COMUNICAZIONI DI RICERCA

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1 2001/2 COMUNICAZIONI DI RICERCA dell Istituto Sperimentale per l Assestamento Forestale e per l Alpicoltura IL CAMPIONAMENTO STATISTICO NELLA VALUTAZIONE E NEL MONITORAGGIO DELLE RISORSE AMBIENTALI Statistical sampling for the assessment and monitoring of environmental resources

2 PRESENTAZIONE Certamente interdisciplinarità significa riunire esperti di boschi, atmosfera, biodiversità, cartografia, paesaggio, pascoli, insetti, genetica, clima e quant altro per discutere gli approcci metodologici comuni del lavoro di ciascuno. Interdisciplinarità è anche la partecipazione di istituti di ricerca, università, amministrazioni pubbliche e privati operanti in campi diversi di attività. Tutto questo è avvenuto nel seminario organizzato dall Accademia Italiana di Scienze Forestali, dall Istituto Sperimentale per l Assestamento Forestale e per l Alpicoltura e dalla Scuola di Monitoraggio, Valutazione e Diagnosi degli Ecosistemi Forestali e costituisce un primo dato da segnalare. Poi c è ancora qualcuno che dubita della forza della statistica? La prima considerazione che mi è suggerita dalla varietà dei partecipanti è la crescente importanza delle applicazioni della statistica per valutare lo stato delle risorse forestali e i loro cambiamenti e per interpretare i processi biologici che governano le dinamiche dei sistemi ambientali. Il seminario mostra uno sforzo di revisione metodologica e concettuale in divenire, sempre alla ricerca di soluzioni più avanzate e maggiormente rispondenti alla complessità dei problemi da affrontare. Non è solo l irrequietezza dei ricercatori che invita a cercare nuove frontiere ma sottostanno a questo sforzo motivi più profondi e spinte inarrestabili. In primo luogo le tre grandi convenzioni internazionali per la difesa della biodiversità, per la lotta contro la desertificazione e per la riduzione dell inquinamento atmosferico; inoltre la sensibilità crescente (e sperabilmente irreversibile) nell opinione pubblica per quanto riguarda i temi ambientali. In questo quadro il nostro paese ha assunto una serie di impegni che prescrivono, fra l altro, scenari inediti di inventariazione ripetuta e di monitoraggio. A esempio per quanto riguarda la valutazione dell estensione dei boschi italiani e quella della biomassa in essi contenuta, gli indicatori di biodiversità e di gestione sostenibile delle foreste e delle aree naturali e seminaturali, la redazione di un prossimo piano forestale e ambientale nazionale e così via. Impegni che non sarà possibile mantenere se non ridisegnando opportunamente le nostre strategie di controllo del territorio e di programmazione delle azioni da intraprendere. Il primo passo da compiere è indubbiamente discutere collegialmente gli approcci concettuali e metodologici da applicare per acquisire e interpretare i dati che si riferiscono al bosco e all ambiente, del quale il bosco costituisce una delle espressioni più elaborate e vistose. E un po come cercare una moneta comune di valutazione e dialogo fra specialisti di diversa estrazione. Non si tratta di un tentativo da compiere nella solitudine degli addetti ai lavori e tanto meno in maniera autoreferenziata. Si è infatti vincolati sempre più strettamente al rispetto di standard che dovranno essere riconosciuti in ambito internazionale; in primo luogo questo avviene all interno dell Unione Europea ma per molti aspetti il campo di gioco è ormai planetario. Basti pensare a quando dovrà essere certificato in ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2 1

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5 maniera statisticamente inattaccabile, fra il 2008 e il 2012, il rispetto italiano degli accordi di Kyoto per quanto riguarda la riduzione delle emissioni dei gas a effetto serra: in quella circostanza i forestali dovranno documentare adeguatamente l efficacia delle foreste nazionali nella fissazione del carbonio atmosferico. Anche solo questo è un problema non da poco. Nel contesto dell inventariazione e del monitoraggio le sfide sono soprattutto quelle della continuità (possibilità di ripetere con frequenza le osservazioni), del basso costo delle indagini inventariali (possibilità di sviluppare disegni campionari che prevedano fasi di telerilevamento), della multivarietà (perdonatemi