Impact of Land Use and Climate Change on Plant Diversity Patterns in Africa

African plant diversity is strongly threatened by land use and climate change. The growing future demand for food and energy in combination with a climate-change induced decrease in yield will lead to an expansion of agricultural areas. In addition, climate change may reduce habitat suitability within the remaining areas and induce shifts of species ranges. Comprehensive concepts that integrate biodiversity conservation and the facilitation of sustainable human development require appropriate methodical approaches and monitoring schemes. Interactions between land use and biodiversity are complex and not completely understood. Various approaches to incorporate biodiversity change by broad scale global change models are compared. It is recognized that no reliable and scientific concepts exist that are able to comprehensively include all relevant drivers of diversity loss. The implementation of species interactions, composition and adaptation, according to land use type, intensity and extent, contributes to an improved understanding of species responses to land use-change, and is still not properly dealt with. For that purpose, interdisciplinary collaborations are required in order to develop joint approaches at the interface between broad scale land use and biodiversity modelling. The integration of land cover change information considerably improves classical species distribution models by delimitating habitat suitability for species and estimating the quality of habitats. Results for a set of woody species in West Africa indicate a decline of their habitat quality by 65% due to woodland cover changes in the reference period from 1990 to 2000. In contrast, within protected areas, local habitat loss is overcompensated by a general improvement of habitat quality by 63%. The approach highlights the benefit of combining the expertise of two different disciplines, remote sensing and macroecology. It is an improvement for the evaluation of habitat quality inside and outside protected areas, and for the spatially and temporally explicit monitoring of biodiversity loss. Habitat conversion, fragmentation and destruction, may cause a severe decline of species ranges. Until 2050, a considerable proportion of plant species occurring across continental Africa is of particular threat by land use change-induced pressure on their habitats. Potential species range sizes decrease from 63% in 2000 to 56% in 2050 in average. While land use activities predominantly affect range-restricted species today, the assumed future expansion of land use areas may additionally impact the ranges of more widespread species that are located in regions of prospected land use intensification. In addition to land use change, climate change is responsible for considerable shifts in geographic size and distribution of species ranges. Accordingly, the reduction of the potential range of a particular species leads to an increase of the relative importance of its remaining range. The range-size rarity index reflects the sum of the inverse range size of all species occurring within a particular area. Shifts in range size rarity for 3,144 plant species due to either land use or climate change and for both in combination for continental Africa were considered. Today, areas housing a large proportion of overall species ranges are located in lowland rainforests and the Afrotropical mountains. Due to the combined effect of land use and climate change, the contribution of many lowland areas the overall species ranges decreases pronouncedly. In contrast, the relative importance of Afromontane areas, the Angolan escarpment, and the Namibian coast to represent overall species ranges increases. The approach facilitates a better measure of the conservation value of particular areas in respect to the future impact of land use and climate change. Thus, the presented results contribute to refine priority areas for conservation, and serve as a valuable indicator to improve nature conservation and management policy. This thesis incorporates assessments of the current and future threat of land use into the evaluation of the status of plant diversity and emphasizes the need for more target-oriented conservation planning. Altogether, it contributes to the development of new methodological approaches for a better understanding of the impact of land use and climate change on plant diversity patterns in Africa.Einfluss von Landnutzung und Klimawandel auf die Pflanzenvielfalt Afrikas Die Pflanzendiversität in Afrika ist durch Landnutzung und Klimawandel bedroht. Die zukünftig nachwachsende Nachfrage von Nahrungsmitteln