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Vegetation Diversity and Distribution Along the Bale Mountains Afroalpine Hotspot of Biodiversity in the Face of a Fast-Changing World

DOI zum Zitieren der Version auf EPub Bayreuth: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006510
URN to cite this document: urn:nbn:de:bvb:703-epub-6510-5

Title data

Kidane, Yohannes:
Vegetation Diversity and Distribution Along the Bale Mountains Afroalpine Hotspot of Biodiversity in the Face of a Fast-Changing World.
Bayreuth , 2022 . - VIII, 196 P.
( Doctoral thesis, 2022 , University of Bayreuth, Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences)

Abstract

Mountain ecosystems, particularly tropical alpine ecosystems, host important biodiversity hotspots in small, primarily remote mountain tops. One of those ecosystems, Afroalpine ecosystems, the habitats above the treeline of tropical African mountains, have experienced long-term spatial isolation and extreme climatic conditions, leading to the formation of "Sky Island" like ecosystems endowed with unique flora and fauna rich in endemics. One of these ecosystems is Ethiopia's Bale Mountains, which is home to Africa's most extensive Afroalpine plateau, Altiplano, with no spacious high summits that provide space for an upward shift. Over the last fifty years, this pristine Afroalpine ecosystem has experienced and suffered from excessive human presence, hence significant LULC change besides climate change. Consequently, the once pristine natural Afroalpine mountain ecosystems have changed entirely cultural landscapes. Lately, the long-existing environmental relationships that shape Afroalpine mountain ecosystems' stability and instability are changing rapidly in response to the recent rapid global change, especially to the synergistic impacts of drivers of ecosystem change such as Land Use Land Cover (LULC) and climate change. Here, we investigated the effects of fifty years long Spatio-temporal LULC change and climate change on Afromontage and Afroalpine vascular plants richness patterners, particularly that of Afroalpine endemics; effects of current and projected variability of temperature and moisture- related predictor on the diversity and distribution of the phenotypically highly adapted dominant cover types; and possible impacts of the synergy between the main drivers of biodiversity change particularly that of LULC and climate change on the Afroalpine vegetation. The research used in-situ plot data, ex-situ open data sources, and state-of-the-art research approaches and methodologies. The fifty-year Spatio-temporal LULC change study identified cover types such as Agricultural Fields, Upper Montane Forest, Afroalpine Grasslands, Afromontane Dwarf Shrubs, and Herbaceous Formations increased overtime. Conversely, Afromontane Grasslands, Closed Erica Forest, Isolated Erica Shrubs, Aroalpine Dwarf Shrubs, and Herbaceous Formations reduced considerably. However, despite some simplification at the lower margins, the Afromontane Rainforest (Harenna Rainforest), located south of the Bale Mountains, has remained relatively stable. Contemporarily, the ecotone between the Upper Montane and the afroalapine ecosystems are "biodiversity loss hotspots." Population growth, infrastructural expansion, frequent fire, over-grazing, deforestation, inadequate conservation and management measures, and lack of protection during the political transition and uncertain political atmosphere are some of the leading local causes of biodiversity loss. Besides, the massive mid to low-altitude areas, formerly sparsely populated agriculturally fertile regions, face large-scale agricultural land acquisition, and land grabbing. LULC change is expected to become even more intensive and is likely to continue imposing unprecedented pressures on the largely endemic biota of the area. Our finding further indicated hump-shaped species richness patterns across the massif. In addition, the proportion of endemic species increases monotonically towards the summit on all slopes. However, climate change will profoundly impact vascular plants' diversity and richness patterns, i.e., it impacts species' and ecosystems' structure, composition, functioning, and distribution patterns. Furthermore, it will results in a shift in ecosystem boundaries, potentially affecting vulnerable Afroalpine ecosystems and their uniquely adapted species. Our study indicated that future climate change would significantly alter species distribution patterns with a pronounced effect on the Afroalpine ecosystems and endemic species restricted to the Afroalpine plateau, e.g., at 2oC, up to 8.6% of total endemics will become extinct. However, all vascular plants and ecosystems will not respond to the change uniformly. The ericaceous woody vegetation, located between the low-elevation Broadleaf Forests and high- elevation Afroalpine vegetation, is anticipated to be affected differently. Our model ensemble projections indicated increased dominance and upward range shift of ericaceous vegetation by the first half of the 21st century. It will increase in the western, northwestern, northern, and eastern parts of the massif and the Sanetti plateau. Towards the turn of the 21st century, ericaceous vegetation will continue to increase across its current range and shift towards the Afroalpine meadow while receding from the lower range across the massif. Moreover, the current ericaceous vegetation range correlates to the current temperature and precipitation trends, reaffirming the critical role of temperature and precipitation in determining species distributions along elevation. The competition between Afroalpine specialists and plants with a broader range of distribution will further facilitate the extinction rate of Afroalpine specialists and endemics. Overall, the dissertation developed innovative research approaches and applied cost-effective and efficient biodiversity monitoring approaches that utilize the vast geospatial data acquired from Remote Sensing and advanced geospatial analysis tools and techniques. In developing countries, environmental management, climate change mitigation, and adaptation decisions are often made without proper consultation with the local stakeholders in a top-down approach that is usually variable with changing government and political transitions. Hence, policy failure and lack of appropriate local conservation and management strategies are the root causes of the Afroalpine biodiversity loss. Therefore, continuous biodiversity monitoring and assessment utilizing state-of- the-art geospatial information and tools and technologies such as Remote Sensing, qGIS, R2, and others are essential. Recently, information acquired from Remote Sensing provides frequent and consistent data that can be traced a few decades back and cover a large swath of land. Our results indicate the high likelihood of considerable changes in this biodiversity hotspot in Eastern Africa.

