On Some Ecohydrological Interactions in Coastal Environments

The modeling of coupled processes of plant transpiration and photosynthesis together with soil moisture dynamics and morphology evolution is of key importance to study the fate of coastal areas, characterized by shallow waters and complex hydraulic regimes which regulate the sediment budget and salinity. In this study, a novel approach to physically-based models which deal with water potential gradients is presented, based on plant stomatal optimization which aims to increase photosynthesis and minimize transpiration, for a cost parameter which depends on the local soil moisture. Such an approach allows to model hydraulic lift - that is water redistribution exerted by roots from wet to dry soil zones. Future possible scenarios of climate change, with increased values of ambient CO2 concentration and air temperature, are explored in order to investigate the effects on plant adaptation. Being salinity a stress factor in coastal areas, inhibiting photosynthesis both in salt-tolerant and salt-sensitive plants, a small-scale model for stomatal conductance is proposed. The optimality model here is revised to include the mesophyll conductance and its dependence on water salinity. The optimization problem of adjusting stomatal aperture for maximizing carbon gain at a given water loss is solved for both a non-linear and a linear biochemical demand function. The approaches here successfully describe gas-exchange measurements reported for olive trees (Olea europea L.) and spinach (Spinacia oleracea L.) in fresh water and in salt stressed conditions. From the results obtained, the photosynthetic capacity of the plant is directly reduced by 30-40% under salt stress conditions. Hence, reductions in photosynthetic rates observed under increased salt stress are not only due to a limitation of CO2 diffusion, but also caused by a direct salinity effect on the metabolic apparatus of the plant. An increase in salt stress causes also an increase in the cost of water parameter (or marginal water use efficiency) exceeding 100%. At a large scale, the effect of vegetation on sediment resuspension has been studied with application to coastal shallow waters by use of remote sensing and mathematical modeling in order to retrieve suspended sediment concentration maps. A simplified radiative transfer model has been applied to retrieve information from multispectral data from different sensors (LANDSAT, ASTER and ALOS AVNIR). Both the radiative transfer and the sediment transport models have been calibrated and validated with observations from a network of turbidity sensors in the Venice lagoon and the comparison of the suspended particulate matter (SPM) maps produced by satellite images and modelling allows to identify the magnitude of the stabilizing effect of benthic vegetation.

La modellazione dei processi accoppiati di traspirazione e fotosintesi da parte delle piante con le dinamiche di umidità nel suolo e l'evoluzione morfologica è di grande importanza per lo studio dell'evoluzione degli ambienti costieri, caratterizzati da acque basse e regimi idraulici complessi che regolano il bilancio dei sedimenti e la salinità. In questo lavoro viene presentato un approccio originale nell'ambito dei modelli che riguardano i potenziali idrici. Tale approccio è basato sull'ottimizzazione dell'apertura degli stomi da parte della pianta, che tende a massimizzare la fotosintesi e minimizzare la traspirazione, dato un parametro di costo che dipende dall'umidità de suolo locale. Tale approccio permette di descrivere l'hydraulic lift, ovvero la ridistribuzione di acqua da zone umide a zone più secche del suolo, esercitata da parte delle radici. Vengono inoltre esplorati futuri scenari di cambiamenti climatici, simulando aumenti della concentrazione di CO2 in atmosfera e della temperatura dell'aria, per studiarne gli effetti sull'adattamento delle piante. La salinità rappresenta un fattore di stress nelle aree costiere, inibendo la fotosintesi sia per le piante tolleranti al sale che per quelle sensibili. E' stato, quindi, sviluppato un modello a piccola scala per la conduttanza degli stomi. Il modello di ottimizzazione, ovvero l'adattamento dell'apertura degli stomi per massimizzare la fotosintesi per una fissata traspirazione, viene qui rivisitato al fine di includere la conduttanza dei mesofilli e la sua dipendenza dalla salinità nella rappresentazione del modello. Il problema di ottimizzazione è risolto sia per una domanda biochimica di ossigeno non lineare che per una lineare. Entrambi gli approcci riproducono alcune misure riportate in letteratura per ulivi (Olea europea L.) e spinaci (Spinacia oleracea L.), per condizioni di acqua d'irrigazione dolce o salata. Dai risultati ottenuti, risulta che la capacità fotosintetica della pianta è ridotta del 30-40% in condizioni saline. Ne risulta che le riduzioni del tasso di fotosintesi che si osservano in condizioni saline non sono dovute solamente ad una limitazione nella diffusione di CO2, ma sono causate anche da un effetto diretto che la salinità stessa ha sull'apparato metabolico della pianta. Un aumento dello stress salino causa anche un aumento del parametro di costo dell'acqua (o efficienza di uso dell'acqua marginale) che eccede il 100%. A grande scala, l'effetto della vegetazione sulla risospensione dei sedimenti è stato studiato con applicazione alle acque basse costiere attraverso il telerilevamento e la modellazione matematica, al fine di creare delle mappe della concentrazione dei solidi sospesi. E' stato applicato un modello di trasferimento radiativo semplificato per estrarre informazione da immagini multispettrali acquisite da diversi sensori (LANDSAT, ASTER and ALOS AVNIR). Sia il modello di trasferimento radiativo che il modello di trasporto sono stati calibrati e validati sulla base di dati misurati da una rete di torbidimetri nella laguna di Venezia, e il confronto tra le mappe di sedimento in sospensione create dalle immagini satellitari e dal modello permette di valutare l'entità dell'effetto di stabilizzazione esercitato dalla vegetazione bentica.