Agrosystems and Ecosystem Services: an agroenvironmental assessment of vegetated systems for phytoremediation of water from agricultural drainage

Relationships between Ecosystem Services and agrosystems are extremely important both to understand the bidirectional flow of services from/to agriculture and to quantify goods and benefits for human societies. Wetland systems nowadays represent an important cornerstone for beneficial Ecosystem Services, especially in intensive agricultural landscapes characterized by shallow water and a dense minor channel network like the territory of the Venice Lagoon drainage system. Wetlands provide a crucial suite of regulating, supporting, provisioning and cultural services to regulate water flows and nutrient cycling, remove and detoxify excess fertilizers and pesticides, sequester carbon, enhance biodiversity and provide cultural benefits to local communities. By three experimental study cases this research present results about the assessment of the water purification service provided by wetlands in mitigating agricultural contamination; moreover, estimation of a provisioning service such as bioenergy derived from wetland vegetation was performed. In the study case “a constructed wetland for water purification services from pesticide in an intensive cropping system” results show that the system can reduce runoff concentration of metolachlor and terbuthylazine by a factor of 45-80 even in extreme flooding conditions. Herbicides retention in the constructed wetland was reversible, and the second and third floods mobilized 14-31% and 3.5-7.0% respectively, of the amount detected in the first flood. In the second experimentation “vegetated ditches as water purification systems to mitigate contamination from pesticides runoff” results show that the ditch can immediately reduce runoff concentration of herbicides by at least 50% even in extreme flooding conditions; as a general rule, a runoff of 1 mm from 5 ha is mitigated by 99% in 100 m of vegetated ditch. In the study case “Assessing phytoremediation performance of an integrated agricultural wetland” results show that median concentrations of total nitrogen were 2.43 ppm at the inlet and 1.79 at the outlet, while after an extreme rainfall event, total nitrogen concentrations were 6.34 ppm at the inlet and 1.29 ppm at the outlet. In general, wetland systems perform a high buffer capacity both for nutrient and herbicides, capable to provide water purification service, protecting downstream surface water. Moreover, this project confirms that the implementation of constructed wetlands and offsite mitigation measures like vegetated ditches in agro-systems can improve the sustainability of agricultural production.

Il rapporto tra servizi ecosistemici e agricoltura è di cruciale importanza, sia per investigare il flusso bidirezionale di servizi che attraversa il sistema agricolo, sia per quantificare i beni e servizi da esso derivati, indispensabili alle società umane. Le zone umide rappresentano oggigiorno un elemento di fondamentale importanza, soprattutto se localizzate in territori agricoli intensivi, come ad esempio il bacino scolante della laguna di Venezia. I sistemi wetland, infatti, sono in grado di erogare importanti servizi ecosistemici: regolazione, supporto, approvvigionamento; esse sono capaci di regolare il flusso di acqua ed il ciclo di nutrienti, mitigare l’eccesso di fertilizzanti e pesticidi, sequestrare carbonio, migliorare la biodiversità. Attraverso tre sperimentazioni a scala campo il presente progetto di ricerca intende valutare il servizio di water purification erogato da zone umide nel mitigare l’inquinamento da drenaggio agricolo; un ultimo caso, invece, vuole stimare il servizio di approvvigionamento legato alla vegetazione presente lungo il reticolo minore, stimandone l’energia potenziale derivata. Nel primo caso di studio “a constructed wetland for water purification services from pesticide in an intensive cropping system” i risultati mostrano come il sistema possa ridurre la concentrazione di metolacloro e terbutilazina nelle acque di runoff di un fattore 45-80, anche in condizioni di eventi estremi. Nella seconda sperimentazione “vegetated ditches as water purification systems to mitigate contamination from pesticides runoff” i risultati mostrano come canale vegetato in alveo può ridurre le concentrazioni di runoff contaminato almeno del 50%, anche in condizioni di eventi pluviometrici estremi; in generale, un runoff di 1 mm da 5 ha di bacino agricolo viene mitigato al 99% in 100 metri di canale vegetato in alveo. Nel terzo caso “assessing phytoremediation performance of an integrated agricultural wetland” i risultati mostrano come le concentrazioni mediane di N totale siano state di 2.43 ppm in entrata e 1.79 all’uscita del sistema, mentre, a seguito di un importante evento di precipitazione, siano passate da 6.34 ppm (inlet) a 1.29 ppm (outlet). In generale, quindi, le zone umide agricole hanno mostrato una grande capacità nel purificare le acque contaminate da drenaggio agricolo, proteggendo le acque superficiali situate a valle. La ricerca, inoltre, conferma che l’implementazione di wetland costruite e dispositivi di mitigazione off-site possono aumentare la sostenibilità della produzione agricola.