by Kristina Anna Charlotte Osen
English
In Madagascar, a large percentage of the rural human population faces multifaceted poverty and depends on agriculture and natural resources as main livelihood sources. Consequently, the country’s biodiverse natural ecosystems experience high land-use pressure. Especially the north-eastern rainforests comprise a remarkable diversity of trees species with high endemism rates but face rapid transformation into a human-modified mosaic landscape. This human-modified mosaic landscape in north-eastern Madagascar still contains a small share of protected old-growth forest and is otherwise composed of smallholder agricultural land, forest fragments, and smallholder agroforests to cultivate Madagascar’s major export product vanilla. In these agroforests, trees are permanently integrated into the crop cultivation system either as shade trees or as support trees for the climbing vanilla orchid (Vanilla planifolia). Vanilla agroforests cover a wide range of structural and compositional characteristics and might offer promising land use options to reconcile biodiversity conservation with production goals in north-eastern Madagascar. Since evidence on the social and environmental benefits and tradeoffs of vanilla agroforestry has been scarce so far, the research project ”Diversity Turn in Land Use Science” addresses this research gap. Within the frame of the Diversity Turn project, this thesis addresses the conservation value of agroforests by examining the diversity, stand structure, and composition of tree communities in vanilla agroforests and contrasting them to other tree-based land-use types in the mosaic landscape of north-eastern Madagascar. To do so, this thesis first establishes a conceptual framework on agroforestry systems and then works through the individual aspects of this framework, using case studies on species diversity and stand structure, species composition, support tree diversity, and aboveground carbon stocks. The case studies build on tree inventory data from vanilla agroforests of contrasting land-use history, old-growth forests, forest fragments, and woody fallows after slash-and-burn shifting cultivation, which all contribute to the smallholder mosaic landscape of north-eastern Madagascar.
The conceptual study (chapter 1) elaborates that tropical agroforests differ in land-use history and may be either established inside a forest or on open land but this difference is often neglected in agroforestry research and policy. Based on literature data and an example from own tree inventories, the study shows that agroforests of contrasting land-use history differ in biodiversity, ecosystem functions, and services. The study suggests that the differentiation based on land-use history might be applicable in various regions and agroforestry systems, to better align landscape management with conservation goals.
Chapter 2 analyses the stand structure and species diversity of trees in the different land-use types of the smallholder mosaic landscape. Therein, the study puts a special focus on how land-use history affects stand structure and species diversity in vanilla agroforests and demonstrates that forest-derived agroforests are important for maintaining habitat structure and tree diversity, whereas fallow-derived agroforests offer tree cover rehabilitation opportunities on open but formerly forested land.
Chapter 3 quantifies the variation of tree species communities within and among different land-use types in the mosaic landscape. The study uses beta-diversity metrics that reflect changes in both species composition and abundance in these different land-use types and demonstrates that (thus far) many tree species can persist in this mosaic landscape. However, turnover rates are high within and between tree communities in the land-use types, indicating that tree communities are transforming both in identity and abundance. The study endorses the implementation of conservation and restoration activities to maintain the unique tree species assemblages in the human-modified mosaic landscape and suggests the establishment of agroforests on formerly forested degraded land as an entry point. However, the study emphasizes considering the high turnover rates of tree species communities in the planning of such activities.
Chapter 4 focuses on the diversity and composition of agroforest-support trees, which have received little scientific attention so far. The study builds on support tree inventory data and farmer interviews from vanilla agroforests of contrasting land-use history. The study analyses the species diversity, composition, and geographic origin of support trees in these vanilla agroforests and shows that support trees substantially contribute to the tree diversity in these agroforests, but show clear differences based on land-use history: support trees in forest-derived agroforests encompass many native and endemic species richness and have four times higher species richness compared to fallow-derived agroforests, which harbor a high share of introduced species. Since fallow-derived vanilla agroforests can play an important role in restoration and rehabilitation, the study suggests a stronger consideration of native or endemic tree species in new to establish vanilla agroforests.
Chapter 5 estimates aboveground carbon stocks across stem diameters and geographic origin of tree species in the different land-use types of the smallholder mosaic landscape. Therein, the study particularly analyses how land-use history influences aboveground carbon stocks in agroforestry systems. The study demonstrates that agroforests can act as carbon reservoirs in a multifunctional landscape, but considering their land-use history and management is important to maximize their benefits: forest-derived agroforests support higher aboveground carbon stocks than fallow-derived agroforests and have the potential to maintain a forest-like structure with native and endemic trees in the landscape, whereas fallow-derived agroforests take land out of the slash-and-burn cycle by converting it into permanent tree-dominated land-use systems.
