Innovative sustainable approaches for managing the soil and water resources in mediterranean agricultural context [Approcci innovativi e sostenibili per la gestione delle risorse del suolo e delle acque nel contesto agricolo mediterraneo]

The adoption of innovative agricultural practices is essential for the rational management of the cropping system, to improve the resilience to drought of the agroecosystems and to optimize the use of soil and water resources under climate change scenarios. In this sense, the goals of my PhD research activity were linked to assessing the effects due to the combined application of soil conservation practices and irrigation regimes, such as the use of organic mulching (OM) and the application of regulated deficit irrigation (RDI) strategies. On this basis, a three-year study was conducted in an orange grove located in Sicily (insular Italy) for appraising the responses of different soil management strategies (SM, bare soils vs mulched soils) and water regimes (WR, full irrigation vs RDI). Innovative monitoring protocols of the main soil-plant-atmosphere continuum (SPAC) variables were developed and applied to observe the relative effects, in terms of soil chemical-physical characteristics, crop water status (CWS), crop productivity, and analysis of soil carbon dioxide (CO2) fluxes at different spatial scales. Specifically, for the analysis of soil CO2 fluxes, a custom-designed, low-cost closed-volume dynamic accumulation chamber was applied and the CO2 fluxes measured by the eddy covariance technique was acquired at the agroecosystem scale. The above mentioned approach was applied at two Case studies, as follows: • In the first Case study, the effects of the application of sustainable soil and water conservation practices (SWCM) were appraised in terms of plant physiology, water saving, crop productivity and soil chemical-physical characteristics; and • In the second Case study, the responses due to the application of SWCM were evaluated in terms of soil CO2 fluxes in combination with ancillary SPAC system data. Overall, the results of this PhD thesis demonstrated the effectiveness of the innovative monitoring protocol that allowed to understand the complex mechanisms acting within the SPAC system in relation to the application of the applied sustainable SWCM. Furthermore, it was possible to verify how the application of these techniques brings benefits to the agroecosystem by making crops more resilient to climate change without compromising their productivity.

L'adozione di pratiche agricole innovative è essenziale per la gestione razionale del sistema colturale, per migliorare la resilienza alla siccità degli agroecosistemi e per ottimizzare l'uso delle risorse idriche e del suolo in scenari di cambiamento climatico. In questo senso, gli obiettivi della mia attività nell’ambito del dottorato di ricerca erano legati alla valutazione degli effetti legati all’applicazione combinata di pratiche di conservazione del suolo e regimi di irrigazione, come l'utilizzo della pacciamatura organica (OM) e l'applicazione di strategie di irrigazione a deficit regolato (RDI). Su questa base, è stato condotto uno studio triennale in un aranceto situato in Sicilia (Italia insulare) finalizzato ad analizzare la risposta a diverse strategie di gestione del suolo (SM, suolo nudo vs pacciamato) e regimi idrici (WR, irrigazione piena vs RDI). A tal proposito, sono stato sviluppati ed applicati protocolli di monitoraggio innovativi per osservare gli effetti sulle principali variabili del sistema continuo suolo-pianta-atmosfera (SPAC), in termini di caratteristiche chimico fisiche del suolo, stato idrico delle colture e produttività delle stesse, e analisi dei flussi di anidride carbonica (CO2) dal suolo a diverse scale spaziali. In particolare, per l'analisi dei flussi di CO2 dal suolo, è stata appositamente utilizzata una camera di accumulo a basso costo ed i flussi di CO2 misurati con la tecnica Eddy Covariance sono stati acquisiti sulla scala dell’agroecosistema. L'approccio sopra menzionato è stato applicato a due casi di studio, come segue: • Nel primo Caso studio, gli effetti dell'applicazione di pratiche sostenibili di conservazione del suolo e dell'acqua (SWCM) sono stati determinati in termini di risparmio idrico, stato idrico e produttività delle colture, e caratteristiche chimico-fisiche del suolo; • Nel secondo Caso studio, la risposta legata all'applicazione delle SWCM è stata valutata in termini di flussi di CO2 dal suolo in combinazione con dati ausiliari caratteristici del sistema SPAC. In conclusione, i risultati del lavoro di tesi hanno dimostrato l'efficacia dell’adozione di protocolli di monitoraggio innovativi per la comprensione dei complessi meccanismi di scambio di massa che si instaurano all'interno del sistema SPAC in relazione all’applicazione delle SWCM proposte. Inoltre, è stato possibile approfondire come l'applicazione delle SWCM proposte apporti benefici all'agroecosistema rendendo le colture più resilienti ai cambiamenti climatici senza comprometterne la produttività.