il neologismo: esistenza di più variabili da osservare per fini eterogenei, senza che una di esse emerga sulle altre), della possibilità di zoomare le stime per aree ristrette e quindi di consentire campionamenti integrati a più uscite estimative (a esempio fare un inventario forestale nazionale che fornisca dati utili alle regioni per eventuali indagini ulteriori). Al di fuori del contesto del monitoraggio c è poi la necessità di interpretare e modellizzare nella maniera più esauriente possibile, in termini di biometria estimativa, le dinamiche biologiche ambientali a tutti i livelli della loro possibile osservazione ed esplicazione: da quello degli individui, a quello dell ecosistema fino a quello del sistema di ecosistemi. Forse molte cose dovranno essere ripensate negli approcci metodologici, nei disegni sperimentali, nei modelli interpretativi e negli strumenti descrittivi. Da non esperto, io riesco a registrare le esigenze ma non sono in grado di proporre soluzioni. Constato che da una parte ci sono problemi da risolvere in un contesto sia nazionale sia internazionale e che dall altra parte esiste una comunità di studiosi, rappresentata in questo seminario, che buone soluzioni sembra in grado di produrre. Sul versante delle esigenze mi sembra dunque che occorrano importanti innovazioni di comportamento. In particolare: bisognerà abituarsi a collaborare interdisciplinariamente in maniera sempre più serrata (gli atti del seminario costituiscono già un dato confortante in proposito); occorrerà investire di più e meglio nella formazione e avanzare più velocemente nella ricerca (sotto questo aspetto le risorse che il nostro paese investe sono drammaticamente insufficienti). Per tutti questi motivi mi auguro che la comunità degli esperti nella statistica applicata ai problemi dell ambiente si rafforzi e si amplii sempre di più e che le occasioni di confronto si trasformino ben presto in consuetudine. Il Direttore dell ISAFA Massimo Bianchi 2 ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2

6 In questo fascicolo sono raccolte le relazioni presentate al seminario dedicato a Il campionamento nella valutazione e monitoraggio delle risorse ambientali, tenutosi a Firenze il 5 dicembre 2000 presso l Accademia Italiana di Scienze Forestali, sotto l egida della stessa Accademia, dell Istituto Sperimentale per l Assestamento Forestale e per l Alpicoltura e della Scuola di Monitoraggio, Valutazione e Diagnosi degli Ecosistemi Forestali. A tali relazioni seguono alcuni contributi afferenti al tema del seminario e presentati successivamente agli editori di questo fascicolo. Per la revisione dei lavori contenuti in questo numero delle Comunicazioni di Ricerca dell ISAFA ha operato il Comitato Scientifico del seminario, composto da Massimo Bianchi (ISAFA, Trento), Alessandro Camussi (Università di Firenze), Orazio Ciancio (Università di Firenze), Piermaria Corona (Università della Tuscia, Viterbo), Lorenzo Fattorini (Università di Siena), Marco Ferretti (Linnæa ambiente Srl, Firenze), Giovanni Tabacchi (ISAFA, Trento). La redazione del presente fascicolo è stata curata da P. Corona, M. Ferretti e G. Tabacchi. INDICE/CONTENTS Prefazione Alessandro Camussi pag. 5 Riflessioni sugli aspetti campionari nella valutazione e monitoraggio delle risorse ambientali (Considerations on sampling issues for environmental resources assessment and monitoring) Piermaria Corona, Marco Ferretti, Giovanni Tabacchi pag. 7 Design-based and model-based inference in forest inventories (Inferenza basata su disegni e su modelli negli inventari forestali) Lorenzo Fattorini pag. 13 Note su alcuni schemi di campionamento impiegabili nell inventariazione delle risorse forestali di ampi territori (Notes about some sampling designs for extensive forest inventories) Giovanni Tabacchi pag. 25 Scenari futuri delle statistiche nazionali nel settore agricolo e forestale: aspetti metodologici e di campionamento (Future scenarios of the national statistics on the agricultural and forestry sector: the methodological and sampling aspects) Roberto Benedetti, Nicoletta Cutolo pag. 39 La questione del campionamento nelle reti di monitoraggio degli effetti dell inquinamento ambientale e dei cambiamenti climatici sulle risorse naturali in Europa - Tra vecchi problemi e nuove necessità (The question of sampling in networks aimed at monitoring the effects of air pollution and climate change on natural resources in Europe - Between old problems and new challenges) Marco Ferretti, Paolo Cherubini, Matthias Dobbertin, Pier Luigi Nimis, Terry W. Parr pag. 51 ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2 3

