Tree species selection for land rehabilitation in Ethiopia: from fragmented knowledge to an integrated multi-criteria decision approach

Dryland regions worldwide are increasingly suffering from losses of soil and biodiversity as a consequence of land degradation. Integrated conservation, rehabilitation and community-based management of natural resources are therefore of vital importance. Local planting efforts should focus on species performing a wide range of functions. Too often however, unsuitable tree species are planted when both ecological suitability for the targeted area or preferences of local stakeholders are not properly taken into account during selection. To develop a decision support tool for multi-purpose species selection, first information needs to be pooled on species-specific ranges, characteristics and functions for a set of potentially valuable species. In this study such database has been developed for the highly degraded northern Ethiopian highlands, using a unique combination of information sources, and with particular attention for local ecological knowledge and preferences. A set of candidate tree species and potentially relevant criteria, a flexible input database with species performance scores upon these criteria, and a ready-to-use multi-criteria decision support tool are presented. Two examples of species selection under different scenarios have been worked out in detail, with highest scores obtained for Cordia africana and Dodonaea angustifolia, as well as Eucalyptus spp., Acacia abyssinica, Acacia saligna, Olea europaea and Faidherbia albida. Sensitivity to criteria weights, and reliability and lack of knowledge on particular species attributes remain constraints towards applicability, particularly when many species are jointly evaluated. Nonetheless, the amount and diversity of the knowledge pooled in the presented database is high, covering 91 species and 45 attributes

Vanilla distribution modeling for conservation and sustainable cultivation in a joint land sparing/sharing concept

Vanilla, an expensive but popular spice used in many industries, faces problems related to its supply. Some of these problems are due to the fact that vanilla cultivation is based on clonal material of a single species (Vanilla planifolia) and is dominated by just a few countries located outside the native grow- ing areas of aromatic vanilla species, which is the neotropics. Despite the economic importance of this crop, relatively little attention has been paid to its wild relatives, in particular with respect to their biology, ecol- ogy, and potential use. We hypothesized that species distribution models (SDMs) can identify suitable areas for both the conservation and cultivation of vanilla crop wild relatives (CWRs), following a joint land sparing/land sharing (SPASHA) approach, thus offering alternative sourcing areas and production meth- ods. This is the first study that explored the use of ensemble SDMs to provide applicable land use maps related to the conservation and sustainable cultivation of wild vanilla species in Costa Rica, contributing to a solution for the problems related to current vanilla production systems. We focused on four aromatic vanilla CWRs, native to Costa Rica, to make land use policy recommendations for this country, and more specifically for the biological corridor Osa and its surroundings within our study region Area de Conser- vacio n Osa (ACOSA). The resulting distribution maps, with a mean AUC of 0.89, reflected their current potential distribution (ranging from unsuitable to suitable) in Costa Rica. Combining them with recent land use and conservation area maps of our study region, we defined (1) areas for vanilla conservation and (2) areas for sustainable vanilla cultivation within agroforestry systems. These land use recommendations can now be integrated within the National Bio-Corridor Program (PNCB) that aims at making biological corridors more productive by proposing alternative income generation for local communities living within these areas. Our approach can be applied to identify priority areas for implementing the SPASHA approach on other vanilla CWRs and in more regions across its native growing ranges, given the availabil- ity of land use maps and enough occurrence records to build accurate SDMs.UCR::Vicerrectoría de Investigación::Unidades de Investigación::Ciencias Agroalimentarias::Jardín Botánico Lankester (JBL

Establishment and management of woody vegetation to control gully erosion

B

Woody vegetation for gully rehabilitation in northern Ethiopia: species suitability, root structure, and seedling establishment, growth and management

