Search

PELOROSSO R., GOBATTONI F., RIPA M.N.; (2018), Second law of thermodynamics and urban green infrastructure a knowledge synthesis to address spatial planning strategies, TeMA-Journal of land use mobility and environment, Volume: 11 Issue: 1, pp:27-50 ISSN 1970-9889 DOI: 10.6092/1970-9870/5326; URL http://www.tema.unina.it/index.php/tema/article/view/5326 ABSTRACT Planning of ecosystem services provided by the Urban Green Infrastructure (UGI) is a key issue for urban sustainability. Planning strategies driven by the second law of thermodynamics (SLT) are innovative approaches to sustainability but they are still in seminal phase. In this article, a coupled review of SLT within spatial planning is accomplished looking at the main applications in urban green infrastructure (UGI) planning. The work has supported the definition of a preliminary low-entropy UGI planning strategy (Pelorosso, Gobattoni, & Leone, 2017) but it also aims to contribute to the improvement and/or development of even more solid planning strategies based on SLT. In particular, a systemic review of UGI planning and thermodynamics has been carried out to identify all the occurrences to date in the scientific literature. Secondly, a scoping review of SLT-related concepts of exergy, entropy and urban metabolism is presented in order to investigate the main applications of, and gaps in, urban spatial planning. Results indicate that UGI and ecosystem service planning based on SLT is a relatively new field of research. Moreover, some general indications are derived for the development of spatial UGI planning strategies based on SLT.

Planning of ecosystem services provided by the Urban Green Infrastructure (UGI) is a key issue for urban sustainability. Planning strategies driven by the second law of thermodynamics (SLT) are innovative approaches to sustainability but they are still in seminal phase. In this article, a coupled review of SLT within spatial planning is accomplished looking at the main applications in urban green infrastructure (UGI) planning. The work has supported the definition of a preliminary low-entropy UGI planning strategy (Pelorosso, Gobattoni, & Leone, 2017) but it also aims to contribute to the improvement and/or development of even more solid planning strategies based on SLT. In particular, a systemic review of UGI planning and thermodynamics has been carried out to identify all the occurrences to date in the scientific literature. Secondly, a scoping review of SLT-related concepts of exergy, entropy and urban metabolism is presented in order to investigate the main applications of, and gaps in, urban spatial planning. Results indicate that UGI and ecosystem service planning based on SLT is a relatively new field of research. Moreover, some general indications are derived for the development of spatial UGI planning strategies based on SLT., Tema. Journal of Land Use, Mobility and Environment, Vol 11, N° 1 (2018): The Resilience City/The Fragile City. Methods, tools and best practices

The Multi-Spectral Instrument (MSI) aboard the ESA Sentinel-2 (S-2) allows satellite the Normalized Different Vegetation Index (NDVI) to be measured at much higher spatial resolution (10 m) than has been previously possible with space-borne sensors such as Medium Resolution Imaging Spec- trometer aboard ENVISAT or Enhanced Thematic Mapper Plus aboard Landsat. Therefore, multi-spectral analysis of remote sensing data today represents an efficient tool for monitoring vegetation in a Mediterranean environment, where spatial resolution often represents a limiting factor due to high fragmentation and spatial distribution of forest stand. The aim of this study has been to map the health conditions of the Castel- porziano coastal pinewood forest (Roma). To this aim, we used a diachronic NDVI index, provided by ESA Sentinel-2 images andfield observations, to monitor the health status in a historic pinewood forest that has recently been affected by a rapid diffusion of pests (Tomicus destruensWoll.). The monitoring performed allowed us to map the pinewood forest in risk classes and at the same time to provide data concerning the localization of areas showing a strong decline. Thus, we provide information useful for the correct management and planning of forestry thinning to preserve those areas of the pinewood forest not involved in the decline process.

