Analisi strutturale

UniTus-DISAFRI  
Università della Tuscia

Un popolamento forestale viene definito come una comunità di alberi sufficientemente omogenea per composizione di specie, struttura, età, densità e altri caratteri da poter essere tenuta distinta dalle comunità confinanti, e che pertanto può costituire una suddivisione elementare ai fini delle operazioni di selvicoltura e di assestamento (Bernetti, 2005).

La struttura del bosco, ovvero il modo di organizzarsi degli alberi o dei gruppi di alberi nell'ecosistema forestale, è la risultante di interrelazioni tra organismi tendenti ad un equilibrio dinamico tra loro e con l'ambiente esterno. Non c'è sistema senza struttura, essendo questa l'espressione sintetica di tali relazioni sviluppatesi nel tempo. La sua analisi molto può insegnare sulla storia del bosco, sui dinanismi in atto nei popolamenti che lo compongono e sul loro probabile evolversi. E’ quindi essenziale premessa per la definizione delle modalità gestionali di un soprassuolo forestale. Ma la struttura di un bosco è una variabile latente, non direttamente misurabile, le cui caratteristiche possono essere messe in luce attraverso i rapporti esistenti tra variabili alle quali, invece, può essere assegnato un valore. A molte variabili dendrometriche è associato un significato strutturale.

Il cavallettamento consente di determinare immediatamente il numero di fusti arborei in ciascuna classe diametrica, inoltre:

- il numero di fusti arborei a ettaro:

dove N è il numero di fusti arborei cavallettati nel soprassuolo (o nell’area di saggio) di superficie a (in m²);

- l’area basimetrica del soprassuolo (o dell’area di saggio), in m²:

dove

è l’area basimetrica dell’i-esimo fusto arboreo cavallettato (in m²), di diametro a petto d’uomo pari a d (in m);

- l’area basimetrica a ettaro (in m²ha^-1):

il valore di area basimetrica ad ettaro esprime la densità del popolamento, che consente di valutare la competizione tra le piante all’interno del popolamento.

- il diametro medio dei fusti arborei (in m):

un indice sintetico delle dimensioni diametriche del popolamento. 

 

La rappresentazione grafica della distribuzione delle frequenze dei diametri, anche in classi diametriche, (curva di distribuzione delle frequenze dei diametri) fornisce una descrizione immediata e sintetica della struttura del popolamento e rappresenta un’utile guida all’azione del selvicoltore.

Curva di distribuzione delle frequenze dei diametri in un popolamento coetaneo (A), in un popolamento disetaneo (B), in un popolamento coetaneo con strato di rinnovazione o bistratificato (C) (Cappelli, 1997)

 

Dai dati ipsometrici è possibile determinare: l’altezza media, l’altezza dominante, la statura, questi ultimi sono importanti indici di fertilità stazionale. L’elaborazione dei dati diametrici e ipsometrici consente la stima del volume legnoso del popolamento, parametro fondamentale della dendrometria.

Alle descrizioni della struttura, ritraibili dalle classiche elaborazioni dendrometriche (curva di distribuzione delle frequenze dei diametri, curve ipsometriche), si affiancano le informazioni fornite da numerosi indici sintetici: alcuni indici sono correlati alle dimensioni delle chiome (Area di insidenza totale, Grado di sovrapposizione delle chiome, Grado di copertura, LAI), altri descrivono la struttura nello spazio orizzontale sulla base di misure di distanza o della posizione reciproca tra alberi vicini (Indice di Clark e Evans, Neighbourhood Based Structural Indices).

Area di insidenza totale: è data dalla sommatoria delle aree di insidenza degli alberi presenti all’interno di un’area di saggio (in genere, un transect), riportata a ettaro. Nel calcolo di tale indice sono considerate solo le chiome o le porzioni di chioma ricadenti all’interno transect.

Grado di sovrapposizione delle chiome: è rappresentato dalla porzione di area d’insidenza comune ad uno o più alberi. Questo indice è espresso dal rapporto tra l’area di insidenza in sovrapposizione e l’area di insidenza totale delle chiome sul terreno.

Grado di copertura: è dato dal rapporto tra l’area di insidenza totale al netto dell’area di sovrapposizione delle chiome e la superficie totale dell’area di saggio (transect).

LAI (vd. § "Densità della chioma e della copertura al suolo, indice di area fogliare").

Indice di Clark e Evans (CE) (Clark e Evans, 1954): esprime la relazione tra la distanza misurata e attesa tra alberi prossimi. Questa misura consente di valutare distribuzioni orizzontali regolari o a gruppi. A esempio, per una distribuzione a gruppi l’indice assume valori inferiori a 1, mentre una distribuzione esagonale è caratterizzata da un valore massimo di 2,15. L’indice può essere calcolato mediante la seguente formula:

 

dove:

                     

    

con:

N = numero totale di alberi dell’area campione,

r_i = distanze degli i =1….N alberi dal loro vicino più prossimo,

F = superficie dell’area campione in m².

