Multiscale Soil Salinity Assessment at the Southern Margin of the Venice Lagoon, Italy

Saltwater intrusion affects many coastlands around the world contaminating fresh-groundwater and decreasing soil quality. In order to manage saline soils one should understand the spatiotemporal dynamics of salinity in the soil profile and its spatial variability at field scale. In the last decades, soil and pore-water salinity have been assessed using geophysical techniques, most commonly with the use of apparent electrical conductivity (ECa) measurements. At point-scale, pore-water salinity can be estimated once its relationship with ECa, soil properties, and water content is understood. Moreover, most sensors for water content estimation normally provide biased readings in saline conditions and in soil with high clay and organic carbon contents. At field-scale proximal-sensing can be used to characterize large portions of land from a relatively small number of soil samples. Sometimes, characterizing salinity is however not sufficient to understand crop yield spatial variability, which can be also influenced by other soil properties. Understanding the influence of salinity and other soil properties on crop productivity can be useful in the identification of areas that can be managed site-specifically. The general aim of this dissertation is to evaluate some sensor-based methodologies for monitoring and characterizing salinity and other related soil properties both at point- and field-scale. In particular, at point-scale the dissertation will deal with the issues regarding the use of capacitive-resistive technology for water content and pore-water salinity estimation. At field-scale some methodologies will be proposed in order to characterize the spatial variability of salinity and other soil properties influencing maize (Zea mais L.) yield using soil proximal-sensing. All the material presented in this manuscript regard the soils of an area affected by saltwater intrusion located at the southern edge of the Venice Lagoon (Italy). The dissertation is structured in five chapters. The first one includes a review on commonly used methodologies for point- and field-scale salinity assessment. An overview on the environmental issues concerning the coastland at the southern margin of the Venice Lagoon is also presented. The second chapter deals with the calibration of a low-cost capacitance-resistance probe for simultaneous monitoring of soil water content and salinity. In the third chapter an ECa-directed soil sampling scheme optimization procedure is proposed. The forth chapter analyzes maize yield as a function of soil chemical and physical properties and investigates on the use of soil-proximal sensing correlated to soil spatial variability for site-specific management units. The final chapter presents the general conclusions of the work.

L’intrusione salina interessa molte zone costiere del mondo con effetti negativi sulla qualità dell’acqua di falda e del suolo. Per gestire i problemi di salinità è necessario capirne le dinamiche temporali a livello di profilo di suolo e la variabilità spaziale a scala di campo. Tecniche geofisiche, in particolare l’utilizzo della conducibilità elettrica apparente (ECa), sono state utilizzate negli ultimi decenni per stimare la salinità del suolo e della soluzione circolante. A scala puntuale la bontà delle misure di salinità della soluzione circolante è legata alla giusta interpretazione del rapporto che la lega ad ECa, alle caratteristiche del suolo e al contenuto idrico. Inoltre, i sensori che misurano l’umidità del suolo spesso forniscono misure falsate in suoli salini e con alto contenuto di argilla e/o sostanza organica. A scala di campo il proximal-sensing può essere utile per caratterizzare vaste porzioni di territorio a partire da un numero relativamente ridotto di campioni di suolo. Spesso la caratterizzazione della salinità non è sufficiente per capire la variabilità spaziale delle rese colturali, che può essere influenzata da altre caratteristiche del suolo. Capendo come la salinità e altre proprietà del suolo influenzano la produttività agraria può essere utile per identificare delle aree in cui apportare interventi agronomici sito-specifici. L’obiettivo generale di questo lavoro è valutare delle metodologie per monitorare e caratterizzare la salinità del suolo ed altri parametri chimico-fisici del suolo ad essa legati, con l’ausilio di sensori, sia a scala puntuale che di campo. In particolare a scala puntuale si affrontano le problematiche relative all’utilizzo di sensoristica capacitivo-resistiva per stimare il contenuto volumetrico e la salinità della soluzione circolante. Mentre a scala di campo si propongono delle metodologie per caratterizzare la variabilità spaziale della salinità del suolo e di altre proprietà che influenzano la resa di Zea mais L. con l’utilizzo di tecniche di proximal-sensing del suolo. Questa tesi riguarda i suoli di un’area di studio interessata da intrusione salina, al margine meridionale della Laguna di Venezia. La tesi è strutturata in cinque capitoli. Il primo include una review sulla metodologia comunemente usata per caratterizzare la salinità del suolo con metodi geofisici sia a scala puntuale che di campo. È inoltre presentata una panoramica introduttiva sulle problematiche ambientali relative alla zona a sud della Laguna di Venezia. Il secondo capitolo si concentra sulla calibrazione di una sonda (low-cost) capacitivo-resistiva da utilizzare per stime in continuo di contenuto idrico volumetrico e salinità della soluzione circolante. Il terzo capitolo propone una metodologia per ottimizzare schemi di campionamento del suolo sulla base della variabilità spaziale di misure geofisiche. Il quarto capitolo analizza la variabilità spaziale della resa colturale in funzione delle proprietà chimico-fisiche del suolo e propone l’utilizzo di dati di proximal-sensing del suolo ad esse correlati per identificare delle aree di gestione omogenee. Infine, l’ultimo capitolo riporta le conclusioni generali e delle note conclusive sui lavori presentati nella tesi.