Academic literature on the topic 'Sequestro potenziale del carbonio'

2009/2010
I suoli globalmente contengono circa 2500 Pg di C in forma minerale ed organica (ca 1550 Pg) ed il flusso annuo da e verso l’atmosfera – che attualmente contiene circa 760 Pg C – coinvolge circa 120 Pg di C. Questi scambi di carbonio sono clima-dipendenti; l’effetto del cambiamento climatico sui depositi di carbonio del suolo è perciò di importanza critica, in quanto anche piccole variazioni di un deposito di tale entità possono determinare importanti conseguenze sulla concentrazione di anidride carbonica in atmosfera, innescando meccanismi retroattivi positivi. Per fare delle previsioni sui cambiamenti dei depositi di carbonio per effetto dei cambiamenti climatici o di altre variabili è neccesario ricorrere a dei modelli; in particolare, per le stime a scala nazionale e regionale si impiegano dei modelli che operano a livello di ecosistema e che vengono abbinati a dei SIT. Vista la forte sinergia con la mitigazione e adattamento ai cambiamenti climatici, la ricerca è stata volta a stimare il potenziale di sequestro e accumulo di sostanza organica nei terreni agricoli del Veneto, con un occhio di riguardo per la gestione sostenibile. In secondo luogo, a fornire uno strumento per la contabilizzazione del sequestro di carbonio nei sistemi agricoli. Si è individuato nel GEFSOC Modelling Sistem uno strumento idoneo per il perseguimento di questi obiettivi; il GEFSOC MS integra due modelli meccanicistici ampiamente sperimentati – Century e RothC – ed il metodo empirico dell’IPCC e li interfaccia con un SOTER-DB e con un GIS. L’uso e la gestione del suolo ed i loro cambiamenti sono variabili fondamentali nel determinare il contenuto di carbonio nei depositi del terreno; poiché manifestano i loro effetti anche secoli dopo che si sono verificati, è necessario ricostruire la loro storia almeno negli ultimi 100 anni. Nel corso della ricerca è stato ideato e sperimentato per la prima volta in questo settore un approccio spazialmente esplicito alle transizioni di uso e gestione del suolo, utilizzando materiale cartografico di varia natura e completando la raccolta dati con statistiche agrarie e fonti storiche. Le simulazioni sono state fatte contemplando due diversi scenari di cambiamento climatico (PCM-B1 e Had3A1FI) spinti fino al 2100. L’analisi dei risultati prodotti evidenzia che i terreni più ricchi in carbonio sono maggiormente soggetti a perdite, mentre quelli poveri, anche se in misura modesta, incrementano il loro contenuto; la tendenza, quindi, è di avvicinarsi ad una maggiore omogeneità. Per quel che riguarda gli usi del suolo, seminativi ed aree agricole eterogenee sono le categorie che hanno manifestato tassi di incremento superiori. I tassi di variazione, comunque, sono tendenzialmente in calo e, per lo scenario di cambiamento climatico meno marcato, ad un certo punto (2070 ca) si portano su valori negativi: questo fatto si ripercuote sui depositi del terreno, che complessivamente mostrano un incremento nel lungo periodo, ma via via più contenuto, fino a raggiungere un massimo e quindi cominciare ad emettere negli ultimi decenni della simulazione. I depositi dei terreni sottoposti allo scenario di cambiamento più marcato, invece, non hanno subito flessioni ed hanno garantito, anche se in misura calante, il sequestro lungo tutto il periodo della simulazione. Questo dato può essere di qualche interesse nello studio degli effetti della temperatura sul rapporto produzione di biomassa-accumulo/decomposizione. L’analisi delle mappe dei depositi e dei tassi di variazione annua ad ettaro prodotte con la sperimentazione, ed il confronto delle stesse con carte del contenuto del carbonio nei terreni di doversa origine e natura, rivelano l’utilità dell’approccio spazialmente esplicito nella definizione delle transizioni dell’uso e gestione del suolo; è possibile infatti riconoscere, dalla zonizzazione, i tematismi che possono avere avuto un peso preponderante nel determinare peculiari situazioni; questo consente di indagarle, verificare la validità delle assunzioni fatte in fase di progettazione, modificare eventualmente la parametrizzazione e reindirizzare le simulazioni. Ad una livello di risoluzione comparabile a quello degli strati informativi di partenza. Alla luce della sperimentazione effettuata, si ritiene che il GEFSOC Modelling System meriti grande considerazione per quanto attiene la contabilizzazione del carbonio nei sistemi agricoli – problematica inevasa fino ad oggi in Italia; quale strumento a supporto del processo decisionale; per le possibili sinergie nella pianificazione di campionamenti e sperimentazioni attinenti; per l’approfondimento della ricerca nell’ambito delle relazioni tra clima e suolo.
