Nelle ultime decadi, gli ecosistemi alpini hanno subito importanti alterazioni dovute ai cambiamenti climatici che, in diverse aree montuose, hanno comportato non solo un aumento delle temperature ma anche una riduzione delle precipitazioni. Inoltre, l’aumento della frequenza e intensità degli eventi estremi rende urgente la necessità di comprendere l’impatto di tali eventi sulla funzionalità degli ecosistemi. Per i sistemi alpini sono molteplici gli studi sulle risposte ecologiche al riscaldamento, mentre scarseggiano le ricerche sugli effetti di un clima più secco. In questo quadro si sviluppa la presente ricerca, basta su esperimenti in campo e in laboratorio volti a valutare le risposte ecologiche di una prateria alpina a Carex curvula a cambiamenti di temperatura e precipitazioni. Le risposte della produzione primaria (Studio 1) e della decomposizione (Studio 2) sono state valutate tramite manipolazioni sperimentali, effettuate nel periodo libero dalla neve, della temperatura, tramite Open Top Chambers, e delle precipitazioni, per mezzo di tettoie ad esclusione parziale della pioggia simulanti un estremo climatico sito-specifico. Lo Studio 1 ha valutato la risposta della produzione primaria epigea (ANPP) e ipogea (BNPP) a 2 anni di trattamento (2018-19), analizzando anche la variazione inter-annuale della ANPP. Dai risultati non è emerso alcun effetto dei trattamenti sulla ANPP, che ha invece esibito significative variazioni inter-annuali, mentre la BNPP è risultata inferiore sotto le tettoie. Complessivamente, la prateria sembra resistente al riscaldamento e alla riduzione estrema delle precipitazioni nel breve termine, sebbene le differenze nelle risposte tra ANPP e BNPP evidenzino la necessità di considerarle entrambe nelle indagini sulla produzione primaria in risposta ai cambiamenti climatici. Analogamente allo Studio 1, i processi di decomposizione analizzati nello Studio 2 utilizzando lettiera standard (teabags) non sono stati influenzati dai trattamenti estivi, probabilmente a causa dell’alterazione invernale della lettiera. L’uso della lettiera nativa nei controlli nel medesimo studio ha, inoltre, permesso di determinare il grado di variabilità naturale della qualità della lettiera e verificare quanto le dinamiche di decomposizione della lettiera standard riflettano quelle della lettiera locale. Ulteriori esperimenti sono stati condotti sia in mesocosmo (Studio 3) sia in campo (Studio 4) al fine di valutare la risposta della ANPP e dei flussi di CO2 – respirazione ecosistemica (ER), assimilazione ecosistemica lorda (GEP) e netta (NEE) – rispetto alla tempistica degli eventi siccitosi, i.e. periodi di assenza di precipitazioni acuti sperimentati in diverse fasi della stagione vegetativa. In entrambi gli studi, oltre a un trattamento di siccità applicato nella prima e seconda parte dell’estate (ED e MD), è stato imposto un ulteriore trattamento lungo l’intera stagione (FD) per stimare le soglie di umidità determinanti una brusca variazione dei tassi di ER e GEP. Nello Studio 3, sia ANPP sia i flussi di CO2 sono stati negativamente impattati dalla siccità in una misura diversa a seconda della durata e del periodo di incidenza del secco. Le soglie per ER e GEP sono inoltre risultate diverse tra MD e ED, con le soglie in MD raggiunte prima e a umidità maggiori rispetto a quelle in ED. Contrariamente a quanto osservato nel mesocosmo, nello Studio 4 la ANPP e i flussi di CO2 sono risultati stabili rispetto ai trattamenti e l’umidità del suolo non ha mai raggiunto le soglie identificate in laboratorio, evidenziando così la necessità di affiancare a studi controllati ulteriori esperimenti in condizioni naturali e più complesse. Concludendo, la presente ricerca rivela come i principali processi ecosistemici di una prateria alpina siano resistenti nel breve periodo al riscaldamento e a una riduzione cronica delle precipitazioni, ma siano potenzialmente vulnerabili a eventi acuti di secco.

Alpine ecosystems have undergone significant modifications in recent years due to climate change. A trend towards reduced summer rainfall has been detected in various mountain regions, with warm, dry conditions predicted to intensify in some areas of the Alps by the end of the century. Together with increased frequency and magnitude of extreme events, new questions arise as to how climate change will impact ecosystem stability and functions. Although a number of studies have addressed the effects of warming on alpine ecosystems, responses to drier conditions remain poorly investigated. The main objective of the present research was to assess the effects of summer warming and reduced precipitation on key ecosystem functions of an alpine Carex curvula grassland over a 3-year period, with both field and lab experiments. The first field experiment investigated biomass production (Study 1) and litter decomposition (Study 2) in response to summer warming and chronic press drought. Increased temperatures were simulated using open top chambers, with rain-out shelters simulating historically-based, site-specific drought. Study 1 focused on the extent to which above- and belowground net primary production (ANPP and BNPP) were affected by treatments over 2 years; inter-annual ANPP differences, including the pre-treatment year, were also analysed. Results reveal that treatments do not influence ANPP, although there is wide inter-annual variation, whereas BNPP is lower under shelters. ANPP reveals a certain degree of resistance to short-term warming and extreme drought, but the difference between ANPP and BNPP underlines the need to take both compartments into account when assessing climate change effects on plant production. In Study 2, litter decomposition responses to treatments were analysed during one year (fall 2018-2019), with the influence of seasonality on litter quantity and quality also investigated to estimate the contribution of the long snow-covered season on the stability of decomposition processes under altered summer conditions. Standard litter (teabags) was employed in treatments, whereas native litter was used to assess the variability of litter quality and verify the degree to which native litter dynamics are reflected by standard litter. Despite more favourable growing season climate conditions, summer decomposition is limited by end-of-winter litter alteration, suggesting that early decomposition in alpine ecosystems remains stable even under altered summer conditions. Two further experiments (Study 3 and 4) investigated the extent to which ANPP and CO2 fluxes – ecosystem respiration (ER), gross ecosystem production (GEP) and net ecosystem exchange (NEE) – are affected by acute pulse dry spells during early- and mid-growing season. Study 3 assessed the role of drought timing on grassland monoliths in a mesocosm, with a full-season drought treatment also implemented to detect the soil moisture and temporal thresholds triggering changes in ER and GEP. Results indicate that ANPP and CO2 fluxes are negatively influenced by drought, the extent varying according to its timing and duration; thresholds for ER and GEP differ between drought timings, those during the mid-season being reached earlier and at higher moisture content, which underlies the importance of extreme event timing. Study 4 consisted of a single-season field replication of Study 3, with results showing that the grassland is resistant to pulse drought in the short-term, with stable ANPP and NEE responses. In the field, however, high soil moisture levels never reached the thresholds detected in the mesocosm study, highlighting the need for field experiments, which are carried out in more complex, natural conditions, in order to confirm findings from controlled studies. Overall, the present research reveals that key ecosystem processes in representative alpine grasslands are resistant to short-term press drought, but are vulnerable to pulse drought events.

