Modelli quantitativi per l’analisi della biodiversità negli agroecosistemi

Over the last decade, major international agencies and institutions have established the key role played by natural capital in the definition of strategies promoting sustainable agriculture. Recent examples are the adoption of the 'Strategy on Mainstreaming Biodiversity across Agricultural Sectors' by the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) and the 'Biodiversity Strategy for 2030' by the European Union, both in 2020. These documents highlight the need to support the adoption of sustainable agricultural practices for the protection, enhancement and restoration of biodiversity, as a key element of natural capital, and the need to have quantitative tools to analyse the role that biodiversity plays in the processes of genesis and regeneration of ecosystem services. This thesis proposes a quantitative framework for the analysis of biodiversity. In the framework, biodiversity is defined as a network of elements. Each element is a specific microbial, animal or plant taxon and can be described by different attributes (e.g. presence/absence, abundance or functional traits evaluations). The description of these elements, as well as the properties of the networks, are based on quantitative measures. The framework allows to analyse different levels of investigation in terms of spatial resolution, different dimensions and components of biodiversity and is based on a generative approach (i.e. it allows to investigate the relationship between traits and ecosystem services). In terms of spatial resolution, the framework considers three levels: i) the environmental unit, i.e. the single spatial unit determined by the predominant plant community, ii) the farm level, composed of contiguous productive environmental units, iii) the landscape, a heterogeneous set of environmental units, both productive and non-productive. In terms of dimensions, the hypogeal and epigeal dimensions are first distinguished. Subsequently, for each of these dimensions, the microbial component of metazoans (with particular reference to arthropods and nematodes) and the component of plants (root and epigeal part) are distinguished. The introduction deeply describes the proposed framework, as a scientific response to the need of quantitative tools to analyse biodiversity in agroecosystems. The second chapter focuses on the analysis at the environmental unit level. In particular, quantitative models to study the link between taxon characteristics and environmental determinants are investigated. The case study concerns models of habitat suitability for Popillia japonica. The third chapter investigates the farm level, presenting the models allowing the analysis of the impact of environmental determinants on some biodiversity components. Case studies refer to the analysis of biodiversity of arthropods in the vineyard agroecosystem. The fourth chapter is a review of quantitative tools to support the framework, with the dual focus on the analysis at the landscape level and the implementation of the generative approach. Multidimensional and multilevel models are mainly explored in this chapter. In the final section, a synthesis of the lines of research and innovations developed is proposed and future research perspectives are outlined.

Nell’ultimo decennio, agenzie e istituzioni internazionali hanno emanato direttive e attivato linee di ricerca che sanciscono il ruolo chiave dal capitale naturale nella definizione delle strategie che promuovono l’agricoltura sostenibile. Esempi recenti di questi nuovi indirizzi di policy sono l’adozione della ‘Strategy on Mainstreaming Biodiversity across Agricultural Sectors’ , da parte della FAO, e della ‘Strategia sulla biodiversità per il 2030’ , da parte della Unione Europea, entrambe nel 2020. Da questi documenti si evidenzia la necessità di supportare l’adozione di pratiche agricole sostenibili a tutela, valorizzazione e ripristino della biodiversità, come elemento chiave del capitale naturale, ed emerge la necessità di disporre di strumenti che consentano di analizzare il ruolo che la biodiversità, nella duplice componente strutturale e funzionale, svolge nei processi di genesi e rigenerazione dei servizi ecosistemici. In questa tesi si propone un framework quantitativo per l’analisi della biodiversità, definita come una rete di elementi. Ciascun elemento è uno specifico taxon microbico, animale o vegetale e può essere descritto tramite differenti attributi (ad esempio presenza/assenza, abbondanza o tratti funzionali). Le proprietà delle reti e la descrizione degli elementi è basata su misure quantitative. Il framework consente di analizzare differenti livelli di indagine (in termini di risoluzione spaziale), diverse dimensioni e componenti della biodiversità ed è basato su un approccio generativo (ossia consenta di indagare la relazione tra tratti e servizi ecosistemici). In termini di risoluzione spaziale, il framework considera tre livelli: i) l’unità ambientale, ossia la singola unità spaziale determinata dalla comunità vegetale predominante, ii) il livello della singola azienda agraria, composta da unità ambientali-produttive contigue, iii) il paesaggio (o landscape), un insieme eterogeneo di unità ambientali, sia produttive che non produttive. In termini di dimensioni, in primo luogo vengono distinte la dimensione ipogea e quella epigea. Successivamente, per ciascuna di queste dimensioni sono distinte la componente microbica, dei metazoi (con particolare riferimento ad artropodi e nematodi) e la componente dei vegetali (parte radicale e parte epigea). Nel capitolo introduttivo viene presentato in dettaglio il framework, quale risposta scientifica all’esigenza di sviluppare strumenti quantitativi per analizzare la biodiversità negli agroecosistemi. Il secondo capitolo si concentra sull’analisi dell’unità spaziale, in particolare vengono indagati i singoli taxa ed i modelli quantitativi che consentono di studiare il legame tra caratteristiche del taxon e determinanti ambientali. Il caso studio sviluppato riguarda modelli di habitat suitability per Popillia japonica. Nel terzo capitolo viene indagato il livello aziendale, in particolare sono presentati i modelli che consentono la valutazione dell’impatto dei determinanti ambientali su alcuni componenti dellla biodiversità. Sono presentati dei casi studio di analisi della biodiversità degli artropodi nell’agroecosistema vigneto. Il quarto capitolo è dedicato alla revisione delle proposte metodologiche di strumenti quantitativi a supporto del framework, con il duplice focus sulle analisi a livello landscape e l’implementazione dell’approccio generativo. In questo capitolo sono esplorati principalmente modelli multidimensionali e multilivello. Nella sezione conclusiva viene proposta una sintesi delle linee di ricerca e delle innovazioni sviluppate e sono tracciate le prospettive di ricerca future.