The paper presents the advances of the research team in the framework of the EU Project LIFE/ENV/IT/275 aimed at providing scientific proofs in the using of no food crops to prevent marginalization or abandonment of wide agricultural areas. Moving from this, the study provides a GIS based approach for finding out a set of consistent scenario for testing the impacts of Land Use Change (LUC) for polluted areas at regional scale. The scenarios set out and their comparision through the multicriteria method could represent a more effective support for planner and decision makers. Further the study demonstrates that bioremediation could become an opportunity for improving the ESs values, improving the biodiversity of the territory.

La necessità di controllare il consumo di suolo e difendere il valore eco sistemico delle risorse esistenti sono alla base dell’analisi degli impatti antropici e delle azioni da intraprendere per garantirne un uso sostenibile. In linea con le indicazioni della Comunità Europea si predispone uno strumento per limitare, mitigare e compensare l’impermeabilizzazione del suolo garantendo il rispetto dell’invarianza idraulica per la quale la risposta idrologica di un dato territorio in occasione di precipitazioni meteoriche deve mantenersi costante prima e dopo la trasformazione. Il caso di studio è costituito dal miglioramento tecnologico verso l’interoperabilità online di un sistema di supporto alla decisione tramite evoluzione della tecnologia GIS-Geographic Information System per la valutazione degli impatti antropici utilizzando la metodologia SCS-CN Soil Conservation Service-Curve Number sviluppata dal Dipartimento di Agricoltura degli USA nel 1972. Lo strumento è in grado di guidare i funzionari pubblici incaricato della valutazione dei nuovi progetti nella simulazione ex-ante e ex-post della trasformazione del territorio agricolo in urbanizzato e nella promozione dell’uso di BMP-Best Management Practice per migliorarne la risposta alla sollecitazione idrologica. L’applicazione web, realizzata come servizio webGIS che si fonda sull’interoperabilità online di diversi utenti, definisce uno strumento per il controllo degli impatti degli interventi e per il governo del territorio. The need of soil consumption control and of the conservation of eco-systemic values of existing resources are the basis of this analysis. Man-made impacts and actions to be taken into account to ensure sustainable are investigated. Following the European Community guidelines, an instrument for limiting, mitigating and compensating soil sealing is set in place, ensuring that the hydrological response of a given area during precipitation must remain constant before and after transformation. The case study consists of a technological improvement towards the online decision-making and interoperability through GIS-Geographic Information System evolution in the field of anthropic impact analysis; the application makes use of the SCS-CN Soil Conservation Service-Curve number method developed by the United States Department of Agriculture in 1972. Public officials in charge of evaluating new projects in the ex ante and ex post simulation of the transformation of territorial agriculture into urbanized areas are guided by the tool. The application is therefore able to promote the use of BMP-Best Management Practice to improve the hydrological solicitation response. The web application, built as a webGIS service, based on the online interoperability of multiple users, defines a tool for the control of man-made impact and for a BMP driven policy for boosting eco-systemic values. Dottorato di ricerca in Scienze delle produzioni vegetali e animali

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. Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale

I cambiamenti di uso e di copertura delle terre (Land-Use e Land-Cover Changes, LUCC) sono direttamente collegati alle trasformazioni del paesaggio operate dall’uomo. Nell’ultimo secolo le dinamiche di trasformazione del territorio sono aumentate, ma anche l’attenzione verso la conservazione del paesaggio è aumentata. Il paesaggio viene visto come il contenitore degli “oggetti ambientali e delle relazioni che intercorrono tra essi”. In questo senso diventa interessante lo studio dei cambiamenti del paesaggio per una comprensione delle dinamiche territoriali. In particolare, le formazioni forestali, viste come importante contenitore della biodiversità, sono tra quelle che sembrano aver subito i maggiori cambiamenti come magnitudo (diminuzione/aumento delle superfici). Attualmente non esistono studi complessivi che interessano il territorio italiano ed il caso presentato, che