Autotrofia ed eterotrofia in un sistema fluviale e lacustre eutrofico: bilanci di massa dei gas disciolti e dei nutrienti, ruolo della vegetazione macrofitica sommersa ed elofitica, del fitoplancton e dei tempi di residenza idraulica.

Abstract

Il sistema fluviale del Mincio comprende segmenti a diverso grado di naturalità, morfometria e regime idrologico. Sono stati considerati in questo lavoro un segmento settentrionale caratterizzato da integrità ecologica e simile allo stato di riferimento, un segmento meridionale parzialmente bacinizzato a scorrimento lento ed un segmento centrale, assimilabile ad un lago per i tempi di ricambio lunghi e la velocità dell’acqua trascurabile. Obiettivi generali del lavoro sono stati: 1) confrontare le funzioni interne ai due segmenti fluviali in relazione al loro stato di conservazione e in particolare in relazione alle attività dei produttori primari dominanti (rispettivamente una macrofita radicata sommersa nel tratto nord ed il fitoplancton nel tratto sud); 2) evidenziare l’importanza degli scambi di gas disciolti (O2 e CO2) all’interfaccia acqua-atmosfera nel metabolismo complessivo di questi due sistemi; 3) quantificare l’importanza relativa del fitoplancton e di una prateria monospecifica di una pleustofita (Trapa natans) nell’evoluzione stagionale del chimismo e nei bilanci di massa di ossigeno, anidride carbonica e nutrienti in un sistema lacustre poco profondo. Le ipotesi generali associate a questi macrobiettivi sono: 1) la bacinizzazione può determinare la distrofia di sistemi fluviali eutrofici caratterizzati da un eccessivo arricchimento organico a livello dei sedimenti e dall’eccessiva proliferazione del fitoplancton; 2) l’idrodinamismo ha un ruolo fondamentale nel regolare i tenori dei gas e mantenere oscillazioni contenute nelle percentuali di saturazione; 3) le comunità a pleustofite favoriscono l’insorgenza dell’anossia con implicazioni sul metabolismo complessivo del sistema che le ospita. In estrema sintesi i risultati ottenuti permettono di affermare che: 1) Il sistema fluviale analizzato è una sorgente di CO2 verso l’atmosfera, in linea con quanto riportato dalla letteratura. I risultati di questo lavoro indicano però che i flussi sono fortemente regolati da aspetti idrologici e dalle comunità dei produttori primari dominanti e variano significativamente a seconda delle scale spaziali e temporali adottate nelle indagini. 2) La velocità dell’acqua nei segmenti fluviali eutrofici di alta pianura non permette la strutturazione di comunità fitoplanctoniche ed assume un’importante funzione regolatrice dei tassi di crescita, colonizzazione e sviluppo delle macrofite sommerse, garantendo buona ossigenazione e trasparenza. La disponibilità dei nutrienti simultaneamente determina un eccesso di proliferazione macrofitica con implicazioni a cascata per i segmenti a valle a causa del trasporto di materiale particellato. Nel segmento meridionale, la bacinizzazione si riflette in estremi valori di sovrasaturazione della CO2 e nella sottosaturazione dell’O2 in prossimità del fondo. Le densità di cellule microalgali sono inoltre tipiche di sistemi ipertrofici/distrofici. 3) Sorprendentemente, nonostante il carattere maggiormente distrofico del segmento fluviale meridionale, è il segmento a maggiore naturalità ad essere una maggiore sorgente di anidride carbonica per l’atmosfera. Questo a causa della maggiore velocità dell’acqua, che favorisce il rilascio del gas in eccesso, ma anche per i maggiori tassi di mineralizzazione del particellato. Nel segmento sud, invece, grandi quantità di CO2 disciolta vengono trasferiti a valle e tendono ad accumularsi in acqua (>400% di saturazione). 4) In un sistema eutrofico come il lago di Mezzo i bilanci dei gas indicano un metabolismo complessivo al netto autotrofo. In questo sistema viene ridimensionato il ruolo della pleustofita dominante rispetto al fitoplancton quale trappola di C, N e P. L’ombreggiamento della colonna d’acqua da parte di T. natans ha però implicazioni negative per i bilanci dell’ossigeno. 5) L’alterazione, indotta dalle attività antropiche, di aspetti idrologici quali i tempi di ricambio o la velocità dell’acqua inducono transizioni nelle comunità vegetali, nella zonazione dei processi e, in definitiva, nello stato trofico dei sistemi fluviali.

The Mincio River is composed by adjacent reaches characterized by different levels of ecological integrity, morphology, and hydrological regime. This study considered a high plain reach (northern trait), similar to its reference status, a channelized low plain reach (southern trait), and a central reach, similar to a lake due to longer water retention-time (few days) and slow current velocity. The main objectives of this study were: 1) compare internal functions of two fluvial segments based on their conservation state and on the role of the dominant primary producers community (submerged macrophyte and phytoplankton in the northern and in the southern traits, respectively); 2) highlight the importance of dissolved gas (O2 e CO2) exchanges at the water-atmosphere interface on the whole metabolism of the two traits; 3) quantify the relative importance of phytoplankton community and of a pleustophyte stand (Trapa natans) on the seasonal evolution of the oxygen, carbon dioxide and nutrient mass balances in a shallow lake. The general hypotheses at the base of these objectives are: 1) the rectification and channelization could determine the dystrophy of eutrophic fluvial segments, characterized by nutrient and organic enrichment at sediment level and by microalgal blooms; 2) the hydrodynamism has a fundamental role as gas exchange regulator, and avoids excess super or undersaturation; 3) pleustophytic communities favor hypoxic events with implications for the whole ecosystem metabolism. In brief, the results obtained suggest that: 1) The Mincio River is a source of CO2 to the atmosphere, in accordance with the recent literature on river metabolism. Simultaneously, the results of this study show also that fluxes are strongly regulated by hydrological aspects and by the dominant communities of primary producers. Sharp variations in CO2 saturation, as those evidenced in the northern segment, suggest that the choice of adequate spatial and temporal scales, is of paramount importance. 2) The current velocity of the high plain river reach does not allow the structuring of phytoplankton communities and has an important role on regulating growth rates, colonization and development of submerged macrophytes, ensuring good water oxygenation and transparency. At the same time the high nutrients availability favoures the macrophytic development with cascade implications for downstream river reaches, mainly due to downwards particle transport. In the southern trait, the channelization results in extreme values of CO2 supersaturation and pronounced O2 decline at sediment level. Further, the microalgal biomass is typical of hypertrophic/dystrophic systems. 3) Surprisingly, the northern trait, characterized by high ecological integrity, is a major source of CO2 to the atmosphere. This is due to the higher current velocity which favours the release of the gas in excess, but also to the major mineralization rates of the particulate material. At the southern trait the CO2 excess is transferred downstream or accumulate into the water column (>400% of saturation). 4) In a eutrophic system, as the Lago di Mezzo, the gas mass balances demonstrate the net autotrophy of the whole system. In this shallow Lake, the dominant pleustophyte has a minor role as C, N and P trap compared to phytoplankton. The water column shading by T. natans has negative implications on oxygen balances and promotes anoxia. 6) The human modifications of hydrological aspects, as water retention time or current velocity, determines the shift of primary producer communities and of the metabolic processes. This modifies the slow fading of adjacent river reaches along longitudinal gradients, described in the River Continuum Concept. Human impacts induce local transitions of the trophic status in altered river reaches.