Cambiamento globale e dinamica di distribuzione delle piante in ambienti montani: il ruolo dei fattori biotici e abiotici

Understanding the drivers of species redistribution dynamics and determining the role of climate change, human disturbance and biotic interactions are fundamental challenges of ecology and conservation biology. In my PhD thesis, I addressed these issues in the European Alps, a highly biodiverse region among the most vulnerable to global change. In the first part of the PhD thesis, I investigated the short-term effects of climate change, human disturbance and biotic interactions on plant establishment dynamics at the local scale. In the first study, we performed a semi-field experiment, where we disturbed the soil and manipulated drought, nitrogen fertilization and arthropod herbivory. Plant establishment was modulated by the combined action of biotic and abiotic factors such as timing of soil disturbance and herbivory that are usually overlooked drivers. Results from this experiment stressed the need to incorporate herbivory effects and to adopt a multiple factor approach in global change studies. In the second study, I addressed similar questions by replicating the experiment under natural conditions in the European Alps along elevational gradients. Results from this field experiment highlighted the important role of arthropod herbivores, showing that natural herbivory might amplify soil disturbance negative effects on resident native species and favour exotics. Along the same elevational gradients, in the third study, I investigated what drives abundance and diversity of two key guilds of herbivorous insects with contrasting life-history traits. Thermophilic species such as grasshoppers will likely benefit from climate warming, while more specialised species such as leafhoppers are under threat by land-use change. With this study, I stressed that species will respond differently to global change based on their ecological strategy. In the second part of the PhD thesis, I explored the long-term effects of climate change and land-use on population and range dynamics of native and exotic species at the regional scale. In the fourth study, I compared the response to global change of extinct, threatened and exotic plants. Exotic plants are spreading quickly from anthropized valleys to alpine areas, while threatened species are contracting their range. The highest concentration of extinct, threatened and exotic plants was found in the lowlands, where human pressure is at its highest and protection at its minimum. In the lowlands, exotic species might displace threatened plants with low competition ability. In conclusion, I stressed the urgent need to mitigate habitat deterioration and loss in the lowlands, thereby enabling the survival of threatened populations. Finally, in the fifth study, I analysed demographic trends and range dynamics over 28 years for about two thirds of alpine orchid species. Abundance of most populations has declined and orchids were often unable to respond to climate warming and did not move from degraded and fragmented habitats. Results suggest that climate change was not the only factor threatening orchid persistence, but that the interaction between climate change and land use change drove orchid declines. In conclusion, three main messages emerged from these five studies. First, we should adopt a multiple factor approach when investigating global change impacts on species distribution. Most current research focuses on climate change impact, while a scenario where climate change is the only driver is highly unrealistic. Second, a better integration of multiple drivers should also incorporate the effects of biotic interactions. Here, I could stress the important role played by arthropod herbivores, but I could not integrate biotic interactions in long-term studies and many questions remain open. Finally, I advocate that considering species life-history traits should improve predictions of global change responses.

Nella mia tesi di dottorato ho cercato di comprendere come il cambiamento globale stia modificando la distribuzione delle piante vascolari studiando contemporaneamente il ruolo del surriscaldamento delle temperature e dei cambiamenti di uso del suolo. Oltre agli effetti diretti di questi fattori abiotici ho indagato il ruolo degli insetti fitofagi nel modificare le dinamiche di popolazione e comunità di piante native e esotiche. Nella prima parte della tesi di dottorato, riporto tre studi a breve termine sull'effetto di cambiamento climatico, disturbo antropico e interazioni biotiche sulle dinamiche di insediamento delle piante a scala locale. Nel primo studio, abbiamo condotto un esperimento in semi-campo, disturbando il suolo e manipolando la disponibilità di acqua, di azoto e la pressione degli insetti fitofagi. L'insediamento delle piante è stato modulato dall'azione combinata di fattori biotici e abiotici solitamente poco considerati, come la tempistica della perturbazione del suolo e la fitofagia. Nel secondo studio, ho investigato le stesse tematiche replicando l'esperimento in condizioni naturali nelle Alpi Europee lungo ripidi gradienti altimetrici. I risultati hanno nuovamente sottolineato l’importanza del ruolo degli insetti fitofagi, la cui pressione naturale è in grado di amplificare gli effetti negativi del disturbo del suolo sulle piante native, favorendo così quelle esotiche. Nel terzo studio, ho indagato lungo gli stessi gradienti altimetrici l'abbondanza e la diversità di due gruppi chiave di insetti fitofagi con tratti funzionali contrastanti, cavallette (Orthoptera) e cicaline (Rynchota, Auchenorrhyncha). È stato dimostrato che specie termofile, come le cavallette, saranno probabilmente favorite dal riscaldamento climatico, mentre gruppi più specializzati, come le cicaline, potrebbero essere minacciati dal disturbo antropico. Nella seconda parte della tesi di dottorato, riporto due studi a lungo termine su scala regionale, con i quali sono stati esplorati gli effetti del cambiamento climatico e dell'uso del suolo sulle dinamiche di popolazione e sulla ridistribuzione di specie vegetali native ed esotiche. Nel quarto studio, ho confrontato le risposte al cambiamento globale di piante localmente estinte, a rischio ed esotiche. È emerso che le piante esotiche si stanno diffondendo rapidamente dalle valli, mentre le specie a rischio stanno contraendo la loro distribuzione. La più alta concentrazione di piante estinte, a rischio ed esotiche si trova per tutti e tre i gruppi nelle valli, dove la pressione umana è più forte. Inoltre, nelle valli le specie esotiche possono sostituire facilmente specie native meno competitive. Nel quinto studio, ho analizzato le tendenze demografiche e la distribuzione di circa due terzi delle specie di orchidee alpine. La numerosità della maggior parte delle popolazioni è diminuita e molte specie sono state incapaci di rispondere al riscaldamento climatico poiché si trovavano in habitat degradati e/o frammentati. Questi risultati hanno suggerito che l'interazione tra il cambiamento climatico e il cambiamento dell'uso del suolo provoca il declino delle orchidee. Da questa tesi sono emersi tre messaggi principali. In primo luogo, risulta cruciale adottare un approccio multifattoriale per indagare gli impatti del cambiamento globale sulla distribuzione delle specie. In secondo luogo, è emersa l’importanza delle interazioni biotiche nel modificare le dinamiche di insediamento vegetale. Infine, abbiamo visto come i tratti funzionali delle specie possano migliorare la nostra capacità di prevederne le risposte al cambiamento globale.