Sedimenti della carota AC05B: materia organica e carbonio inorganico

Come abbiamo già ampiamente discusso la materia organica presente nei sedimenti lacustri ha origine principalmente dai residui delle forme di vita vegetali che vivono intorno al lago ed al suo interno e può fornire importanti informazioni sull’evoluzione paleoambientale del lago e del suo bacino idrografico.

Il contenuto totale di carbonio organico (TOC) rappresenta la quantità di materia organica preservata all’interno dei sedimenti lacustri successivamente alla sua deposizione; perciò il TOC dipende sia dalla produzione primaria che dal successivo grado di decomposizione (Meyers e Teranes, 2001)

La materia organica lacustre alloctona, si origina dal bacino ed è dovuta principalmente all’apporto locale mentre contributi aggiuntivi, provenienti da sorgenti più o meno lontane possono essere favoriti dal trasporto fluviale e/o dal vento; anche se c’è da notare che il trasporto fluviale nel caso del lago dell’Accesa non è da tenere in particolare considerazione, poiché il sistema lacustre del lago non ha immissari fluviali, ed è quindi da considerare nullo il trasporto da lunga distanza per questa via. E’ invece autoctona la materia organica che si sviluppa all’interno del lago. Nei sei spezzoni di carota B1.2, B1.3, B1.4, B1.5, BB1.4, BB1.5 del Lago dell’Accesa i valori percentuale di TOC mostrano oscillazioni con la profondità, e quindi con l’età dei sedimenti, che testimoniano differenze nella produttività primaria e/o nel grado di decomposizione, come risposta ai cambiamenti avvenuti nel bacino idrografico o nel regime idrologico.

Come si deduce dal grafico di figura 6.4, i dati relativi ai valori del TOC in funzione dell’età calcolata dei sedimenti sono stati suddivisi in tre zone, in cui il grafico presenta valori abbastanza diversi

La media dei valori di TOC è molto differente, infatti, per esempio per il tratto comprendente i sedimenti di età compresa tra 1451 – 2659 anni circa B.P. ed il tratto tra 3532 – 7138 anni circa B.P., si registrano rispettivamente valori di 2,9% e 1,8%; ambedue le zone presentano un andamento piuttosto costante, con valori più bassi rispetto al tratto centrale della sequenza in esame, dove invece il valore medio e di 4,5%.

La mancanza di marcate oscillazioni, sia nella parte bassa del grafico, quindi età superiori a 3532 anni circa B.P., sia nella parte alta del grafico, età inferiore a 2659 anni circa B.P., fa pensare a condizioni al contorno del lago stabili; i bassi valori del TOC potrebbero indicare

110 un’efficienza elevata del sistema di riciclo che, quindi, non permetterebbe alla materia organica di conservarsi nei sedimenti o in alternativa una bassa produttività primaria. Per quanto riguarda invece il tratto comprendente sedimenti di età compresa tra 2659 – 3532 anni circa B.P. (spezzone B1.3, parte centrale della sequenza), presenta un valore medio di TOC di 4,5% il più alto dei tre, questo si spiega probabilmente come una scarsa efficienza nel riciclo della materia organica e/o un forte incremento della produttività primaria con variazione del grado di eutrofizzazione del sistema lacustre.

L’oscillazione verso valori maggiori del TOC è più marcata nel secondo tratto, probabilmente poiché esso si colloca nell’Età del Bronzo (circa 4000 – 2900 cal yr BP), dove l’incremento dell’impatto antropico dovuto al probabile aumento delle popolazioni in questo periodo (Oldfield et al., 2003) e l’intensificazione dell’uso del suolo sempre maggiore, testimoniato dai dati di pollini (Caroli e Caldara, 2006), avrebbe potuto portare a fasi di marcata eutrofizzazione del lago collegata all’arrivo di molti nutrienti trasportati nel lago a seguito delle attività antropiche (coltivazioni, uso di fertilizzanti organici, ecc.). Il contenuto totale in carbonio inorganico (TIC) rappresenta la quantità di carbonato presente all’interno dei sedimenti lacustri. Come già scritto, le calciti, quindi il carbonato lacustre autigeno, precipitano solitamente durante il periodo primaverile - estivo dall’epilimnio, quando gli organismi fotoautotrofi assimilano CO2, causando un

