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Title: Analisi del ciclo del carbonio di steppe ed aree agricole abbandonate dell' Asia centrale
Other Titles: Analysis of the carbon cycle of steppe and old field ecosystems of central Asia
Authors: Belelli Marchesini, Luca
Keywords: Ciclo del carbonio;Steppe;Ex-coltivi;Produttività primaria netta;Eddy Covariance;Partizione dei flussi di CO2;Carbon cycle;Old agricultural fields;Net primary productivity;CO2 flux partitioning;AGR/05
Issue Date: 27-Aug-2008
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 18. ciclo
Abstract: 
Le steppe eurasiatiche, che si estendono su di un’area di circa 8·106 km2 di cui tra il 60% e il 70% convertito in passato all’uso agricolo, sono state scarsamente oggetto di ricerche sugli scambi di CO2 con l’atmosfera, nonostante possano rivestire un ruolo rilevante nell’assorbimento di carbonio attualmente in atto da parte degli ambienti terrestri nelle zone temperate dell’emisfero boreale. In particolare i campi agricoli abbandonati a partire dal 1990 nell’ex-URSS possono contribuire attivamente al sequestro di carbonio dato che tendono a ripristinare lo stock originario di carbonio tipico delle steppe che si è parzialmente depauperato con l’uso agricolo del suolo.
Il presente studio ha come obiettivo la caratterizzazione quantitativa del ciclo del carbonio di steppe e campi agricoli abbandonati ospitanti diversi stadi temporali di una successione ecologica secondaria, di cui la vegetazione steppica rappresenta lo stadio finale, nella Repubblica dell’Hakasia e nella Repubblica di Tuva (Federazione Russa). Si analizzano gli stock di carbonio la loro distribuzione nei comparti (pools) degli ecosistemi, la produttività primaria netta e la sua allocazione, gli scambi di CO2 tra ecosistema e atmosfera ed il controllo esercitato dai fattori ambientali su flussi di carbonio.
In seguito a circa 40 anni di coltivazione, lo stock di carbonio negli agroecosistemi ha subito una diminuzione non inferiore al 46%-52% rispetto ai livelli degli ecosistemi di steppa (pari in media a 140.9 tCha-1 in Hakasia e a 45.5 tCha-1 a Tuva) a carico principalmente del carbonio organico del suolo (in ragione del 80%-92%) e della biomassa radicale per la restante parte.
Il carbonio nella biomassa delle steppe in Hakasia e a Tuva è risultato stoccato per l’88%-94% nella biomassa ipogea, costituita dall’apparato radicale particolarmente sviluppato delle specie perenni. Nei campi abbandonati, la biomassa ipogea rimane prevalente sebbene la biomassa epigea rappresenti una frazione, tra il 12% e il 42%, maggiore rispetto a quanto osservato per le steppe.
La produttività primaria netta (NPP) stimata con diversi metodi biometrici per i siti dell’Hakasia è risultata compresa tra 6.0 e 13.1 t ha-1 di sostanza secca ed allocata prevalentemente nell’apparato radicale sia negli ecosistemi di steppa che negli ex-coltivi in proporzione variabile tra il 70% e il 90%.
La tecnica della correlazione turbolenta (eddy covariance) è stata impiegata in Hakasia per monitorare i flussi di CO2 a scala ecosistemica su tre stadi serali della successione innescata dalla ricolonizzazione dei campi agricoli da parte della vegetazione spontanea (pioniero-5 anni; intermedio-10 anni; finale-steppa). Il bilancio del carbonio su base annuale che ne è risultato ha evidenziato la capacità di sequestro del carbonio di tutti gli stadi analizzati che è massima nello stadio pioniero (2.1 tC ha-1) e decrescente nel tempo fino allo stadio di steppa (1.1 tC ha-1). Lo stesso andamento temporale caratterizza il carbonio assimilato per fotosintesi (GPP) e rilasciato in atmosfera per mezzo della respirazione ecosistemica (Reco), sebbene con tassi di variazione distinti che determinano le differenze osservate nella produzione netta ecosistemica (NEP).
L’ecosistema di steppa, nonostante sia caratterizzato da una minore capacità assimilativa rispetto agli stadi successionali precedenti, ha invece mostrato una maggiore capacità di mantenere l’efficienza nell’assorbimento netto di carbonio in condizioni ambientali di alta temperatura dell’aria e deficit di pressione di vapore. L’ecosistema di steppa è risultato anche dotato di buon livello di resilienza dato che ad un evento di incendio è seguita un’aumentata capacità assimilativa che nel corso di una singola stagione vegetativa ha portato a recuperare la quantità di carbonio perduto.