In conclusion, the studies within this thesis contribute to refining the conservation evaluation of tropical agroforests and provide data-based evidence to assess the conservation value of vanilla agroforests in the mosaic landscape of north-eastern Madagascar. The thesis sheds light on the diversity, composition, and stand structure of tree communities in the mosaic landscape of north-eastern Madagascar and thereby provides vital information to quantify and understand the consequences of land-use change in this tropical landscape. Such understanding is essential to develop land-use management schemes and conservation measures that aim to maintain species diversity, ecosystem functions, and services and is thus important for research and applied conservation alike.
Keywords: tree diversity; conservation; Madagascar; vanilla agroforestry; land-use history; land-use change
German
In Madagaskar ist ein Großteil der ländlichen Bevölkerung von Armut betroffen und ist damit auf kleinbäuerliche Landwirtschaft und die Nutzung natürlicher Ressourcen zur Grundversorgung angewiesen. Folglich sind die natürlichen und artenreichen Ökosysteme des Landes einem hohen Landnutzungsdruck ausgesetzt. Vor allem die Regenwälder im Nordosten des Landes weisen eine bemerkenswerte Vielfalt an Baumarten und eine hohe Endemismusrate auf, sind jedoch von einer raschen Umwandlung in eine von Menschen veränderte Mosaiklandschaft bedroht. In dieser Mosaiklandschaft im Nordosten Madagaskars findet sich noch ein kleiner Anteil geschützter alter Wälder, ansonsten setzt sich die Landschaft aus einem Mosaik landwirtschaftlicher Flächen, Waldfragmente und Agroforste zusammen. Diese Agroforste dienen dem kleinbäuerlichen Anbau von Gewürzvanille, die Madagaskars wichtigstes Exportprodukt darstellt. In diesen Agroforsten spielen Bäume eine entscheidende Rolle. Sie werden entweder als Schattenbäume oder als Stützbäume für die kletternde Vanille-Orchidee (Vanilla planifolia) dauerhaft in das Anbausystem integriert. Vanille-Agroforste decken bezüglich ihrer Struktur und ihrer Artenzusammensetzung ein breites Spektrum ab. Somit weisen sie vielversprechende Landnutzungsoptionen auf, um die Erhaltung der biologischen Vielfalt mit den Produktionszielen im Nordosten Madagaskars in Einklang zu bringen. Da es bisher nur wenige Belege gibt, die eine soziale und ökologische Bewertung der Vanille-Agroforstwirtschaft erlauben, befasst sich das Forschungsprojekt "Diversity Turn in Land Use Science" mit dieser Forschungslücke. Im Rahmen des Diversity Turn-Projekts befasst sich die vorliegende Doktorarbeit mit dem Naturschutzwert von Agroforsten, indem sie die Vielfalt, Bestandsstruktur und Zusammensetzung von Baumgemeinschaften in Vanille-Agroforsten untersucht und sie mit anderen baumbasierten Landnutzungstypen in der Mosaiklandschaft im Nordosten Madagaskars vergleicht. Um dies zu erreichen, entwickelt die vorliegende Doktorarbeit zunächst einen konzeptionellen Rahmen, der eine Naturschutzbewertung von Agroforstsystemen erleichtert. Anschließend werden einzelne Aspekte dieses konzeptionellen Rahmens anhand von Fallstudien untersucht. Die Fallstudien setzen unterschiedliche Schwerpunkte und decken damit ein umfassendes Spektrum ab, das von der Baumartenvielfalt und Bestandsstruktur, über die Baumartenzusammensetzung, die Vielfalt der Agroforst-Stützbäume bis zur Erfassung des oberirdischen Kohlenstoffbestands reicht. Die Fallstudien stützen sich auf Bauminventurdaten, die in Vanille-Agroforsten mit unterschiedlicher Landnutzungsgeschichte erhoben wurden, sowie in weitgehend ungestörten Wäldern, Waldfragmenten und holzigen Brachflächen, die alle Teil der kleinbäuerlichen Mosaiklandschaft im Nordosten Madagaskars sind.
In der konzeptionellen Studie (Kapitel 1) wird zunächst dargelegt, dass sich tropische Agroforste in ihrer Landnutzungsgeschichte unterscheiden: sie können entweder im Wald oder auf Brachland angelegt werden. Jedoch wird dieser Unterschied in der Agroforstforschung und -politik bisher kaum beachtet. Auf der Grundlage von Literaturdaten und einem Beispiel aus eigenen Bauminventurdaten zeigt die Studie, dass sich Agroforste mit unterschiedlicher Landnutzungsgeschichte in Bezug auf biologische Vielfalt, Ökosystemfunktionen und Ökosystemdienstleistungen unterscheiden. Die Studie legt nahe, dass die Unterscheidung basierend auf der Landnutzungsgeschichte in verschiedenen Regionen und Agroforstsystemen anwendbar sein könnte, um lokale Naturschutzziele und Landschaftsmanagement besser aufeinander abzustimmen.
