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

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 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00006510

Official URL: Volltext

Abstract in another language

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
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
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 > 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
Result of work at the UBT: Yes
DDC Subjects: 500 Science > 550 Earth sciences, geology
Date Deposited: 30 Jul 2022 21:00
Last Modified: 15 Aug 2022 09:48
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/71285