II WORKSHOP PROGETTO FINALIZZATO DI RICERCA

1. AGRI CLIM IIWORKSHOP PROGETTO FINALIZZATO DI RICERCA CAMBIAMENTI CLIMATICI E AGRICOLTURA Roma, 3 – 4 Aprile 2003 Maurizio Severini e Roberta Alilla Istituto di Scienze dell’Atmosfera e del Clima ISAC – CNR, Sezione di Roma L’ Effetto della Variazione del Clima sulle Popolazioni Naturali

2. Popolazioni Naturali di animali e piante (spontanee e coltivate) a grande scala. Prima la teoria poi le evidenze sperimentali

3. Fattori Climatici a rischio 'Global Change' temperatura irradianza ultravoletta precipitazioni ... ma una teoria dell'impatto di fattori climatici sulle Popolazioni Naturali è oggi disponibile solo per la temperatura

4. Popolazione naturale: insieme degli individui della stessa Specie biologica che vivono nello stesso intervallo spazio-temporale. Esempi: • le pecore di un gregge, • le mosche tse tse in un comprensorio, • l’ Artemia franciscana nel Grande Lago Salato, • le balene dell’Oceano Pacifico, • gli insetti di una Specie parassita in una coltura, • le piante di frumento di un campo coltivato, • le gemme a fiore di un pescheto, • gli individui della Specie Homo sapiens all’interno dei confini di uno Stato. Funzione di stato: Numerosità (o Densità) N = N(t)

5. Modello Dinamico ΦB(t) ΦD(t) N(t) ΦI(t) ΦE(t) ΦB(t) Flusso di natalità [individui/giorno] ΦI(t) Flusso di immigrazione [individui/giorno] ΦD(t) Flusso di mortalità [individui/giorno] ΦE(t) Flusso di emigrazione [individui/giorno]

6. Popolazioni Pluricellulari uovo k= 1 larva k= 2 pupa k= 3 adulto k= 4 Stadi fenologici Ciclo Vitale N1(t) N2(t) N3(t) N4(t) R[T] Tasso di sviluppo Età fisiologica α = 0 pert = 0 ingresso α = 1 pert = tkuscita Popolazione con struttura d’età

7. se la temperatura media aumenta, il tempo di sviluppo diminuisce Questo vale solo per le Specie peciloterme e ... se R[T] è lineare ... reciproco del tempo di sviluppo Tasso di sviluppoè per definizione: Somma dei tassi … versione discreta del tempo fisiologico Se R[T] è lineare Somma termica Applicando il teorema della media Tj temperatura media giornaliera (ambiente fisico) T0k zero di sviluppo (caratteristica biologica) 1/Ck fabbisogno termico (caratteristica biologica)

8. Viventi pecilotermi TUTTI I VEGETALI BATTERI ALGHE FUNGHI PROTOZOI ZOOPLANCTON CELENTERATI ANELLIDI ARTROPODI (2 MILIONI DI SPECIE) PESCI E ANFIBI (NEGLI STADI IMMATURI) GLOBULI ROSSI DEL SANGUE

9. R = R[T] Funzione Tasso 0.05 0.04 Reaùmur, 1735 Tasso Rk[T] [d-1] 0.03 Boussignault, 1837 De Gasparin, 1844 0.02 Coutagne, 1882 0.01 TMAX Price, 1909 TV TL T0 125 Janisch, 1933 100 Stinner, 1974 Tempo tk[T] [d] 75 Logan,1976 50 25 Sharpe & D.M, 1977 10 20 30 Temperatura (°C)

10. 0.05 0.05 0.04 0.04 Tasso Rk[T] [d-1] Tasso Rk[T] [d-1] 0.03 0.03 0.02 0.02 TV 0.01 TV 0.01 TMAX TMAX Frumento: emergenza - accestimento T0=6°C TL=22°C Frumento: accestimento - levata T0=10°C TL=20°C 125 125 100 100 Tempo tk[T] [d] Tempo tk[T] [d] 75 75 50 50 25 25 10 20 30 10 20 30 Temperatura (°C) Temperatura (°C)

11. bufo semina - germogli cotone oviposizione - schiusa valliceps 0.25 0.05 0.20 0.04 Tasso Rk[T] [d-1] Tasso Rk[T] [d-1] 0.15 0.03 0.10 0.02 0.05 0.01 T0=8°C TL=23°C T0=8°C TL=29°C verme del 1.00 cotone oviposizione - adulti 0.25 0.75 0.20 Sopravvivenza Tasso Rk[T] [d-1] 0.50 0.15 0.10 TL=28°C 0.25 0.05 T0=12°C 30 10 20 Temperatura (°C) 10 20 30 Temperatura (°C)

