Coastal marine ecosystems are among the most productive worldwide (UNEP, 2006; Hattam et al., 2015), in terms of biomass and specific richness. Their stock of natural capital provides a set of resource flows essential for the environment itself and human well-being. However, the development of anthropic activities along the coast causes a decline in ecological status and biodiversity characteristic of ecosystems (Halpern et al., 2008; Haines-Young and Potschin, 2010). The Ligurian Sea is a biodiversity hotspot in the context of the Mediterranean Sea, but it is a highly anthropized area characterized by high population density, productive activities, tourist attractions and urban centers. This thesis project aims: 1. to assess and quantify the spatial distribution of the natural capital and environmental flows values of Ligurian Sea coastal marine habitats and 2. to analyze the relationships between the distribution of these values and some natural and anthropogenic variables present along the coast, which may influence the capacity of the natural system to generate and maintain the natural capital itself. Through these objectives, this study allows to identify the current status of the Ligurian marine coastal zone in terms of natural capital and environmental flows, and proposes a model to assess possible effects on the marine coastal ecosystem of some variables, useful in the development of sustainable environmental management practices. The marine coastal area of Liguria (NW Italy) was divided into 43 functional spatial sections, hereinafter referred as "biomarine units". Natural capital and environmental flows were estimated for each biomarine unit. To this end, benthic and fish communities biomasses were collected from literature and through ad hoc sampling campaigns. Following the procedure described in previous studies for the Marine Protected Areas (MPA) (Vassallo et al., 2017; Paoli et al., 2018), the emergy analysis was applied to assess natural capital and environmental flows. Emergy is a thermodynamic methodology that allows to evaluate the biophysical value of a system, accounting for the resources nature invests to maintain the ecological processes happening in the habitats of the study area (Odum 1996; Ulgiati and Brown, 2009). It allows to quantify the values of natural capital and environmental flows in biophysical terms (solar emergy joule-sej) and, through appropriate conversion factors, in monetary equivalents (emergy euro-em€). Monetary equivalents allow an easier understanding by not skilled stakeholders and open the way to include marine resources value in socio-economic and political contexts (Vassallo et al, 2009; Buonocore et al., 2021). Subsequently, a series of variables, hereinafter referred as "forcings", which insist along the Ligurian coastal zone affecting the values of natural capital and environmental flows and their spatial distribution, either directly or indirectly, positively or negatively. the possible influence of variables on the ability of the natural system to generate natural capital and environmental flows was verified through a regression analysis (Random Forest). The Random Forest is a machine learning method that generates decision trees from a set of data in order to perform regression and classification analyses. In order to suggest management strategies for the marine coastal zone, four possible prediction scenarios were proposed, diversified on the basis of the types of forcings: - natural only; - natural and anthropogenic; - natural and anthropogenic only with positive effect on the natural capital and environmental flow values; - natural and anthropogenic only with a negative effect on the natural capital and environmental flow values. Furthermore, this objective evaluation was completed by a subjective one through the questionnaire administration to some experts in the coastal studies (Delphi method) in order to compare the results obtained by both methods. The questionnaire asked whether the forcing presence influences positively or negatively the natural capital value and the intensity of the pressure exerted by the forcings (score from 1 to 7). Both the application of regression analysis and the questionnaires administration permitted to investigate the extent to which the presence or absence of forcings may influence the values of natural capital and environmental flows and their distribution along the coast. The total natural capital value for the Ligurian marine coastal zone was approximately 2.11 billion em€ and showed higher values (on average 22% higher) within the biomarine units belonging to the MPAs, demonstrating the effectiveness of the protection measures adopted. This value will have to be kept constant to preserving the natural capital intact in order to guarantee the provision of services at least at the current status. The dependency analysis showed that anthropogenic forcings had a greater influence on the value of natural capital and its distribution than the natural ones. In fact, the scenario developed considering the positive anthropogenic forcings showed an increase in the natural capital and environmental flows values, confirming the usefulness of protection measures. Similar responses were also obtained from the questionnaires, showing a greater influence of the environmental protection measures. The development of this thesis allowed to identify a synthetic, but at the same time informative, indicator that monitors the status of the natural capital of the Ligurian coast and to identify the positive and negative forcings that have the greatest influence on its value in order to monitor and manage it.

