FOREST-NC

Coordinatore: Università di Bologna

Ambiti di ricerca: Arboricoltura

Responsabile Scientifico: Federico Magnani

Durata: 10/05/2022 - 09/05/2024

Gruppo di ricerca: Federico Magnani, Enrico Muzzi, Rossella Guerrieri

La concentrazione fogliare di azoto (N) rappresenta un determinante importante della funzionalità degli ecosistemi terrestri; la sua stima precisa permette di monitorare lo stato di salute delle piante e di meglio prevedere la loro produttività primaria. Se nelle colture agrarie la disponibilità di N è garantita dalla fertilizzazione, negli ecosistemi forestali essa dipende dal naturale rilascio nella decomposizione della sostanza organica del suolo e (in particolare nelle foreste temperate e boreali) rappresenta uno dei principali fattori limitanti la crescita delle piante e la fissazione di carbonio (C) atmosferico. Al tempo stesso, le emissioni antropogeniche di N, una componente importante dell’inquinamento atmosferico, hanno determinato negli ultimi decenni un brusco aumento delle deposizioni atmosferiche di N sugli ecosistemi naturali, portando in alcuni casi ad una saturazione del sistema, a un inquinamento azotato delle falde e infine a un danno alle piante stesse.

Non sorprende quindi che la concentrazione fogliare di N sia uno dei principali parametri periodicamente rilevati in oltre 800 siti forestali in tutta Europa (di cui 21 in Italia) nel progetto di monitoraggio ICP Forests (International Co-operative Programme on the Assessment and Monitoring of Air Pollution Effects on Forests) , avviato nel 1985 nell’ambito della Convention on Long-range Transboundary Air Pollution della United Nations Economic Commis-sion for Europe. Tale monitoraggio potrebbe essere utilmente integrato da tecniche di telerilevamento dell’N fogliare, che permetterebbero di superare le limitazioni legate a stime puntiformi, alla scarsa numerosità del campione (in particolare per l’Italia) e ai costi elevati.

Simili applicazioni sono state proposte fin dagli anni ’90 ma sono state solitamente limitate al telerilevamento da aereo per la necessità di disporre di immagini iperspettrali nella regione dello SWIR. Più di recente, diversi studi si sono basati su immagini provenienti dal sensore Hyperion a bordo del satellite EO-1 della NASA, dimostrando le potenzialità della tecnica e la sua rilevanza non solo per il monitoraggio dello stato di salute delle foreste, ma anche per il rilevamento e la predizione dei processi fotosintetici e della produttività lorda delle coperture vegetali.

L’azoto costituisce la componente fondamentale delle proteine coinvolte nella fotosintesi, tanto dei complessi proteici legati alla clorofilla nei fotosistemi quanto delle proteine coinvolte nel ciclo di Calvin; il suo contenuto è quindi strettamente legato alle potenzialità fotosintetiche delle foglie (Jmax, massimo trasporto elettronico; Vcmax, massimo tasso di carbossilazione), due parametri fondamentali nei modelli matematici attualmente impiegati per la predizione del ciclo del C della biosfera. Diversi studi hanno dimostrato come la conoscenza della concentrazione fogliare di N e delle potenzialità fotosintetiche fogliari possano migliorare sensibilmente l’accuratezza di tali modelli biogeochimici nel predire la produttività primaria lorda (GPP) degli ecosistemi forestali, così come stimata col metodo dell’eddy covariance nella rete di monitoraggio globale FluxNet. In assenza di conoscenze di dettaglio sulla distribuzione spaziale di tali parametri, i modelli attualmente in uso a scala regionale e globale per spazializzare i dati FluxNet non prendono in considerazione questa componente fondamentale della fertilità stazionale, assumendo valori medi di Jmax e Vcmax per intere specie vegetali o tipi funzionali (PFT, Plant Functional Type).