7 L uso della diversità specifica nella valutazione e nel monitoraggio della biodiversità (The use of species diversity in the evaluation and monitoring of biodiversity) Alessandro Chiarucci pag. 73 Valutazione del ruolo delle foreste italiane nell assorbimento dell anidride carbonica atmosferica. (Evaluating the role of italian forests as sinks of atmospheric Carbon dioxide) Marco Borghetti, Federico Magnani, Giuseppe Scarascia Mugnozza, Riccardo Valentini pag. 85 Il monitoraggio delle risorse prative e pascolive per la definizione di idonee linee di gestione pastorale sostenibile (Monitoring of natural rangelands to define suitable guidelines of sustainable pastoral management) Simone Sabatini, Giovanni Argenti, Elisa Bianchetto, Nicolina Staglianò pag. 93 Struttura e scala spaziale nello studio della vegetazione forestale in aree permanenti: proprietà determinante del monitoraggio (Structure and spatial scale in woodland vegetation studies in permanent plots: a determinant feature of monitoring) Giandiego Campetella, Roberto Canullo pag. 101 Confronto fra i risultati di stima di superfici forestali ottenuti da una cartografia di copertura del suolo e quelli derivati da un campionamento sistematico (Comparison of foret area estimation by land cover mapping and systematic sampling) Marcello Miozzo, Pierpaolo Napolitano pag. 113 Nota su un esperienza pilota di monitoraggio delle risorse non legnose in ambiente forestale (Note on a pilot experimentation of monitoring non-wood forest resources) Gherardo Chirici, Piermaria Corona, Marco Marchetti pag. 129 Rilievo di tessere forestate e valutazione sintetica del loro stato secondo l ecologia del paesaggio (Survey and synthetic evaluation of forested tesserae according to landscape ecology) Vittorio Ingegnoli pag. 147 Considerazioni preliminari sul monitoraggio degli insetti saproxilici della Riserva naturale Bosco della Fontana (Mantova, Nord Italia) (Preliminary remarks on monitoring the saproxylic insects in the natural reserve Bosco della Fontana (Mantova, Northern Italy)) Franco Mason, Andrea Tagliapietra, Mara Tisato, Giovanni Ferrari pag ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2

8 PREFAZIONE Nella mia ormai non breve attività didattica ho avuto modo di introdurre alla statistica sperimentale studenti di biologia, di scienze agrarie e di scienze forestali, nei primi anni del loro iter formativo. Molto spesso per rendere evidente, in modo intuitivo, il concetto statistico di popolazione ho fatto ricorso all immagine del bosco. Il numero delle unità che lo compongono è molto alto, queste non sono esaustivamente misurabili, non tutte uguali, ma sostanzialmente rappresentabili da una funzione di densità. Il rapporto tra campione, conoscibile, e la popolazione, le cui caratteristiche possono essere stimate tramite inferenza, risultava semplice ed evidente sulla base del senso comune che vede nella foresta un insieme molto grande, ma intrinsecamente omogeneo perché costituito da individui molto simili. E ovvio che lo studente non appena a conoscenza delle più semplici cognizioni di scienze forestali si avvede della estrema semplificazione dell esempio, ma il concetto basilare di campionamento generalmente rimane acquisito. Nel seminario promosso dall Accademia italiana di Scienze forestali, dall Istituto Sperimentale per l Assestamento forestale e per l Alpicoltura e dalla Scuola di Monitoraggio, Valutazione e Diagnosi degli Ecosistemi forestali, vengono approfonditi e discussi proprio gli aspetti delle tecniche di campionamento delle risorse forestali. Il presupposto dei relatori intervenuti è quello che la risorsa forestale, quali che siano gli aspetti di valenza teorica o applicativa considerati, è essenzialmente un sistema complesso. Le tecniche moderne di campionamento devono tenere conto fondamentalmente della complessità della risorsa da campionare, fornendo nel contempo stime semplici da interpretare e di valenza il più possibile generale. La statistica, che molti considerano a torto o a ragione