De semi-ariede hooglanden in Noord-Ethiopië worden in toenemende mate ge confronteerd met grote uitdagingen op vlak van milieu- en landbeheer, en lijden onder eeuwenoude en verregaande landdegradatie, landgebrek en ee n chronisch tekort aan hout. Enorme verliezen van bodem en biodiversitei t vormen een ernstige bedreiging voor duurzame voedsel- en houtproductie . Ravijnerosie in het bijzonder is verantwoordelijk voor zeer grote bode mverliezen, maar evenzeer voor het optreden van overstromingen en het di chtslibben van waterreservoirs. In die context zijn een geïntegreerd beh oud, herstel en beheer van natuurlijke hulpbronnen van vitaal belang. He t bevorderen van de aanplant en het duurzame beheer van multifunctionele boom- en struiksoorten kan een efficiënte manier zijn om tezelfdertijd de leefbaarheid in de landelijke gemeenschappen te verhogen, een brede r eeks ecosysteem diensten te verschaffen en landdegradatie terug te dring en. Heel wat knelpunten bemoeilijken echter een effectieve toepassing, e n de overlevingskansen van aangeplante of natuurlijk gevestigde boomzaai lingen zijn vaak bijzonder klein. Een gebrek aan soortenkennis en select iecriteria betekent bovendien dat vaak ongeschikte soorten aangeplant wo rden, plantmethodes en behandelingen onaangepast zijn, en/of nazorg en b escherming regelmatig ontbreken. In een context van continu bodemverlies en een beperkte nutriënten- en watervoorziening, zijn vooral droogteres istentie en snelle wortelontwikkeling belangrijke aandachtspunten. De hoofddoelstelling van dit onderzoek was het leveren van een bijdrage tot een beter begrip van de ontwikkeling, het gedrag en de geschiktheid van houtige soorten voor landherstel en controle van ravijnerosie in Noo rd-Ethiopië. Aandacht werd besteed aan drie aspecten: (1) functies en st ructurele ontwikkeling van wortelstelsels, (2) soortenselectie, en (3) v estiging, groei en behandeling van zaailingen. Om vaak complex bewortelingsonderzoek in de toekomst te bevorderen, werd in het eerste deel uitgebreid aandacht besteed aan de geschiktheid van verschillende onderzoeksmethoden en de functionaliteit van wortelstelsel s. De huidige opties voor bemonstering, meting en analyse van wortelarch itectuur werden in kaart gebracht, aandacht werd besteed aan de potentië le effecten van structurele wortelkenmerken op erosiecontrole en helling sstabiliteit, en het belang van gedetailleerde evaluatie van 3D wortelar chitectuur werd grondig uiteengezet. Rekening houdende met de vaak heter ogene verdeling van structurele wortels, bestaat er geen twijfel over he t belang en de wijde toepasbaarheid van dit soort onderzoek, dat bovendi en sterk bijdraagt tot het begrip van processen van plant- en bodemstabi liteit. Desondanks leert praktijkervaring hoe moeilijk het vaak is om ee n passend evenwicht te vinden tussen tijdsefficiëntie en hoeveelheid inf ormatie. Selectie van een beperkte set sleutelkenmerken, aangepast aan h et geëvalueerde proces en de onderzoeksvraag, kan in vele gevallen de me est relevante informatie verschaffen. Een degelijke selectie van houtige soorten voor landherstel mag echter n iet enkel gebaseerd zijn op een goede wortelontwikkeling en structuur, maar gebeurt idealiter op basis van een brede waaier van ecologische, ec onomische en sociale selectiecriteria. In een tweede deel werd daartoe e en gebruiksvriendelijke methodiek ontwikkeld voor selectie van multifunc tionele boomsoorten, en dit voor verschillende scenario s in het studieg ebied. Hiertoe werd gebruik gemaakt van een unieke combinatie van inform atiebronnen, met bijzondere aandacht voor lokale ecologische kennis en v oorkeuren. Een aanpasbare databank met een basisset van 91 potentieel in teressante soorten en soortenscores voor niet minder dan 45 relevante cr iteria vormt de basis van de voorgestelde methodiek. Gevoeligheid voor d e (nooit volledig objectieve) toekenning van gewichten aan de criteria e venals betrouwbaarheid van en gebrek aan informatie over specifieke soor tkenmerken vormen de voornaamste beperkingen voor toepasbaarheid. Het derde gedeelte omvat het experimentele werk van deze thesis. Om tege moet te komen aan de kennishiaten zoals voorgesteld in deel twee, was de doelstelling hier om meer inzicht te verkrijgen in groei, (wortel)ontwi kkeling en gedrag van regionaal belangrijke soorten onder verschillende behandelingen en groeicondities. In een eerste gecontroleerde experiment werden groeisnelheid, biomassaverdeling, allometrische relaties en dyna miek van plantkenmerken onderzocht en vergeleken voor Cordia africana en Olea europaea subsp. cuspidata. Effecten van bewatering op boven- en on dergrondse structurele ontwikkeling werden grondig geëvalueerd. Onder de onderzochte omstandigheden ontwikkelden beide soorten relatief kleine z aailingen binnen de tijd van het experiment. Groeisnelheden waren hoogst en dimensies grootst voor Cordia, dat een gemiddeld drooggewicht had va n 24 g, tegenover 4 g voor Olea op een leeftijd van 18-20 maanden. Cordi a wortelde ook dieper (54 cm tegenover 30 cm voor Olea, 18-20 maanden), had in verhouding een groter aandeel wortels had, en leek onmiddellijk t e investeren in de ontwikkeling van een exploratieve wortelstructuur. Ov erleving is de eerste prioriteit voor Olea, dat een lage groeisnelheid h ad maar kwaliteitsvol, dicht plantweefsel ontwikkelde. Olea investeerde relatief het meest in oppervlakkige wortels, en had een grotere wortel(l engte)densiteit. In een tweede experimentele opzet werden overleving, groei en ontwikkeli ng van zaailingen van Acacia etbaica, Sesbania sesban en Dodonaea angust ifolia opgevolgd onder veldomstandigheden, over een periode van 26 maand en. Bijzondere aandacht werd besteed aan knelpunten voor vestiging. Het experiment werd opgezet in twee bestaande ravijnen, waar de aangeplante zaailingen werden onderworpen aan verschillende behandelingen van bewate ring, beschutting en plantpositie. In overeenstemming met de verwachting en, bleken overleving, groei en ontwikkeling sterk afhankelijk te zijn v an de in aanmerking genomen soort, behandeling en groeiomstandigheden, f actoren die eveneens op elkaar inwerkten. De grootste verschillen werden bepaald door de plaatsgebonden bodemcondities. Sesbania kende het hoogs te overlevingspercentage (82 %) en de sterkste biomassa ontwikkelin g, met een gemiddeld drooggewicht van 7.34 kg in de vruchtbare Vertisol locatie. Terugval was grootst op de ravijnbodem, waar 63 % van alle mortaliteit plaatsvond. Beschutting door rietkokers resulteerde in smal lere diameters en een sterkere lengtegroei en verschafte een efficiënte bescherming tegen uitdroging, vloed, sedimentatie en afgrazing. Tegen al le verwachtingen in beïnvloedden verschillen in bewatering nauwelijks ov erleving of (wortel)ontwikkeling voor elk van de bestudeerde soorten in beide experimenten. Voor zover geweten is het eerste experiment de enige studie waarin 3D wortelarchitectuur voor zaailingen van beide soorten z o gedetailleerd geëvalueerd werd, en vormt het tweede experiment éé n van de eerste gerapporteerde veldstudies over vestiging, groei en ontw ikkeling van boomzaailingen in het kader van controle van ravijnerosie i n Afrikaanse semi-ariede gebieden. Er is een sterke behoefte aan dergeli jke terreinervaring. De ontwikkelde kennis kan dienen als input voor mod ellen die plantengroei en herstel in jonge aanplantingen voorspellen, en kan bijdragen tot een geoptimaliseerde selectie van de juiste soort en behandeling voor de juiste plaats en doelstelling.nrpages: 254status: publishe

