SULLA STIMA DEL FATTORE COLTURALE DELLA USLE-MM PER COPERTURE FORESTALI AD EUCALITTO

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1 Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, settembre 2011 memoria n. SULLA STIMA DEL FATTORE COLTURALE DELLA USLE-MM PER COPERTURE FORESTALI AD EUCALITTO G. Callegari 1, F. Catona 2, V. Ferro 3, C. La Spada 2, P. Porto 2 (1) CNR Istituto per i Sistemi Agricoli e Forestali del Mediterraneo, Sezione Ecologia e Idrologia Forestale, Rende (CS) (2) Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agro-Forestali e Ambientali, Università degli Studi Mediterranea di Reggio Calabria (3) Dipartimento dei Sistemi Agro-Ambientali, Università degli Studi di Palermo SOMMARIO Il fattore colturale C della Universal Soil Loss Equation (USLE) esprime l efficacia antierosiva della copertura vegetale nei riguardi del suolo. Per il caso di terreni coltivati esso varia con la rotazione colturale, con le pratiche agronomiche, con il livello di produttività del suolo, con la durata delle varie fasi vegetative e con la distribuzione temporale delle precipitazioni. Nell ambito di suoli caratterizzati da copertura forestale il fattore C risulta legato, oltre che alle precipitazioni, anche alla percentuale di suolo effettivamente coperto, alla presenza o meno di pascolo, alle pratiche selvicolturali (tagli), al verificarsi di danni a seguito di incendi o fitopatologie, all eventuale attivazione di lavori preparatori agli impianti. La sua valutazione può essere comunque effettuata correttamente se si dispone di misure sperimentali di perdita di suolo e di un modello capace di interpretare sinteticamente il processo erosivo. Nella memoria, ipotizzata la validità dello schema USLE-MM, messo recentemente a punto per alcuni siti sperimentali italiani, è stato calcolato il fattore C corrispondente ad una copertura forestale ad eucalitto in un bacino sperimentale calabrese. L indagine ha anzitutto messo in evidenza l effetto di un intervento selvicolturale sulla variazione temporale di C e, più in generale, la dipendenza di tale fattore dalle caratteristiche di erosività della precipitazione. Parole chiave: fattore colturale; erosione; USLE-MM; bacini sperimentali. 1 INTRODUZIONE Le misure di perdita di suolo in siti sperimentali consentono lo studio dei fattori responsabili del fenomeno erosivo e permettono la verifica di applicabilità dei modelli previsionali. Uno dei modelli più accreditati per la stima della perdita di suolo è la USLE (Universal Soil Loss Equation) di Wischmeier & Smith (1978), la quale, unitamente alle sue versioni rivisitate (Renard et al., 1997; Foster et al., 2003), è stata diffusamente applicata anche in territorio italiano (Ferro, 2008). La USLE è notoriamente utilizzabile per la stima della perdita di suolo alla scala spaziale della singola pendice (parcella) ed alla scala temporale media annua. Tuttavia,

2 G. Callegari, F. Catona, V. Ferro, C. La Spada, P. Porto sono state condotte verifiche di affidabilità, con risultati di un certo interesse, anche a scale temporali più ridotte e per superfici più ampie, come quelle di un intero bacino idrografico, rispetto a quella di riferimento. La previsione della perdita di suolo generata da uno specifico evento erosivo riveste notevole interesse applicativo, potendo favorire ad esempio la scelta di interventi di conservazione del suolo idonei al controllo dell erosione dovuta a una pioggia di prestabilite caratteristiche di intensità e durata (Hann & Morgan, 2006). La previsione dell erosione a scale spaziali più ampie, a sua volta, aiuta a comprendere meglio le dinamiche dei processi in bacini idrografici di complessa topografia ed uso del suolo. Un aspetto di rilievo nella messa a punto di una metodologia di stima dell erosione a scale temporali e spaziali differenti è l individuazione di un appropriato indice di erosività della pioggia e del deflusso superficiale. A tal proposito, Kinnell (1997) e Kinnell & Risse (1998) hanno suggerito che un indice di erosività che, includendo il deflusso, fornisce stime di perdita di suolo più