Effects of livestock grazing and rainfall variability on the structure and function of the herbaceous layer community of a humid savanna ecosystem in Lambwe Valley - Kenya

Titelangaben

Okach, Daniel Osieko:
Effects of livestock grazing and rainfall variability on the structure and function of the herbaceous layer community of a humid savanna ecosystem in Lambwe Valley - Kenya.
Bayreuth , 2020 . - 188 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00004844

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Abstract

Savanna ecosystems have undergone structural and functional transformations in the last two centuries, following a shift in the grazing communities from predominantly migratory wild mega-herbivores, to sedentary domestic herbivore populations (livestock). The dominance of livestock and their sedentary grazing patterns have increased pressure on the herbaceous layer communities. Changes in rainfall regimes, characterized by shorter but more intense rainy seasons (flooding) and prolonged dry seasons (drought) have also occurred during the same period. This transformation threatens the sustainability of the herbaceous layer, but has rarely been studied.
Rapid increase in livestock populations in Lambwe Valley, a typical savanna in Western Kenya, has increased grazing pressure on the herbaceous vegetation during the last three decades. Extended dry periods and shorter, but more intense, rainy periods have also become common in the region. Phenotypic and structural alterations caused by the ongoing grazing pressure and increased rainfall variability are likely the visible ramification of the changing ecosystem processes, taking place at the background, and which have rarely been investigated. Lambwe valley is, therefore, a suitable study object for understanding how savanna ecosystems respond to the ongoing changes in grazing and rainfall variability. This study investigated how two levels of livestock grazing (grazed and ungrazed) and three levels of rainfall amounts (50%, 100%, and 150% of ambient) affected (i) soil properties; (ii) plant species diversity, and (iii) CO2 fluxes in the herbaceous layer community during dry and wet periods. Study plots were abbreviated using first letters of the grazing levels (grazed - G or ungrazed - U) followed by the amounts of rainfall (50%, 100% and 150%) i.e. G50%.
Volumetric soil water content (VWC) increased along a rainfall gradient of 50–150% (RMSE = 3.55; r2 = 0.61; p < 0.05), from an average amount of 17.5 ± 4.9% to 26.9 ± 4.9% in the G50% and U150% plots, respectively. This shows that rainfall was the main source of water at the 20 cm soil depth during the measurement period. The grazed plots had higher soil bulk density of 3.2% and nitrogen (N) content of 7.8% compared to the ungrazed, however, VWC and soil carbon (C) content decreased by 19.64% and 11.45%, respectively in the grazed plots compared to the ungrazed. Reducing the ambient rainfall by 50% had a significant effect (p < 0.05) on the soil properties compared to a 50% increase (150%). VWC significantly correlated to soil bulk soil density (r2 > 0.62; p = 0.05).
Livestock grazing increased species diversity (H), but decreased aboveground biomass (AGB). Hyparrhenia fillipendulla (Hochst) Stapf. and Brachiaria decumbens Stapf, dominated the ungrazed plots, making up > 70% of the relative abundance and a larger proportion of AGB. Mean H did not vary amongst G50%, G100%, and G150% plots. In the ungrazed plots, however, H was higher in the U100% than both U50% and U150% plots. The AGB and species abundance mediated (indirect-only mediation) the effect of VWC on H.
The highest mean net ecosystem exchange (NEE) of –8.80 ± 2.26 µmol m–2 s–1, AGB of 1208.41 g m–2, and total biomass of 1589.06 g m–2 were reported in the U150% plot during the wet months. VWC significantly correlated (p < 0.05) to the changes in NEE (r2 ≥ 0.65), ecosystem respiration (Reco) (r2 ≥ 0.52), gross primary production (GPP) (r2 ≥ 0.71), and total biomass (r2 ≥ 0.61) across plots. CO2 fluxes and the total biomass of the herbaceous layer community decreased due to: grazing by livestock; 50% reduction of ambient rainfall; and during the dry months, when VWC was lower. During the dry months, NEE in the G50% plot declined to 3.68 ± 0.81 µmol m–2 s–1, from –3.06 ± 1.56 µmol m–2 s–1, observed when soil moisture was high. The interaction among grazing, rainfall manipulation, and seasonality in rainfall significantly regulated AGB, total biomass, and root to shoot biomass ratio (R:S).
The total amount of rainfall received during the entire period of measurement directly affected soil moisture availability, however, variations in VWC among the plots resulted from the interaction of livestock grazing and rainfall manipulation. Grazing and reduction of ambient rainfall decreased the soil C content, species diversity, CO2 uptake, and biomass production, particularly, during the dry months when the negative effects were more pronounced. By reducing biomass of the most dominant species, grazing increased species diversity. This study demonstrated that the Lambwe Valley ecosystem has adjusted to the current grazing levels and rainfall amounts. Future decrease or increase in current ambient rainfall or grazing exclusion will lower herbaceous species diversity, due to adaptation of the current vegetation types to grazing under ambient rainfall amount. Interaction between livestock grazing and variation in rainfall amount will inform sustainable management strategies to regulate the herbaceous diversity and productivity.

