
Effetti del giardinaggio urbano sulla diversità
Gli orti urbani sono spazi verdi molto apprezzati che hanno il potenziale per fornire un ecosistema essenziale.
servizi, sostenere il benessere umano e allo stesso tempo promuovere la biodiversità nelle città. Abbiamo studiato
l'impatto delle attività di giardinaggio su cinque funzioni del suolo e la relazione tra piante (600 spp.)
e la fauna del suolo (lombrichi: 18 spp., scarafaggi: 39 spp.) in 85 orti urbani (170 siti) in tutta la città
di Zurigo (Svizzera). I nostri risultati suggeriscono che un'elevata diversità vegetale nei giardini ha un effetto positivo su
fauna del suolo e la multifunzionalità del suolo e che l'intensità della gestione del giardino ha ridotto la diversità delle piante.
APERTO
Effetti diretti e indiretti del giardinaggio urbano sulla diversità sopra e sotto terra che influenza la multifunzionalità del suolo
Ricevuto: 21 marzo 2019
Accettato: 18 giugno 2019
Pubblicato: xx xx xxxx
Simon Tresch 1,2,3, David Frey2,4, Renée-Claire Le Bayon3, Paul Mäder 1, Bernhard Stehle1,5, Andreas Fliessbach 1 e Marco Moretti2
Gli orti urbani sono spazi verdi popolari che hanno il potenziale per fornire servizi ecosistemici essenziali, sostenere il benessere umano e allo stesso tempo promuovere la biodiversità nelle città. Abbiamo analizzato l'impatto delle attività di giardinaggio su cinque funzioni del suolo e la relazione tra le piante (600 spp.) e la fauna del suolo (lombrichi: 18 spp., code a molla: 39 spp.) in 85 giardini urbani (170 siti) nella città di Zurigo (Svizzera). I nostri risultati suggeriscono che un'elevata diversità vegetale nei giardini ha un effetto positivo sulla fauna e sulla multifunzionalità del suolo, mentre l'intensità della gestione dei giardini diminuisce la diversità vegetale. Gli indici di attività biologica nel suolo, come il carbonio organico e microbico e l'abbondanza di batteri, hanno mostrato un effetto positivo diretto sulla multifunzionalità del suolo. L'umidità del suolo e la perturbazione, guidata dall'irrigazione e dalla lavorazione del terreno, sono state le forze trainanti che hanno strutturato le comunità di piante e fauna del suolo. I valori degli indicatori vegetali si sono rivelati utili per valutare la struttura della comunità faunistica del suolo, anche negli assemblaggi vegetali antropogenici. Concludiamo che per migliorare le funzioni del suolo, i giardinieri dovrebbero aumentare la diversità delle piante e ridurre l'intensità della gestione. Le pratiche di gestione protettiva del suolo, come l'applicazione di compost, pacciamatura o evitare la lavorazione del suolo, dovrebbero essere incluse nella pianificazione degli spazi verdi urbani per migliorare la biodiversità urbana e il contributo della natura alle persone.
Il mantenimento di spazi verdi urbani funzionali e ricchi di biodiversità è fondamentale per rendere le città vivibili (cfr. SDG 111). Gli orti urbani sono una componente importante degli spazi verdi urbani in molti Paesi2,3. La loro struttura è eterogenea, ma nonostante le dimensioni relativamente ridotte, forniscono risorse di habitat critiche e aumentano la connettività dei paesaggi urbani4. La gestione dei giardini crea diversi tipi di uso del suolo, tra cui habitat a vegetazione perenne come i prati o a vegetazione annuale come le aiuole2. Questi microhabitat diversificati supportano la biodiversità urbana e sono in grado di fornire il contributo della natura alle persone5,6. Si prevede che l'aumento della popolazione umana a livello mondiale avverrà principalmente nelle aree urbane7, mentre le città in crescita si espanderanno sempre più su terreni agricoli fertili, mettendo in discussione l'approvvigionamento di cibo fresco in futuro8. Esiste un grande potenziale per la produzione di cibo negli orti urbani e, allo stesso tempo, per fornire altri servizi ecosistemici (ES) nelle città densamente popolate9. Si stima che l'agricoltura urbana fornisca cibo a circa 800 milioni di persone10, anche se la scala globale attuale è difficile da valutare11. Tuttavia, centinaia di milioni di cittadini dipendono dall'agricoltura urbana per una parte del loro nutrimento12. Tuttavia, i terreni degli orti urbani sono importanti anche per regolare le funzioni del suolo, come l'immagazzinamento dell'acqua (controllo del cibo13), l'immagazzinamento di C e N14, l'impollinazione15, la formazione del suolo16, il controllo dei parassiti17, o per diminuire l'intensità dell'isola di calore urbana18 e forniscono habitat per molte specie anche in aree densamente urbanizzate6. Da un punto di vista sociologico, gli orti urbani sono importanti per la ricreazione, il benessere e l'interazione sociale19.
Il giardinaggio urbano ha una lunga tradizione in molti paesi del mondo20. Come conseguenza di decenni di pratiche benefiche di gestione del suolo, come l'applicazione di compost21 , i suoli degli orti urbani possono non sempre
1Istituto di ricerca sull'agricoltura biologica (FiBL), Dipartimento di Scienze del suolo, Ackerstrasse 113, 5070, Frick, CH, Svizzera. 2Istituto federale di ricerca WSL, Biodiversità e biologia della conservazione, Zürcherstrasse 111, 8903, Birmensdorf, CH, Svizzera. 3Università di Neuchâtel, Istituto di biologia, Laboratorio di ecologia funzionale, Rue Emile-Argand 11, 2000, Neuchâtel, CH, Svizzera. 4ETHZ, Dipartimento di Scienze dei sistemi ambientali, Istituto degli ecosistemi terrestri, Universitaetstrasse 16, 8092, Zurigo, CH, Svizzera. 5Università di Costanza, Dipartimento di Biologia, Ecologia, Universitätstrasse 10, 78464, Costanza, DE, Germania. La corrispondenza e le richieste di materiale vanno indirizzate a S.T. (e-mail: )
Variabili | Descrizione | PC1 | PC2 | PC3 | PC4 |
---|---|---|---|---|---|
Caratteristiche fisiche del suolo | teristica | ||||
BD [g cm-3] | Densità apparente del suolo | 0.39 | -0.31 | 0.06 | -0.15 |
PR [MPa] | Resistenza alla penetrazione | 0.03 | 0.39 | 0.03 | -0.31 |
SA [%] | Aggregati stabili del suolo | -0.26 | 0.44 | -0.04 | 0.15 |
Il carbone chimico del suolo | cteristica | ||||
Fe [mg kg-1] | Contenuto di ferro | -0.41 | -0.17 | 0.29 | 0.07 |
K [mg kg-1] | Contenuto di potassio | -0.35 | -0.33 | 0.03 | -0.05 |
Mn [mg kg-1] | Contenuto di manganese | 0.01 | 0.13 | 0.41 | -0.04 |
Mg [mg kg-1] | Contenuto di magnesio | -0.13 | -0.24 | -0.44 | 0.18 |
P [mg kg-1] | Contenuto di fosforo | -0.22 | -0.34 | 0.41 | 0.09 |
pH | pH del suolo | 0.18 | -0.07 | -0.49 | -0.04 |
Carbone biologico del suolo | acteristiche | ||||
Cmic [mg kg-1] | Biomassa microbica di carbonio | -0.37 | 0.35 | -0.13 | -0.07 |
Contenuto di carbonio organico del suolo | -0.39 | -0.20 | -0.33 | 0.18 | |
Batteri [copie di geni] | Numero di copie del gene batterico 16S | -0.31 | 0.05 | -0.11 | -0.60 |
Funghi [copie genetiche] | Numero di copie del gene 18S fungino | -0.03 | -0.26 | -0.04 | -0.64 |
Autovalore | 2.7 | 2.4 | 1.7 | 1.5 | |
Varianza spiegata [%] | 20.8 | 18.4 | 13.3 | 11.7 |
Tabella 1.Caratteristiche del suolo che descrivono la qualità del suolo dei siti degli orti urbani utilizzate come variabili esplicative nel SEM. I punteggi dei primi quattro assi della PCA (PC1-PC4; Fig. S4) sono stati utilizzati (criteri di Kaiser-Guttman) come variabili esplicative nel SEM (Fig. 2), spiegando il 64,2% della variazione totale.
