Responsabile


Napoli Rosario
rosario.napoli@entecra.it

Staff

Cibella Roberto
rcibella.foreste@regione.sicilia.it
Marchetti Marco
marchettimarco@unimol.it
Oradini Arturo
oradini@rdmprogetti.it
Paolanti Massimo
choros@tin.it

Cambiamenti climatici e sequestro di carbonio

Sistemi colturali e modellistica agroambientale

Studio delle relazioni tra vegetazione e contenuto di carbonio organico dei suoli forestali della Regione Sicilia - CARBFORSIC

Coordinatore: CRA-RPS. http://rps.entecra.it

Finanziatore: RDM Progetti s.r.l. Firenze. http://www.rdmprogetti.it

Date: 01/03/2010 to 28/02/2011

La ricerca che si propone ha come scopo generale la caratterizzazione dei rapporti tra tipologia di vegetazione forestale e contenuto di carbonio organico dei suoli, nell’area pilota della Regione Sicilia. Tale proposta nasce dall’esigenza di approfondire il livello di conoscenza in questo settore, al momento fondamentale nell’ambito degli studi iniziati dal nostro Centro di Ricerca, aventi per oggetto appunto le relazioni suolo-pianta.

Inquadramento
Il suolo riveste un’enorme importanza nel ciclo globale del carbonio in quanto rappresenta il maggiore serbatoio terrestre di carbonio (C). Nel suolo coesistono contemporaneamente due processi opposti: la cattura ed il rilascio di carbonio. Riuscire a delineare il suo ruolo è un compito arduo a causa del fatto che il C nel suolo è in uno stato di continuo equilibrio dinamico, dove agiscono input e output di varia natura. Il tasso di accumulo di carbonio nel suolo, per esempio, viene direttamente influenzato dal tipo di uso e copertura del suolo e dalle pratiche di gestione dei sistemi agroforestali. Inoltre, le stime a scala planetaria, nazionale e locale della quantità di C nel pool suolo sono caratterizzate da un considerevole livello d'incertezza, dovuto principalmente a un'ampia variabilità di dati e di informazioni disponibili. In quest’ottica, l’obiettivo del presente lavoro è la definizione di un metodo per la stima dello stock di carbonio nei suoli forestali della Sicilia, in base ai dati rilevati nell’ambito dell’Inventario Forestale della Regione Siciliana (IF-RS) , ed analizzati dal CRA-RPS, e ai dati pedologici della base dati nazionale CRA.

Obiettivi
Gli obiettivi del progetto sono quelli di arrivare, attraverso una fase di determinazione analitica del contenuto in carbonio organico e densità apparente dei suoli forestali determinato nei punti dell’IF-RS, ai seguenti risultati:
1. Aggancio delle nuove determinazioni al database dei suoli della regione Sicilia;
2. Recupero informazioni pregresse pedologiche nelle aree forestali;
3. Prima valutazione statistica e geostatistica della distribuzione del Corg in relazione alla Cartografia delle Tipologie Forestali ed al database dei tipi forestali Fornito dalla Regione Sicilia – Settore Foreste;
4. Elaborazione di un modello relazionale tra tipi forestali e classi di Corg su base geografica e spazializzazione dei contenuti di Corg su base di unità di paesaggio forestale per tutta la Regione.

Piano delle attività
Prendendo spunto dalla necessità dell’Ente finanziatore R.D.M. Progetti S.r.l. di avere una caratterizzazione di tale parametro biochimico all’interno del programma di Inventario Forestale della Regione Sicilia, si è applicata la seguente organizzazione tecnico-scientifica delle attività:
Fase 1. Configurazione dei metodi di raccolta campioni e descrizione dei siti presenti nel programma Inventario Forestale Regione Sicilia (IF-RS). Studio e progettazione delle metodologie di aggancio dell’informazione proveniente dai punti campionari con la base dati nazionale dei suoli per aggancio ai profili-capisaldo;
Fase 2. Raccolta dei campioni di suolo e dati accessori provenienti dai 350 punti previsti come riferimento dell’IF-RS e delle informazioni sulle tipologie di vegetazione esistente descritte;
Fase 3. Determinazione analitica del Contenuto di Carbonio Organico totale secondo il metodo di Walkley & Black, 1994 (Metodo VII.3 - Metodi Ufficiali di Analisi Chimica del Suolo MIPAAF) in prima tranche per 350 campioni ed elaborazione dei risultati;
Fase 4. Determinazione analitica con stesso metodo del punto precedente 3, di altre due serie complete, per un totale di 700 determinazioni, ai fini di comparazione e controllo di qualità del dato su una serie statisticamente valida (3 dati per ogni campione). Determinazione del dato medio e degli indici di variabilità
Fase 5. Elaborazione dei dati e studio a) della variabilità spaziale in funzione del tipo di vegetazione e b) della variabilità infragruppo vegetazionale. Sono in via di identificazione ulteriori fattori di influenza di tale variabilità, in particolare riferiti all’andamento climatico e pedoclimatico.

