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Realizzazione di un Sistema Informativo Territoriale per lo studio delle aree sensibili alla desertificazione in Sardegna
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2.2. Indice di aridità

L'evoluzione della vegetazione naturale è strettamente collegata alla disponibilità idrica, poiché nelle aree a clima mediterraneo dalla lunghezza e dalla frequenza dei periodi di siccità dipendono la sopravvivenza delle specie e gli eventuali mutamenti degli ambienti naturali. Tuttavia, vi è da sottolineare come la vegetazione tipicamente mediterranea presenta una elevata capacità di adattamento e di resistenza a condizioni siccitose, e come molte specie possono sopravvivere per lunghi periodi di tempo a condizioni di stress idrico prolungato con valori di contenuto idrico del suolo al di sotto del punto di appassimento teorico. Il calcolo dell'indice di aridità è direttamente collegato con la stima delle precipitazioni e dell'evapotraspirazione. Chiaramente, condizioni di scarse precipitazioni unite ad elevati valori di temperatura (quindi ad elevati tassi di evapotraspirazione) portano ad una notevole riduzione del contenuto di umidità del terreno e di acqua disponibile per la crescita e lo sviluppo della vegetazione. La metodologia ESAs prevede l'utilizzo dell'indice di aridità proposto da Bagnouls-Goussen, secondo la seguente formula:

BGI = Σ(2Ti-Pi) x K

in cui:
BGI = Bagnouls-Goussen Index
Ti = Temperatura per il mese i [°C]
Pi = Precipitazioni totali mensili per il mese i [mm]
K = Frequenza con cui si verifica 2Ti-Pi>0 per il mese i-esimo [%]

Tuttavia, l'indice di aridità utilizzato nel presente studio è basato su un modello di bilancio idrico semplificato in cui si prende in considerazione anche la componente pedologica e il contenuto di acqua disponibile nel suolo, differenziandosi in tal modo dall'indice di Bagnouls-Goussen, in cui il deficit idrico calcolato è solo atmosferico.
Nel modello utilizzato (Reed, 1999), la capacità del terreno di trattenere l'acqua coincide con l'acqua disponibile per le piante, e si ottiene dalla differenza tra il contenuto idrico alla Capacità di Campo (C.I.C.) e il Punto di Appassimento (P.A.). Questo dato assume pertanto una valenza agronomica importante. Per l'analisi della variabilità spaziale e temporale del bilancio idrico del suolo a scala regionale, si è pertanto proceduto all'assegnazione dei valori di acqua disponibile (AWC, Available Water Capacity) ai differenti tipi di suolo. Le caratteristiche che sono state prese in considerazione per il calcolo dell'AWC sono:

     - il tipo di suolo;
     - la tessitura;
     - la profondità.

Il calcolo del bilancio idrico su base giornaliera prevede l'utilizzo dei valori dell' evapotraspirazione e della precipitazione per l'intero periodo considerato.
I dati climatologici utilizzati per lo studio consistono nelle temperature minima e massima mensili e nei cumulati mensili di precipitazione di circa 200 stazioni meteorologiche.
I dati sono stati preliminarmente spazializzati attraverso diverse procedure di interpolazione: per la temperatura è stata utilizzata la tecnica di interpolazione della "optimum interpolation", mentre per le precipitazioni è stata effettuata una interpolazione trilineare, come già descritto in precedenza.
La interpolazione ha consentito di ottenere una griglia dei dati mensili con 240 celle di 10 km x 10 km sia per le temperature massime e minime, sia per le precipitazioni. Per ciascuna cella della griglia è stato calcolato il valore di ETo.
Il metodo utilizzato per la stima dell'evapotraspirazione potenziale (ETo) è quello di Hargreaves-Samani (1982, 1985), noto come "metodo della radiazione solare stimata", basato sull'escursione termica del mese considerato (differenza tra la temperatura massima media e quella minima media del mese) e sulla radiazione globale solare (Rg), stimata a partire dalla radiazione solare extraterrestre (vale a dire quella che giunge su una ipotetica superficie posta al di fuori dell'atmosfera). L'equazione per la stima dell'evapotraspirazione potenziale su base mensile con il metodo di Hargreaves e Samani può essere così scritta:

equazione

in cui:
ETHARG = flusso evapotraspirativo [mm d-1]
Ra = radiazione solare extraterrestre [MJ m-2 d-1]
Td = escursione termica mensile [°C]
λ = calore latente di vaporizzazione [MJ kg-1]
T = temperatura media mensile [°C]