Assessing and analyzing 3D architecture of woody root systems, a review of methods and applications in tree and soil stability, resource acquisition and allocation

In numerous studies dealing with roots of woody plants, a description of the root system architecture is needed. During the twentieth century, several manual measurement methods were used, depending on the objectives of study. Due to the difficulties in accessing the roots and the duration of measurements, the studies generally involved a low number of root systems, were often qualitative and focused only on one specific application. Quantitative methods in plant architecture were largely developed in the last 40 years for aerial architecture. However, root systems have particular features and often need specific procedures. Since the end of the 1990s, new devices and techniques have been available for coarse root architecture measurements including volume location techniques (non-invasive or destructive) and manual or semi-automatic 3D digitising. Full 3D root system architecture dynamics was also reconstructed from partial measurements using modelling procedures. On the one hand, non-invasive and automatic techniques need more development to obtain full 3D architecture, i.e. geometry and topology. On the other hand, both one inexpensive manual and one semi-automatic digitizing procedure are now available to measure precisely and rapidly the full 3D architecture of uprooted and excavated coarse root systems. Specific software and a large number of functions are also available for an in-depth analysis of root architecture and have already been used in a dozen of research papers including a fairly large sample of mature trees. A comprehensive analysis of root architecture can be achieved by classifying individual roots in several root types through architectural analysis. The objective of this paper is both to give a detailed overview of the state of the art techniques for 3D root system architecture measurement and analysis and to give examples of applications in this field. Practical details are also given so that this paper can be used as a sort of manual for people who want to improve their practice or to enter this quite new research field.status: publishe

A social-ecological framework and toolbox to help strengthening functional agrobiodiversity-supported ecosystem services at the landscape scale

Functional agrobiodiversity (FAB) has severely declined during the last decades. Current efforts to reinforce FAB are mainly focused on single-actor, parcel-based measures, whereas multi-actor landscape approaches are supposed to be more effective. In this paper, we propose a social-ecological framework that structures how different land users at both the parcel and landscape level interact with FAB as a natural resource. Furthermore, we introduce 1 m(2)FAB gardens as an interactive multipurpose measurement tool to gather data on ecosystem services in collaboration with land users. The presented action research approach provides new insights on motivations and interests of different land users in FAB and how knowledge exchange can result in a higher motivation to invest in FAB. Using a case study in Flanders, we illustrate the FAB-garden concept and highlight its strengths and necessary considerations to properly complement other research approaches in this social-ecological system

Vegetation and sediment control: the potential of natural regeneration and assisted forest restoration

Runoff is an important process in land degradation, causing soil erosion, generating sediment and influencing the soil water balance and hydrology at catchment scale. In addition to the construction of physical soil conservation structures (such as stone bunds and check dams), afforestation, reforestation or vegetation restoration may be used for reducing runoff and thus erosion on slopes and in gullies and sedimentation of water reservoirs. The contribution of vegetation to soil and water conservation may be attributed to various above- and belowground mechanisms related to the vegetation canopy and the root system. Using individual pioneer shrubs as a model, but also as a typical example of degraded vegetation in semi-arid regions, we illustrate how restoring vegetation may trigger a series of events, reducing runoff and erosion, increasing control over the soil and water balances and facilitating ecosystem recovery.status: publishe