DSM in Italy: the case study of the PRIN project Terribile F (1)., Aru A., Basile A (3)., Bocchi S. (4), Bonfante A. (1), Bonifacio E. (5), Buttafuoco.

DSM in Italy: the case study of the PRIN project

Terribile F(1)., Aru A., Basile A(3)., Bocchi S. (4), Bonfante A. (1), Bonifacio E. (5),  Buttafuoco G. (3), Cantelli D. (6), Carnicelli S. (7), Castrignanò A. (8), Ciampalini R. (7), Comolli R. (6), Dazzi C. (9),  De

Mascellis R. (3),  Falsone G. (5), Iamarino M. (1), Iasio C. (7), Laudicina V. A. (9),  Lo Papa G. (9),  Lopez R.

(4), Manna P. (1), Monteleone S. (7),  Parello F., Parisi S.,  Paternò M., Provenzano G., Scalenghe R. (9),  Territo C. (9),  Tusa D. (9), Vacca A. (2), Vingiani, S(1)., Wolf U. (7), Zanini E., Zucca C(6).

(1) DISSPA Università di Napoli Federico II; (2) Università di Cagliari; (3) CNR ISAFOM, Ercolano; (4) Università di Milano; (5) Università di Torino; (6) Università di Milano Bicocca; (7) Università di

Firenze; (8) ISA MIPAF Bari; (9) Università di Palermo

It is a national project funded by the Italian Ministry of Research (PRIN)

It is a project on methodologies to address spatial variability issue for soil mapping

An introduction to the approach In the last decade, in Italy soil mapping has indeed become a strategic tool for landscape planning at different levels (village, district, region, country) and for different purposes

•The methodologies have been well standardised and, of course, they all rely on georeferenced databases.

•Soil survey is generally performed on the budget of the different administrative regions and it is generally made by private companies of pedologists.

The standard approach – deterministic and discontinuous (s=f(cl,o,r,p,t…))

Despite the extremelly high value of the results obtained by soil mapping……………there are some problems ……….

•Of course the problem of spatial variability inside each soil mapping and soil type units

• it is an old problem Nelson e McCracken, 1962; Andrew e Stearns, 1963; Mader, 1963; Wilding et al., 1964; Powel e Springer 1965; Beckett e Webster, 1971; Bascomb e Jarvis 1976; Wilding et al. 1965; McCormack e Wilding; Nettleton et al. (1991).

•But also the lack of some major physical and hydrological soil properties (i.e. hydraulic conductivity; water retention curve, mechanical resistivity, etc.…)

•This make difficult for soil map to properly address many functional soil properties (i.e. related to water movement)

Information on the spatial variability of the soil physical properties are becoming a “must” in environmental studies,….. if meaningful result have to be given. Such framework is extremelly important moving towards the use of physically based models.  Such limitation is one of the major problems in future application of soil mapping to address many environmental and agricultural problems.

Some of our problems ….

Volcanic soils and triggering mechanisms of landslide initiation: the case study of Sarno e Quindici

(ad es. Basile, Mele, Terribile. 2002. Soil hydraulic behaviour of a selected benchmark soil involved in the landslide of Sarno 1998. Geoderma Elsevier)

Campi Flegrei

Monti Lattari

Monti Lattari:Typic Hapludand

Typic Hapludand

0.2

0.4

0.6

0.8

1101001000

theta

-h (cm)

B A

0.2

0.4

0.6

0.8

1101001000 - h (cm)

theta

Ap

A

Bw

Campi Flegrei (Gauro): Ustivitrand

Tipologia di modelli utilizzatiAn example of the influence of soil type on pollution

susceptibility of shallow groundwaterBasile, A., De Mascellis, R., Terribile, F. 1999. Il suolo e la protezione degli acquiferi: studio pedologico e idrologico dei suoli della

piana del F. Sarno (Campania). Quaderni di Geologia Applicata. Numero monografico su "Rischio di Inquinamento"; pubbl. GNUCI-

CNR n. 2000. pp. 1251-1261

All these soils are sandy loam; they have the same score of the soil parameters in the (widespread) empirical models like

DRASTIC/SINTACS

prof. Rif. Soil Taxonomy Sos. Org. (%)

text drastic sintacs

A 2,7 FS 6 7Bw 1,6 FL

A 6,6 FS 6 8Bw 2,6 FL

A 2,8 FS 6 7Bw 1,7 F

A 2,5 FS 6 8Bw 2,5 F

A 6,6 FS 6 6Bw 2,6 FS

A 2,8 FS 6 8Bw 1,2 FS

A 2 FS 6 8Bw 1,3 SF

Vitrandic Ustochrepts

VAC2 S21 Vitrandic Hustochrept

PAL6 P32

Typic Haplustand

PAL8 P52 Aquic Hustivitrand

PAL4 P37

Eutric Haplustand

PAL5 P22 Aquic Haplustand

VAS1 P70

Vitrandic HustochreptPAL10 S14

Curve di ritenzione dei suoli franco-sabbiosiorizzonti Ap

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

110100100010000

h (cm)

