Carichi azotati generati, bilanci di massa ed export netto e regolazione del processo di rimozione del nitrato: una prospettiva a livello di bacino idrografico.

Abstract

L’eccesso di azoto nelle acque e il cambiamento dello stato trofico di ambienti fluviali, lacustri e marino-costieri sono problemi globali e come tali sono stati recentemente affrontati. In Global Biogeochemical Cycles, 2005, volumi 19 e 20, sono riportati i risultati di una serie di studi in cui vengono presentati modelli di genesi e trasporto dei carichi di azoto nei maggiori bacini idrografici di tutti i continenti del pianeta. Paradossalmente, le stime teoriche hanno un buon riscontro con i dati sperimentali quando le scale di analisi sono enormi (ad esempio in bacini come quello del Mississippi); un aumento degli errori si ha invece nelle analisi su media-piccola scala, a causa della scarsità delle informazioni sito-specifiche, del massiccio utilizzo di fattori di conversione e tassi ricavati dalla letteratura, molto spesso relativi ad ambienti o situazioni estremamente diverse. Uno stimolo forte derivato dal lavoro di revisione di Global Biogeochemical Cycles è l’analisi capillare sul territorio dei processi, un’analisi che aggiorni alle diverse realtà le dinamiche dell’azoto e permetta di realizzare quadri di sintesi accurati e realistici. In questo contesto si inserisce il lavoro di tesi, che ha come unità territoriale di riferimento un bacino idrografico (l’Oglio sublacuale, con una estensione di 3700 km2) rappresentativo della realtà della Pianura Padana e soggetto ad elevate pressioni antropiche. Sono stati analizzati in particolare sia processi su vasta scala (bilanci di massa dell’azoto e principali processi di trasporto e trasformazione di questo elemento) sia processi a livello microbico (gradienti redox, attività batteriche ossico-anossiche a scala submillimetrica e implicazioni per ritenzione e dissipazione dell’azoto inorganico). I principali prodotti del lavoro di tesi sono 4: 1) Analisi a scala di bacino dei bilanci azotati, calcolo del surplus nei suoli agricoli e dell’export dal bacino, discussione dei possibili sink interni al sistema sia nella porzione terrestre che in quella acquatica. Sono confermati il disaccoppiamento tra agricoltura e zootecnia, l’enorme eccesso di azoto rispetto alla capacità assimilativa delle colture, l’irrilevanza dei processi dissipativi nelle aree umide ed il ruolo potenziale di sink del reticolo idrografico secondario e delle fasce riparie associate. Elisa Soana E., Racchetti E., Bartoli M., Viaroli P. Soil nitrogen budget, net export and internal sinks in lower Oglio River watershed (northen Italy). (sottomesso a Enviornmental Management)

2) Rimozione dell’azoto in aree umide perifluviali a diverso grado di connessione idraulica con il corpo idrico principale. Viene dimostrata l’importanza dell’alimentazione delle aree umide per garantire elevati tassi di denitrificazione: nelle aree umide perifluviali i tenori di azoto nitrico sono infatti i principali fattori di regolazione del processo. La rimozione potenziale dell’azoto nelle aree non collegate è elevata ma inespressa. Racchetti E., Bartoli M., Soana E., Longhi D., Christian R.R., Pinardi M., Viaroli P., 2009. Influence of hydrological connectivity of riverine wetlands on denitrification and other microbial transformations of nitrogen. (accettato con revisioni da Biogeochemistry)

3) Variazioni nel chimismo delle acque interstiziali in relazione alla colonizzazione di una macrofita radicata sommersa (Vallisneria spiralis L.). La macrofita utilizzata per questi esperimenti è in grado di colonizzare substrati soffici ad elevato carico organico e di trasferire ai sedimenti grandi quantità di ossigeno attraverso la rizosfera. Sono riportati i feedback positivi sullo stato redox dei sedimenti e sulla ritenzione di azoto in biomassa. Racchetti E., Bartoli M., Ribaudo C., Longhi D., Naldi M., Iacumin P., Viaroli P. Short term effects of V.spiralis colonisation on porewater features in river sediments (sottomesso a Hydrobiologia)