tradizionale, affronta la complessità del sistema di riferimento e basa la consistenza delle conclusioni fornite dal processo campionario sull esistenza di assunzioni generali e di ampio campo di applicazione. Basti considerare la più nota delle funzioni di densità, quella normale o le funzioni di densità da essa derivate, per ricordare che a fronte della robustezza delle stime ottenibili corrisponde una obbiettiva difficoltà nell individuare realtà o processi biologici che veramente si adattino alle assunzioni distributive. Il successo della statistica inferenziale di tipo probabilistico dimostra che la scarsa corrispondenza tra realtà biologica e funzione a priori è generalmente compensata dalla bontà e dalla semplicità delle funzioni di stima. Un secondo aspetto che mi permetto di ricordare, anche sulla base di personali interessi di ricerca, è che la risorsa ambientale o più specificamente forestale è di per sé di natura multivariata. In altri termini, le caratteristiche che congiuntamente determinano l entità intrinseca dei singoli oggetti nella nostra popolazione di riferimento sono potenzialmente molto numerose. Un approccio che privilegi una delle componenti che definiscono un sistema intrinsecamente complesso consente interpretazioni e, in molti casi, estrapolazioni la cui efficacia dipende dal grado di rappresentatività della componente esaminata. Anche in questo caso o nel passaggio a poche o molte dimensioni, la bontà delle stime è basata su assunzioni parametriche generalmente semplici, spesso difficilmente verificabili nella realtà ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2 5

9 biologica, ma che conferiscono la possibilità di stimare parametri o funzioni di questi con elevata potenza. Non va inoltre trascurato anche in questo contesto l uso esteso e ampiamente accettato, perché propedeutico a risultati robusti sotto l aspetto interpretativo, del modello lineare. La natura nella sua essenza più vera, dal livello molecolare a quello delle manifestazioni più appariscenti, è essenzialmente non lineare nelle sue componenti, ma l impiego di relazioni semplici nei parametri ha avuto per più di un secolo una efficacia pratica di grande utilità. L avvento di risorse di calcolo sempre più potenti, a costi progressivamente decrescenti, ha inevitabilmente introdotto anche nel settore metodi numerici e computazionali anche complessi. Ciò ha limitato la validità e, diciamo pure, la necessità operativa di forti assunzioni. La potenza di calcolo ha reso possibile l applicazione di modelli generati dai dati, quindi non basati su assunzioni generali, ma di validità locale, anche nel settore del campionamento e della stima delle risorse ambientali. Le nuove frontiere si posizionano in territori teoretici ed applicativi ove le assunzioni non sono a priori, ma a posteriori, cioè derivate da ciò che effettivamente risulta a disposizione nel contesto di impiego, anche in funzione delle dimensioni del campionamento o di variabili ambientali concomitanti. L apparente complessità dell approccio e la spesso difficile lettura dei risultati rispetto alle più tradizionali procedure parametriche non devono a mio avviso limitare la valutazione e la verifica dell applicazione di queste metodologie in campo inventariale e campionario. La tecnologia sempre più ci consentirà di ottenere informazioni complesse, quantitativamente estese e parzialmente ridondanti, richiedendo come priorità essenziale lo sviluppo e l applicazione di metodi statistici e numerici che ci permettano di gestire la enorme quantità e numerosità dell informazione potenzialmente ottenibile, ma difficile da riassumere in modo efficace. La necessità di confrontare idee e procedure innovative e di natura in parte interdisciplinare è l oggetto di questo ottimo Seminario che offre un occasione di aggiornamento e di valutazione critica di grande interesse. Alessandro Camussi Ordinario di Genetica agraria, Università di Firenze 6 ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2

