Via agli alberi!
Durante i mesi estivi, gli scienziati ambientali utilizzano le singole foglie per studiare come gli alberi gestiscono la luce, l'acqua e i nutrienti e come questo influisce sulle emissioni di CO2-Immagine di intere foreste.
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L'assistente Eva Merz si trova ai piedi di un imponente faggio nel mezzo della foresta. Due corde da arrampicata pendono dalla chioma dell'albero. Ad un'altezza vertiginosa, gli scalatori Markus Gysin e Anja Erni si arrampicano tra i rami, ben assicurati, tagliano un ramo e lo calano con cura su una corda sottile. Merz afferra il ramo e lo libera dal filo. "Riparto", dice ai due e si affretta a raggiungere il "campo base" con il raccolto.
Il campo base si trova su un sentiero di ghiaia in una foresta sul versante meridionale del L?geren, a est di Wettingen. I dispositivi di misurazione sono pronti e in attesa, alcuni su un piccolo tavolo da campeggio, i dispositivi più grandi a terra. Merz, lo studente di scambio Aldara Sabuz Millàn e il ricercatore post-dottorando Christoph Bachofen del gruppo della professoressa Nina Buchmann dell'ETH iniziano immediatamente ad analizzare le foglie del ramo tagliato. Utilizzano uno spettrometro a fluorescenza per misurare la quantità di verde della foglia (clorofilla), un porometro per misurare quanta acqua la foglia evapora attraverso gli stomi e un analizzatore di gas a infrarossi per misurare la quantità di CO2 la foglia fotosintetizza in condizioni di luce diverse.
Tutto deve avvenire rapidamente: Entro pochi minuti dal taglio del ramo, le foglie reagiscono alla mancanza d'acqua e al cambiamento delle condizioni ambientali: Le foglie chiudono gli stomi, evaporano meno acqua, scompongono la clorofilla e riducono la fotosintesi.
Foglie dell'intera chioma dell'albero
Ma perché tutta questa attrezzatura e tutte queste analisi? Bachofen e i suoi assistenti stanno lavorando all'ETH insieme alla postdoc Petra D'Odorico a un progetto biennale chiamato "Leaf2Canopy". L'obiettivo è analizzare le emissioni di CO2-L'obiettivo è quello di comprendere meglio lo scambio degli ecosistemi forestali con l'atmosfera e, se possibile, di poterlo modellare meglio. Gli scienziati possono calcolare questo scambio utilizzando le misure delle foglie. I calcoli precedenti si basavano spesso su foglie facilmente accessibili e vicine al suolo. "Noi invece descriviamo le foglie dell'intera chioma. In questo modo cerchiamo di rendere i modelli più realistici", spiega Bachofen.
![Vista ingrandita: in alto sopra la chioma, ma non ad alta risoluzione spaziale: misurazioni dello scambio di gas sulla torre di L?geren.](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/08/ab-in-die-baeume/_jcr_content/news_content/textimage_1149179657/image.imageformat.text50percent.1596584982.jpg)
Da oltre dieci anni vengono effettuate misurazioni degli scambi di gas a livello di ecosistema anche nella foresta di L?geren. Su una torre eretta per una rete di monitoraggio nazionale, i sensori misurano la CO2-concentrazione, direzione e velocità del vento al di sopra della chioma. Questi dati vengono utilizzati per analizzare costantemente le emissioni di CO2-assorbimento e produzione della foresta. "Tuttavia, questi calcoli devono essere interpretati con cautela", spiega Bachofen. Recentemente, una dottoranda dell'ETH è riuscita a dimostrare che gli strati d'aria sopra e sotto la chioma non sono sempre ben miscelati. Con il fogliame pieno, le misurazioni della torre non catturano una parte considerevole dello scambio di gas con l'atmosfera.
Determinazione del turnover degli alberi
Con il suo progetto, il ricercatore post-dottorando vuole ora soprattutto quantificare la fotosintesi e l'evaporazione da diversi livelli della chioma per prevedere meglio il vapore acqueo e la CO2-Questo può portare a una riduzione del turnover degli alberi e, in ultima analisi, dell'intera foresta.