Figura 1.Modello SEM a priori con gli effetti diretti e indiretti ipotizzati dell'orticoltura urbana sulla multifunzionalità del suolo. Le relazioni positive attese sono indicate in nero e quelle negative in rosso, le frecce grigie rappresentano gli effetti sia positivi che negativi. Ci aspettiamo che gli ortaggi annuali (frecce 1a) influenzino negativamente la fauna vegetale e del suolo e la multifunzionalità del suolo rispetto ai siti con erba perenne, mentre i prati perenni (frecce 1b) mostreranno effetti positivi. L'intensità di gestione (frecce 2) dovrebbe influire negativamente sulla diversità vegetale e sulla fauna del suolo, nonché sulla multifunzionalità del suolo. Si ipotizza che una maggiore diversità vegetale (frecce 3) abbia un effetto positivo sulla fauna e sulla multifunzionalità del suolo. Anche la diversità e la biomassa della fauna del suolo (frecce 4a e 4b) dovrebbero avere un effetto positivo sulla multifunzionalità del suolo. L'urbanizzazione (frecce 5) potrebbe avere un effetto positivo o negativo sulla fauna e sulla multifunzionalità del suolo. Gli effetti attesi delle caratteristiche del suolo (frecce 6) sono riportati nella Fig. S9.
sono di qualità scadente e potenzialmente inquinati come altri suoli urbani3,22. Nonostante l'importanza dei giardini per la biodiversità urbana6 , le informazioni sull'importanza ecologica degli orti e dei giardini domestici sono ancora scarse rispetto agli spazi verdi pubblici2,23. Tuttavia, è ampiamente dimostrato che la biodiversità guida i processi ecosistemici e i servizi correlati nelle comunità in superficie24, ma il funzionamento della biodiversità in profondità è molto meno conosciuto25. Sebbene sia stato dimostrato che la biodiversità del suolo è collegata in vari modi alla biodiversità in superficie26,27 , sono necessarie ulteriori indagini per comprendere meglio queste relazioni. I suoli dei giardini sono fortemente influenzati dalle attività umane3,22,28, ma anche dall'uso passato del suolo, dal grado di disturbo o da fattori legati al clima, come l'effetto dell'isola di calore urbana29. Le funzioni del suolo sono fornite e controllate da una grande varietà di organismi del suolo30, anche nei suoli urbani28, dove la frequenza di disturbo del suolo è spesso elevata29. I cambiamenti nella composizione della comunità della fauna del suolo, sia in termini di diversità alfa che beta31, dovuti ad esempio al disturbo del suolo, possono compromettere le funzioni del suolo come la decomposizione della materia organica o la ritenzione dei nutrienti32. Le interazioni tra specie sopra e sotto terra, che determinano le funzioni dell'ecosistema, almeno a scala locale33 , sono principalmente collegate alle piante34. Tuttavia, si sa ancora molto poco di questa relazione tra la diversità in superficie e in basso e le funzioni del suolo associate35, soprattutto per i suoli dei giardini36.
La capacità di un ecosistema di fornire funzioni multiple, la cosiddetta multifunzionalità24 , può essere calcolata come indici basati sulle funzioni di interesse37. Tali misure di multifunzionalità (cioè l'approccio della media) sono state utilizzate per analizzare un'ampia gamma di fattori ecosistemici38, come le caratteristiche del suolo39, la diversità degli habitat40, le pratiche di gestione in agricoltura41 , o gli ecosistemi costruiti come i tetti verdi43. Qui ci concentriamo su cinque misure indipendenti per calcolare la multifunzionalità del suolo, che vanno dalla decomposizione della lettiera in superficie44 e in profondità27 , all'apporto di nutrienti per la crescita delle piante45 e alla regolazione dell'acqua, come la capacità di immagazzinare acqua46.
La ricerca sui suoli dei giardini urbani ha ricevuto di recente una maggiore attenzione3,17,28,47,48, soprattutto per quanto riguarda la salute e il benessere umano29. Tuttavia, la nostra comprensione delle complesse interazioni tra le pratiche di gestione, la biodiversità del suolo e il suo funzionamento è ancora scarsa49. In questo studio, ci siamo concentrati sulle attività di giardinaggio nei due tipi di giardini più dominanti di Zurigo (CH), gli orti e i giardini domestici, e abbiamo valutato le interazioni tra la diversità delle piante in superficie e la diversità della fauna del suolo in profondità. Abbiamo studiato i lombrichi (Oligochaeta: Lumbricidae), che rappresentano le specie della macrofauna del suolo, e le code a molla (Hexapoda: Collembola), che rappresentano le specie della mesofauna del suolo, come indicatori del funzionamento del suolo50 e abbiamo valutato gli impatti del giardinaggio urbano sulla multifunzionalità del suolo. I lombrichi sono generalmente descritti come ingegneri dell'ecosistema50, per il loro impatto sulla struttura e sulla qualità del suolo, almeno nei terreni temperati51. Sono importanti organismi indicatori delle funzioni del suolo52 , del disturbo del suolo e delle pratiche di gestione50. È stato dimostrato che anche negli ecosistemi urbani, come parchi o giardini urbani, sono indicatori sensibili dell'intensità della gestione antropica47. Le code di primavera sono un gruppo chiave di microartropodi50 e possono essere utilizzate come indicatori dell'uso sostenibile del suolo, della qualità del suolo27 o dell'uso di pesticidi53. Inoltre, sono utilizzati per valutare la funzionalità del suolo54 e l'impatto dei fattori ambientali55 sulla biodiversità del suolo. Inoltre, abbiamo valutato la microfauna del suolo attraverso misure biologiche del suolo, come la respirazione basale, la biomassa microbica e il numero di copie geniche di batteri e funghi (Tabella 1).
L'obiettivo generale del nostro studio è stato quello di indagare l'impatto delle pratiche di gestione dei giardini (indice di intensità di gestione, tipi di uso del suolo dei giardini) sulla diversità delle piante in superficie e sulla diversità della fauna del suolo in profondità, e i loro effetti diretti e indiretti sulla multifunzionalità del suolo. Abbiamo ipotizzato (cfr. modello di equazione strutturale a priori (SEM) Fig. 1) che (i) una gestione intensiva del suolo riduca la diversità della fauna vegetale e del suolo e influisca negativamente sulla multifunzionalità del suolo (frecce 1 e 2). Abbiamo ipotizzato che (ii) la diversità in superficie e quella in profondità siano collegate anche negli ecosistemi dei giardini urbani e quindi ci aspettiamo che una maggiore diversità di piante abbia un effetto positivo sia sulla fauna che sulla multifunzionalità del suolo (frecce 3). Inoltre, ci aspettavamo che (iii) la diversità della fauna del suolo (freccia 4a) e la biomassa (freccia 4b) avessero un effetto positivo diretto sulla multifunzionalità del suolo. Inoltre, abbiamo ipotizzato un'influenza delle (iv) caratteristiche del suolo e (v) dell'urbanizzazione sulla multifunzionalità del suolo (frecce 5 e 6).
