Modellistica Forestale
“Modellistica Forestale” è il nuovo articolo frutto della collaborazione tra la Sezione Valorizzazione della Ricerca e Public Engagement – Agorà Scienza – e dal Green Office UniToGO dell’Università di Torino con la IdeeGreen S.r.l. Società Benefit.
L’articolo riprende i testi del dott. Tommaso Orusa pubblicati nell’opera “Lessico e Nuvole: le parole del cambiamento climatico”, la seconda edizione della guida linguistica e scientifica per orientarsi nelle più urgenti questioni relative al riscaldamento globale, curata dalla Sezione e dal Green Office.
La versione gratuita di Lessico e Nuvole, sotto forma di file in formato .pdf, è scaricabile dalla piattaforma zenodo.org.
La versione cartacea e l’eBook sono acquistabili online sulle seguenti piattaforme di distribuzione:
– Amazon
– Mondadori (anche con Carta del Docente e 18app)
– IBS
– Libreria Universitaria (anche con Carta del Docente e 18app)
Tutto il ricavato delle versioni a pagamento sarà utilizzato dall’Università di Torino per finanziare progetti di ricerca e di public engagement sui temi dei cambiamenti climatici e della sostenibilità.
La modellistica in campo forestale
Lo sviluppo della modellistica in campo forestale è materia abbastanza recente. La gestione fino a pochi anni fa era spesso condotta su esempi virtuosi del passato o su modelli spesso adesi a osservazioni empiriche. Tuttavia a seguito dei cambiamenti climatici la nuova sfida è rappresentata da una gestione adattativa che tenga conto degli scenari futuri. Tutto ciò appare possibile solo grazie a una modellistica con algoritmi generati a partire da esperienze empiriche, ricerche e studi continui, essendo l’ecosistema forestale e il clima sistemi complessi.
Lo sviluppo del tipo process-based, basato cioè sulla comprensione e la modellizzazione dei processi fisiologici che determinano il comportamento degli alberi negli ecosistemi forestali – è iniziato a partire dagli ’90 con il lavoro di Joseph J. Landsberg e Richard H Waring.
L’obiettivo era quello di superare i limiti dei più tradizionali modelli statistici che, basandosi su dati storici, risultano inadatti nel prevedere la crescita degli alberi, di una certa foresta, in condizioni climatiche mai analizzate prima. Il modello, presentato per la prima volta nel 1997 con il nome di 3-PG (Physiological Principles Predicting Growth), si è evoluto grazie alla collaborazione di Nicholas C. Coops esperto di Remote Sensing e Earth Observation Data.
L’uso di dati forestali omogeneamente telerilevati – sia fisiologici che strutturali – come input per le variabili vegetazionali, ha infatti permesso l’utilizzo del modello a scala più ampia, in diverse aree del mondo, per diverse specie e in condizioni climatiche diverse. Oggi, il modello 3-PG risulta ampiamente utilizzato sia in ambito scientifico che tecnico, creando un ponte tra la scienza e la pratica forestale. La modellistica forestale odierna tiene conto di una miriade di parametri rilevati sia a terra sia telerilevati con l’obiettivo di simulare e modellizzare la risposta degli ecosistemi forestali (in particolare a livello di eco-fisiologia) a variazioni di parametri futuri, consentendo di elaborare proiezioni e scenari di gestione.
La relazione tra la fotosintesi, la biomassa e la respirazione delle piante
In ambito forestale ed ecologico uno tra i più controversi e dibattuti argomenti degli ultimi venti anni riguarda la relazione tra la fotosintesi, la biomassa e la respirazione delle piante. La fotosintesi è il maggior flusso biogenico di CO2 dall’atmosfera alla biosfera terrestre (ovvero è un carbon sink, si veda “Pozzi e fonti di carbonio” – N.d.C.) e corrisponde a circa 120 Petagrammi di carbonio l’anno (1 Pg = 1015 g, in totale l’atmosfera contiene circa 750 PgC – petagrammi di carbonio).
Al contrario, la respirazione delle piante – ovvero il processo metabolico di creazione di nuove cellule così come il mantenimento di quelle già esistenti – emette CO2 in atmosfera nella misura di circa 60 PgC l’anno (quindi, circa la metà dell’assorbimento effettuato dalla fotosintesi).