XXIII Ciclo
1970

Ogni anno, a causa dell’utilizzo di combustibili fossili e della produzione di cemento, vengono rilasciate in atmosfera 35,7 × 109 tonnellate di CO2, il principale dei gas serra. Durante l’ultima Conferenza delle Parti della UNFCCC, tenutasi a Parigi e nota come COP-21, gli Stati membri hanno posto come obiettivo il raggiungimento delle “emissioni zero” entro la seconda metà del XXI secolo. Secondo le previsioni fornite dall’IPCC il raggiungimento di tale obiettivo porterebbe comunque la concentrazione atmosferica di CO2 a 430 – 530 ppm con un conseguente aumento di temperatura di 1.5-2°C. Se non si riuscisse a rispettare questo traguardo potrebbe rendersi necessaria la rimozione forzata di CO2 dall’atmosfera. Negli ultimi anni è stata riconosciuta ad alcuni ecosistemi, tra cui le praterie di fanerogame marine, la capacità naturale di sottrarre elevate quantità di CO2, e rimuoverle dall’ambiente sotto forma di carbonio organico, chiamato “Blue Carbon”, per lunghi periodi di tempo. Il principale obiettivo di questo lavoro è quello di stimare i quantitativi di “Blue Carbon” contenuto all’interno dei sedimenti e nella biomassa vegetale di una prateria di Posidonia oceanica. I risultati hanno permesso di quantificare, al variare della densità dei fasci fogliari della pianta, la percentuale di carbonio organico contenuta nei primi 40 cm di sedimento e quello contenuto nella biomassa vegetale. Queste percentuali sono state utilizzate per stimare i quantitativi totali di carbonio all’interno di una ristretta area della prateria, quella attorno allo scoglio di Molarotto. Per quest’area il contenuto in carbonio organico stimato per i sedimenti è risultato essere compreso tra 104,4 e 122,7 t C ha-1, mentre quello contenuto nelle fronde tra 3,65 e 6,31 t C ha-1. Utilizzando il software QGIS è stato infine possibile stimare la quantità totale (fronde + sedimento) di carbonio contenuto all’interno della prateria in generale. Questo è risultato essere di 716 tonnellate.

La coltivazione dei sistemi colturali poliennali su terreni marginali combina la produzione sostenibile di biomassa per diversi utilizzi a benefici di carattere ambientale come il sequestro del C atmosferico nel suolo. La limitata longevità di questi sistemi colturali (10-20 anni), fornisce la possibilità di sfruttarli come una tecnica temporanea per rigenerare la fertilità dei terreni marginali e di studiare il loro effetto nel lungo periodo sul carbonio del suolo. Con questa tesi, avevo l'obiettivo di studiare l'effetto della riconversione a coltura annuali dei sistemi agricoli poliennali sul carbonio del suolo: per raggiungere questo obiettivo, ho combinato ad una meta-analisi di letteratura sull'effetto della riconversione, con un esperimento di campo di lungo periodo, un esperimento di incubazione in laboratorio e l'uso di un modello matematico del carbonio del suolo. L'uso combinato di questi approcci mi ha permesso di mostrare il potenziale che i sistemi colturali poliennali hanno nel sostenere il sequestro del C ne suolo anche dopo la loro riconversione. Quindi i sistemi colturali poliennali sono una pratica sostenibile promettente che può essere integrata in rotazioni agricole di 13 anni sui terreni marginali del nord d'Italia per ripristinare il carbonio del suolo.