(cm3 cm

-3)

Pal4

Pal5

Pal6

Pal8

Pal10

Vas1

Vac2

Curve di ritenzione dei suoli franco-sabbiosiorizzonti Bw

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

110100100010000

h (cm)

(cm3 cm

-3)

Pal4

Pal5

Pal6

Pal8

Pal10

Vas1

Vac2

Parametri idrodinamici del trasporto nei suoli franco sabbiosi

unità R P D (cm2

min-1)

V (cm min-1)

Pal4 1.13 1.06 7.79 1.03

Pal5 1.31 0.47 1.06 0.05

Pal6 0.80 8.52 0.13 0.11

Pal8 0.92 1.74 1.36 0.28

Pal10 0.73 2.3 3.42 0.6

Vas1 0.89 7.29 1.11 0.61

Vac2 0.91 2.71 7.30 1.86

S1 S 12

1.E-10

1.E-08

1.E-06

1.E-04

1.E-02

1.E+00

110100100010000 - h (cm)

k (cm/min)

S1

S12

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

110100100010000 - h (cm)

(cm3/cm3)

S1

S12

curve di fuoriuscita del soluto (breacktrough curve)

0.0

0.5

1.0

1.5

0 1 2 3 4 5poro - volumi

Cr

S1 S12

S1 - modello CD S12 - modello CD

S1

S 12

Flussi di soluto e di acqua con drenaggio libero

-40

-30

-20

-10

0

10

20

31/05/91 01/07/91 01/08/91 01/09/91 02/10/91 02/11/91

data

W -8

0 (

cm)

-340

-290

-240

-190

-140

-90

-40

10

SO

L

-80 (m

g cm

-2)

S1 -acqua S12 -acqua S1 -soluto S12 -soluto

Condizioni disimulazione

Condizione iniziale ContornoInferiore

Contorno Superiore

- Periodo dal 1/6 al 1/12- Ingresso del solutocontinuo fino al 15/9 eaggiunta singola il 15/9.

- Concentrazione del soluto al15/9 della precedentesimulazione.- Potenziale del suolo suolo da –150 cm in superficie a –50 cm a80 cm di profondità.

-Drenaggio libero(Falda profonda).

- Evapotraspirazione uguale ai datimedi del periodo.- Irrigazione settimanale di 300 m3

ha-1.- Conc. del soluto di 5 mg cm-3 finoal 15/9 + 400 mg cm-3 il 16/9.- Piogge medie del periodo.

Flussi di soluto e di acqua con drenaggio libero

-40

-30

-20

-10

0

10

20

31/05/91 01/07/91 01/08/91 01/09/91 02/10/91 02/11/91

data

W -8

0 (

cm)

-340

-290

-240

-190

-140

-90

-40

10

SO

L

-80 (m

g cm

-2)

S1 -acqua S12 -acqua S1 -soluto S12 -soluto

Condizioni disimulazione

Condizione iniziale ContornoInferiore

Contorno Superiore

- Periodo dal 1/6 al 1/12- Ingresso del solutocontinuo fino al 15/9 eaggiunta singola il 15/9.

- Concentrazione del soluto al15/9 della precedentesimulazione.- Potenziale del suolo suolo da –150 cm in superficie a –50 cm a80 cm di profondità.

-Drenaggio libero(Falda profonda).

- Evapotraspirazione uguale ai datimedi del periodo.- Irrigazione settimanale di 300 m3

ha-1.- Conc. del soluto di 5 mg cm-3 finoal 15/9 + 400 mg cm-3 il 16/9.- Piogge medie del periodo.

U10

U

6

13

10

11

18

15

8

6-32

7

6

32

1

4

5 9

7

8

1

6

SN

2

10-215

5

4

3

13-31

2

1

11-289

8

10

1

13

146

3

2

11-304

5

11

12

T

R

0 1 2 3 Kilometers

N

Aquic Xerofluvent

-1000

-800

-600

-400

-200

0

1 3 5 7 9 11 13day

h (cm)

location 1-11

'' 2-11

'' 3-11

'' 4-11

'' 5-11

'' 6-11

'' 12-11

'' 13-11

'' 14-11

h = -800 cm

The general aims of the project:

•To approach the difficult problem of soil variability in soil mapping analysing the soil continuum by:

•Standard soil survey

•Geostatistical approaches

•Deterministic continuum approaches (i.e.DEM derived parameters; vegetation indexes, etc.) using covariates

•Measurements with a high benefit/cost ratio for high resolution survey (i.e. vegetation spectral indexes, geophysics, ultrasonic penetrometry, field fluorescence spectrometry, etc.)

•Measurement of highly relevant physical properties for low resolution survey (i.e. automatic tension infiltrometers, REV, etc.)

The research proposal has involved the following

univerisites: Napoli, Firenze, Torino, Milano, Cagliari,

Palermo and 2 research institute (CNR Isafom of

Napoli and ISA of Bari) .

