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Francesco Giannino » 23.Un modello ecosistemico del ciclo del carbonio


Obiettivo della lezione

Implementazione ed analisi di un modello ecosistemico del Ciclo del Carbonio

(PRIN 2003 – “Analisi modellistica dei flussi di C in macchia mediterranea: influenze della variabilità spaziale della copertura vegetale”)

Descrizione del modello

Obiettivo

Analisi e implementazione di un modello per simulare il ciclo ecosistemico del carbonio (fissazione del carbonio e decomposizione) in macchia mediterranea in differenti condizioni ambientali e con differenti specie vegetali.

Descrizione generale del modello

Il modello complessivo del ciclo del carbonio in macchia mediterranea è strutturato in tre sottomodelli principali:

  1. Sottomodello vegetazione
  2. Sottomodello sostanza organica del suolo
  3. Sottomodello ciclo dell’acqua

I sottomodelli sono collegati agli input ambientali raggruppati in due sezioni:

  • (a) fattori di disturbo quali: fuoco, taglio della vegetazione e azione del pascolo degli animali
  • (b) fattori abiotici che influenzano i differenti processi ecosistemici quali: luce, temperatura dell’aria e del suolo, umidità del suolo nei sui differenti strati (lettiera, suolo superficiale e sottosuolo), contenuto in nutrienti e rapporto C:N del terreno.

Il modello ha un time step giornaliero.

Schema del modello


Schema del modello in Simile


I sottomodelli: vegetazione e acqua

Sottomodello vegetazione

Il sottomodello vegetazione (in verde) modella i processi di fotosintesi, respirazione della vegetazione (aerea e radicale) e la produzione del detrito a livello aereo e radicale. Nel modello tali processi sono specie-specifici ed influenzati dalle variabili ambientali precedentemente descritte.
Output del modello vegetazione sono: (1) la respirazione aerea e radicale della vegetazione (2) la produzione di detrito aereo e radicale.

Sottomodello ciclo dell’acqua

Il sottomodello del ciclo dell’acqua (in azzuro) calcola la quantità di acqua presente in due strati di suolo: (a) la lettiera superficiale e (b) il suolo sottostante.
Il bilancio idrico è quindi calcolato per diversi tipi di suolo (differenti tessitura) in funzione dei seguenti processi:

  • infiltrazione della pioggia
  • la traspirazione della pianta
  • il drenaggio dallo strato superiore
  • il drenaggio verso lo strato inferiore
  • l’evaporazione (solo nel primo strato)

Sottomodello sostanza organica del suolo

Il sottomodello sostanza organica del suolo (Figura 3) modella i processi di decomposizione, umificazione e mineralizzazione che hanno luogo nel terreno. Il sottomodello sostanza organica del suolo è costituito a sua volta da tre sottomodelli che rappresentano rispettivamente:

  • (a) il processo di decomposizione della sostanza organica (Decomposizione in marrone chiaro);
  • (b) il processo di umificazione della sostanza organica (Umificazione in marrone scuro);
  • (c) l’attività dell’edafon del suolo (Edafon in rosa).

Agli input ambientali già descritti che influenzano i tali processi si aggiunge in questo casi l’input della produzione di detrito aereo e radicale derivante dal modello vegetazione. Output di tale sottomodello sono la frazione di respirazione del suolo imputabile all’edafon collegati ai processi di decomposizione e umificazione. Tale respirazione, sommata alla respirazione degli apparati radicali (output del modello vegetazione) rappresenta la respirazione totale del suolo.

I sottomodelli: sostanza organica – schema


Sottomodello decomposizione

Il sottomodello decomposizione costituisce un elemento chiave del modello. Input di tale modello, oltre ai parametri ambientali, è il carbonio organico proveniente dal detrito aereo e radicale. Il carbonio organico in questo sottomodello viene separato in tre frazioni (carbonio lisciviabile, carbonio labile e carbonio stabile) in relazione alla sua composizione chimica ed alla struttura fisica della lettiera. Le differenti specie vegetali apportano carbonio nelle tre frazione in maniera differenziale in relazione alla loro composizione chimica.

Una volta che il carbonio organico morto (detrito) giunge al terreno è soggetto ai processi di decomposizione.

Il processo di decomposizione produce tre output:

  1. carbonio lisciviato in relazione alle condizioni climatiche, in particolare le piogge e l’umidità del suolo;
  2. respirazione del suolo durante il processo decompositivo effettuato dall’edafon;
  3. stabilizzazione del carbonio in humus attraverso il processo di umificazione.

I principali input ambientali che influenzano tali processi sono l’umidità del terreno, la temperatura, la disponibilità di nutrienti e il livello di saturazione del suolo che è inversamente correlato con la disponibilità di ossigeno per i processi di decomposizione. Ulteriore variabile che riveste particolare importanza è il livello di frammentazione meccanica della lettiera che a sua volta è funzione dell’attività della macro e micro-fauna e dei processi di gelo-disgelo e idratazione-disidratazione.

I sottomodelli: decomposizione – schema


I sottomodelli: umificazione ed edafon

Sottomodello Umificazione

Nel sottomodello umificazione (in marrone scuro) i processi sono gli stessi del modello decomposizione.

Sottomodello edafon

Il sottomodello edafon è costituito da due parametri: (a) Fauna edifica che determina la frammentazione della lettiera e (b) Microflora che determina la decomposizione del materiale organico. L’attività dell’edafon non e’ modellizzata ma risulta come una variabile che influenza il processo di decomposizione in relazione alla sua presenza ed abbondanza. Tale scelta è stata determinata dal fatto che non era obiettivo dello studio modellizzare le dinamiche di popolazioni microbiche.

Tabella Input Modello


Simulazioni

La figura mostra la simulazione di un esperimento di litter bag della durata di circa 3 anni di Quercus ilex in un clima meditteraneo con buona piovesita (1000 mm/anno). I risultati mostrano che la decomposizione ha una tipica dinamica stagionale, molto lenta durante il periodo arido e rapida in presenza di piogge. Inoltre si evidenziano i differenti tassi di decomposizione della frazione stabile rispetto alle frazioni labili e lisciviabili.

Simulazione del modello di decomposizione per litter bag

Simulazione del modello di decomposizione per litter bag


Simulazioni

Dinamica di decomposizione di un esperimento di litter bag della durata di circa 3 anni confrontando 3 specie

Dinamica di decomposizione di un esperimento di litter bag della durata di circa 3 anni confrontando 3 specie


Simulazioni

Simulazione di ciclo ecosistemico di tre specie

Simulazione di ciclo ecosistemico di tre specie


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