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Il permafrost alpino: un elemento chiave nell’ecologia delle acque alpine
nell’attuale contesto di deglaciazione
Monica Tolotti 1, Maria Cristina Bruno 1, Walter Bertoldi 2, Stefano Brighenti 1-2,
1 - IASMA Research and Innovation Centre, Edmund Mach Foundation, Via Mach 1, I – 38010 S. Michele all’Adigeemail: monica.tolotti@fmach.it
2 - Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM), Università di Trento
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Dinamiche, entità e effetti dello scioglimento del permafrost = tema di ricerca “caldo”
in relazione alle implicazioni del riscaldamento globale per l’ambiente alpino, le sue
risorse naturali e le realtà socio-economiche
scioglimento ghiacciai
+
degradazione permafrost
Deglaciazione alpina
Mer de Glace (F) giugno 2018
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Rock glaciers e acque d’alta quota
I pochi studi sugli effetti dello scioglimento dei RG su idrologia e idrochimica di acque adiacenti
(e.g. Williams et al. 2006, Krainer et al. 2007, Thies et al. 2007, Baron et al. 2009,; Thies et al. 2013) indicano:
Electrical conductivity (µS cm-1)
neve emissario RG torrente di riferimento
4006 25
Hochebenkar, N-Tirolo, A� variazioni della
composizione
ionica, in parti-
colare in casi di
acid rock drainage
(ADR)
RG out
reference
stream
active RG
� aumento della
concentrazione ionicaL. Rasass
2682 mRG
L. Rasass , Sud Tirolo
25 µS cm-1 450 µS cm-1
Thies et al. 2007
1990 2005
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Rock glaciers e acque d’alta quota – metalli pesanti
Indagini stagionali → elevati livelli di elementi in traccia in emissari di RG (es. Ni, Zn, Al) che possono superare i limiti EU per le acque potabili (Dir. 98/83/EC)
L’origine di tali elementi non è completamente risolta:
� Erosione e dissoluzione di superfici rocciose esposte di recente (Williamms et al. 2006), acid rock
drainage (Runnells et al. 1992, Nordstrom et al. 2011)
� Dissoluzione/concentrazione legate alle fasi di gelo/disgelo all’interno dei RG in regime di base flow
(Thies et al. 2007)
� Solubilizzazione di Ca, Mg, Fe, Mn da parte di batteri chemolithotrofici (Sonnleitner et al. 2011, Boyd et
al. 2014)
Nickus et al., 2015
(pH
)
Drinking water limit(0.02 mg/L Ni)
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Scarse conoscenze sugli effetti dei soluti sul biota di acque influenzate da RG
Rock glaciers e acque d’alta quota – biota
Non influenzati da RG: diatomee alpine, circumneutralio acidofile, tipiche di acquescarsamente mineralizzate
Emissari di RG: biodiversità variabile, dominanza di taxa acidofili o acido-bionti, e tolleranti
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5
NM
DS
dim
ensi
on 2
NMDS dimension 1
HK-R2
KG-1
HK-R1
KG-R3
KG-S
HK-1
KG-2
KG-3
KG-R1
KG-R2
HK-2
pH: -0.93***, Zn: 0.75**, Si: 0.70*A
l: 0
.59*
• acque correnti in N-Tirolo (A) Thies et al., 2013
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Interreg IV Italy-Austria
www.permaqua.eu
Il progetto PERMAQUA (2011-2015)
Diffusione, modellazione in sottobacini campione (Solda Madritsch, Senales Grawand), stima rischio idrogeologico, idrologia e bilancio idrico, direttive tecniche e legali per le amministrazioni provinciali.
WP2 - Permafrost e bilancio idrico
Rilievi geomorfologici, sedimentologici e geofisici, carotaggi di rock glacier, monitoraggio temperatura interna, ioni e metalli pesanti di carote
WP3 - Proprietà fisico chimiche di rock glacier e suoli di permafrost
«Permafrost e il suo effetto sul bilancio idrico e sull'ecologia delle acque in alta montagna»
Chimica, elementi in traccia, plancton, benthos di acque correnti. sorgenti e laghi influenzati e non da rock glaciers
WP IV: Ecologia di acque correnti e laghi in aree influenzate da permafrost
WP V: Rock glaciers, sedimenti lacustri e torbieri come archivi climatici
Studio sedimenti lacustri e di torbiera per la ricostruzione ecologica dalla fine della Piccola Età Glaciale (~1850 AD) per comprendere i possibili effetti alungo termine dello scioglimento dei rock glaciers su chimica e biologia delle acqued’alta quota
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
PERMAQUA project: products Interreg IV Italy-Austria
(2011-2015)
www.permaqua.eu
Geo.Alp – Universität Innsbruck
https://www.uibk.ac.at/geologie/geoalp/index.html.en
www.permaqua.eu
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
composizione specifica alpina
(dominata da rotiferi, chirono-
midi, oligocheti), ma…
abbondanza e diversità minori
in laghi influenzati da rock
glaciers
5 sottobacini
Val MaziaVal Senales
Ötztal (A)Val di Riva
Val d’Ultimo
Acque di riferimento
www.permaqua.euIl progetto PERMAQUA (2011-2015)
Wilder Pludersee, Ultental (I)
Zooplancton (cladoceri)Fitobenthos (diatomee)
Thaler et al. 2015
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Paleolimnologia
Studiare i sedimenti lacustri significa accedere all‘archivio storico dei laghi
Molti eventi fisici, chimici e biologici lasciano resti e tracce che stratificano sul fondo dei laghi giorno dopo giorno formando i sedimenti.
