FireSwitch: i cambiamenti nelle comunità di specie dopo gli incendi forestali come opportunità di adattamento al cambiamento climatico
Martin Gossner
Marco Moretti
Barbara Moser
Daniel Scherrer
Thomas Wohlgemuth
2023 - 2025
Cooperazione FinanziamentoIl previsto aumento della frequenza degli incendi boschivi a causa dei cambiamenti climatici sottolinea la necessità di studi a lungo termine sulla rigenerazione degli alberi e sulla successione dopo gli incendi boschivi. Questi dati servono come base per la gestione adattiva e i piani di intervento. Ulteriori indagini sulla vegetazione e sugli artropodi saranno condotte su due aree incendiate con condizioni ambientali diverse: Leuk (20 anni dopo l'incendio e 10 anni dopo l'ultimo rilevamento) e Visp (12 anni dopo l'incendio e 5 anni dopo l'ultimo rilevamento). L'analisi di queste sequenze successionali a lungo termine mira a rispondere (1) a come la composizione delle specie, la distribuzione dei tratti funzionali e le interazioni tra piante e artropodi cambiano durante 20 anni di successione forestale e (2) a quali condizioni ambientali possono innescare un cambiamento permanente nella composizione della foresta dopo un grande evento di disturbo.
Nascita del progetto
Gli incendi boschivi di Leuk (2003, superficie bruciata 300 ha, 900-2100 m s.l.m.) e Visp (2011, 130 ha, 700-1600 m s.l.m.) sono tra le più grandi catastrofi incendiarie a nord delle Alpi svizzere dal 1900. L'impatto socio-economico di questi incendi boschivi - 4 milioni di franchi svizzeri solo a Leuk - ha portato non solo a una nuova strategia per gli incendi boschivi in Vallese (Gerold 2019), ma anche a una continua ricerca da parte del Cantone, soprattutto nel campo della rigenerazione e della biodiversità. Il WSL ha monitorato le dinamiche della vegetazione dopo gli incendi a Leuk (2004-2007 e 2013) e Visp (2013, 2018), nonché la (ri)colonizzazione da parte di artropodi (Leuk; 2005, 2006, 2008 e 2013) e ha pubblicato i risultati della prima successione forestale in diverse riviste scientifiche e peer-reviewed (ad es, Moser, Gimmi & Wohlgemuth 2006; Wohlgemuth et al. 2008a; Moretti et al. 2010; Moser et al. 2010; Wohlgemuth et al. 2010a; Wohlgemuth et al. 2010b; Wohlgemuth et al. 2012; Nussbaumer & Wohlgemuth 2016; Moretti et al. 2018; Wohlgemuth et al. 2018; Wohlgemuth & Moser 2018). L'eredità dell'incendio di Leuk ha aiutato le autorità forestali a rispondere rapidamente al successivo grande incendio boschivo di Visp (2011) e ha approfondito la nostra comprensione della resilienza delle foreste dopo gli incendi (Wohlgemuth et al. 2015).
È interessante notare che le registrazioni della vegetazione di Leuk e Visp mostrano percorsi diversi dopo il disturbo. Le analisi preliminari hanno mostrato che la rigenerazione e la prima successione dopo l'incendio sembrano procedere molto più lentamente sul versante secco ed esposto a sud di Leuk rispetto al versante esposto a nord, più umido e ricco di nutrienti di Visp (Wohlgemuth 2015). A Leuk, i risultati preliminari indicano un possibile cambiamento della vegetazione (Wilson & Agnew 1992) da una foresta di pini (prima dell'incendio) a una foresta dominata da querce alle quote più basse (Moser et al. 2010; Nussbaumer & Wohlgemuth 2016). Non sono ancora stati osservati cambiamenti della vegetazione alle quote più elevate di Leuk e sul versante più umido e ricco di nutrienti di Visp. Le traiettorie successionali contrastanti sembrano essere causate dalle interazioni tra il disturbo degli incendi e il cambiamento climatico e sono già state descritte nel contesto degli effetti della siccità nel Vallese (Rigling et al. 2013).