und Energie, in Kombination mit einem vom Klimawandel verursachten Rückgang der Ernteerträge, kann in Zukunft zu einer Ausdehnung landwirtschaftlich genutzter Flächen führen. Darüber hinaus kann der Klimawandel zu einer Verminderung der Habitateignung innerhalb der verbleibenden Flächen führen sowie eine Verschiebung der Artareale verursachen. Umfassende Konzepte, die den Schutz der Biodiversität und die Option für eine nachhaltige Nutzung integrieren, erfordern den Aufbau methodisch geeigneter Monitoring-Ansätze. Die Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Biodiversität sind komplex und nicht vollständig verstanden. In dieser Arbeit wurden Modellierungsansätze, die Veränderungen der Biodiversität in die Modellierung des “Global Change” auf kontinentaler und globaler Ebene einbeziehen, miteinander verglichen. Daraus geht hervor, das kein umfassendes, wissenschaftlich anerkanntes Konzept existiert, das alle relevanten Faktoren des Diversitätsverlustes umfassend einschließt. Die Einbeziehung von Wechselwirkungen zwischen Arten, deren Zusammensetzung und Anpassungsfähigkeit, bezogen auf den Typ, die Intensität und die Ausdehnung der Landnutzung, trägt zu einem verbesserten Verständnis bei, und wurde bisher nicht ausreichend behandelt. Interdisziplinäre Zusammenarbeit ist erforderlich, um die Wechselwirkungen zwischen Landnutzung und Biodiversität auf kontinentaler und globaler Ebene zu modellieren. Die klassische Artverbreitungsmodellierung wird durch die Einbeziehung von Informationen zur Änderung der Landbedeckung wesentlich verbessert, wodurch der Einfluss auf Habitateignung für Arten und die Habitatqualität abgeschätzt werden kann. Ergebnisse für eine Gruppe holziger Arten in Westafrika deuten auf einen Rückgang ihrer Habitatqualität um 65% hin, verursacht durch die Veränderung der Waldbedeckung im Referenzzeitraum von 1990 bis 2000. Im Gegensatz dazu wird innerhalb der Schutzgebiete der Verlust auf lokaler Ebene durch eine Verbesserung der Habitatqualität von 63% kompensiert. Der Ansatz unterstreicht den Nutzen der Kombination zweier Fachdisziplinen, der Fernerkundung und der Makroökologie. Dies trägt zu einer verbesserten Bewertung der Habitatqualität innerhalb und außerhalb von Schutzgebieten und zu einem detailliert räumlichen und zeitlichen Biodiversitäts-Monitoring bei. Konvertierung, Fragmentierung und Zerstörung von Habitaten können Gründe für eine drastische Verkleinerung von Artarealen sein. Bis zum Jahr 2050 ist ein beachtlicher Anteil der Pflanzenarten, die im kontinentalen Afrika vorkommen, auf Grund des Landnutzungsdruckes auf ihre Habitate besonders gefährdet. Im Vergleich zur potentiellen Größe der Artareale verkleinert sich diese durchschnittlich auf 63% im Jahr 2000 und 56% im Jahr 2050. Während Landnutzungsaktivitäten heute vorrangig kleinräumig verbreitete Arten betreffen, wird für die Zukunft angenommen, dass eine Ausweitung von Landnutzungsflächen zusätzlich Einfluss auf weiträumig verbreitete Arten hat. Zusätzlich zum Landnutzungswandel ist der Klimawandel verantwortlich für maßgebende Veränderungen in Größe und Verbreitung der Artareale. Demzufolge führt eine Verringerung der Arealgröße zu einem Anstieg der relativen Wichtigkeit innerhalb der verbleibenden Fläche. Die “range-size rarity” beschreibt die Summe der inversen Arealgröße aller Arten, die zu der Fläche beitragen. Verschiebungen der “range-size rarity” durch entweder Landnutzung oder Klimawandel und für beide in Kombination wurden für 3,144 Pflanzenarten für den Kontinent Afrika betrachtet. Die größten Proportionen von den gesamten Artarealen beherbergen heute überwiegend die Tieflandregenwälder und die afrotropischen Gebirge. Durch die Kombination der Faktoren Landnutzung und Klimawandel sinkt der Beitrag der gesamten Artareale in vielen Gebieten im Flachland. Im Gegensatz dazu steigt die Wichtigkeit der afromontanen Gebiete, des angolischen Eskarpments und der namibischen Küsten, die die gesamten Artareale repräsentieren. Diese Ansatz ermöglicht eine bessere Beurteilung von Schutzwerten bestimmter Flächen in Hinblick auf zukünftige Landnutzung und Klimawandel. Somit präsentieren die Ergebnisse einen Beitrag zur Verfeinerung der prioritären schützenswerten Flächen, und dienen als ein Indikator zur Verbesserung von Naturschutz und Managmentregelungen. Die durchgeführten Modellierungen verdeutlichen den Einfluss der heutigen und zukünftigen Bedrohung von Biodiversität durch Landnutzung und zeigt einen erhöhten Bedarf für zielorientierte Naturschutzplanung. Insgesamt trägt diese Arbeit mit methodischen Ansätzen zu einem besseres Verständis des Einflusses der Landnutzung und des Klimawandels auf die Pflanzendiversitätsmuster in Afrika bei