project - EIP-AGRI Operational Group
New techniques for monitoring the carbon balance and the state of health of wood and fruit chestnut trees - Talking Chestnuts
Nuove tecniche di monitoraggio del bilancio del carbonio e dello stato di salute del castagneto da legno e da frutto - Castagni Parlanti
Objectives
Assessment of the ecological footprint of chestnut restoration to productive cultivation within a forest matrix, in terms of carbon fixation and sequestration in the soil-plant system, water use and land cover. Obtainment of operational indications for an effective and sustainable chestnut forest management for combined wood and fruit production. The restoration to normal cultivation of chestnuts that have become "wild" may present challenges, especially in the context of climate change: the use of technology (e.g. TreeTalkers®) can help choose the best management strategy, for example as regards pruning.
Objectives
Valutare l'impronta ecologica del recupero del castagneto all'attualità di coltura da frutto all'interno di una matrice forestale, in termini di fissazione e sequestro del carbonio nel sistema suolo-pianta, di uso dell'acqua e di copertura del suolo, traendone indicazioni concrete per una gestione forestale efficace e sostenibile per la produzione congiunta di legno e di frutto. Il recupero di castagni inselvatichiti può presentare parecchie sfide, specialmente in un contesto di cambiamento climatico: l'impiego della tecnologia (ad esempio dei TreeTalker) può aiutare a scegliere la strategia di gestione migliore, per esempio per quanto riguarda le potature.
Activities
Recovery of the chestnut grove into a cultivation state and selection of a subset of plants. The chestnut trees have been continuously monitored with the innovative TreeTalker® system and, for validation, partly also with Monitoring PAM sensors. Data analysis has led to a deeper understanding of the interaction between chestnut growing, forest management and the environment. The contents have been made accessible through targeted media: workshops, web portal, downloadable app and training classes for technical operators - online, in presence, in the chestnut grove, and through a study travel to Portugal (Braganza), to interact with other experts and chestnut growers.
Activities
Recupero del castagneto all’attualità di coltura e selezione di un sottoinsieme di piante. I castagni sono stati monitorati in continuo con l’innovativo sistema TreeTalker® e, per validazione, in parte anche con sensori Monitoring PAM. L’analisi dei dati ha portato a una più profonda comprensione dell’interazione tra castanicoltura, gestione forestale e ambiente. I contenuti sono stati resi accessibili con modalità mirate: incontri e convegni, portale del progetto, applicazione scaricabile su smartphone e programmi formativi - online, in aula, nel castagneto e in un viaggio formativo in Portogallo (Braganza), dove è stato possibile interagire con altri esperti e altri castanicoltori.
Context
In most of the Italian Apennines the chestnut grove is evolving towards a mixed forest with an important presence of Castanea sativa Mill. lacking the structural characteristics necessary for the traditional production of fruit. Faced with this process of re-naturalization, the Emilia-RomagnaRegion recognizes the desirability of maintaining fruit-bearing chestnut growing in the Apennines, as a resource for the mountain economy and as a characterizing element of the landscape and tradition. The recovery of the chestnut grove to the topical crop is, however, expected only in the most suitable conditions, considering not only the phytoclimatic zone but also the appropriate micro-site conditions, thus proceeding with recovery interventions on small surfaces (<500 square meters) inside of a forest matrix (Art. 30, Emilia-Romagna Forest Regulation).
The aim of the project is to assess the ecological footprint of this recovery to the topicality of cultivation, in terms of carbon fixation and sequestration in the soil-plant system, water use and land cover.
The project therefore proposes to (i) disseminate methods of analysis of stational suitability (Land Suitability Analysis) for the identification of areas potentially suited to recovery in the current situation; (ii) apply smart and low-cost technologies to monitor the environmental impact and on the C cycle of the recovery of the chestnut grove; (iii) apply the same methodologies to monitor the response of the chestnut to climate change.
