Uso sostenibile dei suoli forestali di ambiente costiero in relazione ai fattori di pressione esistenti

Oggetto di studio del dottorato sono stati i suoli forestali in ambiente litoraneo della Regione Emilia-Romagna. In particolare sono state considerate quattro zone di studio in Provincia di Ravenna: Pineta di San Vitale, aree boscate di Bellocchio, Pineta di Classe e Pineta di Pinarella di Cervia. Lo studio in una prima fase si è articolato nella definizione dello stato del sistema suolo, mediante la caratterizzazione pedologica delle zone di studio. A tale scopo è stata messa a punto un’adeguata metodologia d’indagine costituita da un’indagine ambientale e successivamente da un’indagine pedologica. L’indagine ambientale, mediante fotointerpretazione ed elaborazione di livelli informativi in ambito GIS, ha permesso di individuare ambiti pedogenetici omogenei. L’indagine pedologica in campo ha messo in luce l’elevata variabilità spaziale di alcuni fattori della pedogenesi, in particolar modo l’andamento microtopografico tipico dei sistemi dunali costieri e la profondità della falda freatica del piano campagna. Complessivamente sono stati aperti descritti e campionati 40 profili pedologici. Sugli orizzonti diagnostici di questi sono state eseguite le seguenti analisi: tessitura, pH, calcare totale, carbonio organico, azoto kjeldahl, conduttività elettrica (CE), capacità di scambio cationico (CSC) e calcare attivo. I suoli presentano, ad eccezione della tessitura (generalmente grossolana), un’elevata variabilità delle proprietà chimico fisiche in funzione della morfologia, della profondità e della vicinanza della falda freatica. Sono state riscontrate diverse correlazioni, tra le più significative quelle tra carbonio organico e calcare totale (coeff. di correlazione R = -0.805 per Pineta di Classe) e tra calcare totale e pH (R = 0.736), dalle quali si è compreso in che misura l’effetto della decarbonatazione agisce nei diversi ambiti pedogenetici e tra suoli con diversa età di formazione. Il calcare totale varia da 0 a oltre 400 g.kg-1 e aumenta dalla superficie in profondità, dall’entroterra verso la costa e da nord verso sud. Il carbonio organico, estremamente variabile (0.1 - 107 g.kg-1), è concentrato soprattutto nel primo orizzonte superficiale. Il rapporto C/N (>10 in superficie e molto variabile in profondità) evidenzia una efficienza di umificazione non sempre ottimale specialmente negli orizzonti prossimi alla falda freatica. I tipi di suoli presenti, classificati secondo la Soil Taxonomy, sono risultati essere Mollic/Sodic/Typic Psammaquents nelle zone interdunali, Typic Ustipsamments sulle sommità dunali e Oxiaquic/Aquic Ustipsamments negli ambienti morfologici intermedi. Come sintesi della caratterizzazione pedologica sono state prodotte due carte dei suoli, rispettivamente per Pineta di San Vitale (scala 1:20000) e per le aree boscate di Bellocchio (scala 1:10000), rappresentanti la distribuzione dei pedotipi osservati. In una seconda fase si è focalizzata l’attenzione sugli impatti che le principali pressioni naturali ed antropiche, possono esercitare sul suolo, condizionandone la qualità in virtù delle esigenze del soprasuolo forestale. Si è scelta la zona sud di Pineta San Vitale come area campione per monitorarne mensilmente, su quattro siti rappresentativi, le principali caratteristiche chimico-fisiche dei suoli e delle acque di falda, onde evidenziare possibili correlazioni. Le principali determinazioni svolte sia nel suolo in pasta satura che nelle acque di falda hanno riguardato CE, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-, SO4 2-, HCO3 - e SAR (Sodium Adsorption Ratio). Per ogni sito indagato sono emersi andamenti diversi dei vari parametri lungo i profili, correlabili in diversa misura tra di loro. Si sono osservati forti trend di aumento di CE e degli ioni solubili verso gli orizzonti profondi in profili con acqua di falda più salina (19 – 28 dS.m-1) e profonda (1 – 1.6 m dalla superficie), mentre molto significativi sono apparsi gli accumuli di sali in superficie nei mesi estivi (CE in pasta satura da 17.6 a 28.2 dS.m-1) nei profili con falda a meno di 50 cm dalla superficie. Si è messo successivamente in relazione la CE nel suolo con diversi parametri ambientali più facilmente monitorabili quali profondità e CE di falda, temperatura e precipitazioni, onde trovarne una relazione statistica. Dai dati di tre dei quattro siti monitorati è stato possibile definire tali relazioni con equazioni di regressione lineare a più variabili. Si è cercato poi di estendere l’estrapolabilità della CE del suolo per tutte le altre casistiche possibili di Pineta San Vitale mediante la formulazione di un modello empirico. I dati relativi alla CE nel suolo sia reali che estrapolati dal modello, sono stati messi in relazione con le esigenze di alcune specie forestali presenti nelle zone di studio e con diverso grado di tolleranza alla salinità ed al livello di umidità nel suolo. Da tali confronti è emerso che per alcune specie moderatamente tolleranti la salinità (Pinus pinea, Pinus pinaster e Juniperus communis) le condizioni critiche allo sviluppo e alla sopravvivenza sono da ricondursi, per la maggior parte dei casi, alla falda non abbastanza profonda e non tanto alla salinità che essa trasmette sull’intero profilo del suolo. Per altre specie quali Quercus robur, Populus alba, Fraxinus oxycarpa e Ulmus minor moderatamente sensibili alla salinità, ma abituate a vivere in suoli più umidi, la salinità di una falda troppo prossima alla superficie può ripercuotersi su tutto il profilo e generare condizioni critiche di sviluppo. Nei suoli di Pineta San Vitale sono stati inoltre studiati gli aspetti relativi all’inquinamento da accumulo di alcuni microtossici nei suoli quali Ag, Cd, Ni e Pb. In alcuni punti di rilievo sono stati osservati moderati fattori di arricchimento superficiale per Pb e Cd riconducibili all’attività antropica, mentre le aliquote biodisponibili risultano maggiori in superficie, ma all’interno dei valori medi dei suoli italiani. Lo studio svolto ha permesso di meglio conoscere gli impatti sul suolo, causati dalle principali pressioni esistenti, in un contesto dinamico. In particolare, si è constatato come i suoli delle zone studiate abbiano un effetto tampone piuttosto ridotto sulla mitigazione degli effetti indotti dalle pressioni esterne prese in esame (salinizzazione, sodicizzazione e innalzamento della falda freatica). Questo è dovuto principalmente alla ridotta presenza di scambiatori sulla matrice solida atti a mantenere un equilibrio dinamico con le frazioni solubili. Infine le variabili ambientali considerate sono state inserite in un modello concettuale DPSIR (Driving forces, Pressures, States, Impacts, Responces) dove sono stati prospettati, in via qualitativa, alcuni scenari in funzione di possibili risposte gestionali verosimilmente attuabili, al fine di modificare le pressioni che insistono sul sistema suolo-vegetazione delle pinete ravennati.

