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Tamarix trees are considered of particular interest for afforestation and reforestation of degraded areas, because they were noticed to establish and grow well in wide spectrum of edaphic, contrasting, and extreme environmental conditions. A better understanding of the functional mechanisms enabling Tamarix to adapt to extreme conditions is important, for a more insightful selection of the best ones, intended to be used for biomass production and conservation purposes in arid zones. For this scope, two trials of short period were conducted in semi-controlled conditions, during which two species of Tamarix (T. aphylla and T. jordanis) collected from Negev desert were exposed to salt, drought and combined stress. The first trial was executed at mild level of stress: salt (150mM), drought (50 % F.C.); the second trial was more severe: salt (350mM), drought (30% F.C.). Physiological and biochemical responses and growth were studied regularly during the experiments. The results of the experiments, showed the highest tolerance of T. jordanis to salt stress up to 350 mM. The maintenance of high amount of carbohydrates, high capacity of carbon assimilation, and active growth could be considered as potential and early markers for salt tolerance of Tamarix spp. On the other hand, the growth and biomass displayed highest performance of T. aphylla than T. jordanis in mild dry conditions. The highest accumulation of sugar and the highest relative water content in T. aphylla were suggested among their acclimatory mechanisms under mild drought (50% F.C.). Combined stress was shown to be additive in lowering performance of plants relative to salt and drought stress applied alone. Proline accumulation in both species was suggested to be a storage form of nitrogen for use under combined stress, rather than a principal osmoregulator. Given the high productivity of some Tamarix spp. cultivated in arid and degraded lands (Eshel et al., 2010), it was also investigated the possible use of Tamarix biomass for bioethanol production, in the second step of our study. Several samples were collected from different natural and experimental plantations in Mediterranean area. Differences in ligncoelulose matrix among different locations, age, and species were evaluated. The results showed that the growing sites had significant effect on structural sugars content with no apparent significant influence on lignin. There were no significant variations in structural sugars and lignin between different species and ages. Despite the limited number of samples, the results, in general, have shown a good quality of lignocellulosic biomass of tamarisk for the production of bioethanol. The content of hexose and pentose sugars found in the samples analyzed was highly comparable to other species already used in the production of biofuels such as eucalyptus (43-45% cellulose). However, some obstacles from presence of ash and extractives in high amount should be taken into account, and better understanding of cultural practices effect on these substances is essential prior to any process of sugar conversion to ethanol. Le tamarix sono considerate di particolare interesse per la forestazione ed afforestazione di aree aride e salinizzate. Sono specie che si distribuiscono su un ampio areale e quindi in grado di vivere e crescere in ambineti diversi, estremi e contrastanti tra loro. Una migliore conoscenza dei meccanismi funzionali che regolano la risposta adattativa a condizioni limitanti, (aridità e salinità) in Tamarix spp., è importante per individuare degli indici funzionali precosi, utili a selezionare specie idonee per rimboschimenti di ambienti marginali a fini conservativi e produttivi. A tal fine, sono stati condotti due esperimenti shock di breve durata, in cui due specie di tamerici, provenienti dal deserto del Negev (T. aphylla and T. jordanis), sono state sottoposte a stress salino, idrico e alla combinazione dei due stress (salino+ idrico). In un primo esperimento le piante sono state sottoposte ad un medio livello di stress: 150mM di NaCl e 50% della capacità idrica di campo (F.C.). In un secondo esperimento i livelli di stress sono stati aumentati fino a raggiungere i 350 mM per lo stress salino e il 30% della capacità idrica di campo per lo stress idrico. I principali parametri fisiologici, biochimici e di crescita sono stati rilevati regolarmente durante i periodi di stress. I risultati, in entrambi gli esperimenti, hanno mostrato una maggiore tolleranza alla salinità in T. jordanis che si evidenzia maggiormente a concentrazioni saline elevate (350 mM). Il mantenimento di elevate quantità di carboidrati, di un‘elevata capacità assimilativa, e di un buon accrescimento in condizioni di salinità, potrebbe indicare un adattamento allo stress. Tali parametri possono, per questo motivo, essere considerati dei marcatori potenziali e precoci per la tolleranza allo stress salino in Tamarix spp. Al contrario, in condizioni di stress idrico, T. aphylla ha mostrato un tasso di crescita e produzione di biomassa significativamente più elevate della T. jordanis. Inoltre, in condizioni di stress idrico medio, è stato osservato un maggior accumulo degli zuccheri solubili e un più alto contenuto idrico fogliare (relative water content) a sottolineare, in correlazione con la maggiore produttività, una più elevata tolleranza all‘aridità in T. aphylla rispetto alla T. jordanis. La combinazione dei due stress ha mostrato un effetto additivo negativo su entrambe le specie. In condizioni di stress combinato il contenuto di prolina è risultato elevato. Dai calcoli eseguiti, il contributo della prolina sul potenziale osmotico fu comunque troppo basso per far considerare la prolina uno dei principali soluti, che può consentire alla pianta di tollerare lo stress salino v attraverso una regolazione osmotica. I risultati ottenuti in questa ricerca ci fanno ipotizzare una funzione della prolina di osmoprotettore e forma di accumulo di azoto e carbonio da usare in condizioni di stress successive. Vista l‘elevata e rapida produttività di alcune specie di Tamarix coltivate in ambienti aridi e salini ( Eshel et al., 2010), in una seconda fase di questo studio è stata investigata la possibilità di usare la biomassa legnosa delle Tamarix per la produzione di biocarburanti di seconda generazione come il bioethanolo. Una serie di campioni legnosi furono collezionati nella regione arida mediterranea, in differenti siti naturali e piantagioni arboree. E‘ stata valutata la variabilità della matrice lignocellulosica tra specie, provenienze, e in base all‘età e alle caratteristiche pedoclimatiche del sito. Dei risultati, si è evidenziato un significativo effetto dei siti di collezionamento sul contenuto degli zuccheri strutturali senza un apparente influenza significativa sulla lignina. Non si sono evidenziate variazioni importanti tra le differenti specie e l‘età. Nonostante il limitato numero di campioni analizzati, i risultati, in generale, hanno mostrato una buona qualità della biomassa lignocellulosica delle tamerici per la produzione di bioethanolo. Il contenuto di esosi e pentosi riscontrato nei campioni analizzati è risultato altamente paragonabile ad altre specie arboree già impiegate nella produzione di biocarburanti come l‘eucalipto (43-45% di cellulosa). Tuttavia le Tamarix hanno mostrato un contenuto in ceneri e estrattivi elevati, cosa che potrebbe causare alcuni problemi nei processi di trasformazione da biomassa a bioetanolo. Si auspica un approfondimento di tali studi sia nella valutazione del contenuto in zuccheri strutturali sia dei contenuti in ceneri ed estrattivi su un numero più elevato di campioni. Inoltre implementare la conoscenza dei possibili effetti delle diverse pratiche colturali, sulla biomassa lignocellulosica delle tamarix in ambienti estremi, è fondamentale al fine di valutare qualsiasi processo di conversione degli zuccheri a bioetanolo. Dottorato di ricerca in Ecologia forestale

In questa tesi viene presentata una nuova metodologia per lo studio dell’erosione eolica. In particolare l’attenzione è focalizzata sullo sviluppo di uno strumento per la misura di flussi di particolato minerale a seguito di erosione. Lo strumento, ottimizzato per misurare in condizioni di intesa emissione, è stato progettato con lo scopo di fornire uno strumento di riferimento per la validazione di modelli di erosione eolica. Lo strumento, chiamato EOLO e basato sulla teoria dell’eddy covariance, fa uso di un anemometro sonico e di un contatore ottico di particolato, dando in uscita i flussi di particolato, in termini di numero, superficie, volume e massa. EOLO è stato utilizzato per la prima volta in due campagne di monitoraggio nella Cina Settentrionale, nell’ambito del progetto WinDust. I risultati presentati riguardano i dati di emissione durante una tempesta di sabbia verificatasi nel deserto del Gobi. Questi dati sono stati utilizzati per valutare la dipendenza delle emissioni da alcuni parametri chiave, quali la velocità di frizione, la direzione del vento rispetto alla vegetazione e l’umidità. Gli stessi dati sono stati utilizzati per la valutazione critica di un modello di erosione eolica, contribuendo ad evidenziarne le