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This study examined the hydrodynamic behaviour of European black poplar (Populus nigra L.) under coppice management in riparian areas with a multidisciplinary approach. An innovative procedure on the basis of the combination of plant allometric relations and hydrodynamic models was applied to assess drag forces and plant hydrodynamic bending as function of the basal diameter and module of elasticity, with a probabilistic approach. Cuttings of European black poplar from 2 close riverine environments of Southern Italy have been planted and subjected to the same coppice management strategy. The 2 different 3‐year‐old shoot poplar ensembles exhibited statistically similar morphological traits but stems with different module of elasticity. Drag forces were simulated with a model on the basis of the vegetative Cauchy number. Plant deformation under the hydrodynamic load was modelled as a basemounted cantilever beam. The differences in the observed elasticity were verified to be also significant from a hydrodynamic perspective. Diagrams were drawn to describe plant bending, drag forces, and basal momentum as function of basal diameter, accounting for the uncertainty in the module of elasticity. These results can be exploited for identifying objective hydrodynamic criteria to be adopted for coppice management of riparian woody vegetation in human controlled river ecosystems.

Summary The stress-gradient hypothesis (SGH) predicts that the balance of plant–plant interactions shifts along abiotic environmental gradients, with facilitation becoming more frequent under stressful conditions. However, recent studies have challenged this perspective, reporting that positive interactions are, in some cases, more common at the intermediate level of environmental severity gradients. Here, we test whether and how neighbour effects by Silene acaulis cushions vary along a 700 m wide altitudinal transect, in relation to cushion morphological traits and environmental severity. Field measurements along the gradient, within and outside cushions, included (i) species richness and cover of coexisting vascular plants; (ii) cushion morphology; (iii) above- and below-ground microclimate; and (iv) soil quality. We used the relative interaction index to decouple neighbour trait effects and environmental severity effects on plant diversity at different elevations. The ability of the cushion plant to facilitate heterospecifics shifts considerably along the elevation gradient, being greatest at the intermediate level. On the other hand, Silene morphological traits steadily change along the gradient, from lax, soft and flat-shaped cushion habits at low elevation to tightly knit and dome-shaped habits at high elevation. Cushion morphological changes are associated with mitigating effects on microclimate, indicating that cushions effectively act as a heat-trap at medium and high elevations, while at low elevations the soft and flat cushions avoid excessive heat accumulation by tight coupling with the surrounding atmosphere. At the upper end of the gradient, cushion cespitose–pulvinate compactness and high stem density appear to be critical traits in modulating the net effect of plant–plant interaction, since the space available for hosting other vascular species is considerably reduced. In conclusion, this work provides a mechanistic link between plant morphological traits, associated biogenic microclimate changes and variation in net plant–plant interactions along the explored severity gradient. Our findings support an alternative conceptual model to SGH, with plant facilitation collapsing at the upper extreme of the abiotic stress gradient.

The thawing of alpine permafrost in a warmer climate may alter the runoff regime of high alpine catchments. We present a case study where detailed geophysical and geological field investigations were performed in a 5 km2 large catchment in Western Austria to assess its main hydrogeological settings. Ground-penetrating radar data, seismic refraction measurements and ground-surface-temperature data were employed to map the spatial permafrost distribution and depth of the permafrost table and the bedrock interface. The results for different types of unconsolidated sediments were then translated into five sets of flow path concepts in the presence and absence of permafrost. These concepts were then used to set up a rainfall-runoff model and simulate the runoff response of the catchment for scenarios with and without permafrost. The simulations indicate that the complete thawing of permafrost will increase the catchment storage capacity which will reduce the flood peaks by up to 20% and increase runoff during recession by about 15%. The reduction of extreme events is important since it may also affect flood events in downstream catchments. The study highlights the importance of interdisciplinary work between hydrology, geophysics and geology which can greatly help to improve the understanding of subsurface processes.

