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

This thesis was conceived as a contribution to the increasingly urgent need to have sound scientific basis and effective tools to understand, monitor and manage the landscape in order to preserve the biological diversity that characterize landscapes. In this work, concepts, theories, methodologies and tested hypothesis, are proper of Landscape Ecology. Landscape Ecology is a young branch of modern ecology that deals with interrelationship between the spatial pattern and ecological processes in a given land mosaic. In particular, this thesis work offers a double contribution: First, it provides new methodologies for the multi-temporal and multi-scale analysis of the landscape and its changes and; second, it applies Landscape Ecology theories and methods to the conservation and the management of landscape biodiversity issues. The thesis work is organized into three sections, which are in turn subdivided into different chapters. The first section attempts to answer the following question: (1) When Are Two Landscapes Significantly Different? Applications in Temperate Forest Landscapes (Chapters 1, 2). The second section focuses on the analysis of forest fragmentation over time in subtropical forests landscapes: Measuring Forest Fragmentation Over Time: Applications Subtropical Forest Landscapes (Chapters 3-5). Finally, the third section deals with some implementations of Landscape Ecology in biological conservation: Applying Landscape Ecology in Biological Conservation (Chapters 6-10). The first section of the thesis focuses on the development of new methods in order to (i) provide the statistical significance of the observed differences when comparing different landscapes or their changes over time and (ii) analyze the scale dependence of the spatial pattern change. To properly handle the first issue, a new method to test the statistical significance of pattern metric values between two maps was proposed. In particular, the method was based on the use of Neutral Landscape Models (NLMs) able to reproduce a set of real-like (in terms of composition and configuration) simulated landscapes. For each simulated landscape, pattern metrics can be computed and can used to produce null empirical distributions for each metric. These empirical distributions can be used to determine if, the observed differences in terms of pattern metrics are significant for a given confidence interval. The second goal was achieved by extending the NLMs approach into the spatial domain to analyze the scale-dependence of landscape changes. Both methods were demonstrated in temperate forest landscapes. The second section deals with the analysis of forest fragmentation in subtropical ecosystems. Also in this case new methods to quantify the spatial pattern of forests over time were proposed. First, the analysis of the spatial pattern change by means of sample-based techniques. By randomly sampling forest cover multi-temporal maps it was possible to statistically quantify and distinguish changes in forest cover from changes in the spatial pattern of forest. Second, the process of forest fragmentation was studied according to the “landscape context analysis” that is, each forest location was described by its context, using indices derived from the landscape that surrounds it, across a range of scales (from local to regional). These methods each have their own set of advantages and limitations, and yet may work in a complementary manner. Moreover, in this work the usefulness of the proposed techniques was demonstrated in different environments such as temperate and subtropical forests. However, they can be easily extended to other landscapes such as urban landscapes and, in this respect, they could be an interesting field of further researches. The third section presents a series of study cases where landscape ecology was applied to biodiversity conservation. In particular, five works were presented: the first deals with the relationship between landscape structure and biodiversity in temperate forest landscapes. The second focuses on the impact of windfarms on the foraging habitat of two bat species at landscape level. The third was aimed to the study of the habitat selection by terrestrial tortoise in high conservation value protected areas. The fourth work analyzes short-term variations of high vegetation summit to the global warming. Finally, the fifth study case deals with the spatial estimation of forest age structure on the basis of remote sensing images and yield models. All the presented contributions deal with landscape ecology. Landscape change is known as one of the most important driver of the biodiversity crisis worldwide. In this respect, the present thesis attempted to give an important contribution to the quantification of the landscape spatial pattern and thus to the relationship between spatial pattern and ecological processes (e.g., fragmentation, habitat selection, etc.). Moreover, these findings potentially addressed the urgent need to have useful tools in order to define conservation measures and management plans, which are essential for the protection of natural and semi-natural habitats and their threatened species in a changing world.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.Dottorato di ricerca in Scienze agro-forestali, delle tecnologie agro-industriali e del territorio rurale. I sistemi forestali (XXVII ciclo

Chapter Towards new marine-coastal Natura 2000 sites in the central Adriatic Sea.

LIFE17 NAT/IT/000565 CALLIOPE aims to improve the coast-sea regional natural connectivity by improving the Natura 2000 Network. The main objectives are: improving the biodiversity knowledge of marine environments, testing integrated management strategies to increase the conservation of coastal-marine biodiversity and supporting the preparation of a Coastal Action Plan for the Abruzzo Region. We identified and mapped the HD-1110 here dominated by Cymodocea nodosa, the HD-1160 with the presence Zostera noltii and in correspondence of rocky environments the HD-1170

Measuring forest fragmentation using multitemporal remotely sensed data: three decades of change in the Dry Chaco

We introduce an approach based on remotely sensed data to summarize forest fragmentation over time, which specifically accounts for the interdependencies between landscape composition and configuration changes. The proposed method consists of five steps: i) multitemporal landscape sampling, ii) calculation of selected landscape pattern indices, iii) statistical comparison, iv) construction of sampled-based relationship spaces, and v) trajectory analysis. To show how the proposed method works in practice we examined the multitemporal fragmentation of the Arid Chaco forest in central Argentina during the period 1979-2010 using forest maps derived from Landsat images. As shown by our results, the approach provides a consistent framework for the interpretation of landscape structural changes over time.Fil: Carranza, María Laura. Università degli Studi del Molise; ItaliaFil: Frate, Ludovico. Università degli Studi del Molise; ItaliaFil: Acosta, Alicia T. R.. Università degli Studi di Roma; ItaliaFil: Hoyos, Laura Emilia. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Córdoba. Instituto Multidisciplinario de Biología Vegetal (p); ArgentinaFil: Ricotta, Carlo. Universidad de Roma; ItaliaFil: Cabido, Marcelo Ruben. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Córdoba. Instituto Multidisciplinario de Biología Vegetal (p); Argentin

Search for dark matter produced in association with bottom or top quarks in √s = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

A search for weakly interacting massive particle dark matter produced in association with bottom or top quarks is presented. Final states containing third-generation quarks and miss- ing transverse momentum are considered. The analysis uses 36.1 fb−1 of proton–proton collision data recorded by the ATLAS experiment at √s = 13 TeV in 2015 and 2016. No significant excess of events above the estimated backgrounds is observed. The results are in- terpreted in the framework of simplified models of spin-0 dark-matter mediators. For colour- neutral spin-0 mediators produced in association with top quarks and decaying into a pair of dark-matter particles, mediator masses below 50 GeV are excluded assuming a dark-matter candidate mass of 1 GeV and unitary couplings. For scalar and pseudoscalar mediators produced in association with bottom quarks, the search sets limits on the production cross- section of 300 times the predicted rate for mediators with masses between 10 and 50 GeV and assuming a dark-matter mass of 1 GeV and unitary coupling. Constraints on colour- charged scalar simplified models are also presented. Assuming a dark-matter particle mass of 35 GeV, mediator particles with mass below 1.1 TeV are excluded for couplings yielding a dark-matter relic density consistent with measurements