Further details
- Main funding source
- Rural development 2014-2020 for Operational Groups
- Rural Development Programme
- 2014IT06RDRP003 Italy - Rural Development Programme (Regional) - Emilia-Romagna
Location details
- Main geographical location
- Bologna
- Other geographical location
- Parma
Project keyword
€ 191848.72
Total budget
Total contributions from EAFRD, national co-financing, additional national financing and other financing.
Contacts
-
Open Fields
Project coordinator
-
Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
Project partner
-
CMCC - Fondazione Centro Euro-Mediterraneo sui Cambiamenti Climatici
Project partner
-
Centoform SRL
Project partner
-
Cooperativa Valreno
Project partner
Resources
- Video and mention of the Project in TV, Italian program Geo&Geo, RAI 3
- News on project-related training
- EIP Agri Inspirational Ideas, March 2021
- Article in "Rivista di Divulgazione di Cultura Agraria" March 2020 #0, Italian …
- Final presentation
- News
- Emilia - Romagna Region Video
- Participation in EIP Agri Seminar "Turning forest innovation into practice", Ma…
7 Practice Abstracts
IoT (Internet of ... Trees)
The TreeTalker®
The TreeTalker®, developed by Prof. Riccardo Valentini (University of Tuscia, CMCC) and created by Nature 4.0, responds to the concept of the Internet of Things (IoT): small sensors connected to each other and networked with a wireless network, for continuous monitoring of a large number of objects (chestnut trees in our case).
The main parameters detected by the Tree Talker allow to estimate:
- Transmitted NDVI - Normalized Difference Vegetation Index detected under the canopy, with detection of the spectral bands transmitted through the canopy. Provides information on the coloring of the vegetation (early yellowing) and the state of health of the plant
- NPP - Net Primary Production indicates the quantity of new biomass potentially produced by plants (calculated starting from solar radiation) and of the carbon subtracted from the atmosphere and fixed in tissues
- Sap Flow (or lymphatic flow) indicates the amount of water transported by the plant and potentially evapotranspiration, the first index of negative response to climatic extremes
- Growth in diameter of the plant
- Oscillations of the plant
IoT (Internet of ... Trees)
Il TreeTalker®
Il TreeTalker®, sviluppato dal Prof. Riccardo Valentini (Università della Tuscia, CMCC) e realizzato da Nature 4.0, risponde al concetto di Internet of Things (IoT): piccoli sensori connessi fra di loro e in rete con rete wireless, per il monitoraggio in continuo di un gran numero di oggetti (i castagni nel nostro caso).
I parametri rilevati dal Tree Talker permettono di stimare:
- NDVI trasmesso - Normalized Difference Vegetation Index rilevato sotto la chioma, con rilevazione delle bande spettrali trasmesse attraverso la chioma. Fornisce informazioni sulla colorazione della vegetazione (ingiallimenti precoci) e lo stato di salute della pianta
- NPP - Net Primary Production indica la quantità di nuova biomassa potenzialmente prodotta dalle piante (calcolata a partire dalla radiazione solare) e del carbonio sottratto dall'atmosfera e fissato nei tessuti
- Sap Flow (o flusso linfatico) indica la quantità di acqua trasportata dalla pianta e potenzialmente evapotraspirata, primo indice di risposta negativa a estremi climatici
- Crescita in diametro della pianta
- Oscillazioni della pianta
The role of forests in the agro-forestry system of the future
Forests, properly managed, can play a valuable role in improving the carbon balance in agro-forestry systems.
New technologies can harmoniously integrate with the millenary skills of the people who work in mountain areas, providing support, the possibility of measuring and exploiting results, ideas for managing the new challenges posed by climate change.
Il ruolo delle foreste nel sistema agro-forestale del futuro
Le foreste, opportunamente gestite, possono svolgere un ruolo prezioso per il miglioramento del bilancio del carbonio nei sistemi agro-forestali.
Le nuove tecnologie possono integrarsi armoniosamente con le competenze millenarie delle persone che operano nelle aree montane, fornendo supporto, possibilità di misurazione e valorizzazione dei risultati, spunti per la gestione delle nuove sfide poste dal cambiamento climatico.