La fascia marino costiera ospita ecosistemi tra i più produttivi al mondo, in termini di biomassa e ricchezza specifica. Il loro stock di capitale naturale fornisce un insieme di flussi di risorse essenziali per la vita dell’ambiente stesso e dell’uomo. Tuttavia, lo sviluppo di attività antropiche lungo costa causa un declino dello stato degli ecosistemi e della biodiversità caratteristici degli ecosistemi costieri. Il Mar Ligure, ad esempio, rappresenta un hotspot di biodiversità, come gran parte del Mar Mediterraneo ma, allo stesso tempo, un’area altamente antropizzata caratterizzata da una elevata densità di popolazione e dall’interazione di attività produttive, attrazioni turistiche e centri urbani. Questo progetto di tesi ha un duplice scopo: valutare e quantificare la distribuzione spaziale del valore del capitale naturale e dei flussi ambientali che caratterizzano gli habitat marino costieri del Mar Ligure e analizzare le relazioni che intercorrono tra la distribuzione di tali valori e alcune variabili naturali e antropiche presenti lungo costa, che possono influenzare la capacità del sistema naturale di generare e mantenere il capitale stesso. Attraverso tali obiettivi, questo studio consente di definire lo stato attuale della fascia marino costiera ligure in termini di capitale naturale e flussi ambientali e propone un modello di valutazione di possibili effetti sull’ecosistema marino costiero in presenza di alcune variabili, utile nello sviluppo di pratiche di gestione ambientale sostenibile. Pertanto, la fascia marino costiera della Liguria è stata suddivisa in 43 sezioni spaziali funzionali, dette “unità biomarine”, per ciascuna delle quali sono stati stimati i valori di capitale naturale e flussi ambientali. A tal fine, sono stati raccolti i dati relativi alle biomasse delle comunità bentoniche ed ittiche attingendo dalla letteratura e attraverso campagne di campionamento ad hoc. Seguendo, poi, la procedura descritta in precedenti studi per le Aree Marine Protette (AMP) (Vassallo et al., 2017; Paoli et al., 2018), è stata applicata l'analisi emergetica per valutare il capitale naturale e i flussi ambientali. Tale analisi consiste in una metodologia termodinamica che permette di esprimere quali siano i costi, in termini di risorse impiegate, che la natura deve sostenere per mantenere i processi ecologici in atto negli habitat che costituiscono l’area di studio. L’analisi emergetica consente di quantificare il valore di capitale naturale e flussi ambientali in termini biofisici (solar emergy joule - sej) e, attraverso opportuni fattori di conversione, in termini monetari (emergy euro - em€). Gli equivalenti monetari permettono una più facile comprensione da parte di stakeholder non specializzati e aprono la strada per includere il valore delle risorse marine in contesti socio-economici e politici. Successivamente, sono state individuate una serie di variabili, definite “forzanti”, che insistono lungo l’arco costiero ligure e che possono alterare il sistema e possono, sia direttamente che indirettamente, incidere positivamente o negativamente sui valori di capitale naturale e flussi ambientali e sulla loro distribuzione spaziale. La possibile dipendenza tra la presenza di forzanti e i valori calcolati precedentemente è stata analizzata tramite la tecnica delle foreste casuali (Random Forest). La Random Forest è un metodo di machine learning che genera alberi decisionali a partire da un insieme di dati, per effettuare analisi di regressione e classificazione. Al fine di proporre strategie di gestione della fascia marino costiera, sono stati proposti quattro possibili scenari predittivi, diversificati sulla base dei tipi di forzanti selezionati: • solo naturali; • naturali ed antropiche; • naturali ed antropiche solo con effetto positivo sui valori di capitale naturale e flussi ambientali; • naturali ed antropiche solo con effetto negativo sui valori di capitale naturale e flussi ambientali. Inoltre, alla valutazione oggettiva sopra descritta è stata affiancata una valutazione soggettiva tramite somministrazione di un questionario ad alcuni esperti dell’ambito degli studi marino costieri al fine di poter effettuare un confronto