I cambiamenti climatici stanno alterando gli ecosistemi e i modelli prevedono cambiamenti drastici nella distribuzione delle specie e nella composizione delle comunità (ad esempio, Lenoir et al. 2020; Scherrer et al. 2020), con potenziali ripercussioni sui servizi ecosistemici chiave forniti dalle foreste (ad esempio, Lindner et al. 2014; Jandl et al. 2019). Tuttavia, recenti indagini rappresentative sulla vegetazione hanno riportato solo cambiamenti marginali nella composizione delle specie e spostamenti di areale negli ultimi decenni (ad esempio, Lenoir et al. 2008; Bertrand et al. 2011; Scherrer et al. 2017). Una possibile spiegazione è legata alle dinamiche successionali che derivano da grandi perturbazioni. Sia i modelli (Bugmann et al. 2019; Scherrer et al. 2020) sia gli studi sul campo (Wohlgemuth et al. 2018; Scherrer et al. 2022) dimostrano che i grandi disturbi svolgono un ruolo chiave nel preparare la strada al cambiamento di specie, eliminando gli effetti di competizione asimmetrica (cioè tra le specie arboree dominanti consolidate e i colonizzatori appena arrivati), consentendo così una transizione più rapida verso assemblaggi di specie adattati in modo ottimale alle "nuove" condizioni climatiche. Tuttavia, le dinamiche di rigenerazione dopo un grave disturbo, soprattutto dopo un incendio, dipendono da altri fattori oltre al clima, come il pool di specie, la dispersione dei semi e le interazioni biotiche. Le specie con un'ampia riserva di semi, organi sotterranei per la ricrescita o un'elevata capacità di dispersione potrebbero avere un vantaggio significativo nel colonizzare un'area recentemente disturbata, portando a un cambiamento nella composizione delle specie indipendente dal cambiamento climatico (ad esempio, Wohlgemuth et al. 2008b). Allo stesso modo, la comunità di artropodi nelle aree bruciate di recente si differenzia nettamente da quella della foresta circostante, riflettendo condizioni più aperte e una grande quantità di nuove risorse rilasciate attraverso processi di esclusione competitiva (Moretti et al. 2010; Moretti et al. 2018). Questi cambiamenti nei caratteri degli artropodi e delle piante riflettono in gran parte le dinamiche successionali e dimostrano che le osservazioni a lungo termine sono essenziali per identificare i cambiamenti persistenti e possibilmente determinati dal clima. Ciò è importante anche per le funzioni dell'ecosistema, in quanto le diverse traiettorie del cambiamento successionale nelle piante e negli artropodi possono alterare le interazioni trofiche legate a importanti processi ecosistemici.
Distinguere le dinamiche successionali e gli adattamenti delle foreste indotti dal clima è fondamentale per sviluppare pratiche di gestione adattiva per foreste intelligenti dal punto di vista climatico e prevedere gli impatti sulla biodiversità. Attualmente, la nostra comprensione di queste dinamiche è limitata dalla mancanza di studi a lungo termine sulle foreste, soprattutto nelle regioni tradizionalmente meno soggette agli incendi, come le valli secche delle Alpi centrali. Con una serie di indagini sulla vegetazione e sugli artropodi prima e dopo gli incendi, gli incendi boschivi di Leuk e Visp offrono un'opportunità unica di studiare siti "vicini" con condizioni ambientali contrastanti. Il pendio secco di Leuk era (prima dell'incendio) una foresta dominata da pino silvestre, ma molti studi suggeriscono che il previsto aumento della siccità estiva porterà a uno spostamento dalle foreste di pino silvestre a specie di quercia più resistenti alla siccità, soprattutto alle quote più basse (Rigling 2006; Gimmi et al. 2010). Un recente studio di Scherrer et al. (2021) prevede addirittura foreste dominate da querce già alle quote più basse di Leuk. Al contrario, si prevede che il versante più umido e ricco di nutrienti di Visp continuerà a sostenere una foresta di abeti rossi (cioè una composizione di specie simile a quella precedente l'incendio). L'analisi della sequenza successionale a lungo termine di questi due siti contrastanti offre nuovi spunti di riflessione sul ruolo del clima, della storia di colonizzazione e delle caratteristiche delle specie che influenzano la composizione delle specie arboree dopo i grandi incendi in ecosistemi tradizionalmente poco esposti agli incendi. Inoltre, i dati relativi agli insetti e ai ragni ci permettono di analizzare se i cambiamenti di tratto osservati nella vegetazione portino anche a un cambiamento di tratto permanente nelle comunità di artropodi e nelle interazioni trofiche, con conseguenze di vasta portata sul funzionamento dell'ecosistema.
