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Title: Analisi spaziali in studi di sostenibilità e conservazione di risorse agrarie e forestali
Other Titles: Spatial analysis in sustainability and conservation studies in agroforestry resources
Authors: Chiocchini, Francesca
Keywords: Ecologia del paesaggio;Isotopi stabili;GIS;Landscape genetics;Landscape ecology;Stable isotopes;AGR/10
Issue Date: 27-May-2013
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 25. ciclo
Abstract: 
La continua e rapida crescita della pressione antropica sulle risorse naturali ha causato profonde
modificazioni degli ambienti naturali. Degradazione e perdita di habitat rappresentano fenomeni così diffusi
che le implicazioni per la conservazione della diversità biologica e la sostenibilità delle risorse naturali sono
di rilievo globale. La sopravvivenza e la diffusione di molte specie, se non addirittura d’interi biomi, sono
messe seriamente a repentaglio dalla velocità di alcuni fenomeni quali il riscaldamento globale, la
deforestazione incontrollata, i cambiamenti di uso del suolo e l’antropizzazione di vaste aree del nostro
pianeta. L’assetto territoriale è sempre più riconducibile ad un mosaico di frammenti di dimensioni variabili,
relitti di ambienti naturali, degradati dall’uso non sostenibile delle risorse naturali e dai cambiamenti di
utilizzo del suolo. Molte specie, sia animali che vegetali, hanno subito estinzioni locali a causa della
frammentazione e della perdita degli habitat, mentre la loro capacità di espansione e ricolonizzazione è
ostacolata dallo scarso grado di connettività esistente tra i diversi frammenti in cui è scomposto il paesaggio.
La conservazione della biodiversità dipenderà, dunque, in larga misura dal mantenimento di reti ecologiche
funzionali e dalla capacità specifica di adattamento in habitat frammentati e antropizzati. Azioni mirate alla
sostenibilità e la conservazione di risorse agrarie e forestali sono necessarie per arrestare la perdita di
biodiversità e ripristinare le connessioni tra habitat. La necessità di comprendere le complesse interazioni tra
le componenti biologiche, fisiche e socio-culturali che hanno prodotto l’attuale assetto paesaggistico, ha
stimolato lo sviluppo di metodiche di studio interdisciplinari e transdisciplinari, che considerano il
paesaggio, e tutte le variabili ad esso associate, quale elemento d’analisi fondamentale. La ricerca nell'ambito
dell'ecologia del paesaggio ha migliorato la comprensione sia delle cause che delle conseguenze
dell'eterogeneità spaziale, come queste variano con la scala, arrivando ad un’effettiva influenza sulla gestione
di paesaggi più o meno naturali o dominati dall'uomo. La tecnologia GIS (Geographical Information System)
e le sue funzioni di analisi spaziale sono divenute indispensabili per indagare la natura spaziale delle
componenti biologiche, fisiche, socio-culturali ed antropiche e le loro relazioni. Sono considerate uno
strumento di analisi fondamentale in studi di sostenibilità e di conservazione delle risorse naturali.
Questa tesi di dottorato indaga le potenzialità di applicazione delle analisi spaziali attraverso la discussione
di quattro casi di studio, che affrontano i temi ampiamente dibattuti della sostenibilità e conservazione di
risorse agro-forestali, partendo da diversi presupposti e in diversi contesti ambientali. Esplora, inoltre, la
possibilità di coniugare ed integrare dati e metodi propri di diverse discipline scientifiche, quali l'ecologia e
l'ecofisiologia, la genetica di popolazioni forestali e l'analisi del paesaggio attraverso l’utilizzo della
tecnologia GIS e degli strumenti di analisi spaziale, favorendo così la connotazione interdisciplinare delle
ricerche svolte. È il risultato di un lavoro di ricerca interdisciplinare in cui sono coinvolti gruppi di lavoro
impegnati in studi di ecofisiologia vegetale, fisiologia degli isotopi stabili e genetica delle popolazioni
forestali.
