R Baraldi, C. Chieco, L. Neri, O. Facini, F. Rapparini, L. Morrone, A. Rotondi e G. Carriero
Riassunto: i servizi ecosistemici forniti dalle foreste urbane contribuiscono a migliorare la qualità dell’aria e il benessere delle persone nelle città. Per questo studio è stato utilizzato un approccio basato su misure dirette delle caratteristiche fogliari e sulla stima del potenziale di mitigazione delle piante per prevedere l’impatto di 29 specie vegetali arboree ed arbustive, comunemente presenti nel contesto urbano, sulla qualità dell’aria. Inoltre, è stata analizzata l’emissione di composti organici volatili biogenici (BVOC) e il potenziale di formazione di ozono (OFP) di ciascuna specie. A livello della pianta sono stati applicati l’equazione di deposizione degli inquinanti e il modello iTree Eco per stimare il potenziale di rimozione di particolato (PM10) e ozono (O3) e per calcolare l’accumulo e il sequestro di biossido di carbonio (CO2) dalle specie esaminate. I risultati hanno evidenziato la capacità specie-specifica delle piante di catturare gli inquinanti atmosferici sulla base delle loro caratteristiche fisiologiche (assimilazione di CO2 e conduttanza stomatica) e morfologiche (stomi, tricomi, cere e ornamenti cuticolari). Specie con abbondati tricomi e cere e superfici fogliari rugose sono considerate più adatte a catturare inquinanti.
Per la maggioranza le specie studiate sono adatte ai programmi di pianificazione urbana in quanto risultano basse emettitici di BVOC e di conseguenza sono caratterizzate da basso o moderato OFP. Liriodendron tulipifera, Celtis australis, Acer campestre e Acer platanoides sono specie più efficienti nella cattura di PM10 e nell’assorbimento di O3. Prunus cerasifera, Quercus cerris, Celtis australis, Acer campestre e Acer platanoides sono più efficienti nell’accumulo e nel sequestro di carbonio. Come previsto a causa della loro struttura e superficie fogliare più ridotte, il potenziale di rimozione di inquinanti e di accumulo e sequestro di CO2 per gli arbusti è più basso di quello delle specie arboree.
Contesto: L’aumento delle emissioni di gas serra antropogenici (GHG) e gli aerosol sono i principali motori del cambiamento climatico. Dall’inizio della rivoluzione industriale, le attività umane hanno prodotto un aumento rilevante di gas serra come anidride carbonica (CO2), biossido di azoto (NO2), metano (CH4) e ozono (O3) ma anche particolato atmosferico (PM), una miscela di metalli pesanti, carbonio nero, idrocarburi aromatici policiclici e altre sostanze sospese nell’atmosfera. L’ozono è il terzo gas serra più importante e, insieme al PM, è l’inquinante atmosferico secondario più pericoloso nelle città. L’Agenzia europea dell’ambiente (AEA) ha stimato che, nel 2013 e 2015, i cittadini europei sono stati esposti a concentrazioni di PM10 che erano 16-20% superiori ai valori limite giornalieri dell’UE (50μg m-3) e 50-62% superiori al livello di riferimento annuale (20μg m-3) dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (SEE, 2017). L’esposizione a O3 è stata associata ad un aumento del numero di ricoveri e a mortalità prematura dovuta principalmente a malattie cardiovascolari e respiratorie. La crescente preoccupazione per le emissioni di gas serra e particolato ha portato a numerosi sforzi di mitigazione globale (IPCC, 2014; UNFCCC, 2015). Un recente studio ha identificato e quantificato le soluzioni per aumentare il sequestro del carbonio e ridurre le emissioni di gas serra attraverso la conservazione e il miglioramento delle pratiche di gestione dei biomi delle foreste, delle zone umide e delle praterie. Lo stesso studio ha riferito che i programmi di rinverdimento urbani potrebbero fornire oltre un terzo della mitigazione climatica necessaria tra oggi e il 2030 per stabilizzare l’aumento della temperatura a meno di 2 °C. Le foreste sono considerate nelle ricerche per la mitigazione climatica per la loro capacità di compensare le emissioni di CO2 convertendola tramite la fotosintesi in biomassa come foglie, radici, steli e rami. La vegetazione, in particolare le foreste urbane e periurbane, può inoltre ridurre i livelli di inquinamento attraverso processi di deposizione a secco come l’adsorbimento di PM sulla superficie fogliare e l’assorbimento di inquinanti gassosi come l’ozono attraverso il flusso stomatico. Tuttavia, il contributo delle piante alla mitigazione urbana dipende da interazioni complesse tra fattori biotici e abiotici ambientali, le concentrazioni degli inquinanti e caratteristiche strutturali e funzionali tipiche di ciascuna pianta, che possono essere estrapolate attraverso parametri come l’indice di area fogliare (LAI) e la conduttanza stomatica (gs). Caratteristiche microstrutturali della foglia (ad es. cuticola, epidermide, cere epicuticolari, stomi e tricomi), insieme alla superficie fogliare totale, influenzano l’efficienza degli alberi e degli arbusti nella rimozione di PM dall’atmosfera urbana. Le conifere sono generalmente considerate più efficaci nella cattura del PM rispetto alle specie a foglia larga, poiché caratterizzate da una maggior superficie fogliare. Tra le latifoglie, le specie con la superficie fogliare più ruvida sono più efficienti nella cattura del PM poiché la rugosità superficiale interagisce con il particolato inalabile (PM10) e respirabile (PM2.5). I tricomi presenti sull’epidermide fogliare consentono alle foglie di intrappolare le PM di dimensioni maggiori, mentre le rugosità presente sull’epidermide (scanalature, proiezioni delle vene e rivestimenti cerosi) consentono la cattura delle particelle più piccole.