Procedura e metodi
Il progetto analizza l'interazione tra il disturbo degli incendi e il riscaldamento climatico utilizzando set di dati unici del WSL sulla rigenerazione delle foreste e sulla composizione delle specie dopo gli incendi a Leuk e Visp. A Leuk sono state condotte cinque indagini sulla vegetazione (2004, 2005, 2006, 2007 e 2013) e quattro indagini sugli artropodi (2005, 2006, 2008, 2013), mentre a Visp sono state condotte altre due indagini sulla vegetazione (2013, 2018). In questo progetto, studieremo la vegetazione (in particolare la rigenerazione degli alberi) e la diversità degli artropodi a Leuk (2023, 20 anni dopo l'incendio e 10 anni dopo l'ultima indagine), integrati da un'indagine sulla vegetazione a Visp (2023, 12 anni dopo l'incendio e 5 anni dopo l'ultima indagine).
Utilizzeremo queste serie di dati a lungo termine sulle dinamiche forestali post-incendio per rispondere alle seguenti domande chiave:
(1) Come sono cambiate la diversità complessiva delle specie, la distribuzione dei tratti funzionali e la composizione delle specie (cioè gli stadi successionali) nei decenni successivi all'incendio?
(2) Esiste una relazione tra le dinamiche successionali (cioè i cambiamenti dei tratti e delle specie) di piante e artropodi? Una visione integrata delle dinamiche di successione delle piante e degli artropodi può contribuire a una migliore comprensione dell'assemblaggio delle comunità post-disturbo e delle conseguenze sulle interazioni trofiche e sul funzionamento dell'ecosistema?
(3) A quali altitudini le comunità forestali sono tornate a uno stato simile alle condizioni precedenti l'incendio in termini di diversità delle specie, distribuzione dei tratti funzionali e composizione delle specie, oppure si sono evolute in nuove comunità?
(4) Quali fattori ambientali influenzano la resilienza e il cambiamento delle comunità?
Le indagini ripetute sulla vegetazione saranno condotte sulla griglia di campionamento sistematico già stabilita di 125 m x 125 m all'interno delle aree bruciate. La rigenerazione delle specie arboree sarà studiata su 50 m2 a Leuk (n = 150) e Visp (n = 45). La diversità delle specie di tutte le piante vascolari viene registrata su parcelle di 200 m2 nell'area bruciata di Leuk (Wohlgemuth et al. 2010a).
La diversità degli artropodi viene nuovamente rilevata in 18 siti lungo tre transetti altitudinali (1200, 1450 e 1700 m s.l.m.), suddivisi in tre ecosistemi: (1) foreste intatte (controllo), (2) margine interno dell'area bruciata e (3) centro dell'area bruciata. In ogni sito sono state posizionate due serie di trappole standard per la cattura di artropodi volanti e terrestri (Obrist & Duelli 2010).