Years: 2002- 2006

The people in charge of the project :

Coordinator: F. Terribile

Pedology: R. Comolli; C. Dazzi

Soil hydrology: A. Basile

Geostatistics: A. Castrignanò

Continuous deterministic approaches – S. Carnicelli

Geophysics: Geostudi (private company) & A. Vacca

Aggregation: Eleonora Bonifacio

Valchiavenna (300 ha)

Lodigiano (2000 ha)

Mustigarufi (150 ha)

Study sites: training sites for the group

Main analysis for each study area

Field

• 100 + 80 (in a sub-area) profile/auger/minipit description

• 100 + 80 (in a sub-area) penetrometric measurements

• About 30 infiltrometry test (70% with TDR measurements);

• Undisturbed samples for hydrology micromorphology on benchmark soils (about 5 profiles);

• Geophysical continuous measurement (mainly EM)

lab

• Water retention curve, Ks and micromorphology on benchmark soils

• PSD, pH (water, KCl) , total geochemistry, C org, N, carbonates, etc. on all the soils

• Aggregate stability

Foto A

Linea 1

Linea 2

FIG 8

C 10000 Hz

Linea 1Picchetto 1

Picchetto 24

Picchetto 24= 0402

Linea 2 Sondaggio foto A

CONFRONTO GEM 300 – RESISTIVITA’

FIG 7

Picchetto 1= 0404

Sondaggio 0404

Sondaggio 0402

FIG. 9

EM38DD

Area 1 traccia DGPS

Area 1 bobine verticali profondità 1.5m circa

misure conducibilità mS/mPrato: Area non coltivata

Porzione iniziale dove lo strumento non è stato calibrato in maniera corretta

Spatial distribution

Limite inferiore del

primo orizzonte

superficiale

Sabbia

Carbonio Organico

N totale

Valchiavenna

N totale DISTANZE (m) LAG

SEMIVARIANZE

ΥCarbonio

Co-Kriging collocato dell’N back-trasformato e della quota nel I°

orizzonte superficiale

class elevation slope flow8a 1900.0 6.8 6.48b 2019.2 20.1 13.58c 1901.2 24.9 9.58d 1971.1 33.0 52.38e 1885.1 17.0 38.88f 1907.3 16.3 245.38g 2032.2 6.2 21.18h 1825.5 39.7 19.3

Landforms classification(Unsupervised Fuzzy k-means)

elevation slopeflow accumulation

soil types and landforms

(Unsupervised Fuzzy k-means classification)

Soil data:

Minipits: n. 110

Profiles: n. 5

CASE STUDY: Valchiavenna (Central Alps – Italy)**

Landform classes

Lanscape analysis and soil variability

slope

tangential curvature profile curvature

flow accumulation

Landforms classification(Supervised Fuzzy k-means)

Soil types: average terrain data(slope, tangential curvature, profile curvature, flow accumulation)

(Supervised Fuzzy k-means classification)

SOIL TYPE N. Slope Profile Tangential Flow% curvature curvature accumulation

PZ 42 18.8 0.001555 0.001413 20.4HI 3 8.9 -0.002533 0.000633 42.1LP 20 29.8 0.000320 0.002845 39.5CM 24 23.9 0.000083 0.000096 32.7FL 5 11.4 -0.000840 -0.000980 448.1RG 10 16.8 0.000310 -0.001410 77.9

67

1121

378

42

35

35

15

Percentage of soil type data accounted by their terrain average values

Podzols map Cambisols mapLeptosols map

Soil type data:

Podzol: n. 42

Cambisol: n. 24

Leptosol: n. 20

First Conclusions

We produced, in the 3 study areas, a unique soil database (at least for Italy), in terms of type of analysis and spatial resolution of the measurements.

It is a very important site where to test methodologies on spatial variability

Feasibility of producing in little time (1-2 weeks /area) an intensive survey of morphological and physical measurements.

First Conclusions

We now plan to address the soil functioning especially in the plain of Lodi with reference to two applications: (i) filtering (nitrate leaching); (ii) crop production

The project will finish in dec 2005 and …..we are very much looking for collaborations and help……

Modello di simulazione (SWAP)

OUTPUT proprietà funzionali W-80 e SOL-80

PARAMETRI SPAZIALMENTE

DIPENDENTI

Proprietà idrauliche

Parametri di trasporto dei soluti

PARAMETRI SPAZIALMENTE

INDIPENDENTI

Parametri della coltura (Kc, funzione di attingimento radicale, etc)

Condizioni Iniziali e al contorno inferiore (falda) e superiore (ETp, pioggie, irrigazioni, sversamenti, etc)

RichardsC(h) h/t = /z [ K(h) (h/z + 1)] - S

EQUAZIONI DEL MOTO DELL’ACQUA E DEL TRASPORTO DEI SOLUTI

Convezione-DispersioneR (Cr/T) = 1/P (2/Cr/Z2) - (Cr/Z)