Effetti del biochar sulle foreste dell’Appennino Tosco-Emiliano

Si presentano i principali risultati di uno studio sull’effetto delle applicazioni di biochar sulla crescita di piantine di faggio e cerro e sulla decomposizione della lettiera. Lo studio fa parte del progetto IN.S.C.AP.E (INcremento del Sequestro del Carbonio nelle foreste dell'APpennino Emiliano) il cui obiettivo è quello di studiare nuove strategie per aumentare lo stock di carbonio nelle foreste, favorendo la crescita delle piante, la presenza e il mantenimento di legno morto a terra.

Attraverso l’attuazione di strategie per il sequestro di carbonio (Ameray et al. 2021), l’uomo può favorire l’incremento del pool di carbonio nel suolo (Paustian et al. 2019). L’incorporazione di materiali residui provenienti dalla pirolisi della biomassa legnosa, come il biochar (ICHAR 2021), all’interno dei suoi suoli potrebbe essere considerata una valida strategia sia per limitare la perdita di carbonio che per aumentarne il contenuto, specialmente se il processo viene applicato in un’ottica di economia circolare.
Attualmente però, né la legislazione italiana né quella europea sembrano contemplare l’applicazione di biochar in foresta, probabilmente a causa delle molteplici incertezze relative all’effetto del biochar sulle diverse componenti biotiche del sistema e sugli effetti, ancora poco chiari, sui flussi di carbonio.
Grazie alla sua capacità di migliorare la struttura e la fertilità dei suoli forestali (Li et al. 2018), il biochar può però stimolare lo sviluppo della biomassa delle piante arboree (in media del +20%; Thomas e Gale 2015), incrementando così l’abilità delle foreste di sequestrare CO₂, il principale driver del cambiamento climatico (IPCC 2021). Sebbene lo studio degli effetti delle applicazioni di biochar sulle foreste sia un argomento molto sviluppato, sia per differenti ecosistemi nonché per numerose specie vegetali, le informazioni riguardanti l’effetto della sua applicazione sull’ecosistema forestale dell’Appennino Tosco-Emiliano sono tutt’ora scarse, specialmente quelle relative al suo effetto sulla rinnovazione di piante arboree come faggio (Fagus sylvatica L.) e cerro (Quercus cerris L.).
Rilasciare biochar sul suolo forestale significa anche alterare l’attività e/o l’abbondanza dei microrganismi presenti, con conseguenti modifiche al tasso di decomposizione della sostanza organica. Dato che questa deriva principalmente dalla decomposizione della lettiera, lo studio degli effetti di tali applicazioni sulle componenti principali della lettiera, come foglie e legno morto, è dunque indispensabile.

In questo contributo si riportano i principali risultati di una ricerca che ha avuto l’obiettivo di valutare l’effetto delle applicazioni di biochar sui due principali processi di assorbimento ed emissione del carbonio a livello forestale, ovvero la crescita delle piante arboree e la decomposizione della lettiera, utilizzando materiale standard (tè verde e tè rosso). Lo studio fa parte di un progetto molto più ampio denominato IN.S.C.AP.E (INcremento del Sequestro del Carbonio nelle foreste dell'APpennino Emiliano; scadenza del progetto: dicembre 2023) la cui missione è molteplice e riassumibile in questo modo: studiare nuove strategie per aumentarne la crescita secondaria del faggio europeo, aumentare il quantitativo di legno morto al suolo (parametro fondamentale per valutare la naturalità di una foresta) e limitarne la decomposizione nel tempo.

Il biochar utilizzato per gli esperimenti

La conversione del legno in biochar consente sia di produrre energia, sia di trasformare la biomassa legnosa in un prodotto ricco in carbonio (>60%) recalcitrante alla decomposizione microbica (Conte et al. 2021) con una perdita netta di solo il 50% del materiale originario sotto forma di CO₂. Più nello specifico, convertire il legno in biochar significa trasformare un composto labile in uno caratterizzato da tempi di decomposizione molto lunghi, che richiedono anche migliaia di anni (Spokas 2010), motivo per cui viene considerato come una strategia ad emissione negativa (Smith 2006).
Il biochar utilizzato in questo studio è stato prodotto dalla pirolisi di legname derivato dalla gestione di boschi di latifoglie decidue dell'Appennino Tosco-Emiliano. La pirolisi è avvenuta mediante gassificatore da 125 kWe (Holz Energie) localizzato nella provincia di Massa-Carrara (MC) ed in grado raggiungere temperature comprese fra 500-650 °C. Le caratteristiche chimico-fisiche del biochar e del suolo utilizzati per questo esperimento sono presentate in Tabella 1.

Effetti del biochar sulla crescita di faggio e cerro

Raccolta di semi
I semi di faggio e cerro (circa 500 per ciascuna specie) sono stati raccolti in diverse aree forestali dell'Appennino Tosco-Emiliano durante l'ottobre del 2020; la raccolta è stata condotta all’interno di una fascia altitudinale compresa tra gli 800 e i 1.000 m s.l.m. Per entrambe le specie, i semi sono stati prelevati da 20 individui diversi situati a una distanza minima di 500 m l’uno dall’altro.

