Assessing the relationship between bee/flower diversity and vegetation structural heterogeneity through UAV photogrammetry

The ecosystem services provided by bees are very important. Factors as habitat fragmentation, intensive agriculture and climate change are contributing to the decline of bee populations. The use of remote sensing could be a useful tool for the recognition of sites with a high diversity, before performing a more expensive survey in the field. In this study the ability of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) images to estimate biodiversity at local scale has been analysed testing the concept of the Height Variation Hypothesis (HVH). This approach states that, the higher the vegetation height heterogeneity (HH) measured by remote sensing information, the higher the vertical complexity and the higher vegetation species diversity. In this thesis the concept has been brought to a higher level, in order to understand if the vegetation HH can be considered a proxy also of bee species diversity and abundance. We tested this approach collecting field data on bees/flowers and RGB images through an UAV campaign in 30 grasslands in the South of the Netherlands. The Canopy Height Model (CHM) were derived through the photogrammetry technique "Structure from Motion" (SfM) with resolutions of 10cm, 25cm, 50cm. Successively, the HH assessed on the CHM using the Rao's Q heterogeneity index was correlated to the field data (bee abundance, diversity and bee/flower species richness). The correlations were all positive and significant. The highest R2 values were found when the HH was calculated at 10cm and correlated to bee species richness (R2 = 0.41) and Shannon’s H index (R2 = 0.38). Using a lower spatial resolution the goodness of fit slightly decreases. For flower species richness the R2 ranged between 0.36 to 0.39. Our results suggest that methods based on the concept behind the HVH, in this case deriving information of HH from UAV data, can be developed into valuable tools for large-scale, standardized and cost-effective monitoring of flower diversity and of the habitat quality for bees.

Flower cover and bee diversity estimate by drone RGB images

Worldwide, biodiversity is decreasing due to climate change, habitat fragmentation and agricultural intensification. Bees are essential crops pollinator, but their abundance and diversity are decreasing as well. For their conservation, it is necessary to assess the status of bee population. Field data collection methods are expensive and time consuming thus, recently, new methods based on remote sensing are used. In this study we tested the possibility of using flower cover diversity estimated by UAV images (FCD-UAV) to assess bee diversity and abundance in 10 agricultural meadows in the Netherlands. In order to do so, field data of flower and bee diversity and abundance were collected during a campaign in May 2021. Furthermore, RGB images of the areas have been collected using Unmanned Aerial Vehicle (UAV) and post-processed into orthomosaics. Lastly, Random Forest machine learning algorithm was applied to estimate FCD of the species detected in each field. Resulting FCD was expressed with Shannon and Simpson diversity indices, which were successively correlated to bee Shannon and Simpson diversity indices, abundance and species richness. The results showed a positive relationship between FCD-UAV and in-situ collected data about bee diversity, evaluated with Shannon index, abundance and species richness. The strongest relationship was found between FCD (Shannon Index) and bee abundance with R2=0.52. Following, good correlations were found with bee species richness (R2=0.39) and bee diversity (R2=0.37). R2 values of the relationship between FCD (Simpson Index) and bee abundance, species richness and diversity were slightly inferior (0.45, 0.37 and 0.35, respectively). Our results suggest that the proposed method based on the coupling of UAV imagery and machine learning for the assessment of flower species diversity could be developed into valuable tools for large-scale, standardized and cost-effective monitoring of flower cover and of the habitat quality for bees.

Habitat shifts: an experimental study on disappearing canopies of Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agard and the habitat replacing them