Alpine permafrost is prone to decrease in a warmer climate as a consequence of climate change which in turn may affect the runoff regime of high alpine catchments. In the presented case study detailed geophysical field investigations were performed in a 5 km2 large catchment in Western Austria to gain information about subsurface properties and permafrost occurrence. Ground penetrating radar, seismic refraction and ground-surface-temperature measurements were applied to map the spatial permafrost distribution, depths to the permafrost table and bedrock interface. This information was used to infer subsurface flow paths concepts for different geologic formations in the presence and absence of permafrost. The concepts were then used to set up a rainfall-runoff model and simulate the runoff response of the catchment for scenarios with and without permafrost. The results of the study show that geophysical information helps to improve the understanding of subsurface processes and to reduce the parameter identifiability problem. Subsurface model parameters are well constrained by the available field information and require little calibration. Furthermore, the simulations indicate that the melting of permafrost increases the available catchment storage which causes a reduction of flood peaks and an increase of runoff during recession. A reduction of extreme events is important since it may also affect flood events in downstream catchments.

Vegetation significantly influences the hydrological and mechanical properties which are relevant for the stability of shallow soils along sloping surfaces. In view of the complexity of soil plant hydrological interactions, the quantification of root mechanical reinforcement remains a challenge. In this paper we couple root reinforcement models with a quasidynamic wetness index (QDI), which is specifically designed for estimating the local wetness conditions by accounting for the character of the upslope topography and the time of the lateral soil moisture distribution. The overall modelling strategy can be effectively employed for assessing the relative hazard of shallow landslides accounting for vegetation patterns and dominant forest management practices. The methodology is applied to an area located in Northern Tuscany, recently interested by several shallow landslides.

Vegetation significantly influences the hydrological and mechanical properties which are relevant for the stability of shallow soils along sloping surfaces. In view of the complexity of soil plant hydrological interactions, the quantification of root mechanical reinforcement remains a challenge. In this paper we couple root reinforcement models with a quasi-dynamic wetness index (QDI), which is specifically designed for estimating the local wetness conditions by accounting for the character of the upslope topography and the time of the lateral soil moisture distribution. The overall modelling strategy can be effectively employed for assessing the relative hazard of shallow landslides accounting for vegetation patterns and dominant forest management practices. The methodology is applied to an area located in Northern Tuscany to assess the effect of root degradation after tree logging on the spatial occurrence of shallow landslides during extreme rainfall events.

Changing permafrost may have significant consequences on the hydrological regime of an alpine catchment. For an area abundant in unconsolidated sediments model parameters such as the spatial distribution of the effective storage volume, the permafrost distribution and the hydraulic conductivity are essential. In this work the first steps such as the quantification of the effective storage volume, the detection of permafrost, and the estimation of ground water storage are presented.

Questa nota presenta un modello di regressione a quattro parametri per la stima dell’erosività media mensile (Rm) dai valori medi mensili delle massime piogge giornaliere (d) e dai cumulati mensili (m). Il modello è stato calibrato e validato utilizzando serie storiche registrate in 106 pluviometri automatici distribuiti nella Regione Campania. Il modello proposto ha una struttura lineare in scala logaritmica, con una intercetta variabile di mese in mese secondo una funzione periodica a due parametri. Questa funzione è stata introdotta per rappresentare la diversa occorrenza delle piogge intense di breve durata nel corso dell’anno rispetto ai massimi mensili di pioggia a scala giornaliera e può essere interpretata come una legge di scala mensile tra i valori medi della pioggia massima giornaliera ed oraria. Il modello nel complesso offre stime soddisfacenti dell’erosività a scala mensile, stagionale ed annuale.

Lo studio mira a valutare in termini funzionali diverse tecniche di stima della capacità idrica di campo (θCIC), parametro che sintetizzata la caratteristica di immagazzinamento idrico in un profilo di suolo per modelli di tipo capacitivo, noti anche come modelli “bucket”. Per la determinazione della capacità di campo sono state utilizzate due distinte metodiche: i) θCIC pari al contenuto d’acqua medio in un profilo di suolo uniforme al termine di un processo di drenaggio; ii) θCIC stimato dalla funzione di ritenzione idrica del suolo per un prefissato valore del potenziale matriciale. La verifica funzionale è condotta confrontando i risultati del modello bucket ottenuti con le due diverse tecniche di stima del θCIC con quelli ottenuti con un modello basato sull’equazione di Richards. Le analisi sono state svolte con riferimento a situazioni climatiche con marcate stagionalità climatiche, tipiche degli ambienti mediterranei.