Letteratura
Bertrand, R., Lenoir, J., Piedallu, C., Riofrio-Dillon, G., de Ruffray, P., Vidal, C., Pierrat, J.C. & Gegout, J.C. (2011) Changes in plant community composition lag behind climate warming in lowland forests. Nature, 479, 517-520.
Bugmann, H., Seidl, R., Hartig, F., Bohn, F., Brůna, J., Cailleret, M., François, L., Heinke, J., Henrot, A.J. & Hickler, T. (2019) Tree mortality submodels drive simulated long‐term forest dynamics: assessing 15 models from the stand to global scale. Ecosphere, 10, e02616.
Gerold, P. (2019) Waldbrandmanagement im Kanton Wallis und Lehren aus dem Brand von Visp im Jahr 2011. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 170, 251-257.
Gimmi, U., Wohlgemuth, T., Rigling, A., Hoffmann, C.W. & Bürgi, M. (2010) Land-use and climate change effects in forest compositional trajectories in a dry Central-Alpine valley. Annals of forest science, 67, 701.
Jandl, R., Spathelf, P., Bolte, A. & Prescott, C.E. (2019) Forest adaptation to climate change—is non-management an option? Annals of forest science, 76, 48.
Lenoir, J., Bertrand, R., Comte, L., Bourgeaud, L., Hattab, T., Murienne, J. & Grenouillet, G. (2020) Species better track climate warming in the oceans than on land. Nature ecology & evolution, 4, 1044-1059.
Lenoir, J., Gegout, J.C., Marquet, P.A., de Ruffray, P. & Brisse, H. (2008) A significant upward shift in plant species optimum elevation during the 20th century. Science, 320, 1768-1771.
Lindner, M., Fitzgerald, J.B., Zimmermann, N.E., Reyer, C., Delzon, S., van der Maaten, E., Schelhaas, M.J., Lasch, P., Eggers, J., van der Maaten-Theunissen, M., Suckow, F., Psomas, A., Poulter, B. & Hanewinkel, M. (2014) Climate change and European forests: what do we know, what are the uncertainties, and what are the implications for forest management? Journal of Environmental Management, 146, 69-83.
Moretti, M., De Cáceres, M., Pradella, C., Obrist, M.K., Wermelinger, B., Legendre, P. & Duelli, P. (2010) Fire‐induced taxonomic and functional changes in saproxylic beetle communities in fire sensitive regions. Ecography, 33, 760-771.
Moretti, M., Wermelinger, B., Gossner, M.M. & Obrist, M.K. (2018) Wiederbesiedlung der Waldbrandfläche von Leuk durch Gliederfüsser. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 169, 290-298.
Moser, B., Gimmi, U. & Wohlgemuth, T. (2006) Ausbreitung des Erdbeerspinats Blitum virgatum nach dem Waldbrand von Leuk, Wallis (2003). Botanica Helvetica, 116, 179-207.
Moser, B., Temperli, C., Schneiter, G. & Wohlgemuth, T. (2010) Potential shift in tree species composition after interaction of fire and drought in the Central Alps. European Journal of Forest Research, 129, 625-633.
Nussbaumer, C. & Wohlgemuth, T. (2016) Verbiss bremst die jungen Flaumeichen. Wald und Holz, 97, 31-33.
Obrist, M. & Duelli, P. (2010) Rapid biodiversity assessment of arthropods for monitoring average local species richness and related ecosystem services. Biodiversity and Conservation, 19, 2201-2220.
Rigling, A. (2006) Verdrängen Flaumeichen die Walliser Waldföhren? Merkblatt für die Praxis. pp. 1-16. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf.
Rigling, A., Bigler, C., Eilmann, B., Feldmeyer‐Christe, E., Gimmi, U., Ginzler, C., Graf, U., Mayer, P., Vacchiano, G. & Weber, P. (2013) Driving factors of a vegetation shift from Scots pine to pubescent oak in dry Alpine forests. Global Change Biology, 19, 229-240.