Per ottenere dati precisi, quest'anno i ricercatori stanno studiando due diverse specie arboree, il faggio e l'abete bianco. Da tre esemplari di ciascuna specie, stanno raccogliendo due rami per campionamento su quattro piani diversi e da due diversi orientamenti dell'albero. Gli scienziati analizzano poi in dettaglio due foglie di ciascun ramo.
Arrampicatori di alberi su corde fisse
In questo giorno di inizio agosto, è il turno di tre faggi. Entro la fine del mese, gli alberi inizieranno a scomporre la clorofilla e a sottrarre le sostanze nutritive dalle foglie: l'autunno e la caduta delle foglie si avvicinano. A quel punto non sarà più possibile analizzare le foglie di faggio. "La clorofilla è attualmente al suo massimo", afferma Bachofen.
Quest'anno, lui e i suoi collaboratori hanno visitato l'area campione sette volte a maggio, tre volte a luglio e ad agosto per raccogliere il materiale fogliare. O meglio: per farle raccogliere. Perché l'arrampicata sugli alberi è riservata ai due arboristi professionisti Markus Gysin e Anja Erni. Si arrampicano agilmente con corde fisse sulle cime degli alberi, dove filmano e fotografano i luoghi da cui tagliano i rami.
Test con un drone
Bachofen scopre che il metodo di campionamento funziona bene, ma ha un grosso svantaggio: I ricercatori dipendono costantemente dall'aiuto degli scalatori di alberi. I giorni di campionamento devono essere preparati con largo anticipo. Nel frattempo, è impossibile raccogliere e analizzare le foglie. Inoltre, gli arrampicatori non sono in grado di raggiungere tutti i livelli della chioma degli alberi. I rami più esterni sono fuori portata anche per i professionisti.
I collaboratori del gruppo di Buchmann stanno quindi sperimentando un drone che raccoglierà i rami che crescono all'esterno e in alto al posto degli arrampicatori degli alberi. Il drone è dotato di una pinza e di una piccola unità di taglio. Gli scienziati affermano che le prime prove sono già promettenti. Tuttavia, il metodo deve ancora essere ottimizzato per poter raccogliere sistematicamente le foglie in alto nella chioma. Il drone non rende superflui i tree climber perché, a differenza di questi ultimi, non può tagliare i rami all'interno dell'albero.
![In futuro, un drone con pinze e potatore potrebbe tagliare i rami dove è troppo pericoloso per l'uomo. (Immagine: ETH di Zurigo / Peter Rüegg)](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/08/ab-in-die-baeume/_jcr_content/news_content/fullwidthimage_1181272924/image.imageformat.930.1106046266.jpg)
Un albero in un dilemma
Il progetto Leaf2Canopy è in corso dal 2016 e Bachofen ha i primi risultati del primo anno. Il ricercatore conferma che le foglie più alte dei faggi fotosintetizzano di più rispetto alle foglie dei due piani inferiori nello stesso periodo di tempo. Le foglie più basse dei faggi possono utilizzare la luce in modo più efficiente. Raggiungono già il loro tasso massimo di fotosintesi in condizioni di luce in cui le foglie del sole stanno ancora accelerando la loro fotosintesi.
La fotosintesi dipende, tra l'altro, dalla quantità di clorofilla prodotta nelle foglie e, per produrre clorofilla, l'albero ha bisogno di azoto. Questo crea un dilemma per l'albero: potrebbe sfruttare al meglio le buone condizioni di luce dei piani superiori e investire lì la maggior parte dell'azoto. Tuttavia, l'albero ha anche bisogno di acqua per la fotosintesi, che deve trasportare dalle radici agli angoli più esterni della chioma. Nelle giornate calde e secche, la disponibilità di acqua nei piani superiori potrebbe essere troppo scarsa per la fotosintesi. L'azoto verrebbe quindi investito in modo errato.