In una seconda fase, abbiamo analizzato la struttura della comunità della fauna del suolo. Ci aspettavamo che i suoli frequentemente disturbati presentassero la più bassa diversità di specie all'interno (diversità alfa) e tra i siti dei giardini (diversità beta), includendo un'elevata uniformità della comunità e una diversità beta guidata principalmente dalla perdita di specie (nestedness) piuttosto che dalla sostituzione di specie (turnover). Per quanto riguarda la comunità vegetale, ci aspettavamo una diversità alfa e beta più elevata per i siti di giardinaggio con un'elevata attività di piantumazione, compresa un'alta componente di ricambio delle specie per la diversità beta. Inoltre, abbiamo analizzato l'impatto delle pratiche di gestione sulla composizione della comunità della fauna del suolo e sugli indici di disturbo della fauna del suolo.
Risultati
Effetti del giardinaggio urbano sulla fauna del suolo e sulla multifunzionalità del suolo.Il SEM basato sulle nostre aspettative a priori (Fig. 1) degli effetti del giardinaggio urbano sulla diversità sopra e sotto terra e sulla multifunzionalità del suolo ha soddisfatto i criteri della statistica C di Fisher56 (C di Fisher = 30,7; p = 0,80; AICc = 286,8). Il modello includeva un percorso mancante significativo57 tra PC1 e diversità della fauna del suolo (SEM; 0,18; p=0,03). Con l'inclusione di questo percorso, il modello complessivo del SEM è migliorato (Fisher'sC=24,3;p=0..93;AICC=288,3), con differenze marginali nell'AICc (1,5). Complessivamente, le relazioni più forti nel SEM provengono dai tipi di uso del suolo dei giardini, che influenzano la diversità vegetale, la biomassa della fauna e le caratteristiche del suolo (PC2) e la multifunzionalità del suolo sia in modo indiretto che diretto (Figg. 2 e S10). Gli effetti più forti sulla multifunzionalità del suolo provengono dalla PC1 (SEM; -0,61;p=<0,001), rappresentata da carichi inferiori di$C _ { m i c } C _ { o r g ^ { prime } }$, Fe e K, ma da valori più elevati di densità apparente del suolo (Fig. S4). I terreni con un aumento di$C _ { min } C _ { o r g ^ { 3 } }$bacteria, Fe e K, ma con valori di densità apparente più bassi, sono stati associati a una maggiore multifunzionalità del suolo. I siti di ortaggi annuali hanno mostrato valori di multifunzionalità del suolo più bassi (SEM; -0,40;p=0..03) rispetto ai siti di erba perenne. Inoltre, abbiamo riscontrato effetti positivi della diversità vegetale (SEM; 0,17; p=0,01) e della biomassa della fauna (SEM; 0,17; p=0,02) sulla multifunzionalità del suolo. Nel complesso, gli effetti significativi e non significativi hanno spiegato 74% della variazione totale della multifunzionalità del suolo. Inoltre, abbiamo
Figura 2.SEM finale più parsimonioso che collega la gestione dei giardini (tipi di uso del suolo, intensità di gestione), l'urbanizzazione, la diversità delle piante e della fauna del suolo con la multifunzionalità del suolo (AICc = 288,3, Fisher's C=24,3, P = 0,93). Le frecce rappresentano relazioni unidirezionali tra le variabili. Le frecce nere indicano relazioni significativamente (p 0,05). Lo spessore dei percorsi è stato scalato in base all'entità del coefficiente di regressione standardizzato. Gli R2 condizionali, basati sulla varianza degli effetti fissi e casuali, e gli R2 marginali, basati sulle parti dell'effetto fissi per ogni modello componente, sono riportati nei riquadri delle variabili di risposta. La multifunzionalità del suolo consiste in cinque misure relative a importanti funzioni del suolo. Le caratteristiche del suolo sono incluse nella Fig. S10.
ha identificato anche diversi effetti indiretti sulla multifunzionalità del suolo (Fig. 2 e S10, Tabella S6). Abbiamo riscontrato che la diversità vegetale ha un effetto indiretto positivo sulla multifunzionalità del suolo, mediato dall'aumento della diversità e della biomassa della fauna. La stessa diversità vegetale è stata influenzata positivamente dai siti di coltivazione di fiori e bacche (SEM; 0,37; p=0,04) e negativamente dall'intensità di gestione (SEM; -0,22; p = 0,01), spiegando 39% della variazione nella diversità vegetale. Un modello simile è stato riscontrato negli alti valori di diversità beta (Tabella S5) per le piante (0,94 ± 0,001), dominati da un'alta componente di turnover (0,92 ± 0,001) e da una bassa componente di nestedness (0,02 ± 0,001), che indica l'alta variabilità tra le parcelle del giardino. Inoltre, l'intensità di gestione ha influito indirettamente in modo negativo sulla multifunzionalità del suolo, diminuendo la biomassa della fauna e la diversità delle piante (Fig. 2, Tabella S6). La diversità beta della fauna vegetale e del suolo e la diversità filogenetica della fauna non sono state incluse nel SEM finale (cfr. Tabella S10, Fig. S7) a causa di un forte aumento dell'AICc (588,5) e perché spiegavano solo 3% in più di varianza nella multifunzionalità del suolo (Fig. S8).
Effetti del giardinaggio urbano sulla composizione delle comunità faunistiche del suolo.Abbiamo analizzato gli effetti delle pratiche di coltivazione, degli indicatori ecologici delle piante (Tabella 2), delle caratteristiche del suolo (Tabella 1), dei tipi di uso del suolo dei giardini e dell'urbanizzazione sulla composizione delle comunità di lombrichi e di code di primavera (Tabella 4). Entrambi i gruppi di fauna del suolo sono stati fortemente influenzati dall'indicatore ecologico vegetale dei nutrienti (PERMANOVAEW;F=5,9;P=<0,001, COL; F=5,4; p =<0,001), che rappresenta il fabbisogno di suoli ricchi di nutrienti per le piante che si trovano prevalentemente negli orti (Fig. 3). Le comunità di lombrichi sono state ulteriormente influenzate dalla resistenza alla penetrazione del suolo (PERMANOVA EW;F=5,3;p=<0,001), favorendo specie aneciche come L. terrestris. Inoltre, le piante che indicano terreni ricchi di humus (PERMANOVAEW;F=3,0;P=0,01) hanno favorito le due specie di vermi di terra più abbondanti (Tabella S1, Fig.3) A. chlorotica e A. caliginosa. I suoli tosati erano inoltre associati a contenuti più elevati di Mg (PERMANOVA EW; F=2,1;p=0,04) e K (PERMANOVA EW; F=2,7;p=0,01), derivanti da una maggiore perturbazione del suolo (PERMANOVA EW; F=2,4;p=0,02) soprattutto nei siti vegetali. In sintesi, l'ordinamento NMDS è stato guidato dalle specie endogee A. chlorotica (NMDS; $R ^ { 2 } = 0 . 3 0 ;$p=<0,001)e A. caliginosa (NMDS; $R ^ { 2 } = 0 . 1 3 ;$p=<0,001), dalle specie aneciche L. terrestris (NMDS;$R ^ { 2 } = 0 . 1 7 ; P = < 0 . 0 0 1 ) , e$ sia endogeica (NMDS;$R ^ { 2 } = 0 . 2 0 ;$p =< 0,001) che anecica (NMDS;$R ^ { 2 } = 0 . 1 9 ;$p =< 0,001). Sebbene il tipo di uso del suolo dell'orto non sia stato un fattore significativo per la composizione della comunità di lombrichi, le specie più abbondanti possono essere assegnate a tipi di uso del suolo specifici (Fig. 3, Tabella S1). Nei siti vegetali abbiamo trovato principalmente specie endogee come A. chlorotica (64,5%), che è tollerante ai disturbi28 e una specie pioniera58 , giovani endogei (41,9%) e A. caliginosa (45,1%). I siti con erbe perenni sono stati dominati da specie aneciche come L. terrestris (52,5%) e giovani aneciche (47,6%), probabilmente a causa di suoli più profondi e compattati. Come
Variabili | Descrizione |
---|---|
Pratiche di gestione | Pratiche di gestione |
Disturbo | Frequenza di disturbo del suolo |
Fertilizzante | Frequenza di applicazione dei fertilizzanti |
Intensità di gestione | Gradiente di intensità di gestione del giardino |
Pesticidi | Frequenza di applicazione dei pesticidi |
Acqua | Frequenza di applicazione dell'acqua |
Diserbo | Frequenza di diserbo |
Valori degli indicatori ecologici vegetali | Valori degli indicatori ecologici vegetali |
Aerazione | Apporto di ossigeno nel suolo (da scarso (0) a buono (1)) |
Basifcazione | Contenuto del suolo di ioni H+ (da acido (0) ad alcalino (1)) |
Humus | Contenuto di sostanza organica scura (humus) (da scarso (0) a elevato (1)) |
Umidità | Umidità del suolo durante la stagione di crescita (da secco (0) a umido (1)) |
Variabilità dell'umidità | Umidità del suolo alternata (da meno (0) a più (1) alternata) |
Nutrienti | Disponibilità di nutrienti nel suolo (da bassa (0) ad alta (1)) |
Profondità delle radici | Profondità di penetrazione delle radici nel suolo (da superficiale (0) a profonda (1)) |
Tabella 2.Pratiche di gestione del giardino basate sull'indagine dei giardinieri (Tabella S3) e valori degli indicatori ecologici delle piante che riflettono i requisiti ambientali delle piante81. I valori degli indicatori ecologici delle piante sono calcolati come medie ponderate della comunità di specie vegetali trovate in ogni parcella di campionamento.
