Nextres - Effects of nitrogen deposition and climate extremes on European forests: combining stable isotopes in tree rings and ecosystem fluxes

Finanziato dall'Unione Europea - NextGenerationEU a valere sul Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR) – Missione 4 Istruzione e ricerca – Componente 2 Dalla ricerca all’impresa - Investimento 1.1, Avviso Prin 2022 indetto con DD N. 104 del 2/2/2022, dal titolo "Effects of nitrogen deposition and climate extremes on European forests: combining stable isotopes in tree rings and ecosystem fluxes-NEXTRES", codice proposta 202299J927- CUP J53D23002640006.

NEXTRES si propone di approfondire come alcune tra le principali specie delle foreste europee rispondono e si adattano ad eventi climatici estremi sempre più frequenti e al concomitante aumento della CO2 atmosferica e della deposizione atmosferica di azoto. A tal fine verrà considerato un approccio multidisciplinare, che combina misure degli isotopi stabili di carbonio, azoto ed ossigeno negli anelli di accrescimento degli alberi con quelle a scala di ecosistema mediante tecnica eddy covariance. I tre obiettivi sono:

1. Analizzare le variazioni temporali di efficienza d’uso dell’acqua e verificare se vi è concordanza tra le due scale (albero e ecosistema);
2. Individuare le strategie ecofisiologiche adottate dalle diverse specie forestali in risposta agli estremi climatici e in che modo influenzano la risposta a scala ecosistemica;
3. Valutare il ruolo della deposizione atmosferica di azoto nel determinare le risposte delle foreste agli eventi climatici estremi.

Risultati attesi

NEXTRES contribuirà al dibattito scientifico quanto mai attuale (sia a livello europeo che internazionale) sui meccanismi ecofisiologici che determinano la resilienza delle foreste ai fattori del cambiamento globale, inclusa la deposizione di azoto come variabile aggiuntiva, finora esclusa nella teoria incentrata prevalentemente sulla siccità. NEXTRES è il primo progetto a scala Europea che fornirà cronologie isotopiche per diverse specie e siti forestali in cui sono presenti misure eddy covariance, lungo un ampio gradiente climatico e di deposizione atmosferica di azoto. Un approccio di questo tipo è sino ad ora stato condotto solo negli Stati Uniti, in uno studio in cui la coordinatrice del progetto è stata coinvolta (Guerrieri et al. 2019 116 (34): 16909-16914).

Risultati ottenuti

Il progetto NEXTRES ha generato un insieme unico di dati a lungo termine relativi alla crescita degli alberi, all'efficienza intrinseca d'uso dell'acqua (rapporto tra assimilazione di CO₂ e conduttanza stomatica), alla composizione isotopica stabile annuale e intra-annuale del carbonio, nonché ai rapporti isotopici annuali di ossigeno e azoto. Questi dati hanno integrato le informazioni già disponibili nelle reti europee di monitoraggio forestale, fornendo per la prima volta informazioni fisiologiche a livello di singolo albero. L'integrazione con i dati delle reti ICOS e Fluxnet ha reso possibile confrontare direttamente i processi fisiologici degli alberi con i flussi di carbonio e acqua a livello di ecosistema su una rete forestale distribuita in tutta Europa.

Su scala pluridecennale è stato osservato un aumento dell'efficienza intrinseca d'uso dell'acqua nella maggior parte delle specie e dei siti studiati, confermando il diffuso miglioramento dell'efficienza idrica degli alberi in risposta all'aumento della concentrazione atmosferica di CO₂. Tuttavia, questo incremento non si è tradotto in un analogo miglioramento a livello di ecosistema, dove l'efficienza d'uso dell'acqua è rimasta stabile o, in alcuni casi, è diminuita, poiché le variazioni della produttività primaria lorda e dell'evapotraspirazione non hanno rispecchiato le risposte osservate a livello di singolo albero. I risultati dimostrano quindi che gli adattamenti fisiologici dedotti dagli anelli di accrescimento non possono essere direttamente estesi al funzionamento dell'intero ecosistema e sottolineano l'importanza di integrare osservazioni a differenti scale.

Per analizzare la risposta delle foreste agli eventi climatici estremi, NEXTRES ha prodotto uno dei primi dataset paneuropei di misure intra-annuali dell'isotopo stabile del carbonio (δ¹³C) in diverse specie arboree e regioni climatiche, utilizzando la spettrometria di massa isotopica con ablazione laser. Gli eventi estremi sono stati identificati attraverso un'analisi omogenea delle anomalie climatiche derivate dal database ERA5-Land, considerando temperatura, precipitazioni e bilancio idrico climatico (ad esempio l'indice SPEI) rispetto al periodo di riferimento 1991–2020. Questa analisi ha consentito di classificare anni come il 2018 (caldo e siccitoso) e il 2019 (caldo e umido) come eventi estremi nella maggior parte dei siti monitorati.