Il primo caso di studio affronta il tema della conservazione e dell’uso sostenibile delle risorse naturali
amazzoniche nel territorio municipale di Moju (Parà, Brasile), dove negli ultimi decenni il progressivo
sviluppo delle attività antropiche ha contribuito alla progressiva perdita di foresta primaria. In questa regione
il processo di deforestazione, associato all’espansione dell'area urbana di Moju, alla diffusione di un’estesa
rete stradale principale e secondaria, all'espansione delle aree destinate ad attività agricole e all’allevamento
di bestiame, ha determinato un’elevata frammentazione dell’assetto paesaggistico. Sono state adottate ed
integrate diverse metodologie di studio: interpretazione di immagini satellitari e analisi spaziali per la stima
della deforestazione, l’analisi della copertura e uso del suolo di un sito sperimentale finalizzate alla stima
della capacità del sequestro di carbonio; metodi dell’ecologia del paesaggio per l’identificazione di pattern
spaziali della struttura paesaggistica; strategie per il recupero forestale. I risultati indicano un incremento
della deforestazione del 6% tra il 2001 e il 2008, ma una lieve diminuzione della velocità di deforestazione;
una perdita annua di copertura forestale pari a 90-100 km2 di territorio, con una stima di superficie
deforestata superiore al 40% del territorio municipale nel 2008. I principali pattern spaziali riscontrati nelle
immagini del 2008, eterogenei per forma e dimensioni, associati a diverse tipologie di uso del suolo,
testimoniano profonde modificazioni nell’uso del suolo nell’arco temporale 1984-2008. Le variazioni dei
valori dell’indice NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) osservati tra il 1984 e il 2008,
testimoniano i fenomeni di degrado e di frammentazione che la copertura forestale ha subito, evidenziando
l’espansione di aree antropizzate. In questa regione le dinamiche di antropizzazione sono fortemente
cresciute nel corso degli ultimi decenni lasciando il territorio in uno stato di degrado e frammentazione e
ponendo in seria crisi la funzionalità delle reti ecologiche. Sulla base di analisi della copertura e dell’uso del
suolo condotte su un sito sperimentale di 7700 ha, impiegando dati di letteratura, è stato stimato uno stock di
carbonio pari a oltre 0,65 milioni di tonnellate. Tale stock risulterebbe potenzialmente doppio in un territorio
perfettamente integro. Per far fronte a queste emergenze è stato proposto un modello per la gestione
sostenibile agro-forestale per il recupero della cosiddetta riserva legale, su scala aziendale. Una tale
conversione stimolerebbe il ripristino delle funzionalità ecosistemiche essenziali al reinsediamento della
foresta stessa e al recupero spontaneo della sua biodiversità, determinando la graduale ricomposizione degli
elementi portanti della rete ecologica locale.
Il secondo e il terzo caso di studio indagano l’origine e i processi che hanno condizionato l’attuale
distribuzione di Castanea sativa in Europa, e di Juglans regia in Asia, attraverso l’analisi spaziale della
struttura e della diversità genetica delle attuali popolazioni, in relazione alle variabili paesaggistiche e
ambientali. L’obiettivo generale è quello di applicare i principi della landscape genetics, che combina dati e
metodi di analisi propri dell’ecologia del paesaggio, delle analisi statistiche spaziali e della genetica delle
popolazioni per comprendere la struttura genetica spazialmente esplicita delle popolazioni in esame, gli
effetti della struttura e natura della matrice paesaggistica sul flusso genico e sulla variabilità genetica.
L’approccio analitico seguito corrisponde all’overlay technique che prevede di identificare i principali cluster
di popolazioni (struttura genetica), le barriere e le discontinuità genetiche, di interpolare variabili genetiche
per costruire isolinee genetiche. L’approccio, infine, è volto ad individuare le coincidenze geografiche tra
discontinuità e barriere genetiche con gli elementi salienti del paesaggio. La sperimentazione dell’overlay
technique e l’elaborazione di output cartografici rappresentativi della struttura e della diversità genetica
costituiscono, nello specifico, l’obiettivo del secondo caso di studio. Attraverso la combinazione di analisi
geostatistiche, interpolazioni del Q-membership tramite IDW o kriging (clustering surface map), e analisi
della struttura genetica, è stato possibile valutare una ben definita struttura genetica ed evidenti discontinuità
genetiche tra le 19 popolazioni europee di C. sativa esaminate. La distribuzione dei differenti pool genici,
individuati attraverso l’analisi della struttura e della diversità genetica, riflettono l’ipotetica localizzazione
dei rifugi glaciali della specie.