Come previsto, abbiamo riscontrato la più bassa diversità di lombrichi (DSimpson) nei siti vegetali (1,85 ± 0,2) e la più alta nei siti erbosi (2,57 ± 0,2). La diversità dei lombrichi è stata guidata da specie endogee e aneciche, ma non da specie epigee (Tabella 4). Inoltre, abbiamo trovato la più bassa diversità beta$( beta _ { 1 A C } )$ per i lombrichi negli ortaggi e la più alta nei siti erbosi (Fig. S5, Tabella S5). Tuttavia, l'uniformità $( E _ { sin t }$pson) non era più alta nei siti di ortaggi, ma in quelli di graminacee e bacche, dove abbiamo anche osservato componenti di nestedness più elevate$( beta _ { 1 N E } ) .$
Le code di primavera sono state influenzate dagli indicatori ecologici vegetali umidità (PERMANOVA COL; F=3,7; p =<0,001) e variabilità dell'umidità (PERMANOVA COL; F=3,7;p=<0,001). Ciò indica un terreno umido o un'alternanza di condizioni di umidità del suolo, favorendo le specie più abbondanti nei siti erbosi, come S. aureus (81,1%) o P. alba (67,3%) su terreni ad alta resistenza alla penetrazione (PERMANOVA COL;F=2,3;;p=0,01)e$C _ { min }$(PERMANOVACOL;F=2,1;p=0,02). Tutte e tre le forme di vita delle code a molla erano presenti nelle specie che hanno avuto il maggiore effetto sulla composizione della comunità (Tabella S4). B. hortensis ha mostrato l'effetto maggiore (NMDS; $R ^ { 2 } = 0 . 2 9 ; P = < 0 .$001), e si trovava soprattutto nei siti vegetali (75,5%), dove era presente anche C. thermophilus (NMDS; R2 = 0,13; p =< 0,001) (56,7%), correlato con i carichi di potassio (PERMANOVA COL;F=2,5; p=<0,001). Altre specie che hanno influenzato la composizione della comunità di codoni sono state trovate principalmente in siti erbosi, come P. notabilis (85,4%), che rappresenta la specie di codone più abbondante (22,9%) (13.435 individui) in questa indagine. Inoltre, abbiamo trovato otto specie di coda a molla (contrassegnate da stelle nella Tabella S1) che non erano ancora incluse nell'elenco delle specie di Fauna Europaea, con due nuovi record per la Svizzera (I. balteatus e I. graminis) secondo la letteratura disponibile e il parere degli esperti (cfr. Tabella S1). La separazione dei siti di fiori e bacche nell'NMDS è stata guidata principalmente da C. denticulata (NMDS;$R ^ { 2 } = 0 . 0 8 ;$p =< 0,001). Inoltre, abbiamo riscontrato un chiaro effetto del tipo di uso del suolo del giardino (PERMANOVA COL;F=2,8;p =< 0,001), ma anche due effetti significativi di specifiche pratiche di gestione del giardino: l'applicazione di acqua (PERMANOVA COL;F=2,5;P=<0,001) e il diserbo (PERMANOVA COL;F=1,8;p=0,04). Nell'ordinamento NMDS, il diserbo è stato attribuito maggiormente ai siti di ortaggi e l'applicazione di acqua ai siti di erba, mentre i siti di fiori e bacche sono stati associati a un maggior grado di urbanizzazione (PERMANOVA COL;F=1,8;P=0,04) e a suoli più alcalini (basifcazione; PERMANOVA COL;F=2,0;p=0,02). Come previsto, abbiamo trovato valori medi più bassi per la diversità della coda di primavera$( D _ { S i m }$Pdon, Tabella S2) nei siti vegetali (3,3±0,2) rispetto ai siti erbosi (3,8 ± 0,1). La diversità beta (βJAC) è risultata più elevata nei siti di piante e bacche con un elevato turnover rispetto alla componente di nestedness (Fig. S5, Tabella S5). L'uniformità della coda di primavera (ESimpson) è risultata più elevata nei siti di pergolati e bacche, dove è stata riscontrata anche la più alta componente di nestedness $( beta _ { 1 N E } )$, probabilmente dovuta al fatto che le specie emiedafiche ed euedafiche sono più simili nei siti di pergolati e bacche.
Inoltre, abbiamo riscontrato differenze tra i tipi di uso del suolo dei giardini negli indici di disturbo della fauna del suolo. L'indice ecomorfologico della colombaia e il rapporto tra lombrichi anecici ed endogei erano più bassi nei siti vegetali (Tabella S2). Il rapporto tra acari e collemboli era più basso nei siti erbosi e il rapporto tra funghi e batteri era più alto nei siti vegetali.
Discussione
In tutto il mondo, c'è un crescente interesse delle amministrazioni cittadine per i benefici socio-economici ed ecologici degli orti urbani6,11,12,17,23,29,59. Abbiamo studiato l'impatto delle pratiche di gestione degli orti sulla diversità in superficie e in profondità e sulle funzioni del suolo interconnesse. Il SEM (Fig. 2, Tabella 3) ha rivelato effetti diretti sulla multifunzionalità del suolo ed effetti indiretti mediati dalla fauna del suolo. Nel complesso, i nostri risultati hanno mostrato che i maggiori effetti sulla multifunzionalità del suolo sono stati causati da specifiche caratteristiche del suolo. I suoli che presentano elevati indici di qualità biologica del suolo, come il carbonio organico e microbico e i batteri, aumentano il potenziale di multifunzionalità del suolo. Questo probabilmente deriva da pratiche di giardinaggio biologico come l'applicazione di compost, a causa della correlazione con l'aumento del carico di potassio e con la diminuzione dei valori di densità apparente (Tabella 3, Tabella 1), influenzando anche il suolo.
