Sviluppo di un approccio integrato per l'analisi e l'ottimizzazione delle reti ecologiche nei paesaggi agricoli

In human-modified landscapes, biodiversity is often confined in remnants of natural habitats and there is an urgent need to take significant action to halt the loss of biodiversity, happening at a faster rate than ever, driven by many factors such as land use change, habitat fragmentation, pollution, natural resources exploitation, climate change, biological invasion, and many other. In this light, identifying actions that can be implemented to reduce the loss of biodiversity and simplification of landscapes has become a key topic in the field of landscape ecology and conservation biology. Management approaches to achieve protection and maintenance of natural ecosystems should consistently consider all landscape components so that they can be managed with the goal of maintaining or restoring pre-existing ecological functions. In fact, through the concepts of meta-population and ecological connectivity, as strategies to sustain biodiversity in fragmented landscapes by reconnecting natural habitat fragments in anthropogenic environments, Ecological Networks (EN) can be developed. Generally, territorial planning refers to models that allow for the reading of potential EN. However, their biodiversity content is often not verified, and/or they are never monitored over time once implemented. The research activities described in this Thesis aimed to contribute filling the knowledge gaps with respect to biodiversity verification, EN structure and its monitoring, by identifying what elements drive the expression of biodiversity and the factors that influence its content. Specifically, starting from a EN model developed in north-eastern Italy, in the context of the landscape project of the region Friuli-Venezia Giulia, a vegetation sampling was planned to assess plant diversity contained within the nodes of the EN. Then, in the first part of the Thesis, I provided a method to determine the adequate number of replicates to effectively characterize biodiversity content of natural habitats within the nodes of the EN (Chapter 1). In fact, the field verification of the EN model represents the most expensive part both in terms of time and money. For this reason, it is often not carried out as well as the monitoring of the network over time. It is necessary, to identify the minimum number of replicates to keep unchanged the characteristics of the observed communities thus reducing the sampling effort. In the second part (Chapter 2), based on the vegetation sampled, I studied the relationships between α and β diversity pattern, landscape structure and connectivity in the nodes of the EN. I found that high node connectivity led to a higher species richness (α-diversity) but also increased plant communities’ similarity (i.e., low β-diversity). The effect of landscape composition of semi-natural land covers (i.e., hedgerows, watercourses) showed a positive effect on species diversity as opposed to that of the configuration of anthropogenic elements. Finally, in the last part (Chapter 3), I investigated the potential of Spectral Variation Hypothesis (SVH) in linking field-collected and remotely sensed data in a complex landscape as the under study one. Specifically, I examined whether ecosystem heterogeneity was related to greater diversity and whether the estimated spectral diversity was consistent with the observed one. I found that spectral data can be used as a guidance to assess and/or monitor plant diversity conserved in the EN. In conclusion, the three case studies contained in this Thesis, could provide novel insight in the planning and monitoring of ENs, through a multidisciplinary approach that considered different points of view with which to evaluate the effectiveness of plant diversity conservation within ENs.

Nei paesaggi modificati dall'uomo, la biodiversità è spesso confinata in frammenti di habitat residuali e c'è un urgente bisogno di intraprendere azioni significative per fermare la perdita di biodiversità, che avviene a un ritmo più veloce che mai, guidata da molti fattori come il cambiamento d'uso del suolo, la frammentazione degli habitat, l'inquinamento, lo sfruttamento delle risorse naturali, il cambiamento climatico, l'invasione biologica e molti altri. Sotto questa luce, identificare le azioni che possono essere attuate per ridurre la perdita di biodiversità e la semplificazione dei paesaggi è diventato un argomento chiave nel campo dell'ecologia del paesaggio e della biologia della conservazione. Gli approcci di gestione per raggiungere la protezione e il mantenimento degli ecosistemi naturali dovrebbero considerare coerentemente tutte le componenti del paesaggio, in modo che esse possano essere gestite con l'obiettivo di mantenere o ripristinare le funzioni ecologiche preesistenti. Infatti, attraverso i concetti di meta-popolazione e connettività ecologica, come strategie per sostenere la biodiversità in paesaggi frammentati attraverso la riconnessione dei frammenti di habitat naturale in ambienti antropogenici, è possibile sviluppare Reti Ecologiche (RE). Generalmente la pianificazione del territorio fa riferimento a modelli che consentono la lettura delle RE potenziali. Tuttavia, di esse spesso non viene verificato il contenuto di biodiversità, e/o non vengono mai monitorate nel tempo una volta implementate. Le attività di ricerca descritte in questa Tesi vogliono dare un contributo per colmare le lacune di conoscenza rispetto alla verifica della biodiversità, alla struttura della RE e al suo monitoraggio, identificando quali siano gli elementi che guidano l’espressione della biodiversità e i fattori che ne influenzano il contenuto. Nello specifico, partendo da un modello di RE sviluppato nell'Italia nord-orientale, nell'ambito del piano paesaggistico della regione Friuli-Venezia Giulia, è stato pianificato un campionamento della vegetazione per valutare la diversità vegetale contenuta all'interno dei nodi della RE. Quindi, nella prima parte della Tesi, ho fornito un metodo per determinare il numero adeguato di repliche per caratterizzare efficacemente il contenuto di biodiversità degli habitat naturali all'interno dei nodi della RE. Infatti, la verifica sul campo del modello di RE rappresenta la parte più costosa sia in termini di tempo che di denaro. Per questo motivo, spesso non viene effettuata così come il monitoraggio della rete nel tempo. È necessario individuare il numero minimo di repliche per mantenere inalterate le caratteristiche delle comunità osservate riducendo così lo sforzo di campionamento. Nella seconda parte, sulla base della vegetazione campionata, ho studiato le relazioni tra i pattern di diversità α e β, la struttura del paesaggio e la connettività nei nodi della RE. Ho riscontrato che un'alta connettività dei nodi ha portato a una maggiore ricchezza di specie ma anche a una maggiore somiglianza delle comunità vegetali. L'effetto della composizione paesaggistica delle coperture seminaturali ha mostrato un effetto positivo sulla diversità delle specie rispetto a quello della configurazione degli elementi antropici. Infine, nell'ultima parte, ho studiato il potenziale dell'ipotesi di variazione spettrale nel collegare i dati raccolti sul campo e quelli rilevati da remoto in un paesaggio complesso come quello oggetto di studio. In particolare, ho indagato se l'eterogeneità dell'ecosistema fosse legata a una maggiore diversità e se la diversità spettrale stimata fosse coerente con quella osservata. Ho scoperto che i dati spettrali possono essere utilizzati come guida per valutare e/o monitorare la diversità vegetale conservata nella RE.