Climate change impacts on nutrient load generation, nitrogen cycling, and self-purification capacity of a large temperate river, the Po (Italy)

The Po River basin is one of the most productive and densely populated areas in Europe and a hot-spot for nitrate pollution. In recent years, the effects of climate change (CC) have been observed in the Po River basin, e.g. the increase in the frequency of climatic anomalies, the intensity and temporal distribution of rainfall and, consequently, variations in runoff, the increase in air temperature and in the frequency of prolonged drought periods, leading to the increase in saline intrusion in the Po River Delta. However, these impacts on transport and export of nitrogen loads in the Adriatic Sea are unexplored. The aims of this thesis were to assess: (i) the increase in the Po River water temperature and its effect on the removal of nitrogen loads via denitrification; (ii) the effect of saline intrusion on the dissimulative capacity of nitrogen loads in the Po River Delta. The study area was Pontelagoscuro (Ferrara province), the closing section of the Po River basin, where the time series of temperature and nitrogen loads were analyzed and seasonal measurements of sediment metabolism, denitrification and dissimilatory nitrate reduction to ammonium (DNRA) were carried out. At the same time, the extension of the saline wedge was monitored during the summer in the Po di Goro, one branch of the Po River Delta, where measurements of sediment metabolism, denitrification and DNRA rates were applied. Laboratory incubations of intact cores were carried out in both cases, but different temperature gradients were applied to the sediments of the Po River, based on the historical data and future predictions of warming, while the sediments of the Po di Goro River were sampled along a salinity gradient. The results showed a gradual increase of the Po River temperature from the ‘90s and of the frequency of warm days, in particular during summers and springs. At the same time, there was a decrease in the total nitrogen loads, mainly nitrate (NO3-), transported to the basin closing section. Over the last three decades, nitrogen loads have declined by a third, while average water temperature have increased by 3°C. The 1°C increase in temperature was associated with a reduction in nitrogen loads around 7% and 4% in spring and summer, respectively. The inverse relationship between temperature and nitrogen loads is the result of the effect of temperature on denitrification activity in the sediment. The evidence was tested and confirmed by laboratory experiments on river sediments sampled seasonally at the Pontelagoascuro section during 2022, the driest year since 1960s. The results showed that denitrification and DNRA process are temperature dependent. In particular, the rates increased along the temperature gradients in each season, with denitrification being higher than DNRA by an order of magnitude. The up-scale of denitrification rates along a section from Borgoforte (Mantua province) to Pontelagoscuro, for an overall surface of 45 km2, showed that the measured values corresponded to the calculated load reduction between the two sections. The obtained results confirmed that the reduction in nitrate loads, monitored in the last decades in the Po River basin, was mainly attributable to the denitrification process in river sediments. The saline wedge in the Po River Delta increased its extension during the droughts of the 2022, due to the low flow of the Po River, starting in the late spring. The sediment incubations showed that denitrification was the main process to NO3- removal at the freshwater and slightly saline sites, while DNRA had the highest rates in the saline site, highlighting that the saline intrusion in transitional areas, due to the climate change, is a key factor in regulating benthic N metabolism. In a CC scenario, the saline intrusion may reduce the N removal capacity of the transitional areas, inhibiting denitrification and increasing N recycling via DNRA. In conclusion, the results highlighted that two of the most important impacts of CC in rivers, i.e. the warming and the increase of the saline wedge, may have an inverse effect on the dissimilative capacity towards NO3- loads along the continuum from the freshwater to the coastal zones. However, further research should address other aspects that are not investigated, such as the effect of CC on the nutrient availability and the role of organic matter content in river sediments, in terms of seasonal quantity and quality.