I risultati hanno evidenziato che, durante gli anni di siccità, il tipico andamento stagionale dell'efficienza intrinseca d'uso dell'acqua subisce profonde modificazioni, sebbene con risposte differenti in funzione della specie, della latitudine e della tipologia di evento estremo. Le foreste di conifere hanno mostrato strategie di utilizzo dell'acqua più conservative rispetto alle latifoglie, mentre le faggete settentrionali (Fagus sylvatica) sono risultate particolarmente sensibili alla siccità, evidenziando riduzioni più marcate della crescita e maggiori variazioni intra-annuali dell'efficienza d'uso dell'acqua. Al contrario, l'episodio di gelata tardiva primaverile studiato nella faggeta italiana ha determinato risposte fisiologiche opposte rispetto a quelle osservate durante la siccità, indicando che differenti eventi climatici estremi attivano strategie adattative specifiche.

L'analisi congiunta degli isotopi stabili del carbonio e dell'ossigeno ha dimostrato che la regolazione stomatica rappresenta il principale meccanismo responsabile delle variazioni dell'efficienza intrinseca d'uso dell'acqua durante gli eventi estremi. Inoltre, integrando le informazioni isotopiche con i dati dei flussi ecosistemici e con la dinamica di formazione del legno, il progetto ha evidenziato come i segnali isotopici intra-annuali riflettano fedelmente l'andamento stagionale dell'assorbimento di carbonio da parte degli ecosistemi, aprendo nuove prospettive per collegare la fisiologia degli alberi al funzionamento degli ecosistemi con una risoluzione temporale senza precedenti.

NEXTRES ha inoltre realizzato il primo quadro di riferimento paneuropeo per lo studio degli effetti combinati della deposizione atmosferica di azoto e degli eventi climatici estremi, integrando le misure di δ¹⁵N negli anelli di accrescimento con dati sulla deposizione atmosferica e osservazioni ecosistemiche. In generale, la crescita degli alberi è risultata maggiore nei siti caratterizzati da livelli intermedi o elevati di deposizione di azoto, sebbene tale relazione dipendesse dall'interazione tra disponibilità di azoto e condizioni climatiche. Non sono invece emerse differenze sistematiche nell'efficienza intrinseca d'uso dell'acqua in relazione ai livelli di deposizione azotata. La progressiva diminuzione dei valori di δ¹⁵N osservata negli anelli di accrescimento di alcuni siti storicamente soggetti a elevata deposizione di azoto suggerisce una riduzione della disponibilità di questo elemento nel tempo, probabilmente legata sia alla diminuzione delle deposizioni atmosferiche sia all'aumento delle limitazioni imposte dai cambiamenti climatici all'assorbimento dell'azoto.

Pur essendo ancora in corso ulteriori elaborazioni dei dati, il progetto ha prodotto dataset e metodologie innovative che consentiranno in futuro di quantificare gli effetti combinati dell'aumento della CO₂ atmosferica, della deposizione di azoto e degli eventi climatici estremi sui cicli del carbonio, dell'acqua e dell'azoto negli ecosistemi forestali.

Oltre alla diffusione dei risultati nella comunità scientifica, NEXTRES ha promosso un'intensa attività di divulgazione e coinvolgimento della società attraverso un sito web dedicato, canali social, un evento pubblico dedicato alle foreste e ai cambiamenti climatici e attività educative rivolte ai bambini nell'ambito del programma UniJunior. Attraverso lezioni interattive e materiali didattici, i partecipanti hanno potuto scoprire come gli anelli di accrescimento degli alberi permettano di ricostruire gli effetti dei cambiamenti climatici sulle foreste. Queste iniziative hanno contribuito ad aumentare la consapevolezza pubblica sul tema della resilienza degli ecosistemi forestali e a promuovere la cultura scientifica nelle giovani generazioni.

Dettagli del progetto

• Programma di finanziamento: PRIN 2022
• D.D. del MUR: n. 104 del 02/02/2022
• Codice progetto MUR: 202299J927
• CUP: J53D23002640006
• Contributo complessivo UE: € 190.000,00
• Contributo al DISTAL: € 104.574,00
• Durata: 28/09/2023 - 28/02/2026
• Coordinatore: DISTAL
• Responsabile Scientifico: Rossella (Maria Rosa) Guerrieri