Thirty years of soil organic carbon and land use changes at regional and national scales using vis-NIR soil spectroscopy

The decline in soil organic matter (SOM) has been widely recognized as a key factor influencing ecosystem biodiversity, with land-use changes, particularly the conversion of forests to agricultural lands, playing a significant role. In Italy, the abandonment of agricultural lands has led to increased forest cover, while SOM loss continues to impact natural ecosystems and global carbon reserves. This PhD Thesis focuses on the Molise region, in central Italy, where land-use changes over the past 30 years have notably influenced SOM dynamics. The analysis, based on 101 soil profiles across 3,000 km², investigates SOM variations from 1993 to 2023 and their relation to land-use changes and increasing climatic aridity. Results reveal significant SOM changes among different soil orders, with increases observed in Vertisols and decreases in younger soils like Inceptisols and Entisols, largely due to water erosion. The study also highlights the impact of geomorphology (altitude) on SOM content, with higher altitudes exhibiting higher SOM concentrations. Predictive models using machine learning and soil spectroscopy demonstrate the potential for estimating SOM content efficiently, with results indicating robust models for SOM prediction. The findings suggest that soil management practices and restoration efforts are crucial for improving SOM sequestration and mitigating climate change, providing insights into the role of soils in carbon storage and ecosystem sustainability.

Il declino della sostanza organica del suolo (SOM) è ampiamente riconosciuto come un fattore chiave in grado di influenzare la biodiversità degli ecosistemi, soprattutto a causa dei cambiamenti nell’uso del suolo; la conversione delle foreste in terreni agricoli infatti, gioca un ruolo significativo in questa ‘perdita’. In Italia, l’abbandono delle terre agricole ha portato ad un aumento della copertura forestale, mentre la perdita di SOM continua a condizionare gli ecosistemi naturali e le riserve globali di carbonio. Questa tesi di Dottorato si concentra sulla regione Molise, collocata nell’Italia centrale, dove i cambiamenti nell’uso del suolo verificatisi negli ultimi 30 anni hanno influenzato in modo rilevante la dinamica della SOM. L’analisi, basata su 101 profili pedologici distribuiti su 3.000 km², indaga le variazioni della SOM dal 1993 al 2023 e la loro relazione con i cambiamenti d’uso del suolo e con l’aumento dell’aridità climatica. I risultati evidenziano cambiamenti significativi della SOM tra i diversi ordini di suoli, con incrementi della sostanza organica nei Vertisuoli e riduzioni nei suoli più giovani come Inceptisuoli ed Entisuoli, principalmente a causa dell’erosione idrica. Lo studio sottolinea inoltre l’influenza della geomorfologia (altitudine) sul contenuto di SOM, viste le concentrazioni maggiori riscontrate alle quote più elevate. I modelli predittivi basati su tecniche di machine learning e spettroscopia del suolo dimostrano il potenziale per stimare in modo efficiente il contenuto di SOM, con risultati che indicano modelli robusti per la previsione della SOM. I risultati suggeriscono che pratiche di gestione del suolo e interventi di ripristino sono fondamentali per migliorare la capacità di sequestro della SOM e mitigare i cambiamenti climatici, offrendo nuove prospettive sul ruolo dei suoli nello stoccaggio del carbonio e nella sostenibilità degli ecosistemi.