Risposta | R2C | Predittore | P | ||
---|---|---|---|---|---|
Multifunzionalità del suolo | 0.74 | 0.58 | Suolo PC1 | <0.001*** | |
Diversità delle piante | 0.01** | ||||
Biomassa della fauna | 0.02* | ||||
Verdure | 0.03* | ||||
Suolo PC3 | 0.08 | ||||
Urbanizzazione | 0.12 | ||||
Suolo PC2 | 0.15 | ||||
Intensità di gestione | 0.22 | ||||
Fiori e bacche | 0.61 | ||||
Suolo PC4 | 0.69 | ||||
Diversità della fauna | 0.83 | ||||
Diversità della fauna | 0.25 | 0.11 | Diversità delle piante | 0.005** | |
Suolo PC1 | 0.03* | ||||
Urbanizzazione | 0.09 | ||||
Verdure | 0.17 | ||||
Intensità di gestione | 0.37 | ||||
Fiori e bacche | 0.92 | ||||
Biomassa della fauna | 0.43 | 0.37 | Diversità della fauna | <0.001*** | |
Fiori e bacche | <0.001*** | ||||
Verdure | <0.001*** | ||||
Intensità di gestione | 0.01* | ||||
Diversità delle piante | 0.20 | ||||
Urbanizzazione | 0.56 | ||||
Diversità delle piante | 0.39 | 0.08 | Intensità di gestione | 0.01** | |
Fiori e bacche | 0.04* | ||||
Verdure | 0.09 | ||||
Suolo PC1 | 0.48 | 0.02 | Urbanizzazione | 0.24 | |
Verdure | 0.30 | ||||
Intensità di gestione | 0.55 | ||||
Fiori e bacche | 0.81 | ||||
Suolo PC2 | 0.60 | 0.44 | Verdure | <0.001*** | |
Fiori e bacche | <0.001*** | ||||
Intensità di gestione | 0.47 | ||||
Urbanizzazione | 0.61 | ||||
Suolo PC3 | 0.76 | 0.01 | Verdure | 0.16 | |
Intensità di gestione | 0.32 | ||||
Fiori e bacche | 0.86 | ||||
Urbanizzazione | 0.90 | ||||
Suolo PC4 | 0.47 | 0.02 | Verdure | 0.18 | |
Urbanizzazione | 0.40 | ||||
Fiori e bacche | 0.83 | ||||
Intensità di gestione | 0.93 |
Tabella 3.Modello finale di equazione strutturale più parsimonioso (SEM;$A I C = 1 5 6 . 3 , F i s h e r ^ { prime } s$C=24,3, P=0,93) che indica gli effetti diretti e indiretti sulla multifunzionalità del suolo derivanti dai tipi di uso del suolo dei giardini, dalla gestione dei giardini, dalla diversità della fauna vegetale e del suolo, dalla biomassa della fauna del suolo, dalle caratteristiche del suolo e dall'urbanizzazione.$R ^ { 2 } i s$ basato sugli effetti fissi e R2C sugli effetti fissi e casuali (ID giardino). _ { M } i s$ basati su effetti fissi e R2C su effetti fissi e casuali (ID giardino). Le stime totali dei percorsi indiretti sono riportate nella Tabella S6.
qualità22. Il secondo effetto più forte sulla multifunzionalità del suolo è stato causato dalla coltivazione di ortaggi e legumi nei siti di ortaggi annuali (ipotesi (i), Fig. 1 frecce 1a), probabilmente a causa del frequente disturbo del suolo e dei terreni aperti non protetti rispetto ai siti di erba perenne. La coltivazione di falci e bacche ha aumentato la diversità vegetale (Fig. 1, frecce 1b), ma ha diminuito la biomassa della fauna del suolo rispetto ai siti erbosi. Le garitte urbane con una maggiore diversità vegetale (ipotesi (ii), Fig. 1, frecce 3) hanno aumentato la multifunzionalità del suolo direttamente e indirettamente attraverso l'aumento della diversità della fauna e quindi della sua biomassa. Il modello generale di una maggiore multifunzionalità del suolo con l'aumento della diversità vegetale è in linea con i risultati trovati in altri ecosistemi, come le coltivazioni, gli arbusteti, le praterie e le foreste, dove la diversità vegetale ha aumentato ES come l'impollinazione, l'immagazzinamento di C, il controllo dei parassiti e la produttività60,61. Contrariamente alle nostre aspettative, non abbiamo riscontrato alcun effetto diretto significativo dell'intensità di gestione sulla multifunzionalità del suolo, ma i siti gestiti in modo più intensivo hanno ridotto la diversità delle piante e la biomassa della fauna. A
Df | I lombrichi | I lombrichi | I lombrichi | I lombrichi | Coda a molla | Coda a molla | Coda a molla | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Df | F | R2 | P | P | F | R2 | P | |
Pratiche di gestione | ||||||||
Intensità di gestione | 1 | 1.1 | 0.01 | 0.37 | 1.3 | 0.01 | 0.18 | |
Acqua | 1 | 1 | 0.01 | 0.43 | 2.5 | 0.01 | <0.001** | |
Fertilizzante | 1 | 1.8 | 0.01 | 0.09 | 1.4 | 0.01 | 0.14 | |
Pesticidi | 1 | 0.6 | 0.01 | 0.75 | 1.3 | 0.01 | 0.19 | |
Disturbo | 1 | 2.4 | 0.01 | 0.02* | 1.2 | 0.01 | 0.24 | |
Diserbo | 1 | 1.6 | 0.01 | 0.11 | 0.11 | 1.8 | 0.01 | 0.04* |
Indicatori ecologici vegetali | ||||||||
Umidità | 1 | 1.5 | 0.01 | 0.15 | 0.15 | 3.7 | 0.02 | <0.001*** |
Variabilità dell'umidità | 1 | 1.9 | 0.01 | 0.06 | 0.06 | 3.7 | 0.02 | <0.001*** |
Basifcazione | 1 | 1.4 | 0.01 | 0.18 | 0.18 | 2 | 0.01 | 0.02* |
Nutrienti | 1 | 5.9 | 0.04 | <0.001*** | <0.001*** | 5.4 | 0.03 | <0.001*** |
Humus | 1 | 3 | 0.02 | 0.01** | 0.01** | 0.6 | 0.01 | 0.82 |
Aerazione | 1 | 1.2 | 0.01 | 0.29 | 0.29 | 1.8 | 0.01 | 0.05* |
Profondità delle radici | 1 | 0.6 | 0.01 | 0.82 | 0.82 | 0.7 | 0.01 | 0.74 |
Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo | Caratteristiche del suolo |
Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche | Misure fisiche |
SA | 1 | 1.9 | 0.01 | 0.06 | 1.8 | 0.01 | 0.05 | |
PR | 1 | 5.3 | 0.03 | <0.001 | *** | 2.3 | 0.01 | 0.01** |
BD | 1 | 1.1 | 0.01 | 0.36 | 0.7 | 0.01 | 0.81 | |
Misure chimiche | ||||||||
Mg | 1 | 2.1 | 0.01 | 0.04* | 1.3 | 0.01 | 0.2 | |
P | 1 | 1.1 | 0.01 | 0.32 | 0.6 | 0.01 | 0.81 | |
Fe | 1 | 1.4 | 0.01 | 0.17 | 0.7 | 0.01 | 0.81 | |
K | 1 | 2.7 | 0.02 | 0.01* | 2.5 | 0.01 | <0.001** | |
pH | 1 | 0.8 | 0.01 | 0.55 | 1.1 | 0.01 | 0.36 | |
Mn | 1 | 0.7 | 0.01 | 0.72 | 0.7 | 0.01 | 0.79 | |
Misure biologiche | ||||||||
1 | 0.8 | 0.01 | 0.6 | 0.6 | 0.9 | 0.01 | 0.52 | |
Cmic | 1 | 0.6 | 0.01 | 0.73 | 0.73 | 2.1 | 0.01 | 0.02* |
Funghi | 1 | 0.8 | 0.01 | 0.62 | 0.62 | 1.8 | 0.01 | 0.04* |
Batteri | 1 | 0.7 | 0.01 | 0.71 | 0.71 | 0.8 | 0.01 | 0.63 |
Caratteristiche del giardino | ||||||||
Tipo di uso del suolo | 2 | 1 | 0.01 | 0.41 | 0.41 | 2.8 | 0.03 | <0.001*** |
Urbanizzazione | 1 | 1.4 | 0.01 | 0.17 | 0.17 | 1.8 | 0.01 | 0.04* |
Residui | 119 | 0.72 | 0.69 |
Tabella 4.PERMANOVA dei lombrichi (PERMANOVA EW; sinistra) e delle code di primavera (PERMANOVA COL; destra) e delle pratiche di gestione, degli indicatori ecologici delle piante, delle caratteristiche del suolo e delle caratteristiche del giardino come variabili esplicative. SA: aggregati stabili del suolo, BD: densità apparente del suolo, PR: Resistenza alla penetrazione.