Il terzo caso di studio illustra l’applicazione dell’overlay technique per quantificare gli effetti della
composizione paesaggistica (espansione post glaciale, barriere fisiche e ambientali), sul flusso genico e sulla
variabilità genetica spaziale delle risorse di J. regia nell'area nativa. Il lavoro fornisce un contributo al
progetto WA.L.NET, che rappresenta la prima valutazione su larga scala delle risorse genetiche di J. regia
attualmente presenti nell’area di indigenato. Sebbene J. regia sia stata intensamente manipolata dall’uomo
nel corso degli ultimi 2000 anni, i risultati indicano che esistono tuttora diversi centri di diversità genetica
nel Caucaso e nelle regioni montuose dell’Asia centrale, dove J. regia è sopravvissuta dopo le glaciazioni
pleistoceniche. Sono state individuate evidenti discontinuità genetiche e una chiara separazione delle 39
popolazioni di noce esaminate in quattro cluster principali: il primo corrispondente ai genotipi del
Kyrgyzstan, provenienti dalle montagne del Tien Shan occidentale (Asia centrale); il secondo predominante
in Asia occidentale e centro-meridionale; il terzo costituito da individui provenienti dall’Uzbekistan centroorientale
(Nurata); infine il quarto, costituito da individui provenienti dalla Cina orientale e settentrionale
(province dello Xinjiang e Shandong). L’overlay technique suggerisce che le attuali risorse genetiche di noce
siano il risultato della combinazione di due fattori: la distanza geografica e la resistenza della matrice
paesaggistica. E’ possibile ipotizzare che la presenza di imponenti catene montuose (Himalaya, Tien Shan,
Pamir, Hindu Kush, Zagros) e la progressiva desertificazione dell’Asia centrale durante l’Olocene abbiano
causato ripetuti eventi di frammentazione e di isolamento genetico delle popolazioni di noce dopo l’ultimo
periodo di massima espansione glaciale. Inoltre, come indicato da studi palinologici, la complessità
geografica della area nativa di J. regia avrebbe favorito un molteplice insediamento di rifugi glaciali isolati,
dai quali si sarebbe avviata la differenziazione genetica delle attuali popolazioni di noce persiano.
Infine il quarto caso di studio rappresenta un contributo innovativo per lo studio della tracciabilità
dell'origine geografica di oli extra vergine di oliva, frutto della combinazione delle tecniche di analisi degli
isotopi stabili (IRMS) e di quelle di analisi spaziale della variabilità dei valori isotopici determinati. Nel
panorama della globalizzazione dei mercati le produzioni agro-alimentari di qualità rappresentano una delle
prospettive più promettenti per le aziende agricole italiane. La qualificazione del prodotto e la competitività
devono puntare a standard qualitativi elevati. L’analisi di tracciabilità della provenienza geografica degli
alimenti rappresenta una condizione importante per tutelare i prodotti ad origine controllata e protetta (DOP,
IGP, prodotti biologici), ai quali il consumatore è disposto ad accordare un valore aggiunto, e per garantirne
la sicurezza. I recenti progressi nella spettrometria di massa isotopica, accoppiata all’analisi elementare ed
alla pirolisi, consentono la misura dei rapporti isotopici di vari elementi leggeri e l’identificazione
dell’origine geografica di prodotti agroalimentari quali l’olio extravergine di oliva. La combinazione delle
tecniche di analisi degli isotopi stabili e le analisi spaziali dei valori isotopici delta-18-O e delta-13-C, hanno consentito
di rappresentare la variabilità spaziale della composizione isotopica di 122 campioni di oli di oliva italiani
(Lombardia, Liguria, Toscana, Lazio, Molise, Puglia, Calabria, Sicilia e Sardegna). Si tratta del primo
tentativo noto di integrare analisi isoscapes in studi di tracciabilità degli oli di oliva. I risultati raggiunti
indicano una suddivisione dei campioni esaminati in quattro aree geografiche distinte: nord, Tirreno centromeridionale,
Adriatico centro-meridionale e isole. Questa suddivisione dipende principalmente dalla
variabilità geografica delle condizioni climatiche nell’areale mediterraneo. La visualizzazione di regioni
omogenee, sulla base dell’interpolazione spaziale, fornisce di fatto una zonazione delle firme isotopiche
attese a garanzia della provenienza di un olio extra-vergine. La metodologia appare promettente nel definire
un protocollo di analisi di dati georeferenziati, con il fine della lotta a frodi ed adulterazioni nel settore
agroalimentare.

