Questo articolo introduce un quadro geomorfologico che usa la rete di canali come modello spaziale per studiare l’organizzazione della vegetazione, dei suoli e del bilancio idrico del suolo in un bacino fluviale semiarido. Accoppiando un modello stocastico di umidità del suolo con la funzione d’area del bacino, gli autori mostrano che umidità media del suolo, traspirazione e stress idrico dinamico presentano tutti caratteristiche auto-affinilegate alla struttura geomorfica della rete.

L’applicazione al bacino dell’Upper Rio Salado rivela che il pattern reale della vegetazione si colloca entro un intervallo delimitato da una configurazione casuale e da una “ideale” che minimizza lo stress idrico — suggerendo che gli ecosistemi naturali bilanciano l’ottimalità a grande scala con eredità ecologiche casuali a piccola scala (dispersione, disturbo, effetti del fondatore).

@article{Caylor2005,
  author  = {Caylor, Kelly K. and Manfreda, Salvatore and Rodriguez-Iturbe, Ignacio},
  title   = {On the coupled geomorphological and ecohydrological organization of river basins},
  journal = {Advances in Water Resources},
  volume  = {28}, number = {1}, pages = {69--86}, year = {2005},
  doi     = {10.1016/j.advwatres.2004.08.013}
}

Usando serie temporali NDVI da satellite lungo il Kalahari Transect (Angola–Botswana–Sud Africa), questo studio esplora come la copertura erbacea risponda dinamicamente alla variabilità interannuale delle precipitazioni e come questa componente dinamica sostenga la persistenza a lungo termine degli ecosistemi di savana. Un semplice modello di umidità del suolo accoppiato a un’equazione di crescita/decadimento dell’erba riproduce 16 anni di copertura erbacea frazionaria da satellite.

Il confronto tra copertura erbacea dinamica e statica mostra che la componente erbacea temporalmente adattiva attenua lo stress idrico degli alberinegli anni secchi e riduce il drenaggio profondonegli anni umidi — una co-organizzazione in cui gli alberi seguono la media pluviometrica di lungo termine mentre le erbe ne seguono la variabilità ad alta frequenza.

@article{Scanlon2005,
  author  = {Scanlon, Todd M. and Caylor, Kelly K. and Manfreda, Salvatore and Levin, Simon A. and Rodriguez-Iturbe, Ignacio},
  title   = {Dynamic response of grass cover to rainfall variability: implications for the function and persistence of savanna ecosystems},
  journal = {Advances in Water Resources},
  volume  = {28}, number = {3}, pages = {291--302}, year = {2005},
  doi     = {10.1016/j.advwatres.2004.10.014}
}

Basandosi sulla covarianza spazio-temporale analitica dell’umidità del suolo, questo articolo sviluppa un quadro quantitativo per la progettazione di reti di campionamento dell’umidità del suolo. Vengono affrontati due problemi di stima: l’umidità media giornaliera di lungo termine in un punto (rilevante per la calibrazione del telerilevamento e la validazione dei GCM) e l’umidità giornaliera mediata su un’area (rilevante per la modellistica idrologica).

Schemi di campionamento casuale e casuale stratificato sono confrontati in funzione della dimensione della rete, della durata del campionamento e dell’eterogeneità del paesaggio. La geometria della rete gioca un ruolo minorenella stima della media di lungo termine — dove domina il campionamento temporale — ma un ruolo maggiorenelle medie areali istantanee, specialmente in paesaggi eterogenei.

@article{Manfreda2006,
  author  = {Manfreda, Salvatore and Rodriguez-Iturbe, Ignacio},
  title   = {On the spatial and temporal sampling of soil moisture fields},
  journal = {Water Resources Research},
  volume  = {42}, number = {5}, pages = {W05409}, year = {2006},
  doi     = {10.1029/2005WR004548}
}

Questo articolo estende il quadro analitico spazio-temporale dell’umidità del suolo a paesaggi con due tipi di vegetazione funzionalmente diversi — alberi ed erbe — rappresentati come processo di Poisson marcato. Ogni specie contribuisce con i propri parametri di intercettazione, evapotraspirazione e radicazione, propagati analiticamente nella covarianza dell’umidità del suolo.

Emergono due regimi: un decadimento a piccola scalaguidato dall’eterogeneità della vegetazione e un decadimento a grande scalaimposto dai campi di pioggia. La media spaziale attenua fortemente la variabilità, mentre la media temporale fino a una settimana lascia la varianza pressoché invariata. Il modello è parametrizzato con dati di pioggia della regione Basilicata (Italia meridionale).

@article{RodriguezIturbe2006,
  author  = {Rodriguez-Iturbe, Ignacio and Isham, Valerie and Cox, David R. and Manfreda, Salvatore and Porporato, Amilcare},
  title   = {Space-time modeling of soil moisture: Stochastic rainfall forcing with heterogeneous vegetation},
  journal = {Water Resources Research},
  volume  = {42}, number = {6}, pages = {W06D05}, year = {2006},
  doi     = {10.1029/2005WR004497}
}

Usando mappe di umidità del suolo dal modello VIC nell’ambito del North American Land Data Assimilation System (NLDAS) a risoluzione 0,125°, questo articolo studia il comportamento di scala della varianza dell’umidità del suolo in funzione dell’area di mediazione, sia per lo strato superficiale (10 cm) sia per quello radicale (100 cm).

La varianza segue un chiaro decadimento a legge di potenzacon l’area di mediazione, con pendenze che dipendono sistematicamente dallo stato di umidità: l’essiccamento accentua la pendenza (riducendo la correlazione spaziale), l’inumidimento la appiattisce. Lo strato più profondo mostra maggiore organizzazione spaziale e stabilità temporale rispetto a quello superficiale — rilevante per il downscaling dei prodotti di telerilevamento e per evitare bias nei modelli di superficie a bassa risoluzione.