innalzamento del pH delle acque del lago, e favorendo così la precipitazione del carbonato. La principale fonte di ioni carbonato (Ca) per i laghi è costituita dai carbonati disciolti provenienti dalle rocce carbonatiche presenti all’interno del bacino idrografico e trasportati verso il lago dai flussi di acque freatiche o fluviali che lo alimentano. Solitamente un aumento della produttività primaria dovrebbe essere accompagnato da un aumento sia della materia organica sia del carbonato autigeno, anche se il TOC può essere influenzato dai processi riciclo cosi come la quantità di carbonato potrebbe dipendere dai processi di dissoluzione. La variazione del TIC può anche essere messa in relazione con le variazioni dell’input clastico nel lago di un bacino di drenaggio a prevalente litologia carbonatica, come è il caso del Lago dell’Accesa. Tuttavia l’assenza di grandi immissari e trattandosi di una carota di centro lago potremmo escludere grandi apporti clastici. D’altra parte un grande apporto clastico dovrebbe anche essere accompagnato da elevati valori del rapporto C/N, questo perché insieme alla componente clastica dovrebbe anche aumentare l’apporto di materiale organico alloctono di origine terrestre. I rapporti di C/N giustificano una certa percentuale di materiale alloctono ma comunque non preponderante.

111 Il grafico di figura 6.4 riporta anche i valori riguardanti il TIC; questi dati relativi al contenuto in carbonio inorganico sono stati suddivisi in più tratti, come precedente fatto per il TOC, in funzione delle variazioni marcate che si sono registrate nei valori del TIC. La zona bassa del grafico, cioè dove i sedimenti presentano un’età calcolata superiore a 3422 anni circa B.P., presenta i valori medi più alti di TIC, circa 9,6%, ad indicare un elevato apporto esterno di carbonati al lago dal bacino, o una maggiore attività produttiva del lago con produzione di carbonati autigeni, a tale profondità i valori del rapporto C/N oscillano da 3,7 fino a 18,3 a confermare l’una e l’altra ipotesi, poiché è presente sia materia organica di origine algale, sia contributo misto di piante algali e vascolari; anche se talvolta si registrano variazioni verso valori minori, a voler suggerire un minor apporto dall’esterno o una minore produttività all’interno del lago stesso. Nella zona soprastante, cioè nella parte centrale del grafico, dove l’età dei sedimenti è compresa tra 3312 – 2659 anni circa B.P., i valori di TIC diminuiscono (4% circa), registrando valori medi più bassi, circa 6,4%, a voler segnare un periodo di minor apporto esterno al lago o minor produzione di carbonati autigeni. R² = 0,1981 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 TIC % TOC %

Figura 6.2 Correlazione tra l’andamento del TOC(%) e l’andamento del TIC(%) per gli spezzoni di carote AC05 B1.2, B1.4, B1.5, BB1.4, BB1.5 del Lago dell’Accesa.

112 Infine nella zona alta del grafico, quindi con valori di età dei sedimenti fino a 2550 anni circa B.P., i valori di TIC registrano ancora un aumento (2% circa), registrando un valore medio pari a 8,8%, ad indicare una nuova variazione e nuove condizioni al contorno del lago o all’interno del lago stesso, dovuti o ad buon apporto di materiale carbonatico alloctono al lago o una maggiore attività produttiva del lago e quindi maggior presenza di carbonati autigeni, anche qui i valori del rapporto C/N suggeriscono contributo misto di piante algali e vascolari.