accurate dell indice di aggressività della pioggia, EI 30, di Wischmeier & Smith (1978), basato esclusivamente su un informazione pluviometrica. Il modello si basa sulla seguente espressione (Kinnell, 1997) (1) dove A e (t ha -1 ) rappresenta la perdita di suolo a scala di evento; EI 30 (MJ mm ha -1 h -1 ) l indice di aggressività della pioggia; P e (mm) la quantità di precipitazione relativa all evento; Q e (mm) il deflusso relativo al medesimo evento; b 0 un coefficiente di derivazione empirica. La quantità espressa tra parentesi quadre indica la concentrazione del sedimento mentre la quantità Q e EI 30 /P e rappresenta il fattore di erosività della USLE-M (Kinnell & Risse, 1998). Bagarello et al. (2011), utilizzando un ampio database di misure di deflusso e perdita di suolo in diverse aree geografiche italiane, sono pervenuti alla seguente versione generale della USLE-MM (Bagarello et al., 2010): (2) dove, oltre ai simboli noti, si (%) rappresenta il contenuto di limo dei suoli, s (m m -1 ) indica la pendenza della pendice e λ (m) la lunghezza della stessa. La (2), ricavata su parcelle sperimentali di lunghezza compresa tra 11 e 44 m ed aventi pendenza variabile tra 10 e 26 %, include anche l effetto dovuto all erodibilità dei suoli, rappresentato dalla percentuale di limo e da un coefficiente numerico (0.7606) supposto costante per l intero database di derivazione. Tale modello, ricavato inoltre per parcelle prive di vegetazione e continuamente arate a rittochino, consentirebbe, a patto che si disponga di misure di perdita di suolo, di quantificare il contributo dovuto alla componente vegetale in siti coltivati o boscati. Infatti, nell ipotesi di validità dello schema (2), la USLE-MM, risolta per il fattore colturale C, assumerebbe la seguente forma:

3 Considerazioni sul fattore colturale della usle-mm per coperture forestali ad eucalitto in un bacino (3) avendo indicato con C e il valore del fattore colturale alla scala del singolo evento. Nella memoria, usando le misure di perdita di suolo, precipitazione e deflusso relative agli eventi erosivi monitorati in un bacino interessato da copertura uniforme di eucalitto, viene condotta un analisi finalizzata a studiare il fattore C in ambiente forestale. 2 L AREA DI STUDIO Il bacino W3 (1.60 ha), ubicato in provincia di Crotone ( N, E) e ricadente nel più ampio bacino del Torrente Crepacuore con foce sul Mar Ionio (Fig. 1), è gestito dall Istituto per i Sistemi Agrari e Forestali per il Mediterraneo, Sezione Ecologia e Idrologia Forestale del CNR di Rende (Cs). Il bacino fu attrezzato nel 1978 nell ambito del progetto di ricerca Conservazione del Suolo del CNR per verificare l efficacia nel tempo degli eucalitteti e gli effetti conseguenti alla loro utilizzazione sulla difesa del suolo (Iovino & Puglisi, 1991). Il suolo presenta una composizione granulometrica a prevalente contenuto di limo e argilla. Il clima, tipicamente Mediterraneo, è caratterizzato da una precipitazione medio annua di circa 670 mm concentrata nei mesi autunno-invernali. Il bacino W3 è caratterizzato da una copertura di tipo boschivo derivante da rimboschimenti ad Eucalyptus occidentalis. Il soprassuolo si presenta come ceduo al secondo ciclo agamico: la prima ceduazione fu eseguita nel 1986 su una fustaia di dieci anni, la seconda nel Il bacino è attrezzato per la misura della precipitazione con pluviografo meccanico a bascula. Figura 1. L area di studio La sezione di chiusura è strumentata con un canale di misura del tipo H-flume, in cui viene effettuata la misura del tirante idrico mediante un idrometrografo di tipo meccanico. All estremità di valle è posizionato uno stramazzo di forma trapezoidale, di nota scala di efflusso, sotto il quale è presente un campionatore di torbide del tipo Coshocton. La sospensione viene convogliata in vasche di accumulo di adeguate dimensioni (Cinnirella et al., 1998). Alla fine di ciascun evento di precipitazione, la torbida raccolta nelle vasche viene lasciata sedimentare per almeno 2 giorni al termine