Disegno sperimentale
I semi delle due specie sono stati fatti germinare su substrati differenti, a seconda del trattamento:

• substrato composto interamente da suolo di faggeta (0% biochar; controllo);
• miscela di suolo di faggeta e biochar al 10% (volume/volume);
• miscela di suolo di faggeta e biochar al 20% (volume/volume).

Considerando la densità media del biochar utilizzato in questo studio (circa 0,2 t/m³), le percentuali utilizzate corrisponderebbero ad applicazioni di 20 t/ha e 40 t/ha. I tre substrati ottenuti sono stati poi equamente distribuiti in 271 vasi da 0,64 l. Per facilitare la germinazione i semi di faggio sono stati sottoposti a vernalizzazione a 4 °C per 30 giorni, mentre i semi di cerro non hanno subito alcun pretrattamento. Nel dicembre 2020 ciascun vaso ha ricevuto un seme, per un totale di 135 vasi di faggio e 136 di cerro. I vasi sono stati poi posizionati all’interno di una serra in condizioni di luce e temperatura naturale fino al completamento della germinazione, avvenuto in aprile 2021. Successivamente si è provveduto al travaso in vasi da 1,7 l (10cm x 10cm x 17cm) mantenendo per ogni plantula la stessa tipologia di terreno. Per ciascun trattamento e specie sono state quindi ottenute da 20 a 30 plantule (repliche sperimentali). Le piante trapiantate sono state poi trasferite in una camera climatica (temperatura e umidità relativa dell’aria rispettivamente pari a 22 °C e 73%, densità di flusso di fotoni fotosintetici pari a 170 µmol/m²/s e 16/8 ore di ciclo giorno/notte) per sei mesi (aprile-ottobre 2021). Le piante sono state irrigate settimanalmente con 100 ml di acqua deionizzata.

Progetto IN.S.C.AP.E - INcremento del Sequestro del Carbonio nelle Foreste dell'APpennino Emiliano. www.inscape.unipr.it/it/divulgazione-ed-eventi/video/147/

Misurazione della germinazione e della crescita delle piante
L’effetto del biochar sulla germinazione di faggio e cerro è stato valutato misurando la percentuale di germinazione.
L’effetto del biochar sulla crescita delle due specie arboree è stato valutato attraverso la misura dell'altezza della pianta (mm) ed il conteggio del numero di foglie. L'altezza della pianta è stata misurata considerando la distanza fra il suolo del vaso e la gemma più alta, mentre il numero di foglie considerando solo le foglie completamente distese.

Effetti del biochar sulla decomposizione della lettiera

Al fine di testare l’effetto degli ammendamenti di biochar sulla decomposizione della lettiera, è stato allestito un esperimento in campo. I suoli di faggeta sono stati ammendati secondo le medesime percentuali di biochar utilizzate nell’esperimento precedente (0, 10 e 20%). In particolare, l’esperimento ha visto l’incubazione a −8 cm dalla superficie del suolo di bustine di tè verde e rosso, rappresentative (rispettivamente) di lettiera di alta e bassa qualità, implementando una metodologia standard volta a valutare l’effetto di qualsiasi cambiamento (biotico o abiotico) sulla decomposizione della lettiera (Keuskamp et al. 2013). Allo scopo di verificare il potenziale effetto del biochar sulla decomposizione della lettiera, l’esperimento è stato dunque corredato di un ulteriore condizione sperimentale, che ha previsto l’incubazione delle bustine in substrato costituito solo da biochar. Il test è stato eseguito in una faggeta dell’Appennino Tosco-Emiliano (Località Cancelli di Lagdei, Comune di Corniglio (PR) ed è stato condotto da giugno a settembre 2021. Gli ammendamenti sono stati eseguiti in 5 aree contigue (repliche statistiche), con all’interno 4 parcelle di 1 m², una per ogni trattamento.

Risultati e discussioni

Come si osserva dalla Figura 1, l’aggiunta di biochar non ha modificato in modo significativo la germinazione dei semi di faggio e cerro, nonostante per entrambe le specie si registri una tendenza all’aumento della germinazione.

Figura 1. Germinazione di faggio (Fagus sylvatica) e cerro (Quercus cerris) (media ± errore standard) a seguito delle applicazioni di biochar su suolo forestale dell’Appennino Emiliano. Lettere differenti indicano differenze statisticamente significative fra trattamenti (p<0.05).

Riguardo gli effetti del biochar sulla crescita delle piante (Figura 2), gli ammendamenti non hanno modificato né l’altezza né il numero di foglie delle piante di faggio mentre hanno generato un incremento dell’altezza (+57%) e del numero di foglie (+39%) del cerro a seguito dell’ammendamento al 10%.

Figura 2. Crescita di faggio (Fagus sylvatica) e cerro (Quercus cerris) (media ± errore standard) a seguito delle applicazioni di biochar su suolo forestale dell’Appennino Emiliano. Lettere differenti indicano differenze statisticamente significative fra trattamenti (p<0.05).