10 Piermaria Corona 1, Marco Ferretti 2, Giovanni Tabacchi 3 RIFLESSIONI SUGLI ASPETTI CAMPIONARI NELLA VALUTAZIONE E MONITORAGGIO DELLE RISORSE AMBIENTALI 4 Considerations on sampling issues for environmental resources assessment and monitoring Parole chiave: Campionamento statistico, Monitoraggio, Risorse ambientali. Key words: Statistical sampling, Monitoring, Environmental resources. 1 Dipartimento di Scienze dell Ambiente Forestale e delle sue Risorse, Università degli Studi della Tuscia, via S.Camillo de Lellis, Viterbo. 2 Linnæa ambiente Srl, Firenze 3 Istituto Sperimentale per l Assestamento Forestale e per l Alpicoltura (CRA, MIPAF), Villazzano di Trento 4 Lavoro svolto dagli autori in parti eguali. ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2 7

11 Negli ultimi decenni si è assistito a un crescente interesse per una migliore conoscenza qualitativa e quantitativa delle risorse ambientali. La disponibilità di informazioni affidabili e standardizzate è considerata infatti condizione necessaria per programmare iniziative in materia di tutela e valorizzazione ambientale, coordinare le politiche ai vari livelli e verificarne l implementazione. L inventariazione e il monitoraggio sono riconosciuti come i principali strumenti di supporto a tal fine. Tuttavia, sebbene le potenzialità siano ampiamente condivise a livello scientifico e tecnico, la loro applicazione risulta non di rado contraddittoria rispetto a criteri oggettivi di affidabilità ed efficienza. Per rilevamento campionario si intende l osservazione di una parte di una popolazione (campione) al fine di trarre conclusioni sull intera popolazione. Nell ambito della valutazione e monitoraggio delle risorse ambientali, ancora oggi la selezione del campione avviene spesso con criteri non meglio specificati di cosiddetta rappresentatività. A questo modo di operare fanno generalmente riferimento, ad esempio, la pratica della cubatura dei boschi, molti tipi di indagini a carattere ecofisiologico e fitosanitario, ecc. Com è noto, al di là dei risultati che può offrire in termini di accuratezza delle stime, un campionamento che si basi su una definizione non formale di rappresentatività mantiene considerevoli margini di soggettività, tali da renderlo intrinsecamente non corretto: i parametri stimati sulla base di un campione estratto dalla popolazione in modo soggettivo, e perciò arbitrario, devono essere ritenuti a priori distorti e non è in alcun modo possibile valutarne il grado di precisione. La possibilità di valutare in maniera oggettiva l incertezza delle stime rappresenta un elemento essenziale per stabilire se le informazioni fornite possano servire come effettivo supporto per la pianificazione e la gestione ambientale, ai vari livelli. Solamente l adozione dei metodi e delle tecniche di campionamento statistico consente una tale valutazione, assicurando la necessaria affidabilità all inventario e al monitoraggio. Un uso attento e ponderato di questi metodi e tecniche permette di elaborare e interpretare correttamente e proficuamente i risultati delle stime e può garantire che le informazioni siano scientificamente difendibili e a minimo costo. In passato, l abitudine ai rilevamenti in forma di censimento rendeva riluttanti gli operatori nei confronti dell impiego del campionamento statistico. Questa tendenza sembra oggi quasi del tutto scomparsa. Se il censimento può risultare ancora in qualche misura applicabile per indagini di limitata portata e per aree di ridotta estensione, in tutti gli altri casi il rilevamento campionario è divenuto la prassi. I primi sistemi di rilevamento campionario delle risorse ambientali sono stati messi a punto nel settore forestale. All inizio di questo secolo vennero via via sviluppati e realizzati sistemi inventariali intesi nell accezione corrente, dapprima in Scandinavia e in America settentrionale e successivamente nelle foreste tropicali: è stato appunto in questi territori particolarmente vasti, dei quali si conosceva poco o nulla, che sono state riconosciute e sperimentate su larga scala le opportunità derivanti dall impiego dei metodi di campionamento statistico al fine di poter stimare la consistenza quali-quantitativa del patrimonio forestale. Oggi, il ricorso agli schemi di campionamento statistico rappresenta una necessità per tutta una serie di indagini che vanno oltre i confini del settore forestale, fino ai più diversi ambiti della biologia ambientale (dalle valutazioni inerenti la biodiversità a quelle sulla qualità dell aria), a diverse scale applicative (locali, regionali, nazionali, internazionali) e per esigenze informative connesse all identificazione dei cambiamenti non solo