Study of vegetation-atmosphere interactions over vineyards: CO2 fluxes and turbulent transport mechanics

The study of vegetation‒atmosphere exchanges is today of great interest in order to understand and model plant responses to environmental conditions and their potential influence on global climate change. A special attention is usually given to carbon dioxide (CO2) fluxes and, in general, natural ecosystems such as forests received more attention. In the present work we investigated vegetation‒atmosphere interactions over vineyards, focusing on the annual carbon budget and turbulent transport processes driving exchanges of mass and energy. Vineyard is a complex ecosystem with distributed sources/sinks of scalars (water vapour, carbon dioxide, heat), where vines and soil surface combine to give the overall flux of the canopy. In Northern Italy vineyard inter-row is often grassed, playing then an important role in the whole carbon budget. In this context, the partitioning of net ecosystem CO2 exchange (NEE) into soil and vine components deserves a special attention. We monitored vineyard NEE applying the eddy covariance (EC) method for three years, while soil CO2 flux measurements have been carried on using soil chambers (transparent and dark). In 2015, the annual carbon budget of the vineyard was about ‒ 80 g C m‒2 y‒1, however the largest part of carbon assimilation was due to grassed soil compartment (‒ 60 g C m‒2 y‒1). The interannual variability of seasonal carbon budget showed to be high and significantly affected by heat waves and drought spells in summer. During the growing season of 2014, characterized by plenty of rainfall, NEE reached its maximum value of about ‒ 250 g C m‒2. The organization in rows of the vineyard determines a peculiar turbulent transport dynamics within the canopy. However, the morphological structure of the vineyard is greatly variable over the year, shifting from an empty canopy during vine dormancy to dense foliage in summer. We investigated the influence of foliage development on turbulence statistics deploying a vertical array of sonic anemometers. Turbulent flow showed to be greatly influenced by canopy structure. Without leaves, turbulent regime is typical of a rough‒wall boundary layer flow, whereas at full foliage development it assumes the features of a mixing‒layer flow, even if the inflection point at canopy top is weak, due to sparseness of the vineyard. Coherent structures involved in momentum transport and their temporal scales have been also investigated, showing the increasing importance of sweeps throughout the growing season. The average duration of dominating coherent structures was in the order of 6 ‒ 10 s and no clear influence by canopy structure evolution was detected. The research demonstrated the importance of long‒term monitoring of vegetation‒atmosphere exchanges, and also the complexity of turbulent transport dynamics in the canopy space. However, only a thorough comprehension of this mechanics could lead to a solid interpretation of the role of vegetation in fundamental biogeochemical cycles.

Lo studio delle interazioni tra vegetazione e atmosfera è oggi un tema di grande interesse nell’ottica di migliorare la comprensione della risposta delle piante alle variabili ambientali e la modellizzazione del loro ruolo nel cambiamento climatico globale. Particolare attenzione è di solito rivolta ai flussi di anidride carbonica (CO2) e, in genere, gli ecosistemi naturali come le foreste hanno ricevuto una maggiore attenzione. In questa ricerca sono state studiate le interazioni vegetatione-atmosfera su una coltura agraria importante per il bacino mediterraneo, quale il vigneto, focalizzandosi sul monitoraggio del bilancio annuale di carbonio e approfondendo lo studio della meccanica del trasporto turbulento che è alla base degli scambi di energia e materia. Il vigneto è un sistema complesso con diverse sorgenti e sink di scalari (vapore d’acqua, anidride carbonica, calore), in cui le due principali componenti, vite e suolo, compongono il flusso totale della canopy in un rapporto che varia nel corso dell’anno. Nei vigneti del Nord Italia, l’interfila è solitamente non lavorata e inerbita, giocando un ruolo importante nel bilancio del carbonio del sistema. In questo contesto, risulta cruciale la ripartizione dello scambio netto di CO2 dell’ecosistema (Net Ecosystem Exchange, NEE) nelle componenti suolo e vite. Nel corso di questa indagine, la NEE di un vigneto è stata monitorata per tre anni utilizzando la tecnica micrometeorologica dell’ eddy covariance (EC), mentre la misura dei flussi di CO2 al suolo è stata effettuata con camere (a cupola trasparente e oscura). Nel 2015, il bilancio annuale di carbonio del vigneto è stato di circa ‒ 80 g C m‒ 2 a‒ 1, dimostrando quindi la capacità di agire da sink, ma la maggior parte dell’assimilazione è risultata legata al suolo inerbito (‒ 60 g C m‒2 a‒1). In ogni caso, il sistema ha dimostrato un’elevata variabilità interannuale del bilancio del carbonio stagionale, in cui ondate di calore e periodi di siccità estivi hanno giocato un ruolo primario. Nella stagione 2014, caratterizzata da un regime di precipitazione abbondante, la NEE ha raggiunto il valore massimo di circa ‒ 250 g C m‒2. L’organizzazione del vigneto in filari determina una particolare dinamica del trasporto turbolento dentro canopy. Inoltre, la struttura morfologica del vigneto è altamente variabile durante il corso dell’anno, passando da una canopy praticamente vuota nel periodo di dormienza della vite a una situazione dove il fogliame è denso e concentrato nelle file al culmine della stagione vegetativa. L’influenza dello sviluppo della densità fogliare sulle statistiche della turbolenza è stato studiato installando un profilo verticale di anemometri ad ultrasuoni. Il flusso turbolento è risultato fortemente influenzato dalla struttura della canopy. Senza foglie, il regime turbolento è caratteristico di un flusso di parete, mentre con lo sviluppo completo del fogliame assume le proprietà tipiche di un flusso con mixing‒layer, sebbene il flesso al limite superiore della canopy sia poco accentuato, a causa della bassa densità fogliare del vigneto. Infine, è stata condotta un’analisi specifica delle strutture coerenti coinvolte nel trasporto di quantità di moto e sulle loro scale temporali. L’importanza di eventi discendenti che trasportano aria più veloce del flusso medio (sweeps) è aumentata nel corso della stagione. La durata media delle strutture coerenti dominanti è stato nell’ordine di 6 ‒ 10 s e, in questo caso, non è stata riscontrata nessuna chiara correlazione con lo sviluppo della struttura della canopy. Lo studio ha messo in evidenza l’importanza del monitoraggio a lungo termine degli scambi tra vegetazione e atmosfera, ma anche la complessità dei fenomeni di trasporto turbolento che li caratterizzano. Tuttavia, solo la piena comprensione della meccanica di questi processi può portare alla corretta interpretazione del ruolo della vegetazione nei cicli biogeochimici più fondamentali.