Una relazione simile tra intensità di gestione e diminuzione della diversità è stata osservata nei prati urbani. Lerman et al.62 hanno dimostrato che lo sfalcio solo ogni tre settimane, invece che ogni settimana, ha aumentato il numero di falciatori di 2,5 volte e quindi l'abbondanza e la diversità delle popolazioni di api. Sebbene Tresch et al. abbiano dimostrato che la decomposizione della materia organica in superficie63 e in profondità22 è aumentata con l'urbanizzazione, non è stato rilevato alcun effetto significativo dell'urbanizzazione (ipotesi (v), Fig. 1 freccia 5) sulla multifunzionalità del suolo.
La struttura delle comunità di lombrichi e di codoni è stata influenzata dagli indicatori ecologici delle piante (Fig. 3, Tabella 3), che rappresentano le condizioni di vita delle piante. È interessante notare che i lombrichi sono stati più influenzati dagli indicatori ecologici delle piante rispetto ai lombrichi, evidenziando l'influenza dominante delle piante sui lombrichi50. Come previsto, abbiamo riscontrato una minore diversità alfa dei lombrichi e delle code di primavera nei siti orticoli, probabilmente a causa dell'elevata alterazione del suolo. La diversità beta è stata costantemente elevata sia nella fauna del suolo sia nelle comunità vegetali, grazie all'elevato turnover e alle componenti di bassa nidificazione. La composizione delle comunità vegetali è stata modellata dall'elevato ricambio di specie tra i siti degli orti, con le più alte dissimmetrie per i siti dei fiori e delle bacche. Come ci si aspettava, queste differenze significative hanno avuto origine molto probabilmente dalle pratiche di impianto e di gestione del giardino che hanno portato a composizioni comunitarie specifiche del sito. I valori di beta diversità per entrambe le comunità faunistiche sono stati più bassi nei siti di coltivazione degli ortaggi e hanno raggiunto un picco per i lombrichi nei siti di coltivazione dell'erba e per le code di primavera nei siti di coltivazione di fiori e bacche, riflettendo le diverse strategie ecologiche dei lombrichi e delle code di primavera.
I lombrichi sono importanti indicatori del funzionamento del suolo51,52 . I gruppi funzionali dei lombrichi sono stati utilizzati per rilevare gli impatti della coltivazione in suoli diversi come pascoli, frutteti o suoli forestali, mentre il rapporto tra specie aneciche ed endogee è stato utilizzato come indicatore di suoli contaminati64 o di disturbo del suolo65. Nella frequente
Figura 3.Analisi della struttura di comunità della fauna del suolo dei lombrichi (a,b) e delle code a molla (c,d). Le specie della fauna del suolo sono colorate in grigio e corrispondono a tre categorie ecologiche (Tabella S1). Sono state considerate solo le specie con un effetto significativo (p < 0,001) (Tabella S4) e solo le variabili esplicative significative (p < 0,05) del modello PERMANOVA (Tabella 1). I tipi di uso del suolo dei giardini includono barre di deviazione standard.
Nei siti orticoli disturbati abbiamo riscontrato i valori più bassi per il rapporto tra lombrichi anici ed endogei e per l'indice ecomorfologico delle collembole, indicando una diminuzione della qualità biologica del suolo a causa del disturbo del suolo48. Altri studi hanno riportato il valore più alto dell'indice ecomorfologico della collembola negli orti urbani e nei siti forestali48. Tuttavia, il valore più alto riscontrato nei siti forestali (2,3) era ancora considerevolmente inferiore alla media che abbiamo riscontrato negli orti urbani di Zurigo (5,8 ± 0,1), con un elevato numero di sputacchine euedafiche come P. pulvinata, F. quadriculata e I. minor. L'abbondanza della coda di primavera aumenta spesso dai siti agricoli a quelli forestali66 . In questo caso è aumentata da siti vegetali a siti erbosi di 4,3 volte. Oltre alla perturbazione del suolo, la maggiore abbondanza nei siti erbosi potrebbe essere spiegata dalla maggiore copertura vegetale dei siti a vegetazione perenne66 e dal fatto che le strisce erbose offrono una varietà di microhabitat per le specie di mesofauna del suolo48. Al contrario, Joimel et al.48 hanno trovato densità medie più elevate nelle aiuole di ortaggi rispetto ai siti forestali o erbosi, sottolineando la qualità degli orti urbani per la biodiversità della fauna del suolo e la qualità del suolo. Inoltre, l'aumento del contenuto di materia organica nei suoli degli orti urbani3 può essere un fattore importante per l'elevata diversità della fauna del suolo, poiché l'apporto di materia organica nei suoli degli orti può essere maggiore rispetto ai terreni agricoli67. Inoltre, è noto che un'elevata intensità di gestione diminuisce la diversità della mesofauna del suolo68. Abbiamo riscontrato un rapporto più basso tra acari e collemboli nei siti con erba rispetto a quelli con fiori e bacche, il che è in linea con la predominanza di acari nei suoli frequentemente disturbati di seminativi o vigneti48. Inoltre, abbiamo riscontrato una biomassa di coda di primavera più elevata nei siti erbosi, mentre la biomassa di lombrichi era a un livello simile e comparabilmente alto in tutti i tipi di uso del suolo dei giardini urbani. Per esempio, l'abbondanza di lombrichi (227,4 ± 15,5) era notevolmente superiore ai valori medi di riferimento per gli indicatori biologici della qualità del suolo trovati nei terreni erbosi o coltivati69. Facendo riferimento a tutti i microrganismi68 , l'$C _ { m i c }$ ha raggiunto il picco per i siti erbosi, mentre il valore medio (780,9 ± 21,3) era superiore a quello dei terreni coltivati (341 mg kg-1), ma inferiore a quello dei terreni erbosi (1249 mg kg-1) trovati in Belgio69 o in Svizzera70 (2077 mg kg-1). Questo andamento di $C _ { min }$ riflette le pratiche di gestione, come la concimazione o la lavorazione del terreno68. Inoltre, la composizione delle comunità di microorganismi del suolo è un fattore importante per il funzionamento del suolo35. Per esempio, un cambiamento nella composizione o nell'attività dei funghi può aumentare l'assorbimento di carbonio e il ciclo dei nutrienti35. Sia la perturbazione del suolo71 che la minore diversità delle piante72
può determinare una diminuzione del rapporto funghi/batteri. Mentre ci si può aspettare un aumento del rapporto funghi/batteri dai suoli desertici a quelli temperati delle praterie e delle foreste, partendo dal presupposto che i suoli delle praterie sono più dominati dai batteri rispetto a quelli delle foreste26. In questo caso, abbiamo riscontrato un aumento del rapporto funghi/batteri nei siti vegetali, dovuto all'aumento del numero di copie geniche fungine e alla diminuzione di quelle batteriche (cfr. Tabella S9, Fig. S13). Questo potrebbe essere legato all'apporto di compost nei siti vegetali o alla maggiore diversità vegetale rispetto ai siti erbosi.