Si nota come vi sia una bassa correlazione negativa (R2=0,2) tra i valori del TOC% ed i valori del TIC%(fig. 6.2) per quanto riguarda i valori corrispondenti alla zona alta del grafico (età dei sedimenti fino a 2659 anni circa B.P., spezzone B1.2) ed alla zona bassa (età compresa tra 3532 e 7138 anni circa B.P., spezzoni B1.3, B1.4, B1.5, BB1.4, BB1.5); ma soprattutto è interessante notare la correlazione negativa, in questo caso molto più elevata(R2=0,6), tra i valori del TOC% ed i valori del TIC%(fig. 6.3) per quanto riguarda i sedimenti con età compresa tra 2763 - 3532 anni circa B.P.(spezzone di carota B1.3), corrispondente alla parte centrale del grafico, correlazione che può suggerire l’effetto di alta produttività primaria associata ad una elevata precipitazione di carbonato lacustre autigeno che è accompagnata da un riciclo efficiente della materia organica. In realtà questo potrebbe anche indicare che l’elevata preservazione della materia organica non è associata ad elevata produttività primaria, ma alla diminuzione dell’arrivo di nutrienti e/o ioni calcio, per esempio dovuti ad un abbassamento del livello del lago.

Figura 6.3 Correlazione tra l’andamento del TOC(%) e l’andamento del TIC(%) per lo spezzone di carota B1.3. R² = 0,6251 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 TIC % TOC %

113 Tuttavia è possibile osservare, come, mettendo a confronto le variazioni del livello del lago con l’andamento dei valori del TIC ottenuti dalle analisi del presente lavoro, in corrispondenza dei periodi di risalita del livello del lago i valori del TIC presentano una tendenza alla diminuzione, rispetto ai periodi in cui il livello del lago è più basso e vengono invece registrati valori di TIC più elevati (fig. 6.4); ciò ad indicare che presumibilmente l’aumento dei valori del TIC sia dovuto quindi principalmente all’incremento della produttività del lago piuttosto che all’input dall’esterno, confermato anche dai valori del rapporto C/N che indicano quasi sempre materia di origine algale ed in alcuni casi apporto misto di piante algali e vascolari.

La composizione isotopica del carbonio organico presente nei sedimenti lacustri rispecchia la composizione isotopica del carbonio sorgente utilizzato durante i processi di fotosintesi, a sua volta dipendente dalle condizioni ambientali (Hayes, 1993). I valori δ13Corg assieme

al rapporto C/N vengono usati per discriminare il contributo alla materia organica sedimentaria da parte di piante acquatiche o terrestri a diverso percorso fotosintetico (C3 e

C4).

Lo sviluppo dei suoli rappresenta un fattore potenziale d’influenza sui valori del δ13Corg, in

quanto nei suoli la degradazione della materia organica derivante da piante terrestri genera CO2 impoverita (isotopicamente “leggera”) che viene trasportata tramite le acque freatiche

di ricarica del lago, influenzando così la composizione isotopica del DIC (Dissolved Inorganic Carbon) del lago ed influenzando sia la composizione isotopica della materia organica che quella eventuale delle calciti autigene che precipitano.

Anche per quanto riguarda il grafico della sequenza dei dati riguardanti il δ13Corg è

possibile dividerlo in due zone, la parte bassa del grafico, cioè dove i sedimenti hanno un’età calcolata tra 3312 anni circa B.P. e 7138 anni circa B.P, dove si registrano lievi oscillazioni dei valori di δ13Corg, ad indicare variazioni graduali delle condizioni al

contorno del lago ed all’interno del lago stesso, mentre risalendo verso la parte alta, cioè dove i sedimenti hanno un’età inferiore a 3202 anni circa B.P., si registrano valori molto variabili di δ13Corg, con oscillazioni marcate dei valori ad indicare variazioni repentine

delle condizioni del bacino e del lago stesso. L’andamento delle serie dei dati riguardanti δ13

Corg, TOC e TIC della carota AC05B

evidenzia una suddivisione in tre intervalli temporali distinti (fig. 6.4).

Il primo intervallo temporale (7138 anni B.P. – 3422 anni B.P., zona bassa del grafico), dove si osserva come a valori più bassi del TOC% (valore medio 1,8%), dell’intera serie di

114 dati, corrispondano i valori più alti del TIC% (valore medio 9,6%), valori di δ13Corg sempre

superiori a - 30‰ (valore medio -25,5%) e valori del rapporto C/N compresi tra 3,7 e 18,3. I valori bassi del TOC possono indicare un efficiente sistema di riciclo della materia organica, che genera valori negativi di δ13

Corg, ciò porta progressivamente ad un

esaurimento del 12C nell’acqua del lago e di conseguenza a valori della composizione isotopica del DIC sempre più positivi (Leng e Marshall, 2004).

