Climate change impacts on nutrient load generation, nitrogen cycling, and self-purification capacity of a large temperate river, the Po (Italy)

Il bacino del Po è una delle aree più produttive e densamente popolate d’Europa, indicato come hotspot di inquinamento da nitrati. Gli elevati carichi di nutrienti, azoto nitrico in particolare, condizionano lo stato trofico degli ambienti di transizione e delle acque costiere dal Delta all’intera costa emiliano-romagnola. La disponibilità di studi pregressi, riguardanti i carichi dei nutrienti e di serie storiche di misure di portata costituiscono un’importante base di informazioni che può essere utilizzata per indagare l’impatto dei cambiamenti climatici sui processi di generazione, trasformazione e recapito verso le zone costiere. Ad oggi gli effetti dei cambiamenti climatici nel bacino del fiume Po sono già evidenti. L’aumento della frequenza delle anomalie climatiche, le alterazioni dell’intensità e della distribuzione temporale delle precipitazioni, da cui dipendono le variazioni repentine dei deflussi registrate negli ultimi anni, l’aumento della temperatura dell’aria e della frequenza e severità dei periodi di siccità e stress idrico, l’espansione spaziale e temporale del cuneo salino nell’area deltizia sono solo alcuni dei fenomeni emersi negli ultimi anni. D’altro canto, i possibili effetti di questi fenomeni, determinati dal cambiamento climatico, sulla trasformazione e sull’export dei carichi azotati nel Mar Adriatico non sono stati ancora indagati. La tesi qui discussa presenta due obiettivi principali. Il primo è stato la valutazione dell’incremento di temperatura del fiume Po e del suo effetto sulla rimozione dei carichi di azoto, attraverso la denitrificazione. A questo scopo, l’area di studio interessata è stata la chiusura di bacino, Pontelagoscuro (Ferrara), dove sono state analizzate le serie storiche di temperatura e carichi di azoto e sono state effettuate misure stagionali del metabolismo sedimentario, dei tassi di denitrificazione e di DNRA (Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium). Il secondo obiettivo è stato quello di valutare l’effetto del cambiamento climatico sull’intrusione salina nel Delta del Po. Tramite misure di campo e di laboratorio sono stati studiati, anche in questo caso, il metabolismo sedimentario, la denitrificazione e la DNRA, ma incubando i sedimenti campionati lungo il gradiente salino registrato in un ramo del delta, il Po di Goro. I risultati hanno evidenziato il graduale aumento delle temperature del Po da inizio anni ‘90 (circa 0.11 °C anno-1) e un parallelo aumento della frequenza dei giorni caldi, soprattutto in estate e in primavera (+50%), cioè del numero di giorni con temperatura dell’acqua superiore alla media di lungo periodo. Negli stessi anni è stata evidenziata una riduzione dei carichi annuali di azoto, costituiti in prevalenza da nitrato (NO3-), alla sezione di chiusura bacino. Si è osservato che la riduzione dei carichi azotati è avvenuta in corrispondenza dell’aumento della temperatura media di quasi 3 °C, soprattutto in primavera ed estate che sono indicate anche come i periodi più sensibili alle crisi distrofiche nel Mar Adriatico. Ad un aumento di 1°C di temperatura del fiume Po è corrisposta una riduzione dei carichi azotati di circa il 7% in primavera e di circa il 4% in estate. La relazione inversa tra temperatura e carichi di azoto è la risultante di un effetto temperatura dipendente dell’attività dei batteri denitrificanti a livello sedimentario. Ciò è stato evidenziato tramite prove sperimentali effettuate in laboratorio su sedimenti fluviali campionati stagionalmente alla sezione di Pontelagoscuro nel corso dell’anno 2022, identificato come uno dei più siccitosi dagli anni ’60, in cui la portata del fiume è andata al di sotto dei minimi storici (< 150 m3 s-1). Attraverso l’incubazione di carote di sedimento sono stati misurati i flussi di ossigeno, i tassi di denitrificazione e di DNRA. In ogni stagione