Monitoraggio della biodiversità microbica dei suoli di due pinete di Pinus nigra Arn. in seguito a diradamento innovativo nell'appennino centrale

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Scuola di Agraria Corso di Laurea Magistrale in Scienze e tecnologie dei sistemi forestali Classe LM Classe delle lauree in Scienze e tecnologie forestali e ambientali Materia della tesi: Funzionalità

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Scuola di Agraria Corso di Laurea Magistrale in Scienze e tecnologie dei sistemi forestali Classe LM Classe delle lauree in Scienze e tecnologie forestali e ambientali Materia della tesi: Funzionalità del suolo e stress ambientali Monitoraggio della biodiversità microbica dei suoli di due pinete di Pinus nigra Arn. in seguito a diradamento innovativo nell'appennino centrale Relatore Chiar.mo Prof. Giacomo Pietramellara Correlatore Dott. Stefano Mocali Candidato Fabrizio Butti Anno accademico 2014/2015 1 Sommario 1) Introduzione ) Introduzione generale ) Inquadramento storico delle pinete di pino nero ) Stato attuale delle pinete di pino nero ) L evoluzione e la tendenza dei soprassuoli: possibile rinaturalizzazione ) L importanza della componente microbiologica ) Attività microbica e diversità funzionale ) Materiali e metodi ) Descrizione delle aree di studio ) Descrizione particellare ) Amiata ) Pratomagno ) Tipologie pedologiche ) Amiata ) Pratomagno ) Schema di campionamento ) Rilievi a carattere forestale ) Il campionamento del suolo ) Determinazione della respirazione del terreno ) Misura del C della biomassa microbica nel terreno ) Analisi molecolare della comunità batterica ) Il funzionamento della tecnica DGGE 3) Risultati e discussione ) Risultati analisi molecolare ) Amiata ) Pratomagno ) Discussione analisi molecolare ) Risultati degli indici microbiologici della qualità dei suoli ) Risultati dell analisi della respirazione giornaliera ) Risultati dell analisi della respirazione cumulativa ) Discussioni dei risultati sulle analisi delle respirazioni ) Risultati della biomassa microbica nel terreno ) Quoziente metabolico (qco 2 ) ) Risultati dendrometrici ) Analisi statistica ) Principal component analysis (PCA) ) Analisi della varianza (ANOVA) ) Conclusioni ) Bibliografia ) Ringraziamenti Abstract Gli impianti artificiali di Pinus nigra sono stati spesso utilizzati per la ricolonizzazione in zone soggette in passato ad un utilizzo intensivo. I diradamenti necessari al regolare sviluppo del soprassuolo, a causa della scarsa retribuzione degli assortimenti retraibili, sono stati disattesi compromettendone perciò la funzionalità. In risposta alle attuali tematiche in ambito di tutela della biodiversità, nella presente tesi è stato valutato l'effetto di un diradamento innovativo sulla biodiversità nel suolo ed sul miglioramento della struttura del bosco. Tale diradamento consiste in un diradamento selettivo con la scelta di piante candidate e la rimozione delle dirette competitrici. Le stesse misure sono state effettuate anche all'interno di aree di controllo non trattate ed aree sottoposte ad un diradamento classico dal basso di moderata intensità. Come attività di monitoraggio sono stati presi in considerazione molteplici indicatori di qualità del suolo: la respirazione e la biomassa microbica del suolo, in aggiunta all analisi molecolare mediante Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) per stabilire la diversità e l'attività della componente batterica; inoltre sono state rilevate variazioni di misure dendrometriche come diametro ed altezza medie del soprassuolo, in seguito all applicazione del trattamento. La presente tesi rappresenta uno studio del momento zero, ovvero antecedente all attuazione dei differenti trattamenti, in modo tale da poter stabilire le differenze tra le varie aree campionate ed effettuare una caratterizzazione dei suoli e dei soprassuoli. Il monitoraggio degli sviluppi futuri verrà effettuato nell'ambito del progetto SelPiBioLife (LIFE13 BIO/IT/000282), del quale la presente tesi è parte integrante. Dai primi risultati ottenuti è stato