Abstract in another language

Bergökosysteme, insbesondere tropisch-alpine Ökosysteme, beherbergen wichtige Hotspots der biologischen Vielfalt in kleinen, meist abgelegenen Berggipfeln. Die afroalpinen Ökosysteme, welche oberhalb der Baumgrenze in den Bergen des tropischen Afrikas liegen, waren lange Zeit räumlich isoliert und von extremen klimatischen Bedingungen geprägt, was zur Bildung von "Himmelsinseln" führte mit einer einzigartigen Flora und Fauna, die reich an Endemiten ist. Eines dieser Ökosysteme ist das Bale-Gebirge in Äthiopien, in dem sich das ausgedehnteste afroalpine Plateau Afrikas, das Altiplano, befindet, ohne weitläufige Hochgipfel, die Platz für eine Ökosystemverschiebung nach oben bieten würden. In den letzten fünfzig Jahren hat dieses unberührte afroalpine Ökosystem unter der übermäßigen Präsenz des Menschen gelitten, was neben dem Klimawandel auch zu erheblichen Veränderungen der Landnutzung geführt hat. Infolgedessen haben sich die einstmals unberührten natürlichen afroalpinen Bergökosysteme vollständig in Kulturlandschaften verwandelt. In letzter Zeit verändern sich die seit langem bestehenden Umweltfaktoren, die die Stabilität afroalpiner Bergökosysteme prägen, rasch, als Reaktion auf die jüngsten globalen Veränderungen des Klimas sowie der Landoberfläche und der Landnutzung. In meiner Dissertation untersuchte ich die Auswirkungen eines fünfzigjährigen räumlich-zeitlichen Wandels der Landoberfläche, der Landnutzung und des Klimas auf den Reichtum der afromontanen und afroalpinen Gefäßpflanzen, insbesondere der afroalpinen Endemiten. Ich analysierte die Auswirkungen der aktuellen und projizierten klimabedingten Variabilität des Niederschlags und der feuchtigkeitsbezogenen Vorhersagevariablen auf die Vielfalt und die Verteilung der phänotypisch hochgradig angepassten dominanten Deckungstypen, und die möglichen Auswirkungen der Synergie zwischen Landnutzungs- und Klimawandel auf die afroalpine Vegetation. Dafür wurden In-situ-Daten, offene Ex-situ- Datenquellen und modernste Forschungsansätze und -methoden verwendet. In der Fünfzig-Jahres-Studie zur räumlich-zeitlichen Veränderung der Landnutzungsformen wurde festgestellt, dass Bewuchsarten wie landwirtschaftliche Felder, Hochgebirgswälder, afroalpines Grasland, afromontane Zwergsträucher und krautige Formationen im Laufe der Zeit zunahmen. Im Gegensatz dazu gingen afromontane Graslandschaften, geschlossene Erica-Wälder, isolierte Erica- Sträucher, afroalpine Zwergsträucher und krautige Formationen erheblich zurück. Dahingegen blieb der afromontane Regenwald (Harenna Regenwald) im Süden des Bale-Gebirges relativ stabil. Die Ökotone zwischen den oberen montanen und den afroalapinen Ökosystemen sind "Hotspots" für den Verlust der biologischen Vielfalt. Bevölkerungswachstum, Ausbau der Infrastruktur, häufige Brände, Überweidung, Entwaldung, unzureichende Schutz- und Bewirtschaftungsmaßnahmen sowie mangelnder Schutz während des politischen Übergangs und der unsicheren politischen Atmosphäre sind einige der wichtigsten lokalen Ursachen für den Verlust der biologischen Vielfalt. Außerdem sind die riesigen mittel- bis niedriggelegenen Gebiete, ehemals dünn besiedelte, landwirtschaftlich fruchtbare Regionen, mit groß angelegtem Landerwerb und Landgrabbing konfrontiert. Es ist zu erwarten, dass die Veränderungen der Landnutzung noch intensiver werden und die größtenteils endemischen Biota des Gebiets weiterhin einem beispiellosen Druck ausgesetzt sein werden. Ergebnisse meiner Dissertation weisen außerdem auf eine glockenförmige Kurve des Artenreichtums entlang des Höhengradienten hin. Darüber hinaus nimmt der Anteil der endemischen Arten auf allen Hängen monoton zum Gipfel hin zu. Der Klimawandel wird sich tiefgreifend auf die Vielfalt der Gefäßpflanzen auswirken, d. h. er beeinflusst die Struktur, die Zusammensetzung, die Funktionsweise und die Verbreitung von Arten und Ökosystemen. Dies führt zu einer Verschiebung von Ökosystemen, welche gefährdete