Il concetto intuitivo e piuttosto semplice di multifunzionalità24 e la sua riduzione a un'unica metrica, come l'approccio della media37 , devono essere esaminati criticamente. Ad esempio, le funzioni e i metodi per misurarle devono essere selezionati con attenzione42. La forza delle relazioni di multifunzionalità tra biodiversità ed ecosistemi dipende dal numero di funzioni incluse, che è risultato generalmente più forte quando sono state considerate più funzioni73. Un altro punto è che l'aggregazione di più funzioni in un'unica metrica può oscurare le informazioni su singole funzioni potenzialmente contrastanti74. Le correlazioni più elevate tra le funzioni del suolo (cfr. Fig. S14) sono state trovate tra $C _ { min }$ e$N _ { min }$ (r=0,45, p =< 0,001), entrambe utilizzate per calcolare l'apporto di nutrienti al suolo, e tra $C _ { min }$ e WHC (r=0.,43, p =< 0,001). Tutte le altre correlazioni (r<0,27) hanno dimostrato una certa indipendenza delle funzioni del suolo selezionate. È necessaria una correlazione moderatamente positiva di tutti i componenti con la multifunzionalità del suolo, poiché le correlazioni negative tra le funzioni possono rappresentare un limite per le valutazioni della multifunzionalità73. Tuttavia, questo quadro di valutazione della multifunzionalità potrebbe essere utilizzato anche in studi futuri per valutare l'impatto degli spazi verdi urbani gestiti sul contributo della natura alle persone nelle città.
Con questa valutazione a livello cittadino dell'effetto delle pratiche di giardinaggio urbano sulla diversità in superficie e in profondità delle piante e della fauna del suolo, abbiamo dimostrato il potenziale impatto delle decisioni dei giardinieri sulla qualità e sul funzionamento del suolo e le implicazioni sulla biodiversità di una città. In conclusione, il nostro studio suggerisce che una maggiore diversità vegetale può aumentare direttamente o indirettamente la multifunzionalità del suolo, incrementando la diversità e la biomassa della fauna del suolo. In uno studio precedente, la gestione intensiva dei giardini ha ridotto gli indici di qualità del suolo22. In questo caso abbiamo dimostrato che un'elevata intensità di gestione dei giardini ha ridotto anche la diversità vegetale e la biomassa della fauna del suolo, con un impatto negativo sulla multifunzionalità del suolo. Inoltre, abbiamo analizzato i fattori che determinano la struttura della comunità faunistica del suolo, tra cui le specie di lombrico e di coda di primavera. Abbiamo dimostrato che entrambi sono stati influenzati dagli indicatori ecologici delle piante, dalle caratteristiche del suolo e dalle pratiche di gestione, come la frequenza della perturbazione del suolo o l'applicazione di acqua. Concludiamo che l'aumento della diversità vegetale e le pratiche di gestione protettiva del suolo hanno il potenziale per aumentare le funzioni del suolo e favorire la biodiversità, nonché per creare giardini urbani più biofili59 , sostenendo il benessere umano e il valore ecologico degli spazi verdi urbani. Anche se il suolo è una risorsa chiave nelle città, non è stato integrato nella maggior parte dei piani per gli spazi verdi urbani75 , pertanto raccomandiamo che gli orti urbani, comprese le pratiche di gestione ecologica, siano integrati nelle future strategie per le città verdi.
Metodi
Disegno dello studio e gradienti.Questo studio si è svolto in 85 orti urbani della città di Zurigo, in Svizzera (Fig. S1). Abbiamo selezionato i giardini in base a tre criteri indipendenti22,76: (i) il tipo di giardino (domestico N=43vs. lottizzazione;N=42Fig. S2), (ii) l'intensità di gestione (come aiuole di ortaggi o fiori gestite in modo intensivo o prati gestiti in modo estensivo) e (iii) il grado di urbanizzazione, che va da aree densamente edificate ad aree periferiche entro i confini della città. In ogni giardino sono state selezionate due parcelle di campionamento (2 m × 2 m) con una diversa gestione dell'uso del suolo (Tabella S12), appartenenti a una delle seguenti tre categorie: aiuole di ortaggi annuali (ortaggi;N=47), aiuole e bacche perenni (aiuole & bacche;N=52) o prati e prati perenni (erba;N=71), che riflettono i tipi di uso del suolo dei giardini più dominanti a Zurigo e in molte altre città.
Le pratiche di gestione del giardino sono state valutate utilizzando un questionario con 26 domande di gestione, specifiche per ogni tipo di uso del suolo, che andavano dalla frequenza di taglio del prato all'applicazione di fertilizzanti o diserbo (Tabella S3). L'intensità di gestione del giardino è stata valutata come la somma delle 26 domande di gestione. Inoltre, cinque pratiche di gestione comuni (disturbo, fertilizzanti, pesticidi, acqua, diserbo; Tabella 2) sono state utilizzate nell'analisi della composizione della comunità. Il riscaldamento urbano è stato utilizzato come proxy dell'urbanizzazione grazie alla correlazione con la quantità di aree edificate e pavimentate per diversi raggi (30-500 m) intorno ai giardini63 . È stato valutato come la deviazione delle temperature medie locali dell'aria di notte in prossimità della superficie sulla base di un modello climatico locale77 , che mostra un aumento delle temperature fino a 5 °C per i giardini urbanizzati.
Diversità fuori terra.La diversità vegetale è stata valutata mediante un inventario foristico78 delle piante coltivate e spontanee presenti in ogni area di campionamento (N = 170). Sulla base di questo inventario di 600 specie vegetali, abbiamo calcolato la diversità alfa delle piante come il numero totale di specie vegetali per appezzamento di campionamento e la diversità beta delle piante come la media dei confronti di dissimilarità di Jaccard tra ogni appezzamento focale e tutti gli altri appezzamenti79. Inoltre, abbiamo utilizzato una scala ordinale a sei punti78 per calcolare i valori medi ponderati per la comunità di sette indicatori ecologici vegetali80 (Tabella 2), che riflettono i requisiti ambientali delle piante81.
Diversità del sottosuolo.I lombrichi sono stati raccolti in una sottoparcella più piccola di 0,3 m × 0,3 m all'interno delle parcelle di campionamento di 2m×2m con un metodo combinato di selezione manuale e di estrazione della senape22. I lombrichi sono stati conservati in etanolo 70, identificati a livello di specie e classificati in tre categorie ecologiche (Tabella S1): specie epigee (che vivono nello strato di lettiera, con scarsa attività di scavo), specie endogee (che vivono nel suolo, con tane orizzontali) e specie aneciche (che vivono in tane verticali grandi e profonde).
Le cocciniglie e gli acari sono stati campionati con sei carote di terreno indisturbato (5 cm di diametro, 8 cm di lunghezza, Eijkelkamp, NL) prelevate a caso nelle parcelle di 2 m × 2 m63 . Le cocciniglie sono state identificate a livello di specie, includendo le forme di vita secondo i tratti ecologici e funzionali (Tabella S1): specie epedafiche (che vivono nello strato superiore della lettiera), specie emiedafiche (che vivono all'interfaccia tra lettiera e suolo) e specie euedafiche (che vivono nel suolo).
La diversità della fauna del suolo è stata definita come la ricchezza media proporzionale delle specie della macrofauna (vermi terrestri) e della mesofauna (code a molla) del suolo, secondo Allan et al.82 . La beta diversità della fauna del suolo è stata calcolata come la media della beta diversità proporzionale delle specie di lombrichi e di springtails, mentre le misure individuali della beta diversità per gruppo di fauna del suolo sono state calcolate come dissomiglianze medie di Jaccard, analogamente alla beta diversità delle piante. La biomassa della fauna del suolo è stata calcolata come proporzione media di biomassa per m2 di suolo, con la biomassa misurata dei lombrichi [gm-2] su base individuale (incluso il contenuto dell'intestino) e la biomassa stimata della coda di primavera (fattore di conversione di 5 g per ogni coda di primavera83).