Tutte le piante, e in particolare gli alberi, possono rilasciare composti organici volatili biogenici (BVOC) inclusi isoprenoidi (principalmente isoprene e monoterpeni) per diverse funzioni quali la difesa, la comunicazione e la protezione dalle condizioni di stress. I BVOC possono svolgere un ruolo critico nell’interazione biosfera-atmosfera, contribuendo alla formazione o alla rimozione di particolato e di ozono troposferico, a seconda del rapporto tra le concentrazioni di VOC e ossido di azoto (NOx) in ambienti urbani o periurbani inquinati. Poiché isoprene e monoterpeni sono caratterizzati da diverse velocità di reazione con l’ozono e gli NOx, la particolare composizione di composti volatili emessi da una determinata specie è rilevante per prevedere l’impatto di tale specie sulla qualità dell’aria. L’emissione di isoprenoidi differisce ampiamente tra le specie arboree e persino all’interno della stessa specie, poiché è influenzata anche da fattori fisiologici e ambientali. Sono già disponibili elenchi delle specie arboree più adatte agli ambienti urbani, nei quali gli alberi vengono classificati in base ai composti emessi e alla loro reattività con i radicali ossidanti presenti nella troposfera.
Uno studio esaustivo, che integri gli effetti cumulativi della vegetazione urbana sulla rimozione dell’inquinamento e in particolare sul sequestro del carbonio e sulla formazione di ozono, è impegnativo a causa della complessità dei processi fisico-chimici coinvolti nelle interazioni albero-atmosfera all’interno delle aree urbane. Vi è dunque una crescente attenzione sull’uso di modelli per studiare la capacità delle piante di rimuovere l’inquinamento atmosferico, in particolare per stimare la deposizione, l’intercettazione e la dispersione di inquinanti da parte degli alberi. Il modello più utilizzato nell’ambiente urbano e peri-urbano è i-Tree Eco, progettato e sviluppato negli Stati Uniti dal Department of Agriculture Forest Service e da diverse organizzazioni partner (USDA, 2015). i-Tree Eco è progettato per descrivere la struttura della foresta urbana e il suo potenziale di assorbimento degli inquinanti ed è stato utilizzato in più di 50 città in tutto il mondo, anche se il suo uso per le città europee è ancora abbastanza limitato. L’obiettivo generale del nostro studio era di stimare il contributo di alcune specie arboree e arbustive alla mitigazione dell’aria urbana. Gli obiettivi specifici di questo studio erano: (1) esaminare i tratti funzionali fogliari specifici per ogni specie, compresi gli scambi gassosi e le strutture micro-morfologiche, che influenzano la loro potenziale riduzione degli inquinanti; (2) valutare la capacità di emissione di BVOC e il potenziale di formazione dell’ozono di ogni specie, per valutarne i servizi ecosistemici; (3) stimare la rimozione a livello di pianta di PM10 e O3, applicando equazioni di deposizione degli inquinanti e (4) valutare il sequestro e il conseguente stoccaggio di CO2 delle specie selezionate, mediante il modello i-Tree Eco.