Questi risultati non solo accertano l’assenza di effetti negativi del biochar sulla germinazione e crescita delle due specie analizzate nel breve periodo, ma evidenziano effetti positivi dell’ammendamento al 10% sulla crescita del cerro, livello da considerarsi come ottimale fra gli altri testati (ovvero 0 e 20%). Aumenti della biomassa rispetto a piante non ammendate con biochar possono essere infatti dovuti ad un incremento della loro attività fotosintetica probabilmente stimolata dalla presenza di elementi nutritivi nel biochar, come fosforo e potassio. L’aumento della biomassa vegetale del cerro (qui intesa come aumento del numero di foglie e dell'altezza della pianta) potrebbe essere dunque dovuto all'azione fertilizzante generata dal biochar. La mancanza di un effetto positivo sulla crescita del cerro a seguito dell’ammendamento con il 20% di biochar necessita però di ulteriori verifiche sperimentali.

Per quanto riguarda gli effetti del biochar sulla decomposizione della lettiera (Figura 3), gli ammendamenti con il biochar non hanno modificato la perdita di massa, quindi la decomposizione, della lettiera di alta qualità, ma hanno significativamente ridotto la decomposizione della lettiera di bassa qualità, a partire dalla percentuale di ammendamento del 20% (-4% di perdita di massa rispetto al controllo); infatti, ulteriori riduzioni significative della decomposizione della lettiera sono state evidenziate a seguito dell’ammendamento con il 100% di biochar (-9% rispetto al controllo).

Figura 3. Decomposizione (%) della lettiera di alta e bassa qualità (media ± errore standard) a seguito delle applicazioni di biochar su suolo forestale dell’Appennino Emiliano. Lettere differenti indicano differenze statisticamente significative fra trattamenti (p<0.05).

La decomposizione della lettiera di alta qualità, come le foglie delle piante (materiale ricco di nutrienti), avviene principalmente grazie all’azione dei batteri presenti nel suolo mentre quella della lettiera di bassa qualità, come il legno (ricco in lignina), deriva prevalentemente dalla componente fungina. Riduzioni nella decomposizione della lettiera di bassa qualità a seguito degli ammendamenti potrebbero essere dunque dovute alla riduzione dell’attività dei funghi del suolo. L’attività della componente fungina del suolo presenta un optimum per pH compresi fra 4,5 e 5, valori che includono perfettamente quelli dei suoli utilizzati in questo studio (4,8 pH). Il biochar derivato dal legno invece, presentando un pH generalmente alcalino (>7,1), avrebbe dunque innalzato il valore di questo parametro nel suolo limitando l’attività dei funghi. A seguito di tali risultati, assumiamo dunque che l’effetto del biochar nel diminuire la decomposizione della lettiera di bassa qualità potrebbe essere principalmente dovuto all’innalzamento del valore di pH del suolo.

Conclusioni

I risultati di questo studio mettono in evidenza alcuni aspetti applicativi sull’utilizzo del biochar nelle foreste dell’Appennino Tosco-Emiliano. Oltre a favorire l’aumento dello stock di carbonio nei suoli delle foreste dove viene immesso (attraverso un processo di economia circolare), il biochar potrebbe ulteriormente favorire la crescita del cerro se utilizzato a percentuali non superiori al 10% (circa 20 t/ha, ovvero 2 kg/m²), nonché limitare la decomposizione della lettiera di bassa qualità (materiali legnosi) a partire da ammendamenti del 20% (circa 4 kg/m²). Questo, consentirebbe dunque sia un maggiore assorbimento di CO₂ da parte delle foreste di cerro, sia un rallentamento della decomposizione della lettiera, fattori che insieme concorrono nell’aumentare lo stock di carbonio della foresta in cui viene immesso. Percentuali di applicazione inferiore a quelle testate da questo studio (<10%) non sembrerebbero dunque interferire negativamente con la crescita delle piante e con la decomposizione della lettiera.
È inevitabile che i risultati di questo studio portino a chiedersi se l’applicazione del biochar sia sostenibile oppure no dal punto di vista economico e ambientale. Dato l’elevato costo del biochar al litro (circa 10 €/l) l’applicazione di biochar in foresta, al netto di ulteriori studi che certifichino legalmente la sua effettiva non avversità per l’ecosistema forestale, potrebbe essere possibile soltanto se utilizzato in maniera dedicata ovvero se prodotto in loco, cosa che consentirebbe la diretta re-immissione del carbonio sequestrato tramite rimozione del legname, senza eccessivi costi di trasporto. Nonostante il suo costo elevato, però, il biochar viene legalmente riconosciuto solo come ammendante per i suoli agricoli, per i ben noti effetti positivi sulla produttività delle colture. Questa ricerca ha avuto dunque come scopo quello di aumentare la conoscenza degli effetti delle applicazioni di biochar sia sulla rinnovazione che sulla decomposizione della lettiera dell’ecosistema forestale dell’Appennino Tosco-Emiliano, una conoscenza che nel futuro potrebbe essere utile a migliorare le attuali strategie di mitigazione dei cambiamenti climatici.