Soil biological indicators and caesium-137 to estimate soil erosion in areas with different forest system management

Forest management, if improperly settled, besides threatening biodiversity, could decrease and/or stop the ability of forest ecosystem to provide other services. Forests provide crucial services for human well-being and economic development. In addition to wood and fiber, they provide numerous non-wood products such as food, freshwater, and fuel, or services as climate and diseases regulation, recreation and preservation of biodiversity, driving the sustainable growth (IUCN). Nowadays, a prominent challenge is how to manage forests for timber and bioenergy production maintaining, at the same time, long-term conservation/implementation of the forest ecosystem functioning. Soil has a pivotal role in keeping high the productivity of forest ecosystem but its physical and chemical properties are highly influenced by changes in forest stand structure, density and composition of species which correlate with thinning intensity, interval, and method. Tools are needed to verify whether the silvicultural management is feasible in practice, and how it can affect the whole ecosystem. The relevance of the subject is particularly important in regions (‘marginalised contexts’) where the quality of the environment is already poor. Providing high quality information on the spatial extent of land degradation under silvicultural management meet the obligations claimed by FAO. One major aspect of land degradation is the loss of top soils owing to erosional processes, which have multiple environmental and socio-economic consequence. According to FAO (2014) soil degradation is defined as the reduction in the capacity of land to provide ecosystem goods and services securing its function for all beneficiaries of the land. As such, the main objective of this study was to use a combination of different methodology, soil quality index and caesium (137Cs), to individuate the most appropriate forestry practices to manage a beech (Fagus sylvatica L.) forest in such a way that soil erosion is minimized. Thus, we assessed the effects of tree-oriented silviculture (innovative forest management system) on soil properties in respect to thinning (traditional forest management system) and unmanaged forest. 137Cs results evidenced that both thinning treatments affected soil properties. The innovative treatment showed the highest impact. The amount of small-sized particles enhanced when the intensity of thinning increased. A strong decrease in soil organic carbon (OC) was related to thinning. In the upper soil layer, OC was found positively correlated with microbial biomass (MBC), fluorescein diacetate hydrolase (FDA), water soluble phenols (WSP), ergosterol (ERG), C/N ratio, nitrogen (N) and also with 137Cs. Moderate to no correlations, in the subsurface layer, highlighted the immediate impact of management techniques on the surface layer and then on the underlying ones. In the subsurface layer, OC maintained its positive correlation only with MBC, WSP and 137Cs. 137Cs was correlated in both soil layers with OC, N and WSP. The overall results suggest that WSP being always correlated to OC and 137Cs, may be considered as indicators of soil erosion, and can be used, even in the case of the absence of 137Cs in the sediment, to evidence changes in soil properties that could be the starting point of soil erosion. Regarding soil quality, OC was correlated to more than one soil parameter, suggesting that it is the data in combinations rather than a single data that reflect soil fertility loss. These results can be fruitfully used by decision makers to program and optimize the use of thinning practices for long-term forest sustainability.