Il bacino del Po è una delle aree più produttive e densamente popolate d’Europa, indicato come hotspot di inquinamento da nitrati. Gli elevati carichi di nutrienti, azoto nitrico in particolare, condizionano lo stato trofico degli ambienti di transizione e delle acque costiere dal Delta all’intera costa emiliano-romagnola. La disponibilità di studi pregressi, riguardanti i carichi dei nutrienti e di serie storiche di misure di portata costituiscono un’importante base di informazioni che può essere utilizzata per indagare l’impatto dei cambiamenti climatici sui processi di generazione, trasformazione e recapito verso le zone costiere. Ad oggi gli effetti dei cambiamenti climatici nel bacino del fiume Po sono già evidenti. L’aumento della frequenza delle anomalie climatiche, le alterazioni dell’intensità e della distribuzione temporale delle precipitazioni, da cui dipendono le variazioni repentine dei deflussi registrate negli ultimi anni, l’aumento della temperatura dell’aria e della frequenza e severità dei periodi di siccità e stress idrico, l’espansione spaziale e temporale del cuneo salino nell’area deltizia sono solo alcuni dei fenomeni emersi negli ultimi anni. D’altro canto, i possibili effetti di questi fenomeni, determinati dal cambiamento climatico, sulla trasformazione e sull’export dei carichi azotati nel Mar Adriatico non sono stati ancora indagati. La tesi qui discussa presenta due obiettivi principali. Il primo è stato la valutazione dell’incremento di temperatura del fiume Po e del suo effetto sulla rimozione dei carichi di azoto, attraverso la denitrificazione. A questo scopo, l’area di studio interessata è stata la chiusura di bacino, Pontelagoscuro (Ferrara), dove sono state analizzate le serie storiche di temperatura e carichi di azoto e sono state effettuate misure stagionali del metabolismo sedimentario, dei tassi di denitrificazione e di DNRA (Dissimilatory Nitrate Reduction to Ammonium). Il secondo obiettivo è stato quello di valutare l’effetto del cambiamento climatico sull’intrusione salina nel Delta del Po. Tramite misure di campo e di laboratorio sono stati studiati, anche in questo caso, il metabolismo sedimentario, la denitrificazione e la DNRA, ma incubando i sedimenti campionati lungo il gradiente salino registrato in un ramo del delta, il Po di Goro. I risultati hanno evidenziato il graduale aumento delle temperature del Po da inizio anni ‘90 (circa 0.11 °C anno-1) e un parallelo aumento della frequenza dei giorni caldi, soprattutto in estate e in primavera (+50%), cioè del numero di giorni con temperatura dell’acqua superiore alla media di lungo periodo. Negli stessi anni è stata evidenziata una riduzione dei carichi annuali di azoto, costituiti in prevalenza da nitrato (NO3-), alla sezione di chiusura bacino. Si è osservato che la riduzione dei carichi azotati è avvenuta in corrispondenza dell’aumento della temperatura media di quasi 3 °C, soprattutto in primavera ed estate che sono indicate anche come i periodi più sensibili alle crisi distrofiche nel Mar Adriatico. Ad un aumento di 1°C di temperatura del fiume Po è corrisposta una riduzione dei carichi azotati di circa il 7% in primavera e di circa il 4% in estate. La relazione inversa tra temperatura e carichi di azoto è la risultante di un effetto temperatura dipendente dell’attività dei batteri denitrificanti a livello sedimentario. Ciò è stato evidenziato tramite prove sperimentali effettuate in laboratorio su sedimenti fluviali campionati stagionalmente alla sezione di Pontelagoscuro nel corso dell’anno 2022, identificato come uno dei più siccitosi dagli anni ’60, in cui la portata del fiume è andata al di sotto dei minimi storici (< 150 m3 s-1). Attraverso l’incubazione di carote di sedimento sono stati misurati i flussi di ossigeno, i tassi di denitrificazione e di DNRA. In ogni stagione sono stati applicati diversi gradienti di temperatura basati sui dati storici