4) Denitrificazione accoppiata alla nitrificazione nella rizosfera di V. spiralis. In esperimenti condotti stagionalmente in sedimenti colonizzati da macrofite lungo un gradiente di eutrofizzazione viene dimostrato l’effetto della macrofita nel favorire la dissipazione dell’azoto inorganico mediante denitrificazione accoppiata alla nitrificazione. Questo effetto è maggiore nelle ore di luce rispetto alle ore di buio, probabilmente a seguito del maggiore trasporto di ossigeno nella rizosfera. Racchetti E., Ribaudo C., Longhi D., Bartoli M. Nitrification coupled denitrification in the rhizosphere of V. spiralis in an mesotrophic and eutrophic river segment. (In preparazione per Freshwater Biology)

In definitiva, i risultati conseguiti permettono di affermare che il bacino del fiume Oglio sublacuale è fortemente impattato dall’attività agrozootecnica ma conserva importanti sink interni dell’azoto, al momento non ancora sufficientemente identificati. L’export al bacino confinante, sebbene elevato, rappresenta infatti una frazione piccola del carico totale generato. L’impiego di tecniche isotopiche potrebbe essere di aiuto nel chiarire gli aspetti lacunosi di questa ricerca. Le evidenze ottenute indicano nel riciclo dell’azoto dalle acque profonde (fontanili, risorgive) verso il reticolo secondario un loop potenzialmente importante, così come importanti appaiono i processi di assimilazione e dissipazione nel reticolo minore durante il periodo irriguo. La forte contrazione della superficie delle aree umide e la pensilità di molti degli ambienti perifluviali relitti si traduce in quote irrilevanti di azoto perso per denitrificazione, nonostante i risultati di questo lavoro indichino che gli ambienti umidi studiati hanno tassi areali tra i maggiori riportati nella letteratura. Un aspetto applicativo che scaturisce da questo risultato sta nel garantire un adeguato approvvigionamento idrico e un collegamento laterale tra fiume e aree umide perifluviali e nell’incentivare sul territorio la creazione di aree con suoli saturi d’acqua. Per concludere, il controllo dei carichi inquinanti, la maggiore trasparenza delle acque ed il mantenimento almeno in alcuni tra i canali del reticolo secondario dell’invaso, potrebbe permettere la ricolonizzazione di macrofite pregiate come V. spiralis. Questa specie stolonifera, negli esperimenti e nelle manipolazioni condotte sul campo ed in laboratorio, si è rivelata estremamente “rustica” ed in grado di sopportare trasferimenti, piantumazioni in substrati organici ed acque con tenori elevati di nutrienti. Questa pianta promuove elevata qualità dei sedimenti superficiali, rallenta il riciclo delle forme azotate inorganiche ed accelera la dissipazione del nitrato in eccesso tramite denitrificazione.

The nitrogen excess in aquatic ecosystems and the change of tropich status for streams, rivers, lagoons and estuaries are global key problems that- as such- were only recently handled. In Global Biogeochemical Cycles, 2005, volumes 19 and 20, are reported many studies about models analysing genesis and transport of nitrogen loadings in the biggest watersheds of all continents. Theoretical estimates have a good correspondence with experimental data when scales of analysis are huge (for example in watersheds like Missisippi basin) whilst errors increase for analysis on mean-small scale because of lack of site-specific, intense utilization of conversion factors and of rates referring to studies that are often related to very different environments and situations. Revision work of Global Biogeochemical Cycles gave a strong push forward in researches on the analysis of various scenarios processes on landscape in a capillary way so as to realize accurate and realistic synthesis pictures - or to review the existing - on nitrogen dynamics. My thesis gets into this context with the purpose to study nitrogen processes at basin scale. The study area is the lower Oglio River basin (3,700 km2) which is subject to high anthropogenic pressures and representative of the entire Po River Plain. I have studied processes on a wide scale (nitrogen mass balance and main transport and transformation processes of that element) and processes on a microbial scale (redox gradients, oxic-anoxic microbial activities on millimetric scale and implications on inorganic nitrogen retention and removal). The main products of this work are: 1) A nitrogen mass balance analysis at basin scale, a calculation of surplus in lands and of nitrogen export from the basin and a discussion on possible internal sinks both in terrestrial and in aquatic compartment. The un-coupling between agriculture and livestock holdings is confirmed, such as the huge nitrogen excess in respect of crop uptake capacity, the irrelevance of removal processes in wetlands and the potential role of sink of secondary drainage network and of associated buffer strips. Elisa Soana E., Racchetti E., Bartoli M., Viaroli P. Soil nitrogen budget, net export and internal sinks in lower Oglio River watershed (northen Italy). (submitted to Environmental Management)