afroalpine Ökosysteme und ihre besonders angepassten Arten schaden könnte. Ich zeige auf, dass der künftige Klimawandel die Verbreitungsmuster der Arten erheblich verändern wird, mit deutlichen Auswirkungen auf die afroalpinen Ökosysteme und die endemischen Arten, die auf das afroalpine Plateau beschränkt sind. So werden bei einer Temperaturerhöhung von 2 °C bis zu 8,6% aller endemischen Arten aussterben. Allerdings werden nicht alle Gefäßpflanzen und Ökosysteme in gleicher Weise auf die Veränderungen reagieren. Es wird zudem erwartet, dass die verholzende Erica-Vegetation, die zwischen den Laubwäldern in niedrigen Lagen und der afroalpinen Vegetation in hohen Lagen liegt, unterschiedlich betroffen sein wird. Die Modellprojektionen einer weiteren Studie meiner Dissertation deuten auf eine zunehmende Dominanz und eine Verschiebung des Verbreitungsgebiets der Erica-Vegetation bis zur ersten Hälfte des 21. Jahrhunderts hin. Insbesondere wird sie in den westlichen, nordwestlichen, nördlichen und östlichen Teilen des Massivs und auf dem Sanetti-Plateau zunehmen. Gegen Ende des 21. Jahrhunderts wird die Ercia-Vegetation in ihrem derzeitigen Verbreitungsgebiet weiter zunehmen und sich in Richtung der afroalpinen Wiesen verlagern, während sie sich aus dem unteren Bereich des Massivs zurückzieht. Darüber hinaus korreliert das aktuelle Spektrum der Erica-Vegetation mit den aktuellen Temperatur- und Niederschlagstrends, was die entscheidende Rolle von Temperatur und Niederschlag bei der Bestimmung der Artenverteilung entlang der Höhenlage bestätigt. Die Konkurrenz zwischen afroalpinen Spezialisten und Pflanzen mit einem breiteren Verbreitungsgebiet wird das Aussterben der afroalpinen Spezialisten weiter begünstigen. Insgesamt wurden im Rahmen meiner Dissertation innovative Forschungsansätze entwickelt und effiziente Ansätze zur Überwachung der biologischen Vielfalt angewandt, die die umfangreichen Geodaten aus der Fernerkundung und fortschrittliche Geodatenanalysetools und -techniken nutzen. In Entwicklungsländern werden Entscheidungen zum Umweltmanagement, zum Klimaschutz und zur Anpassung an den Klimawandel oft ohne angemessene Konsultation der lokalen Interessengruppen im Rahmen eines Top-down-Ansatzes getroffen, der in der Regel mit wechselnden Regierungen und politischen Veränderungen variiert. Politisches Versagen, ein Mangel an lokalen Schutzmaßnahmen und Management–Strategien sind Ursachen für den Verlust afroalpiner Biodiversität. Daher ist eine kontinuierliche Überwachung und Bewertung der biologischen Vielfalt unter Verwendung modernster Geodaten, Werkzeuge und Technologien wie Fernerkundung und geographischen Informationssystemen unerlässlich. Satelliten-Fernerkundung liefert kontinuierlich Daten, die Umweltveränderungen einige Jahrzehnte zurückverfolgen können und eine große Fläche abdecken. Meine Dissertation deutet darauf hin, dass in diesem Hotspot der biologischen Vielfalt in Ostafrika mit großer Wahrscheinlichkeit erhebliche Veränderungen zu erwarten sind.

Further data

Item Type: Doctoral thesis (No information)
Keywords: Biogeography; Afroalpine; Tropical Mountains; Biodiversity loss; Vegetation dynamics; Endemism; Elevational gradient; Landuse change; Remote sensing; Tropical mountains; Species Distribution Modeling; Socioeconomic change; Climate change; LULC chnage
DDC Subjects: 500 Science > 550 Earth sciences, geology
Institutions of the University: Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Chair Biogeography > Chair Biogeography - Univ.-Prof. Dr. Carl Beierkuhnlein
Faculties
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences
Faculties > Faculty of Biology, Chemistry and Earth Sciences > Department of Earth Sciences > Chair Biogeography
Language: German
Originates at UBT: Yes
URN: urn:nbn:de:bvb:703-epub-6510-5
Date Deposited: 25 Jul 2022 11:06
Last Modified: 15 Aug 2022 09:47
URI: https://epub.uni-bayreuth.de/id/eprint/6510

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