riguarda l’intera Sardegna si presenta come il primo studio su scala regionale di analisi dei cambiamenti che hanno interessato i paesaggi forestali. Integrando diverse fonti di informazione e partendo dal recupero di dati cartografici non ancora analizzati, inerenti le estensioni forestali della Sardegna degli Anni ’30 del ‘900 si è tracciato un possibile profilo di espansione delle superfici forestali, di andamento diverso da quanto trovato da altri autori. Il risultato di questo lavoro di analisi apre lo spazio per nuovi studi sui paesaggi forestali, soprattutto per quelli che caratterizzano le zone mediterranee ed appenniniche, che se confermati potrebbero delineare nuovi scenari nella conservazione della biodiversità. Al contempo, questo studio propone una prima riflessione sulla reale portata della legislazione forestale che ha operato in Italia, fornendo alcuni spunti per il confronto con le legislazioni successive inerenti direttamente il paesaggio. Land Use and Land Cover Changes (LUCC) are directly linked to landscape transformations due to human activities. In the last century land changes dynamics have increased just like the attention towards the need of landscape conservation. Landscape is often seen like a collector of “environmental objects (or components) and relations existing between them”. From this point of view the study of landscape changes can be interesting in order to understand the territorial dynamics. Forestry systems, in particular, as biodiversity collectors, seem to have suffered the biggest changes in terms of loss/increase of surface. On this subject we cannot find yet comprehensive studies about the Italian territory, and the work here presented, regarding the whole Sardinian territory, can be considered as the first one, on this regional scale, of changes analysis focused on forestry landscape. Using and integrating different data-sources and recovering cartographic data, not yet analyzed, on the Sardinian forestry extension during the first three decades of XX century, we can be able to outline a new frame in which can be seen the increase of forestry surface, different form the ones of previous authors. The results of this work can be useful to direct new studies on forestry landscape, especially for those of Mediterranean and Apennine regions, so that they could show new scenarios on biodiversity conservation. At the same time, the study suggests a first thought on the real impact of Italian forestry legislation, giving a rise to a huge comparison between it and the one regarding specifically the landscape. Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale

La Commissione europea ha richiesto, ai paesi membri, una maggiore finalizzazione degli interventi, secondo un percorso logico e conseguente fra analisi dei fabbisogni, strategia di intervento e misure proposte, con il rispetto degli Orientamenti strategici comunitari (OSC) 2007- 2013 per lo sviluppo rurale. L’Italia ha recepito le indicazioni europee delineando un Piano strategico nazionale (PSN) per lo sviluppo rurale la quale finalità è quella di garantire la coerenza strategica tra i piani comunitari, nazionali e regionali e di garantire il raccordo strategico e finanziario tra gli strumenti di sviluppo rurale, la PAC e le politiche di coesione. In esso si definiscono: - L'analisi del contesto; - Le linee di indirizzo generale per le politiche di sviluppo rurale; - La coerenza con le altre politiche di intervento nazionali comunitarie; - Il quadro finanziario comune; - Aspetti comuni per il monitoraggio e la valutazione, controlli e le sanzioni; - I Piani di sviluppo rurale (PSR) e la loro dotazione finanziaria. Nell’ambito del Piano strategico vengono individuate alcune tipologie di indicatori da utilizzare nel processo di programmazione quali strumenti necessari per conoscere i progressi, l'efficienza e l'efficacia dei Programmi di Sviluppo Rurale (PSR). Infatti, oltre ai tradizionali indicatori finanziari, di realizzazione, di risultato e di impatto vengono introdotti gli indicatori di baseline, con i quali è possibile definire la situazione iniziale del contesto su cui agisce il programma, descrivendola anche in termini di punti di forza e debolezza, permettendo così di inquadrare al meglio la strategia d'intervento della politica di sviluppo rurale e creando i parametri su cui valutare successivamente l'efficacia della programmazione. In particolare, per l’analisi della situazione ambientale sono stati proposti i seguenti indicatori baseline: biodiversità: avifauna delle aree agricole, aree ad alto valore naturale, composizione delle specie forestali. Sulla base di questi orientamenti, sia a livello europeo