Abstract in weiterer Sprache

Die Ökosysteme der Savannen haben in den letzten Jahrhunderten strukturelle und funktionelle Veränderungen durchlebt, anschließend folgte eine Verschiebung der Weidegemeinschaften von überwiegend wild umher wandernden Megaherbivoren zu Großteils domestizierten Herbivorenpopulationen (Nutztiere). In Folge dessen wurde der Druck auf die Krautschichtgemeinschaft durch die Dominanz der Nutztiere und ihre sesshaften Weidemuster erhöht. Ebenso sind Veränderungen der Niederschlagsbilanz, gekennzeichnet durch kürzere, aber intensivere Regenzeiten (Überschwemmungen) und längere Trockenzeiten (Dürren), im gleichen Zeitraum aufgetreten. Dieser Wandel bedroht die Zukunftsfähigkeit der Krautschicht, wurde bis dato jedoch selten untersucht. Der rasante Anstieg der Viehbestände im Lambwe Valley, einer typisch afrikanischen Savanne, hat in den letzten drei Jahrzehnten zunehmend den Weidedruck auf die Vegetation erhöht. Verlängerte Trockenzeiten und kurze, aber zugleich intensivere Regenzeiten sind in der Region üblich geworden. Phänotypische und strukturelle Veränderungen, durch den anhaltenden Weidedruck und die erhöhte Niederschlagsvariabilität, sind wahrscheinlich die sichtbaren Konsequenzen der sich verändernden Ökosystemprozesse, die im Hintergrund stattfinden und bisher selten untersucht wurden. Das Lambwe Valley ist daher ein geeignetes Untersuchungsobjekt, um zu verstehen, wie die Ökosysteme der Savannen auf die anhaltenden Veränderungen der Weide- und Niederschlagsvariabilität reagieren. Diese Studie untersuchte, wie sich zwei Arten der Beweidung (beweidet und unbeweidet) und drei verschiedene Niederschlagsmengen (50%, 100%, und 150% des Umgebungsniederschlages) auf (i) Bodenbeschaffenheit; (ii) Vielfalt der Pflanzenarten und, (iii) CO2-Flüsse in der Krautschicht während Dürre- und Nassperioden auswirken. Die Untersuchungsflächen wurden mit dem ersten Buchstaben der Beweidungsart (beweidet - G oder unbeweidet - U) abgekürzt, gefolgt von den Niederschlagsmengen (50%, 100% und 150%), z.B. G50%.
Der volumetrische Bodenwassergehalt (VWG) stieg entlang eines Niederschlagsgradienten von 50-150% (RMSE = 3,55; r2 = 0,61; p < 0,05), von einer durchschnittlichen Menge von 17,5 ± 4,9% auf 26,9 ± 4,9% in den G50%- bzw. U150%-Flächen. Dies zeigt, dass der Niederschlag während der Messperiode in 20 cm Bodentiefe die Hauptwasserquelle war. Die beweideten Flächen hatten eine höhere Bodendichte von 3,2% und einen Stickstoffgehalt von 7,8% im Vergleich zu den nicht beweideten Flächen, jedoch gingen der VWG und der Bodenkohlenstoffgehalt auf den beweideten Flächen im Vergleich zu den nicht beweideten Flächen um 19,64% bzw. 11,45% zurück. Die Reduktion des Umgebungsniederschlages von 50% hatte einen signifikanten Einfluss (p < 0,05) auf alle Bodenbeschaffenheiten im Vergleich zu einem 50%igem Anstieg (150%).