Come distribuiscono l'azoto gli alberi?
![Vista ingrandita: Dilemma dell'albero: dove deve formare le foglie e rifornirle di azoto per sfruttare al meglio la luce disponibile? (Immagine: ETH di Zurigo)](/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2017/08/ab-in-die-baeume/_jcr_content/news_content/textimage_1423649536/image.imageformat.text50percent.1451156004.jpg)
La distribuzione dell'azoto negli alberi è un fattore importante per i modelli utilizzati per calcolare lo scambio di gas nella foresta. Questa distribuzione non è ancora chiara per gli alberi del L?geren. Quest'anno, Bachofen sta quindi indagando più in dettaglio su come la luce e la disponibilità di acqua controllino la fotosintesi e la distribuzione dell'azoto nella chioma degli alberi.
Finora Bachofen è riuscito a dimostrare che nelle foglie superiori c'è più clorofilla per superficie fogliare e che quindi le foglie possono svolgere una maggiore fotosintesi. Tuttavia, le foglie superiori del faggio sono significativamente più spesse di quelle inferiori. Ci si è quindi chiesti se le foglie in alto abbiano anche più azoto e più clorofilla in relazione alla massa fogliare rispetto alle foglie in basso e se i rapporti cambino in modo simile con l'altezza della chioma.
La conclusione di Bachofen è che le foglie contengono una quantità simile di azoto per massa fogliare a tutti i livelli. Nelle foglie superiori, tuttavia, la concentrazione di clorofilla in relazione alla quantità di azoto era inferiore rispetto alle foglie inferiori. "Questo significa che l'albero investe una maggiore quantità di azoto nelle foglie superiori in strutture diverse dalla clorofilla", spiega l'esperto. Tuttavia, non è ancora in grado di dire quali siano queste strutture.
"L'albero deve utilizzare l'azoto dove ha senso. Si tratta di un costante conflitto di obiettivi", spiega lo scienziato ambientale. Dipende quindi molto dalla strategia di sopravvivenza della rispettiva specie arborea il punto della chioma in cui l'albero effettua l'investimento.
Lunghe giornate nella foresta
Dopo un po' di attesa, Eva Merz mette da parte la lettura. Le misurazioni della fotosintesi richiedono molto tempo, almeno 20 minuti per foglia. Tempo che lei passa a leggere. Si sente un crepitio nella radio, gli scalatori si mettono in contatto con lei. Lo scambio di parole è breve. Merz si alza e scompare dietro la curva del sentiero - appena due minuti dopo emerge con il ramo di faggio successivo. La procedura di misurazione si ripete. Un lavoro da catena di montaggio per il giovane ricercatore.
Una volta che le foglie sono state bloccate nel dispositivo di misurazione della fotosintesi, si torna ad aspettare tre quarti d'ora prima di poter raccogliere le foglie successive dagli arrampicatori degli alberi. "Le nostre giornate nella foresta possono essere piuttosto lunghe", dice Bachofen. "Perché alla fine della giornata, quando abbiamo già pulito e riposto la maggior parte dell'attrezzatura, dobbiamo ancora aspettare che vengano completate le ultime misurazioni".
Serie estiva
Nell'ambito di una serie di articoli dedicati alle festività natalizie, l'ETH News presenta articoli sulla ricerca e l'innovazione che hanno a che fare con il periodo più bello dell'anno.
Pubblicato in precedenza:
18.07. "Non caricare le tue vacanze come un momento di felicità".
21.07. "L'asfalto ha un grande svantaggio".
26.07. Tenda di raffreddamento al posto dell'aria condizionata
Ricerca sulle foreste decidue a Scientifica 2017
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- Venerdì 1 settembre 2017, ore 18.00 - 21.00 (vernissage)
- Sabato 2 settembre 2017, ore 13.00 - 19.00.
- Domenica 3 settembre 2017, dalle 11.00 alle 17.00