Influence of nitrogen and soil physical characteristics on belowground carbon flux dynamics of woody plants

At ecosystem level soil respiration (Rs) represents the largest carbon (C) flux after gross primary productivity, being mainly generated by root respiration (autotrophic respiration, Ra) and soil microbial respiration (heterotrophic respiration, Rh). In the case of terrestrial ecosystems, soils contain the largest C-pool, storing twice the amount of C contained in plant biomass. Soil organic matter (SOM), representing the main C storage in soil, is decomposed by soil microbial community. This process produces CO2 which is mainly released as Rh. It is thus relevant to understand how microbial activity is influenced by environmental factors like soil temperature, soil moisture and nutrient availability, since part of the CO2 produced by Rh, directly increases atmospheric CO2 concentration and therefore affects the phenomenon of climate change. Among terrestrial ecosystems, agricultural fields have traditionally been considered as sources of atmospheric CO2. In agricultural ecosystems, in particular apple orchards, I identified the role of root density, soil temperature, soil moisture and nitrogen (N) availability on Rs and on its two components, Ra and Rh. To do so I applied different techniques to separate Rs in its two components, the ”regression technique” and the “trenching technique”. I also studied the response of Ra to different levels of N availability, distributed either in a uniform or localized way, in the case of Populus tremuloides trees. The results showed that Rs is mainly driven by soil temperature, to which it is positively correlated, that high levels of soil moisture have inhibiting effects, and that N has a negligible influence on total Rs, as well as on Ra. Further I found a negative response of Rh to high N availability, suggesting that microbial decomposition processes in the soil are inhibited by the presence of N. The contribution of Ra to Rs was of 37% on average.