che nazionale, questo lavoro propone una metodologia alternativa alle linee guida proposte dall’EEA, in cui si tenga conto dei fattori strutturali del territorio per l’individuazione delle aree agricole ad alto valore naturalistico (HNVF). Lo scopo principale dell’individuazione delle aree agricole ad alto valore naturalistico è legato al mantenimento della biodiversità nelle aree agricole, ciò implica un aumento del valore paesaggistico e crea allo stesso tempo il mantenimento delle pratiche agricole tradizionali o specifiche. L’individuazione delle HNVF è una questione di notevole rilevanza sia a livello di pianificazione territoriale il cui obiettivo è quello di preservare in un contesto dinamico queste aree per una agricoltura sostenibile, sia a livello esecutivo per redigere piani operativi di intervento e finanziamento. La gestione del territorio dipende da delle decisioni che agiscono a livello spaziale. Per questo motivo si è deciso di utilizzare i Sistemi Spaziali di Supporto alla Decisione (Spatial Decision Support Systems). Sono sistemi informatici che lavorano attraverso un'integrazione di diverse informazioni e determinano l'ordinamento delle alternative sulla base di specifici criteri. Tali strumenti integrano i Sistemi Informativi Geografici, i modelli spaziali e l'Analisi Multicriteriale per arrivare a definire una gestione che rispetti le dinamiche dei sistemi naturali ed esprima una decisione integrante i diversi criteri. Questo studio ha lo scopo di proporre un percorso metodologico per l’individuazione delle aree agricole ad alto valore naturalistico alternativo a quello attualmente proposto dall’EEA. Si prefigge lo scopo di identificare “aree sensibili” della Provincia di Viterbo dove più rilevanti possono essere gli impatti delle attività antropiche e più efficaci le misure di mitigazione, cioè, dove pratiche agricole opportune possono quindi condurre a risultati migliori. Questo obbiettivo può essere raggiunto attraverso una pianificazione per “processi” cioè che tenga conto delle peculiarità del territorio. L’obiettivo della presente ricerca è quello di sviluppare un Sistema Spaziale di Supporto alla Decisione, applicato all'individuazione delle aree agricole di elevato valore naturalistico, che tengano conto della complessità del sistema rurale, ambientale, sociale ed economico e delle relazioni fra le sue variabili. Alle aree rurali viene, quindi, riconosciuto un ruolo all’interno del sistema dinamico ambientale, come elemento di connessione con gli ambienti naturali limitrofi, tale approccio si basa sull’individuare e preservare il rapporto tra sistemi di habitat al fine di migliorare il grado di biodiversità. Principale obiettivo è la realizzazione di una cartografia delle “aree sensibili” ottenuta seguendo una procedura di analisi multicriteriale valutando il grado di influenza dei fattori “strutturali” ambientali e antropici in funzione della loro distanza e densità. The European Commission demanded from the member countries a better finalisation of the intervention following a logical and consequent path between analyses of needs, strategy of intervention and proposed measures, regarding the Community Strategic Guidelines 2007-2013. Italy has acknowledged the European guidelines outlining a national strategic plan (Piano strategico nazionale, PSN) for rural development, with the aim to guarantee the strategic coherence between the communitarian, national and regional plans and to guarantee the strategic and financial connection between the instruments of rural development, the PAC and the policies of cohesion. In this strategic national plan are defined the following aspects: - Analysis of the context; - The general guidelines for the policies of rural development, - The coherence between other national communitarian policies of intervention; - The common financial table ; - Common aspect for monitoring evaluations, controls and sanctions; - The national strategic plans of rural development and their financial endowment. In the ambit of the strategic plan are singled out several typologies of indicators, which can be used for the programming process as necessary instruments to understand the progress, the efficiency and efficacy of the programs of rural development (PSR). In fact, in addition to traditional indicators of finance, realisation, result and impact, are being introduced the baseline indicators, with which it is possible to define the initial state of the context in which the program operates, describing it in terms of points of strength and points of weakness. This baseline indicators permits to define in the best possible way the strategy of intervention of the policy