Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/2067/2833
Title: Air pollution mitigation and carbon uptake of some evergreen plant species
Other Titles: Capacità di mitigazione dell'inquinamento atmosferico e dell'assorbimento di carbonio di alcune specie sempreverdi
Authors: Mori, Jacopo
Keywords: Air pollution mitigation;Plants;Mitigazione inquinamento atmosferico;Piante;AGR/04
Issue Date: 20-Jun-2014
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 26. ciclo
Abstract: 
Air pollution causes more than 3.7 million deaths per year (WHO, 2012). Traffic, heating and industries are responsible of air pollution and carbon dioxide (CO2) emissions. Particulate matter (PM), the main air pollutant, is composed by solid and liquid substances (heavy metals, elements, black carbon ecc.). CO2 is the main greenhouse gas responsible of global air temperature increase (IPCC, 2013). Plants improve air quality by reducing air pollutants by adsorption and absorption on its surface and in its tissues. Furthermore, plants absorb CO2 by means of photosynthesis, contributing to decrease its atmospheric concentration.
The PhD work was aimed at characterizing evergreen species for their capacity to mitigate air pollution and to assimilate CO2. In addition, the trend of pollutants during the seasons, the interactions between pollutants and meteorological parameters and the distribution of pollutants from the source to the neighboring area, were studied.
In Paper I, the capacity to assimilate CO2 and to adsorb 5 heavy metals on leaf surface were investigated on 7 evergreen shrub species (Viburnum tinus subsp. lucidum L., Viburnum tinus subsp. tinus L., Arbutus unedo L., Photinia x fraseri Dress., Laurus nobilis L., Elaeagnus x ebbingei L., Ligustrum japonicum Thunb.). The CO2 assimilation was studied on plants in containers. In 2011 plants were grown under optimal water availability wherease in 2012 the effects of drought stress on carbon uptake were evaluated. The experiment on the adsorption of heavy metals was performed on field-grown plants, close to a 4-lanes road. The seasonal trend of metals on leaves and the influence of meteorological parameters on pollutants deposition were also studied.
Paper II is entirely focused on the capacity of the aforementioned species to adsorb heavy metals and elements. The number of metals analyzed and of seasonal samplings was increased and other changes were applied to the protocol in order to obtain more detailed information as compared to the previous year.
Paper III reports the study of the capacity of two coniferous species (Picea sitchensis (Bong.) Carrière and Pinus sylvestris L.) in accumulating different fractions of PM and elements on needles, at increasing distances from an heavily trafficked road.
In paper 1, carbon uptake differs depending on species and on water availability. E. x ebbingei showed the higher CO2 assimilation under optimal water availability unlike than under drought stress conditions. About the adsorption of metals by different species, only Pb was differently accumulated, with E. x ebbingei, L. japonicum and V. lucidum showing the highest values. It was not possible to find common characteristics among what observed on the morphology of leaves surface and on growth
parameters, which could explain these results. Metals increased from late spring to full summer and thereafter decreased until October. By PLSR analysis, leaf depositions were negatively related with rain and RH% and positively related with wind speed and air temperature.
In Paper II, 13 elements out of 21 were differently adsorbed by species. E. x ebbingei, V. lucidum and P. x fraseri showed the highest values per unit leaf area and per whole plant surface. These results can be explained considering the high growth parameters of these species as compared to the others. The elements trend was similar to the previous year. Rain was confirmed to reduce leaf depositions, while wind speed was found to increase the elements on leaves. In contrast, a clear influence of RH% and air temperature on pollutants was not found. The increaase of an element in the air tends to increase the leaf deposition of the same element on leaves, confirming the close relation between PM and elements. These relations were also confirmed by the similar trend of PM and elements on leaves. Multivariate methods led to the identification of soil dust and traffic emissions as main sources responsible for the presence of some elements on leaf surface.