The cultivation of perennial cropping systems on marginal lands combines the production of sustainable biomass for multiple uses with environmental benefits such as carbon (C) sequestration in soil. In this thesis, we studied the effect of perennial cropping system on soil C considering the scenario of perennial cropping systems reversion to arable land. The limited longevity (10-20 years) of perennial cropping systems, gives the possibility of using these crops as a temporary- option to restore soil fertility of marginal lands and to study the long-term legacy of these cropping systems on soil C. In this thesis I aimed to study the effect of perennial cropping systems reversion to arable land on soil C: to achieve this objective, I combined a literature meta-analysis on the effect of reversion of perennial cropping systems on soil C, with a long-term field experiment on perennial cropping systems, an incubation experiment and the use of a process-based soil C model. The combined use of these approaches gave me the chance to show the potential of perennial cropping systems to support C sequestration even after their reversion. Therefore, perennial cropping systems are a promising sustainable practice which could be integrated on a 13-year agricultural rotation on marginal lands of northern Italy to restore soil C.

La coltivazione dei sistemi colturali poliennali su terreni marginali combina la produzione sostenibile di biomassa per diversi utilizzi a benefici di carattere ambientale come il sequestro del C atmosferico nel suolo. La limitata longevità di questi sistemi colturali (10-20 anni), fornisce la possibilità di sfruttarli come una tecnica temporanea per rigenerare la fertilità dei terreni marginali e di studiare il loro effetto nel lungo periodo sul carbonio del suolo. Con questa tesi, avevo l'obiettivo di studiare l'effetto della riconversione a coltura annuali dei sistemi agricoli poliennali sul carbonio del suolo: per raggiungere questo obiettivo, ho combinato ad una meta-analisi di letteratura sull'effetto della riconversione, con un esperimento di campo di lungo periodo, un esperimento di incubazione in laboratorio e l'uso di un modello matematico del carbonio del suolo. L'uso combinato di questi approcci mi ha permesso di mostrare il potenziale che i sistemi colturali poliennali hanno nel sostenere il sequestro del C ne suolo anche dopo la loro riconversione. Quindi i sistemi colturali poliennali sono una pratica sostenibile promettente che può essere integrata in rotazioni agricole di 13 anni sui terreni marginali del nord d'Italia per ripristinare il carbonio del suolo.
The cultivation of perennial cropping systems on marginal lands combines the production of sustainable biomass for multiple uses with environmental benefits such as carbon (C) sequestration in soil. In this thesis, we studied the effect of perennial cropping system on soil C considering the scenario of perennial cropping systems reversion to arable land. The limited longevity (10-20 years) of perennial cropping systems, gives the possibility of using these crops as a temporary- option to restore soil fertility of marginal lands and to study the long-term legacy of these cropping systems on soil C. In this thesis I aimed to study the effect of perennial cropping systems reversion to arable land on soil C: to achieve this objective, I combined a literature meta-analysis on the effect of reversion of perennial cropping systems on soil C, with a long-term field experiment on perennial cropping systems, an incubation experiment and the use of a process-based soil C model. The combined use of these approaches gave me the chance to show the potential of perennial cropping systems to support C sequestration even after their reversion. Therefore, perennial cropping systems are a promising sustainable practice which could be integrated on a 13-year agricultural rotation on marginal lands of northern Italy to restore soil C.

The decline of soil fertility is recognized by the European Union (EU) as the cause of yields reduction in many arable lands. The Soil Thematic Strategy proposed by the European Commission in 2006, identified the decline of organic matter as one of the main soil threats in EU. Organic carbon content is a recognised indicator of soil quality. Several studies have investigated this relationship through long-term field level experiments. This thesis presents a different approach: starting from data and information at EU level, a regional case study is investigated. The general objective of this thesis is to evaluate and quantify the impact of specific management practices in preserving or sequestering soil organic carbon in EU and regionally. The thesis is structured in five chapters: the first is a general introduction on the need for preserving soil organic carbon in the agricultural land and a review on the relevant legislation at international and European level. The second is a scoping chapter that presents a comparison on the available data on organic carbon content at EU level. The third chapter is a meta-analysis on soil organic carbon sequestration data available in scientific literature and reflection the management practices applied at EU scale. In the fourth chapter, the CENTURY model is applied at regional level in order to estimate the actual values of soil organic carbon stock and to model the implementation of the most promising management practices in two different climatic scenarios. The last chapter outlines the general conclusions and recommendations.