Risultati Materiali e metodi
Le informazioni puntuali dell’IF-RS (campionamento di terza fase) consistono in 110 siti, ognuno dei quali è derivato da 3 campionamenti in piazzole di campionamento rispettivamente a N, SW, ed E rispetto al punto centrale di inventario (INFC 2005, 2006, Gasparini et alii, 2010). Per ciascuno di questi sia per il topsoil, tra 0 e 10 cm, che per il subsoil, tra 10 e 40 cm, sono stati misurati la massa volumica apparente (DA) con il metodo del cilindro a volume noto, e il carbonio organico (CO) Walkley & Black,1994 (Metodo VII.3 - Metodi Ufficiali di Analisi Chimica del Suolo MIPAAF). Dalla base dati nazionale del CRA sono stati selezionati 476 profili utili (con dati analitici di carbonio organico), tra gli oltre 800 ricadenti nelle aree forestali della regione da vari rilevamenti (Costantini E.A.C e .Perciabosco M., comunicazione personale). La cartografia tematica forestale utilizzata come base di riferimento è quella dei Tipi Forestali in scala 1:10.000 prodotta dal Comando del Corpo Forestale della Regione Siciliana (in stampa).
Gli 806 campioni, provenendo da due fonti diverse, sono stati resi omogenei e normalizzati per l’analisi geografica. In particolare, poiché i campioni dell’ IF-RS sono stati prelevati alle profondità 0-10 e 10-40 cm, i dati di CO del database DB CRA sono stati normalizzati alle stesse profondità, riferendosi all’orizzonte superficiale ed a quello profondo. Per i dati dei Profili pedologici (BD CRA) la densità apparente è stata calcolata secondo le pedofunzioni di Hollis (Hollis & Woods, 1989) per ciascun tipo di orizzonte. Il contenuto di OC di ogni campione si ottiene dal prodotto, effettuato da ciascun orizzonte, tra il quantitativo ponderale di carbonio e la densità apparente, sottraendo il volume occupato dallo scheletro:

dove Sp è lo spessore, considerato rispettivamente 10 cm per il topsoil e 30 cm per il subsoil. Per il 3% dei c ampioni è disponibile solo il dato relativo al topsoil.

Analisi statistica descrittiva preliminare
I dati resi omogenei sono stati accorpati e ne è stata verificata la qualità tramite un’analisi statistica descrittiva preliminare, condotta separatamente sul CO nel topsoil e il CO nel subsoil, quindi sul CO totale.
Il numero di campioni sottoposti ad analisi statistica si è ridotto a 778, poiché in alcuni siti non è disponibile il dato relativo al C; inoltre, come già detto, vi è una piccola parte dei siti in cui si ha solo il dato relativo al topsoil. Le distribuzioni di frequenza relative alle 3 variabili (tabella 1), come si pu? vedere sia dagli istogrammi sia dai valori di Skewness e Kurtosis, risultano sbilanciate verso i valori più alti, per cui si è ritenuto di procedere alla normalizzazione tramite trasformazione logaritmica (figura 1).

Tabella 1. Statistiche di base relative al carbonio organico nel topsoil, nel subsoil e sul totale a 40 cm.



Figura 1. Istogrammi di funzione di densità: a) in scala numerica normale; b) in scala logaritmica. La linea blu indica l'andamento della distribuzione reale, mentre quella rossa rappresenta la distribuzione normale