Alpine tundra and climate change: effects of summer warming and reduced precipitation on ecosystem functions in a Carex curvula grassland

FORTE, T'AI GLADYS WHITTINGHAM
2021

Abstract

Nelle ultime decadi, gli ecosistemi alpini hanno subito importanti alterazioni dovute ai cambiamenti climatici che, in diverse aree montuose, hanno comportato non solo un aumento delle temperature ma anche una riduzione delle precipitazioni. Inoltre, l’aumento della frequenza e intensità degli eventi estremi rende urgente la necessità di comprendere l’impatto di tali eventi sulla funzionalità degli ecosistemi. Per i sistemi alpini sono molteplici gli studi sulle risposte ecologiche al riscaldamento, mentre scarseggiano le ricerche sugli effetti di un clima più secco. In questo quadro si sviluppa la presente ricerca, basta su esperimenti in campo e in laboratorio volti a valutare le risposte ecologiche di una prateria alpina a Carex curvula a cambiamenti di temperatura e precipitazioni. Le risposte della produzione primaria (Studio 1) e della decomposizione (Studio 2) sono state valutate tramite manipolazioni sperimentali, effettuate nel periodo libero dalla neve, della temperatura, tramite Open Top Chambers, e delle precipitazioni, per mezzo di tettoie ad esclusione parziale della pioggia simulanti un estremo climatico sito-specifico. Lo Studio 1 ha valutato la risposta della produzione primaria epigea (ANPP) e ipogea (BNPP) a 2 anni di trattamento (2018-19), analizzando anche la variazione inter-annuale della ANPP. Dai risultati non è emerso alcun effetto dei trattamenti sulla ANPP, che ha invece esibito significative variazioni inter-annuali, mentre la BNPP è risultata inferiore sotto le tettoie. Complessivamente, la prateria sembra resistente al riscaldamento e alla riduzione estrema delle precipitazioni nel breve termine, sebbene le differenze nelle risposte tra ANPP e BNPP evidenzino la necessità di considerarle entrambe nelle indagini sulla produzione primaria in risposta ai cambiamenti climatici. Analogamente allo Studio 1, i processi di decomposizione analizzati nello Studio 2 utilizzando lettiera standard (teabags) non sono stati influenzati dai trattamenti estivi, probabilmente a causa dell’alterazione invernale della lettiera. L’uso della lettiera nativa nei controlli nel medesimo studio ha, inoltre, permesso di determinare il grado di variabilità naturale della qualità della lettiera e verificare quanto le dinamiche di decomposizione della lettiera standard riflettano quelle della lettiera locale. Ulteriori esperimenti sono stati condotti sia in mesocosmo (Studio 3) sia in campo (Studio 4) al fine di valutare la risposta della ANPP e dei flussi di CO2 – respirazione ecosistemica (ER), assimilazione ecosistemica lorda (GEP) e netta (NEE) – rispetto alla tempistica degli eventi siccitosi, i.e. periodi di assenza di precipitazioni acuti sperimentati in diverse fasi della stagione vegetativa. In entrambi gli studi, oltre a un trattamento di siccità applicato nella prima e seconda parte dell’estate (ED e MD), è stato imposto un ulteriore trattamento lungo l’intera stagione (FD) per stimare le soglie di umidità determinanti una brusca variazione dei tassi di ER e GEP. Nello Studio 3, sia ANPP sia i flussi di CO2 sono stati negativamente impattati dalla siccità in una misura diversa a seconda della durata e del periodo di incidenza del secco. Le soglie per ER e GEP sono inoltre risultate diverse tra MD e ED, con le soglie in MD raggiunte prima e a umidità maggiori rispetto a quelle in ED. Contrariamente a quanto osservato nel mesocosmo, nello Studio 4 la ANPP e i flussi di CO2 sono risultati stabili rispetto ai trattamenti e l’umidità del suolo non ha mai raggiunto le soglie identificate in laboratorio, evidenziando così la necessità di affiancare a studi controllati ulteriori esperimenti in condizioni naturali e più complesse. Concludendo, la presente ricerca rivela come i principali processi ecosistemici di una prateria alpina siano resistenti nel breve periodo al riscaldamento e a una riduzione cronica delle precipitazioni, ma siano potenzialmente vulnerabili a eventi acuti di secco.
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Descrizione: PhD_Final thesis_FORTE_2021
Tipologia: Tesi di dottorato
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11392/2487934
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