of rural development, and creating the parameters, which help to evaluate successively the efficiency of the programming. In particular for the analysis of the environmental state, have been proposed the following baseline indicators: Biodiversity: bird population of the agricultural areas, High Nature Value Farmland, composition of the forest species. Based on this directions, both on the European level and on the National level, this work proposes a alternative methodology to the guidelines proposed by the EEA, in which are taken in account the structural factors of the territory that locates the High Nature Value Farmland (HNVF). The principal aim, to locate the High Nature Value Farmland, is linked to the maintenance of the biodiversity of the agricultural areas. This implicates an increase in the value of the landscape and creates in the same time the maintenance of the traditional, specific and agricultural practices. To locate the High Nature Value Farmland is an important matter both in a territorial planning level, in which the aim is to preserve in a dynamic context these areas for a sustainable agriculture, and in an executive level to draw up the operational plans of intervention and finance. The management of the territory depends on the decision that act in a spatial level. For this reason it has been decided to use Spatial Decision Support Systems. They are information systems that work with the integration of different information and they determine the arrangement of the alternatives based on specific criteria. This instruments integrate the Geographical Information Systems, the Spatial Models and the Multi-Criteria Analyses with the aim to define a management that respects the dynamic of the natural systems and that shows an integrated decision between different criteria. The aim of this thesis is to propose an alternative methodological path for the location of the High Nature Value Farmland, to the actual path proposed by the EEA. It has the aim to identify “sensitive areas” of the province of Viterbo, where the impacts of the anthropic activity can be more relevant and the measures of mitigations more efficient, that is, where opportune agricultural practice can lead to better results. This aim can be reached through planning of “processes”, that is taking in account the peculiarity of the territory. The goal of this research is to develop a Spatial Decision Support System, applied to the location of the High Nature Value Farmland that takes in account the complex city of the rural, environmental, social and economical system and of the relation between its variables. To the rural areas then it is recognised a role within the environmental dynamic system as a connecting element with the surrounding environments. This approach is based on locating and preserving the relation between habitat systems with the aim of increasing the level of biodiversity. The main objective is the realisation of a cartography of the sensitive areas obtained following a multi-criteria analysis procedure, evaluating the level of influence of the environmental and anthropic structural factors depending on their distance and density. Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale

The Water Framework Directive 2000/60/CE (WFD) was enacted in order to maintain and improve the aquatic environment of the Union. The protection of waters, in terms of quality and quantity, is one of the key aspects of the Directive, which requires the achievement of “good ecological status” for all water bodies by 2015. In many European countries the process of implementation of the WFD has required important changes in the development of the water management plans. The River Basin Management Plan was indicated as the process to adopt for investigates the current status of the water bodies and define the “Programme of Measures” that permit to reach the objective of “good ecological status”. This dissertation can be part of the definition process of a “Programme of Measures” for impaired waters through the application of a scientifically based method in order to define the “objective” to achieve, identify the measures to be taken and then evaluate their effectiveness. The method applied fulfills the requirement of the WFD within the directive to manage both types, punctual and diffuse, of pollution sources causing the deterioration of the ecological status of all European water bodies. The management of punctual and diffuse sources requires to establish a link between input loads and the water quality standards of the receiving water bodies. In this dissertation, the use of the concept of the “Total Maximum Daily Load” (TMDL) was