Le foreste forniscono servizi cruciali per il benessere umano e lo sviluppo economico. Oggi, una sfida importante è capire come gestire le foreste per la produzione di legname e bioenergia mantenendo, allo stesso tempo, la conservazione e il funzionamento dell'ecosistema forestale. Per tale motivo, la comunità scientifica e gli operatori del settore hanno preso in considerazione diverse misure per mitigare gli effetti del degrado e della perdita delle foreste, tra queste, la sua gestione sostenibile. La maggior parte di questi approcci si concentra tuttavia su un singolo aspetto del problema, facendo intendere come venga a mancare il concetto di salvaguardia e conservazione del funzionamento dell'ecosistema nel suo insieme. Il suolo ha un ruolo fondamentale nel mantenere alta la produttività dell'ecosistema forestale, e rappresenta la risorsa più scarsamente rinnovabile dell’intero comparto. I suoli forestali, oltre a costituire la base vera e propria del bosco, rappresentano una preziosa riserva idrica e nutritiva ed un importantissimo serbatoio di CO2. Le pratiche di gestione forestale se non opportunamente indirizzate possono avere ripercussioni negative sulle proprietà fisico chimiche del suolo e sulla biodiversità con conseguenze sull’efficienza ecologica del sistema stesso. Fornire informazioni dettagliate sull'estensione spaziale del degrado del suolo, in regime di gestione forestale, è uno degli obblighi prefissati dalla FAO. Un aspetto importante che determina i fenomeni di degrado del suolo è la perdita di suolo superficiale dovuta ai processi erosivi, che hanno molteplici conseguenze ambientali e socio-economiche. In bosco, questi fenomeni erosivi sono influenzati in misura differente dalla continuità di copertura arborea, che è legata alle pratiche di gestione. L'obiettivo principale di questo studio è stato quello di utilizzare una combinazione di diverse metodologie, indicatori di qualità del suolo e cesio (137Cs) per stimare il grado di erosione del suolo, al fine di individuare le pratiche forestali più appropriate per gestire boschi di faggio (Fagus sylvatica L.) in modo da limitarne le perdite di suolo. Sul suolo sono stati valutati gli effetti di un sistema di gestione forestale innovativo (27% di volume totale utilizzato) di un sistema di gestione forestale tradizionale (12% totale utilizzato) rispetto alla foresta non gestita (da oltre 30 anni). Al fine di raggiungere gli obiettivi prefissati, oltre all’erosione sono stati valutati parametri fisici, chimici e biochimici del suolo. Tra i parametri fisici sono stati determinati gli aggregati del suolo e la tessitura. Tra quelli chimici oltre al carbonio organico, sono stati determinati l’azoto, gli ioni, i fenoli, il pH e la conducibilità. Tra quelli biochimici, oltre alle attività enzimatiche (FDA, DHA, CAT), sono stati determinati, la biomassa microbica e l’ergosterolo (biomarker fungino) e gli indici di umificazione. Inoltre, sono stati monitorati i microartropodi del suolo (QBS-ar), quali marker dello stato di salute del suolo. I risultati del 137Cs hanno evidenziato che entrambi i trattamenti di diradamento hanno influenzato le proprietà del suolo. Il trattamento innovativo è stato quello che ha avuto il maggiore impatto sulle proprietà del suolo innescando fenomeni erosivi. La quantità di particelle di piccole dimensioni aumentava in funzione dell'intensità del diradamento. Una forte diminuzione dell'OC del suolo era correlata al diradamento. Nello strato superficiale di suolo, il carbonio organico (OC) era positivamente correlato con la biomassa microbica (MBC), fluoresceina diacetato (FDA), fenoli (WSP), ergosterolo (ERG), rapporto C/N, azoto (N) e anche al 137Cs. Correlazioni quasi assenti sono state trovate nello strato sottostante (15-30 cm) tra i suddetti parametri, suggerendo che l'impatto delle tecniche di gestione è immediato sullo strato superficiale rispetto a quello sottostante. Nello strato 15-30 cm, OC ha mantenuto la sua correlazione positiva solo con MBC, WSP e 137Cs. Il 137Cs è risultato essere correlato in entrambi gli strati del suolo con OC, N e WSP. I risultati complessivi suggeriscono che il WSP sempre correlato con OC e 137Cs, può essere considerato un indicatore dell'erosione del suolo e può essere utilizzato, anche in caso di assenza di 137Cs nel sedimento, per evidenziare cambiamenti nelle proprietà del suolo che potrebbero essere legate ai fenomeni erosivi. Per quanto riguarda la qualità del suolo, l'OC è stato trovato essere correlato a più di un parametro del suolo, suggerendo come siano più combinazioni anziché un singolo dato a riflettere la perdita di fertilità del suolo stesso. Questi risultati possono essere utilizzati dagli organi competenti per programmare e ottimizzare l'uso di pratiche di gestione forestale per implementare la sostenibilità delle foreste a lungo termine.