tra i risultati ottenuti da entrambi i metodi. All’interno del questionario è stato chiesto se la presenza delle forzanti influenzi il valore del capitale naturale presente lungo costa positivamente o negativamente e l’intensità della pressione esercitata, attribuendo un punteggio, dalle forzanti (punteggio da 1 a 7). Dunque, sia l’applicazione dell’analisi di regressione sia la somministrazione dei questionari hanno consentito di indagare quanto la presenza o assenza di alcune forzanti possa influenzare i valori di capitale naturale e flussi ambientali e la loro distribuzione lungo costa. Il valore di capitale naturale complessivo per la fascia marino costiera ligure è risultato di circa 2,11 miliardi em€ e ha mostrato valori maggiori (mediamente superiori del 22%) all’interno delle unità biomarine appartenenti alle AMP, dimostrando l'efficacia delle misure di protezione adottate. Tale valore dovrà essere mantenuto costante nell’ottica di preservare il capitale naturale intatto al fine di garantire la fornitura dei servizi almeno al livello attuale. Dall’analisi di dipendenza è emerso come le forzanti antropiche influiscano maggiormente sul valore del capitale naturale e sulla sua distribuzione rispetto a quelle naturali. Infatti, lo scenario sviluppato considerando la presenza di forzanti antropiche positive ha evidenziato un aumento del valore del capitale, confermando come le misure di protezione possano essere fondamentali per gestire e conservare il capitale naturale. Risposte simili sono state ottenute anche dalla somministrazione dei questionari, evidenziando un’influenza maggiore da parte delle misure di protezione ambientali. Lo sviluppo di questa tesi ha permesso di individuare un indicatore sintetico, ma allo stesso tempo informativo, che consente di monitorare lo stato del capitale naturale della costa ligure e di individuare le forzanti, sia positive, sia negative che maggiormente influenzano il valore in modo da poter operare su di esse in termini di monitoraggio e gestione.

Valutazione e quantificazione del capitale naturale della fascia costiera Ligure e analisi delle dipendenze da forzanti esterne

RIGO, ILARIA
2022

Abstract

La fascia marino costiera ospita ecosistemi tra i più produttivi al mondo, in termini di biomassa e ricchezza specifica. Il loro stock di capitale naturale fornisce un insieme di flussi di risorse essenziali per la vita dell’ambiente stesso e dell’uomo. Tuttavia, lo sviluppo di attività antropiche lungo costa causa un declino dello stato degli ecosistemi e della biodiversità caratteristici degli ecosistemi costieri. Il Mar Ligure, ad esempio, rappresenta un hotspot di biodiversità, come gran parte del Mar Mediterraneo ma, allo stesso tempo, un’area altamente antropizzata caratterizzata da una elevata densità di popolazione e dall’interazione di attività produttive, attrazioni turistiche e centri urbani. Questo progetto di tesi ha un duplice scopo: valutare e quantificare la distribuzione spaziale del valore del capitale naturale e dei flussi ambientali che caratterizzano gli habitat marino costieri del Mar Ligure e analizzare le relazioni che intercorrono tra la distribuzione di tali valori e alcune variabili naturali e antropiche presenti lungo costa, che possono influenzare la capacità del sistema naturale di generare e mantenere il capitale stesso. Attraverso tali obiettivi, questo studio consente di definire lo stato attuale della fascia marino costiera ligure in termini di capitale naturale e flussi ambientali e propone un modello di valutazione di possibili effetti sull’ecosistema marino costiero in presenza di alcune variabili, utile nello sviluppo di pratiche di gestione ambientale sostenibile. Pertanto, la fascia marino costiera della Liguria è stata suddivisa in 43 sezioni spaziali funzionali, dette “unità biomarine”, per ciascuna delle quali sono stati stimati i valori di capitale naturale e flussi ambientali. A tal fine, sono stati raccolti i dati relativi alle biomasse delle comunità bentoniche ed ittiche attingendo dalla letteratura e attraverso campagne di campionamento ad hoc. Seguendo, poi, la procedura descritta in precedenti studi per le Aree Marine Protette (AMP) (Vassallo