Multi-taxa responses to forest disturbances through a multi-disciplinary approach

Natural disturbances, such as windstorms and insect outbreaks, are complex phenomena with multiple effects on forest ecosystems. Unfortunately, these disturbances are expected to increase in the coming years, due to the climate change. Therefore, understanding the multi-facet impacts of forest disturbances is an urgent objective for targeting appropriate management strategies. During my PhD thesis, I focused on three main goals: (I) understanding the effects of a large-scale wind disturbance on forest biodiversity, (II) identifying the predisposing factors for the tree susceptibility to bark beetle attacks, and (III) evaluating the ecological role of post-disturbance sites to protect biodiversity at the landscape scale. In the first part of the thesis, I focused on the effects of wind disturbance on three groups of organisms: ground-dwelling arthropods, microarthropods, and oomycetes. Our results highlighted that wind disturbance had different consequences depending on the taxonomic and the functional traits. Moreover, underlying ecological gradients, such as topography and climate, modified the impact of windstorm. In particular, we found that stronger impacts usually occurred at high elevations and drier sites. In the second part, I studied biotic disturbances focusing on the predisposing factors of the European spruce bark beetle (Ips typographus L.) outbreaks. Both local growing conditions of trees and landscape features are important predictors of the risk of bark beetle outbreaks. At the early stage of a large-scale outbreak, forest stands on flat terrains with high water availability, and high host cover exhibited the highest high-risk of attack. In the third part, I focused on the long-term response of post-disturbance sites. Using spiders as target group, we found that temporary abandoned patches played a pivotal role in enhancing the spider diversity at the landscape scale. These transition habitats created by disturbance or abandonment enhanced the landscape environmental heterogeneity providing novel ecological niches compared to homogenous forest landscapes. Overall, two general conclusions can be derived from this thesis. First, since forest disturbances are extremely complex phenomena, studying the interactive effects between disturbance and underlying ecological gradients might help to successfully understand the impact of these natural processes. Second, because forest disturbances are multifaced events affecting both biotic and abiotic dimensions of forest ecosystems, complementary skills are needed to study them. Here, we suggested that different investigation approaches should be used depending on the spatio-temporal scale and the target organisms. Finally, the high complexity of such phenomena and the variety of their outcomes should be considered when designing conservation and management actions, and when planning future forest landscapes. In conclusion, my PhD work contributed to emphasise the urgent need for a multidisciplinary and a holistic approach to shape more resilient forests under global change.

I disturbi naturali, come i danni da vento e le epidemie di insetti fitofagi, sono fenomeni complessi, che possono avere molteplici effetti sugli ecosistemi forestali e che sono destinati ad aumentare nei prossimi anni a causa del cambiamento climatico. Pertanto, la comprensione dei loro effetti sull'ecosistema è un obiettivo essenziale nella ricerca scientifica e condizione imprescindibile per implementare corrette strategie di gestione. Durante la mia tesi di dottorato mi sono concentrato su tre obiettivi principali: (I) comprendere gli effetti di un disturbo da vento a larga scala sulla biodiversità forestale, (II) capire i fattori predisponenti la suscettibilità degli alberi alle epidemie di bostrico tipografo e (III) studiare il ruolo ecologico dei siti post-disturbo a scala di paesaggio nella conservazione della biodiversità. Nella prima parte della tesi, mi sono concentrato sugli effetti del disturbo da vento su tre gruppi di organismi: artropodi camminatori, microartropodi e oomiceti. Le ricerche condotte hanno evidenziato che lo stesso disturbo può avere conseguenze diverse a seconda delle caratteristiche tassonomiche e funzionali degli organismi. Inoltre, i gradienti ecologici preesistenti, come la topografia e il clima, interagiscono con il disturbo forestale modificando l’impatto degli schianti da vento. In particolare, si è riscontrato che la perturbazione delle comunità è maggiore in quelle condizioni già critiche, come le alte quote e i siti siccitosi. Nella seconda parte della tesi, ho studiato i disturbi biotici concentrandomi sui fattori predisponenti le epidemie del bostrico dell'abete rosso (Ips typographus L.). Sia le condizioni di crescita degli alberi che le caratteristiche del paesaggio sono fattori importanti per il rischio di attacchi da parte degli scolitidi. Nella fase iniziale di una infestazione a larga scala, la bassa quota, i terreni pianeggianti con un'elevata disponibilità di acqua e un'alta copertura di boschi puri di abete determinano condizioni di alto rischio. Nella terza parte della tesi, mi sono concentrato sulla risposta a lungo termine dei siti post-disturbo. Utilizzando i ragni come gruppo studio, abbiamo osservato che le zone abbandonate in via di riforestazione svolgevano un ruolo fondamentale nel migliorare la diversità di questi predatori a scala di paesaggio. Questi habitat transitori creati dal disturbo o dovuti all’abbandono aumentano l'eterogeneità ambientale fornendo maggiori nicchie ecologiche rispetto ad altri habitat più omogenei. Nel complesso, dalla mia tesi si possono trarre due conclusioni generali. In primo luogo, poiché i disturbi forestali sono fenomeni estremamente complessi, lo studio degli effetti di interazione con i gradienti ecologici preesistenti può aiutare a comprendere meglio i processi naturali. In secondo luogo, poiché i disturbi forestali sono eventi compositi, sono necessarie competenze complementari. In questo caso, l’utilizzo di diversi approcci di indagine a seconda della scala spaziale/temporale e dell'organismo target, ha permesso di studiare in modo più comprensivo i fenomeni. L'elevata complessità di questi eventi e la varietà dei loro effetti dovrebbero essere presi in considerazione quando si effettuano azioni volte alla conservazione e alla gestione degli ecosistemi, o si pianificano i paesaggi forestali. In conclusione, il mio lavoro di dottorato ha contribuito a sottolineare l'urgente necessità di un approccio multidisciplinare e olistico per creare foreste più resilienti ai cambiamenti a scala globale.