Analysis of high mountain vegetation changes in central Apennines (Italy) over the last 20 years

High mountain ecosystems host a high number of specialized, endemic and rare species, constituting hotspots of biodiversity. At the same time, being the composition and distribution of the alpine plant communities particularly shaped by climatic and edaphic conditions they resulted among the most vulnerable ecosystems to global change. In this context, the current PhD research focused on two main goals: 1) to analyze vegetation changes occurred over the last 20 years on high mountain ecosystems in central Apennines, and to explore the potential of diagnostic species as ecological indicators for habitat monitoring over time; 2) to measure and analyze some functional traits of vascular flora on central Apennines and to assess functional diversity and redundancy across different high mountain plant communities. We focused on four alpine plant communities, which are widespread in alpine and subalpine belts in central Apennines: I) Galium magellense community growing on screes; II) Trifolium thalii community of snowbeds; III) Sesleria juncifolia community growing on steep slopes; and IV) Carex myosuroides community growing on wind edge swards. The comparison of data collected by re-visitation studies evidenced consistent changes over time. The Galium magellense community showed an increase in species richness and plant diversity values over time, while the Trifolium thalii community showed an opposite decreasing pattern. These changes could be due to both land use and climate change. Concerning the Sesleria juncifolia community and the Carex myosuroides community, we registered a significant loss of biodiversity, given by a decrease in plant species cover and richness. These changes could be linked with the combined effect of rising temperatures, longer growing period and decreasing soil water content. Among the analyzed communities, Sesleria juncifolia grasslands registered a high decline in cryophilous, rare and endemic species, resulting the most vulnerable to global change. Concerning diagnostic species, their variation on diversity values always coherent with the observed trends registered on the overall species pool, confirmed their great potential for ecosystem monitoring on high mountain habitats. The results on functional diversity and redundancy (H: plant height, SLA: Specific Leaf Area and LDMC: Leaf Dry Matter Content), highlighted consistent differences among plant communities function suggesting a key role of environmental features in shaping mountain vegetation distribution. The Carex myosuroides community is characterized by high redundancy and functional convergence for all the analyzed traits probably because the stringent environmental filtering mechanisms that occur in particularly cold environments of the highest altitudes. The Sesleria juncifolia community presented high values of FRSLA and FRLDMC and low values of SES-FDSLA and SES-FDLDMC, related to the interaction of cold stress and soil drought. The absence of specific FD and FR pattern observed on screes, may be linked with random processes of colonization and extinction, and the absence of a mature and well-structured community. A relevant contribution of the present PhD thesis is the creation of the first database of field measured plant FUNctional traits of VegetatIOn of centraL Apennines (FUN-VIOLA). It helps to fill the gap of knowledge about the functional ecology of Mediterranean high mountain taxa, containing records of 9 plant traits of 80 species and subspecies. In conclusion, the present PhD thesis provided a scientific contribution to improve the current knowledge on the floristic changes that occurred over the last 20 years and on the morpho-functional characteristics of the alpine vegetation in central Apennines. Moreover, the applied re-visitation approach together with the new information stored in FUN-VIOLA database could aid to the assessment of alterations in functional diversity and resilience over time offering a sound basis for monitoring and the preserving high mountain ecosystems in the context of global warming.

