CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURA

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Analisi di serie storiche di dati fenologici: metodi e problematiche

Giovanna Puppi
Università di Bologna

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Introduzione
E' noto fin dall'antichità che le piante sono molto sensibili al clima e ne rivelano le variazioni: se da un lato la distribuzione territoriale dei tipi vegetazionali indica la presenza di zone o fasce bioclimatiche (indicatori climatici), dall'altro il ritmo fenologico di singole specie è strettamente dipendente dall'andamento meteorologico stagionale (sensori meteorologici). 
Ne deriva che potenziali cambiamenti climatici in futuro determineranno modifiche sulla distribuzione delle specie selvatiche più sensibili e spostamenti temporali nella comparsa delle fenofasi dei vegetali, con probabili conseguenze sulla produttività delle colture e in generale sul paesaggio vegetale.
Poiché appunto le piante rispondono in modo evidente alle variazioni del tempo meteorologico e del clima, si può pensare anche di utilizzarle come sensori, soprattutto termici.

Vantaggi dei biosensori per rilevare il clima

L'uso di biosensori ha alcuni interessanti vantaggi rispetto ai rilevamenti strumentali.
La diffusione territoriale.
Uno dei problemi principali della cartografia climatica risiede nel numero limitato di stazioni meteorologiche disponibili sul territorio, e quindi nella necessità di complicati modelli di interpolazione spaziale, che possono essere fonte di errori nelle stime.
Infittire la rete delle stazioni meteorologiche comporta una serie di spese di investimento, di manutenzione e di controllo delle stazioni installate, che rendono proibitivo il monitoraggio a elevato dettaglio.
Poiché nei climi temperati la superficie terrestre è completamente coperta da piante, la rete dei potenziali sensori biologici si può infittire a piacere, senza costi aggiuntivi che non siano quelli degli osservatori che effettuano i rilievi.
Un modo particolare di sentire il clima.
Quando l'obiettivo del monitoraggio non è strettamente climatologico, ma è rivolto ad applicazioni in campo agronomico, forestale, o ambientale, è senz'altro consigliabile l'utilizzazione delle piante come biosensori, in quanto il loro comportamento è ad un tempo mezzo di indagine ma anche fine della ricerca.
I dati storici.
Un altro punto a favore delle piante come biosensori e bioindicatori è anche la notevole quantità di dati storici remoti riguardanti l'inizio o la fine delle stagioni, le date dei raccolti, osservazioni su fioriture, etc. (un aspetto poco studiato, ma che potrebbe dare interessanti informazioni indirette, è l'analisi degli erbari storici, rivolta ai campioni di piante di cui sia annotata località e data di raccolta).