della consistenza (tradizionale interesse nel settore forestale) ma anche dello stato di una determinata risorsa ambientale (EDWARDS, 1998). Le strategie di campionamento statistico che tipicamente caratterizzano gli inventari forestali e in genere il rilevamento ambientale sono ben sviluppate (DEMING, 1950; COCHRAN, 1953; HANSEN et al., 1953; DE VRIES, 1986; SCHREUDER et al., 1993; CORONA, 2000) e disponibili per un ampia gamma di necessità e di utenti una volta che la tipologia di studio sia chiaramente identificata in relazione agli scopi dell indagine (EBERHARDT ethomas, 1991). Peraltro, nonostante il corpus teorico consolidato, lo scenario in tema di campionamento statistico applicato alla valutazione e al monitoraggio delle risorse ambientali appare alquanto articolato e suscettibile di significative innovazioni. I concetti della statistica inferenziale sottendono problemi epistemologici e metodologici di grande rilevanza sui quali si va sviluppando una riflessione critica, sia per evitare fraintendimenti, sia per esplicitare la portata e il significato dei metodi impiegati, delimitandone il campo di applicazione. Nello specifico, le tecniche di campionamento richiedono accorgimenti che possono essere messi in atto solamente quando c è consapevolezza delle peculiarità e dei limiti dei metodi di indagine (CIANCIO, 2000). Vengono di seguito introdotti, a mo di esempio e senza pretesa di esaustività, alcuni aspetti problematici e realtà di sviluppo. i. Sia in Europa che in nord-america importanti risorse ambientali (foreste, acque superficiali, ecc.) sono interessate da programmi di monitoraggio (HORNUNG, 1990; PARR et al., 2000). Generalmente, 8 ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2

12 nel passato anche recente, tali programmi sono stati definiti e implementati sulla base di esigenze informative spesso settoriali (vd., ad esempio, le indagini sugli effetti dell inquinamento atmosferico sulle foreste). Attualmente, le prospettive stanno cambiando e si va registrando un interesse sempre più accentuato verso reti di monitoraggio integrate, con più di una risorsa ambientale come target e con più soggetti, istituzionali e non, quali potenziali utenti finali dei dati (SIMPSON e PARR, 2000). In quest ottica, più che all installazione di nuove reti di monitoraggio ambientale pensate in funzione dei nuovi requisiti, viene sempre più spesso preferita l esplorazione di possibili forme di integrazione di dati forniti da reti diverse. Ciò determina considerevoli problemi dal punto di vista statistico e operativo (OVERTON et al., 1993; OLSEN et al., 1999; PARR et al., 2000). ii. Le tecniche statistiche non sono una sorta di meccanismo automatico avulso dal contesto in cui si opera: esse sono di grande utilità quando soddisfano le condizioni peculiari del problema da affrontare e si confanno ai dati disponibili. In questo contesto non solamente è importante formulare con chiarezza e precisione il problema che si analizza: è soprattutto determinante l approfondita conoscenza delle caratteristiche e delle specificità delle tematiche investigate. I programmi di inventariazione e monitoraggio ambientale fanno in genere riferimento alle caratteristiche di estensione, fisionomia, struttura e funzionalità degli ecosistemi, ai diversi livelli di organizzazione, operando sulla base di indicatori modulabili a seconda della scala di interesse (mondiale, continentale, nazionale, regionale, comprensoriale, stazionale, ecc.). Per ciascun livello, gli indicatori dei parametri chiave vengono individuati sulla base di attributi facilmente rilevabili. Il sistema di indicatori prescelto e la metodologia standard per applicarli, compreso il disegno campionario, costituiscono gli strumenti operativi. Un esempio è l insieme delle azioni proposte per la caratterizzazione e il monitoraggio della biodiversità forestale in Europa, a livello di regioni biogeografiche, di paesaggio e di popolamento boschivo, nel quadro delle Risoluzioni L1 ed L2 della conferenza di Lisbona (BARBATI et al., 1999). Cosa i vari indicatori possano realmente significare in riferimento alla biodiversità non appare peraltro ancora esaustivamente compreso e così il monitoraggio stesso può risultare inefficace. iii. Una conoscenza approfondita dei processi ecologici può essere raggiunta attraverso l analisi dei