= studio dei sedimenti lacustri per la ricostruzione dell’evoluzione ambientale ed ecologicaa scala temporale di secoli o millenni
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Großer MalerseeRaintal, 2501 m
WannenkarseeWindachtal, 2639 m
HungerschartenseeSchnalstal, 2778 m
Wilder PluderseeUltental, 2493 m
Südtirol (I)
Nordtirol (A)
WKS
PLU
MAL
HSS
Permaqua project – lake sediments
Bacino piccolo, no RG, perfmafrost diffuso
CE media: 185 µS cm-1
pH: 4.6-6.2TP medio: 5 mg L-1
Deglaciato, no RG, permafrost diffuso
CE media: 182 µS cm-1
pH: 7.2-7.6TP medio: 5 µg L-1
RG inattivo incom-bente su una sponda
CE media: 510 µS cm-1
pH: 7.3-7.8TP medio: 5 µg L-1
RG attivoterminante nel lago
CE media: 167 µS cm-1
pH: 6.3 TP medio: <2 µg L-1
Tolotti et al., 2015
litologia cristallina:paragneiss, micaschisti, quarziti
4 laghi:
- ≥ ~2500 m a.s.l.- ghiacciai nel bacino assenti- vegetazione sparsa- no pesci
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Permaqua sedimenti lacustri – approccio multiproxy
� datazione radiometrica: 210Pb, 137Cs, 14C (AMS), tasso di sedimentazione
� litologia: aspetto, densità, contenuto in acqua e sostanza organica
� geochimica: elementi in traccia (X-ray fluorescence spectroscopy)
δ13C and δ15N su sotanza organica totale
� biologia: diatomee (reconstruzione pH e TP lacustre) e stomatocisti subfossili,
cladoceri subfossili
Carote: 13 - 60 cm,
sezioni contigue di 0.5-1.0 cm
Cronologia: ~ 350 – 8000 anni (cal.)
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
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cm)
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%
Alte
r (
kal.
Jahr
e vH
)
60 ± 7
5 ± 2
14 ± 4
46 ± 67
78 ± 10
36 ± 5
27 ± 4
112 ± 23
D8
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D1
10
Org
anis
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Geh
alt
6.0 6.5
pH-A
LPE
2 4 6
TP-N
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µg L-1
Wannenkarsee (A)pH: 6.3
� maggiori cambiamenti dopo la finedella Piccola Età Glaciale (~150-100anni)
� ternd di aumento metalli negli ultimidecenni
Permaqua sedimenti lacustri
Großer Malersee (I)pH: 7.5
0.01 0.02 1.5 2.0 50 100 10 20
% %g cm-2 J-1 g cm-3
An
ni (
BP
)
% % % ppmppm % %
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cm)
12 24
Al2
O3
1 2
MgO
0.4 0.8
CaO
60 120
Cr
100 200
Rb
120 240
Z r
50 60S
iO2
0.2 0.3
P2O
5
55 110
Pb
14000
S
45 90
Ni
110 220
Zn
20 40
Co
40 80
Cu
30 60
As
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H)
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30 ± 2
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20 ± 2
42 ± 2
54 ± 3
58 ± 3
63 ± 4
73 ± 5
84 ± 6
103 ± 7
128 ± 9
155 ±16
(335 ± 16)
1970
Wilder Pludersee (I)pH: 7.5
Alte
r (k
al. J
ahre
vH
)
83 ± 7
0
9 ± 2
58± 4
128 ± 25
39 ± 2
21 ± 2
1992 ± 54
2895 ± 8
3367 ± 75
Tolotti et al., 2015
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Alte
r (k
al. J
ahre
vH
)
114 ± 14
49 ± 2
60 ± 2
89 ± 5
155 ± 33
75 ± 3
8085 ± 80
5355 ± 23
4650 ± 238
3317 ± 90
2637 ± 140
2390 ± 23
1177 ± 65
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cm)
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5.0 5.5
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P
3.0 4.0
TP
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Sed
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Dic
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ppmppm % %
140 70 140
Rb
100 200
Zr
60 80
SiO
2
0.3 0.6
P2O
5
60 120
Pb
12000
S
140 280
Ni
160 320
Zn
30 60
Co
200 400
Cu
20 40
As
0
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Evoluzione a lungo termine
Hungerschartensee (I) pH: 4.6 - 6.2
• condizioni acide e aumento degli elementi in tracciaanche in passato
• fasi di maggiore riscaldamento durante Olocene(Holocene Optimum)
Holocene Climate Optimum
Tolotti et al., 2015
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Deglaciazione alpine e permafrost
Haeberli et al., 2016
Attuali caratteristiche fisiche, chimicheed ecologiche delle acque di testaalpine dominate da dinamichesuperficiali (ghiacciai)…
… ma è previsto che il ghiacciosottosuperficiale (rock glaciers)diventerà dominante dopo il 2050
Deglaciazione alpina → scioglimento dei ghiacciai
degradazione del permafrost... tempi diversi
2019
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Val Solda e Valle Zay