applied for an Italian river. The TMDL is an instrument required in the Clean Water Act in U.S.A for the management of water bodies classified impaired. The TMDL calculates the maximum amount of a pollutant that a waterbody can receive and still safely meet water quality standards. It permits to establish a scientifically-based strategy on the regulation of the emission loads control according to the characteristic of the watershed/basin. The implementation of the TMDL is a process analogous to the Programmes of Measures required by the WFD, the main difference is the analysis of the linkage between loads of different sources and the water quality of water bodies. The TMDL calculation was used in this study for the Candelaro River, an intermittent Italian river, classified impaired in the first steps of the implementation of the WFD. The “Load Duration Curves” methodology was adopted for the calculation of nutrient TMDLs due to the more robust approach than the expression based on average long term flow conditions. This methodology permits to establish the maximum allowable loads across to the different flow conditions of a river. This methodology allowed: to evaluate the allowable loading of a water body; to identify the sources and estimate their loads; to estimate the total loading that the water bodies can receives meeting the water quality standards established; to link the effects of point and diffuse sources on the water quality status and finally to individuate the reduction necessary for each type of sources. The loads reductions were calculated for total nitrogen, total phosphorus and ammonia. The measures simulated gave results that show a remarkable ability to reduce the pollutants, for the Candelaro River. This reduction, anyway, is not enough to achieve the objective of water suitable for fish life. The use of a mathematical model on a watershed scale, the Soil and Water Assessment Tool (SWAT), was applied in order to obtain a daily flow dataset of the Candelaro River and a daily water quality for a longer period than the measured data. The use of the model permitted to obtain a robust assessment of the present and future water quality status overcoming the lack of measured data. The results highlighted the critical condition of water quality particularly during the dry periods and the necessity to adopt specific measures for each flow conditions, not related to the seasonality, to restore the water surface quality status of the Candelaro River. La Direttiva Quadro Europea sulle Acque (2000/60/CE) (Water Framework Directive - WFD) è emanata allo scopo di mantenere e migliorare l’ambiente acquatico del territorio dell’Unione. La protezione delle acque, dal punto di vista qualitativo e quantitativo, riveste uno degli aspetti basilari della Direttiva, che richiede il raggiungimento di un buono stato ecologico di tutti i corpi idrici Europei entro il 2015. Per molti Stati Europei il processo di implementazione della WFD ha richiesto l’attuazione di sostanziali modifiche nella predisposizione dei Piani di Gestione delle Acque. Il Piano di Gestione del Bacino Idrografico è indicato come lo strumento da adottare nel processo di pianificazione, in esso è riportata la valutazione dello stato attuale delle acque ed è definito un “Programma di Misure” che permetterà di raggiungere l’obiettivo di “buono stato ecologico”. Questo studio s’inserisce nell’ambito della definizione di un “Programma di Misure”, per un bacino italiano, attraverso l’applicazione di un metodo scientifico che stabilisce gli obiettivi da raggiungere, individua le misure da adottare e ne valuta l’efficacia. Il metodo sperimentato risponde al principio guida della WFD nell’ambito della gestione integrale delle fonti inquinanti che determinano il deterioramento dello stato ecologico dei corpi idrici dell’Unione. Introducendo la necessità di gestire anche le fonti diffuse, non più solo quelle puntuali, in ciascun bacino idrografico degli Stati membri diviene importante mettere in relazione i carichi derivanti da ciascuna fonte e gli standard di qualità definiti per il corpo idrico recettore. In questo studio è stato valutato l’utilizzo del concetto di “Total Maximum Daily Load” (TMDL), ovvero carico massimo totale giornaliero, uno strumento richiesto dal Clean Water Act, negli U.S.A, per la gestione dei corpi idrici inquinati. Il concetto base del TMDL è di valutare i carichi totali derivanti, sia dalle fonti diffuse sia da quelli puntuali, che un corpo idrico può ricevere pur mantenendo gli standard di qualità per esso stabiliti. Tale metodo permette di definire una strategia, scientificamente basata, per il controllo delle emissioni dei carichi, in