Ecosystems connectivity in the Mediterranean Sea : hotspots identification for a marine community based on Posidonia oceanica

The Mediterranean Sea is extremely rich in marine biodiversity and it homes several unique and endangered habitats, such as the one provided by the seagrass meadows of the endemic Posidonia oceanica. This seagrass beds, besides being the most abundant in the Mediterranean, have a key ecological role, supporting many species and ecosystems. The strong anthropic presence in the Mediterranean Sea, given by its strategic position and high population density, in conjunction with its morphology (an almost entirely enclosed basin), makes it on one side a crucible of cultural and biological diversity and at the same time in need of particular attention from a conservation perspective. Precisely given this richness of biodiversity and potential danger from anthropic pressures, our interest falls on analysing basin-wide seascape connectivity and on consequent identification of connectivity hotspots, that may be regarded as primary targets for conservation policies, for an ensemble of species with different dispersing traits belonging to a community based on P. oceanica meadows. We used a bio-physical Lagrangian approach for the simulation of dispersing propagules of the community at the whim of marine currents across suitable sectors. The results of the Lagrangian simulations, performed over 32 years, are used to produce connectivity metrics: intensity, persistence and effectiveness of the connections. The metrics are calculated separately for each functional role that a suitable area can have: source, sink or retainer. Finally, these functional indicators are used identify locations with the highest community connectivity. Complex connectivity patterns emerge at both species-specific and community levels, showing that interspecific differences in dispersing traits are determining factors for community connectivity. In particular, short-ranged species, S. porcus in our case, act as a bottleneck for community connectivity. Dispersal occurs mainly along the coasts, and it is common for propagules to move over relatively small distances. The shallow depths of the Strait of Sicily create an intercontinental connectivity pathway between Libya and Tunisia on the African side, and Sicily and Sardinia on the European one. We identified two clusters with the highest functional activity: the Tunisian coast, especially within the Gulf of Gabès, and the Croatian Archipelago. Even though connectivity hotspots are unevenly distributed along both European and African coastlines, the top-100 ranking is coherent with the clusters just mentioned, with the addition of Corsica, Sardinia and Greek islands. We found rankings of top-100 and top-300 hotspots robust to changes in community composition and metrics aggregation. One should keep in consideration that our model could be improved, for example, by including the probability of survival of propagules during the dispersal or the effects of the wind. The resolution of the model could also be improved to better describe circulation closer to land. Our work fits in a framework of studying community connectivity for its ever-increasing role in the effective design and management of marine protected area (MPA) networks, broadening their focus to include also the ecological processes that sustain the specific protected locations. Therefore, identifying hotspots of connectivity, that act at the same time as best sources, best sinks and best retainers for the community, is an important step in this direction.

Il Mar Mediterraneo è estremamente ricco di biodiversità marina e ospita numerosi habitat unici e in pericolo, come quello fornito dalle praterie della specie endemica Posidonia oceanica. Queste praterie, oltre ad essere le più abbondanti del Mediterraneo, hanno un ruolo ecologico fondamentale, sostenendo molte specie ed ecosistemi. La forte presenza antropica nel Mar Mediterraneo, data dalla sua posizione strategica e dall'elevata densità di popolazione, unitamente alla sua morfologia (un bacino quasi interamente chiuso), lo rende da un lato un crogiolo di diversità culturale e biologica e allo stesso tempo in necessità di particolare attenzione dal punto di vista della conservazione. Proprio considerando questa ricchezza di biodiversità e il potenziale pericolo proveniente da pressioni antropiche, il nostro interesse ricade sull'analisi della connettività del paesaggio marino, a livello di tutto il bacino, e sulla conseguente identificazione di hotspot di connettività, che possono essere considerati obiettivi primari per politiche di conservazione. Questi hotspot sono generati per una comunità basata sulle praterie di P. oceanica. Abbiamo utilizzato un approccio biofisico Lagrangiano per la simulazione della dispersione dei propaguli della comunità, trasportati delle correnti marine attraverso settori idonei. I risultati delle simulazioni Lagrangiane, eseguite su un periodo di 32 anni, vengono utilizzati per produrre indicatori di connettività: intensità, persistenza ed efficacia delle connessioni. Gli indicatori sono calcolati separatamente per ogni ruolo funzionale che un'area idonea può avere: source, sink o retainer. Infine, questi indicatori funzionali vengono utilizzati per identificare i luoghi con la più alta connettività della comunità. Pattern di connettività complessi emergono sia a livello di specie singola che a livello di comunità, dimostrando che le differenze interspecifiche nei tratti di dispersione sono fattori determinanti per la connettività della comunità. In particolare, le specie a corto raggio, nel nostro caso S. porcus, fungono da collo di bottiglia per la connettività della comunità. La dispersione avviene principalmente lungo le coste ed è comune che i propaguli si spostino su distanze relativamente piccole. I bassi fondali dello Stretto di Sicilia creano un percorso di connettività intercontinentale tra Libia e Tunisia sul lato africano, e Sicilia e Sardegna su quello europeo. Abbiamo identificato due cluster con la più alta attività funzionale: la costa tunisina, soprattutto all'interno del Golfo di Gabès, e l'arcipelago croato. Anche se gli hotspot di connettività sono distribuiti in modo non uniforme lungo le coste europee e africane, la classifica dei primi 100 è coerente con i cluster appena menzionati, con l'aggiunta di Corsica, Sardegna e isole greche. Abbiamo riscontrato che le classifiche dei primi 100 e 300 hotspot sono robuste a cambiamenti nella composizione della comunità o nell'aggregazione degli indicatori. Bisogna tenere in considerazione che il nostro modello potrebbe essere migliorato, ad esempio, includendo la probabilità di sopravvivenza dei propaguli durante la dispersione o gli effetti del vento. Anche la risoluzione del modello potrebbe essere migliorata per descrivere meglio la circolazione più prossima alla terraferma. Il nostro lavoro si inserisce in un quadro di studio della connettività di comunità, per il suo ruolo sempre più importante nella progettazione e gestione efficace delle reti di aree marine protette (MPA), ampliando il loro focus per includere anche i processi ecologici che sostengono le specifiche località protette. Pertanto, identificare gli hotspot di connettività, che agiscono allo stesso tempo come migliori source, migliori sink e migliori retainer per la comunità, è un passo importante in questa direzione.