e sulle previsioni future relative al riscaldamento del Bacino del Po. I risultati hanno confermato che entrambi i processi sono temperatura dipendenti, secondo una correlazione positiva in ogni stagione. In particolare, durante la primavera sono stati misurati i tassi più alti (591 ± 29 µmol N m-2 h-1 per il processo di denitrificazione e 53 ± 24 µmol N m-2 h-1 per la DNRA a 22 °C), in quanto la disponibilità di NO3- era ai massimi annuali. Dai risultati si è evidenziato come la denitrificazione sia il principale processo responsabile della rimozione di NO3- in ogni stagione, con tassi mediamente superiori di un ordine di grandezza rispetto ai tassi della DNRA. Per ottenere un riscontro sulla rappresentatività dei tassi misurati in termini di macro-scala, i tassi di denitrificazione ottenuti nella stagione primaverile sono stati estesi ad un tratto del medio-basso corso (per una superficie complessiva di 45 km2 compresa tra Borgoforte, provincia di Mantova, e Pontelagoscuro), in cui le incubazioni effettuate a Pontelagoscuro possono essere considerate rappresentative per le caratteristiche simili dei sedimenti campionati. L’up-scale dei tassi all’intera area ha fornito un valore coerente con la riduzione dei carichi calcolata tra le due sezioni, in base ai dati di portata, monitorati dall’Autorità di Bacino del Po, e di concentrazione, misurati dalle Agenzia Regionale per la Protezione Ambientale (ARPA). Questo ha confermato che la riduzione dei carichi di nitrato verificata negli ultimi decenni è imputabile soprattutto al processo di denitrificazione sedimentaria. Un ulteriore conseguenza del cambiamento climatico, verificatasi nel delta a seguito delle eccezionali condizioni di scarsità idrica e ridotte portate del 2022, è stata l’incremento della estensione del cuneo salino a partire dalla tarda primavera. Per valutare gli effetti di questo fenomeno sul ciclo dell’azoto e sulla capacità del Delta del Po di abbattere una quota dei carichi in transito, carote intatte di sedimento sono state prelevante in estate, in tre siti nel ramo del Po di Goro disposti lungo un gradiente di salinità, e incubate in laboratorio per misurare i tassi di denitrificazione e DNRA. La denitrificazione è risultata essere il principale processo responsabile della rimozione del nitrato nei siti d’acqua dolce e leggermente salini (368 ± 45 µmol N m−2 h−1 e 274 ± 19 µmol N m−2 h−1, rispettivamente), con tassi di un ordine di grandezza superiore a quelli di DNRA (55 ± 9 and 27 ± 8 µmol N m−2 h−1, rispettivamente). Al contrario, la DNRA ha mostrato i tassi più alti nel sito più salino (116 ± 29 µmol N m−2 h−1), in accordo con quanto riportato in letteratura, secondo cui le condizioni saline favoriscono la DNRA rispetto alla denitrificazione. I risultati ottenuti mostrano come l’incremento della salinità negli ambienti di transizione, in conseguenza al cambiamento climatico, sia un fattore chiave nella regolazione del metabolismo bentonico dell’azoto. In uno scenario di cambiamento climatico, una sempre maggiore intrusione salina potrebbe decrementare la capacità di rimozione di azoto tramite denitrificazione nelle zone di transizione e aumentarne il ricircolo tramite DNRA, incrementando l’eutrofizzazione costiera. Complessivamente i risultati di questa tesi hanno evidenziato come due conseguenze del cambiamento climatico, il riscaldamento delle acque del Po e l’aumento dell’intrusione salina nel suo Delta, influenzino in modo inverso la capacità dissipativa dei carichi di nitrati lungo il continuum acque interne-acque costiere. Come emerso dalla sperimentazione, ulteriori sviluppi di questa ricerca dovrebbero mirare ad indagare altri aspetti sinora non studiati, come l’effetto del cambiamento climatico sulle tempistiche di recapito dei nutrienti alle sezioni fluviali terminali ed il ruolo delle variazioni stagionali della quantità e qualità della sostanza organica sedimentaria.