The application of individual-based models to the analysis of the structure, dynamics and resource optimization in forest ecosystems

Questo lavoro presenta tre modelli che sono stati sviluppati usando tecniche individual-based, con lo scopo di investigare su differenti aspetti di ecosistemi forestali. Il principio di equivalenza energetica (EER) predice che nelle comunità ecologiche in uno stato di equilibrio, l’abbondanza è controbilanciata da cambiamenti del tasso metabolico, cosicché l’uso dell’energia risulta invariante per classi dimensionali. Nelle comunità forestali, generalmente si ritiene che l’EER vale per unità di superficie. Tuttavia, non sono stati fornite indicazioni esplicite per valutare la quantità di superficie effettivamente occupata da una classe dimensionale, cosa cruciale per capire come la dimensione degli alberi influenza la produttività di un dato sito. Per dirimere la questione, è stato sviluppato un semplice modello, parametrizzato sulla base di dati empirici, in cui patch identiche fra loro per superficie e risorse sono state riempite con alberi di diversa dimensione e gli alberi erano soggetti a due vincoli: spazio e risorse ipogee. Il modello ha messo in luce che la risorsa limitante per gli alberi può variare in dipendenza della dimensione, da cui segue che anche la produttività per unità di superficie varia con essa. Combinato con dati sperimentali, il modello può fornire motivazioni sul perché una foresta si presenta stratificata o sparsa (come al limite superiore del bosco), spiegando quindi l’esistenza di diverse strutture forestali. A partire da esso, è stato sviluppato un modello dinamico, parametrizzato sulla base di dati empirici, che combina tecniche individual-based con un approccio metabolico per simulare una foresta che evolve nel tempo. Essendo dinamico, le distribuzioni degli alberi non sono imposte nelle patch, ma sono il risultato della crescita e delle interazioni fra gli alberi, cosa che le rende più simili alle distribuzioni reali osservate in foresta. L’analisi dei risultati delle simulazioni hanno mostrato che il modello per molti aspetti riesce a riprodurre il comportamento osservato delle foreste reali, come il processo dell’autodiradamento, la curva della massa epigea, la struttura a mosaico e la distrubuzione delle altezze degli alberi. Un confronto quantitativo con due plot forestali ha mostrato anche un buon fitting del numero di alberi e della percentuale di superficie coperta. Questo lo rende particolarmente adatto a mettere in luce le relazioni fra struttura e uso delle risorse nell’ambito di ecosistemi forestali. Si presta inoltre ad essere usato come strumento per predire la risposta di una foresta a diversi livelli di disturbo e/o tipi di gestione. Infine, il terzo modello è stato sviluppato per gettare luce sul fenomeno del mast seeding (pasciona) negli ecosistemi forestali. Il mast seeding è la produzione sincronizzata di una grande quantità di semi a lunghi intervalli di tempo in popolazioni di piante. Si osserva in svariati generi e la sua spiegazione rimane controversa. Per testare una delle più popolari ipotesi, la "predator satiation", ho sviluppato un esperimento virtuale basato su un modello individual-based che riproduce le interazioni fra alberi e consumatori di semi in una foresta. Questo ha permesso un confronto diretto—che sarebbe stato impossibile nella realtà—fra una foresta con masting e una senza. L’ampia differenza osservata fra i due scenari supporta fortemente l’ipotesi. Allo stesso tempo, un secondo meccanismo simile al classico "paradox of enrichment" sembra svolgere un ruolo cruciale, agendo in sinergia con il "predator satiation" per tenere sotto controllo la popolazione dei consumatori. Più in generale, ho mostrato che la distribuzione delle risorse nel tempo può fortemente influenzare le dinamiche di popolazione, anche quando la quantità complessiva della risorsa si mantiene costante.