Der VWG korrelierte signifikant mit der Bodendichte (r2 > 0,62; p = 0,05). Die Beweidung erhöhte die Artenvielfalt (H), verringerte jedoch die oberirdische Biomasse (AGB). Hyparrhenia fillipendulla (Hochst) Stapf. und Brachiaria decumbens Stapf, dominierten auf den unbeweideten Flächen und machten > 70% der relativen Häufigkeit und einen noch größeren Anteil der AGB aus. Der Mittelwert der Artenvielfalt (H) variierte nicht zwischen G50%, G100% und G150%. Allerdings wiesen die unbeweideten Flächen eine höhere Artenvielfalt (H) in U100% im Gegensatz zu U50% und U150% auf. Die AGB und der Artenreichtum vermitteln (nur unter indirektem Einfluss) den Effekt von VWG auf die Artenvielfalt (H). Der höchste mittlere Nettoökosystemaustausch (NEE) von -8,80 ± 2,26 µmol m-2 s-1, eine AGB von 1208,41 g m-2 und eine Gesamtbiomasse von 1589,06 g m-2 wurden im U150%-Plot während der feuchten Monate gemessen. Das VWG korrelierte über alle Messflächen hinweg signifikant (p < 0,05) mit Veränderungen im NEE (r2 ≥ 0,65), in der Atmung des Ökosystems (Reco) (r2 ≥ 0,52), in der Bruttoprimärproduktion (BPP) (r2 ≥ 0,71) und in der gesamten Biomasse (r2 ≥ 0,61). CO2-Flüsse und die Gesamtbiomasse der Krautschicht nahmen bei Beweidung, sowie bei 50%iger Reduktion der Umgebungsniederschläge und auch während den Trockenmonaten, als der VWG niedrig war, ab. Bei einer hohen Bodenfeuchte wurde beobachtet, dass während der Trockenmonate der NEE im G50%-Plot auf 3,68 ± 0,81 µmol m-2 s-1, von -3,06 ± 1,56 µmol m-2 s-1 gesunken ist. Das Zusammenspiel von Beweidung, Niederschlagsmanipulation & Saisonalität der Niederschläge regulierte signifikant die AGB, die Gesamtbiomasse und das Biomassenverhältnis von Wurzel zu Spross (R:S). Die Gesamtniederschlagsmenge, die während des gesamten Messzeitraums dokumentiert wurde, wirkte sich direkt auf die Verfügbarkeit der Bodenfeuchte aus, jedoch ergaben sich die Schwankungen der VWG zwischen den Flächen aus dem Zusammenspiel von Beweidung und Niederschlagsmanipulation. Die Beweidung und Reduzierung der Umgebungsniederschläge reduzierten den Kohlenstoffgehalt des Bodens, die Artenvielfalt, die CO2-Aufnahme und die Produktion von Biomasse, insbesondere in den trockenen Monaten, in denen die negativen Auswirkungen stärker ausgeprägt waren. Durch die Verringerung der Biomasse der dominierenden Arten erhöhte die Beweidung die Artenvielfalt. Diese Studie zeigte, dass sich das Ökosystem des Lambwe Valleys an die aktuellen Weide- und Niederschlagsmengen angepasst hat. Die zukünftige Ab- oder Zunahme der aktuellen Niederschlagsmengen oder der Ausschluss von Weidegang wird die Vielfalt der Krautarten aufgrund der Anpassung der aktuellen Vegetationstypen an die Beweidung unter der Menge des Umgebungsniederschlages verringern. Die Wechselwirkung zwischen der Beweidung durch das Vieh und der Variation der Niederschlagsmenge wird in nachhaltige Managementstrategien einfließen, um die Pflanzenvielfalt und Produktivität zu regulieren.