L’integrazione dei risultati delle due reti di monitoraggio (ICP Forests, FluxNet) col telerilevamento iperspettrale da satellite dell’N fogliare potrebbe portare a un sensibile miglioramento della nostra conoscenza della biosfera terrestre, di particolare importanza in una prospettiva di Global Change; le caratteristiche del nuovo sensore PRISMA (in termini di risoluzione iperspettrale, copertura globale e intervallo di rivisitazione, signal-to-noise ratio) permetteranno di espandere tali studi, fornendo una solida base per future missioni iperspettrali dell’Agenzia Spaziale Europea.

Nell’ambito della presente proposta, le immagini PRISMA corrette al livello L2 per gli effetti dell’atmosfera e del terreno verranno utilizzate per stimare la concentrazione fogliare di N in una serie di siti ICP Forests in Italia e in Europa. Per ognuno dei siti verrà utilizzata una sola immagine PRISMA acquisita al culmine della stagione vegetativa (maggio-luglio).

Verranno messi a confronto diversi approcci proposti negli ultimi anni:

- approcci basati su indici spettrali nelle bande SWIR (intorno ai 2250 nm), sulla misura diretta della riflettanza nelle bande NIR e sulla correlazione spesso osservata fra concentrazione di N e clorofilla fogliare (così come rilevabile da indici normalizzati o dalla red-edge position). I risultati verranno validati con un approccio LOOCV (leave-one-out cross-validation);

- approcci basati sulla riflettanza nell’intero spettro, utilizzando tecniche PLS (Partial Least Square Regression) dimostratisi effcaci a scala fogliare e di copertura;

- approcci basati su look-up-tables generate con l’applicazione di modelli di transfer radiativo di copertura, così da te-nere in considerazione gli effetti confondenti derivanti da diversi valori di LAI (Leaf Area Index). In particolare, gli effetti della concentrazione fogliare di N sullo spettro di riflettanza fogliare verranno simulati col modello PROSPECT e propagati a scala di copertura col modello di transfer radiativo SCOPE.

Utilizzando gli stessi approcci, le immagini PRISMA verranno anche utilizzate per stimare direttamente le potenzialità fotosintetiche (Jmax, Vcmax) della copertura, così come determinate dall’inversione Bayesiana del modello di Farquhar-Berry (Groenendijk et al., 2011) su dati di eddy covariance per una serie di siti forestali FluxNet italiani ed europei.

I risultati ottenuti a partire da immagini PRISMA verranno confrontati con quelli derivanti dall’utilizzo di immagini multispettrali Copernicus Sentinel 2.

Una delle limitazioni dei dati ICP Forests è la loro natura puntiforme (misure su 5 piante adiacenti), che rischia di indurre problemi nell’interpretazione dei risultati a causa della risoluzione spaziale (30 m) delle immagini PRISMA. Al fine di valutare l’impatto della variabilità spaziale entro sito dell’N fogliare verranno condotte nell’ambito del progetto due campagne di misura CAL/VAL, con la misura della concentrazione fogliare di N in una griglia di punti centrata sul sito di rilevamento ICP Forests. Le campagne avranno ad oggetto due siti italiani (ABR-01, Collelongo-Selva Piana; LAZ-01, Monte Rufeno) caratterizzati da specie forestali contrastanti (Fagus sylvatica e Quercus cerris, rispettivamente).

Infine, la rilevanza delle informazioni aggiuntive derivate dalle immagini PRISMA verrà stimata attraverso l’applicazione del già menzionato modello biogeochimico Farquhar-Berry ad un campione indipendente di siti FluxNet. Il modello verrà parametrizzato con i valori di Jmax e Vcmax stimati per ogni sito a partire dalle immagini PRISMA utilizzando le relazioni sviluppate nel progetto; l’accuratezza del modello nel predire i flussi di C misurati con la tecnica eddy-covariance verrà messa a confronto con quella associata all’uso di valori dei parametri medi per la specie o il Plant Functional Type.

Infine, i risultati del progetto saranno divulgati in ambito ESA, ICP Forests e FluxNet, così da massimizzare il futuro utilizzo della metodologia nelle diverse comunità di utenti.