Modeling the carbon cycle and its interactions with management practices in grasslands

The world-wide geographical extension of grasslands consist in 20% of the land and in Europe of about 8% (EU-15). The annual sink of this kind of ecosystem is estimate to be about 0.5 Gt C y−1. The carbon accumulated in the soils of temperate grasslands was estimated to be between 150 and 300 Gt C. This quantity is about double the carbon stocked in the soils of temperate forests. Anyway there are many uncertainties in these fluxes and stocks estimates. This uncertainties can in part be connected with the lack of knowledge in the applied and historical management. Frequently, these factors are only marginally accounted in ecosystem carbon budget while its importance was repeatedly stressed in literature. From this the importance of getting better insight in the interactions between carbon cycle and management practices in this type of ecosystem. The process ecosystem model Biome-BGC is frequently used for simulating carbon cycle in forest ecosystems but its application to grasslands is uncommon. This is linked to missing routines for simulating management. A first aim of the present work is to fill this lack. For this reason a module for simulating mowing and a module for simulating nitrogen fertilisation were implemented and tested. A reason why there are uncertainties in ecosystem carbon budgets is that frequently the model input parameters are defined by literature without taking in consideration the uncertainties associated with the model and the characteristics of the single sites. This project aimed to suggest a solution to this problem by mean of sensitivity analysis and parameter optimisation. By mean of the mentioned aims this work is a contribution for gaining a better insight in the relationships between carbon cycle and management practices.

Gli ecosistemi prato-pascolivi occupano il 20% della superficie terrestre e circa l’8% dell’Europa (EU-15). L’assorbimento globale di carbonio per questa tipologia ecosistemica `e stimato essere di 0.5 Gt y−1. Il carbonio accumulato nei suoli delle praterie nella fascia temperata `e stato quantificato tra i 150 ed i 300 Gt di C, questa quantit`a consiste in circa il doppio rispetto al carbonio contenuto nei suoli delle foreste temperate. Tuttavia, associate a queste stime, esistono diverse incertezze alle quali contribuisce una lacuna nella conoscenza delle modalit`a di gestione. Talvolta questa viene marginalmente considerata ai fini del calcolo di bilanci ecosistemici, mentre `e stato ripetutamente evidenziato che essa `e un fattore fondamentale nel determinare il ruolo di assorbimento o di emissione di una prateria gestita. Da questo emerge l’importanza dell’approfondimento della conoscenza delle interazioni tra componenti del ciclo del carbonio e gestione in questo ecosistema. Il modello ecosistemico Biome-BGC `e stato usato in numerosi casi per simulare il ciclo del carbonio in ecosistemi forestali ma la sua applicazione ad ecosistemi erbacei `e meno frequente. Questo `e dovuto all’assenza di routine che simulino le pratiche gestionali. Un primo obiettivo di questo progetto `e quello di colmare questa lacuna. Per questo motivo un modulo per simulare lo sfalcio ed un modulo per simulare la fertilizzazione sono stati implementati e testati. Un altra causa nelle incertezze nei bilanci ecosistemici `e connessa al fatto che spesso i parametri di input di un modello sono definiti da valori medi di letteratura senza considerare la specificit`a del sito e del modello utilizzato. Con il presente progetto si `e voluta colmare anche questa seconda lacuna attraverso un’analisi di sensitivit`a ed un’ottimizzazione dei parametri di input del modello pi´u importanti. Con l’implementazione delle suddette routine e dell’ottimizzazione dei parametri si `e voluto contribuire ad una migliore comprensione delle interazioni tra pratiche gestionali e le diverse componenti del ciclo del carbonio.