possibile determinare sostanziali differenze tra le zone prese in esame, Amiata e Pratomagno, anche a causa di differenti caratteri climatologici e stazionali. Sulla base di tali risultati è stato possibile definire le condizioni naturali ante-trattamento e, al contempo, di effettuare delle ipotesi sui futuri risultati e di come le risposte delle due zone possano essere differenti in virtù di quanto ottenuto dal presente studio. I valori di biomassa microbica sono risultati essere simili tra le due aree, a differenza della respirazione microbica che invece ha mostrato valori superiori nei suoli dell'amiata rispetto al Pratomagno che presenta anche una maggiore eterogeneità. Pertanto, i suoli del Pratomagno sono risultati essere meno sottoposti a stress (quoziente metabolico minore). L'analisi molecolare (DGGE) ha invece evidenziato una minore diversità batterica nel Pratomagno rispetto all Amiata. 4 L entità dei diradamenti è stata differente, anche in funzione della struttura iniziale dei popolamenti. Per tali ragioni si suppone che la risposta ai diradamenti potrebbe essere differente nei due complessi, anche in termini di successione ecologica. 5 Abstract: The planting of Pinus nigra were often used for the re-colonization of areas exposed, in the past, to exploitation. The thinning needed to regulate the development of the stand were missed, because of the poor remuneration of assortments retractable, compromising the functionality of the systems. In response to current issues for biodiversity protection, in this thesis we analyzed how an innovative thinning can promote the development of soil biodiversity and improve forest structure; this thinning corresponds to a selective treatment, acting by the selection of more suitable plants and removing the competitors. Several indicators for soil quality have taken in account in this work: soil microbial respiration and biomass, the molecular analysis with Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) technique to determine bacterial diversity; we have also monitored the variation of dendrometric measures after the treatment was accomplished, e.g. the quadratic mean (QM) diameter and average height. The same measurements were also realized in untreated control areas and other areas subjected to a normal thinning from the bottom of moderate intensity. This thesis is a study of the moment zero before the implementation of the different treatments, so as to determine the differences between the various sampled areas and to make a characterization of soils and tree stands. The monitoring of future developments will be carried out in the project SelPiBioLife (LIFE13 BIO/IT/000282), of which this thesis is an integral part. The first results highlighted significant differences between the examined areas, Amiata and Pratomagno, partly due to differences in both climatic and geographic features. With these results it was possible to make some hypothesis concerning the development and changes of the stands and how the responses of the two areas can be different on the basis of what has been analyzed in this study. Microbial biomasses results to be similar between the two areas, differently from microbial respiration that was higher in Amiata than Pratomagno; this area showed also an high heterogeneity of respiration values. Therefore, Pratomagno s areas appeared to be less biologically stressed (less microbial metabolic quotient values) but with a lower bacterial diversity than in Amiata. The thinning s intensity was different between the two areas also related to starting structure of the 6 stands. For this reason we suppose that the response to thinning may not be the same in the two areas, also in terms of ecological succession. 