2) Nitrogen removal in riverine wetlands characterized by a different hydrological connectivity degree with main water body. It is demonstrated the importance of wetlands supply to guarantee high denitrification rates: in fact in riverine wetlands nitrate concentrations are the main factors regulating the process. In isolated wetlands the potentiality for removal of nitrogen is elevated but not effective. Racchetti E., Bartoli M., Soana E., Longhi D., Christian R.R., Pinardi M., Viaroli P., 2009. Influence of hydrological connectivity of riverine wetlands on denitrification and other microbial transformations of nitrogen. (accepted with major revisions by Biogeochemistry)

3) Variation in pore water chemistry in relation to the colonisation of a submerged rooted macrophyte (Vallisneria spiralis L.). The macrophyte used in this experiments is able to colonise fluffy sediments characterized by high organic matter contents and to transfer to sediments high amounts of oxygen through rizosphere. Positive feedbacks on sediment redox status and on nitrogen retention in biomass are reported. Racchetti E., Bartoli M., Ribaudo C., Longhi D., Brito L., Naldi M., Iacumin P., Viaroli P. Short term effects of V.spiralis colonisation on porewater features in river sediments (submitted to Hydrobiologia)

4) Denitrification coupled to nitrification in the rizosphere of V. spiralis. Macrophyte effect in promoting inorganic nitrogen removal through denitrification coupled to nitrification has been demonstrated with seasonal experiments in sediments colonised by macrophytes along an eutrophication gradient. That effect is higher during light hours in respect of dark ones, most likely due to higher oxygen transport in the rizosphere. Racchetti E., Ribaudo C., Longhi D., Bartoli M. Nitrification coupled denitrification in the rhizosphere of V. spiralis in an mesotrophic and eutrophic river segment. (In preparation for Freshwater Biology)

The achieved outcomes allow to assert that lower Oglio River basin is strongly exploited by agricultural and breeding activities but it conserves important internal sinks of nitrogen not yet sufficiently identified. The nitrogen export towards the confining basin is high however it represents a small fraction of generated total load. Isotopic techniques could support clarifying incomplete aspects of this research. Evidence was found to indicate that nitrogen recycling from groundwaters towards secondary drainage network is an important potential loop; similarly, uptake and removal processes result in being very important in the minor network during irrigation period. The high reduction of wetlands area and the pensile condition of many relicted riverine environments determine an irrilevant quota of nitrogen removed by denitrification despite the outcomes of this work indicate that studied wetlands have areal rates of denitrification among the higher ones reported in literature. These results allow to formulate the hypothesis of possible interventions for landscape management as to guarantee a suitable water supply and a hydrological connectivity between riverine wetlands and river and to increase waterlogged areas in the landscape. In the end, control of polluting loads, higher water transparency and water maintenance in some channels of secondary drainage network could allow the recolonisation of rare macrophytes like V. spiralis. In my experiments and in my manipulations made in situ and in laboratory the mentioned species is resulted extremely plastic and capable of undergoing transfers and transplants in organic sediments and in water characterized by high nutrient concentrations. The plant improves surficial sediment quality, slows down inorganic nitrogen recycling and accelerates nitrate removal in excess by denitrification.