Il lavoro illustra i risultati di una campagna sperimentale condotta su pali in legno prelevati da opere di ingegneria naturalistica a sostegno di alcuni versanti nel territorio del Parco Nazionale del Vesuvio. L’interesse è stato rivolto, prevalentemente, alla valutazione del livello di decadimento delle capacità prestazionali dovuto alle alterazioni del materiale ed al degrado, connessi con le condizioni di esposizione.

Le recenti tecniche indirette per la stima delle proprietà idrauliche del suolo, note anche con il termine di pedotransfer function (PTF), sono abbastanza rispondenti per aree ampie di interesse, ma non tengono conto di eventuali caratteri di variabilità spaziale mostrata da queste proprietà. In questo studio si propone una metodologia innovativa per la stima della funzione di ritenzione idrica del suolo che integra il metodo indiretto proposto da Arya & Paris (1981) con la tecnica di similitudine messa a punto da Kosugi & Hopmans (1998). In pratica, il metodo proposto prevede di calibrare il ben noto parametro di tortuosità  tramite una procedura di ottimizzazione che utilizza i risultati dell’analisi di variabilità spaziale dei dati disponibili ottenuti con la tecnica di similitudine (o scaling). Per la verifica del metodo sono stati adoperati dati sulle proprietà fisiche e idrauliche raccolti in un’area sperimentale nel bacino del fiume Alento (Regione Campania), mentre una successiva fase di validazione è stata eseguita con riferimento a dati disponibili per un’area differente dal punto di vista climatico ed ambientale ubicata nel bacino del torrente Fiumarella (Regione Basilicata). I risultati del metodo indiretto proposto sono stati confrontati con quelli ottenuti da misure dirette in laboratorio delle proprietà idrauliche dei suoli, riscontrando valutazioni molto buone e che inoltre consentono di individuare anche il numero minimo di campioni di suolo necessari alla calibrazione della procedura proposta.

Molti studi hanno analizzato l’effetto della variabilità della precipitazione sulla risposta simulata a scala di bacino. Generalmente la finalità di questi studi è quella di valutare le scale spaziali e temporali più efficaci da adottare nel monitoraggio della precipitazione e nella simulazione dei processi idrologici. I risultati di questi studi sono spesso difficili da confrontare e generalizzare, essendo fortemente dipendenti dalle scale spaziali di analisi e dagli approcci modellistici adottati per la simulazione dei deflussi a scala di bacino. Questo lavoro presenta una procedura analitica per valutare l’effetto della variabilità spaziale e temporale della precipitazione sui deflussi simulati, applicabile in modo generalizzato a tutti i modelli idrologici distribuiti. Sulla base di poche ipotesi semplificatrici, comuni a gran parte dei modelli idrologici proposti in letteratura, la sensitività del modello alla variabilità spaziale e temporale della pioggia è definita da indici adimensionali che disaggregano la risposta simulata in una componente globale, integrata a scala di bacino, ed in una componente distribuita. La componente distribuita è rappresentata dalle covarianze spaziali e temporali tra il campo di precipitazione ed il campo della variabile di stato simulata rappresentativa del coefficiente di deflusso locale. Si dimostra come la componente distribuita può rappresentare una componente di non stazionarietà nella risposta simulata con modelli globali, che può essere compensata solo attraverso una calibrazione specifica dei parametri ed una distorsione delle grandezze di stato aggregate a scala di bacino. Lo studio presenta anche un esempio applicativo della procedura proposta, con riferimento ad un bacino avente un’estensione di circa cinquanta chilometri quadrati.