La ridotta fertilitá dei suoli è riconosciuta dall’Unione Europea (UE) come preludio di una minore produttivitá delle aree agricole. La Strategia tematica del suolo, prodotta dalla Commissione Europea nel 2006, aveva identificato il declino della sostanza organica come una delle otto principali minacce dei suoli in UE, in quanto il contenuto di carbonio organico è un indicatore della qualitá dei suoli. Molti studi si sono concentrati su esperimenti a lungo termine a taglio locale. Questo lavoro ha un approccio diverso: a partire da dati ed informazioni a livello UE viene indagato un caso studio a taglio regionale. L’obiettivo generale di questo lavoro è valutare e quantificare quali sono le pratiche agricole piú promettenti nel preservare o sequestrare carbonio organico nei suoli dell’UE. La tesi è strutturata in cinque capitoli: il primo è un’introduzione generale sulla necessitá di preservare il carbonio organico presente nei suoli agricoli e una review della legislazione disponibile a livello internazionale ed Europeo. Il secondo capitolo indaga e confronta i dati disponibili sui livelli di carbonio nel suolo a livello UE. Il terzo è una meta-analisi su dati in letteratura sulla capacitá di sequestrare carbonio da parte delle pratiche agricole utilizzate dei suoli dell’UE. Nel quarto capitolo viene applicato il modello CENTURY a livello regionale per ricostruire i valori di stock di carbonio organico attuali e modellare l’applicazione di pratiche agricole promettenti in due diversi scenari climatici. Infine, l’ultimo capitolo riporta le conclusioni generali del lavoro e alcune linee guida.

Despite significant efforts have been directed toward reducing waste generation and encouraging alternative waste management strategies, landfills still remain the main option for Municipal Solid Waste (MSW) disposal in many countries. Hence, landfills and related impacts on the surroundings are still current issues throughout the world. Actually, the major concerns are related to the potential emissions of leachate and landfill gas into the environment, that pose a threat to public health, surface and groundwater pollution, soil contamination and global warming effects. To ensure environmental protection and enhance landfill sustainability, modern sanitary landfills are equipped with several engineered systems with different functions. For instance, the installation of containment systems, such as bottom liner and multi-layers capping systems, is aimed at reducing leachate seepage and water infiltration into the landfill body as well as gas migration, while eventually mitigating methane emissions through the placement of active oxidation layers (biocovers). Leachate collection and removal systems are designed to minimize water head forming on the bottom section of the landfill and consequent seepages through the liner system. Finally, gas extraction and utilization systems, allow to recover energy from landfill gas while reducing explosion and fire risks associated with methane accumulation, even though much depends on gas collection efficiency achieved in the field (range: 60-90% Spokas et al., 2006; Huitric and Kong, 2006). Hence, impacts on the surrounding environment caused by the polluting substances released from the deposited waste through liquid and gas emissions can be potentially mitigated by a proper design of technical barriers and collection/extraction systems at the landfill site. Nevertheless, the long-term performance of containment systems to limit the landfill emissions is highly uncertain and is strongly dependent on site-specific conditions such as climate, vegetative covers, containment systems, leachate quality and applied stress. Furthermore, the design and operation of leachate collection and treatment systems, of landfill gas extraction and utilization projects, as well as the assessment of appropriate methane reduction strategies (biocovers), require reliable emission forecasts for the assessment of system feasibility and to ensure environmental compliance. To this end, landfill simulation models can represent an useful supporting tool for a better design of leachate/gas collection and treatment systems and can provide valuable information for the evaluation of best options for containment systems depending on their performances under the site-specific conditions. The capability in predicting future emissions levels at a landfill site can also be improved by combining simulation models with field observations at full-scale landfills and/or with experimental studies resembling landfill conditions. Indeed, this kind of data may allow to identify the main parameters and processes governing leachate and gas generation and can provide useful information for model refinement. In view of such need, the present research study was initially addressed to develop a new landfill screening model that, based on simplified mathematical and empirical equations, provides quantitative estimation of leachate and gas production over time, taking into account for site-specific conditions, waste properties and main landfill characteristics and processes. In order to evaluate the applicability of the developed model and the accuracy of emissions forecast, several simulations on four full-scale landfills, currently in operative management stage, were carried out. The results of these case studies showed a good correspondence of leachate estimations with monthly trend observed in the field and revealed that the reliability of model predictions is strongly influenced by the quality