Inoltre il basso valore del TOC e quindi l’efficiente riciclo della materia indicherebbero buona ossigenazione del lago, incluso il fondo, che potrebbe essere anche spiegato con condizioni del lago basso in alcuni livelli del record sedimentario che porterebbero ad una diminuzione del periodo di stratificazione, se non alla sua assenza; ciò è stato messo anche in evidenza da Bedini e Da Prato nello spezzone di carota AC05 B1.7 (età dei sedimenti compresa in un intervallo temporale tra 7000 anni circa B.P. e 8300 anni circa B.P.), spezzone contiguo a quelli in studio.

Contemporaneamente si osservano valori alti del TIC (si registrano, infatti, in questa zona più picchi massimi), i quali suggeriscono che questi valori possono essere dovuti sia ad elevata produttività del lago, con precipitazione di carbonati autigeni, sia ad apporto dal bacino, confermato dall’innalzamento del livello lacustre in corrispondenza dei valori elevati del TIC. I bassi valori del rapporto C/N in alcuni livelli del record sedimentario, i quali indicano materia organica di origine algale, fanno presupporre che l’elevato valore del TIC sia dovuto principalmente alla produzione di carbonati autigeni, quindi di produttività interna del lago.

Inoltre il basso livello lacustre porta a buona ossigenazione del lago e ciò spiega i valori ancora più bassi del TOC in questi livelli del record sedimentario, dovuti proprio ai processi di alta ossidazione della materia organica.

I valori bassi del TIC, in alcuni livelli del record sedimentario, possono essere spiegati da fasi umide, che favoriscono l’apporto di materia organica dal bacino, confermato da incrementi della concentrazione di TOC e da rapporto C/N elevato, ma allo stesso tempo inibiscono la produttività del lago.

L’andamento dei valori del δ13

Corg suggerisce che per i minimi relativi sia importante il

contributo di CO2 impoverita (ricca in 12C) proveniente dai suoli del bacino, ciò è

supportato dai dati del rapporto C/N, con valori maggiori di 10, che caratterizzano la materia organica di origine vascolare; mentre per i massimi relativi, diventa più importante la captazione preferenziale di 12C da parte di organismi acquatici durante la fotosintesi, si

115 riscontrano infatti valori più bassi del rapporto C/N, i quali portano quindi ad un arricchimento in 13C della composizione isotopica del DIC.

Per quanto riguarda i suoli del bacino, in questo periodo risultano essere abbastanza sviluppati, infatti dagli studi effettuati da Vannière, si riscontra la presenza di pollini

“Quercus ilex-type”, in declino, da 60% a 30%, e l’incremento di pollini di erbe “Poaceae” (graminacee), documentando ambienti boschivi piuttosto aperti (Vannière et

al., 2008).

Questa fase rimane invariata fino a circa 3312 anni B.P., infatti i valori del TOC si mantengono stabili senza sostanziali variazioni, cosi come anche quelli del TIC, anche se quest’ultimi presentano di tanto in tanto lievi oscillazioni.

Il periodo è quindi caratterizzato da condizioni stabili.

Il passaggio alla fase successiva s’individua quindi a 3312 anni circa B.P, dove si registra un marcato aumento dei valori del TOC (valore medio 6,1%), i quali diventano maggiori di quelli del TIC (valore medio 6,4%), che invece, segnano un’evidente diminuzione, mentre i valori del δ13

Corg presentano forti oscillazioni dei valori.

L’aumento di materia organica presente nei sedimenti (maggiore TOC) si spiegherebbe probabilmente ipotizzando fasi più calde, favorevoli allo sviluppo di macrofite e fitoplancton nel lago.

Il TIC, in questa zona compresa in un intervallo temporale tra 3312 anni circa B.P e 2982 anni circa B.P, mostra una forte diminuzione rispetto ai valori della zona precedente, che culmina nel valore più basso (5,0%) registrato a 3312 anni circa B.P (ad una profondità di 233 cm), ad indicare scarsa produttività del lago, probabilmente dovuta ad una condizione di clima umido, che spiega l’elevato livello lacustre. Inoltre l’aumento del livello del lago sostiene un maggiore apporto al lago dal bacino che spiega sia i valori maggiori di 12 del rapporto C/N, indicativo di materia organica alloctona, sia i valori negativi del δ13Corg,

anche questi rappresentativi di apporto di materia organica proveniente dai suoli adiacenti il lago.