meccanismi che ne sono alla base. In questa prospettiva vengono riconosciuti una serie di diversi livelli di organizzazione rispetto ai quali i sistemi ecologici possono essere analizzati: biosfera, ecosistema, comunità, popolazione, individuo, organo, tessuto, cellule, ecc. Gli strumenti e le metodologie sperimentali per l analisi di sistemi complessi come una popolazione, un ecosistema o la stessa biosfera fanno, in genere, riferimento ad un approccio riduzionistico, secondo il quale per conoscere il funzionamento di un sistema nel suo insieme occorre procedere a una raccolta di dati ai livelli inferiori di organizzazione e alla loro successiva aggregrazione tramite integrazione di scala (scaling up). Diverse sono le modalità operative per effettuare l integrazione di scala (SCARASCIA MUGNOZZA, 1997). In tutti i casi, il problema principale riguarda l impossibilità di determinare un dato attributo di interesse per tutti gli elementi considerati ai livelli inferiori di organizzazione del sistema oggetto di analisi (ad esempio, tutte le foglie di un albero nel caso si voglia stimare l assorbimento complessivo di carbonio atmosferico da parte dell albero stesso mediante un modello di simulazione di tipo ecofisiologico). In questi casi si può proficuamente procedere per via campionaria, esaminando un numero ridotto di elementi: è però indispensabile non solamente risolvere i problemi connessi al dimensionamento e all allocazione del campione, ma anche valutare adeguatamente gli effetti complessivi della propagazione degli errori campionari sulle stime ritraibili in sede di integrazione di scala. iv. A seconda degli obiettivi, il campionamento può essere impiegato per test di ipotesi (analytical inference) o per la descrizione di popolazioni (enumerative inference) (SCHREUDER et al., 1999). Ad esempio, il primo caso può essere quello di un ricercatore che compie un numero limitato di esperimenti su un numero ridotto di individui di una data specie animale e, sulla base dei risultati ottenuti, cerca di inferire il probabile comportamento degli individui della stessa specie sottoposti allo stesso tipo di esperimento. Il secondo caso può essere quello di un proprietario forestale che individua alcune aree campione, ne misura la provvigione media unitaria e cerca di inferire da tale valore la provvigione legnosa dell intera proprietà. Uno schema di campionamento a fini descrittivi può differire enormemente da uno predisposto per il controllo di ipotesi. D altra parte, uno stesso schema di campionamento può soddisfare ambedue gli scopi, fornendo sia stime descrittive della popolazione di interesse, sia, ad esempio, dati per effettuare il test delle ipotesi riguardo a gruppi di individui. Appare peraltro necessario un ulteriore approfondimento delle strategie campionarie in grado di soddisfare contemporaneamente le esigenze di inferenza di grandezze dal campione alla popolazione, nonché i possibili usi a fini di inferenza di ipotesi fatte sulla popo- ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2 9

13 lazione a partire da misure fatte su campioni. In effetti, come già accennato, i rilevamenti ambientali sono indirizzati non solamente alla valutazione della consistenza di un dato sistema (ad esempio, superficie e provvigione legnosa di una foresta), ma anche al suo status e all eventuale identificazione di possibili relazioni causa-effetto tra gli elementi interni ed esterni rispetto a esso (OLSEN et al., 1999). v. Molti sforzi si vanno facendo per integrare schemi di campionamento design-based, di natura essenzialmente probabilistica, e model-based, basati sulla conoscenza a priori di specifiche relazioni tra gli attributi di interesse e altri attributi facilmente rilevabili. La chiave per un efficace impiego delle strategie model-based è di disporre di modelli validi per le relazioni di interesse (GREGOIRE, 1998). Gli schemi di campionamento model-based possono essere piuttosto efficienti, ma, a parità di altri fattori, sono anche più suscettibili di distorsioni nelle stime, meno affidabili nella valutazione delle varianze e meno difendibili in situazioni potenzialmente controverse rispetto ai classici schemi design-based. vi. La funzione dell inventariazione e del monitoraggio ambientale a supporto della pianificazione e gestione può essere del tutto vanificata con la