of input data. In particular, the initial waste moisture content and the waste compression index, which are usually data not available from a standard characterisation, were identified as the key unknown parameters affecting leachate production. Furthermore, the applicability of the model to closed landfills was evaluated by simulating different alternative capping systems and by comparing the results with those returned by the Hydrological Evaluation of Landfill Performance (HELP), which is the most worldwide used model for comparative analysis of composite liner systems. Despite the simplified approach of the developed model, simulated values of infiltration and leakage rates through the analysed cover systems were in line with those of HELP. However, it should be highlighted that the developed model provides an assessment of leachate and biogas production only from a quantitative point of view. The leachate and biogas composition was indeed not included in the forecast model, as strongly linked to the type of waste that makes the prediction in a screening phase poorly representative of what could be expected in the field. Hence, for a qualitative analysis of leachate and gas emissions over time, a laboratory methodology including different type of lab-scale tests was applied to a particular waste material. Specifically, the research was focused on mechanically biologically treated (MBT) wastes which, after the introduction of the European Landfill Directive 1999/31/EC (European Commission, 1999) that imposes member states to dispose of in landfills only wastes that have been preliminary subjected to treatment, are becoming the main flow waste landfilled in new Italian facilities. However, due to the relatively recent introduction of the MBT plants within the waste management system, very few data on leachate and gas emissions from MBT waste in landfills are available and, hence, the current knowledge mainly results from laboratory studies. Nevertheless, the assessment of the leaching characteristics of MBT materials and the evaluation of how the environmental conditions may affect the heavy metals mobility are still poorly investigated in literature. To gain deeper insight on the fundamental mechanisms governing the constituents release from MBT wastes, several leaching experiments were performed on MBT samples collected from an Italian MBT plant and the experimental results were modelled to obtain information on the long-term leachate emissions. Namely, a combination of experimental leaching tests were performed on fully-characterized MBT waste samples and the effect of different parameters, mainly pH and liquid to solid ratio (L/S,) on the compounds release was investigated by combining pH static-batch test, pH dependent tests and dynamic up-flow column percolation experiments. The obtained results showed that, even though MBT wastes were characterized by relatively high heavy metals content, only a limited amount was actually soluble and thus bioavailable. Furthermore, the information provided by the different tests highlighted the existence of a strong linear correlation between the release pattern of dissolved organic carbon (DOC) and several metals (Co, Cr, Cu, Ni, V, Zn), suggesting that complexation to DOC is the leaching controlling mechanism of these elements. Thus, combining the results of batch and up-flow column percolation tests, partition coefficients between DOC and metals concentration were derived. These data, coupled with a simplified screening model for DOC release, allowed to get a very good prediction of metal release during the experiments and may provide useful indications for the evaluation of long-term emissions from this type of waste in a landfill disposal scenario. In order to complete the study on the MBT waste environmental behaviour, gas emissions from MBT waste were examined by performing different anaerobic tests. The main purpose of this study was to evaluate the potential gas generation capacity of wastes and to assess possible implications on gas generation resulting from the different environmental conditions expected in the field. To this end, anaerobic batch tests were performed at a wide range of water contents (26-43 %w/w up to 75 %w/w on wet weight) and temperatures (from 20-25 °C up to 55 °C) in order to simulate different landfill management options (dry tomb or bioreactor landfills). In nearly all test conditions, a quite long lag-phase was observed (several months) due to the inhibition effects resulting from high concentrations of volatile fatty acids (VFAs) and ammonia that highlighted a poor stability degree of the analysed material. Furthermore, experimental results showed that the initial waste water content is the key factor limiting the anaerobic biological process. Indeed, when the waste moisture was lower than 32 %w/w the methanogenic microbial activity was completely inhibited. Overall, the obtained results indicated that the operative conditions drastically affect the gas generation from MBT waste, in terms of both gas yield and generation rate. This suggests that particular caution should be paid when using the results of lab-scale tests for the evaluation of long-term behaviour expected in the field, where the boundary conditions change continuously and vary significantly depending on the climate, the landfill operative management strategies in place (e.g. leachate recirculation, waste disposal methods), the hydraulic characteristics of buried waste, the presence and type of temporary and final cover systems.