Rapid growth of human pressure on natural resources has led profound changes in the natural environment.
Destruction and degradation of natural habitats are widespread and profound and their implications for the
conservation of biological diversity and the sustainability of natural resources are of global significance.
Survival and spread of many species, and even of entire biomes, are seriously at risk for the rapidity of
global warming, deforestation, land use changes and human activities.
Remnants of the natural environment increasingly occur as a mosaic of large and small patches, survivors of
environments that have been carved up to develop new forms of productive land use for humans.
Many species have suffered local extinctions due to fragmentation and loss of natural habitats, while their
ability to expand and re-colonize is hampered by the low degree of connectivity between the landscape
fragments. Biodiversity conservation depends, therefore, by the maintenance of functional ecological
networks and by the specific capacity of adaptation in fragmented habitats. Initiatives aimed at sustainability
and agricultural and forestry resources preservation are needed to slow down biodiversity loss and to restore
habitat connectivity.
The need to understand the complex interactions between biological, physical and socio-cultural components
that have produced the current landscape, has stimulated the development of interdisciplinary methods,
which consider the landscape, and all the variables associated with it, as a fundamental element of analysis.
Research in the field of landscape ecology has improved understanding of both the causes and the
consequences of spatial heterogeneity, and how these vary with scale, coming to an effective influence on
management of both natural and man-shaped landscapes. GIS spatial analysis functions are now essential to
investigate the spatial nature of biological, physical and anthropic landscape components and their
relationships. These are the tools of the trade of fundamental analysis in studies of sustainability and
conservation of natural resources.
The aim of this thesis was to investigate the potential application of spatial analysis in four case studies,
exploring the possibility to integrate data and methods from various disciplines, such as ecology and
ecophysiology, population genetics and landscape analysis through the use of GIS spatial analysis tools. The
thesis is the result of an interdisciplinary research involving working groups in plant eco-physiology,
physiology of stable isotopes and population genetics.
The first case study focuses on the conservation and sustainability of Amazonian natural resources in the
municipality of Moju (Pará, Brazil), where a fast development of human activity caused rapid deforestation
in the last decades. Deforestation is associated to various determinants: the expansion of the urban area of
Moju; the spread of an extensive primary and secondary road network; the expansion of cropland, palm oil
plantations and cattle ranching. As a whole, it results in high fragmentation of primary forest in this area.
Several techniques have been adopted and integrated: remote sensing and spatial analysis to estimate
deforestation; land cover and land use analysis to estimate carbon sequestration capability of a sample site;
landscape ecology methods for the identification of spatial patterns of landscape structure; strategies for
forest restoration.
Results show an increase in deforestation by 6% between 2001 and 2008, but a slight decrease in
deforestation rate, annual forest loss amounting to 90-100 km2, with a deforested area greater than 40% of
the municipal area in 2008.
Main spatial patterns, observed in year 2008 images, of different shape and size, witness profound changes in
land use through 1984-2008. Variation of NDVI values (Normalized Difference Vegetation Index) observed
between 1984 and 2008, shows forest degradation and fragmentation highlighting the expansion of inhabited
areas.
In Moju region human activity has grown strongly over the past few decades, leaving the country in a state
of degradation and fragmentation, thus putting in serious crisis the ecological network functionality. Land
cover and land use analysis on a 7700ha sample site, complemented with data from the literature, estimate a
carbon stock amounting to 0.65 million tons. This stock would potentially double in an intact territory.
A recovery and conversion model has been proposed to cope with these emergencies, according to the socalled
legal reserve (federal Brasilian law for the recovery of secondary forests), on an enterprise scale. Such
a conversion would stimulate the restoration of ecosystem functions essential to the resettlement of the forest
itself and the spontaneous recovery of its biodiversity, resulting in the gradual consolidation of the local
ecological network.
