PATTERNS IN ECOLOGY AND GEOMORPHOLOGY OF RIVER BASIN ECOSYSTEMS

Questa tesi tratta dello studio dei controlli idrologici e geomorfologici sulle caratteristiche e processi ecologici in ecosistemi fluviali. L'inquadramento ecoidrologico qui perseguito definisce un approcio interdisciplinare con lo scopo di modellare vasti e complessi patterns biotici and abiotici nei quali l'acqua gioca un formante ruolo chiave. Partendo dall'evidenza dell'invarianza di alcune proprietà di patterns geomorfologici dei bacini fluviali, la tesi prima tratta della distribuzione delle distanze tra sottobacini lungo il corso d'acqua principale. Questa ́e una caratteristica importante per i processi ecologici perché controlla lo sviluppo spaziale della capacità dell'habitat locale di ospitare individui delle specie, ed è stata studiata usando mappe digitali del terreno di bacini fluviali. La relativa disponibilità di acqua e l'area di canale e ripariale sono allo stesso modo investigate. Specificatamente ́e stato trovato che la probabilità di eccedenza delle distanze lungo il canale principale tra affluenti (maggiori di una data soglia) ha una forma esponenziale legata al vincolo geomorfico. Costrutti teorici sono stati usati allo stesso scopo, come le reti ottime di canali, le reti di Peano e Scheidegger, derivando espressioni analitiche esatte per caratteristiche geomorfiche rilevanti. Patterns di biodiversità sono stati estensivamente studiati con simulazioni numeriche, con diverse textures ambientali definite dall'ambiente fluviale, e usando due principali meccanismi di dispersione in un modello neutrale a metcommunità. L’ ipotesi di neutralità postula che tutti gli individui competono equivalentemente nelle dinamiche di speciazione e dispersione. Un meccanismo ́e con un kernel esponenziale che descrive certe caratteristiche ecologiche di interesse caratterizzate da una scala spaziale, mentre un altro meccanismo è impiegando un kernel con dispersione a legge di potenza il quale assicura dispersioni a lunga distanza alle specie. E' stata analizzata la dipendenza dalla scala, risoluzione e raffinamento del modello a cui l'ecosistema è simulato, di svariati indicatori di biodiversità, come la ricchezza locale e regionale di specie, la similarità in specie tra comunità locali nell'ecosistema, la relazione specie-area e la distribuzione di probabilità della dimensione dei cluster di individui conspecifici. Patterns empirici di pesci e alberi del sistema fluviale del Mississippi-Missouri sono stati analizzati. Proprie simulazioni provano essere capaci di descrivere parecchi patterns biotici osservati, includendo la distribuzione di probabilità della dimensione dei clusters delle specie. Le influenze della topologia dell'ecosistema (paesaggio 2-D e rete fluviale 1-D), della forma, e delle disomogeneità ambientali, sono state analizzate in dettaglio. E' stato trovato che in generale i patterns di biodiversità sono dipendenti dalla scale e risoluzione. La tesi anche tratta della descrizione macroecologica della distribuzione spaziale delle specie prodotta dal modello neutrale. E' suggerito come l'esponente della rilevante relazione specie-area e l'esponente della legge a potenza della dimensione dei clusters sono relazionati per diverse topologie e scenari di dispersione. I fattori esogeni (immigrazione e variabili ambientali) ed endogeni (speciazione e topologia) sono stati studiati separatamente per determinare il loro contributo mutuo e individuale nella generazione dei patterns spaziali di pesci e vegetazione. I fenomeni di speciazione-morte e dispersione sono suggeriti essere i determinanti nel processo di clusterizzazione senza nessun bisogno di includere feedback positivi tra le specie. Le eterogeneità ambientali, ad esempio dettate dal clima influenzano sulla struttura a legge di potenza dei cluster delle specie solo in condizioni di dispersione limitata o di saturazione delle comunità locali. Relazioni specie-individui sono studiate come strumento per meglio predire l’ effetto del cambiamento climatico, e possibilmente per inferire relazioni allometriche tra il parametro di dispersione e i tratti fisiologici delle specie come la massa e la durata di vita. In conclusione le interazioni tra la struttura geomorfica degli ecosistemi e i processi che avvengono in essi a diverse scale sono di fondamentale importanza nel organizzazione e tutela delle risorse ecologiche e idrologiche. La tesi evidenzia il ruolo cruciale dei supporti geomorfologici e dei drivers esterni sui processi ecologici e biologici che sono controllati da dinamiche idrologiche. Parole chiave: patterns di biodiversità, ecoidrologia, scale, bacini fluviali, dispersione, neutralità, metacomunità, ecologia del paesaggio, geomorfologia.