Approccio agroecologico integrato per monitorare le praterie montane: dalla telemetria GPS dei pattern di pascolamento alla microbiologia dei cicli dei nutrienti nel suolo

The following thesis investigates multiple methods to monitor seminatural grasslands managed by humans, and it mainly focuses on grasslands. These biomes are among the most widespread in the world, almost covering 40% of terrestrial surface and are characterized by a rich multifunctionality. Among semi-natural grasslands, pastures and meadows play important roles in agriculture by supporting livestock systems with habitat and feeds. Grassland functionality is based on soil, which hosts complex microbial communities able to drive and regulate nutrient cycles such as N and C. Local disturbance, such as animal grazing and fertilization, can influence the soil microbial communities with implications on ecosystem functions. However, the relations among local disturbances and soil microbial communities are still largely unexplored. This thesis aims to investigate the feasibility of integration between methods used to characterize grazing patterns and soil microbial communities in order to build an integrate approach for monitoring grasslands. This thesis is articulated with three contributions based on the application of GPS telemetry combined with remote sensing and molecular analysis to monitor highlands grasslands. The first contribution tests the effects of vegetation abundance, derived from satellite imagery (NDVI index), slope and farmer conduction on grazing patterns of lactating cows in alpine pastures through GPS telemetry and remote sensing. The second contribution is also based on GPS telemetry and remote sensing, and it extends the approaches of the first one, considering the differences among multiple behaviours and parities and between local and common breeds in lactating cows at a larger alpine pasture. The third contribution tests the effect of difference in terms of soil microbial communities between highland grasslands managed as pasture or meadow in a European context through the application of real time PCR and sequencing. Results of the first contribution revealed significant avoidance of the steepest slopes and preference for high vegetated grassland areas by the cows and a significant effect of the farmer conduction, necessary to increase the use of marginal areas. The second contribution confirmed the avoidance of the steepest slopes and the preference for grassland areas but revealed a significant difference between local and common dairy breeds as a function of parity where younger individuals of local breed moved faster and used steeper slope than common breed and older individuals. It also confirmed a diurnal activity pattern of grazing, resting a dn walking, with grazing being predominant during the day, but remarkably present also during the early night. Results of the third contribution revealed a significant effect of pH to shape both taxonomic and functional profiles of soil microbial communities, while management of pasture and meadow induced dissimilarity only in terms of OTU lists, highlighting likely functional redundancy and uncoupling between taxonomic biodiversity and functional diversity. Thus, the results presented in this thesis confirmed the promising application of GPS telemetry-remote sensing and real time PCR-sequencing for monitoring grassland as all methods were able to detect variability at fine scales. The integration of methods can provide useful tools for monitoring the multifunctionality of grasslands and assessing impacts of human management at different temporal and spatial scales.

La seguente tesi indaga molteplici metodi per monitorare le praterie seminaturali gestite dall'uomo, concentrandosi principalmente sui pascoli. Questi biomi sono tra i più diffusi al mondo, ricoprendo quasi il 40% della superficie terrestre, e sono caratterizzati da una ricca multifunzionalità. Tra le praterie seminaturali, i pascoli e i prati svolgono un ruolo importante in agricoltura, supportando i sistemi zootecnici con habitat e risorse alimentari. La funzionalità dei pascoli si basa sul suolo, che ospita comunità microbiche complesse in grado di guidare e regolare i cicli dei nutrienti come quelli del N e C. I disturbi locali, come il pascolo e la fertilizzazione, possono influenzare le comunità microbiche del suolo con implicazioni sulle funzioni dell'ecosistema. Tuttavia, le relazioni tra disturbi locali e comunità microbiche del suolo sono ancora in gran parte inesplorate. Questa tesi cerca di investigare la fattibilità dell'integrazione tra i metodi utilizzati per caratterizzare i modelli di pascolo e le comunità microbiche del suolo, al fine di costruire un approccio integrato per il monitoraggio delle praterie. La tesi si articola in tre contributi basati sull'applicazione della telemetria GPS combinata con il telerilevamento e le analisi molecolari per monitorare le praterie degli altopiani. Il primo contributo verifica gli effetti dell'abbondanza della vegetazione, derivata da immagini satellitari (indice NDVI), della pendenza e della conduzione degli allevatori sui pattern di pascolo delle vacche in lattazione nei pascoli alpini attraverso la telemetria GPS e il telerilevamento. Il secondo contributo, anch'esso basato sulla telemetria GPS e sul telerilevamento, estende gli approcci del primo, considerando le differenze tra comportamenti multipli, età e tra razze locali e comuni nelle vacche in lattazione in un pascolo alpino più esteso. Il terzo contributo verifica l'effetto delle differenze in termini di comunità microbiche del suolo tra le praterie di altopiano gestite a pascolo o a prato in un contesto europeo attraverso l'applicazione della RealTimePCR e del sequenziamento. I risultati del primo contributo hanno rivelato da parte delle vacche un significativo evitamento delle pendenze più ripide insieme una preferenza per le aree erbose con abbondante vegetazione e un significativo effetto della conduzione degli allevatori, necessaria per aumentare l'utilizzo delle aree marginali. Il secondo contributo ha confermato l'evitamento delle pendenze più ripide e la preferenza per le aree erbose, ma ha rivelato una differenza significativa tra le razze da latte locali e comuni in funzione dell’età, mostrando che gli individui più giovani della razza locale si muovevano più velocemente e utilizzavano pendenze più ripide rispetto alla razza comune e agli individui più anziani. È stato inoltre confermato un pattern di attività diurna di pascolamento, riposo e camminata, con il pascolamento predominante durante il giorno, ma notevolmente presente anche nelle prime ore della notte. I risultati del terzo contributo hanno rivelato un effetto significativo del pH nel modellare sia i profili tassonomici che funzionali delle comunità microbiche del suolo, mentre la gestione a pascolo e a prato ha indotto una dissimilarità solo in termini di liste di OTU, evidenziando una probabile ridondanza funzionale e un disaccoppiamento tra biodiversità tassonomica e diversità funzionale. I risultati presentati in questa tesi hanno quindi confermato la promettente applicazione della combinazione tra telemetria GPS-remote sensing e di quella tra RealTime PCR-sequenziamento per il monitoraggio dei pascoli, poiché tutti i metodi sono stati in grado di rilevare la variabilità a scala fine. L'integrazione dei metodi può fornire strumenti utili per monitorare la multifunzionalità delle praterie e valutare gli impatti della gestione umana a diverse scale temporali e spaziali.