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.1
1. CNR-IBAF Porano (Terni), [email protected]
2. CNR-ISAFOM Ercolano (Napoli), [email protected]
3. DPVTA, Università di Udine, [email protected]
4. DSA Seconda Università di Napoli, [email protected]
Scopi della Ricerca
Introduzione
A livello ecosistemico, il bilancio del carbonio dipende
dai flussi di CO2 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 13C, arricchendo la
CO2 dello strato limite; al contrario, la respirazione
utilizzando substrati organici di origine fotosintetica,
tende a rilasciare nell’atmosfera CO2 impoverita in 13C.
Di conseguenza la composizione isotopica (d13C) della
CO2 dello strato limite risulterà determinata dal bilancio
netto tra i processi fotosintetico e respiratorio (Yakir e
Sternberg, 2000).
d13C
Camera
sottostomatica
stoma
mesofillo
Diffusione
4.4
CO2
L’aria si arricchisce in
13CO
2
(il d13C aumenta)
Rubisco
27
CO2
La fotosintesi
favorisce la 12CO2
(il d13C diminuisce)
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.
Materiali e Metodi
Il
della CO2 respirata dall’ecosistema
può
essere determinato tramite Keeling plot notturno, come
intercetta della relazione lineare tra l’inverso della
concentrazione ed il d13C della CO2 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 (De; Buchmann et al., 1998). Inoltre, in base alla
relazione inversa tra De 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.
dtroposferico
(d13CER)
De
troposfera
dER = daria
(nelle ore notturne)
biosfera
Dfotosintesi
dfoglia
dlettiera
dSOM
pedosfera
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 CO2 utilizzando un analizzatore
all’infrarosso. I suddetti campioni sono stati purificati al
fine di separare l’H2O e la CO2 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 CO2
purificata e sul materiale fogliare è stato in seguito
determinato il valore di d13C tramite spettrometro di massa
per isotopi stabili.
Risultati
d 13C - CO2, %o
-7,6
Maggio 2000
Macchia
mediterranea
bassa
-7,8
Figura 1. Variazione giornaliera della composizione isotopica
della CO2 (d13C-CO2) campionata sopravvento all’isola e sulla
zona costiera a macchia mediterranea bassa. Il d13C-CO2
sopravvento all’isola non risulta dipendente dall’ora di
campionamento, mentre nella regione a macchia mediterranea
si osserva un impoverimento in 13C 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.
-8,0
-8,2
Costa
sopravvento
-8,4
0
8
10
12
14
16
18
20
22
Ora del giorno
y=5438,9 - 24,75
r2=0,983
d13C - CO2 (%O)
La discriminazione isotopica ecosistemica (De) può essere
calcolata conoscendo la composizione isotopica della CO2
respirata dall’ecosistema (d13CER) e quella
troposferica
(d13Ctrop), attraverso la seguente formula (Farquhar, 1982;
Buchmann et al., 1998):
d 13Ctrop  d 13C ER
De 
1  d 13C ER
Nel nostro caso, assumendo come valore di d13Ctrop quello
della CO2 prelevata sopravvento e, quindi, non influenzata
dall’attività dell’isola e come d13CER quello ottenuto
dall’intercetta del Keeling plot notturno di maggio si ottiene:
-10
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 CO2 dell’aria prelevata al di sopra
della copertura vegetale fornisce il valore di d13C della
respirazione ecosistemica (d13CR).
Discriminazione Isotopica Ecosistemica della
macchia mediterranea
De = 17,1 ‰
Il valore di De 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).
-12
0,0025
13
d C, %o
-25
-26
-27
-28
-29
-30
-31
Pista
cia l
Rorm
arinu
so
Matt
hiola
t
Sene
cio c
Feru
la c
Capp
aris s
Lonic
era i
Ruta
c
Crith
mum
Limo
nium
m
Teuc
rium
f
Thim
eleae
a
Smil
ax a
Pinu
sh
Junip
erus
p
isum
Glau
cium
f
Coro
nilla
Cistu
si
Elicr
emis
m
Conclusioni
Figura 3. Composizione isotopica del carbonio (d13C) delle
foglie delle principali specie della vegetazione costiera.
L’ampia variabilità in d13C (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 d13C indica un differente
contributo delle specie in questione al segnale isotopico della
respirazione ecosistemica.
(d13C)
Figura 4. Correlazione tra composizione isotopica del carbonio
ed ossigeno
(d18O) su foglie di una tipica associazione vegetale di macchia mediterranea. Una
relazione positiva indica che le differenze in d13C sono principalmente dovute al
diverso grado di apertura stomatica (Scheidegger et al., 2000). d13C dipende dal
rapporto tra assimilazione di CO2 e conduttanza stomatica (A/gs). d18O è
determinato, oltre che da d18O della fonte idrica, dal frazionamento isotopico
contro l’18O dell’acqua fogliare per traspirazione. Tale frazionamento dipende da
gs. Valori elevati di gs causano una riduzione in d18O 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 d13C.
Oxygen isotope composition, %o
-24
Anth
-23
Cistu
s
m
1/[CO2] (ppm-1)
r=0.61
Smilax a.
30
Thimeleaea h.
Juniperus p.
Cistus i.
28
Pistacia l.
Lonicera i.
Da questa indagine preliminare è stato possibile:
- determinare l’incidenza dei processi fotosintetici e respiratori
sulla composizione isotopica della CO2 dello strato limite della
zona a macchia mediterranea dell’isola di Pianosa.
-determinare la composizione isotopica della CO2 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.
Prospettive future
Cistus m.
26
Rosmarinus o.
24
-30
-28
-26
-24
Carbon isotope composition, %o
Bibliografia
Attraverso l’analisi combinata di concentrazione e d13C dei
flussi di CO2 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.
•Bowling D.R., Tans P., Monson R.K. (2001). Partitioning net ecosystem carbon exchange with isotopic fluxes of CO2. Global Change Biology, 7: 127-145.
•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. 399-434, 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. 203-222.
•Keeling C.D. (1958). The concentration and isotopic abundances of atmospheric carbon dioxide in rural areas. Geochim. Cosmochim. Acta, 13: 322-334.
•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, 297-311.
•Yakir D., Sternberg L. da S.L. (2000). The use of stable isotopes to study ecosystem gas exchange. Oecologia, 123: 297-311.