produzione di soli output tabellari, costituiti da elenchi di dati non immediatamente visualizzabili dal punto di vista del loro riferimento geografico. In tal senso, se si vogliono georeferenziare le statistiche di sintesi, si dovrà necessariamente fornire le stime a livelli di disaggregazione via via più spinti (ad esempio, unità amministrative) e caratterizzati da una localizzazione progressivamente più dettagliata. Parallelamente, un aspetto importante riguarda la possibilità di garantire, ove necessario e possibile, la compatibilità dei risultati inventariali con le statistiche ottenibili dalla cartografia tematica. I metodi campionari per caratterizzare fenomeni su base spaziale sono studiati e approfonditi in maniera estensiva (COX et al., 1997) e l uso di tecniche riferite alla geostatistica è assai frequente in molti settori della biologia ambientale. Appaiono però ancora insufficienti gli approcci che permettano una piena integrazione tra rilevamenti puntuali di tipo campionario e rilevamenti cartografici basati su interpretazione per poligoni di immagini telerilevate. vii. La teoria del campionamento, così come correntemente applicata nell inventariazione e monitoraggio delle risorse ambientali, è stata specificamente sviluppata e ottimizzata per la stima di attributi rilevati su scala assoluta o intervallare (la percentuale di superficie forestale di proprietà pubblica, la temperatura di una data unità di volume di aria o di acqua, ecc.). Esistono metodi consolidati per comparare disegni inventariali riferiti a questo tipo di dati. Epperò, gli attributi di interesse nell ambito della valutazione e monitoraggio delle risorse ambientali sono non di rado basati su scale nonmetriche di tipo nominale o ordinale (ad esempio, il valore paesaggistico). I parametri statistici che possono essere stimati per variabili di questo tipo sono piuttosto pochi (CORONA e FERRARA, 1999). viii. A livello tecnico appare utile approfondire i risultati teorici ottenuti sui metodi di ricampionamento (ad esempio, jackknife e bootstrap) per poterli sfruttare più convenientemente ai fini della stima delle varianze nel caso di schemi di campionamento complessi (SCHREUDER et al., 1993). Tramite questi metodi possono essere applicati stimatori più robusti e potenzialmente in grado di fornire intervalli fiduciari più affidabili rispetto a quelli classici. Il loro effettivo impiego nella pratica del rilevamento ambientale risulta però, in linea generale, ancora carente. ix. I rilevamenti campionari possono essere caratterizzati sulla base delle popolazioni studiate (WARREN, 1979; DALENIUS, 1988): a) rilevamenti di popolazioni finite di oggetti singolarmente identificabili (un esempio è l insieme di edifici di una nazione costruiti dopo una certa data); b) rilevamenti di popolazioni finite di elementi non individualmente identificabili (ad esempio, una popolazione di pesci in un lago); c) rilevamenti di processi che si sviluppano nel tempo (una sequenza di eventi quali, ad esempio, gli incidenti automobilistici nel corso di un anno); d) rilevamenti di processi che si sviluppano su un piano (ad esempio, la superficie forestale di una nazione). Nel caso del rilevamento campionario delle superfici forestali, gli elementi della popolazione, e quindi le unità campionarie, possono essere variamente definiti. In genere, si assumono unità di osservazione costituite da piccole tessere di territorio (le cosiddette aree campione) che possono avere diversa forma ed estensione. L insieme di queste tessere, mutualmente esclusive e che esauriscono tutto il territorio in esame, individua l intera popolazione. Per migliorare l efficienza del rilevamento campionario delle foreste, sono state nel tempo adottate unità di campionamento diverse, basate su apposite regole di associazione tra alberi e punti di sondaggio. A questo proposito si possono ricordare le unità di campionamento costruite secondo un criterio di scelta degli alberi, da associare ad un punto di campionamento, basato sulla proporzionalità con le loro dimensioni, oppure sulla proporzionalità con la previsione di una loro dimensione (ad esempio, l altezza). L insieme dei tipi di unità di osservazione impiegate in ambito forestale si è ulteriormente 10 ISAFA Comunicazioni di ricerca 2001/2

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