L’impiego di un approccio inventariale basato sulla differenza tra produzione primaria netta e respirazione eterotrofa (NEP=NPP-Rh) per la stima del bilancio del carbonio del sito di steppa è risultato convergente con quanto prodotto dal metodo dell’eddy covariance.
La spazializzazione delle stime di bilancio del carbonio ottenuto per i siti dell’Hakasia, finalizzata alla valutazione del potenziale del sequestro del carbonio atmosferico di steppe e campi agricoli abbandonati della Federazione Russa, indica un sink di 0.17 PgC yr-1.

Eurasian steppes cover a vast area of about 8·106 km2, of which a fraction between 60% and 70% was converted to agricultural use in the past, and have been poorly investigated in respect with the exchanges of CO2 with the atmosphere while they could play a relevant role in the carbon uptake located over the northern hemisphere lands at temperate latitudes. In particular, old agricultural fields abandoned after 1990 in former Soviet Union could contribute actively to the sequestration of atmospheric carbon, since after land use change they tend to restore the original stock of carbon of steppe ecosystems, that went partly lost with the agricultural use of the land. This study provides a quantitative characterization of the carbon pools, of the patterns of carbon allocation within the ecosystems, of the CO2 exchanges between the biosphere and the atmosphere, as well as of the response of CO2 fluxes to environmental drivers of true bunchgrass steppes and neighbouring old agricultural fields hosting different temporal stages of recovering grassland located in the Republic of Hakasia and in the Republic of Tuva (Russian Federation).
Within about 40 years, cultivations caused a loss of organic carbon not lower than 46%-52% in respect with the level of steppes (average carbon sotck: 140.9 tCha-1 in Hakasia and 45.5 tCha-1 in Tuva) and affected both the soil organic carbon pool, 80-92% of the lost carbon, and the belowground biomass pool for the remaining part.
The biomass carbon stock of steppes of Hakasia and Tuva was found to be stored mainly in the belowground pool, with a proportion ranging 88-94%, due to the highly developed root system of perennial species. In old agricultural fields, belowground biomass was still predominant but the share of biomass found in the aboveground pool, from 12% to 42%, was larger than in steppes.
The assessment of net primary productivity (NPP) at sites of Hakasia by different biometric methods ranged between 6.0 ad 13.1 t d.m. ha-1, and organicated carbon was allocated primarily to the root system, with a fraction varying between 70% and 90% for both steppe and old field ecosystems.
CO2 fluxes at ecosystem scale were monitored by eddy covariance technique over three stages of an old field succession in Hakasia represented by an early stage (5 years since land use change), an intermediate stage (10 years) and a mature stage (steppe). Yearly CO2 exchange estimates disclosed all the sites to act as carbon sinks, with a strenght declining from the early stage (2.1 tC ha-1) to the steppe ecosystem (1.1 tC ha-1). Also the amounts of carbon assimilated by photosynthesis (GPP) and released to the atmosphere through ecosystem respiration (Reco) decreased over the stages of the succession, yielding the observed trend in the net ecosystem productivity (NEP).
The steppe ecosystem, even if characterized by lower carbon assimilation than old field ecosystems, displayed a less pronounced reduction of the photosynthetic process in response to extreme high air temperature and air dryness conditions, maintaining its efficiency in carbon uptake.
The steppe ecosystem was also found resilient to disturbances since after a fire burst before the onset of the growing season, it showed an enhanced carbon sequestration that could completely offset the amount of carbon lost from the burnt biomass.
The carbon budget of the true steppe, estimated additionally using the ecological inventory methodology based on the difference between net primary productivity and heterotrophic respiration (NEP=NPP-Rh), agreed with the result obtained with the micrometeorological technique.
The spatialization of the carbon balance observed at sites in the steppe region of the Republic of Hakasia, to assess the magnitude of the sink of steppes and old fields ecosystems in the Russian Federation, suggests a carbon sequestration of 0.17 PgC yr-1.
Description: 
Dottorato di ricerca in Ecologia forestale
URI: http://hdl.handle.net/2067/540
Rights: If not otherwise stated, this document is distributed by the Tuscia University Open Archive under a Creative Commons 2.0 Attribution - Noncommercial - Noderivs License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/)
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