Applicazione degli isotopi stabili dell'acqua per studiare l'acqua delle piante e la sua origine temporale in piccoli bacini idrografici. bacini idrografici: potenzialità e sfide di nuove metriche e tecniche di estrazione

The Critical Zone (CZ) is the region from the top of the vegetation canopy down to the bottom of the groundwater aquifer, and it can lead to more effective sustainable land management practices and inform policy development. In this context, understanding the role of vegetation is crucial because it influences the water cycle through interception, throughfall, stemflow, infiltration, and transpiration. Therefore, understanding how plants determine the partitioning of precipitation into different components, and how and when plants take up water from different soil layers or from groundwater is pivotal to inform a better management of water resources in agricultural and forest systems, particularly during dry conditions. Stable isotopes have significantly enhanced our understanding of water dynamics, including water uptake and evapotranspiration partitioning in the soil-plant-atmosphere continuum. Water stable isotopes, specifically δ¹⁸O, and δ²H, are invaluable tracers in hydrological studies, providing insights into the sources, movement, and history of water within the hydrological cycle. With climate change affecting water availability, examining how winter and summer precipitation impacts stream water supplies and recharges the water sources that sustain vegetation is increasingly important. To determine the seasonal origin of the precipitation in trees it has been developed a simple index of the isotopic signature of plant, stream, and soil water, relative to seasonal cycles of isotopes in precipitation. In this thesis, the seasonal origin index (SOI) has been applied in a small Italian pre-Alpine catchment, named Ressi. Results show that there was a high spatial and temporal variability in the isotopic signature of the water sources. Stream water, groundwater and soil water extracted by suction lysimeters were isotopically similar to precipitation, and on average they had an autumn or spring origin. Conversely, bulk soil water obtained by cryogenic vacuum distillation and plant water had an evaporation signature and mainly a spring/summer origin. Extracting the water inside the plants is essential to obtain isotopic data from sampled plants. Many extraction techniques have been developed to obtain xylem water from plants. Various in-situ approaches have been tested, in some cases with positive results about their feasibility, and many laboratory tests have been carried out. Among the various methods for xylem water extraction, cryogenic vacuum distillation (CVD) remains the most widely used due to its efficiency and ability to extract the majority of water from plant samples. However, recognizing its limitations, our research investigated alternative approaches, such as the cavitron technique (CAV), which employs centrifugal force for water extraction. The findings suggest that the CAV method produces isotopic signatures more closely aligned with source waters, plotting near the Local Meteoric Water Line (LMWL) and demonstrating an absence of fractionation. Additionally, this thesis examined the Vacuum Extraction (VAC) method, which showed significant potential. The VAC method yielded isotopic signatures closely aligned with the LMWL, effectively avoiding the fractionation commonly associated with CVD.

La Critical Zone è la regione che si estende dalla sommità della copertura vegetale fino al fondo dell'acquifero sotterraneo, e può contribuire a pratiche più efficaci di gestione delle terre e a informare ed indirizzare lo sviluppo delle politiche del territorio verso la sostenibilità. In questo contesto, comprendere il ruolo della vegetazione è cruciale poiché essa influenza il ciclo idrico attraverso l'intercettazione delle precipitazioni, il flusso delle piogge lungo il fusto, l'infiltrazione e la traspirazione. Pertanto, comprendere come le piante determinano la ripartizione delle precipitazioni in diversi componenti, e come e quando assorbono l'acqua da diversi strati del suolo o dalla falda acquifera, è fondamentale per una migliore gestione delle risorse idriche nei sistemi agricoli e forestali, in particolare durante le condizioni di siccità. Gli isotopi stabili hanno migliorato significativamente la nostra comprensione della dinamica dell'acqua, inclusa la ripartizione dell'assorbimento idrico e dell'evapotraspirazione nel continuum suolo-pianta-atmosfera. Gli isotopi stabili dell'acqua, in particolare δ¹⁸O e δ²H, sono traccianti inestimabili negli studi idrologici, poiché forniscono informazioni sulle origini, i movimenti e la storia dell'acqua all'interno del ciclo idrologico. Con il cambiamento climatico che influenza la disponibilità d'acqua, è sempre più importante esaminare come le precipitazioni invernali ed estive incidano sulle riserve idriche fluviali e ricarichino le fonti idriche che sostengono la vegetazione. Per determinare l'origine stagionale delle precipitazioni negli alberi, è stato sviluppato un semplice indice che utilizza la firma isotopica dell'acqua delle piante, dei corsi d'acqua e del suolo rispetto ai cicli stagionali degli isotopi nelle precipitazioni. In questa tesi, l'indice di origine stagionale è stato applicato in un piccolo bacino prealpino italiano, denominato Ressi. I risultati mostrano una notevole variabilità spaziale e temporale nella firma isotopica delle fonti idriche. L'acqua fluviale, l'acqua sotterranea e l'acqua del suolo estratta tramite lisimetri a suzione erano isotopicamente simili alle precipitazioni e, in media, avevano un'origine autunnale o primaverile. Al contrario, l'acqua del suolo ottenuta mediante distillazione criogenica sottovuoto e l'acqua delle piante presentavano una firma di evaporazione e prevalentemente un'origine primaverile/estiva. Estrarre l'acqua all'interno delle piante è essenziale per ottenere dati isotopici dai campioni vegetali. Sono state sviluppate molte tecniche di estrazione per ottenere l'acqua dallo xilema delle piante. Vari approcci in situ sono stati testati, in alcuni casi con risultati positivi sulla loro fattibilità, e sono stati effettuati molti test di laboratorio. Tra i vari metodi di estrazione dell'acqua dallo xilema, la Distillazione Criogenica Sottovuoto rimane la più utilizzata grazie alla sua efficienza e capacità di estrarre la maggior parte dell'acqua dai campioni vegetali. Tuttavia, riconoscendo i suoi limiti, la nostra ricerca ha investigato approcci alternativi, come la tecnica Cavitron, che utilizza la forza centrifuga per l'estrazione dell'acqua. I risultati suggeriscono che questo metodo produce firme isotopiche più vicine a quelle delle acque di precipitazione, tracciandosi vicino alla Linea Locale delle Acque Meteoriche e dimostrando l'assenza di frazionamento. Inoltre, questa tesi ha esaminato il metodo di Estrazione Sottovuoto, che ha mostrato un potenziale significativo. Questo metodo metodo ha fornito firme isotopiche strettamente allineate con la Linea Locale delle Acque Meteoriche, evitando efficacemente il frazionamento comunemente associato alla Distillazione Criogenica Sottovuoto.