 

Neighbourhood Based Structural Indices

La diversità spaziale orizzontale, caratterizzata dalla distribuzione sul terreno dei fusti arborei, la diversità dendrologica, creata dalla mescolanza delle specie arboree e la diversità dimensionale, dovuta alla differenziazione diametrica dei fusti, costituiscono le tre componenti fondamentali della diversità strutturale (Von Gadow, 1999; Aguirre et al., 2003), uno dei principali aspetti della biodiversità dei popolamenti forestali (Larsson, 2001).

Gli indici classificati come Neighbourhood Based Structural Indices descrivono le tre componenti della diversità strutturale sulla base di misure di distanza o della posizione reciproca tra alberi vicini, effettuate in corrispondenza dei nodi di una griglia di campionamento.

Indice Winkelmass (Uniform Angle Index, UAI) (Aguirre et al., 2003): descrive la modalità di distribuzione spaziale dei fusti arborei in corrispondenza di un dato punto di sondaggio all’interno di un dato popolamento forestale, tramite l’osservazione di angoli di direzione α_j rispetto ai k alberi più vicini intorno al punto di sondaggio (per dettagli, vd. Von Gadow, 1999; Hui e Von Gadow, 2002). L’indice assume valori che variano da 0 (distribuzione di tipo regolare) a 1 (distribuzione a gruppi), mentre valori intermedi e pari a 0,5 indicano distribuzioni di tipo casuale.

 Valori dell’indice W_i4, nell’area sperimentale di una faggeta in provincia di Viterbo (Corona et al., 2005b)

 

In una recente sperimentazione, l’indice di Winkelmass è stato testato, implementandolo nel contesto di un disegno campionario probabilistico, in una faggeta nel territorio del Comune di Vetralla (VT) (Corona et al., 2005b). La sperimentazione condotta ne ha evidenziato la rilevanza operativa dell’indice essendo di facile e veloce rilievo in bosco e in grado di mettere in risalto specifiche peculiarità dell’eterogeneità strutturale del popolamento.

L’indice UAI è stato proposto per il monitoraggio sistematico della biodiversità forestale a livello europeo (Programma Forest Focus, Reg. 2151/2003; http://europe.eu.int/scadplus/leg/en/lvb/l28125.htm).

Indice di Mescolanza Dendrologica (Species Mingling, SM) (Füldner, 1995; Aguirre et al., 2003): quantifica la diversità dendrologica confrontando la specie dell’i-esimo albero di riferimento con la specie dei k alberi più vicini. Esso assume valori compresi tra 0, nel caso di alberi della stessa specie, e 1, nel caso in cui i k alberi siano tutti di specie diverse da quella dell’albero di riferimento.

L’indice SM è stato proposto per il monitoraggio sistematico della biodiversità forestale a livello europeo (Programma Forest Focus, Reg. 2151/2003; http://europe.eu.int/scadplus/leg/en/lvb/l28125.htm' href="http://europe.eu.int/scadplus/leg/en/lvb/l28125.htm" target=_blank>http://europe.eu.int/scadplus/leg/en/lvb/l28125.htm).

Indice di Dominanza Diametrica (DBH Dominance, DBHD) (Hui et al., 1998): esprime la diversità dimensionale, confrontando il diametro a petto d’uomo dell’albero di riferimento con quello dei k alberi vicini. I suoi valori variano da 0 a 1, aumentando al diminuire della dominanza dimensionale dell’albero di riferimento rispetto agli alberi vicini.

Indice di Dominanza Diametrica Modificato (DBH Dominance Modified, DBHDM) – (Corona et al., 2005a) esprime la diversità dimensionale, tuttavia nel calcolo dell’indice viene applicata una soglia minima di differenza diametrica d espressa in cm (preferibilmente pari a 4 cm, con riferimento a classi diametriche pari a 5 cm), per rendere l’indice più sensibile all’effettivo livello di eterogeneità dimensionale. L’indice DBHDM assume valori compresi tra 0 e 1, aumentando all’aumentare della dominanza dimensionale dell’albero di riferimento rispetto agli alberi vicini.

Indice DIST (Corona et al., 2005a): esprime la distanza tra il punto di sondaggio e l’albero più vicino e fornisce una semplice indicazione sul grado di densità e aggregazione tra gli alberi. DIST è espresso in un’unità di misura lineare (in genere, metri), al contrario degli altri indici considerati, che sono invece adimensionali.

In tabella 3.1 è riportata una sintesi degli indici descritti.