7 1) Introduzione 1.1) Introduzione generale Lo studio e gli obbiettivi della presente tesi si inseriscono all interno del progetto SelPiBioLife (LIFE13 BIO/IT/000282), un progetto Life finanziato in parte dall Unione Europea, che si propone come obbiettivo quello di accrescere la biodiversità dei suoli nei popolamenti forestali di pino nero. Tali soprassuoli, verranno monitorati per una durata di 5 anni, in seguito ad un trattamento innovativo, per studiarne gli effetti sull intero ecosistema. Tale progetto, e in parte la presente tesi, analizza nella sua totalità e multifunzionalità l ecosistema bosco, focalizzandosi non soltanto sull aumento della produzione legnosa (che rimane comunque un aspetto rilevante) ma specialmente sull incremento generale di biodiversità del suolo all interno del popolamento. Nel dettaglio, in questa tesi verrà analizzata sia la componente microbica del suolo che la componente arborea per quanto riguarda la variazione di area basimetrica, diametro medio ed altezza media prima e dopo l applicazione dei trattamenti. Quest'analisi rappresenta un evoluzione del normale studio sulle foreste, dato che in ambito scientifico sono presenti pochi studi su come i diradamenti, in particolare in popolamenti di pino nero, influenzino la comunità microbica ed altre componenti del sistema suolo. Negli ultimi tempi, infatti, è diventata di fondamentale importanza l attenzione con cui vengono studiati tutti i componenti del sistema bosco, con interesse particolare rivolto alla biodiversità, sia essa di elementi vegetali, animali o di microrganismi. A livello mondiale queste tematiche sono diventate focali ed attuali in seguito anche alla Convenzione sulla Diversità Biologica (CBD) svoltasi a Rio de Janeiro nel 1992 e alla Strategia EU 2020 sulla Biodiversità, oltre ovviamente all impegno e agli studi scientifici in materia, che hanno reso la tematica sempre più diffusa. Va inoltre considerato che è ormai ampiamente studiata e confermata la inter-relazione che vi è all interno del sistema bosco, ovverosia la stretta relazione tra i cambiamenti del soprassuolo e il sistema suolo, (radiazione solare e regolazione del regime idrico)(prescott e Grayston, 2013). 8 1.2) Inquadramento storico delle pinete di pino nero In Italia l impiego degli impianti artificiali di pino nero è perdurato negli anni grazie soprattutto alle capacità di attecchimento di questa specie utilizzata in rimboschimenti, alla sua eliofilia (Gellini e Grossoni, 1996) oltre alle sue spiccate doti frugali tipiche di specie pioniere (Bussotti, 2002). L affermazione di questa specie per gli impianti artificiali è perciò dovuta soprattutto alla sua capacità pioniera di ricolonizzazione, essendo anche in grado di accrescersi velocemente specialmente nelle fasi giovanili. I rimboschimenti, realizzati con la specie Pinus nigra sp. (generalmente la subspecie Nigra o la subspecie Laricio), hanno interessato aree che, nel passato, erano state intensamente sfruttate a causa dell agricoltura montana, del pascolo e dalla castanicoltura, ed in seguito abbandonate; in generale comunque tale specie è stata utilizzata nelle zone montane deteriorate in seguito all eccessivo utilizzo (Amorini, 1983). Inoltre tale specie è stata ugualmente utilizzata nelle zone in cui il fenomeno erosivo del suolo rappresentava un impedimento importante per il mancato sviluppo dello strato arboreo (Piermattei et al., 2012). Proprio per questi presupposti storici in Italia la specie Pinus Nigra si trova per la maggior parte in popolamenti puri coetanei (con un'età media di circa 50 anni). Tali foreste coprono un area di ettari (circa il 23% del totale di boschi di conifere) e in particolare in Toscana circa ettari (INFC, 2005). La creazione di questi soprassuoli di origine artificiale rappresentava negli anni passati una chiara intenzione dei gestori di costituire un soprassuolo in grado di migliorare la stabilità e la fertilità del terreno, impiegando tale specie dove altre avevano fallito o delle quali era sconsigliato l impiego. I rimboschimenti di pino nero sono sempre stati considerati soprassuoli a carattere transitorio, ovvero susseguiti, in modo più o meno artificiale, dalla sostituzione con sistemi maggiormente in equilibrio con l ambiente, impiegando specie autoctone o comunque tipiche ed adattate al paesaggio circostante. Tradizionalmente i rimboschimenti di pino nero venivano costituiti con densità molto elevata ed erano previsti