Novel techniques for the remote sensing of photosynthetic processes

Remote sensing (RS) techniques have evolved into an important instrument to investigate forest function. New methods based on the remote detection of leaf biochemistry and photosynthesis are being developed and applied in pilot studies from airborne and satellite platforms (PRI, solar-induced fluorescence; N and chlorophyll content). Non-destructive monitoring methods, a direct application of RS studies, are also proving increasingly attractive for the determination of stress conditions or nutrient deficiencies not only in research but also in agronomy, horticulture and urban forestry (proximal RS). In this work I will focus on some novel techniques recently developed for the estimation of photochemistry and photosynthetic rates based (i) on the proximal measurement of steady-state chlorophyll fluorescence yield, or (ii) the remote sensing of changes in hyperspectral leaf reflectance, associated to xanthophyll de-epoxydation and energy partitioning, which is closely coupled to leaf photochemistry and photosynthesis. I will also present and describe a mathematical model of leaf steady-state fluorescence and photosynthesis recently developed in our group. Two different species were used in the experiments: Arbutus unedo, a schlerophyllous Mediterranean species, and Populus euroamericana, a broad leaf deciduous tree widely used in plantation forestry. Results show that ambient fluorescence could provide a useful tool for testing photosynthetic processes from a distance. These results confirm also the photosynthetic reflectance index (PRI) as an efficient remote sensing reflectance index estimating short-term changes in photochemical efficiency as well as long-term changes in leaf biochemistry. The study also demonstrated that RS techniques could provide a fast and reliable method to estimate photosynthetic pigment content and total nitrogen, beside assessing the state of photochemical process in our plants’ leaves in the field. This could have important practical applications for the management of plant cultivation systems, for the estimation of the nutrient requirements of our plants for optimal growth.

Phytoremediation by poplar: polyphenols polyamines and oxidative damage in the response to heavy metals in in vitro and in hydroponic cultures.

Poplar is considered a good candidate for phytoremediation, but its tolerance to heavy metals has not been fully investigated yet. In the present work, two different culture systems (in vitro and aeroponic/hydroponic) and two different stress tolerant clones of Populus alba (AL22 and Villafranca) were investigated for their total polyphenol and flavonoid content, individual phenolic compounds, polyamine, lipid peroxidation and hydrogen peroxide levels in response to Cu. In AL22 poplar plants cultured in vitro in the presence or absence of 50 μM Cu, total leaves polyphenol and flavonoid content was higher in treated samples than in controls but unaltered in the roots. Equally the same clone, grown under aeroponic conditions and hydroponically treated for 72 h with 100 μM Cu, displayed increased amount of polyphenols and flavonoids in the leaves, in particular chlorogenic acid and quercetin, and no differences in the roots. In exudates from treated roots total polyphenols and flavonoids, in particular catechin and epicatechin, were more abundant than in controls. Polyamine levels show an increase in conjugated putrescine (Put) and spermidine (Spd) was found. In the Villafranca clone, treated with 100 μM Cu for 6, 24 and 72 h, the pattern of polyphenol and flavonoid accumulation was the same as in AL22; in Cu-treated roots these compounds decreased compared with controls while they increased in root exudates. Free polyamine levels rose at 24 and 72 h while only conjugated Put increased at 24 h. Cu-treated Villafranca plants exhibited a higher malondialdehyde production than controls indicative of membrane lipid peroxidation and, therefore, oxidative stress. An in vitro experiment was carried to investigate the antioxidant effect of the polyamine spermidine (Spd). Exogenous Spd, supplied together with 100 μM Cu, reduced the accumulation of polyphenols and flavonoids, MDA and hydrogen peroxide induced by Cu.