The second and the third case study investigate the origin and the processes that have affected the current
distribution of Castanea sativa in Europe, and Juglans regia in Asia, through the analysis of the spatial
structure and genetic diversity of existing populations, in relation to landscape and environmental variables.
The aim is to apply landscape genetics, combining data and methods of landscape ecology and population
genetics to understand the spatial genetic structure of populations and the effects of the landscape matrix on
gene flow and genetic variability.
The overlay technique, identifies the main clusters of populations (genetic structure), barriers and genetic
discontinuities, and interpolates genetic variables to construct genetic isolines, allowing the identification of
coincidences between topographical discontinuity and genetic barriers.
The testing of the overlay technique and the processing of cartographic output are, specifically, the aim of the
second case study. The combination of geostatistical analysis (interpolation of the Q-membership by IDW or
kriging) and genetic structure analysis, outputs a well-defined genetic structure and apparent genetic
discontinuity between the 19 European populations of C. sativa examined. The distribution of different gene
pools, identified through analysis of genetic structure and diversity, reflects the hypothetical location of
glacial refugia of the species.
The third case study illustrates the application of the overlay technique to quantify the effects of landscape
composition (post-glacial expansion, environmental and physical barriers), on gene flow and genetic
variability of spatial resources of J. regia in the native range. This work provides a contribution to the project
WA.L.NET, which represents the first large-scale evaluation of genetic resources of J. regia currently in the
indigenous area. Although J. regia has been intensively manipulated by humans over the last 2000 years, the
results indicate that multiple centers of genetic diversity still exist in the Caucasus and in the mountainous
regions of Central Asia, where J. regia survived after the Pleistocene glaciations.
Genetic discontinuity and clear separation of the 39 walnut populations in four main clusters have been
identified: the first one corresponding to the genotypes of Kyrgyzstan, from the mountains of western Tien
Shan (Central Asia), the second predominant in western and south-central Asia, the third consists of
individuals from east-central Uzbekistan (Nurata), the fourth consisting of individuals from the eastern and
northern China (Xinjiang and Shandong provinces). The overlay technique suggests that current walnut
genetic resources are the result of the combination of two factors: the geographical distance and the
landscape resistance. It is possible to hypothesize that the presence of high mountain ranges (Himalaya, Tien
Shan, Pamir, Hindu Kush, Zagros) and the progressive desertification of Central Asia during the Holocene
have caused repeated events of fragmentation and genetic isolation of walnut populations after the LGM.
Furthermore, as indicated by palynological studies, the complexity of the geographical area of native J. regia
would have favored multiple glacial refugia, from which the genetic differentiation of the current populations
of Persian walnut started.
Finally, the fourth case study is an innovative contribution to traceability study of the geographical origin of
extra virgin olive oil, resulting from combining stable isotope analysis techniques (IRMS) and spatial
analysis of the variability of such isotopic values.
In view of the globalization of markets, the agro-food quality is one of the most promising prospects for
Italian farming. The product qualification and competitiveness must point to a high standard. The traceability
analysis of the geographical origin of food is an important condition to protect the products and origin (PDO,
PGI, organic products), to which the consumer is inclined to provide an added value, and to ensure their
safety. Recent advances in isotope ratio mass spectrometry, coupled with elemental analysis and pyrolysis,
allow the measurement of the isotopic ratios of light elements and the identification of the geographical
origin of extra virgin olive oil. The combination of stable isotope techniques and spatial analyses of delta-18-O and
delta-13-C isotopic values made possible to represent the spatial variability of the isotopic composition of 122
samples of Italian olive oil (Lombardia, Liguria, Toscana, Lazio, Molise, Puglia, Calabria, Sicilia and
Sardegna).
This is the first known attempt of integration of isoscapes analysis in traceability studies of olive oils. The
results indicate a splitting of the samples in four distinct areas: north, south-central Tyrrhenian, south-central
Adriatic and islands. This division mainly depends on the geographical variability of climatic conditions in
the Mediterranean basin. Homogeneous regions, based on spatial interpolation, provide a zonation of the
expected isotopic signatures, which can be used to guarantee the origin of an extra virgin olive oil. The
method appears promising in defining a protocol analysis of georeferenced data, with the aim of contrasting
fraud and adulteration in the food industry.
Description: 
Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale
URI: http://hdl.handle.net/2067/2710
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