sfolli in giovane età e successivi interventi di diradamento a cadenza circa decennale. Malgrado queste disposizioni, si sono inseriti molti fattori socio-economici (spopolamento delle 9 montagne e scarsa retribuzione degli assortimenti ottenibili) ad allungare i tempi intercorsi tra due diradamenti. I primi interventi previsti per tali soprassuoli erano da effettuarsi non oltre il 15esimo anno dalla messa a dimora, ma sono stati frequentemente disattesi o ritardati fino ad un età media di circa 30 anni, portando inoltre ad una dilatazione dei tempi intercorsi tra due interventi (Cantiani, 2012). Tali ritardi hanno portato i soprassuoli ad un progressivo deterioramento, dovuto ad un eccessiva densità, e ad una notevole riduzione del potenziale sviluppo, non solo degli individui arborei, ma anche della rinnovazione e delle piante erbacee presenti nello strato erbaceo-arbustivo Al termine del turno, circa anni, il soprassuolo doveva essere sottoposto a taglio raso e successivamente, se le condizioni ecologiche lo permettevano, sostituito da specie autoctone, in caso contrario con reimpianto della specie Pinus prescelta (Pavari, 1961). Attualmente, per molteplici motivazioni, principalmente di tipo economico ed ecologico, si preferisce favorire la rinnovazione delle specie che riescono ad affermarsi sotto la copertura (Mercurio, 2010; Cantiani e Plutino, 2009). 1.3) Stato attuale delle pinete di pino nero La situazione di molte pinete di pino nero, ad oggi, risulta essere alterata principalmente poiché gli interventi realizzati sono stati spesso tardivi e cauti, anche a causa dell incertezza dei risultati; inoltre hanno operato su popolamenti eccessivamente densi e con struttura delle chiome disequilibrata. In aggiunta, essendo gli interventi previsti dal Regolamento Forestale della Toscana (asportazione individui non superiore al 40%) diradamenti dal basso di intensità moderata, si è modificato principalmente il piano sottoposto, non andando ad incidere eccessivamente sul piano dominante. Per tale ragione l effetto di stimolo della crescita delle chiome non risulta essere così rimarcabile (De Meo, 2015). In ambito di diradamenti in impianti di Pinus nigra sp., uno studio è stato realizzato da Cantiani e Piovosi (2009), i quali hanno proposto dei diradamenti di maggiore intensità ( rimozione del 47% degli individui), osservando come, nonostante le compromesse condizioni di partenza del soprassuolo, il diradamento dal basso abbia portato a dei marcati effetti incrementali sulla crescita 10 diametrica. In tal modo hanno dimostrando come tale specie risulti essere molto duttile e reattiva agli interventi; di seguito si riporta una parte del riassunto dell articolo: In un popolamento di circa 30 anni di buona fertilità si dimostra come il diradamento forte (prelievo di poco meno della metà delle piante, pari a circa il 35% di area basimetrica) provochi una reazione positiva in termini di stabilità e soprattutto un forte stimolo allo sviluppo dell apparato fogliare. Per quanto ne concerne si è ampliamente dibattuto sui benefici che i diradamenti possano apportare alla componente arborea delle pinete, ma prefiggendosi l obbiettivo di analizzare l intero sistema (in particolare il suolo) e come esso sia influenzato dai diradamenti, è necessario analizzare i molteplici effetti dei diradamenti trascendendo dall esclusiva valutazione degli incrementi degli individui arborei. In teoria il senso dei diradamenti, infatti, può essere quello di aumentare l efficienza funzionale del popolamento, predisponendolo alla futura evoluzione (Mercurio, 2003) e perciò avendo una visione che va oltre l analisi economica attuale. Lo studio di Piovanelli et al. (2004), in una situazione analoga (popolamenti di pino nero), ha dimostrato come i diradamenti abbiano un impatto positivo sulle caratteristiche chimiche e microbiologiche del suolo, con un incremento della massa microbica e della sua attività respiratoria. Proprio per la capacità di migliorare strutturalmente e chimicamente il terreno, quando si studia l efficacia di questi popolamenti, risulta essere