Val de la Mare
Bolzano
Trento
Ecological shifts of stream ecosystems in deglaciating Alpine areas: present and past conditions and future predictions
Deglaciazione alpina e permafrost
Brighenti et al., 2019. STOTEN
DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.04.221
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Esplorare il ruolo ecologico dei rockglaciers nell’attuale contesto di deglaciazione
alpina e prevedere trend ecologici futuri per le acque d’alta quota
Integrating research activity
valutare habitat e caratteristichefisiche, chimiche e biologiche di acquealimentate da rock glacier, ghiacciaio, precipitazioni
acque correntisostituzione spazio-tempo
laghiricostruzione paleolimnologica
Ricostruire gli effetti di fasi recenti e antiche di ritiro dei ghiacciai e degradazione dei rock glaciers suchimica e biologia di laghi alpini
scioglimentonivale
ablazione recessione
2017 – 2018: campionamenti stagionali
idrologia chimica
benthos (batteri, diatomee, macrozoobenthos) reti trofiche
* raccolta sedimenti
*
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Firma isotopica dell’origine dell’acqua (Val Solda)
Brighenti et al., 2019. Hydrological Processes 2019, DOI: 10.1002/hyp.13533
Mixing space di δ2Hand SiO2
(= proxy di contributosotterraneo, Brown et
al. 2003) comprendentecampioni daipotenziali componentidella portata, i.e. neve, ghiaccio, precipitazioni
• Arricchimento isotopico da giugno a settembre → riduzione dello scioglimento nivale
• Scioglimento di neve e ghiaccio (- 105.5 to -89.5 ‰) → ruolo dominante come end member di acque isotopicamente impoverite
• Precipitazioni → ruolo marginale come end member di acque isotopicamente arricchite
sottobacino Solda sottobacino Zay
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Diversità bentonica in acque correnti
Val d‘Amola
Val de la Mare
Val Solda e Zay
diversità ββββ
Tolotti et al., 2018; Tolotti et al., in prep
Differenze significative tra substrati, tipi di acqua, sottobacini
-2.0
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
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1.5
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-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0
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AM-REF-EMR-RG2-E
MR-RG1-MMR-RG4-M
SU-RG1-E
AM-REF-M
a)
Rotta et al., 2018
pH e metalli = driver ecologici
Diatomee
Batteri (meta-barcoding, eDNA)
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Ric
chez
za in
taxa
Brighenti et al., Freshwater Biology, submitted
Diversità bentonica in acque correnti
Macrozoobnethos
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Potenziale ruolo ecologico dei rock glaciers
rock glacier
ghiacciaio
Potenziale ruolo futuro:
�“rifugio ecologico” per specie stenoterme in un contesto di global warming e riduzionedell’habitat glaciale
�“stepping-stones” per la colonizzazione delleporzioni dei bacini lasciate libere dal ritiro deighiacciai
RG: altitudine simile ripetto ai corsid’acqua glaciali…
�habitat e comunità diverse, tipici di acque a quota inferiore (crenali, rithrali)
�hotspot di biodiversità (conservazione!)
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Geomorfologia: contenuto in ghiaccio di rock glacier attivi, inattivi fossili
Idrologia: ruolo degli elementi peri- e paraglaciali e del regime delle precipitazioni
Biodiversità: da sottobacino a scale più ampie (incl. approcci biomolecolari, eDNA)
Processi: - reti trofiche (da gruppi tassonomici a comunità….in progress)
- metalli pesanti (origine, bilancio, quantificazione impatti su qualità acqua)
… verso il futuro e oltre…
Libera Università di Bolzano
Verbania-Pallanza
Workshop PNS , S. Antonio Valfurva, 18 ottobre 2019
Ringraziamo:
EU-Interreg-Projekt PERMAQUA: A. Scapin Biologisches Labor, Leifers.
SMART Erasmus Mundus: F. Rotta, F. Bressan, T. Holtz, C. Vulcano, S. Andrissi, M. Obrelli, M. Zannoni
Fondazione E. Mach: M. Milan, M Tarter, A. Zampedri, A. Boscaini
LUB: F. Comiti, M. Engel; UniPV: R. Seppi
Ensis LtD, University College London UK (datazioni radiometriche)
Ecoresearch Gmbh, Bolzano (analisi metalli pesanti)
Grazie per l‘attenzione
Suldnerferner, Gran Zebrù e Ortles, Settembre 2018
monica.tolotti@fmach.it
cristina.bruno@fmach.it
stefano.brighenti@unitn.it