Gli ecosistemi di alta quota ospitano un elevato numero di specie endemiche e rare, e costituiscono hotspot di biodiversità. Allo stesso tempo, dato che la composizione e la distribuzione delle comunità vegetali alpine sono particolarmente influenzate dalle condizioni climatiche ed edafiche, risultano essere tra gli ecosistemi più vulnerabili al cambiamento globale. In questo contesto, la presente Tesi di Dottorato si concentra su due obiettivi principali: 1) analizzare i cambiamenti della vegetazione avvenuti negli ultimi 20 anni negli ecosistemi di alta quota in Appennino Centrale ed esplorare il potenziale delle specie diagnostiche come indicatori ecologici per il monitoraggio ecologico degli habitat nel tempo; 2) misurare e analizzare le caratteristiche funzionali (plant traits) della flora vascolare dell'Appennino Centrale e valutare la diversità funzionale e la ridondanza tra le diverse comunità vegetali di alta quota. Sono state prese in esame quattro comunità vegetali, diffuse nelle fasce alpine e subalpine dell'Appennino Centrale: I) comunità a Galium magellense dei ghiaioni; II) comunità a Trifolium thalii delle vallette nivali; III) comunità a Sesleria juncifolia dei pendii scoscesi; e IV) comunità a Carex myosuroides delle creste ventose. Il confronto dei dati raccolti attraverso studi di re-visitation ha evidenziato cambiamenti significativi nel tempo. La comunità a Galium magellense ha mostrato un aumento della ricchezza specifica e dei valori di diversità nel tempo, mentre la comunità a Trifolium thalii ha mostrato un andamento opposto. Questi cambiamenti potrebbero essere dovuti sia al cambio di uso del suolo che al cambiamento climatico. Per quanto riguarda la comunità a Sesleria juncifolia e la comunità a Carex myosuroides, si è registrata una significativa riduzione di biodiversità, dovuta alla diminuzione della copertura e della ricchezza delle specie vegetali. Questi cambiamenti potrebbero essere collegati all'effetto combinato dell'aumento delle temperature e del periodo vegetativo e della diminuzione del contenuto idrico del suolo. Tra le comunità analizzate, le praterie a Sesleria juncifolia hanno registrato un forte declino di specie microterme, rare ed endemiche, risultando essere le più vulnerabili ai cambiamenti globali. Per quanto riguarda le specie diagnostiche, hanno seguito lo stesso trend di variazione del pool totale di specie, confermando il loro grande potenziale per il monitoraggio ecologico degli habitat di alta quota. I risultati sulla diversità funzionale e sulla ridondanza (H: altezza della pianta, SLA: area fogliare specifica e LDMC: contenuto di sostanza secca della foglia), hanno evidenziato differenze consistenti tra le comunità vegetali suggerendo un ruolo chiave delle caratteristiche ambientali nella distribuzione della vegetazione di alta quota. La comunità a Carex myosuroides risulta caratterizzata da elevata ridondanza e convergenza funzionale per tutti i traits analizzati probabilmente a causa dei rigorosi meccanismi di filtro ambientale che si verificano in ambienti particolarmente freddi delle altitudini più elevate. La comunità a Sesleria juncifolia ha presentato valori elevati di FRSLA e FRLDMC e valori bassi di SES-FDSLA e SES-FDLDMC, dovuti all'interazione tra stress da freddo e siccità del suolo. L'assenza di pattern FD e FR specifici osservati sui ghiaioni, può essere legata a processi casuali di colonizzazione ed estinzione, e all'assenza di una comunità matura e ben strutturata. Un contributo rilevante della presente Tesi di Dottorato è la creazione del primo database di plant traits della vegetazione dell'Appennino centrale misurati in campo (FUN-VIOLA). Tale Database, contenendo dati di 9 traits relativi a 80 specie e sottospecie, aiuta ad aumentare le conoscenze sull'ecologia funzionale delle specie di alta quota mediterranee. In conclusione, la presente Tesi di Dottorato fornisce un contributo scientifico per migliorare le attuali conoscenze sui cambiamenti floristici avvenuti negli ultimi 20 anni e sulle caratteristiche morfologiche-funzionali della vegetazione alpina nell'Appennino Centrale. Inoltre, l'approccio di ri-visitation applicato insieme alle nuove informazioni presenti nel Database FUN-VIOLA potrebbero contribuire alla valutazione dei cambiamenti della diversità funzionale e della resilienza nel tempo delle comuntà di alta quota, offrendo una solida base per il monitoraggio e la conservazione di questi ecosistemi nel contesto del riscaldamento globale.