Bisogna ricordare inoltre che questo tratto si colloca nell’Età del Bronzo, dove la presenza umana e l’uso del suolo, quest’ultimo rimarcato anche dai dati di pollini, avrebbero potuto portare a fasi di accentuata eutrofizzazione e quindi di notevole apporto di nutrienti nel lago a seguito delle attività antropiche (coltivazioni, erosione del suolo, uso di fertilizzanti come il letame animale ecc.).

116 Infine, l’ultimo intervallo temporale (2872 anni B.P. – 1451 anni B.P.), è caratterizzato da una diminuzione dei valori del TOC (circa del 4%, con un valore medio di 2,8%), i quali presentano leggere oscillazioni e valori bassi, ad indicare variazioni della produttività del lago o dell’efficienza del riciclo della materia organica (che non permetterebbe alla materia organica di conservarsi nei sedimenti). I valori del TIC, riprendono ad aumentare ciò può essere dovuto anche ad apporto dal bacino che spiegherebbe sia gli elevati valori del rapporto C/N, che indicano un contributo misto di alghe e piante vascolari sia i valori più negativi del δ13

Corg che indicano invece apporto di materia organica alloctona. La materia

organica proviene prevalentemente dal bacino, poiché si registrano valori elevati del rapporto C/N (maggiori di 12, fino a 16) e valori negativi del δ13

Corg, che evidenziano

l’apporto di materia organica terrestre.

Questi andamenti, assieme all’innalzamento del livello lacustre testimonierebbero un passaggio verso condizioni climatiche umide.

117

Figura 6.4 Andamento dei valori di TIC, TOC, C/N e δ13Corg (‰PDB) della carota AC05B, rispetto

alle variazioni del livello lacustre del Lago dell’Accesa.

118

6.3 Rapporto C/N

Tenendo presente quanto discusso nei precedenti paragrafi nel grafico delle figura 6.5 i rapporti relativi alla composizione elementare C/N sono confrontati con la composizione isotopica del carbonio (δ13

Corg) dei campioni di sedimento della carota AC05-B.

Dalla figura 6.5, risulta evidente come non vi siano ne punti che ricadono nel campo di esistenza delle piante terrestri a ciclo C4, piante rappresentative di ambienti caratterizzati

da clima arido (rare alle nostre latitudini e presenti in modo significativo solo in ambienti particolari), ne punti che ricadono nel campo di esistenza delle piante a ciclo C3, piante

terrestri le quali generalmente hanno il loro habitat nei climi temperati. Una parte dei punti ricade all’interno del campo delle alghe lacustri, mentre il restante ricade in posizione intermedia tra le alghe lacustri e le piante a ciclo C3, ciò indicherebbe una provenienza mista della materia organica in alcuni livelli del record sedimentario.

La materia organica proveniente da alghe lacustri, ricca in proteine, presenta valori C/N variabili tra 4 e 10 (in questo studio sono presenti alcuni campioni che ricadono in questo

Figura 6.5 Grafico C/N contro δ13Corg per i campioni di sedimento dei sei spezzoni di carote AC05 B1.2, B1.3, B1.4, B1.5, BB1.4, BB1.5 del Lago dell’Accesa.

-40,0 -35,0 -30,0 -25,0 -20,0 -15,0 -10,0 -5,0 0,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 C/N δ 13Co r Piante C3 Piante C4 Alghe lacustri

119 intervallo), mentre rapporti C/N con valori tra 10 e 17 indicano un contributo misto di piante algali e vascolari (in questo studio il valore medio è 11). L’azoto organico è presente preferenzialmente nelle proteine e negli acidi nucleici che sono relativamente abbondanti nel fitoplancton (Meyers e Lallier-Vergés, 1999).

Insieme ai valori del rapporto C/N si utilizza come abbiamo detto il valore del rapporto isotopico del carbonio organico per distinguere le origini e la composizione della materia organica lacustre.