The project demonstrated the possibility of using thematic maps of the Emilia-Romagna Region and satellite images to:
- analyzing large areas and identify the most suitable areas for the cultivation recovery of the chestnut grove, taking into consideration ecological factors (slope, crown density, nutritional and health status of the plants...) and economic factors (distance from roads, properties...). All aspects well known to the active chestnut grower, not always to the owner interested in a possible future recovery of production
- monitoring the state of health of the chestnut grove through satellite images (typically available free of charge every 5 days) and the application of indices such as NDVI (density of the crowns ...) or the measurement of the chlorophyll content of the leaves, early yellowing index (for attacks by pathogens or insects, climatic damage…)
The project has also demonstrated through its training courses that these tools are now easily accessible to chestnut farmers.
Precision agriculture is possible not only in lowland areas, but also in the Apennine area.
Il progetto ha dimostrato la possibilità di utilizzare mappe tematiche della Regione Emilia-Romagna e immagini satellitari per:
- analizzare ampie superfici e individuare le aree più idonee per il recupero colturale del castagneto, tenendo in considerazione fattori ecologici (pendenza, densità delle chiome, stato nutritivo e di salute delle piante…) ed economici (distanza dalle strade, proprietà…). Tutti aspetti ben noti al castanicoltore attivo, non sempre al proprietario interessato a un possibile futuro recupero produttivo
- monitorare lo stato di salute del castagneto attraverso immagini da satellite (tipicamente disponibili gratuitamente ogni 5 giorni) e l’applicazione di indici come NDVI (densità delle chiome, vedi sopra) o la misura del contenuto di clorofilla delle foglie, indice precoce di ingiallimento (per attacchi di patogeni o insetti, danni climatici…)
Il progetto ha anche dimostrato attraverso i suoi corsi di formazione che questi strumenti sono oggi facilmente accessibili ai castanicoltori.
L’agricoltura di precisione è possibile non solo in zone di pianura, ma anche in area appenninica.
Carbon and the soil.
The stock of organic C was calculated and normalized to the control value. The soil in which an average pruning of the chestnut trees was carried out is the one which has shown a greater increase of C in the soil. In the two years of monitoring, the average chestnut pruning led to an increase compared to the control also of labile C and N and of the microbial biomass in the first 15 cm of soil. The heterotrophic soil respiration, which was normalized to the control, shows an increase in the two years in the plants of the four plots with medium pruning and toppings, with an average soil temperature of the period of 16°C and 17°C in 2020 and 2021. The soil carries out fundamental ecosystem services for the functioning of the chestnut ecosystem, establishing a complex soil-plant system of relationships and processes.
In order for forestry practices aimed at the recovery of chestnut cultivation not to have negative repercussions on the ecosystem functions of the soil, it is necessary to know the properties of the soil itself on which interventions will be made in order to understand its resilience to such interventions.
In fact, soils that are weakly resilient, and which are therefore more susceptible to a decline in their chemical and biochemical fertility characteristics, can not only significantly reduce their carbon storage capacity but may not guarantee the survival of the forests established on them.
Il Carbonio e il suolo.
E’ stato calcolato lo stock di C organico ed è stato normalizzato al valore del controllo. Il suolo in cui si è effettuata una potatura media sulle piante di castagno è quello che ha evidenziato un aumento maggiore di C nel suolo. Nei due anni di monitoraggio, la potatura media dei castagni ha portato ad un aumento rispetto al controllo anche di C e N labili e della biomassa microbica nei primi 15 cm di suolo. La respirazione eterotrofa del suolo, che è stata normalizzata al controllo evidenzia un incremento nei due anni nelle piante delle quattro parcelle con potatura media e capitozzate, con una temperatura media del suolo del periodo di 16°C e 17°C nel 2020 e 2021. Il suolo svolge servizi ecosistemici fondamentali per il funzionamento dell'ecosistema del castagneto, instaurando un sistema suolo-pianta complesso di relazioni e processi.