et al., 2017; Paoli et al., 2018), è stata applicata l'analisi emergetica per valutare il capitale naturale e i flussi ambientali. Tale analisi consiste in una metodologia termodinamica che permette di esprimere quali siano i costi, in termini di risorse impiegate, che la natura deve sostenere per mantenere i processi ecologici in atto negli habitat che costituiscono l’area di studio. L’analisi emergetica consente di quantificare il valore di capitale naturale e flussi ambientali in termini biofisici (solar emergy joule - sej) e, attraverso opportuni fattori di conversione, in termini monetari (emergy euro - em€). Gli equivalenti monetari permettono una più facile comprensione da parte di stakeholder non specializzati e aprono la strada per includere il valore delle risorse marine in contesti socio-economici e politici. Successivamente, sono state individuate una serie di variabili, definite “forzanti”, che insistono lungo l’arco costiero ligure e che possono alterare il sistema e possono, sia direttamente che indirettamente, incidere positivamente o negativamente sui valori di capitale naturale e flussi ambientali e sulla loro distribuzione spaziale. La possibile dipendenza tra la presenza di forzanti e i valori calcolati precedentemente è stata analizzata tramite la tecnica delle foreste casuali (Random Forest). La Random Forest è un metodo di machine learning che genera alberi decisionali a partire da un insieme di dati, per effettuare analisi di regressione e classificazione. Al fine di proporre strategie di gestione della fascia marino costiera, sono stati proposti quattro possibili scenari predittivi, diversificati sulla base dei tipi di forzanti selezionati: • solo naturali; • naturali ed antropiche; • naturali ed antropiche solo con effetto positivo sui valori di capitale naturale e flussi ambientali; • naturali ed antropiche solo con effetto negativo sui valori di capitale naturale e flussi ambientali. Inoltre, alla valutazione oggettiva sopra descritta è stata affiancata una valutazione soggettiva tramite somministrazione di un questionario ad alcuni esperti dell’ambito degli studi marino costieri al fine di poter effettuare un confronto tra i risultati ottenuti da entrambi i metodi. All’interno del questionario è stato chiesto se la presenza delle forzanti influenzi il valore del capitale naturale presente lungo costa positivamente o negativamente e l’intensità della pressione esercitata, attribuendo un punteggio, dalle forzanti (punteggio da 1 a 7). Dunque, sia l’applicazione dell’analisi di regressione sia la somministrazione dei questionari hanno consentito di indagare quanto la presenza o assenza di alcune forzanti possa influenzare i valori di capitale naturale e flussi ambientali e la loro distribuzione lungo costa. Il valore di capitale naturale complessivo per la fascia marino costiera ligure è risultato di circa 2,11 miliardi em€ e ha mostrato valori maggiori (mediamente superiori del 22%) all’interno delle unità biomarine appartenenti alle AMP, dimostrando l'efficacia delle misure di protezione adottate. Tale valore dovrà essere mantenuto costante nell’ottica di preservare il capitale naturale intatto al fine di garantire la fornitura dei servizi almeno al livello attuale. Dall’analisi di dipendenza è emerso come le forzanti antropiche influiscano maggiormente sul valore del capitale naturale e sulla sua distribuzione rispetto a quelle naturali. Infatti, lo scenario sviluppato considerando la presenza di forzanti antropiche positive ha evidenziato un aumento del valore del capitale, confermando come le misure di protezione possano essere fondamentali per gestire e conservare il capitale naturale. Risposte simili sono state ottenute anche dalla somministrazione dei questionari, evidenziando un’influenza maggiore da parte delle misure di protezione ambientali. Lo sviluppo di questa tesi ha permesso di individuare un indicatore sintetico, ma allo stesso tempo informativo, che consente di monitorare lo stato del capitale naturale della costa ligure e di individuare le forzanti, sia positive, sia negative che maggiormente influenzano il valore in modo da poter operare su di esse in termini di monitoraggio e gestione.
