Geochemical investigation of the soil organic carbon and evaluation of its depletion: the case study of Ferrara province (Northern Italy)

Il carbonio organico (OC) rappresenta ∼50% della soil organic matter (SOM), la quale risulta fondamentale per la fertilità del suolo. I suoli globalmente sequestrano ∼1500 Pg di OC. Sulla base delle condizioni locali (ad esempio il clima, le precipitazioni e l’altitudine) e delle caratteristiche litologiche e tessiturali, un suolo può comportarsi come fonte di emissione o sequestratore di OC, con conseguenti ripercussioni sugli ecosistemi. Pertanto, suoli ben gestiti possono sequestrare OC incrementando le condizioni di fertilità di un’area contribuendo alla mitigazione del cambiamento climatico. D’altra parte, il rilascio di OC dal suolo sotto forma di CO2 incrementa le emissioni di Greenhouse Gas (GHG), influenzando negativamente il clima. Durante l’ultimo secolo, la fisiografia della provincia di Ferrara (caratterizzata da ambienti alluvionali e costieri con anche presenza di aree umide) ha subito modifiche da attività antropiche (ad esempio l’uso del suolo e i cambiamenti di uso del suolo). Pertanto, questa tesi si focalizza sulla determinazione dei contenuti di carbonio attuali (ad esempio il soil organic carbon stock) e sulla mappatura delle firme isotopiche del C (N e S), per definire benchmark che potrebbero essere utili in futuro per investigare ogni variazione spaziale e temporale del C. Inoltre, questa tesi valuta la dissipazione della degradazione della SOM e la magnitudo dei GHG (come la CO2 equivalente) emessi dai suoli di Ferrara comparando dati presenti con quelli riportati in uno studio del 1937, pubblicato a seguito dei significativi interventi di bonifica (per convertire le zone umide in aree agricole) della prima metà del XX secolo. A tal fine, analisi di speciazione elementare del C e analisi elementare accoppiata alla spettrometria di massa isotopica (EA-IRMS) di C (N e S) sono state eseguite su numerosi campioni di suolo raccolti in diversi ambienti della provincia di Ferrara. I dati risultanti sono stati descritti in cinque lavori, sintetizzati in questa tesi, che hanno investigato una vasta gamma di campioni: 1) 22 suoli superficiali e profondi (30-40 e 100-120 cm di profondità) nei comuni di Ferrara e Vigarano Mainarda; 2) 138 topsoil (0-30 cm di profondità) raccolti i) nei comuni della zona centrale della provincia (Ferrara, Portomaggiore e Argenta), ii) nelle terre bonificate dei comprensori di Copparo e Codigoro, iii) nelle terre bonificate dell’areale di Ostellato; iv) nella zona costiera della provincia (comune di Comacchio); 4) 15 topsoil presso un’azienda agricola biologica di Malborghetto di Boara; 5) 100 suoli (0-15 cm di profondità) nell’areale di Jolanda di Savoia. In generale, questa tesi ha lo scopo di fornire diverse mappature e modellare le distribuzioni del carbonio del suolo dell’intera provincia di Ferrara. Inoltre, tale particolare lavoro offre: 1) un nuovo strumento per riconoscere la provenienza del suolo (ad esempio l'efficacia dell'analisi elementare e isotopica C, N e S), 2) una panoramica sulla degradazione SOM (confronto dei dati dopo 85 anni) dovuta all'intensificazione dell'agricoltura, 3) una caratterizzazione esclusiva delle torbe bruciate per far luce sui processi bio-geochimici estremi che avvengono nella pedosfera, 4) una caratterizzazione geochimica e geofisica di un'azienda agricola locale per ottenere una mappatura rapida del carbonio organico (con anche l'uso della conducibilità elettrica), 5) una descrizione dei tentativi prodotti per prevedere una mappa del carbonio organico del suolo utilizzando 100 concentrazioni di OC e immagini multi- e iper-spettrali.

Organic Carbon (OC) represents ∼50% of the soil organic matter (SOM), which is fundamental for the soil fertility. Globally, ∼1500 Pg of OC are sequestered by soils. On the basis of the local conditions (e.g., climate, precipitations, altitude) and of soil lithological and textural characteristics, soils can behave as a source or sink of OC, with repercussion on the ecosystems. Well managed soils can sequester OC increasing the fertility of an area and contributing to the mitigation of climate change. On the other hand, the release of OC as CO2 from soils increases the greenhouse gases (GHGs) emissions, negatively affecting the climate. During the last century, the physiography of the Ferrara province, characterized by alluvial and coastal environments and wetlands, was modified by anthropic activities (e.g., land use and lang use change). Therefore, this thesis is focused on defining the nowadays carbon contents (e.g., soil organic carbon stocks) and mapping the isotopic signatures of C (N, and S) in order to define benchmarks that could be useful in future to investigate any spatial and temporal variations in C. In addition, this thesis evaluated the dissipation of the SOM degradation and the magnitude of GHGs (as CO2 equivalent) emitted by the Ferrara soils comparing the current data with those reported in a study of 1937, after the significant reclamation events (to convert wetlands into agricultural areas) of the first half of the twentieth century. For this purpose, the elemental speciation of C and the coupled elemental analysis isotope ratio mass spectrometry (EA-IRMS) analyses of C (N, and S) were carried out for numerous soil samples collected in various environments of the Ferrara province. The resulting data were described into five works, summarized in this thesis, which investigated a wide range of samples: 1) 22 superficial and deep soils (30-40 and 100-120 cm in depth) in the municipalities of Ferrara and Vigarano Mainarda; 2) 138 topsoils (0-30 cm in depth) collected in i) the central municipalities of the province (i.e., Ferrara, Portomaggiore, and Argenta), ii) the reclaimed lands in the surroundings of Copparo and Codigoro, iii) the reclaimed lands in the surroundings of Ostellato, and iv) the littoral lands of the province (i.e., the Comacchio municipality); 3) 5 peat profiles (total of 33 investigated horizons in the first meter) in the Mezzano Lowland; 4) 15 topsoils of an organic farm in Malborghetto di Boara; 5) 100 soils (0-15 in depth) in the area of Jolanda di Savoia. In general, this thesis mapped and modeled soil carbon along the entire Ferrara province. In addition to this, such particular work offers: 1) a new tool to recognize soil provenance (e.g., the efficacy of C, N, and S elemental and isotopic analysis), 2) an overview on SOM degradation (data comparison after 85 years) due by the intensification of agriculture, 3) an exclusive characterization of burned peats to shed light on extreme bio-geochemical processes that take place in the pedosphere, 4) a geochemical and geophysical characterization of a local farm to obtain a rapid mapping of organic carbon (with also the use of the electrical conductivity), 5) a description of the tried attempts to predict a map of soil organic carbon using 100 OC concentrations and multi- and hyper-spectral imagery.