Studio degli impatti del cambiamento climatico sulla vegetazione lungo un gradiente geografico e climatico

The four studies presented in this thesis contribute to better understanding how two biomes (temperate forests and arctic tundra) respond to global warming, focusing on impact of heatwaves and drought on fall phenology and growth, and on methane dynamics. In a scenario of increasing frequency and severity of heat and drought events, the assessment of the impact of these extreme climatic events on forests through remote sensing analysis, can provide important information on forest sensitivity and resilience even in difficult-to-reach areas. The analysis on temperate forests demonstrated that the combined heatwaves and droughts of 2022 caused early crown defoliation and reduced productivity, with impacts differing across the elevation gradient. Lowland thermophilus forests were the most affected by the impact of heat and drought, with an advance of leaf senescence up to 40 days but exhibiting the highest resilience. In the forest types at higher elevations and moist conditions we identified a legacy effect in 2023, indicating prolonged stress from the extreme conditions of 2022 and poor resiliency. Our study on tree growth and wood anatomy confirmed that heat stress significantly reduced radial growth and altered the functional characteristics of wood in several species, especially in early-leafing species such as Betula pendula Roth and Quercus robur L., demonstrating a species-specific sensitivity to extreme heat and drought. The study also reported changes in the anatomical characteristics of wood, such as a decrease in the ray parenchyma fraction in Acer pseudoplatanus L., indicating a decline in carbon storage in the xylem. These results demonstrate the relevance of phenological timing, wood anatomy, and site conditions in determining tree sensitivity and resilience to extreme events, with implications for species distribution, forest composition, and long-term ecosystem functioning. In Arctic ecosystems, vegetation change is among the most widespread responses to climate change. Shrub encroachment, primarily driven by Betula nana and Salix pulchra, is changing the composition of the tundra community, with consequences for the structure and functioning of the ecosystem. The high-resolution phytosociological and physiognomic mapping conducted carried out as part of the “Insubre Polar” project provides an essential baseline for detecting and quantifying transformations occurring in Arctic plant communities. The composition of the tundra community is shifting due to shrub encroachment, which is mostly caused by Betula nana and Salix pulchra. This has consequences for the structure and operation of the ecosystem. The "Insubre Polar" project's high-resolution phytosociological and physiognomic mapping is a crucial baseline for identifying and measuring continuous changes in Arctic plant communities. At the same time, the assessment of methane dynamics revealed that vegetation strongly modulates CH₄ fluxes. Tussock tundra was the main source of methane, with peaks during summer and autumn linked to soil water saturation, permafrost degradation high temperature in summer, and freezing soil in autumn induced CH₄ release. In contrast, dry tundra during summer acted as a methane sink, while in autumn is inactive. According to our data, vegetation may have a significant impact on methane fluxes variability, particularly during colder seasons, and our findings suggest that further investigation is needed to understand the effect of vegetation on CH₄ flux variability and to clarify the potential for elevated emissions during cold seasons and their contribution to the annual budget.

I quattro studi presentati in questa tesi contribuiscono a una migliore comprensione di come due biomi (le foreste temperate e la tundra artica) rispondano al riscaldamento globale, concentrandosi sull’impatto delle ondate di calore e della siccità sulla fenologia autunnale e sulla crescita, e sulle dinamiche del metano. In uno scenario di crescente frequenza e intensità degli eventi di calore e siccità, la valutazione dell’impatto di questi eventi climatici estremi sulle foreste mediante analisi di telerilevamento può fornire informazioni importanti sulla sensibilità e sulla resilienza forestale, anche in aree di difficile accesso. L’analisi condotta sulle foreste temperate ha dimostrato che le ondate di calore e la siccità del 2022 hanno causato una precoce defogliazione delle chiome e una riduzione della produttività, con impatti differenti lungo il gradiente altitudinale. Le foreste termofile di bassa quota sono risultate le più colpite dagli effetti combinati di calore e siccità, mostrando un anticipo della senescenza fogliare fino a 40 giorni, ma al contempo la maggiore resilienza. Nei tipi forestali situati ad altitudini più elevate e in condizioni più umide è stato identificato un effetto di persistenza nel 2023, indicativo di uno stress prolungato dovuto alle condizioni estreme del 2022 e di una scarsa capacità di recupero. Lo studio sulla crescita degli alberi e sull’anatomia del legno ha confermato che lo stress termico ha ridotto in modo significativo la crescita radiale e alterato le caratteristiche funzionali del legno in diverse specie, in particolare in quelle a germogliazione precoce come Betula pendula Roth e Quercus robur L., evidenziando una sensibilità specifica di specie agli eventi estremi di calore e siccità. Lo studio ha inoltre evidenziato variazioni nelle caratteristiche anatomiche del legno, come una diminuzione della frazione di parenchima in Acer pseudoplatanus L., indicativa di una riduzione dell’immagazzinamento di carbonio nello xilema. Questi risultati dimostrano la rilevanza del timing fenologico, dell’anatomia del legno e delle condizioni del sito nel determinare la sensibilità e la resilienza degli alberi agli eventi estremi, con implicazioni per la distribuzione delle specie, la composizione forestale e il funzionamento degli ecosistemi nel lungo termine. Negli ecosistemi artici, il cambiamento della vegetazione rappresenta una delle risposte più diffuse al cambiamento climatico. L’espansione degli arbusti, guidata principalmente da Betula nana e Salix pulchra, sta modificando la composizione della comunità della tundra, con conseguenze sulla struttura e sul funzionamento dell’ecosistema. La mappatura fitosociologica e fisiognomica ad alta risoluzione condotta nell’ambito del progetto “Insubre Polar” fornisce una base di riferimento essenziale per rilevare e quantificare le trasformazioni in atto nelle comunità vegetali artiche. Parallelamente, la valutazione delle dinamiche del metano ha evidenziato che la vegetazione modula fortemente i flussi di CH₄. La tussock tundra è risultata la principale fonte di metano, con picchi durante l’estate e l’autunno legati alla saturazione idrica del suolo, alla degradazione del permafrost, alle alte temperature estive e al rilascio di CH₄ indotto dal congelamento del suolo in autunno. Al contrario, la dry tundra ha agito come sink di metano durante l’estate, risultando invece inattiva in autunno. Secondo i nostri dati, la vegetazione può avere un’influenza significativa sulla variabilità dei flussi di metano, in particolare durante le stagioni fredde, e i nostri risultati suggeriscono la necessità di ulteriori studi per comprendere meglio l’effetto della vegetazione sulla variabilità dei flussi di CH₄ e per chiarire il potenziale aumento delle emissioni durante le stagioni fredde e il loro contributo al bilancio annuale.