbonio e dell’ossigeno delle principali specie componenti l’associazione vegetale in studio. I risultati indicano un’ampia variabilità in efficienza d’uso idrico tra le suddette specie ed un loro diverso contributo ai flussi isotopici respiratori e fotosintetici. Bowling D.R., Tans P., Monson R.K. (2001). Partitioning net ecosystem carbon exchange with isotopic fluxes of CO 2. Global Change Biology, 7: Brugnoli E. and Farquhar G.D. (2000). Photosynthetic fractionation of carbon isotopes. In Advances in Photosynthesis – Photosynthesis: Physiology and Metabolism (edited by Leegood R.C. et al.), pp , Kluwer Academic Publishers, The Netherlands. Buchmann N., Brooks J.R., Flanagan L.B., Ehleringer J.R. (1998). Carbon isotope discrimination of terrestrial ecosystems. In: Griffiths H. (ed), Stable Isotopes – Integration of Biological, Ecological, and Geochemical Processes. BIOS, Oxford, pp Keeling C.D. (1958). The concentration and isotopic abundances of atmospheric carbon dioxide in rural areas. Geochim. Cosmochim. Acta, 13: Scheidegger Y., Saurer M., Bahn M., Siegwolf R. (2000). Linking stable oxygen and carbon isotopes with stomatal conductance and photosynthetic capacity: a conceptual model. Oecologia. 123, Yakir D., Sternberg L. da S.L. (2000). The use of stable isotopes to study ecosystem gas exchange. Oecologia, 123: Figura 1. Variazione giornaliera della composizione isotopica della CO 2 (  13 C-CO 2 ) campionata sopravvento all’isola e sulla zona costiera a macchia mediterranea bassa. Il  13 C-CO 2 sopravvento all’isola non risulta dipendente dall’ora di campionamento, mentre nella regione a macchia mediterranea si osserva un impoverimento in 13 C durante la notte ed un arricchimento in tale isotopo nelle ore centrali della giornata. Tale risultato è imputabile al bilancio netto tra i processi di fotosintesi e respirazione, con il prevalere della respirazione durante la notte e del processo fotosintetico di giorno. Macchia mediterranea bassa Costa sopravvento Camera sottostomatica stoma CO 2 mesofillo CO 2 La fotosintesi favorisce la 12 CO 2 (il  13 C diminuisce) L’aria si arricchisce in 13 CO 2 (il  13 C aumenta) Diffusione 4.4 Rubisco 27 Bibliografia