Nuovi fattori di emissione per la biomassa epigea nei sistemi arborei perenni

Abstract

L'obiettivo principale di questo studio è quello di identificare nuove possibili fonti di informazione nei vari paesi dell'area Mediterranea, allo scopo di fornire fattori specifici per il carbonio contenuto nella biomassa epigea di olivo e vite da poter essere utilizzati al fine di migliorare la precisione delle stime effettuate per assolvere agli obblighi di reporting comunitario e internazionale per il settore uso del suolo, cambiamenti di uso del suolo e selvicoltura.

Introduzione

Nelle piante il carbonio atmosferico (C) si accumula nella biomassa vivente epigea, nelle radici (biomassa ipogea), e infine nel suolo come sostanza organica. Le piante annuali e perenni erbacee sono caratterizzate da un ciclo annuale in cui le emissioni di C dovute alla decomposizione della sostanza organica della biomassa sono compensate dagli assorbimenti nell'anno successivo e quindi gli stock di C in questa biomassa sono considerati stabili a lungo termine (Ipcc 2006). Al contrario, le colture arboree perenni hanno la potenzialità di immagazzinare C molto più a lungo termine nei tessuti legnosi della biomassa epigea. Questo comparto è pertanto importante nella stima del bilancio delle emissioni ed assorbimenti della categoria “terreni agricoli”, il quale rientra nella contabilità nazionale al fine del raggiungimento degli impegni sottoscritti dall’Italia in ambito Unfccc, del relativo Protocollo di Kyoto, e le relative decisioni e regolamenti dell'UE (Decisione 529/2013/UE, regolamento UE 525/2013) per il settore uso del suolo, cambiamenti di uso del suolo e selvicoltura.
La valutazione annuale dei flussi di C dovuti alla biomassa a livello nazionale si basa sulle metodologie proposte dall'Ipcc (2006), attraverso due approcci:

• Il “Default Method” (o “Gain-Loss Method”), prevede che la perdita di C della biomassa (utilizzazioni, mortalità, incendi, etc.) sia sottratta dal guadagno di C della biomassa (crescita in biomassa epigea e ipogea).
• Lo “Stock Change Method”, ovvero della differenza di stock, richiede misurazioni dello stock di C presente nella biomassa per una data superficie in due punti nel tempo. Il cambiamento annuale della biomassa è dato dalla differenza tra lo stock di biomassa al tempo t₂ e al tempo t₁, diviso per il numero di anni intercorsi tra gli inventari.

Per garantire l’accuratezza delle stime di stock di C, incluse nell’inventario nazionale dei gas serra, è consigliato usare il più possibile statistiche e studi a livello nazionale. In Italia, la presenza di misurazione della quantità di biomassa nei sistemi arborei perenni è sporadica e prevalentemente di carattere sito specifico (es. Proietti et al. 2016; Brunori et al. 2017; Brunori et al. 2016), e non rappresentativa dell’intero territorio italiano. In mancanza di valori specifici per la biomassa perenne delle colture arboree in una data area, l'Ipcc 2006 suggerisce dei coefficienti di default da utilizzare per l’applicazione del calcolo della biomassa con gli approcci sopra citati. Tali coefficienti presentano alcune problematiche di applicabilità all’area mediterranea quali: a) non sono presenti valori specifici per la regione Mediterranea, che è contenuta in un'ampia classe denominata a "Clima Temperato”; b) le colture arboree perenni sono trattate come una singola categoria, senza alcuna differenziazione tra tipi di colture o regimi di gestione; c) si assume un ciclo di accumulo di C di 30 anni, oltre al quale si ipotizza che la biomassa arrivi ad uno stato stazionario dove l’accrescimento si presume nullo; c) i valori per la biomassa ipogea (radici) non sono forniti.
Lo scopo del presente lavoro, scaturito nell’ambito del progetto Life-MediNet (www.lifemedinet.com), è quello di creare un database da letteratura che raccolga tutte le informazioni disponibili sulla biomassa epigea e ipogea degli oliveti e dei vigneti (Canaveira et al. 2018). Il fine ultimo è quello di trovare dei fattori di riferimento che possano essere applicati in ambito Mediterraneo ed incrementare quindi l’affidabilità delle stime delle emissioni e degli assorbimenti.

