Landscape change and forest dynamics: multi-scale pattern analysis and biodiversity issues

La presente tesi è stata ideata come contributo al crescente bisogno di avere solide basi scientifiche e strumenti efficaci per la comprensione, il monitoraggio e la gestione del paesaggio mirati alla conservazione della sua biodiversità. I concetti, le teorie, le metodologie e le ipotesi testate nel presente lavoro, poggiano le loro basi scientifiche nella disciplina dell'Ecologia del Paesaggio (Landscape Ecology). L'Ecologia del Paesaggio è una branca relativamente moderna dell'ecologia, che ha come obiettivo lo studio delle interazioni che intercorrono tra il pattern spaziale ed i processi ecologici in un mosaico territoriale. In particolare, la presenti tesi ha voluto approfondire alcuni aspetti chiave dell’Ecologia del Paesaggio e si è proposta di fornire un doppio contributo: uno nell'ambito delle metodologie per l'analisi multi-temporale e multi-scalare del paesaggio e l'altro nell'ambito dell'applicazione dell'Ecologia del Paesaggio alla conservazione e la gestione della biodiversità. Il presente lavoro di tesi è stato organizzato in tre sezioni a loro volta articolate in capitoli. La prima sezione è stata pensata per dare risposta alla seguente domanda: (I) When Are Two Landscapes Significantly Different? Applications in Temperate Forest Landscapes (Capitoli 1-2). La seconda sezione è focalizzata sull’analisi della frammentazione nel tempo e presenta dei casi studio in paesaggi subtropicali: (II) Measuring Forest Fragmentation Over Time: Applications in Subtropical Forests Landscapes (Capitoli 3-5). La terza sezione è costituita da numerose applicazioni dell’ecologia del paesaggio alla conservazione della natura: (III) Applying Landscape Ecology in Biological Conservation (Capitoli 6-10). Nelle prime due sezioni sono stati proposti ed implementati nuovi approcci per quantificare ed analizzare il pattern spaziale del paesaggio. In particolare nel primo e secondo capitolo della prima sezione è stato proposto lo sviluppo di metodi in grado di (i) fornire un contesto statisticamente robusto all'interno del quale confrontare il pattern spaziale di due paesaggi diversi oppure dei loro cambiamenti nel tempo e di (ii) analizzare la dipendenza scalare del cambiamento del pattern. Per fornire un contesto statisticamente robusto all'interno del quale confrontare due paesaggi, sono necessarie delle repliche, dalle quali derivare stime, valori medi, intervalli di confidenza. Nel Capitolo 1 è stato proposto di utilizzare modelli neutrali di simulazione del paesaggio. In particolare, tali modelli, hanno permesso di simulare un set di paesaggi i cui pattern spaziali hanno proprietà statistiche in comune (composizione e configurazione) con i paesaggi reali. Una volta simulate un numero sufficiente di repliche, sulle quali calcolare i diversi indici di pattern, è stato possibile ottenere distribuzioni empiriche per ogni indice. Tali distribuzioni sono state utilizzate per confrontare due o più paesaggi e determinare se, le differenze osservate in termini di indici di paesaggio, sono significative ad un determinato livello di confidenza. Nel Capitolo 2 viene adoperato un approccio simile al fine di determinare l'esistenza di scale spaziali significative alle quali emergono determinati processi ecologici. Le metodologie sopra menzionate, sono state utilizzate per la quantificazione del pattern spaziale di paesaggi appenninici (foreste temperate). La seconda sezione ha riguardato lo studio dei cambiamenti temporali in paesaggi subtropicali. Sono stati proposti nuovi metodi per la quantificazione del fenomeno della frammentazione basati su: un approccio di tipo campionario (Capitoli 3 e 4) e un approccio multi-scala (Capitolo 5). Nello specifico, è stato proposto un metodo per lo studio della frammentazione delle foreste subtropicali che si basa sulla stima della copertura e configurazione spaziale delle foreste attraverso campionamento di cartografie derivate da immagini satellitari. Tramite tale applicazione è stato possibile ottenere una valutazione statistica sul contributo relativo della perdita delle foreste (forest loss) e del cambiamento della loro struttura spaziale (spatial pattern change) nel processo di frammentazione. Nel capitolo 5 il processo di frammentazione è stato quantificato utilizzando la "context analisi multi-scalare". Secondo questo approccio la qualità, la funzionalità e la persistenza degli elementi del paesaggio (p.es., pixel di bosco nel caso di cartografia raster, ecc.) sono fortemente condizionate dalle caratteristiche del mosaico territoriale che li circonda. In altre parole, ogni località classificata come bosco, viene definita sulla base del tipo di frammentazione che caratterizza il paesaggio circostante (p.es copertura e connettività) la quale viene descritta a scale spaziali multiple, da scale locali a regionali. Le metodologie proposte nella presente ricerca, hanno degli evidenti vantaggi ma anche delle limitazioni e, possono essere utilizzati in maniera complementare per descrivere e confrontare, in un contesto statistico robusto, numerose tipologie di paesaggio. L’utilità delle nuove metodologie è stata testata nello studio di diversi mosaici territoriali caratteristici di ecosistemi temperati e subtropicali. Le metodologie proposte potrebbero essere testate anche in altri paesaggi quali i paesaggi urbani e, in questo contesto, potrebbero aprire un interessante ambito di ricerca per studi futuri. La terza sezione è stata costruita come una raccolta di casi studio in cui, gli strumenti dell'Ecologia del Paesaggio, vengono applicati allo studio ed alla conservazione di comunità e specie particolarmente minacciate. Nel Capitolo 6 sono stati studiati gli effetti della frammentazione sulla biodiversità di flora vascolare in foreste temperate. In particolare sono state analizzate le relazioni tra il pattern spaziale (dimensione, geometria e grado di isolamento delle macchie di paesaggio) di un habitat forestale tipico dei paesaggi appenninici italiani (Faggeti degli Appennini con Taxus e Ilex – EU cod. 9210*) e le caratteristiche floristiche di tali formazioni. Nel capitolo 7, si è affrontata la problematica della conservazione di specie volatrici (chirotteri) a livello di paesaggio in relazione alla presenza di impianti eolici sul territorio. Per quanto riguarda il Capitolo 8, si è indagato sulla conservazione e la gestione degli habitat di duna costiera tenendo conto delle loro valenze sia in termini di biodiversità floristica che di fauna. Nello specifico sono stati analizzati dati derivati da cartografia digitale degli habitat d’interesse conservazionistico (Direttiva Habitat 92/437CEE) insieme a dati radiotelemetrici di Testudo hermanni come esempio di specie di fauna minacciata (EN IUCN 2014) e caratteristica di questi habitat. Nel capitolo 9, si è analizzata la riposta del paesaggio vegetale di alta quota al riscaldamento climatico globale. In particolare, sono state studiate la trasformazioni della vegetazione sommitale avvenute durante gli ultimi 10 anni sulle vette italiane (Appennino centrale e Alpi Sudorientali - rete Long Term Ecological Research). Infine, nel capitolo 10 è stata proposta e testata una procedura per la cartografia dell’età dei boschi in base a immagini telerilevate e modelli alsometrici. Nel presente lavoro di dottorato, sono state affrontate numerose problematiche relative all’analisi delle trasformazioni del pattern spaziale nel tempo e alla conservazione della biodiversità di differenti habitat e specie particolarmente minacciate da fattori ambientali ed antropici. Le informazioni e le metodologie fornite dalla presente tesi offrono strumenti adeguati per definire misure di conservazione e piani di gestione capaci di migliorare il destino degli habitat naturali e semi-naturali e delle specie che ospitano.