Il boxplot (figura 2), che mostra la variabilità del contenuto di CO a 40 cm per ciascuna categoria forestale, evidenzia come alcune classi presentino una variabilità elevata al loro interno, mentre altre mostrano una maggiore uniformità.
L'analisi della varianza consente di valutare quantitativamente l’importanza delle diverse fonti di variazione nella variabilità osservata; in questo caso è stata applicata per capire se la variabilità del contenuto in carbonio organico sia influenzata dai diversi fattori (in questo caso inventario, gestione, categoria e tipologia) oppure casuale. Nel primo caso è lecito assumere che il contenuto in SOC sia lo stesso per uno stesso livello di ciascun fattore significativo. Di conseguenza è possibile assegnare tale contenuto alle unità cartografiche (poligoni) della carta dei tipi forestali.
Sui nostri dati l’analisi della varianza è stata effettuata tramite modello lineare generalizzato (General Linear Model - GLM) con modello fattoriale completo, ovvero contenente tutti gli effetti marginali e tutte le interazioni possibili.
La procedura GLM permette di verificare l’ipotesi nulla circa l’effetto dei diversi fattori sulla variabile dipendente: la verifica viene fatta sia sui singoli fattori sia sulle loro interazioni. Se il risultato del test è statisticamente significativo vuol dire che almeno una media risulta essere diversa dalle altre. Il metodo utilizzato per il confronto è la somma dei quadrati di tipo IV, più adatta in caso di dati mancanti. Dopo aver determinato l'esistenza di differenze significative tra le medie, i test post hoc e i confronti a coppie multipli consentono di determinare quale media differisce dalle altre. Tale test non è stato effettuato sul fattore COD_CAT perché una delle categorie conta meno di 2 casi.


Figura 2. Boxplot della variabilità del contenuto in SOC per categoria forestale.

Per quanto riguarda il carbonio nel topsoil, i fattori che singolarmente risultano significativi sono il COD_CAT e COD_GEST, ed è significativa anche la loro interazione. Nel subsoil il fattore che singolarmente risulta significativo è la CL_INV, e come interazione è significativa quella tra COD_CAT e COD_GEST. Il test post hoc di Tukey ci permette di stabilire che per CL_INV la classe che differisce dalle altre è la 31c. Il risultato relativo al carbonio totale ricalca perfettamente quello relativo al subsoil.
Per la cartografia si è passati ad un livello di maggiore dettaglio: da ciascuna tipologia forestale è stato estratto il valore mediano, e l’insieme di questi valori è stato riportato sul layer vettoriale della carta dell’inventario forestale in modo da rappresentare spazialmente la variabilità del CO in relazione alle singole tipologie. Sulla base della cartografia dei tipi forestali della Regione Sicilia in scala 1:10.000, sono stati quindi raggruppati ed attribuiti tutti profili e pozzetti per codice di tipologia forestale con un join spaziale, secondo i 60 tipi previsti in legenda (appendice 1).
Per 15 classi di tipo forestale non è stato possibile ottenere un dato per mancanza di profili pedologici ricadenti in tali aree.


Figura 3. Esempio Assegnazione Geografica: Area del Parco dei Nebrodi: Pozzetto IF-RS su tipologia CE2 (Cerreta Montana) e 3 profili corrispondenti allo stesso ambiente nelle vicinanze geografiche; b) cartografia con assegnazione alla classe di tipologia forestale poligonale per analisi statistica.

Discussione e Primi Risultati
L’analisi statistica sui campioni mostra una distribuzione abbastanza omogenea tra campioni di profili pedologici della base dati nazionale CRA ed i pozzetti dell’IFRS, sia nei valori di sub campione (10-30 cm) che nei valori normalizzati sull’intero spessore considerato (40 cm), mentre è disomogenea per i campioni superficiali (0-10 cm), con dei valori di carbonio organico nei primi centimetri dei profili tradizionali tendenzialmente minori. Questa discrepanza dimostra come i metodi di rilevamento dei suoli “tradizionali”, in aree forestali tendano a utilizzare aree parzialmente prive di vegetazione arborea (zone di radura) e/o tagli stradali e/o scarpate naturali, tutti punti che hanno un disturbo superficiale che influisce negativamente nella determinazione del carbonio organico nella parte più superficiale del suolo. La cartografia finale realizzata degli stock di carbonio nel suolo sulla base della carta dei tipi forestali è riportata in figura 4.


Figura 4. Cartografia dello stock di carbonio organico (Mg/ha) come valore mediano della parte superficiale del suolo (40 cm) per i tipi forestali della regione Sicilia

La stima degli stock di carbonio organico (Mg) per superficie (ha) nei primi 40 cm di suolo, con cui è stata tematizzata la cartografia dei Tipi Forestali in figura 3, è riportata nel grafico di figura 4. In tale grafico, ordinato secondo valori decrescenti del totale (0-40) e subordinatemente dei primi 10 e secondi 30 cm, si pu? notare come le faggete (mesoxerofila calcifila -FA4 e su lave dell’Etna - FA2) abbiano i valori più alti (162-140 Mg/ha rispettivamente), mentre i valori più bassi sono rappresentati dalle formazioni a tamerici ed oleandro (FR4, 16,5 Mg/ha), dalle pinete pioniere di pino laricio (PL2, 26,2 Mg/ha) e dagli impianti di arboricoltura da legno (21, 26,6 Mg/ha).