@article{Manfreda2007,
  author  = {Manfreda, Salvatore and McCabe, Matthew F. and Fiorentino, Mauro and Rodriguez-Iturbe, Ignacio and Wood, Eric F.},
  title   = {Scaling characteristics of spatial patterns of soil moisture from distributed modelling},
  journal = {Advances in Water Resources},
  volume  = {30}, number = {10}, pages = {2145--2150}, year = {2007},
  doi     = {10.1016/j.advwatres.2006.07.009}
}

Esperimenti in vaso e in campo su piante di olivo (Olea europaea L., cv. Coratina) caratterizzano i meccanismi fisiologici e biochimici con cui questa iconica specie mediterranea tollera la siccità prolungata. Le misure includono potenziale idrico fogliare, scambi gassosi, efficienza fotosintetica, aggiustamento osmotico, attività degli enzimi antiossidanti e rapporti di crescita radice/chioma.

Le piante di olivo sostengono traspirazione e fotosintesi a potenziali idrici fogliari molto bassi grazie all’aggiustamento osmotico attivo (mannitolo, glucosio, prolina), a una maggiore elasticità della parete cellulare, all’aumento degli enzimi antiossidanti e a un più alto rapporto radice/chioma — facendo dell’olivo un vero paradigma di tolleranza alla siccità nelle condizioni mediterranee semiaride.

@article{Sofo2008,
  author  = {Sofo, Adriano and Manfreda, Salvatore and Fiorentino, Mauro and Dichio, Bartolomeo and Xiloyannis, Cristos},
  title   = {The olive tree: a paradigm for drought tolerance in Mediterranean climates},
  journal = {Hydrology and Earth System Sciences},
  volume  = {12}, number = {1}, pages = {293--301}, year = {2008},
  doi     = {10.5194/hess-12-293-2008}
}

Questo editoriale introduce il numero speciale Coupled Ecological–Hydrological Processes della rivista Ecohydrology, nato da una sessione dell’EGU General Assembly sulle interazioni clima–suolo–vegetazione. La raccolta è organizzata attorno a quattro temi: dinamiche dell’umidità del suolo, interazioni suolo–pianta, modellistica della vegetazione ed effetti del cambiamento climatico sugli ecosistemi naturali.

Spaziando da esperimenti di campo, modellistica dell’umidità del suolo e dello stress idrico, modelli ecoidrologici fisicamente basati e scenari di cambiamento climatico, l’editoriale evidenzia come l’ecoidrologia operi come scienza intrinsecamente interdisciplinare, costruendo i ponti necessari per una gestione sostenibile delle risorse idriche e degli ecosistemi naturali.

@article{Manfreda2010preface,
  author  = {Manfreda, Salvatore and Smettem, Keith and Iacobellis, Vito and Montaldo, Nicola and Sivapalan, Murugesu},
  title   = {Coupled ecological--hydrological processes},
  journal = {Ecohydrology},
  volume  = {3}, number = {2}, pages = {131--132}, year = {2010},
  doi     = {10.1002/eco.131}
}

Questo articolo estende il diffuso modello stocastico di umidità del suolo di Laio et al. (2001) per includere la capacità di infiltrazione limitata dei suoli, tenendo conto esplicitamente della durata degli eventi tramite l’equazione di infiltrazione di Philip. Il nuovo schema è confrontato con la formulazione originale a eccesso di saturazione su un’ampia gamma di tessiture e condizioni climatiche.

Le differenze sono trascurabili nei suoli molto permeabili ma diventano rilevanti in quelli meno permeabili (limo, argilla) e sotto climi con eventi brevi e intensi — tipici delle regioni aride e mediterranee. Includere l’eccesso di infiltrazione abbassa in genere sia la media sia la varianza dell’umidità del suolo, portando a uno stress idrico della vegetazione più elevato. La scelta dello schema di infiltrazione ha un impatto amplificato sulle variabili di stato ecologiche rispetto a quelle idrologiche.

@article{Manfreda2010,
  author  = {Manfreda, Salvatore and Scanlon, Todd M. and Caylor, Kelly K.},
  title   = {On the importance of accurate depiction of infiltration processes on modelled soil moisture and vegetation water stress},
  journal = {Ecohydrology},
  volume  = {3}, number = {2}, pages = {155--165}, year = {2010},
  doi     = {10.1002/eco.79}
}

Questo articolo propone un quadro generalizzato che collega l’organizzazione spaziale degli individui — descritta tramite una distribuzione double-Poisson generalizzata — al bilancio idrico e allo stress idrico a scala di paesaggio. Le piante sono rappresentate come punti casuali con chiome e apparati radicali circolari, catturando sia l’effetto facilitativo delle chiome sovrapposte (intercettazione della luce) sia quello competitivo delle radici sovrapposte (assorbimento idrico).

Combinando indici di aggregazione da telerilevamento globale, climatologie di pioggia TRMM e il modello analitico, gli autori identificano i confini climatici che favoriscono la vegetazione aggregata rispetto a quella sovra-dispersa. L’aggregazioneemerge come strategia per massimizzare l’uso dell’acqua ponderato sullo stress in condizioni più aride, mentre i pattern sovra-dispersidominano nei climi più umidi — offrendo un’interpretazione fisica della crescente variabilità osservata negli ecosistemi delle terre aride.

@article{Manfreda2017,
  author  = {Manfreda, Salvatore and Caylor, Kelly K. and Good, Stephen P.},
  title   = {An ecohydrological framework to explain shifts in vegetation organization across climatological gradients},
  journal = {Ecohydrology},
  volume  = {10}, number = {3}, pages = {e1809}, year = {2017},
  doi     = {10.1002/eco.1809}
}