4 G. Callegari, F. Catona, V. Ferro, C. La Spada, P. Porto dei quali il surnatante viene eliminato mediante i rubinetti collocati alle altezze superiori. Successivamente, ogni vasca è sottoposta a svuotamento completo mediante apertura dei rubinetti; la torbida viene quindi campionata e conservata in adeguati contenitori; contestualmente viene raccolto, anche, il materiale solido depositato lungo il canale di convogliamento. Il complesso dei campioni (torbida più materiale depositato lungo le canalette) viene quindi trasportato presso il laboratorio del Dipartimento STAFA dove viene essiccato in stufa per 48 ore e pesato. I dati utilizzati nella presente indagine fanno riferimento alle misure condotte durante il periodo di osservazione compreso tra giugno 2006 e settembre 2008, a seguito di un taglio selvicolturale di tipo a raso. Sono stati presi in rassegna 20 eventi piovosi, ciascuno dei quali responsabile della produzione di deflusso liquido e solido. 3 APPLICAZIONE DEL METODO E RISULTATI La procedura proposta ha richiesto preliminarmente la suddivisione del bacino in 34 unità morfologiche elementari (con pendenza quasi costante), per ciascuna delle quali è stato applicato il modello sintetizzato nell Eq. (3). In particolare, lo schema di discretizzazione in unità elementari è servito per attribuire ai parametri si, s e λ della (3) rispettivamente i valori di limo (%), pendenza e lunghezza della singola unità morfologica. La sommatoria dei contributi di ciascuna unità elementare è stata quindi assunta coincidente con la misura di perdita di suolo misurata alla sezione di chiusura del bacino. Tale procedura di calcolo ha consentito di ricavare 20 valori di C e, corrispondenti ad altrettanti eventi erosivi, e di verificare l efficacia della copertura forestale a seguito del taglio effettuato nel mese di marzo A tal riguardo, in Fig 2a,b è riportato l andamento del fattore colturale in funzione dei giorni trascorsi dal taglio di utilizzazione. Figura 2. Andamento del fattore colturale durante il primo anno (a) e durante i due anni (b) successivi al taglio di utilizzazione. In particolare, il grafico di Fig. 2a evidenzia un andamento decrescente del fattore colturale per i primi 10 eventi successivi al taglio (circa 1 anno). Ciò è fisicamente in accordo con quanto atteso dato che la ricrescita delle piante conduce ad un maggiore grado di copertura e, di conseguenza, ad un aumento dell efficacia antierosiva della stessa. Tuttavia, estendendo l intervallo temporale a circa 3 anni (Fig. 2b), il trend si appiattisce per l insorgere di nuovi eventi di precipitazione particolarmente intensi. Tale andamento, apparentemente anomalo per i motivi prima esposti, conduce ad ipotizzare,

5 Considerazioni sul fattore colturale della usle-mm per coperture forestali ad eucalitto in un bacino come documentato in letteratura (Wischmeier, 1975; Cinnirella et al., 1998), che il grado di copertura e la percentuale di biomassa arborea non siano gli unici fattori in grado di determinare l efficacia antierosiva di un popolamento forestale. In altri termini, la medesima copertura forestale può avere una differente risposta antierosiva in relazione alle caratteristiche idrologiche dell evento dato che, per fissato grado di crescita e sviluppo della biomassa arborea, l azione di trattenuta e di smorzamento della pioggia operata dalla copertura vegetale è strettamente dipendente sia dal totale di precipitazione nell evento sia dalla distribuzione temporale delle intensità di precipitazione all interno dell evento. A conferma di ciò la Fig.3 mostra la relazione esistente tra il fattore colturale C e ed il corrispondente indice di aggressività della pioggia EI 30 per i 20 eventi esaminati. Figura 3. Relazione tra indice di aggressività della pioggia e fattore colturale durante i due anni successivi al taglio di utilizzazione. Il grafico di Fig. 3 mostra una netta dipendenza del fattore colturale dall indice EI 30, confermando che l efficacia antierosiva di un popolamento forestale dipende non solo dalla sua fase di crescita e sviluppo biologico ma anche dalla caratteristiche (distribuzione temporale delle piogge, indice di aggressività) dell evento meteorico. 