A higher capacity of Picea sitchensis compared to Pinus sylvestris in air pollutant accumulation on needles surface was found (Paper III). These results were explained by the high LAI, small size and higher number of needles of P. sitchensis as compared to P. sylvestris. P. sitchensis accumulated a higher quantity of PM10 and of several elements close to the road. PM10 concentration on needles increased through the year while elements concentration was stable. By multivariate methods, traffic emissions, sea aerosol and soil dust were identified as possible sources of the elements found on the needles.
CO2 sequestration and pollution mitigation were mainly studied on trees in the north climate conditions while shrub species in southern Europe have been often ignored. Due to the lower height of their crown, shrubs are more in contact with traffic emissions, filtering the near ground air. They can also help to avoid the reduction of air exchange that can be caused by trees. In addition, they need a minor space for growth compared to trees. For these reasons shrubs can represent a valid alternative to trees. Papers I and II provide information about the benefits in terms of carbon storage and pollution mitigation of shrub species in southern Europe. Paper III represents a further contribution to the knowledge of coniferous species for their pollution mitigation capacity. In addition, the results on the distribution of pollutants represent a contribution to the knowledge of the local pollution dynamics. Future attention should be paid on the local improvement of the air quality by plants. New plantation design, conceived as a barrier against the local polluting sources, could be a new interesting step in this field. The results reported in this thesis may represent a contribution also in this direction.

L’inquinamento dell’aria causa più di 3.7 milioni di morti all’anno. Il traffico, gli impianti di riscaldamento e l’industria sono responsabili di enormi emissioni di Anidride carbonica (CO2) e di particolato sottile (PM). Il PM è il principale inquinante dell’aria, composto da sostanze solide e liquide (metalli pesanti ecc.). La CO2, il principale gas serra, è responsabile dell’aumento della temperatura globale. Le piante migliorano la qualità dell’aria riducendo gli inquinanti attraverso l’adsorbimento e l’assorbimento di questi rispettivamente sulle loro superfici e nei loro tessuti. Le piante assorbono inoltre CO2 attraverso la fotosintesi, diminuendone la concentrazione. Lo scopo del Dottorato è stato quello di caratterizzare specie sempreverdi per la loro capacità di mitigazione dell’inquinamento atmosferico e di assimilazione di CO2.
Nel primo articolo è stata studiata l’assimilazione di CO2 su piante in vaso e di adsorbimento di 5 metalli pesanti su superficie fogliare in 7 specie arbustive sempreverdi (Viburnum tinus subsp. lucidum L., Viburnum tinus subsp. tinus L., Arbutus unedo L., Photinia x fraseri Dress., Laurus nobilis L., Elaeagnus x ebbingei L., Ligustrum japonicum Thunb.). Nel 2011 le piante sono cresciute in condizioni ottimali di umidità mentre nel 2012 è stato valutato l’effetto dello stress idrico sulla assimilazione di CO2. Lo studio sull’adsorbimento dei metalli pesanti è stato svolto su piante in piena terra, poste vicino ad una strada a 4 corsie. Sono stati inoltre studiati l’andamento stagionale dell’adsorbimento dei metalli e l’effetto dei fattori meteorologici sulle deposizioni fogliari.
Il secondo articolo è interamente dedicato alla capacità delle sopracitate specie nell’adsorbire metalli pesanti ed elementi in genere. Il numero di elementi analizzati e di campionamenti è stato incrementato ed altri cambiamenti sono stati apportati al protocollo per ottenere informazioni più dettagliate rispetto al primo articolo.
Il terzo articolo ha analizzato la capacità di due conifere (Picea sitchensis (Bong.) Carrière e Pinus sylvestris L.) nell’adsorbire sulle superfici fogliari differenti frazioni di PM ed elementi a crescenti distanze da una strada a veloce scorrimento.