12. oviposizione - adulto anofele semina - germogli girasole 0.15 0.10 0.12 0.08 Tasso Rk[T] [d-1] Tasso Rk[T] [d-1] 0.09 0.06 0.06 0.04 0.03 0.02 T0=12°C TL=27°C TL=17°C T0=4°C plasmodio albicocco gamont - sporoziote 0.15 schiusa - fioritura 0.10 0.12 0.08 Tasso Rk[T] [d-1] Tasso Rk[T] [d-1] 0.09 0.06 0.06 0.04 0.03 0.02 TL=29°C TL=12°C T0=2°C T0=13°C 10 20 30 10 20 30 Temperatura (°C) Temperatura (°C)

13. Sviluppo Stocastico larve uova stadio embrionale pupe larve stadio larvale adulti pupe stadio di pupa tempo tempo tempo

14. Modello a Ritardo Distribuito (Manetsch, 1976) T2 > T1 tk(T2) tk(T1) se la temperatura media aumenta, il tempo medio di sviluppo diminuisce e diminuisce anche la variabilità intorno alla media Distribuzione di Erlang … la distribuzione dei tempi di sviluppo di una coorte è asimmetrica tempo

15. conseguenze dell'aumento della temperatura media sulla fenologia delle piante a) riduzione della dormienza invernale b) anticipo del risveglio primaverile c) anticipo dell'emissione delle foglie e della fioritura Pioppo, Canada, 100 anni: anticipo 26 giorni (Beaubien et al., 2000) Macchia mediterranea, 50 anni: anticipo 16 giorni (Penũelas et al., 2002) Giardini fenologici, Nord Europa e Nord America, 30 anni: anticipo 6 giorni (Menzel et al. 1999) Indice di verde, 45°-70°Nord, 9 anni: anticipo 8 giorni (Myneni et al., 1997) d) allungamento della stagione di crescita Macchia mediterranea, 50 anni: allungamento 29 giorni (Penũelas et al., 2002) Giardini fenologici, Nord Europa ed America, 30 anni: allungamento 11 giorni (Menzel et al. 1999) Indice di verde, Nord Eurasia, 9 anni: allungamento 18 giorni (Myneni et al., 1997) e) spostamento verso latitudini ed altitudini maggiori Margine conifere subalpine, Nord America, 100 anni: spostamento verso Nord (Peterson, 1994)

16. conseguenze dell'aumento della temperatura media sulla fenologia e demografia degli artropodi a) anticipo uscita dalla diapausa b) anticipo degli stadi del ciclo vitale Lepidotteri, Olanda, 20 anni: anticipo del volo 12 giorni (Ellis et al., 1997) Lepidotteri, Spagna, 50 anni: anticipo del volo 11 giorni (Penũelas et al., 2002) Afidi, Inghilterra, 25 anni: anticipo del volo 6 giorni (Fleming et al., 1995) c) aumento del numero delle generazioni e della densità di popolazione d) spostamento verso latitudini ed altitudini maggiori Lepidotteri, 22 Specie, Europa, 100 anni: spostamento 35-240 Km Nord (Parmesan, 1999) Lepidotteri, 2 Specie, Europa, 100 anni: spostamento verso Sud (Parmesan, 1999) Anofele, Nuova Guinea, Tanzania, Kenya: spostamento oltre quota 2000 m (Epstein et al., 1998)

17. conseguenze dell'aumento della temperatura media sulla fenologia di Anfibi, Uccelli e Mammiferi a) anticipo degli stadi del ciclo vitale Anfibi, Stati Uniti, 100 anni: anticipo del canto 10 giorni (Gibbs, 2001) Anfibi, Inghilterra, 16 anni: anticipo oviposizione 10 giorni (Beebee, 1995) Uccelli, 20 Specie, Inghilterra, 25 anni: anticipo oviposizione 9 giorni (Crick, 1997) Uccelli, 1 Specie, Inghilterra, 25 anni: ritardo oviposizione (Crick, 1997) Marmotte, Stati Uniti, 23 anni: anticipo uscita letargo 38 giorni (Inouye et al., 2000) b) spostamento verso latitudini ed altitudini maggiori Piccoli mammiferi, 19 Specie, Stati Uniti: spostamento verso Nord (Davis et al., 1992)