La sfida nel 21esimo secolo è quella di fornire cibo e energia ad un mondo in continua crescita demografica e allo stesso tempo conservare l’ambiente. In questa tesi uno scenario alternativo di uso del suolo per la produzione di bioenergia è stato testato: le fasce tampone bioenergetiche. Considerate le problematiche ambientali legate al trilemma “cibo-energia-ambiente”, la struttura del Millennium Ecosystem Assessment sui servizi ecosistemici (SE) fornisce l’opportunità di esaminare l’impatto ambientale di questo nuovo scenario bioenergetico. In questa tesi ho mirato a determinare in che misura le colture bioenergetiche poliennali influenzino la fornitura multipla di SE quando coltivate come fasce tampone. Per raggiungere questo obiettivo, ho combinato una revisione sistematica della letteratura sui SE forniti da colture energetiche poliennali (CEP) con una prova sperimentale su fasce tampone bioenergetiche.
Applicando una metodologia di attribuzione di punteggi agli impatti sui SE estratti dal materiale bibliografico raccolto, ho mostrato come coltivando le CEP lungo i margini dei campi coltivati esista una grande opportunità per sostenere la fornitura multipla di SE. La coltivazione delle CEP come fasce tampone adiacenti a campi agricoli può migliorare i SE di regolazione del clima, dell’acqua e della biodiversità, sostenere la salute del suolo e fornire biomassa dedicata alla produzione di bioenergia. Al contrario, la conversione di margini di campo di prati stabili ha mostrato un impatto netto negativo sulla fornitura multipla di SE.
Tuttavia, due sono i principali svantaggi che sono stati individuati relativamente alla creazione e alla gestione delle fasce tampone bioenergetiche. Primo, diversi sono i fattori sito-specifici di tipo idro-pedologico lungo i margini dei campi che devono essere tenuti in considerazione poiché possono avere un impatto negativo sull’affrancamento delle colture e la loro produttività a medio-lungo termine. Secondo, riguardo la catena di approvvigionamento della biomassa, uno spazio di lavoro limitato per le macchine agricole è stato riconosciuto come principale inconveniente per le fasce tampone bioenergetiche rispetto alle CEP coltivate in pieno campo. Questo limite logistico di natura spaziale può inevitabilmente incrementare i tempi e le operazioni di taglio e raccolta della biomassa e quindi in ultima il consumo di combustili fossili.
Grazie ad una prova sperimentale su fasce tampone bioenergetiche condotta in un terreno sabbioso-limoso con falda acquifera poco profonda contaminata da nitrati di origine agricola, si è dimostrato come fasce tampone coltivate con miscanto e salice siano in grado di intercettare e rimuovere i nitrati in falda (>60%) tanto quanto fasce tampone con specie avventizie. CEP come miscanto e salice, grazie ai loro apparati radicali profondi, hanno mostrato essere in grado di promuovere delle relazioni pianta-suolo-microorganismi lungo l’intero profilo del suolo utili ai fini ambientali delle fasce tampone bioenergetiche. Infatti, negli strati più profondi, una maggiore biomassa radicale ha portato le CEP a superare le specie avventizie in termini di rimozione biologica dei nitrati dal suolo e mitigazione potenziale dei gas serra. Inoltre, i risultati relativi alla produzione di biomassa e le asportazioni di N legata alla fase di raccolta hanno confermato ulteriormente come la coltivazione di CEP lungo i corsi d’acqua sia una strategia win-win: produzione di biomassa e protezione dell’ambiente.
In conclusione, il potenziale rivelato dalle CEP in termini di fornitura multipla di SE suggerisce che la loro coltivazione, come elementi paesaggistici perenni in posizioni strategiche all'interno di paesaggio agricolo, è un'opzione promettente per promuovere l'intensificazione ecologicamente sostenibile degli agroecosistemi. / The 21st century will challenge agriculture to feed and fuel a growing world while conserving the environment. In this thesis an alternative bioenergy land use scenario to the conversion of marginal land has been tested: the bioenergy buffers. Given the environmental issues related to “food-energy-environment” trilemma, the Millennium Ecosystem Assessment framework on ES provides an opportunity to examine the environmental impacts of this new bioenergy land use scenario. In this thesis I aimed to determine to what extent do the perennial bioenergy crops affect the delivery of multiple ES when cultivated as bioenergy buffers. To reach this aim, I combined a systematic revision of literature on ES provided by perennial bioenergy crops with a field experiment on bioenergy buffers.
Applying an impact scoring methodology to the effects on ES extracted from literature, I showed that, cultivating perennial bioenergy crops along field margins of former croplands offer a great opportunity to sustain the provision of multiple ES. The cultivation of perennial bioenergy crops on field margins can improve climate, biodiversity and water regulation services, sustain soil health and provide biomass for energetic purposes. On the contrary, grassland conversion showed a net negative impact on multiple ES provision.
Nevertheless, I found two main shortcomings related to bioenergy buffers establishment and management. First, several site-specific factors along field margins must be taken into account, because they can affect crop establishment and buffers long-term productivity. Second, regarding to biomass supply chain, a limited working space for the farm machinery operations has been recognized as the main disadvantages of bioenergy buffers compared to large-scale bioenergy plantations. This spatial logistics constraint may inevitably increase harvest and collection operation times and fossil fuel consumption.
Conducting a field experiment with bioenergy buffers in a nitrate-enriched shallow groundwater, I showed that miscanthus and willow buffers are able to efficiently intercept and remove from groundwater the incoming NO3-N as much as buffer strips with spontaneous species. Yet, due to their deep rooting systems, bioenergy buffers promote significant plant-microbial linkages along the soil profile. At deeper soil layers, a higher fine root biomass led perennial bioenergy crops to outperform patches of adventitious vegetation in terms of biological N removal from soil and belowground GHG mitigation potential. The results on biomass production and N removal via harvesting further confirmed that the cultivation of perennial bioenergy crops along watercourses is an effective win-win strategy: biomass production and protection of the environment.
In conclusion, the revealed potential of perennial bioenergy crops on multiple ES provision implies that their cultivation as perennial landscape elements in strategic locations within landscape is a promising option to promote the ecological sustainable intensification of agroecosystems.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DocTA/oai:tesionline.unicatt.it:10280/10802 |
| Date | 17 March 2016 |
| Creators | FERRARINI, ANDREA |
| Contributors | TREVISAN, MARCO, AMADUCCI, STEFANO |
| Publisher | Università Cattolica del Sacro Cuore, PIACENZA |
| Source Sets | Universita Cattolica del Sacro Cuore. DocTA |
| Language | English |
| Detected Language | Italian |
| Type | Doctoral Thesis |
| Format | Adobe PDF |
| Rights | open |
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