Quantification of the spatio-temporal variability of ozone damage on winter wheat productivity in northern Italy using ERA5 reanalysis data

Tropospheric ozone is a potent oxidant, negatively affecting vegetation by causing physiological oxidative stress at the cellular level, reducing plant growth, and, at high concentrations, inducing visible foliar injuries (chlorosis and necrosis of leaves, premature aging of leaves) and, due to decreased photosynthesis, yield reductions in crops and horticultural species. Research has shown that wheat particularly sensitive to ozone damage. The biological effects of ozone are closely related to the actual dose absorbed through stomata of plants, and for this reason a stomatal flux-based metric, the Phytotoxic Ozone Dose above a detoxification threshold of 6 nmol∙m−2∙s −1 , was used to estimate wheat yield reduction. The selected study domain is centered on the Lombardy region (Italy), characterized by complex topography. The study was aimed at estimating, through a dual-sink big-leaf model, the seasonal POD6 for winter wheat for the period 2015-2019, using data of air temperature, relative humidity, precipitation, wind speed, global radiation and O3 concentration retrieved from the ERA5 reanalysis dataset. After determining that the ozone data provided by ERA5 consistently underestimate O3 concentrations compared to observed values, a Random Forest model was developed to obtain O3 estimates using ERA5 meteorological parameters as inputs. The results obtained show a significant variability in POD6 values between different years, with the average values for the entire domain varying between 1.67 and 2.43 mmol⋅m−2 PLA (Plant Leaf Area), corresponding to a reduction in yield of 6.4% and 9.2% respectively. These differences can be explained by analyzing the values of meteorological parameters year by year.

L’ozono troposferico è un potente ossidante, che influisce negativamente sulla vegetazione provocando uno stress ossidativo fisiologico a livello cellulare, riducendo la crescita delle piante e, ad alte concentrazioni, inducendo lesioni fogliari visibili (clorosi e necrosi delle foglie, invecchiamento precoce delle foglie) e, a causa diminuzione della fotosintesi, riduzione della resa delle colture e delle specie orticole. La ricerca ha dimostrato che il grano è particolarmente sensibile ai danni dell'ozono. Gli effetti biologici dell’ozono sono strettamente correlati alla dose effettiva assorbita attraverso gli stomi delle piante, e per questo motivo è stato deciso di utilizzare una metrica basata sul flusso stomatico, la dose di ozono fitotossico (POD) al di sopra di una soglia di disintossicazione di 6 nmol∙m−2∙s −1 , per stimare la riduzione della resa del grano. L’area di studio selezionata è centrata sulla regione Lombardia (Italia), caratterizzata da una topografia complessa. Lo studio è stato finalizzato a stimare, attraverso un “dual-sink big-leaf model”, il POD6 stagionale del grano invernale per il periodo 2015-2019, utilizzando i dati di temperatura dell'aria, umidità relativa, precipitazione, velocità del vento, radiazione globale e concentrazione di O3 del set di dati di rianalisi ERA5. Dopo aver constatato che i dati di ozono forniti da ERA5 sottostimano costantemente le concentrazioni di ozono rispetto ai valori osservati, è stato sviluppato un modello “Random Forest” per ottenere stime di O3 utilizzando i parametri meteorologici di ERA5 come input. I risultati ottenuti mostrano una significativa variabilità dei valori di POD6 tra gli anni considerati nello studio, con valori medi per l'intero dominio che variano tra 1,67 e 2,43 mmol⋅m−2 PLA (Plant Leaf Area), corrispondenti ad una riduzione della resa rispettivamente del 6,4% e del 9,2%. Queste differenze possono essere spiegate analizzando i valori dei parametri meteorologici anno per anno.