4 CONCLUSIONI Le misure di perdita di suolo ottenute in siti appositamente predisposti per il monitoraggio in continuo dei processi erosivi costituiscono un informazione preziosa sia per la verifica dei modelli previsionali sia per studiare in dettaglio le variabili responsabili del fenomeno. I dati di precipitazione, deflusso e torbidità acquisiti presso un bacino sperimentale caratterizzato da copertura forestale ad eucalitto sono serviti a studiare il comportamento antierosivo di tale popolamento arboreo a seguito di eventi di precipitazione a diversa intensità. Le analisi hanno evidenziato che il fattore colturale, che notoriamente traduce in termini numerici tale effetto, mostra una sensibile

6 G. Callegari, F. Catona, V. Ferro, C. La Spada, P. Porto dipendenza non soltanto dalla fase di crescita delle piante ma anche dalla distribuzione temporale e dall erosività delle precipitazioni. Ulteriori analisi sono comunque richieste al fine di confermare tali assunzioni soprattutto per quanto concerne il modello utilizzato. Infatti, l eq. (2), pur essendo ricavata in differenti condizioni pedo-morfologiche, e pur tenendo conto del contributo dovuto al deflusso superficiale, che esprime implicitamente l effetto del sediment delivery (Ferro & Porto, 2000), necessita ulteriori affinamenti in tal senso in quanto derivata da parcelle sperimentali di lunghezza più limitata rispetto a quella dei percorsi idraulici occorrenti a scala di bacino. Ringraziamenti. La ricerca è stata svolta con fondi RdB Il contributo va diviso in maniera paritetica tra gli autori. BIBLIOGRAFIA Bagarello, V., Ferro, V., Giordano, G. Testing alternative erosivity indices to predict event soil loss from bare plots in Southern Italy. Hydrological Processes, 2010, 24, Bagarello, V., Di Stefano, C., Ferro, V., Kinnel. P.I.A., Pampalone, V., Porto, P. & Todisco, F. Predicting soil loss on moderate slopes using an empirical model for sediment concentration. Journal of Hydrology, 2011, 400, Cinnirella, S., Iovino, F., Porto, P. & Ferro, V. Anti-erosive effectiveness of Eucalyptus coppices through the cover management factor estimate, Hydrological Processes, 1998, 12, Ferro, V.. Linee guida per l applicazione della Universal Soil Loss Equation (USLE) in ambiente mediterraneo, Quaderni di Idronomia Montana 28/1, 2008, pp Ferro, V. & Porto, P. Sediment Delivery Distributed (SEDD) Model, Journal of Hydrologic Engineering, ASCE, 5(4), 2000, Foster, G.R., Yoder, D.C., Weesies, G.A., McCool, D.K., McGregor, K.C. & Bingner, R.L. coordinators. User s guide. Revised Universal Soil Loss Equation, Version 2, RUSLE2. Draft, USDA, Agricultural Research Service, Washington DC, Hann, M.J. & Morgan, R.P.C. Evaluating erosion control measures for biorestoration between the time of soil reinstatement and vegetation establishment, Earth Surface Processes and Landforms, 31, 2006, Iovino F. & Puglisi S. L amenagements des reboisements de protection.un cas d etude, 10th World Forestry Congress, Paris, Kinnell P.I.A. Runoff ratio as a factor in the empirical modeling of soil erosion by individual rainstorms, Australian Journal of Soil Research, 1997, 35, Kinnell P.I.A. Event erosivity factor and errors in erosion predictions by some empirical models, Australian Journal of Soil Research, 2003, 41, Kinnell, P.I.A. & Risse L.M. USLE-M: Empirical modeling rainfall erosion through runoff and sediment concentration. Soil Science Society of America Journal, 1998, 62, Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A., McCool, D.K. & Yoder D.C.. Predicting soil erosion by water: a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). USDA Agriculture Handbook, 703, Wischmeier, W.H. Estimating the soil loss equation s cover and management factor for undisturbed areas. Proceedings, sediment yield workshop, Oxford, Miss. ARS-40. New Orleans, LA, USDA, Agricultural Research Service, Southern Region, 1975, Wischmeier, W.H., Smith, D.D. Predicting Rainfall-erosion Losses. A Guide to Conservation Farming, vol US Dept. of Agric., Agr. Handbook, 1978, pp. 151.