di fondamentale importanza considerare non esclusivamente l aspetto strutturale e fitosanitario degli individui arborei ma bensì tutte le componenti del sistema bosco. Nella presente tesi ci si prefigge di considerare una molteplicità di aspetti, ovverosia integrare ed unire gli obbiettivi e i risultati dei precedenti studi sopra citati, approcciandosi a tale studio con un metodo multidisciplinare. Le risposte positive del diradamento dal basso di media-forte intensità nello studio di Cantiani e Piovosi (op. cit.) hanno fornito uno spunto per intraprendere nelle pinete un nuovo tipo di sperimentazione, integrando al diradamento classico dal basso anche un diradamento selettivo. Tale diradamento ha come obbiettivo principale la selezione di un insieme di piante candidate particolarmente vigorose e strutturalmente stabili ed in seguito l asportazione delle loro dirette competitrici, permettendo perciò un maggiore e migliore sviluppo della pianta rilasciata. 11 Per i dettagli sul metodo e le modalità di diradamento si rimanda al capitolo dei materiali e metodi. 1.4) L evoluzione e la tendenza dei soprassuoli: possibile rinaturalizzazione È importante considerare che, per il ruolo che questi soprassuoli hanno svolto e tutt ora svolgono, risulta essenziale la loro conservazione e lo studio del loro sviluppo, anche in seguito ai cambiamenti climatici in atto. Proprio a causa dei cambiamenti climatici e alle mancate cure colturali, spesso questi soprassuoli sono andati incontro a degradamenti e semplificazioni strutturali, con la progressiva perdita di funzionalità e resilienza (Nocentini, 2001). Tale fenomeno sottolinea l importanza di ripristinare appieno le funzionalità degli stessi tentando di renderli il più possibile indipendenti dall intervento dell uomo e andando ad agire specialmente sull efficienza del sistema suolo. Inoltre come sottolineano Martin-Benito et al. (2010), i diradamenti possono favorire una certa resistenza alla siccità, una delle problematiche principali nei popolamenti di Pino (Bottolico et. al.,2012), andando a migliorare l efficienza del soprassuolo e contribuendo allo sviluppo dello stesso (Cantiani op. cit., 2012). La ricchezza in biodiversità del suolo, proprio per la storia e le problematiche legate ai rimboschimenti con Pinus Nigra sp., risulta essere una tematica importante da analizzare, in particolare se si desidera studiare l evoluzione del soprassuolo con il passare degli anni. I meccanismi che all interno di un bosco possono provocare il mutare di queste componenti sono molteplici e risulta perciò particolarmente complicato studiarne gli effetti. Tuttavia è altrettanto comprovato che l utilizzo di diradamenti, come sottolineato precedentemente, possa indurre complessi cambiamenti non solo a livello della struttura del bosco ma anche biochimici. Mercurio et al. (2009) sottolineano come la determinazione della sostanza organica possa essere un sensibile indicatore degli effetti della gestione forestale a breve e medio periodo, proprio perché hanno osservato importanti cambiamenti, in seguito all apertura di gaps, nella velocità di decomposizione della sostanza organica. 12 Studiando perciò parametri diversi dagli accrescimenti degli individui arborei si possono comunque trarre rimarchevoli informazioni sull efficacia di determinati tipi di gestione e sui complessi cambiamenti ecologici e biochimici che essi instaurano. Gli stessi autori Cantiani e Piovosi (op. cit.) che hanno studiato l effetto dei diradamenti su queste pinete sostengono che la maggior parte dei sistemi abbiano raggiunto l obbiettivo originario di ricostituzione del soprassuolo. In seguito a ciò, la scelta gestionale prioritaria, dove è ammissibile, risulta essere quella di tendere verso una progressiva rinaturalizzazione dei soprassuoli, dove con rinaturalizzazione si intende un intervento volto a favorire il ripristino dei processi naturali e l aumento della resistenza e resilienza del sistema (Ciancio et al., 2002) nonché la capacità dello stesso di autoperpetuarsi nel tempo
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