relazione alle caratteristiche del bacino. Il processo di implementazione del TMDL è analogo a quello del Programma di Misure richiesto dalla WFD, la sostanziale differenza si riscontra nel processo di analisi che mette in relazione i carichi derivanti dalle diverse fonti inquinanti e la qualità dei corpi idrici. In questo studio è stato utilizzato il calcolo del TMDL per il Candelaro, un fiume intermittente Italiano, classificato altamente inquinato durante i primi processi di attuazione della WFD. Per il calcolo del TMDL di nutrienti è stata adottata la metodologia della “Curva di Carico” che permette di definire un carico massimo accettabile in relazione alle diverse condizioni di portata di un fiume, un fattore di particole rilievo nel caso di fiumi intermittenti che mostrano notevoli variazioni di portata durante l’anno. L’utilizzo della metodologia del TMDL ha consentito di: di identificare le fonti inquinanti e stimare i carichi da esse derivanti; di valutare il carico totale inquinante ammissibile che il corpo idrico può ricevere in base alla destinazione finale assegnata; di individuare quali sono gli effetti che ciascun tipo di fonte ha sulla qualità del corpo idrico e infine di individuare e calcolare le riduzioni necessarie per ciascun tipo di fonte inquinante al fine di raggiungere l’obiettivo stabilito. I risultati hanno mostrato una notevole capacità di riduzione degli inquinanti ma l’inefficacia a raggiungere uno stato delle acque idonee alla vita dei pesci. Un modello matematico a scala di bacino, Soil and Water Assessment Tool (SWAT), è stato utilizzato per ottenere una serie di dati giornalieri di portata e di qualità delle acque per un periodo più lungo di quello dei dati misurati disponibili. L’utilizzo del modello ha permesso di effettuare una valutazione più rappresentativa dello stato attuale e futuro del corpo idrico caratterizzato da una assenza o scarsità di dati misurati. I risultati hanno rilevato le condizioni critiche dello stato qualitativo delle acque particolarmente durante i periodi secchi e la necessità di adottare misure diverse in relazioni alle condizioni di portata e non di stagionalità per migliorare lo stato qualitativo delle acque del Candelaro. Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione forestale e ambientale

Il presente lavoro, inquadrato nell’ambito della pianificazione territoriale italiana d’area vasta, si propone di indagare e descrivere il fenomeno insediativo dell’edificazione diffusa non riconducibile ad un assetto pianificatorio ne ad una regolamentazione definita. L’insediamento diffuso, noto con il termine anglosassone di “sprawl”, è un fenomeno edilizio tipico dei paesi economicamente avanzati, dotati di un grado elevato di benessere e di una rete viaria abbastanza ramificata che permette l’accessibilità anche ai mezzi di locomozione motorizzati. Questo fenomeno insediativo consiste nel realizzare in zone agricole, e quindi aventi funzioni produttive rurali, edifici con funzioni improprie, non riconducibili all’attività del settore primario; gli edifici che vengono invece realizzati sono i più svariati: si va dall’abitazione principale, alla seconda casa, al magazzino di un’attività artigianale. In Italia, il fenomeno è sottovalutato o ignorato e questo fatto comporta sempre di più un inconsapevole consumo di suolo elevato, con un dispendio in termini di risorse economiche ed ambientali sempre crescente. In alcuni Stati dell’Unione Europea, quali Germania ed Inghilterra, il consumo di suolo ed in particolare lo sprawl, vengono contrastati in modo deciso sia da parte del governo centrale che da parte delle comunità locali. Inoltre l’ottimo grado di conoscenza che questi stati hanno del loro territorio permette di operare delle politiche e delle azioni di pianificazione sensate e volte al contenimento oculato del consumo di suolo con beneficio per la funzionalità dei centri urbani, dei territori agricoli e dell’ambiente. Un controllo delle dinamiche evolutive degli insediamenti, come testimoniano alcune esperienze europee, consentirebbe una maggiore razionalizzazione dei servizi, delle infrastrutture e dei costi sociali che una comunità deve sostenere. In Italia, invece, l’insediamento diffuso è il contrario di tutto questo. Altro aspetto importante da considerare è la svalutazione del territorio agricolo interessato dallo sprawl e la perdita di una sua identità sia produttiva che paesaggistica. Tutte queste considerazioni sul fenomeno dell’insediamento diffuso nascono in relazione ad un’area di studio della provincia di Viterbo, riguardante 25 comuni. Dottorato di ricerca in Scienze e tecnologie per la gestione dell'ambiente e delle foreste