Metodologia

Per proporre nuovi fattori applicabili alle condizioni del Mediterraneo, il progetto Life-MediNet ha intrapreso una revisione sistematica delle informazioni derivanti dalla letteratura scientifica nazionale e internazionale relative al C contenuto nella biomassa epigea e ipogea delle colture arboree perenni. In particolare, la raccolta di dati ha riguardato due diverse tipologie di colture arboree perenni caratteristiche dell’ambiente mediterraneo: oliveti e vigneti. La raccolta delle informazioni ha riguardato tutte le nazioni Europee con clima Mediterraneo, quali: Portogallo, Spagna, Francia meridionale, Italia, Slovenia, Grecia, Malta e Cipro, e che contribuiscono al progetto Life-MediNet. La ricerca si è concentrata sulla raccolta di dati riguardanti la biomassa legnosa (fusto e rami grandi e piccoli, radici) ma anche su foglie e frutti, provenienti dalle seguenti fonti: a) inventario nazionale delle emissioni e degli assorbimenti di gas serra dei paesi MediNet; b) letteratura scientifica (es. articoli peer reviewed su riviste nazionali e internazionali); c) letteratura grigia (es. relazioni di progetto, tesi di laurea, atti di congressi); d) richieste di informazioni agli autori dei vari articoli e ai punti di riferimento nazionali del progetto Life-MediNet.
Il Database finale ha incluso un totale di 136 osservazioni relative alla biomassa epigea e/o ipogea. Data la grande eterogeneità dei dati disponibili, essi sono stati rielaborati ed armonizzati al fine di renderli comparabili, per quanto possibile. I dettagli dell’intero processo di armonizzazione e la bibliografia utilizzata per la creazione del database sono riportati in Canaveira et al. (2018). I dati derivano da studi contenenti dati su biomassa totale, biomassa delle relative porzioni (es. rami fusto, radici) o dati utili al fine del calcolo della biomassa (es. diametri, altezze), e sono distribuiti principalmente in Spagna (40%), Italia, (30%), Portogallo (10%), Francia (10%), e Grecia (10%). Gli oliveti e i vigneti inclusi nello studio sono caratterizzati da forme di gestione diverse, sia tra nazioni che all’interno di una nazione stessa, ed inoltre sono rappresentativi di varie classi di età. Questo contribuisce notevolmente ad incrementare la variabilità del campione analizzato. Il processo di armonizzazione si è basato sulle seguenti fasi: a) armonizzazione delle unità di misura: tutte le unità di misura sono state convertite in t_ss/ha (ss = sostanza secca) e tC/ha; b) corrispondenza tra i dati di ingresso e le definizioni di "Biomassa epigea" che per il presente studio comprende il tronco principale, la ceppaia e i rami.
Al fine di effettuare un controllo sulla qualità dei dati reperiti, per limitare la possibilità di errori sia nella fase di ingresso dei dati nel database che nella fase di elaborazione, sono state applicate le seguenti procedure:

• • Controllo casuale di circa il 10% dei dati inseriti nel database per verifica possibili inesattezze;
• • Verifica dei "valori anormali";
• • "Controlli logici" con semplici test matematici come ad esempio verificare se i valori dei parametri che rappresentano la somma delle sotto componenti sono uguali alla somma di tutti i valori di ciascun componente corrispondente.

I dati armonizzati sono stati utilizzati per calibrare le curve di crescita per le variabili biomassa epigea e biomassa ipogea, utilizzando una funzione logistica che descrive la biomassa in funzione dell’età. La funzione logistica è un modello analitico ampiamente utilizzato per determinare la crescita di peso o volume di organismi (Karkach 2006). L’equazione 1 riporta la crescita in biomassa descritta dalla tipica funzione sigmoide, dove la crescita è inizialmente esponenziale (aumenta di una percentuale costante nel tempo), e dopo un certo tempo rallenta (il tasso di crescita diminuisce) e infine, a maturità, un livello asintotico di biomassa è raggiunto, cioè, la crescita si ferma:

dove:

By = Biomassa della coltura prima dell’espianto all’età y; a = biomassa all’equilibrio (es. quando non si hanno ulteriori incrementi di crescita) ; b = tasso di crescita durante la fase esponenziale; c = età con il 50% della biomassa all’equilibrio; y = età della pianta.
I parametri del modello sono stati stimati utilizzando il set di dati disponibile, attraverso il modulo “regressione non lineare” del software Ibm Spss Statistics, nella sua versione 25 per MS Windows, il quale stima tre parametri per ogni caso.
Per gli oliveti, il modello di crescita logistica per la biomassa epigea e quella ipogea è stato calibrato utilizzando 73 osservazioni del database, mentre per i vigneti, il modello di crescita per la biomassa epigea e ipogea è stato sviluppato utilizzando 63 osservazioni.

Risultati

Modello per gli oliveti

I parametri stimati utilizzando il modello considerato per la tipologia oliveti sono riportati nella tabella 1 (± indica l'intervallo di confidenza del 95% dei parametri). La caratterizzazione statistica delle osservazioni presenti all’interno della componente epigea (CV = 14; Min = 8.3; Max = 24.3) e di quella ipogea (CV = 12; Min = 2.1; Max = 7.4), indica una discreta variabilità nella distribuzione dei dati.

