ETD

• anthropogenic pressure
• climate change
• Posidonia oceanica
• reforestation
• resilience
• stability
• synchrony

The growing climate crisis requires a greater understanding of the response of ecosystems to rapid environmental change. Extreme climatic events, such as marine heatwaves, affect the structure, functioning, and stability of marine ecosystems. In the Mediterranean Sea, the seagrass Posidonia oceanica (L.) Delile is a foundation species that provides key ecosystem services, including primary production, carbon sequestration, habitat provision, and coastal protection. However, P. oceanica meadows have declined by about 34% over the last 50 years, due to climatic and anthropogenic pressures.
Previous studies examined the effect of marine heatwaves (MHWs) and increasing sea surface temperatures (SSTs) on the growth, physiology, and biochemical composition of P. oceanica meadows. However, the long-term effects of climatic stressors on the growth and stability of P. oceanica, together with the role of local anthropogenic pressure, remain poorly understood. At the same time, restoration initiatives are increasingly adopted to counteract seagrass decline. Most interventions rely on “cutting transplantation”, yet little is known about the structural effects of rhizome removal on donor meadows and the recovery process of the transplanted fragments in new environments.
My PhD project focuses on restoration strategies to conserve P. oceanica meadows, with particular attention to “cutting transplantation” techniques and the potential effects of mechanical extraction of rhizomes in the donor meadow. In addition, it aims to assess the effects of climatic and anthropogenic stressors on the growth, physiology, and stability of P. oceanica meadows at different organisational levels, from individuals to populations and up to metapopulations in the Mediterranean basin.
In the second chapter, I experimentally assessed the effects of different rhizome-harvesting intensities and spatial positions (margin vs. inside) on the resistance and recovery capacity of P. oceanica donor meadows. This chapter provides insights into how rhizome harvesting can induce measurable structural degradation in donor meadows, with implications for the sustainability of transplantation practices and for the management of source sites used in restoration interventions.
Chapter 3 combines a demonstrative transplantation intervention on dead matte within an area currently under full protection with a transplantation experiment to identify possible bottlenecks in reforestation interventions, such as the physiological stress imposed on the transplanted fragments during transportation and the characteristics of the origin and destination sites. These results clarify the factors shaping the early stages of establishment and help define the conditions that determine the initial success of transplantation. In chapter 4, I used a hierarchical sampling design to assess the effects of MHWs and anthropogenic pressure on production, stability, and spatial synchrony of P. oceanica and how such metrics change across multiple spatial scales (from a few meters to hundreds of kilometers) in the Mediterranean basin. These findings suggest that MHW exposure, seasonal thermal conditions, and local environmental and anthropogenic pressures may leave distinct signals on production, physiological functioning, and local variability, offering a forward-looking perspective on the functioning of this key Mediterranean primary producer.
Overall, this thesis provides new insights into the ecological responses of P. oceanica meadows to climatic stress and human disturbance and offers an empirical basis to improve restoration practices in the Mediterranean Sea. From a practical perspective, when direct harvesting from donor meadows is necessary, rhizome collection should preferentially target the meadow interior rather than the margin, which appears more vulnerable to mechanical disturbance. Restoration planning should also consider that donor-origin effects may be more relevant during early establishment, whereas destination-site conditions become important for subsequent transplant performance, emphasizing the need to select receiving sites with favourable environmental conditions. Handling stress should be minimized by limiting unnecessary exposure of cuttings out of the water.