Serie storiche di dati fenologici

Negli ultimi due secoli in varie parti del mondo sono state svolte osservazioni fenologiche ripetute per molti anni su piante e animali (nel Nord America, in Cina, nel Giappone, in Europa).
Dati storici in Europa
Per quanto riguarda in particolare il nostro continente, in primo piano si pone la rete europea dei Giardini Fenologici Internazionali (IPG) in attività dal 1957, con 49 stazioni distribuite soprattutto in Europa centrale (Germania): i rilievi vengono eseguiti con una procedura standard su cloni di piante legnose (Schnelle e Volkert 1964).
Inoltre in diversi paesi sono state create reti fenologiche nazionali o locali che hanno raccolto dati di grande interesse. 
In Inghilterra sono disponibili varie serie pluriennali di dati fenologici, ma il caso più interessante, per il lunghissimo periodo interessato, è quello della famiglia Marsham che effettuò rilievi fenologici su piante e animali presso Norwich dal 1736 al 1947 (Sparks e Carey, 1995) .
In Germania esiste da lungo tempo una fitta rete di stazioni fenologiche, che ha raccolto una messe enorme di dati soprattutto nel dopoguerra; alcune stazioni però sono attive da oltre un secolo: per la fioritura del melo ad esempio si dispone di una serie ininterrotta di dati a partire dal 1896.
Anche in Olanda sono disponibili lunghe serie di dati, che in certi casi partono dall'inizio del '900.
In Svizzera c'è una consistente rete di monitoraggio fenologico che ha raccolto dati in modo sistematico dal 1951, tuttavia per Ginevra sono disponibili dati sulla fogliazione dell'ippocastano e sulla fioritura del ciliegio fino dal 1808 (Defila, 2000). 
Recentemente è stato attivato un programma a livello continentale (EPN) con lo scopo di coordinare l'attività delle diverse reti di rilevamento locali.
Dati storici in Italia
In Italia le prime serie pluriennali di rilevamenti fenologici su piante spontanee sono state effettuate nell'ambito della Rete Fenologica Italiana sotto il coordinamento di M. Minio dal 1922 al 1936 e in seguito con il coordinamento di A.Marcello dal 1953 al 1965; inoltre molto importante è stata anche la rete fenologica regionale del Trentino, attiva per un quarantennio dagli anni '20 fino ai primi anni '60 e coordinata da G. Dalla Fior.
Nella seconda parte del secolo la serie di dati continuativi più lunga è stata quella raccolta da G.Montelucci a Guidonia 1960-1982 (Cenci e Ceschia, 2000). 
Dagli anni 80 si è intensificata nuovamente l'attività di ricerca in campo fenologico con l'istituzione di Giardini Fenologici e l'attivazione di rilevamenti a fini speciali.
Nel 1982 venne istituito il primo Giardino Fenologico Italiano a S. Pietro Capofiume (BO) secondo i criteri dell'IPG (le osservazioni divennero regolari solo a partire dal 1989) e il secondo fu istituito a Oristano nel 1985: in seguito altri ne furono aggiunti fino a costituire la rete attuale che consta di 10 siti distribuiti su tutto il territorio nazionale (AA.VV. Guida al rilevamento dei Giardini Fenologici Italiani. P.F. Phenagri).
A livello nazionale inoltre si può citare la rete di monitoraggio fenologico A.I.A, in funzione dal 1991 al 1994 con lo scopo di monitorare le sorgenti di pollini allergenici (Zanotti et al. 1998).
Reti di rilevamento per monitoraggio a scala di dettaglio sono state istituite in provincia di Bologna: 
a) nella fascia sommitale del crinale negli anni 1981-84, su 25 specie erbacee e arbustive; 
b) nella fascia collinare e planiziaria su numerose specie spontanee legnose ed erbacee negli anni 1977, 1980 e nei periodi: 1983 - 88 (Progetto finalizzato IPRA), 1991-1994 e poi 1997-2000 (Progetto finalizzato Phenagri; Zanotti e Puppi 2000).

Problemi legati all'uso di biosensori

Come sempre l'uso di bioindicatori o di biosensori richiede una certa cautela, dovuta a ragioni diverse.

La variabilità biologica -In primo luogo nessun individuo risponde in modo perfettamente identico ad un altro. In altre parole lo strumento biologico è intrinsecamente impreciso: la risposta infatti, è variabile da pianta a pianta a causa di vari fattori biotici (eterogeneità genetica, età, malattie, stress subiti, stato fisiologico). 
Da ciò consegue che, come sempre quando si effettuano misure sui viventi, è necessario usare rilevamenti statistici su un campione rappresentativo, tenendo conto che si tratta appunto di valori stimati, che hanno un certo margine di errore.

Eterogeneità della risposta tra specie diverse.