Affinché le pratiche forestali finalizzate al recupero della coltura del castagno non abbiano ripercussioni negative sulle funzioni ecosistemiche del suolo, è necessario conoscere le proprietà del suolo stesso su cui si interverrà per comprendere la sua resilienza a tali interventi.
Infatti, suoli debolmente resilienti, e che quindi sono maggiormente suscettibili a un declino delle proprie caratteristiche di fertilità chimica e biochimica, non solo possono ridurre sensibilmente la propria capacità di stoccaggio del carbonio ma possono non garantire la sopravvivenza delle foreste insediate su essi.
In the project, three pruning methods of different intensity were compared (in addition to an unpruned control), characterized by a different impact on the shape and vitality of the plant and by a different construction cost:
a) topping (from the ground, costs very low);
b) intermediate pruning (first order pruning - tree climber, low cost);
c) light pruning (second order pruning - tree climber, intermediate cost).
Evidence (TreeTalkers® data):
- The pruned plants reduce the water requirement compared to the control during almost the entire first vegetative cycle following the pruning, to then align the water consumption to the non-pruned ones starting from the second year. Considering that future climate change conditions predict an intensification of prolonged drought periods, favoring prunings that affect less soil water status could represent an adaptation strategy.
- The lightest prunings (mild and medium pruning) ensured a greater C sequestration capacity through the canopy per unit area of the same, compared to more intense prunings. However, this advantage disappeared at the end of the first vegetative cycle following pruning.
- Even the most intense pruning does not seem to have compromised the health of the foliage of the plants, showing values of transmitted NDVI that align in the second season for all treatments.
- The large carbon absorption occurred in autumn is interesting: the rise in temperatures in autumn stimulates photosynthetic activity and delays leaf senescence, thus expanding the useful period for carbon sequestration.
Nel progetto sono state messe a confronto (oltre a un controllo non potato) tre modalità di potatura di diversa intensità, caratterizzate da un diverso impatto su forma e vitalità della pianta e da un diverso costo di realizzazione:
a) capitozzatura (da terra, costi bassissimi);
b) potatura intermedia (potatura al primo ordine di ramificazione - tree climber, costi bassi);
c) potatura lieve (potatura al secondo ordine di ramificazione - tree climber, costi intermedi).
Evidenze (dati dei TreeTalker®):
- Le piante potate riducono il fabbisogno di acqua rispetto al controllo durante quasi tutto il primo ciclo vegetativo seguente la potatura, per poi allineare i consumi idrici a quelle non potate a partire dal secondo anno. Considerando che le future condizioni di cambiamento climatico prevendono un’intensificazione dei periodi di siccità prolungati, favorire potature che incidono meno sullo stato idrico del suolo potrebbe rappresentare una strategia di adattamento.
- Le potature più leggere (potatura lieve e media) hanno garantito una maggiore capacità di sequestro del C attraverso la chioma per unità di superficie della stessa, rispetto alle potature più intense. Tuttavia questo vantaggio è venuto meno alla fine del primo ciclo vegetativo seguente la potatura.
- Anche le potature più intense non sembrano avere compromesso la salute delle chiome delle piante, mostrando valori di NDVI trasmesso che si allineano nella seconda stagione per tutti i trattamenti.
- Interessante il grande assorbimento di carbonio avvenuto in autunno: l’innalzamento delle temperature in autunno stimola l’attività fotosintetica e ritarda la senescenza fogliare, espandendo quindi il periodo utile per il sequestro del carbonio.
What results have we achieved in this project?
- Verification and development of a widespread and low-cost detection methodology of plant functionality and growth, practically applicable by chestnut growers also for monitoring the state of health in response to environmental interventions and changes
- Testing the use of a methodology for monitoring the effects of different methods of recovering the chestnut grove on current cultivation, and for evaluating the ecological footprint of these interventions (fixation and sequestration of carbon, use of water, coverage of soil...)