Coastal marine ecosystems are among the most productive worldwide (UNEP, 2006; Hattam et al., 2015), in terms of biomass and specific richness. Their stock of natural capital provides a set of resource flows essential for the environment itself and human well-being. However, the development of anthropic activities along the coast causes a decline in ecological status and biodiversity characteristic of ecosystems (Halpern et al., 2008; Haines-Young and Potschin, 2010). The Ligurian Sea is a biodiversity hotspot in the context of the Mediterranean Sea, but it is a highly anthropized area characterized by high population density, productive activities, tourist attractions and urban centers. This thesis project aims: 1. to assess and quantify the spatial distribution of the natural capital and environmental flows values of Ligurian Sea coastal marine habitats and 2. to analyze the relationships between the distribution of these values and some natural and anthropogenic variables present along the coast, which may influence the capacity of the natural system to generate and maintain the natural capital itself. Through these objectives, this study allows to identify the current status of the Ligurian marine coastal zone in terms of natural capital and environmental flows, and proposes a model to assess possible effects on the marine coastal ecosystem of some variables, useful in the development of sustainable environmental management practices. The marine coastal area of Liguria (NW Italy) was divided into 43 functional spatial sections, hereinafter referred as "biomarine units". Natural capital and environmental flows were estimated for each biomarine unit. To this end, benthic and fish communities biomasses were collected from literature and through ad hoc sampling campaigns. Following the procedure described in previous studies for the Marine Protected Areas (MPA) (Vassallo et al., 2017; Paoli et al., 2018), the emergy analysis was applied to assess natural capital and environmental flows. Emergy is a thermodynamic methodology that allows to evaluate the biophysical value of a system, accounting for the resources nature invests to maintain the ecological processes happening in the habitats of the study area (Odum 1996; Ulgiati and Brown, 2009). It allows to quantify the values of natural capital and environmental flows in biophysical terms (solar emergy joule-sej) and, through appropriate conversion factors, in monetary equivalents (emergy euro-em€). Monetary equivalents allow an easier understanding by not skilled stakeholders and open the way to include marine resources value in socio-economic and political contexts (Vassallo et al, 2009; Buonocore et al., 2021). Subsequently, a series of variables, hereinafter referred as "forcings", which insist along the Ligurian coastal zone affecting the values of natural capital and environmental flows and their spatial distribution, either directly or indirectly, positively or negatively. the possible influence of variables on the ability of the natural system to generate natural capital and environmental flows was verified through a regression analysis (Random Forest). The Random Forest is a machine learning method that generates decision trees from a set of data in order to perform regression and classification analyses. In order to suggest management strategies for the marine coastal zone, four possible prediction scenarios were proposed, diversified on the basis of the types of forcings: - natural only; - natural and anthropogenic; - natural and anthropogenic only with positive effect on the natural capital and environmental flow values; - natural and anthropogenic only with a negative effect on the natural capital and environmental flow values. Furthermore, this objective evaluation was completed by a subjective one through the questionnaire administration to some experts in the coastal studies (Delphi method) in order to compare the results obtained by both methods. The questionnaire asked whether the forcing presence influences positively or negatively the natural capital value and the intensity of the pressure exerted by the forcings (score from 1 to 7). Both the application of regression analysis and the questionnaires administration permitted to investigate the extent to which the presence or absence of forcings may influence the values of natural capital and environmental flows and their distribution along the coast. The total natural capital value for the Ligurian marine coastal zone was approximately 2.11 billion em€ and showed higher values (on average 22% higher) within the biomarine units belonging to the MPAs, demonstrating the effectiveness of the protection measures adopted. This value will have to be kept constant to preserving the natural capital intact in order to guarantee the provision of services at least at the current status. The dependency analysis showed that anthropogenic forcings had a greater influence on the value of natural capital and its distribution than the natural ones. In fact, the scenario developed considering the positive anthropogenic forcings showed an increase in the natural capital and environmental flows values, confirming the usefulness of protection measures. Similar responses were also obtained from the questionnaires, showing a greater influence of the environmental protection measures. The development of this thesis allowed to identify a synthetic, but at the same time informative, indicator that monitors the status of the natural capital of the Ligurian coast and to identify the positive and negative forcings that have the greatest influence on its value in order to monitor and manage it.
Emergy analysis; marine coastal habitat; biophysical and monetary assessment, natural variables, anthropogenic variables, regression analysis, questionnaire administration, variables effect
Analisi emergetica; habitat marino costieri; valutazione biofisica e monetaria, variabili naturali, variabili antropiche, analisi di regressione, somministrazione di questionari, effetto delle variabili
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