Tabella 1 – Parametri da utilizzare nella funzione di crescita logistica degli gli oliveti

^§ a=Biomassa all’equilibrio (tss/ha); b= tasso di crescita durante la fase esponenziale (tss/ha); c=età con il 50% della biomassa all’equilibrio (tss/ha). * Numero di osservazioni utilizzato.
Fonte: Database descritto in Tabella 17, pagina 30, di Canaveira et al. (2018)

Applicando il modello sviluppato si ottengono degli stock di C della biomassa epigea, che variano da  9.4 tss/ha a 5 anni dall’impianto, fino a circa 20 tss/ha a 30 anni, mentre per lo stesso periodo la biomassa ipogea varia da 2.8 tss/ha a 5.8 tss/ha (Tabella 2).
Nel calcolo della biomassa ipogea, l’Ipcc (2006) applica il Root to Shoot ratio (Rts) che consente di stimare la biomassa ipogea in funzione di quella epigea. Il Rts, calcolato sulla base dei dati relativi alle biomasse epigea ed ipogea misurati e raccolti in bibliografia è pari al 30%. L’incertezza per Rts in relazione alla biomassa epigea, è stata stimata utilizzando l'approccio 1 delle linee guida Ipcc (2006) per la propagazione degli errori.

Tabella 2 – Stima della biomassa epigea (BE), del root to shoot ratio (Rts) e della biomassa ipogea (BI) per gli oliveti. In parentesi l’incertezza, relativa alla stima espressa come percentuale

Fonte: elaborazione degli autori

Modello per i vigneti

Le incertezze dei parametri usati nell’equazione 1 e relative a biomassa epigea e ipogea per i vigneti sono riportati nella tabella 3 (± indica l'intervallo di confidenza del 95% dei parametri).

Tabella 3 – Parametri da utilizzare nella funzione di crescita logistica dei vigneti

^§ a=Biomassa all’equilibrio (tss/ha); b= tasso di crescita durante la fase esponenziale (tss/ha); c=età con il 50% della biomassa all’equilibrio (tss/ha). * Numero di osservazioni utilizzato.

Fonte: Database descritto in Tabella 20, pagina 33, di Canaveira et al. (2018)

Applicando il modello sviluppato si ottengono degli stock di C della biomassa epigea all'età di riferimento variano da 0.9 tss/ha a 5 anni dall’impianto, fino a circa 12 tss/ha a 30 anni, mentre per lo stesso periodo la biomassa ipogea varia da 1.8 tss/ha a 10 tss/ha (Tabella 4).
I Rts per i vigneti variano in funzione dell’età (Tabella 4) passando da 200% della biomassa epigea a 5 anni, fino all’ 85% a 30 anni. Le incertezze per Rts sono state stimate utilizzando l'approccio 1 delle linee guida Ipcc 2006 per la propagazione degli errori.

Tabella 4 - Stima della biomassa epigea (BE), del root to shoot ratio (Rts) e della biomassa ipogea (BI) per i vigneti. In parentesi l’incertezza, relativa alla stima espressa come percentuale

Fonte: elaborazione degli autori

Proposta di nuovi fattori

Dai dati analizzati è stato possibile verificare che le colture considerate raggiungono un equilibrio in termini di crescita di biomassa ad un’età di 20 anni e non di 30, come indicato dall’Ipcc. La tabella 5 mostra gli stock di C all’equilibrio, considerando 20 anni come periodo prima di raggiungere lo stato stazionario, il quale non è da confondersi con il ciclo colturale della specie che può avere dei turni anche maggiori.

Tabella 5 – Coefficienti di default a maturità. In parentesi l’incertezza, relativa alla stima espressa come percentuale

¹ Si riferisce alla biomassa dopo la potatura che nelle condizioni Mediterranee corrisponde allo stock di C presente in inverno. Periodo a maturità = tempo necessario affinché la biomassa raggiunga un livello stabile e non i normali cicli di reimpianto delle colture.

Fonte: elaborazione degli autori

Quando è invece nota l'età della piantagione, è consigliabile utilizzare i valori delle tabelle 2 e 4 o i modelli sviluppati.