Il netto tra fotosintesi e respirazione rappresenta il carbonio organico che, sotto diverse forme, rimane nell’ecosistema e che quindi è sottratto all’atmosfera con ovvi benefici per la mitigazione del cambiamento climatico. Più di vent’anni fa Richard Waring e i suoi colleghi hanno analizzato i dati di dodici foreste boreali e temperate, confermando che il bilancio tra la quantità di carbonio emesso in un anno attraverso la respirazione annuale era pari a circa la metà di quello assorbito attraverso la fotosintesi durante lo stesso anno.
Riuscire a stimare la sola fotosintesi permetteva, in teoria, di ottenere facilmente anche la stima della respirazione delle piante e quindi, per differenza, anche della loro produttività annuale.
La teoria metabolica scalare
Un’ipotesi alternativa, nota come “teoria metabolica scalare” che fonda le proprie basi nella matematica dei frattali, non considera la fotosintesi, ma piuttosto la biomassa totale degli alberi e postula che la respirazione delle piante possa crescere linearmente (o quasi) con la biomassa stessa. La sola conoscenza della biomassa permetterebbe quindi di ottenere facilmente sia la stima della respirazione delle piante sia quella della loro produttività.
Entrambe le teorie sono teoricamente utili a quantificare il rilascio ed indirettamente l’assorbimento di CO2 delle foreste, ma risultano in contrasto tra di loro e sono difficilmente replicabili e validabili sperimentalmente nel mondo reale.
Uno studio recentemente pubblicato del ricercatore Alessio Collalti del CNR-ISAFOM, uno dei principali modellisti forestali assieme a Giorgio Vacchiano a livello italiano, analizza la questione nel dettaglio: la respirazione delle piante è controllata dalla fotosintesi oppure dalla biomassa? Lo studio utilizza un modello che simula 150 anni di sviluppo naturale di una foresta, mostrando che la respirazione non può essere controllata né unicamente dalla fotosintesi né unicamente dalla biomassa.
Nel primo caso, se la respirazione fosse totalmente dipendente dalla fotosintesi, durante il riposo vegetativo in cui la fotosintesi è interrotta (o fortemente limitata), risulterebbe interrotta anche la respirazione, il che sarebbe incompatibile con la sopravvivenza delle cellule durante l’inverno.
Nel secondo caso, una dipendenza lineare della respirazione dalla biomassa totale, implicherebbe che tutte (o quasi) le cellule che costituiscono la biomassa di un albero siano vive e metabolicamente attive, il che risulterebbe fisiologicamente troppo dispendioso e quindi improbabile, soprattutto per le piante mature.
Entrambe le teorie sono scorrette e sono state confutate e non conciliabili tra di loro e grazie ad un modello forestale si è riusciti a scoprirlo. Come diceva ironicamente il padre della modellistica George Box: “Tutti i modelli sono sbagliati, ma qualcuno è utile.” Al di là di ciò il loro utilizzo consente oggi di poter sviluppare una gestione forestale che sia davvero resistente e resiliente ai cambiamenti climatici.
dott. Tommaso Orusa, Gruppo Energia e Coordinamento Cambiamenti Climatici UniTo Green Office UniToGO; Dipartimento di Scienze Agrarie, Forestali e Alimentari – Università di Torino
Bibliografia
– Latini Gianni, Bagliani Marco, & Orusa Tommaso. (2020). Lessico e nuvole: le parole del cambiamento climatico – II ed., Università di Torino. Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.4276945
– Bellassen, Valentin, et al. “Modelling forest management within a global vegetation model – Part 1: Model structure and general behaviour.” Ecological Modelling 221.20 (2010): 2458-2474.
Carey, Eileen V., et al. “Are old forests underestimated as global carbon sinks?.” Global Change Biology 7.4 (2001): 339-344.
– Collalti, Alessio, et al. “Plant respiration: controlled by photosynthesis or biomass?.” Global Change Biology 26.3 (2020): 1739-1753.
– Landsberg, J. J., R. H. Waring, and N. C. Coops. “Performance of the forest productivity model 3-PG applied to a wide range of forest types.” Forest Ecology and Management 172.2-3 (2003): 199-214.
– Seidl, Rupert, et al. “Forest disturbances under climate change.” Nature climate change 7.6 (2017): 395-402.
– Seidl, Rupert, et al. “Scaling issues in forest ecosystem management and how to address them with models.” European Journal of Forest Research 132.5-6 (2013): 653-666.
– Vacchiano, Giorgio, Federico Magnani, and Alessio Collalti. “Modeling Italian forests: state of the art and future challenges.” Forest – Biogeosciences and Forestry 5(3) (2021):113-120.
– Vacchiano, Giorgio, et al. “Reproducing reproduction: How to simulate mast seeding in forest models.” Ecological Modelling 376 (2018): 40-53.