sono stati applicati diversi gradienti di temperatura basati sui dati storici e sulle previsioni future relative al riscaldamento del Bacino del Po. I risultati hanno confermato che entrambi i processi sono temperatura dipendenti, secondo una correlazione positiva in ogni stagione. In particolare, durante la primavera sono stati misurati i tassi più alti (591 ± 29 µmol N m-2 h-1 per il processo di denitrificazione e 53 ± 24 µmol N m-2 h-1 per la DNRA a 22 °C), in quanto la disponibilità di NO3- era ai massimi annuali. Dai risultati si è evidenziato come la denitrificazione sia il principale processo responsabile della rimozione di NO3- in ogni stagione, con tassi mediamente superiori di un ordine di grandezza rispetto ai tassi della DNRA. Per ottenere un riscontro sulla rappresentatività dei tassi misurati in termini di macro-scala, i tassi di denitrificazione ottenuti nella stagione primaverile sono stati estesi ad un tratto del medio-basso corso (per una superficie complessiva di 45 km2 compresa tra Borgoforte, provincia di Mantova, e Pontelagoscuro), in cui le incubazioni effettuate a Pontelagoscuro possono essere considerate rappresentative per le caratteristiche simili dei sedimenti campionati. L’up-scale dei tassi all’intera area ha fornito un valore coerente con la riduzione dei carichi calcolata tra le due sezioni, in base ai dati di portata, monitorati dall’Autorità di Bacino del Po, e di concentrazione, misurati dalle Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale (ARPA). Questo ha confermato che la riduzione dei carichi di nitrato verificata negli ultimi decenni è imputabile soprattutto al processo di denitrificazione sedimentaria. Un ulteriore conseguenza del cambiamento climatico, verificatasi nel delta a seguito delle eccezionali condizioni di scarsità idrica e ridotte portate del 2022, è stata l’incremento della estensione del cuneo salino a partire dalla tarda primavera. Per valutare gli effetti di questo fenomeno sul ciclo dell’azoto e sulla capacità del Delta del Po di abbattere una quota dei carichi in transito, carote intatte di sedimento sono state prelevante in estate, in tre siti nel ramo del Po di Goro disposti lungo un gradiente di salinità, e incubate in laboratorio per misurare i tassi di denitrificazione e DNRA. La denitrificazione è risultata essere il principale processo responsabile della rimozione del nitrato nei siti d'acqua dolce e leggermente salini (368 ± 45 µmol N m−2 h−1 e 274 ± 19 µmol N m−2 h−1, rispettivamente), con tassi di un ordine di grandezza superiore a quelli di DNRA (55 ± 9 and 27 ± 8 µmol N m−2 h−1, rispettivamente). Al contrario, la DNRA ha mostrato i tassi più alti nel sito più salino (116 ± 29 µmol N m−2 h−1), in accordo con quanto riportato in letteratura, secondo cui le condizioni saline favoriscono la DNRA rispetto alla denitrificazione. I risultati ottenuti mostrano come l’incremento della salinità negli ambienti di transizione, in conseguenza al cambiamento climatico, sia un fattore chiave nella regolazione del metabolismo bentonico dell’azoto. In uno scenario di cambiamento climatico, una sempre maggiore intrusione salina potrebbe decrementare la capacità di rimozione di azoto tramite denitrificazione nelle zone di transizione e aumentarne il ricircolo tramite DNRA, incrementando l’eutrofizzazione costiera. Complessivamente i risultati di questa tesi hanno evidenziato come due conseguenze del cambiamento climatico, il riscaldamento delle acque del Po e l’aumento dell’intrusione salina nel suo Delta, influenzino in modo inverso la capacità dissipativa dei carichi di nitrati lungo il continuum acque interne-acque costiere. Come emerso dalla sperimentazione, ulteriori sviluppi di questa ricerca dovrebbero mirare ad indagare altri aspetti sinora non studiati, come l’effetto del cambiamento climatico sulle tempistiche di recapito dei nutrienti alle sezioni fluviali terminali ed il ruolo delle variazioni stagionali della quantità e qualità della sostanza organica sedimentaria.