Discussione e conclusioni

I fattori proposti in questo studio si basano su studi condotti utilizzando definizioni e metodologie non sempre pienamente equiparabili e ciò può limitare l’applicabilità dei modelli stessi a casi specifici. Per l’ottenimento di stime più accurate di valori di riferimento, è auspicabile lo sviluppo e l’implementazione di studi che prevedano l’applicazione di definizioni, metodi e protocolli comuni, al fine di consentire il confronto dei dati ottenuti e il loro impiego in attività di modellizzazione. Ciononostante i fattori proposti rappresentano un primo passo per cercare di ottenere stime più accurate nell’ambito dell’inventario delle emissioni e degli assorbimenti dei paesi del mediterraneo.
I valori attuali sono rappresentativi di condizioni medie di gestione in termini di potatura e densità di impianto, e di caratteristiche ambientali (tipo di suolo, fertilità, altitudine, precipitazioni, etc.). Tuttavia bisogna considerare che le condizioni ambientali e i diversi sistemi colturali adottati possono portare a differenze notevoli in termini di accumulo di biomassa. D’altra parte l’Ipcc (2006) presenta un unico fattore di default per la sola biomassa epigea dei frutteti delle aree temperate pari a 63tC ha^-1, relativo ad un ciclo di 30 anni. Questo valore è evidentemente non rappresentativo per le aree mediterranee, e vista l’assenza di studi esaustivi, l’inventario nazionale delle emissioni di gas serra italiano (Nir 2018) utilizza un valore medio unico per tutti i frutteti, pari a 10 tC ha^-1, con un ciclo a maturità di 20 anni, valore riportato dall’inventario Spagnolo. Il dato Ipcc è evidentemente sovrastimato rispetto ai valori degli oliveti e vigneti stimati in questo studio (9.1 tC ha^-1, 5.5 tC ha^-1 rispettivamente), mentre il dato spagnolo si avvicina al valore degli oliveti, ma sovrastima quello dei vigneti. È dà notare che a livello Italiano oliveti e vigneti rappresentano circa il 75%, in termini di superficie, dell’intera categoria “frutteti” (dati Istat 2011). In generale la categoria “colture arboree perenni” è caratterizzata da varie tipologie di colture molto diverse per dimensioni, turni e pratiche di gestione, il cui ruolo nel ciclo del C è spesso sottovalutato per via di una fondamentale carenza di dati sulla biomassa. Lo studio condotto dal progetto Life-MediNet può rappresentare un contributo per la stima di valori specifici per queste colture in ambiente mediterraneo, che può essere utilizzato nell’ambito degli inventari nazionali, attraverso la fornitura di un dato rappresentativo e basato su studi scientifici tracciabili. Oltre ai valori di biomassa epigea il progetto fornisce anche fattori di conversione relativi alla biomassa ipogea, dato attualmente mancante nell’inventario nazionale (Canaveira et al. 2018). Si evidenzia quindi la necessità di ulteriori studi specifici, che mirino alla quantificazione della biomassa delle varie specie e tipologie colturali, utilizzando criteri e definizioni riconosciuti a livello internazionale come quelli forniti dall’Ipcc (2006). A tal riguardo, potrebbe essere utile sviluppare un protocollo per la standardizzazione delle procedure di campionamento e stima degli stock di carbonio della biomassa dei frutteti, attività che potrebbe essere prevista nell’ambito delle attività del Registro Nazionale dei Serbatori di carbonio agroforestali del Ministero dell’Ambiente (Decreto Ministeriale GU n. 104 del 5-5-2008), che rappresenta lo strumento nazionale per le stime delle emissioni e assorbimenti per il settore.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano il Progetto Life Medinet “Mediterranean Network for Reporting Emissions and Removal in Cropland and Grassland” (LIFE15 PRE IT/732295) per i fondi ricevuti per la ricerca.

Riferimenti bibliografici

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• Canaveira, P., Manso, S., Pellis, G., Perugini, L., De Angelis, P., Neves, R., Papale, D., Paulino, J., Pereira, T., Pina, A., Pita, G., Santos, E., Scarascia-Mugnozza, G., Domingos, T., and Chiti, T. (2018). Biomass Data on Cropland and Grassland in the Mediterranean Region. Final Report for Action A4 of Project MediNet. [link]

• Karkach, A. (2006). Trajectories and models of individual growth. Demographic Research, volume 5, Article 12, pages 347-400 [pdf]

• Ipcc. (2006). In: Eggleston, H.S., Buendia, L., Miwa, K., Ngara, T., Tanabe, K. (Eds.), Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories, Prepared by the National Greenhouse Gas Inventories programme, vol. 4. Published: Iges, Japan.

• Istat. (2011). Stima delle superfici e produzioni delle coltivazioni agrarie, floricole e delle piante intere da vaso Sito [link]

• National Inventory Report (Nir) (2018). Italian Greenhouse Gas Inventory 1990-2016. Institute for Environmental Protection and Research (Ispra), Rome. Italy, p. 573

• Proietti, S. (2016). Assessment of carbon balance in intensive and extensive tree cultivation systems for oak, olive, poplar and walnut plantation. Journal of Cleaner Production 112: 2613-2624