 

Tabella 3.1.  Neighbourhood Based Structural Indices. SH = abbondanza relativa alla s-esima specie e S è il numero di specie; i = indice dell’albero (modalità tree reference) o del punto (modalità point reference) di riferimento; j = indice per ciascuno dei k alberi più vicini all’albero di riferimento (modalità tree reference) o al punto di sondaggio (modalità point reference); spp = specie arborea; DBH = diametro a petto d’uomo; x, y = coppie di coordinate topografiche; α_r = angolo di confronto; α_j = angolo formato tra l’albero di riferimento (modalità tree reference), o il punto di sondaggio (modalità point reference), e il j-esimo dei k alberi più vicini; ri distanza dall’albero i al vicino più prossimo; N = numero di piante per ha ; n = numero di alberi campione.

 

Indice	Acronimo	Formula	Valori
Indice di Winkelmass	UAI (uniform angle index)
Indice di mescolanza dendrologica	SM (species mingling)
Indice di dominanza diametrica	DBHD (DBH dominance)
Distanza dall’albero più vicino	DIST

 

 

Il calcolo degli indici considerati può avvenire sia con riferimento a ciascun albero presente nell’area di interesse (modalità reference tree), sia con riferimento a punti di sondaggio (modalità reference point) scelti su una griglia di campionamento. 

 

  Esempio di rilevamento e calcolo di UAI, SM, DBHD e DIST, considerando i k = 4 alberi più vicini, nella modalità reference tree (I) e reference point (II). I cerchi individuano la posizione dei fusti arborei, con indicazione del loro diametro a petto d’uomo. Il simbolo [ ] indica la posizione del punto di sondaggio

 

Per il calcolo nella modalità reference tree occorre conoscere il diametro a petto d’uomo, la specie e la posizione topografica di tutti i fusti arborei inclusi nell’area di interesse. Nella modalità reference point può anche essere sufficiente rilevare questi parametri solamente per i k alberi più vicini a ciascun punto di sondaggio. In questo secondo caso gli indici SM, DBHD e DBHDM sono calcolati adottando come riferimento l’albero più vicino a ciascun punto di sondaggio. Nella modalità reference tree gli indici strutturali descritti possono essere di diretto ausilio per la verifica o la simulazione degli effetti prodotti da interventi colturali, soprattutto ove si proceda al rilievo della posizione topografica dei singoli fusti arborei (Corona et al., 2005a).

Una prova di caratterizzazione della diversità strutturale mediante l’applicazione di un sistema di indici basato sulle interrelazioni tra alberi vicini (Neighbourhood Based Structural Indices) è stata condotta in due fustaie di cerro dell’alto Lazio (Corona et al., 2005a). La prova ha evidenziato la velocità di rilievo e la semplicità operativa degli indici testati, non richiedendo in pratica né la misura di angoli, né di distanze. L’accertata possibilità di eseguire il rilievo con riferimento a soli 4 alberi intorno a ciascun punto di sondaggio permette, infatti di semplificare e accelerare le operazioni in campo.

Poiché l’elaborazione di indici strutturali risulta spesso lunga e laboriosa, alcuni Autori hanno proposto software applicativi che ne permettono il calcolo in modo automatico (a esempio, Kint et al., 2004). Calvani et al. (2005) hanno recentemente sviluppato un apposito software, denominato NBSI (Neighbourhood Based Structural Indices), che permette il calcolo di un insieme integrato di indici strutturali, basato sulle interrelazioni tra alberi vicini. L’utilizzo del software è facile e intuitivo, permettendo, inoltre, un’ampia scelta di opzioni di calcolo degli indici. La possibilità di operare direttamente con il formato txt rende il software facilmente interfacciabile con fogli elettronici, database e software GIS di comune utilizzo in ambito forestale. NBSI può essere scaricato gratuitamente presso il sito web del Dipartimento di Scienze dell’Ambiente Forestale e delle sue Risorse (DISAFRI), SISFOR dell’Università degli Studi della Tuscia (vd. Programma NBSI scaricabile gratuitamente sui siti: http://www.unitus.it/dipartimenti/disafri/sisfor.html, http://www.forestlab.net/english/home.asp).

 

  Software NBSI: esempio di schermata video

 

Tra i possibili prodotti derivati dall’applicazione degli indici strutturali, la creazione di una mappa della struttura spaziale orizzontale dei fusti arborei consente la realizzazione di uno strato informativo raster, utile direttamente ai fini gestionali.

Gli aspetti quali-quantitativi della struttura di un popolamento forestale possono essere rappresentati graficamente da software CAD o software elaborati ad hoc.Un apposito software, denominato SVS (Stand Visualization System), è stato messo a punto dal Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti – Servizio Forestale.

 

                                      

                                                              Esempio di applicazione del software SVS

 

Il programma, scaricabile gratuitamente, oltre a visualizzare la distribuzione nello spazio verticale e orizzontale degli alberi nell’area di saggio, permette la simulazione di prove di taglio e l’analisi dei dati dendrometrici di base http://forsys.cfr.washington.edu/svs.html.