Poiché l'ottenimento dell'indice di aridità secondo la metodologia adottata richiede l'utilizzo di un modello di bilancio idrico su base giornaliera è stato necessario rielaborare i dati mensili per ciascun anno del trentennio 1971-2000, suddividendoli per il numero di giorni di ciascun mese: in tal modo sono stati ottenuti valori stimati "quasi-giornalieri" di evapotraspirazione potenziale e pioggia, per ciascun punto di griglia e per l'intero periodo considerato.
Inoltre, per una più corretta valutazione del tasso di evapotraspirazione su base giornaliera è stata calcolata l'evapotraspirazione "reale". Occorre considerare, infatti, che l'acqua contenuta nel suolo viene estratta ad un livello potenziale finché non si raggiunge una soglia di contenuto idrico in corrispondenza della quale il tasso di evapotraspirazione non è più controllato dalle sole condizioni meteorologiche ma risente delle reali condizioni di umidità del suolo. Al di sotto di questa soglia critica si registra una riduzione nella quantità di acqua estratta dal suolo finché non si raggiunge progressivamente il punto di appassimento, in cui l'acqua è trattenuta nel terreno con una tale forza da non essere più disponibile per le piante.
In questo studio si è pertanto proceduto al calcolo giornaliero dell'evapotraspirazione effettiva o reale (ETa) che tiene conto delle condizioni di umidità del suolo.
La stima dell'evapotraspirazione reale (ETa) per il bilancio idrico del suolo è ottenuta attraverso la funzione di estrazione dell'umidità del suolo o coefficiente di evapotraspirazione f. Il coefficiente mette in relazione il tasso reale con il tasso potenziale di evapotraspirazione ed è basato sull'andamento del valore del contenuto corrente di umidità rispetto alla capacità idrica del suolo, secondo la formula:

ETa = f x ETo

ed è basato sull'andamento del valore del contenuto corrente di umidità (w) rispetto alla acqua disponibile del terreno (w*)

f = w / w*

in cui:
f = coefficiente di evapotraspirazione
w = contenuto idrico del suolo in un dato giorno (espresso come percentuale dell'AWC)
w* = acqua disponibile del terreno (AWC)

Pertanto, il valore di ETa calcolato per un dato giorno risulta proporzionale al contenuto idrico del suolo rispetto all'acqua disponibile che lo stesso suolo può contenere.
Il modello di bilancio idrico semplificato adottato nel presente studio per la stima giornaliera del contenuto idrico dei suoli, per ciascun punto di griglia, può essere perciò formulato:

wi = wi-1 + Pi - fi-1 x EToi

in cui:
wi = contenuto idrico del suolo nel giorno i
wi-1 = contenuto idrico del suolo nel giorno precedente
Pi = precipitazioni del giorno i
EToi = evapotraspirazione potenziale del giorno i
fi-1 = wi-1/w* = coefficiente di evapotraspirazione del giorno i-1
w* = capacità idrica del terreno (AWC)

Esplicitando la formula, il contenuto di umidità di un suolo (wi) in un dato giorno è pari al valore del contenuto di umidità del giorno precedente (wi-1), incrementato degli eventuali apporti di pioggia (Pi), e ridotto delle perdite per evapotraspirazione reale (fi-1 EToi) del medesimo giorno. Vi è da notare come la funzione di etrazione dell'acqua o "coefficiente di evapotraspirazione" f, essendo legata al valore di umidità del suolo, non può che riferirsi alle condizioni idriche del giorno precedente.
Il modello non tiene conto dell'acqua gravitazionale, vale a dire dell'eccesso idrico che viene perso dal suolo per percolazione profonda e non è disponibile per le piante. Perciò nel caso in cui gli apporti di precipitazione giornalieri determinino incrementi del contenuto idrico del suolo tali da superare la capacità di campo per un dato tipo di suolo, il modello considera comunque un livello di umidità non superiore all'acqua disponibile, vale a dire wi = w*.
L'applicazione del modello ha consentito di ottenere valori di umidità giornaliera per ciascun anno del trentennio 1971-2000 considerato e per ciascuno dei 240 punti di griglia, in funzione dell'AWC di partenza.

grafico

Il grafico mostra l'andamento del contenuto di umidità del terreno per un decennio esemplificativo 1980-1990. In rosso vengono espressi i valori di umidità del suolo al di sotto della soglia del 50% di AWC.


L'indice di aridità è stato calcolato considerando la lunghezza del periodo (in giorni) in cui le condizioni di umidità del terreno permanevano al di sotto di determinate soglie per ciascun anno. Sono state effettuate prove con valori soglia differenti di AWC (0%, 10%, 25%, 50% e 75% dell'acqua disponibile). Successivamente, si è tenuto conto del valore medio trentennale del numero di giorni critici rispetto alle diverse soglie considerate.
Si è ritenuto opportuno adottare la soglia del 50% di AWC, sia per valutazioni di tipo agronomico, sia per evitare errori di sottostima o di sovrastima dell'indice di aridità con soglie molto basse (0% dell'acqua disponibile) o molto alte. Per questo motivo, la soglia scelta è quella che meglio di ogni altra consente il mantenimento della massima variabilità spaziale dell'indice all'interno del territorio regionale.
Nella tabella viene riportato l'indice di aridità, espresso in numero di giorni di deficit idrico, la corrispondente classe e l'indice associato.

Classe Giorni di deficit idrico Indice
1 95 ÷ 105 1.0
2 106 ÷ 120 1.1
3 121 ÷ 135 1.2
4 136 ÷ 150 1.4
5 151 ÷ 165 1.8
6 > 165 2.0
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