Ecofunctionality in artificial aquatic ecosystem: linking abiotic dynamics to community stability

Abstract

The influence of environmental conditions on the structuring process of detritus-based communities is of great importance in order to understand the consequences of environmental changes on ecosystems structure and functioning. Natural and human induced alterations in space and time have sparked widespread changes in the global distribution of biota, and this results in the expansion of allochtonous, non-native species and contractions of autochthonous, native species, the so-called "biotic homogenization". Homogenization is not a random process, because invasion success and extirpation vulnerability are defined by the interaction between species traits and environmental conditions. Therefore, since species contribute individually and collectively to the stability of communities and ecosystems, the modification of community structure could lead to a structural and functional homogenization, involving the replacement of ecological specialists by the same widespread generalists. Homogenization of communities might also reduce ecosystem functioning, stability and resistance to environmental changes by restricting the available range of species-specific responses. The structural composition of communities defines the range of functional traits that influence ecosystem functions (such as the decomposition of organic matter), and the homogenization might limit the pool of species that can compensate for local extinctions (i.e., reduce spatial patterns in functional redundancy). Homogenized communities might therefore have a decreased resistance to environmental perturbations, as the high degree of similarity among communities might dampen or eliminate potential recolonizations by species with locally extirpated traits. In this work, I wanted to assess the consequences for ecosystem structure and functioning of changing environmental conditions over space and time. Since the effects of biotic homogenization might be particularly high in areas, such as small and fragmented ecosystems that experience more frequent and severe disturbance events, the Biological Reserve of Tarquinia saltern represents a suitable candidate to test hypotheses about functional ecology. The aim of this work is to understand how the steepest gradients of environmental conditions influence the structure and functioning of detritus-based communities. The importance in the study of decomposition processes and dynamics lies in the ability of detritus to sustain higher species diversity, larger predator biomass, and longer food chains than would be supported by primary productivity alone, stabilizing the dynamics of consumer populations and food webs that would be otherwise unstable. The experimental approach carried out for this work comes from a twelve months field experiment under non-manipulative conditions in six sites in the area of Tarquinia saltern, to cover the full spectrum of environmental gradients, using the allochtonous leaf detritus of Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud. Here I applied the network analysis to understand how the whole community assembly and the spatial distribution of macroinvertebrates on leaf detritus are influenced by the environmental conditions under which they are structured, and the consequence for ecosystem functionality and stability, giving useful insights for conservation and management.

L'influenza delle condizioni ambientali sul processo di strutturazione delle comunità base detrito è di grande importanza per la comprensione degli effetti dei cambiamenti ambientali sulla struttura e funzionamento degli ecosistemi. Le alterazioni naturali ed antropogeniche nel tempo e nello spazio comportano ampi cambiamenti nella distribuzione globale delle specie, portando alla espansione delle specie alloctone ed alla contrazione delle specie autoctone, in quella che viene definita in letteratura come "omogenizzazione biotica". Il processo di omogenizzazione non è un processo casuale, in quanto il successo di invasione e la vulnerabilità all'estinzione delle specie dipendono in larga parte dalle caratteristiche biologiche ed ecologiche delle specie e dalle condizioni ambientali di riferimento. Pertanto, poichè le specie contribuiscono individualmente e collettivamente alla stabilità delle comunità e degli ecosistemi, la modificazione della struttura di comunità potrebbe portare ad una omogenizzazione strutturale e funzionale, coinvolgendo la sostituzione di specie specialiste dal punto di vista ecologico da parte di specie generaliste, a più ampia distribuzione. Tale processo potrebbe inoltre ridurre il funzionamento ecosistemico, la stabilità e la resistenza delle comunità ai cambiamenti ambientali, restringendo il range disponibile delle risposte specie-specifiche. La composizione strutturale delle comunità definisce il range dei tratti funzionali in grado di influenzare il funzionamento ecosistemico (es. la decomposizione del materiale organico vegetale) ed il processo di omogenizzazione potrebbe limitare il pool di specie in grado di compensare gli effetti delle estinzioni locali. Comunità omogenee potrebbero pertanto avere una minore resistenza alle perturbazioni, poichè un elevato grado di similarità tra le comunità potrebbe eliminare la potenziale colonizzazione di quelle specie adattate a specifiche condizioni locali. In questo lavoro ho voluto testare le conseguenze del cambiamento nelle condizioni ambientali nel tempo e nello spazio sulla struttura e sul funzionamento ecosistemico. Gli effetti della omogenizzazione biotica possono essere particolarmente evidenti in aree frammentate e di ridotte dimensioni, in cui gli eventi perturbativi possono essere più frequenti e severi. Per tale motivo, le saline di Tarquinia rappresentano un candidato ideale per testare ipotesi di ecologia funzionale. Lo scopo del lavoro è stato quindi quello di comprendere come gli elevati gradienti ambientali influenzino la struttura ed il funzionamento delle comunità detritivore. L'approccio sperimentale utilizzato nel presente lavoro deriva da 12 mesi di campionamento in condizioni non manipolative in sei vasche delle saline di Tarquinia,scelte per comprire l'intero gradiente di variazione ambientale, sul detrito fogliare di Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud. In questo lavoro ho applicato la network analysis per comprendere come le variazioni ambientali siano in grado di influenzare il pattern di strutturazione delle comunità basedetrito nei singoli invasi e la distribuzione spaziale dei macroinvertebrati sul detrito fogliare nelle differenti vasche. I risultati evidenziano la presenza di ben definiti pattern di strutturazione, in grado di restituire interessanti e nuove informazioni sulla stabilità, resistenza e funzionamento dell'intero ecosistema studiato, dando utili suggerimenti per la conservazione e la gestione della biodiversità.