Wetland Vegetation in East Africa – Integrity, Diversity, and Recovery Dynamics

Abstract

Wetlands in East Africa provide various ecosystem services. They are important habitats for biodiversity, regulate and purify water, store carbon, and provide wild plants for food and medicinal use. At the same time, they are suitable sites for agricultural production, with usually fertile soils and secure water availability for most parts of the year. As demand for cropland and food increases, driven for instance by demographic growth, economic development, climate risks, and upland field degradation, wetlands in East Africa are increasingly in the center of land use conflicts. The BMBF funded GlobE-project “Wetlands in East Africa: Reconciling future food production with environmental protection” aimed at researching the status quo of East African wetlands, evaluating management options for their agricultural uses, formulating policy recommendations, and building capacity among scientists in the region and beyond. The presented work was conducted within this framework, focusing on three key aspects of wetland vegetation, with specific methods and addressing the following overarching research questions. <br /> (1) Integrity: What is the ecological state of representative East African wetlands and how can it be assessed? For this chapter, the WET-Health approach was applied with a multidisciplinary team at wetland sites in Kenya, Rwanda, Tanzania, and Uganda. In this assessment scheme, the ecological state of wetlands was estimated on scales from 0 (natural conditions) to 10 (complete loss of wetland properties) in four modules (“Vegetation”, “Hydrology”, “Geomorphology”, and “Water quality”). Additionally, at each study site, structural attributes of wetland vegetation and dominant vascular plant species were recorded. A “vegetation-based index of biotic integrity” (VIBI) was calibrated via multiple linear models to predict the WET-Health scores with vegetation attributes. In all wetlands, the WET-Health vegetation module showed the strongest effect with intensive agricultural use. While the prediction of WET-Health scores with vegetation attributes yielded satisfactory results for the vegetation module, the approach did not provide acceptable results for the remaining WET-Health modules. Nevertheless, the VIBI appears to be a useful strategy to rapidly assess ecological states of East African wetlands. <br /> (2) Diversity: How diverse is East African wetland vegetation? Here, we conducted detailed, plot-based vegetation surveys (relevés), comprising a record of all vascular plant species and their abundances. The survey was conducted along a hydrological gradient in the Namulonge inland valley wetland in Uganda, and in the Kilombero floodplain around the town of Ifakara in Tanzania. It included agricultural fields, fallow plots, and areas of undisturbed vegetation. Based on these relevés, vegetation units were identified with the Cocktail Classification approach. For each unit, an unequivocal definition was created and compiled in an expert system. In a second step, the expert system was applied to a database, comprising relevés from other East African wetlands (SWEAdataveg) and revised. Thirteen vegetation units were matched either with existing syntaxa or were newly described. <br /> (3) Regeneration dynamics: How does East African wetland vegetation recover after disturbance? Lastly, the recovery of vegetation after an induced disturbance was monitored over a period of two years at the Namulonge inland valley and the Ifakara floodplain study sites, with regular samplings of aboveground biomass and species composition at different hydrological positions in each of the wetlands. While uninterrupted favorable growing conditions led to a fast recovery with gradual changes in species dominances in the inland valley wetland, a natural reference state was not reached within two years. Yet, fast changes in species composition and occurrences of useful plants highlight the importance of early succession stages for biodiversity and ecosystem services. In the floodplain, both dry season drought and wet season submergence events restricted the recovery potential of vegetation. <br /> Overall, this work provides adapted tools to assess the integrity and diversity of East African wetland vegetation. Results support land use management recommendations to reconcile biodiversity conservation with agricultural wetland uses.