Lo studio è stato condotto su 25 specie di alberi a foglia larga e su 4 arbusti sempreverdi (Acer campestre L., Acer platanoides, Alnus glutinosa, Carpinus betulus, Catalpa bunjei, Celtis australis L. ,Cercis siliquastrum, Crataegus monogyna Jacq., Fraxinus excelsior L., Fraxinus ornus L., Gingko biloba L., Koelreuteria paniculata Laxm., Laurus nobilis L., Ligustrum japonicum Thunb., Liquidambar styraciflua L., Liriodendron tulipifera L., Malus domestica Borkh., Morus alba L., Prunus cerasifera “pissardii” Ehrh., Parrotia persica C.A. Mey., Photinia x fraseri “Red Robin” Dress., Quercus cerris L., Robinia pseudoacacia L., Sambucus nigra L., Sophora japonica L. , Tilia cordata Mill., Tilia platyphyllos Scop., Ulmus minor Mill., Viburnum tinus L.) comunemente piantati nella città di Bologna (Italia) e nelle aree circostanti, con lo scopo di fornire soluzioni sostenibili per la mitigazione degli inquinanti nelle aree urbane e quindi supportare i responsabili della progettazione del verde nella selezione e gestione del verde urbano e peri-urbano.
Conclusioni: Il presente studio, basato sia su esperimenti empirici che sull’applicazione di modelli, sulla capacità delle piante di mitigare l’inquinamento dell’aria, supporta l’evidenza del ruolo svolto dalle latifoglie decidue urbane e dalle specie sempreverdi sulla compensazione delle emissioni di CO2 e sulla riduzione degli inquinanti. Le indagini approfondite su diversi livelli hanno rivelato l’importanza della variabilità interspecifica delle caratteristiche delle piante, che hanno impatti funzionali significativi per la mitigazione degli inquinanti. La maggior parte delle specie studiate ha caratteristiche fogliari che consentono alle piante di intrappolare efficacemente le particelle, ridurre gli inquinanti gassosi come O3 e il gas serra CO2, che vengono sequestrati a livello dell’intera pianta, anche se con efficienza diversa influenzata anche dalle aree fogliari. Inoltre, un potenziale di formazione dell’ozono (OFP) basso o moderato le rende idonee per la selezione in programmi di impianto che mirino anche a migliorare la qualità dell’aria urbana. Fra le specie esaminate, Liriodendron tulipifera, Celtis australis, Acer campestre e Acer platanoides sono le specie che catturano il PM10 e assorbono O3 in maniera più efficiente. Prunus cerasifera, Quercus cerris, Celtis australis, Acer campestre e Acer platanoides sono adatte per sequestrare e stoccare in modo efficiente CO2. Sebbene gli arbusti siano meno efficienti nella rimozione degli inquinanti e nel sequestro del carbonio a causa delle loro caratteristiche strutturali, il loro contributo al miglioramento della qualità dell’aria e della salute umana è comunque importante, perché sono sempreverdi e fungono da barriera nei livelli inferiori delle piantagioni urbane, dove invece gli alberi non presentano foglie e dunque non mitigano l’aria.
https://doi.org/10.1016/j.ufug.2019.03.020
Abstract: The ecosystem services provided by urban forests contribute to ameliorate air quality and human well-being in cities. An integrated approach based on direct measurements of leaf functional multi-traits and on estimation of the plant mitigation potential was used for predicting the species-specific impact on air quality of 29 species, including trees and shrubs, commonly present in the urban context. In addition, volatile organic compound (VOC) emissions and ozone forming potential (OFP) of each species were evaluated. At plant levels, pollution deposition equations and the i-Tree Eco model were applied for estimating particulate (PM10) and ozone (O3) removal potential and for calculating carbon dioxide (CO2) storage and sequestration by the studied species. The results highlight the plant species-specific ability to capture atmospheric pollutants based on their physiological (CO2 assimilation and stomatal conductance) and morphological (stomata, trichomes, waxes and cuticular ornamentation) leaf traits. Trees with abundant trichomes, waxes and wrinkled leaf surfaces are considered more suitable for capturing pollutants. Most of the studied species are suitable for urban planning programs as they result for the majority low VOC emitters and consequently are characterized by low or moderate OFP. Annual O3 and PM10 removal of the investigated trees species ranged from about 58–140 g plant−1 yr−1 and from about 17–139 g plant−1 yr−1, respectively. Total tree CO2 storage ranged from about 164–215 kg plant−1 and gross annual CO2 sequestration from 11 to 20 kg plant−1 year−1. Liriodendron tulipifera, Celtis australis, Acer campestre and Acer platanoides, were efficient species in capturing PM10 and absorbing O3. Prunus cerasifera, Quercus cerris, together with Celtis australis, Acer campestre and Acer platanoides, were efficient for carbon sequestration and storage. As aspected, lower potential of pollutant removal and CO2 storage and sequestration were estimated for shrubs, due to their smaller leaf area and structure.