ANALYZING GEOMORPHOLOGICAL AND ECOLOGICAL CHANGES IN VENICE LAGOON SALT MARSHES THROUGH REMOTE SENSING AND FIELD OBSERVATIONS

Salt marshes are important ecosystems, providing vital ecosystem services, but at the same time they are among the most fragile landscapes in the world. Halophytic vegetation is of critical importance in supporting marsh survival through complex eco-morphodynamic feedbacks. Analyzing the role of halophytic vegetation in biogeomorphic processes on salt marshes is a key step to understand and predict their morphodynamic evolution. Towards this goal, using both field data and remote sensing observations, we have analyzed changes in marsh vegetation distribution both in the vertical and horizontal frames, between 2000 and 2019, for the San Felice salt marsh (in the Venice Lagoon, Italy). Our main results suggest that: i) the previously reported vegetation-elevation relationship (e.g., halophytic vegetation species encroach specific elevation ranges, i. e., ecological niches, displaying a species sequence with increasing elevations) is found to be reliable and consistent at the whole marsh scale and, most importantly, over a period of 20 years. This is suggested to be a signature of vegetation resilience to changes in the forcings. ii) Although all marsh sites increased their absolute elevations with site-specific rates, marsh elevations relative to the current relative mean sea level (RMSL) decreased in time, indicating the possible drowning of the marsh. This indicates the need to consider local marsh elevations referenced to RMSL when monitoring marsh surface evolution and response to changes in the environmental forcings. iii) Halophytic vegetation species modified the elevation at which they populate the marsh platform with site- and species-specific trends in response to the increase in RMSL. iv) The proposed Random Forest Soft Classification algorithm developed for vegetation classification is accurate and allows one to analyze vegetation dynamics in space and time. We note that Spartina and Salicornia are more likely to be replaced by bare soil, whereas Limonium and Sarcocornia tend to encroach unvegetated areas, and the transitions among different species or between vegetated and unvegetated spots are widely observed over the marsh, indicating that eco-geomorphic patterns are highly dynamic and site-specific. v) The newly developed Random Forest Regression algorithm for the analysis of Lidar data is reliable to construct lidar-derived DEMs over the marsh with high accuracy. This represents an important tool to monitor marsh eco-geomorphic patterns, furthermore providing means to inform and test eco-geomorphic models. vi) The coupling of the corrected lidar-derived DEM and remotely sensed vegetation maps suggests that the vegetation-elevation relationship is also consistent at the whole marsh scale. vii) Finally, we also realized that marsh vegetation can quickly balance the loss in the above-ground biomass (AGB) caused by a dieback event of Spartina through the eco-morphodynamic feedbacks. Our results are of critical importance for further eco-morphodynamic analyses, especially in the case of marshes encroached by multiple halophytic vegetation species. In addition, we also suggest that the application of different types of remote sensing data is a useful tool to analyze eco-morphodynamic processes over the marsh.

Le barene sono ecosistemi di grande importanza che forniscono servizi ecosistemici vitali, ma allo stesso tempo sono tra gli ambienti più fragili al mondo. La vegetazione alofila svolge un ruolo fondamentale nel sostenere la sopravvivenza delle barene attraverso complessi feedback eco-morfodinamici. L'analisi del ruolo della vegetazione nei processi bio-geomorfologici sulle barene è un passaggio fondamentale per comprendere e prevedere la loro evoluzione morfodinamica. A tal fine, utilizzando sia dati di campo che dati telerilevati, abbiamo analizzato i cambiamenti nella distribuzione della vegetazione alofila sia nel piano verticale che orizzontale, tra il 2000 e il 2019, per la barena di San Felice (nella Laguna di Venezia, Italia). I risultati principali dello studio suggeriscono che: i) la relazione tra vegetazione e quota, precedentemente riportata da altri autori (ad es., specie alofite diverse popolano specifici intervalli di quota, cioè nicchie ecologiche, che mostrano una sequenza di specie a quote crescenti) è risultata affidabile e coerente a scala di barena e, soprattutto, per un periodo di 20 anni. Si suggerisce che questo sia un segno della resilienza della vegetazione ai cambiamenti delle forzanti; ii) sebbene diversi siti sulla superficie di barena abbiano aumentato la loro quota assoluta con tassi diversi, le quote delle barene rispetto all'attuale livello medio relativo del mare (LMRM) sono diminuite nel tempo, indicando la possibile sommersione della barena. Ciò suggerisce la necessità di considerare le quote locali delle barene riferite al LMRM per monitorare l’evoluzione della superficie di barena e la risposta ai cambiamenti delle forzanti ambientale; iii) le specie alofile hanno modificato la quota alla quale popolano la barena con andamenti sito e specie specifici in risposta all'aumento del LMRM; iv) l’algoritmo di Random Forest Soft Classification sviluppato per la classificazione della vegetazione, si è dimostrato accurato, consentendo di analizzare la dinamica della vegetazione nello spazio e nel tempo. Spartina e Salicornia hanno maggiori probabilità di essere sostituite da suolo nudo, mentre Limonium e Sarcocornia tendono a invadere le aree prive di vegetazione, e le transizioni tra specie diverse o tra zone vegetate e non vegetate sono ampiamente osservate sulla barena, indicando che i modelli eco-geomorfici sono altamente dinamici e sito specifici; v) il nuovo algoritmo Random Forest Regression per l'analisi dei dati Lidar è affidabile per costruire DEM derivati dal lidar sulle barene con elevata precisione, rappresentando uno strumento importante per monitorare i processi eco-geomorfologici di barena, fornendo inoltre mezzi per informare e testare modelli eco-geomorfologici; vi) L'accoppiamento tra il DEM derivato dal lidar e le mappe della vegetazione telerilevate suggerisce che la relazione vegetazione-elevazione è coerente anche a scala di barena. vii) Infine, le analisi evidenziano che la vegetazione di barena può bilanciare rapidamente la perdita di biomassa superficiale causata die back della Spartina attraverso i feedback eco-morfodinamici. Tutti questi risultati sono di grande importanza per ulteriori analisi eco-morfodinamiche, soprattutto nel caso di barene popolate da molteplici specie di vegetazione alofila. Inoltre, suggeriamo anche che l'applicazione di diversi tipi di dati telerilevati sia uno strumento utile per analizzare i processi eco-morfodinamici sulle barene.