Cambiamenti di habitat in ambienti marini: uno studio sperimentale sulla perdita di foreste a Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh e sui popolamenti che le sostituiscono La presente tesi affronta il tema scientifico generale di come prevedere e mitigare la perdita di habitat marini naturali causata dalle attività umane. La tesi si è focalizzata sugli habitat subtidali a “canopy” formati da macroalghe brune a tallo eretto dell’ordine Fucales, che per morfologia, ruolo ed importanza ecologica possono essere paragonate alle “foreste” in ambienti terrestri temperati. Questi sistemi sono tra i più produttivi in ambienti marini, e sono coinvolti in importanti processi ecologici, offrendo cibo, protezione, riparo ed ancoraggio a diverse altre specie animali e vegetali, modificando i gradienti naturali di luce, sedimentazione e idrodinamismo, e partecipando al ciclo dei nutrienti. Sulle coste temperate di tutto il mondo, le foreste di macroalghe a canopy sono in forte regressione su scala locale, regionale e globale. Questo fenomeno, che sta accelerando a un ritmo sempre più allarmante, sta sollevando interesse e preoccupazione. Infatti, data la loro importanza, la perdita di questi habitat può avere importanti conseguenze ecologiche ed economiche, tra cui anche il possibile declino della pesca che è stato osservato in alcune aree in seguito alla conseguente riduzione della produttività complessiva dei sistemi marini costieri. Nel Mar Mediterraneo questi tipi di habitat sono originati prevalentemente da alghe appartenenti al genere Cystoseira, che sono segnalate in forte regressione in molte regioni. Gli habitat a Cystoseira che ancora persistono continuano ad essere minacciati da una sineregia di impatti antropici, ed i benefici complessivi delle misure di protezione fin ora attuate sono relativamente scarsi. Scopo della presente tesi era quello di documentare la perdita di habitat a Cystoseira (prevalentemente Cystoseira barbata (Stackhouse) C. Agardh) lungo le coste del Monte Conero (Mar Adriatico centrale, Italia), e chiarire alcuni dei possibili meccanismi alla base di tale perdita. Studi precedentemente condotti nell’area di studio avevano evidenziato importanti cambiamenti nella composizione floristica e della distribuzione di habitat a Cystoseira in quest’area, e avevano suggerito che la scarsa capacità di recupero di questi sistemi potesse essere regolata da interazioni tra Cystoseira e le nuove specie dominanti sui substrati lasciati liberi dalla perdita di Cystoseira. Attraverso ripetute mappature dell’habitat condotte a partire da Luglio 2008 fino a Giugno 2010, ho documentato la perdita progressiva delle poche, e sempre più frammentate, patch di habitat originate da questa specie in due siti chiamati La Vela e Due Sorelle. Attraverso successivi esperimenti, ho poi evidenziato le interazioni ecologiche tra le specie dominanti coinvolte in questi cambiamenti di habitat, al fine di identificare possibili meccanismi di feedback che possano facilitare la persistenza di ciascun habitat o, viceversa, l’insediamento di habitat alternativi. La mappatura dell’habitat ha mostrato un chiaro declino della copertura, della densità e della dimensione degli habitat a Cystoseira (rappresentati soprattutto dalla specie C. barbata e occasionalmente C. compressa che però non è stata inclusa nei successivi esperimenti, d’ora in avanti per semplicità verrà utilizzato unicamente il termine Cystoseira per indicare questo habitat) durante il periodo di studio. Nel sito Due Sorelle le canopy a Cystoseira sono virtualmente scomparse, mentre a La Vela sono rimaste poche, sporadiche ed isolate chiazze di Cystoseira. Questi habitat a canopy sono stati sostituiti da nuovi habitat più semplici, tra cui soprattutto letti di mitili, feltri algali e stand monospecifici di Gracilaira spp.. La mappatura dell’habitat ha inoltre sottolineato una diminuzione del potenziale di recupero del sistema con un chiaro declino del reclutamento di Cystoseira durante tutto il periodo di studio. Successivamente ho testato se: 1) una volta perse, il recupero di Cystoseira (reclutamento) possa essere influenzato dalle interazioni con le nuove specie dominanti, quali mitili e feltri algali; 2) il reclutamento di mitili direttamente sulle fronde di Cystoseira (sia talli allo stadio adulto che giovanili) possa influenzare la sopravvivenza e la crescita della macroalga; 3) la sopravvivenza e la crescita delle nuove specie dominanti, in particolare mitili, possa essere rallentata dalla presenza di canopy di Cystoseira. I risultati dimostrano che le nuove specie dominanti insediatesi (feltri algali e mitili), possono inibire il reclutamento di Cystoseira, accelerandone il conseguente declino. L’effetto diretto dei mitili sulle fronde non è risultato particolarmente significativo né per la sopravvivenza di Cystoseira che finora non è risultata preclusa in nessun stadio di sviluppo, né per la crescita, che nel caso di individui adulti è risultata leggermente, ma non significativamente, più elevata per le fronde pulite dai mitili, mentre è stato osservato il contrario per i giovanili. La presenza di canopy a Cystoseira, anche se di piccole dimensioni, ha limitato la sopravvivenza di mitili. Questi risultati complessivamente suggeriscono che una foresta di macroalghe in buone condizioni può avere un meccanismo di autoregolazione in grado di facilitare la propria persistenza. Quando però il sistema inizia a degradarsi e a frammentarsi progressivamente, i cambiamenti delle condizioni biotiche determinati dall’aumento di nuove specie dominanti contribuiscono alla mancanza di capacità di recupero del sistema. Pertanto le strategie per una gestione sostenibile di questi sistemi dovrebbero focalizzarsi sui primi segnali di cambiamenti in questo habitat e sui possibili fattori che ne mantengono la resilienza.

La vegetazione e gli habitat del SIC "IT4080008 Balze di Verghereto, Monte Fumaiolo, Ripa della Moia" (provincia di Forlì-Cesena)

Scopo della tesi è la realizzazione di rilievi fitosociologici nel SIC “IT4080008 Balze di Verghereto, Monte Fumaiolo, Ripa della Moia” (provincia di Forlì-Cesena). Il gruppo montuoso del Monte Fumaiolo, posto al confine tra le Vallate del Savio e del Tevere, è stato proposto nel 1995 come Sito di Importanza Comunitaria. E' un'area colonizzata già nell'antichità dall'uomo e comprende una grande estensione di pascoli montani, con rupi calcaree e rilievi comprendenti faggete, abetine artificiali, rimboschimenti e prati pascoli. Nell'ambito di una ricerca sulla distribuzione degli habitat di maggior pregio in questo sito sono stati realizzati campionamenti, basati sul metodo Braun Blanquet, nel periodo tra Lunglio e Settembre 2013. I dati raccolti sono stati successivamente elaborati tramite software Matlab versione 7.10.0.282 creando due dendrogrammi allo scopo di descrivere sia la qualità naturale del SIC, sia dal punto di vista degli habitat. Dalle informazioni raccolte è stata possibile la definizione di due tipologie di vegetazione: le formazioni forestali e gli ambienti aperti. I risultati mostrano 57 rilievi inerenti ai boschi divisi in ulteriori sottogruppi rappresentanti boschi a faggio, situazioni miste con Fagus sylvatica e Abies alba, querceti misti e rimboschimenti a Pinus nigra. I 27 rilievi degli ambienti aperti mostrano invece una predominanza di prati-pascolo e pascoli con situazioni di evoluzione ad arbusteti a Cytisus scoparius e Juniperus communis. Sono state campionate anche le vegetazioni a succulente presenti su affioramenti rocciosi. Le informazioni ottenute ed elaborate possono essere utili per studi futuri e per la creazione di una carta fitosociologica sulla base dei rilievi effettuati e della pregressa carta della vegetazione su base fisionomica (Barlotti 2013).