Scherrer, D., Ascoli, D., Conedera, M., Fischer, C., Maringer, J., Moser, B., Nikolova, P.S., Rigling, A. & Wohlgemuth, T. (2022) Canopy Disturbances Catalyse Tree Species Shifts in Swiss Forests. Ecosystems, 25, 199-214.
Scherrer, D., Baltensweiler, A., Fischer, C., Frehner, M., Wüest Karpati, R. & Wohlgemuth, T. (2021) Räumlich explizite Modellierung der NaiS-Standorttypen zur Analyse der Waldbestockung. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 172, 278-285.
Scherrer, D., Massy, S., Meier, S., Vittoz, P. & Guisan, A. (2017) Assessing and predicting shifts in mountain forest composition across 25 years of climate change. Diversity and Distributions, 23, 517-528.
Scherrer, D., Vitasse, Y., Guisan, A., Wohlgemuth, T. & Lischke, H. (2020) Competition and demography rather than dispersal limitation slow down upward shifts of trees’ upper elevation limits in the Alps. Journal of Ecology, 108, 2416-2430.
Wilson, J.B. & Agnew, A.D. (1992) Positive-feedback switches in plant communities. Advances in Ecological Research, pp. 263-336. Elsevier.
Wohlgemuth, T. (2015) Baumverjüngung in der Waldbrandfläche Visp (2011). Kurzer Bericht an den Kanton Wallis. pp. 6. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf.
Wohlgemuth, T., Brigger, A., Gerold, P., Laranjeiro, L., Moretti, M., Moser, B., Rebetez, M., Schmatz, D., Schneiter, G. & Sciacca, S. (2012) Leben mit Waldbrand am Beispiel von Leuk (VS) 2003. Vierteljahrsschrift der Naturforschenden Gesellschaft in Zürich, 157, 97-106.
Wohlgemuth, T., Brigger, A., Gerold, P., Laranjeiro, L., Moretti, M., Moser, B., Rebetez, M., Schmatz, D., Schneiter, G., Sciacca, S., Sierro, A., Weibel, P., Zumbrunnen, T. & Conedera, M. (2010a) Leben mit Waldbrand. Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft WSL, Birmensdorf.
Wohlgemuth, T., Conedera, M., Albisetti, A.K., Moser, B., Usbeck, T., Brang, P. & Dobbertin, M. (2008a) Effekte des Klimawandels auf Windwurf, Waldbrand und Walddynamik im Schweizer Wald| Effects of climate change on windthrow, forest fire and forest dynamics in Swiss forests. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 159, 336-343.
Wohlgemuth, T., Conedera, M., Engesser, R., Wermelinger, B., Reinhard, M., Forster, B. & Meier, F. (2015) Waldschäden. Zustand und Nutzung des Schweizer Waldes (eds A. Rigling & H.P. Schaffer). BAFU, Bern, Switzerland.
Wohlgemuth, T., Conedera, M., Kupferschmid, A., Moser, B., Usbeck, T., Brang, P. & Dobbertin, M. (2008b) Effekte des Klimawandels auf Windwurf, Waldbrand und Walddynamik im Schweizer Wald. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 159, 336-343.
Wohlgemuth, T., Doublet, V., Nussbaumer, C., Feichtinger, L. & Rigling, A. (2018) Baumartenwechsel in den Walliser Waldföhrenwäldern verstärkt nach grossen Störungen. Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 169, 260-268.
Wohlgemuth, T., Hester, C., Jost, A.-R., Wasem, U. & Moser, B. (2010b) Dynamik der Wiederbewaldung im Waldbrandgebiet von Leuk (Wallis)| Recruitment dynamics following the forest fire near Leuk (Valais). Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 161, 450-459.
Wohlgemuth, T. & Moser, B. (2018) Zehn Jahre Vegetationsdynamik auf der Waldbrandfläche von Leuk (Wallis). Schweizerische Zeitschrift für Forstwesen, 169, 279-289.