Nel primo articolo le specie hanno assorbito diversamente la CO2 anche in relazione alla disponibilità idrica. E. x ebbingei ha mostrato la più alta assimilazione di CO2 in condizioni ottimali, diversamente da come mostrato sotto stress idrico. Solo il Pb è risultato differentemente adsorbito dalle specie, con i più alti valori in E. x ebbingei, L. japonicum e V. lucidum. Non è stato possibile trovare caratteristiche comuni tra ciò che è stato osservato relativamente alla morfologia fogliare ed ai parametri di crescita misurati sulle diverse specie, che potessero spiegare questi risultati. I metalli sono aumentati dalla tarda primavera fino alla piena estate per poi diminuire fino ad Ottobre. Attraverso l’analisi di regressione
multipla (PLSR) è risultata una relazione negativa tra le deposizioni fogliari, la pioggia ed RH%, mentre una relazione positiva è emersa con la velocità del vento e la temperatura dell’aria.
Nel secondo articolo, 13 elementi su 21 sono risultati differentemente adsorbiti dalle specie. E. x ebbingei, V. lucidum e P. x fraseri hanno mostrato i più alti valori di adsorbimento per unità di area fogliare e per intera superficie fogliare. Questi risultati sono stati spiegati considerando gli elevati parametri di crescita di queste tre specie rispetto alle altre. Il trend stagionale dei depositi è risultato simile a quello riscontrato nel primo articolo. La pioggia è risultata ridurre i depositi mentre la velocità del vento ha esercitato l’azione opposta. Non è stata trovata una chiara influenza di RH% e temperatura dell’aria. L’aumento di un elemento nell’aria tende ad aumentare la presenza dello stesso elemento sulle foglie, confermando la stretta relazione tra PM ed elementi. Tale relazione è stata confermata anche dal simile andamento tra PM ed elementi. Le analisi multivariate hanno identificato il suolo ed il traffico come maggiori responsabili della presenza degli elementi sulle foglie.
Nel terzo articolo, Picea sitchensis ha adsorbito una maggior quantità di inquinanti dell’aria sulla superficie fogliare rispetto a Pinus sylvestris. I risultati sono stati spiegati considerando il maggior LAI, la minore taglia ed il maggior numero di aghi di P. sitchensis rispetto a P. sylvestris. P. sitchensis ha adsorbito una maggiore quantità di PM10 e diversi elementi vicino alla strada. La concentrazione di PM10 sugli aghi di P. sitchensis aumenta con il tempo mentre gli elementi sono rimasti stabili. Le analisi multivariate hanno identificato il traffico, l’aerosol marino ed il suolo come possibili fonti degli elementi sugli aghi.
Il sequestro di CO2 e la mitigazione degli inquinanti dell’aria sono stati studiati maggiormente su specie arboree nelle condizioni climatiche del Nord Europa, mentre gli arbusti nel sud Europa sono stati spesso ignorati. Grazie alla minor altezza, gli arbusti sono più direttamente in contatto con le emissioni da traffico. Questi possono evitare la riduzione degli scambi d’aria che, al contrario, possono essere causati dagli alberi nei siti urbani. Gli arbusti inoltre necessitano di minor spazio per la loro crescita. Il primo e il secondo articolo forniscono informazioni riguardo ai vantaggi in termini di stoccaggio di carbonio e mitigazione dell’inquinamento di specie arbustive in Europa meridionale. Il terzo articolo rappresenta un’ulteriore contributo alla conoscenza della capacità di mitigazione delle conifere. In aggiunta, i risultati sulla distribuzione spaziale degli inquinanti rappresentano un contributo alla conoscenza delle dinamiche inquinanti locali. Futuri studi dovrebbero esser svolti sul locale miglioramento della qualità dell’aria operata dalle piante. Nuovi design di piantumazione, concepiti come barriere contro l’inquinamento potrebbero essere un nuovo passo in questo campo di ricerca. I risultati riportati in questa tesi possono rappresentare un contributo anche in questa direzione.
Description: 
Dottorato di ricerca in
Ortoflorofrutticoltura
URI: http://hdl.handle.net/2067/2833
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