Questo studio presenta un modello idrologico distribuito basato sulla topografia, caratterizzato da una struttura computazionale generalizzata, compatibile con qualsiasi tipologia di discretizzazione spaziale dei bacini idrografici. Nello studio sono messi a confronto i risultati del modello applicato ad un piccolo bacino sperimentale dell’estensione di un chilometro quadrato, ottenuti rispettivamente con due diverse tipologie di discretizzazione spaziale. Il modello è stato dapprima calibrato e validato adottando una forma di discretizzazione spaziale per curve di livello. Il modello è stato quindi applicato, con la medesima parametrizzazione, utilizzando una discretizzazione per griglia regolare avente risoluzione di 25 m, ricavata dalla stessa base topografica. I deflussi simulati con le due forme di discretizzazione spaziale sono molto simili sia a scala giornaliera che a scala oraria. Le maggiori differenze si riscontrano nella variabilità spaziale dei valori simulati di contenuto d’acqua nel suolo, soprattutto nelle zone di convergenza topografica. Nel caso della griglia regolare si ottengono valori di contenuto d’acqua simulati nel suolo più elevati rispetto a quelli ottenuti con curve di livello. Le mappe simulate di contenuto d’acqua nel suolo presentano inoltre valori di varianza più elevati nel caso della griglia regolare, questo a causa della maggiore frammentazione dei percorsi di flusso paralleli al pendio rispetto a quelli definiti mediante curve di livello.

La capacità idrica di campo (CIC) è un parametro di notevole interesse non solo nel campo strettamente agronomico per la gestione irrigua, ma anche nell'ambito dell???idrologia applicata per la valutazione del bilancio idrologico a scala di bacino. Pur essendo un parametro del suolo che dipende da un processo di drenaggio, la CIC generalmente è stimata come una caratteristica intrinseca del suolo ed è assunta pari al valore del contenuto di acqua nel suolo per un assegnato valore del potenziale matriciale. Coerentemente con la definizione della CIC, un metodo oggettivo e ben riproducibile per la determinazione della CIC consiste nel monitorare un processo di ridistribuzione dell???acqua in un profilo di suolo che sia stato preventivamente saturato mediante una fase preliminare di infiltrazione. La CIC può essere dunque assunta pari al valore del contenuto di acqua nel suolo quando i flussi di drenaggio al contorno inferiore possono considerarsi trascurabili. Questa tecnica di stima è stata adottata applicando un modello numerico per la simulazione del moto dell???acqua in suoli stratificati. Per i profili di suolo uniformi, i valori di CIC sono stati confrontati con i corrispondenti valori calcolati mediante le funzioni di ritenzione idrica per assegnati valori del potenziale matriciale. Nel caso di profili di suolo stratificati, i risultati preliminari mostrano che le eterogeneità verticali possono avere una influenza significativa sul valore di CIC. Si nota in particolare che la CIC dipende in modo significativo dalla funzione di conducibilità idraulica del suolo al limite inferiore della colonna di suolo stratificato.

Il lavoro illustra uno studio teorico e sperimentale svolto per stimare il grado di sicurezza desumibile in strutture lignee degradate, utilizzate per palificate a sostegno di scarpate.

Questo studio illustra i risultati di una intensa campagna sperimentale condotta in un piccolo bacino di 5 ha, ricadente in un’area caratterizzata da un clima mediterraneo sub-umido, allo scopo di identificare i processi idrologici prevalenti nell’identificazione della risposta idrologica di versante.

Questo studio si propone come obiettivo principale di verificare le capacità predittive offerte da metodi semplificati di stima indiretta delle proprietà idrauliche dei suoli (noti come pedotransfer function, PTF) al variare delle scale spaziali di aggregazione dei dati.

The term debris flow is associated with a wide variety of phenomena as debris slides, debris torrents, debris floods, mudflows, mudslides, hyper-concentrated flows and lahars (in volcanic slopes). In historical times, they frequently occurred in Campania Region (Southern Italy) producing damage and casualties. In this paper, more than 200 events described as “debris flow” between 1924 and 2020 were collected. They are mainly located in the central sector of the region, which is characterized by pyroclastic deposits resting on steep carbonate and volcanic slopes and highly prone to hydrogeological hazards. Debris flow events registered in the region were classified as “gravity processes” (flow-like landslides, FL) or “fluvial processes” (flash floods, FF). This classification is fundamental for designing effective early warning systems and risk mitigation plans, since the two phenomena are triggered by different types of rainfall events and are responsible for damages of different magnitude. In this study, a large rainfall database was explored to identify the time scales and seasonality of the two classes of rainfall events, respectively triggering the two phenomena.

