Il permafrost alpino - Parco Nazionale dello Stelviolombardia.stelviopark.it/wp-content/uploads/2019/11/Tolotti-etal_PN… · Il permafrost alpino: un elemento chiave nell’ecologia

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: [email protected]

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


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


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)


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


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


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


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


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


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


pH: 7.2-7.6TP medio: 5 µg L-1

RG inattivo incom-bente su una sponda


pH: 7.3-7.8TP medio: 5 µg L-1

RG attivoterminante nel lago


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


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.)


0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

Tie

fe (

cm)

5 10

Aula

cose

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lpig

ena

11 22

Aula

cose

ira d

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niv

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10 20

Psam

mot

hidi

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15 30

Psam

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5 10

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5 10

Ency

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11 22

Pinn

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11 22

Psam

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20 40

Surir

ella

roba

10 20

Psam

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ticum

10 20

Frag

ilaria

gra

cilis

20 40

Achn

anth

idiu

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mum

20 40

Psam

mot

hidi

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argi

nula

tum

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

%

Alte

r (

kal.

Jahr

e vH

)

60 ± 7

5 ± 2

14 ± 4

46 ± 67

78 ± 10

36 ± 5

27 ± 4

112 ± 23

D8

D7

D6

D5

D4

D3

D2

D1

10

Org

anis

cher

Geh

alt

6.0 6.5

pH-A

LPE

2 4 6

TP-N

WE

u

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

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 % %

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

Tie

fe (

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

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

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14

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16

17

18

19

20

21

22

Alte

r (k

al. J

ah

re v

H)

0

6 ± 2

30 ± 2

12 ± 2

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



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

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

28

30

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40

42

44

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48

50

52

54

56

58

Tie

fe (

cm)

0

% %

10 20

Al2

O3

1 2

MgO

% µg L-1

100 10 20 30

Org

anis

cher

Geh

alt

5.0 5.5

pH-S

WA

P

3.0 4.0

TP

-NW

Eu

g cm-3

0.02

Sed

imen

tatio

nsra

te

1.5

Dic

hte

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

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

26

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36

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40

42

44

46

48

50

52

54

56

58

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



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


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


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

*


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


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

1.0

1.5

2.0

2.5

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0

pHAlk

As

PO4-P

Co

CuMn

NMDS D1

NM

DS

D1

SU-RG2-E

SU-RG2-M

AM-RG3-E

SU-RG1-M

MR-RG4-E

AM-RG3-MMR-RG2-M

AM-RG1-M

MR-RG3-E

MR-REF2-M

MR-REF2-E

AM-RG1-E

MR-REF1-MAM-RG4-MMR-REF1-E

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)


Ric

chez

za in

taxa

Brighenti et al., Freshwater Biology, submitted

Diversità bentonica in acque correnti

Macrozoobnethos


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!)


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


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

[email protected]

[email protected]

[email protected]

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