Nella flora dei climi temperati, caratterizzati da una forte stagionalità, la sensibiltà delle specie vegetali ai segnali del tempo meteorologico è molto alta e, generalmente, il comportamento fenologico delle varie migliaia di specie che la compongono si può ricondurre ad un numero limitato di strategie.
Sono ben conosciuti i diversi tipi di stimoli che determinano l'avvio della fioritura, come la lunghezza del giorno (brevidiurne, longidiurne, neutrodiurne) e il freddo invernale (chilling requirements). Inoltre è noto che il metabolismo delle varie specie non risponde allo stesso modo alla temperatura ambientale: ci sono piante che vegetano bene anche con temperature ambientali di pochi gradi e altre che per crescere e svilupparsi richiedono temperature più alte (soglie termiche).
I biosensori dunque non sono tra loro equivalenti, anche se in molti casi sono state osservate elevate correlazioni tra piante che presentano determinate fenofasi (emissione delle foglie, fioriture) in uno stesso periodo stagionale (Zanotti e Puppi, 2001).
Da queste considerazioni derivano alcune conseguenze pratiche.
Se l'obiettivo del monitoraggio è quello di mettere in evidenza tendenze generali (riscaldamento o raffreddamento del clima lungo una serie di annate, fluttuazioni periodiche pluriennali, etc.), si può utilizzare un gran numero di specie diverse, eliminando soltanto, a posteriori, le specie che mostrino comportamenti fenologici discordanti con quelli della maggioranza. Un esempio interessante di criteri di selezione delle specie per l'analisi di serie storiche di dati è quello presentato da Cenci e Ceschia (2000) per i dati fenologici di Montelucci.
Se invece si vogliono misurare variazioni fini dell'andamento meteo-climatico, è necessario fare una selezione accurata delle piante, dando la preferenza a specie perenni e longeve, già ben conosciute dal punto di vista fenologico, utilizzando possibilmente dei cloni, o ripetendo le osservazioni sulle stesse piante in anni successivi. 
Aderenza dei modelli interpretativi alle reali relazioni tra sviluppo fenologico e fattori climatici.
Una volta risolta la scelta dei sensori resta il problema della interpretazione del segnale, che richiede una buona conoscenza dei meccanismi di controllo delle manifestazioni fenologiche delle specie prescelte. Molte specie di interesse economico sono state molto studiate dal lato bioritmico e fenologico, per quanto riguarda le piante spontanee invece, le ricerche sperimentali in questo campo sono meno abbondanti.
Le risposte fenologiche alle variabili climatiche sono complesse e variano da specie a specie, tuttavia alcuni semplici modelli empirici basati sulla temperatura mostrano una buona preditività.
Questo tipo di modelli interpretativi e previsionali è noto come metodo delle sommatorie termiche o gradi-giorno. Normalmente nel calcolo delle sommatorie vengono utilizzate le temperature medie giornaliere che superano una certa soglia termica. La variazione di risposta delle diverse specie viene spiegato con la variazione di due parametri in gioco: la data di inizio e la soglia termica. 
Nella pratica la semplicità di questo modello e la sua buona preditività permettono di utilizzare le piante come sensori meteorologici nei confronti dell'andamento termico.
Per migliorare la precisione delle previsioni basate sui modelli fenoclimatici la ricerca modellistica ha esplorato varie formulazioni del modello gradi-giorno (con temperature orarie, massime o minime, diurne o notturne) o introducendo nuovi parametri (chilling requirements). 
Oltre alle sommatorie termiche sono stati testati altri tipi di modelli previsionali utilizzando altre variabili climatiche, come radiazione solare e precipitazioni.

Problemi legati al metodo di rilievo
Lo sviluppo fenologico di una pianta è un fenomeno continuo, che per comodità di descrizione viene suddiviso in fenofasi distinte: a ciascuna fenofase viene attribuito un inizio, una fine e una durata.
Periodicità dei rilievi e interpolazione
Usualmente nei rilievi fenologici si registra la presenza di una determinata fenofase, in un determinato individuo o in una popolazione di individui, con cadenza settimanale o decadale:
questo tipo di cadenza è entrato nella prassi perchè solitamente la settimana o la decade sono intervalli di tempo inferiori o paragonabili alla durata delle fenofasi. 
Generalmente le serie storiche di dati sono state raccolte con questo sistema.
Questo rimo di rilevamento può diventare insufficiente se l'obiettivo è di evidenziare differenze fenologiche di pochi giorni e differenze termiche fini: infatti la registrazione della presenza di una determinata fenofase in un certo giorno, non significa che la fenofase in questione sia comparsa in quel giorno. E' comunque possibile migliorare a posteriori la precisione del monitoraggio, mediante l'approssimazione dei dati con funzioni continue, in base all'andamento fenologico di una serie di rilevi successivi (Puppi e Zanotti, 1989).

Fenomeno osservato
Le fenofasi non hanno tutte ugual durata, alcune sono lunghissime come ad esempio la dormienza invernale, altre invece sono brevissime e possono durare solo pochi giorni; inoltre, lo stesso tipo di fenomeno fenologico può avere durate diverse tra specie e specie. 
Riguardo alla fioritura ci sono specie che fanno sbocciare i fiori quasi simultaneamente e per un periodo breve (come ad esempio molte legnose tra cui, Prunus spinosa, Cytisus sessilifolius, Quercus pubescens, etc.), altri invece che hanno fioritura prolungata per 1-2 mesi (Corylus avellana, Sambucus nigra e molte erbacee), altri ancora che continuano a rifiorire praticamente per tutta la stagione vegetativa (Bellis perennis, Trifolium pratense, Lotus corniculatus, Poa annua, Parietaria officinalis). 
Ovviamente la scelta delle specie e delle fenofasi da osservare incide molto sulla qualità dei dati.
Spesso si è scelto di rilevare, non la presenza, ma l'inizio di una fenofase (ad esempio il "primo fiore" aperto o la "prima foglia" ); questo tipo di rilievo è molto preciso, ma per essere valido dovrebbe prevedere osservazioni giornaliere (viene svolto in alcuni Giardini Fenologici). 
Chiavi o scale fenologiche

Le fenofasi vengono individuate mediante l'uso di chiavi fenologiche .