<strong>Vegetation von Feuchtgebieten in Ostafrika: Zustand, Diversität und Regenerationsdynamik</strong> <br /> Feuchtgebiete in Ostafrika liefern zahlreiche Ökosystemdienstleistungen. Sie sind wichtige Habitate für Biodiversität, regulieren und reinigen Wasser, speichern Kohlenstoff, und in ihnen werden Wildpflanzen für Ernährung und medizinische Zwecke gesammelt. Gleichzeitig eignen sie sich aufgrund fruchtbarer Böden und sicherer Wasserverfügbarkeit besonders für landwirtschaftliche Nutzung. Mit steigendem Bedarf an Ackerflächen zur Erzeugung von Nahrungsmitteln, unter anderem aufgrund von Bevölkerungswachstum, wirtschaftlicher Entwicklung, des Klimawandels und der Degradierung traditioneller Ackerflächen, stehen ostafrikanische Feuchtgebiete zunehmend im Zentrum von Landnutzungskonflikten. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte GlobE-Projekt „Feuchtgebiete in Ostafrika: Vereinbarkeit von Naturschutz und künftiger Nahrungsmittelproduktion“ hatte die Ziele, den Status quo ostafrikanischer Feuchtgebiete zu erforschen, Managementoptionen für landwirtschaftliche Nutzungen zu evaluieren, Empfehlungen für die Politik zu formulieren sowie Kapazitäten in der regionalen Wissenschaft aufzubauen. Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen dieses Projektes mit Schwerpunkt auf Feuchtgebietsvegetation durchgeführt und behandelt folgende Aspekte und übergreifende Forschungsfragen: <br /> (1) Integrität: In welchem ökologischen Zustand sind repräsentative ostafrikanische Feuchtgebiete und wie kann das bewertet werden? Für dieses Kapitel wurde das WET-Health Bewertungsverfahren mit einem multidisziplinären Team in Feuchtgebieten in Kenia, Ruanda, Tansania und Uganda angewendet. Bei diesem Verfahren wird der ökologische Zustand eines Feuchtgebiets im Vergleich zu einer natürlichen Referenzfläche auf einer Skala von 0 (natürliche Bedingungen) bis 10 (kompletter Verlust von Feuchtgebietseigenschaften) in vier Teilbereichen, sogenannten Modulen (Vegetation, Hydrologie, Geomorphologie und Wasserqualität), abgeschätzt. Zusätzlich wurden in jedem Feuchtgebiet strukturelle Eigenschaften der Vegetation sowie dominierende Pflanzenarten aufgenommen. Ein „Vegetationsbasierter Index der Biotischen Integrität (VIBI)“ wurde mit multiplen linearen Modellen kalibriert, um die mit WET-Health geschätzten Zustandswerte mit den Vegetationseigenschaften zu ermitteln. In allen Feuchtgebieten zeigte das Vegetationsmodul von WET-Health die höchsten Werte als Folge intensiver landwirtschaftlicher Nutzung. Die Ermittlung von WET-Health Werten mit dem VIBI lieferte reproduzierbare Ergebnisse für das Vegetationsmodul, während dieser Ansatz sich als nicht zufriedenstellend für die anderen Module erwies. Grundsätzlich ist die Ermittlung des VIBI ein vielversprechender Ansatz zur schnellen Bewertung des ökologischen Zustands ostafrikanischer Feuchtgebiete. <br /> (2) Diversität: Wie unterschiedlich ist ostafrikanische Feuchtgebietsvegetation? Für dieses Kapitel wurden detaillierte Vegetationsaufnahmen (relevés) in Untersuchungsquadraten mit Aufnahme aller Gefäßpflanzen und deren Deckungsgraden durchgeführt. Die Untersuchungen wurden entlang eines hydrologischen Gradienten im Namulonge Tal, Uganda, und im Überschwemmungsgebiet des Kilombero-Flusses bei Ifakara, Tanzania, durchgeführt. Sie enthielten landwirtschaftlich genutzte Flächen, Brachen und naturnahe Vegetation. Basierend auf diesen Vegetationsaufnahmen wurden mit dem Ansatz der „Cocktail Classification“ Vegetationseinheiten identifiziert. Für jede Einheit wurde eine eindeutige Definition (Vorkommen bestimmter Arten bzw. Artenkombinationen) erstellt und diese wurden in einem „expert system“ zur automatischen Klassifizierung von Plots zusammengeführt. In einem folgenden Schritt wurde dieses „expert system“ auf eine Datenbank mit weiteren Vegetationsaufnahmen aus Ostafrika angewendet und mit den zusätzlichen Daten verbessert. Dreizehn Vegetationseinheiten wurden entweder mit bereits beschriebenen Pflanzengesellschaften (Assoziationen) zusammengeführt oder als neue Assoziation beschrieben. <br /> (3) Regenerationsdynamiken: Wie erholt sich ostafrikanische Feuchtgebietsvegetation nach einer Störung? Für den letzten Teil der Arbeit wurde die Vegetationsentwicklung nach einer herbeigeführten Störung über einen Zeitraum von zwei Jahren im Namulonge Tal, Uganda, und dem Kilombero Überschwemmungsgebiet bei Ifakara, Tanzania, mit regelmäßigen Erfassungen von oberirdischer Biomasse und Artenzusammensetzung entlang von hydrologischen Gradienten beobachtet. Während dauerhaft günstige Bedingungen im Namulonge Tal zu einer schnellen Erholung mit graduellen Veränderungen dominierender Arten führten, wurde der Zustand ungestörter Vergleichsflächen innerhalb von zwei Jahren nicht erreicht. Dennoch unterstreichen schnelle Änderungen der Artenzusammensetzung und des Vorkommens nutzbarer Pflanzenarten die Bedeutung früher Sukzessionsstadien für Biodiversität und die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen. Im Kilombero-Überschwemmungsgebiet wurde die Regenerationsfähigkeit der Vegetation sowohl durch die strenge Trockenzeit als auch durch Überschwemmungen in der Regenzeit eingeschränkt. <br /> Insgesamt stellt die vorliegende Arbeit Werkzeuge für die Bewertung der Integrität und Diversität für ostafrikanische Feuchtgebietsvegetation bereit, die an die entsprechenden Bedingungen angepasst sind. Die gesammelten Daten und Forschungsergebnisse können Empfehlungen für Landnutzungsplanung unterstützen, um so zu einer Vereinbarkeit von Naturschutz und Nahrungsmittelproduktion in ostafrikanischen Feuchtgebieten beizutragen.