La crescente crisi climatica richiede una comprensione più approfondita della risposta degli ecosistemi ai rapidi cambiamenti ambientali. Gli eventi climatici estremi, come le ondate di calore marine, influenzano la struttura, il funzionamento e la stabilità degli ecosistemi marini. Nel Mar Mediterraneo, la fanerogama marina Posidonia oceanica (L.) Delile è una specie fondatrice che fornisce servizi ecosistemici fondamentali, tra cui produzione primaria, sequestro del carbonio, creazione di habitat e protezione costiera. Tuttavia, le praterie di P. oceanica sono diminuite di circa il 34% negli ultimi 50 anni a causa di pressioni climatiche e antropogeniche.
Studi precedenti hanno esaminato l’effetto delle ondate di calore marine (MHW) e dell’aumento della temperatura superficiale del mare (SST) sulla crescita, sulla fisiologia e sulla composizione biochimica delle praterie di P. oceanica. Tuttavia, gli effetti a lungo termine degli stressori climatici sulla crescita e sulla stabilità di P. oceanica, insieme al ruolo della pressione antropogenica locale, rimangono ancora poco compresi. Allo stesso tempo, gli interventi di restauro sono sempre più adottati per contrastare il declino delle fanerogame marine. La maggior parte degli interventi si basa sul “cutting transplantation”, sebbene si conoscano ancora poco gli effetti strutturali della rimozione dei rizomi sulle praterie donatrici e il processo di recupero dei frammenti trapiantati in nuovi ambienti.
Il mio progetto di dottorato si concentra sulle strategie di restauro per la conservazione delle praterie di P. oceanica, con particolare attenzione alla tecnica del “cutting transplantation” e ai potenziali effetti dell’estrazione meccanica dei rizomi nella prateria donatrice. Inoltre, mira a valutare gli effetti degli stressori climatici e antropogenici sulla crescita, sulla fisiologia e sulla stabilità delle praterie di P. oceanica a diversi livelli organizzativi, fino alla scala delle popolazioni e delle metapopolazioni nel bacino del Mediterraneo.
Nel secondo capitolo, ho valutato sperimentalmente gli effetti di diverse intensità di raccolta dei rizomi e di diverse posizioni spaziali, al margine rispetto all’interno, sulla resistenza e sulla capacità di recupero delle praterie donatrici di P. oceanica. Questo capitolo fornisce indicazioni su come la raccolta dei rizomi possa indurre un degrado strutturale misurabile nelle praterie donatrici, con implicazioni per la sostenibilità delle pratiche di trapianto e per la gestione dei siti sorgente utilizzati negli interventi di restauro.
Il capitolo 3 combina un intervento dimostrativo di trapianto su matte morta all’interno di un’area attualmente sottoposta a protezione integrale con un esperimento di trapianto volto a identificare possibili colli di bottiglia negli interventi di riforestazione, come lo stress fisiologico imposto ai frammenti trapiantati durante il trasporto e le caratteristiche dei siti di origine e di destinazione. Questi risultati chiariscono i fattori che influenzano le prime fasi di attecchimento e contribuiscono a definire le condizioni che determinano il successo iniziale del trapianto.
Nel capitolo 4, ho utilizzato un disegno di campionamento gerarchico per valutare gli effetti delle MHWs e della pressione antropogenica sulla produzione, sulla stabilità e sulla sincronia spaziale di P. oceanica, e per esaminare come queste metriche cambino attraverso diverse scale spaziali, da pochi metri a centinaia di chilometri, nel bacino del Mediterraneo. Questi risultati suggeriscono che l’esposizione alle MHWs, le condizioni termiche stagionali e le pressioni ambientali e antropogeniche locali possano lasciare segnali distinti sulla produzione, sul funzionamento fisiologico e sulla variabilità locale, offrendo una prospettiva orientata al futuro sul funzionamento di questo importante produttore primario del Mediterraneo.
Nel suo insieme, questa tesi fornisce nuove conoscenze sulle risposte ecologiche delle praterie di P. oceanica allo stress climatico e al disturbo umano, e offre una base empirica per migliorare le pratiche di restauro nel Mar Mediterraneo. In termini applicativi, quando è necessario prelevare materiale dalle praterie donatrici, la raccolta dei rizomi dovrebbe essere effettuata preferibilmente all’interno della prateria piuttosto che al margine, che appare più vulnerabile al disturbo meccanico. La pianificazione degli interventi di restauro dovrebbe inoltre considerare che gli effetti legati all’origine dei cuttings possono essere più rilevanti durante le prime fasi di attecchimento, mentre le condizioni del sito di destinazione diventano più importanti per la successiva performance del trapianto, sottolineando la necessità di selezionare siti riceventi caratterizzati da condizioni ambientali favorevoli. Lo stress da manipolazione dovrebbe essere ridotto al minimo, limitando l’esposizione non necessaria dei frammenti fuori dall’acqua.