- Use of a Land Suitability GIS methodology for the identification of micro-areas (< 500 m2) suited to the recovery of current crops, in the context of a forest matrix (Art. 30 Emilia-Romagna Forest Regulation)
- Activation of dissemination tools (www.castagniparlanti.it website, Castagniparlanti mobile application, visibility of the project at the Educational-Demonstrative Castagneto of Alto Reno Terme, press office activities) to make citizens aware of the specific issues addressed by the project (chestnut growing and environment)
- Extensive training activity for chestnut growers in the use of the methodologies described and in the practice of chestnut growing with technical-practical training courses
Che risultati abbiamo ottenuto in questo progetto?
- Verifica e messa a punto di una metodologia di rilevamento diffuso e a basso costo della funzionalità e crescita delle piante, praticamente applicabile dai castanicoltori anche per il monitoraggio dello stato di salute in risposta ad interventi e variazioni ambientali
- Test di impiego di una metodologia per il monitoraggio degli effetti di diverse metodologie di recupero del castagneto all’attualità di coltura, e per la valutazione dell’impronta ecologica di tali interventi (fissazione e sequestro di C, uso dell’acqua, copertura del suolo...)
- Utilizzo di una metodologia GIS di Land Suitability per l’individuazione delle micro- aree (< 500 mq) vocate al recupero all’attualità di coltura, nel contesto di una matrice forestale (Art. 30 Regolamento forestale Emilia-Romagna)
- Attivazione di strumenti divulgativi (sito web www.castagniparlanti.it, applicazione mobile Castagniparlanti, visibilità del progetto presso il Castagneto Didattico- dimostrativo di Alto Reno Terme, attività di ufficio stampa) per sensibilizzare i cittadini sulle specifiche tematiche affrontate dal progetto (castanicoltura e ambiente)
- Ampia attività di formazione dei castanicoltori all’uso delle metodologie descritte e alla pratica della castanicoltura con corsi di formazione tecnico-pratici
The possibility of a recovery of the chestnuts in order to resume their cultivation requires to carefully identify the most suitable areas to recover and to carefully monitor the results of the operations, in addition to the selection of the best recovery methods. We are helped in this by new technologies. Free spatial analysis software (GIS), thematic databases of the Region and high-resolution satellite images make the analysis of station suitability within the reach of even small companies; the diffusion of knowledge remains today the main bottleneck for its widespread and effective application.
At the same time, the technological developments of recent years make it possible to have low-cost instruments for monitoring growth, functionality (leaf development, transpiration...) and the state of health of plants, automatically remotely, in what by analogy with the Internet of Things can be configured as a «Internet of Trees». These innovative techniques (TreeTalkers®) will allow chestnut farmers to monitor the state of health of plants and their response to cultural interventions and global change in a perspective of precision agriculture in a mountain environment.
La possibilità di un recupero dei castagni alla attualità di coltura richiede di individuare attentamente le aree maggiormente idonee da recuperare e di monitorare attentamente i risultati delle operazioni, oltre alla selezione delle migliori modalità di recupero. Siamo aiutati in questo da nuove tecnologie. Software gratuiti di analisi territoriale (GIS), database tematici della Regione e immagini satellitari ad alta risoluzione rendono l’analisi di idoneità stazionale alla portata anche delle piccole aziende; la diffusione delle conoscenze rimane ad oggi il principale collo di bottiglia per una sua diffusa ed efficace applicazione.
Al tempo stesso, gli sviluppi tecnologici degli ultimi anni rendono possibile disporre di strumentazioni a basso costo per il monitoraggio della crescita, della funzionalità (sviluppo fogliare, traspirazione...) e dello stato di salute delle piante, in maniera automatica da remoto, in quello che per analogia con l’Internet of Things si può configurare come un «Internet of Trees». Queste tecniche innovative (TreeTalker®) permetteranno ai castanicoltori di monitorare lo stato di salute delle piante e la loro risposta agli interventi colturali e al cambiamento globale in una prospettiva di agricoltura di precisione in ambiente montano.