potenzialità descrittive e i punti deboli nella schematizzazione della fisica del problema. EOLO è stato poi utilizzato per stimare la riduzione delle emissioni a seguito di interventi di mitigazione, quali riforestazione con semina da aereo in aree desertiche e l’implementazione di tecniche di agricoltura conservativa. I primi risultati delineando riduzioni che vanno dal 40% nel caso dell’agricoltura conservativa fino a 99% nel caso della semina da aereo. Linee di sviluppo future riguardano soprattutto l’ottimizzazione del sistema in termini di qualità del campionamento e degli errori di misura, nonché l’estensione allo studio dei flussi di particolato di origine non eolica. In this thesis we address a new methodology for studying wind erosion, with particular reference to the development of a new instrumentation for measuring dust emissions. The instrumentation, called EOLO and based on the eddy covariance approach, was optimized for measuring vertical fluxes of mineral dust during intense erosion events and specifically designed to serve as a model validation tool. The system makes use of a 3D sonic anemometer and of an optical particle counter and provides size-segregated number fluxes on a 30-minutes base. Surface, volume and mass fluxes are also estimated. EOLO was firstly applied in two monitoring campaigns in Northern China, in the framework of the WinDust project. It has been used to evaluate emission fluxes during a dust storm in the Gobi desert, and to investigate the relation between such fluxes and friction velocity. The effects of natural vegetation on the emissions during this event is addressed and analyzed; results are also compared with simulations from a wind erosion model. Although limited by the number of events recorded, results obtained provide useful information to parameterize the emission process during both dust storms and intense emission events. EOLO has been also used to evaluate the potentialities of emission reduction of mitigation interventions, such as large scale, air-sowing reforestation and field scale implementations of conservative agricultural practice. First results show that reductions can vary from 40% in the case of conservative agriculture, to 99% in the case of air-sowing. However, further research is needed to assess the quality of the measurements, to quantify biases and uncertainties related to the measuring chain and to strengthen reliability of results. Dottorato di ricerca in Ecologia forestale

La desertificazione mostra i suoi effetti più critici negli ecosistemi di transizione che dalle regioni aride della terra transitano verso le regioni temperate. L’obiettivo principale della tesi è quello di individuare sotto quali condizioni è possibile stabilizzare la “steppa desertica” e in quale modo l’uomo, attraverso le sue scelte di gestione, può condizionare questo delicato equilibrio. La steppa desertica insieme al deserto sono due condizioni di equilibrio dell’ecosistema di transizione della regione dell’Alashan, nella provincia autonoma dell’Inner Mongolia (Cina). Per studiare il fenomeno di transizione che si manifesta nella regione dell’Alashan è stato realizzato un modello dinamico operante su scala locale, che è in grado di rappresentare l’ecosistema di transizione attraverso 6 variabili di stato e di integrare un criterio decisionale che simula una scelta di gestione compiuta dall’uomo. L’analisi dinamica del modello ha permesso di individuare i principali fattori che limitano lo sviluppo e la conservazione della regione di studio, fornendo suggerimenti per la sua gestione. The desertification shows the most critical effects in the transition ecosystems (i.e. the arid regions that move towards the tempered areas). The aim of the thesis is to identify the condition under witch it is possible to stabilize the desert steppe and in witch way inhabitants can alter the fragile equilibrium with their mismanagement. The desert steppe and the desert are two equilibrium conditions of the transition ecosystem in the Alashan region (Inner Mongolia, China). The thesis shows a local dynamical model that has been developed in order to study the transition phenomena that are present in the Alashan region. The dynamical system uses 6 state variables to simulate the transition ecosystem and it is coupled with a decisional model that simulates the human choice of management. The dynamical solutions of the model identify the main factors that limit the development and the conservation of the region understudy. It allows one to find possible hints for a better management of the area. Dottorato di ricerca in Ecologia forestale