Indici di disturbo della fauna del suolo.L'adattamento della fauna del suolo alle pratiche di gestione è stato valutato con quattro indici di disturbo della fauna del suolo: l'indice ecomorfologico delle collembole48, il rapporto tra acari e collembole84, il rapporto tra funghi e batteri26 e il rapporto tra lombrichi anecici ed endogei64.
Caratteristiche del suolo.Le caratteristiche del suolo sono state valutate con una combinazione di tre misure fisiche, sei chimiche e quattro biologiche del suolo (Tabella 1), che rappresentano gli indicatori di qualità del suolo più comunemente utilizzati85. Per calcolare il rapporto tra funghi e batteri sono state utilizzate le informazioni relative alla comunità microbica, ovvero il numero di copie dei geni batterici (16S) e fungini (18S). I dettagli delle misure sono riportati nella Tabella S13 e in Tresch et al.86.
Multifunzionalità del suolo.Come in altri studi87 , abbiamo utilizzato l'approccio della media37 per calcolare la multifunzionalità del suolo. Tale approccio calcola il valore medio delle funzioni del suolo standardizzate per ogni parcella di campionamento. In totale, per il calcolo della multifunzionalità del suolo abbiamo utilizzato cinque misure (Tabella S11), relative a importanti funzioni del suolo. Le tre funzioni chiave del suolo valutate sono (i) la decomposizione della lettiera in superficie e in profondità, (ii) l'apporto di nutrienti al suolo e (iii) l'immagazzinamento e la regolazione dell'acqua nel suolo. La decomposizione della lettiera in superficie è stata misurata attraverso la perdita di massa standardizzata di lettiera fogliare (Zea mays L.) in sacchi di lettiera con maglie da 4 mm63 , mentre la decomposizione della lettiera in profondità è stata misurata attraverso la perdita di massa netta di sacchi di tè verde, interrati a 8 cm di profondità del suolo22. L'apporto di nutrienti nel suolo è stato valutato attraverso i tassi di mineralizzazione di N$( N _ { min } )$ e C$( C _ { min } )$, mentre la capacità del suolo di regolare l'acqua è stata misurata attraverso la capacità di ritenzione idrica (WHC).
Analisi dei dati.La diversità della fauna del suolo e la biomassa sono state calcolate prendendo la ricchezza di specie per gruppo tassonomico, applicando una standardizzazione per ciascun gruppo tassonomico scalata a un intervallo compreso tra 0 e 1$( f ( x ) = ( x _ { i } - x _ { min } )$ $/ ( x _ { max } - x _ min } )$ e quindi mediando i valori per ciascuna parcella82. La diversità beta sopra e sotto terra è stata calcolata come dissimilarità media di Jaccard a coppie, confrontando ogni parcella focale con tutte le altre parcelle di campionamento79 , utilizzando il pacchetto R "betapart "88 . La multifunzionalità del suolo è stata calcolata scalando ciascuna delle cinque misure delle funzioni del suolo in un intervallo compreso tra 0 e 187 e ricavando i valori medi delle funzioni del suolo standardizzate secondo l'approccio della media37. Le medie ponderate per la comunità degli indicatori ecologici delle piante sono state calcolate con il pacchetto R "FD "89 .
Abbiamo applicato un modello di equazione strutturale (SEM), con il pacchetto "piecewiseSEM "57 , per dedurre l'importanza relativa degli effetti diretti e indiretti del giardinaggio urbano, della diversità vegetale, dell'urbanizzazione e delle caratteristiche del suolo sulla fauna e sulla multifunzionalità del suolo. Per affrontare la multicollinearità e ridurre la quantità di variabili, abbiamo applicato una PCA per le caratteristiche del suolo e utilizzato i primi quattro assi PCA, che spiegano 64,2% (Tabella 1; Fig. S4) della variazione (criteri di Kaiser-Guttman). Abbiamo utilizzato il test di separazione d di Shipley per identificare i percorsi mancanti nel SEM e l'AICC per confrontare i modelli. Abbiamo utilizzato modelli lineari a effetti misti (LMEM; lme(nlme;90) con il giardino come effetto casuale per ogni componente del SEM e abbiamo riportato i coefcienti di percorso standardizzati (scalati dalla media e dalla varianza), nonché l'R2 marginale e l'R2 condizionale basati sugli effetti fissi e casuali57 (Tabella 3). Sono state testate le ipotesi del modello (Fig. S11) e sono stati calcolati i potenziali modelli di autocorrelazione spaziale con gli indici di autocorrelazione I di Moran e la struttura spaziale dei residui del modello utilizzando i semivariogrammi (Fig. S12).
Abbiamo applicato un LMEM individuale con l'identità del giardino come effetto casuale e i tipi di uso del suolo come variabili di risposta per valutare i cambiamenti nella diversità della fauna e delle piante e gli indici di disturbo della fauna del suolo. Abbiamo controllato la distribuzione normale, l'autocorrelazione e l'eteroscedasticità dei residui del modello e abbiamo applicato una trasformazione (log(x+1)) nei casi di: biomassa dei lombrichi, rapporto tra anemici ed endogei, rapporto tra acari e collemboli e biomassa della coda primaverile. Abbiamo riportato le medie e gli intervalli di credibilità 95% della distribuzione posteriore dell'inferenza bayesiana basata su 10.000 simulazioni indipendenti91. La struttura della comunità della fauna del suolo è stata ulteriormente analizzata utilizzando un'analisi multivariata della varianza (PERMANOVA, 10.000 permutazioni) con una matrice di specie a distanza euclidea di Hellinger transformata di lombrichi (EW) e code di primavera (COL) e una scala multidimensionale non metrica (NMDS) utilizzando il pacchetto "vegan "92 . Per l'NMDS sono state considerate solo le variabili significative della PERMANOVA. La gestione dei dati e le analisi statistiche sono fornite come progetto R utilizzando R 3.4.2 (R Core Team, 2017).
Riferimenti
- Nazioni Unite. Trasformare il nostro mondo: Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile. Tech. Rep. (2015).
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Ringraziamenti
Siamo grati ad Adolphe Munyangabe e Anton Kuhn (misurazioni del suolo), Lena Fischer (indice delle bustine di tè ed estrazione dei lombrichi), Stefan Grubelnig e Reto Henzmann (campionamento del suolo e della fauna del suolo), Dr. Lukas Pffner (identificazione dei lombrichi), Dr. Daniel Haefelfnger (decomposizione dei sacchi di lettiera) e Dr. Joerg Salamon (identificazione dei collemboli) per il loro straordinario supporto e aiuto sul campo o in laboratorio. In particolare, ringraziamo il Dr. Robert Home per il suo supporto nella stesura del manoscritto e gli 85 giardinieri partecipanti a questo studio per aver concesso l'accesso ai loro giardini e per il loro interesse nel promuovere la biodiversità nelle città. Siamo grati per il sostegno finanziario a questo progetto interdisciplinare BetterGardens fornito dal Fondo Nazionale Svizzero per la Ricerca Scientifica nell'ambito del programma Sinergia (CRSII1_154416).
Contributi degli autori
A.F., M.M., R.L., P.M., D.F. e S.T. hanno ideato e progettato la ricerca, S.T. ha svolto il lavoro sul campo e in laboratorio con l'aiuto di B.S. e D.F. S.T. ha analizzato i dati. Tutti gli autori hanno revisionato il manoscritto.
Informazioni aggiuntive
Le informazioni supplementari accompagnano questo documento all'indirizzo https://doi.org/10.1038/s41598-019-46024-y.
Interessi in competizione: Gli autori non dichiarano interessi in competizione.
Nota dell'editore: Springer Nature rimane neutrale rispetto alle rivendicazioni giurisdizionali nelle mappe pubblicate e alle alleanze istituzionali.
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