Figura 5. Grafico di distribuzione per tipo forestale degli stock di carbonio organico in Mg/ha per la parte superficiale dei primi 10 cm (Mtop_Mg/ha), per la profondità 10-40 cm (Msub_Mg/ha) e per il valore pesato totale da 0 a 40 cm (Mtot_Mg/ha).

Dati cumulati
Sulla base di questa prima analisi risulta uno stock totale per la regione Sicilia di circa 39.423.000 tonnellate (Mg), considerando la profondità di 40 cm ed una estensione della parte forestale (compresi i prati, pascoli, incolti, impianti di arboricoltura ed aree temporaneamente prive di copertura forestale per il 35% dell’intero territorio siciliano.
La distribuzione degli stock nel suolo per le classi forestali in Mg è riportata il figura 5.
Si può notare da questi primi risultati sulla distribuzione di SOC come ci sia una estrema variabilità di valori cumulati, che spaziano dai valori minimi di 3-500 Mg per le faggete mesoxerofile (poco estese nonostante gli alti valori per ha) e quercete di rovere, fino ai massimi di 1.716.000 Mg dei querceti termofili e 2.435.500 dei Querceti di roverella dei substrati silicatici. Naturalmente il dato va letto in relazione alla consistenza dell’informazione pedologica utilizzata (rapporto tra densità di campioni con cui è stata eseguita l’analisi ed area totale). Dal grafico è stato infine omesso il dato relativo alle classi di prati, pascoli ed incolti (321), che in base alla loro grande estensione (15% di superficie su totale della regione), hanno un dato cumulato fuori scala corrispondente a circa 20.820.000 Mg.

Figura 6. Distribuzione stock cumulati (Mg) di SOC per i tipi forestali della regione Sicilia. Sono stati omessi i valori della classe 321 – prati, pascoli ed incolti

Sviluppi futuri
I valori di carbonio organico stoccati nel suolo rappresentano un dato interessante ma sicuramente parziale in funzione della valutazione della capacità dei vari tipi di foreste di costituire un serbatoio di carbonio. Per arrivare a quest’ultimo tipo di valutazione è infatti necessario prendere in considerazione gli aspetti dinamici legati al turnover del carbonio nel suolo, per arrivare a determinare il Coefficiente di stoccaggio di carbonio nel suolo (Cstock); bisogna quindi avere una cognizione precisa del bilancio nel rapporto tra apporti di biomassa al suolo (Ab) e mineralizzazione nel tempo (indice di mineralizzazione k nel tempo Δ), secondo la seguente funzione generale nello stato di equilibrio (Magdoff and Weil, 2004):

Lo sviluppo ulteriore dello studio prevede quindi di considerare: a) gli apporti di biomassa medi annui e/o mensili (dati in via di sviluppo nell’ambito delle attività integrative dell’IF-RS), e b) gli indicatori di attività microbiologica di I livello (Benedetti e Mocali, 2008), ed in particolare l’indice di mineralizzazione k, inteso come il rapporto tra valore di respirazione basale (Qbas) nel lungo termine ed il contenuto totale di carbonio organico (Ctot). Tale indice potrà fornire una più chiara valutazione circa la stabilità e/o labilità del carbonio stoccato nel tempo, a parità di quantità presente nel suolo, in dipendenza con il tipo e l’attività della fauna microbica.
Inoltre saranno oggetto di studio in maniera più approfondita:
a) le relazioni tra i caratteri chimici, fisici ed idrologici del suolo e lo sviluppo ed attività di decomposizione e mineralizzazione del carbonio stoccato;
b) Introdurre attraverso strumenti di indagine adeguati, quali l’analisi multifattoriale (MFA) sulla variabilità sulla base della gestione forestale presente all’interno di ogni tipologia forestale;
c) indagine sulla correlazione con altri fattori tematici (derivati da Modello numerico del terreno, indici climatici, pedoclimatici, di parent material, etc.) per correzione della spazializzazione geografica con tecniche di digital mapping

Allegati:

1_ALLEGATO_Napoli_et_alii_SoilWorldDay2010.pdf

Pubblicazioni chiave

Napoli R., Marchetti A., Marchetti M., Riccioni F., Rivieccio R., Piccini C., Oradini A.,Paolanti M., Cibella R., (2011). Relazione tra vegetazione e contenuto di carbonio organico dei suoli nell’ambiente forestale della Sicilia: valutazione e stima degli stock sulla base della variabilità pedologica. In:. Atti del Workshop “La Percezione del suolo”, a cura di C.Dazzi, Edizioni Le Penseur, 197-201.