The assessment of rainfall extremes at sub-hourly scales is generally hindered by a lack of rainfall data at small timescale resolutions. This study proposes a methodology for assessing mean annual maximum rainfall at the sub-hourly scale by blending historical time series of annual maxima recorded by mechanical stations (operating at hourly scales) up to the end of the past century with newer time series of annual maxima at higher time resolutions recorded by automatic stations installed over the past twenty years. A linear correlation was found at the regional scale between the shape parameter controlling the dependency of rainfall maxima with a duration longer than one hour and the shape parameter of the dependency of rainfall maxima with the durations shorter than one hour. Thanks to this correlation, data recorded at the mechanical stations could be exploited to assess sub-hourly mean annual maxima. The proposed hybrid procedure was verified and was found to provide estimates with an accuracy close to those obtained with the high-resolution data, i.e., our best estimates. Moreover, the proposed procedure outperforms what could be achieved by spatially interpolating the best estimates at those locations where only hourly data are available.

The widespread development of Earth Observation (EO) systems and advances in numerical atmospheric modeling have made it possible to use the newest data sources as input for crop–water balance models, thereby improving the crop water requirements (CWR) and yield estimates from the field to the regional scale. Satellite imagery and numerical weather prediction outputs offer high resolution (in time and space) gridded data that can compensate for the paucity of crop parameter field measurements and ground weather observations, as required for assessments of CWR and yield. In this study, the AquaCrop model was used to assess CWR and yield of tomato on a farm in Southern Italy by assimilating Sentinel-2 (S2) canopy cover imagery and using CM-SAF satellite-based radiation data and ERA5-Land reanalysis as forcing weather data. The prediction accuracy was evaluated with field data collected during the irrigation season (April–July) of 2021. Satellite estimates of canopy cover differed from ground observations, with a RMSE of about 11%. CWR and yield predictions were compared with actual data regarding irrigation volumes and harvested yield. The results showed that S2 estimates of crop parameters represent added value, since their assimilation into crop growth models improved CWR and yield estimates. Reliable CWR and yield estimates can be achieved by combining the ERA5-Land and CM-SAF weather databases with S2 imagery for assimilation into the AquaCrop model.

Late spring frost plays a major role in the structure and function of forest ecosystems with potential consequences on species distribution at both local and regional scales. Paradoxically, in a warmer world the incidence and impact of frost is increasing because of earlier leaf unfolding and flowering as a response to warmer temperatures. In this regard, European Beech (Fagus sylvatica L.), a native tree species widely distributed in European forests, is considered particularly sensitive to changes in spring temperature regimes associated with climate change and thus especially subject to the risk of frost damage. Although several studies concerning F. sylvatica frost damage have been conducted in northern and central Europe, no extensive studies are available for the southern part of its range, i.e. central and southern Italy as well as Greece. In this paper the effect of a late spring frost occurring at the end of April 2016 is extensively documented with high spatial detail all along the Apennine Chain through satellite image data. Three different remote-sensing greenness indexes, namely the normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI), and the greenness index (GI) derived from Landsat-8 satellite images acquired from May to July in the years 2014, 2015, and 2016 at a spatial resolution of 30 m, were used to gauge the spatial response of common beech forests to this late frost event with relation to latitude, altitude and slope exposure. Frost damage was evaluated as a difference (Δ) of NDVI, GI and EVI between the mean of years 2014 and 2015 (i.e. MRY, mean of reference years), and 2016 (i.e. FEY, frost reference year). The three satellite remote-sensing indexes were efficient at detecting leaf damage with detailed spatial resolution and proved consistent with one another. The greatest damage occurred in the middle altitudinal range between 1500 and 1700 m a.s.l. with a decreasing trend toward both lower and higher elevations due to warmer temperatures below, and delayed phenology above. Exposure also influenced frost injury, with south-facing slopes of the mountain more damaged than the north. This difference was due to earlier spring leaf phenology of southern beech trees in response to a greater heat sum in the warm weeks preceding. Less damage in the northern Apennines is consistent with the spatial extent of minimum freezing temperatures. To sum up, frost damage is strongly related to site-specific conditions, i.e. on the one hand to minimum temperatures, and on the other to the phenological stage of the trees involving both altitude and exposure. Hence focusing on detailed sub-regional studies can be helpful for predicting future consequences of climate change on forests.