Le chiavi a seconda dei criteri utilizzati per costruirle possono essere di diversi tipi:
 a)   Quantitative o qualitative: quando le fenofasi sono espresse in termini quantitativi, qualitativi oppure sono di entrambi i tipi
 b)   A fenofasi isolate oppure sequenziali: nelle chiavi con fenofasi isolate vengono descritti solo alcuni momenti del ciclo di sviluppo, non necessariamente collegati tra loro (con indicazione dell'inizio e della fine del fenomeno); mentre con le fenofasi sequenziali tutto il ciclo viene suddiviso in intervalli ed a ciascun intervallo corrisponde una diversa fenofase.

In Italia da alcuni anni si procede a rilevamenti standard con chiavi fenologiche sequenziali e schede di rilevamento appositamente redatte da una commissione del Gruppo di Lavoro per i Giardini Fenologici Italiani (Malossini 1993). 

Standardizzazione, obiettività del rilevamento e controlli di qualità.

La obbiettività del metodo di rilevamento, requisito indispensabile per poter confrontare i dati, deve essere assicurata da manuali che contengano la descrizione precisa e dettagliata delle fenofasi, corredate da immagini fotografiche che facilitino il rilevamento (AA.VV. - Guida al rilevamento dei Giardini Fenologici Italiani.- Sottoprogetto 2: Fenologia delle piante arboree. P.F. Phenagri).
Ogni rete fenologica dovrebbe allestire corsi di preparazione e aggiornamento del personale che esegue i rilievi ed effettuare controlli di qualità del lavoro svolto.
Per quanto riguarda invece la confrontabilità dei dati raccolti in paesi diversi, o anche in settori scientifici diversi, è sempre più sentita l'esigenza di unificare le metodologie di rilievo. Nei più recenti congressi europei di fenologia è stato sollevato nuovamente l'antico problema della standardizzazione dei metodi; da alcuni è stata avanzata la proposta di adottare la dettagliatissima scala BBCH, che potrebbe costituire il futuro collegamento tra chi opera sulla vegetazione spontanea e chi opera invece sulle colture.

Bibliografia

 *  Cenci C.A., Ceschia M., 2000 - Forecasting of the flowering time for wild species observed at Guidonia, central Italy. - Int. Journ. Biometeorol. Vol. 44, Issue 2 pp.88-96.
 *  Defila C., 2000 - Phytophenological trends in Switzerland. Progress in Phenoloy Monitoring, Data Analysis and Global Changee Impacts, October 2000, Freising, Germany.
 *  Malossini A. ed. 1993. Procedure per il rilevamento fenologico nei Giardini Italiani. Gruppo di Lavoro nazionale per i Giardini fenologici. Assessorato Agricoltura, R.E.R.
 *  Menzel A., 2000 - Trends in phenological phases in Europe between 1951 and 1996 - Int. Journ. Biometeorol. Vol. 44, Issue 2 pp.76-81.
 *  Puppi G., Zanotti 1989 - Methods in phenological mapping - Aerobiologia Vol. 5: 44-54.
Schnelle F., Volkert E., 1964. Internationale Phanologische Garten. Agric. Met. 1:22-29.
 *  Sparks T.H., Carey P.D., 1995 - The responses of the species to climate over two centuries: an analysuis of the Marsham phenological record 1736-1947. Journal of Ecology 83:321-329.
 *  Zanotti A.L., Puppi G., Mandrioli P., Sirotti M., Caramiello R., Zerboni R., Manfredi M., 1998. -Monitoraggio fenologico su graminacee, castagno e nocciolo.- Notiziario Aerobiologico, Anno IV n.7: pp. 75.
 *  Zanotti A.L., Puppi G., 2000 - Phenological surveys of allergenic species in the neighbourhood of Bologna (Italy) - Aerobiologia. Vol. 16: 199-206.
 *  Zanotti A.L., Puppi G., 2001 - Correlazioni tra ritmi antesici di specie erbacee e legnose a fioritura primaverile. In: Abstracts Congresso Nazionale S.B.I., Varese, settembre 2001, p. 52.

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