Kapitel 2 analysiert die Bestandsstruktur und die Artenvielfalt von Bäumen in den verschiedenen Landnutzungstypen der kleinbäuerlichen Mosaiklandschaft. Dabei steht insbesondere im Fokus, wie sich die Landnutzungsgeschichte in Vanille-Agroforsten auf deren Bestandsstruktur und die Baumartenvielfalt auswirkt: die Studie zeigt, dass Agroforste, die im Wald etabliert wurden, wichtig für die Erhaltung der Lebensraumstruktur und der Baumvielfalt sind, während Agroforste, die auf Brachland etabliert wurden, eine Möglichkeit zur Wiederherstellung der Baumbestände auf diesen ehemals bewaldeten Brachflächen bieten.
Kapitel 3 quantifiziert die Vielfältigkeit und Zusammensetzung der Baumartengemeinschaften innerhalb und zwischen verschiedenen Landnutzungstypen in der Mosaiklandschaft. Die Studie verwendet Beta-Diversitätsmaße, die Veränderungen in der Baumartenzusammensetzung und -häufigkeit in diesen verschiedenen Landnutzungstypen widerspiegeln, und zeigt, dass (bis jetzt) viele Baumarten in dieser Mosaiklandschaft überleben können. Allerdings sind die Fluktuationsraten innerhalb und zwischen den Baumgemeinschaften in den verschiedenen Landnutzungstypen hoch, was darauf hindeutet, dass sich die Baumgemeinschaften sowohl in ihrer Identität als auch in ihrem Abundanz verändern. Die Studie befürwortet die Durchführung von Maßnahmen zur Aufforstung und Renaturierung ehemals bewaldeten Brachlands, um die einzigartigen Baumartengemeinschaften in der vom Menschen veränderten Mosaiklandschaft zu erhalten, und schlägt als Einstieg die Etablierung von Agroforsten auf ehemals bewaldeten Brachflächen vor. Die Studie betont jedoch, dass die hohe Fluktuationsrate von Baumartengemeinschaften bei der Planung solcher Aktivitäten zu berücksichtigen ist.
Kapitel 4 befasst sich mit der Vielfalt und Zusammensetzung von Agroforst-Stützbäumen, denen bisher wenig wissenschaftliche Aufmerksam zukam. Die Studie stützt sich auf Daten aus der Bestandsaufnahme von Agroforst-Stützbäumen in Vanille-Agroforsten mit unterschiedlicher Landnutzungsgeschichte, sowie auf Befragungen der Besitzer:innen der jeweiligen Vanille-Agroforste. Die Studie analysiert die Artenvielfalt, die Zusammensetzung und die geographische Herkunft der Stützbäume in diesen Vanille-Agroforsten und zeigt, dass Stützbäume wesentlich zur Baumvielfalt dieser Agroforste beitragen, aber abhängig von der Landnutzungsgeschichte werden deutliche Unterschiede zwischen Stützbaum-Beständen sichtbar: Stützbäume in Agroforsten, die im Wald etabliert wurden, umfassen viele einheimische und endemische Stützbaumarten und weisen einen viermal höheren Artenreichtum auf als Agroforste, die auf Brachland etabliert wurden und einen hohen Anteil an eingeführten Stützbaumarten beherbergen. Da auf Brachland etablierte Vanille-Agroforste eine wichtige Rolle bei der Aufforstung und Renaturierung ehemals bewaldeten Brachlands spielen können, empfiehlt die Studie bei deren Etablierung verstärkt auf einheimische oder endemische Baumarten als Stützbäume zurück zu greifen.
Kapitel 5 quantifiziert die oberirdischen Kohlenstoffvorräte in den verschiedenen Landnutzungstypen der kleinbäuerlichen Mosaiklandschaft. Dabei wird insbesondere analysiert, wie die Landnutzungsgeschichte die oberirdischen Kohlenstoffvorräte in Agroforstsystemen beeinflusst. Die Studie zeigt, dass Agroforste als Kohlenstoffspeicher in einer multifunktionalen Landschaft fungieren können, dass es aber wichtig ist, ihre Landnutzungsgeschichte und ihre Bewirtschaftung zu berücksichtigen, um ihren Naturschutzwert zu maximieren: Agroforste, die im Wald etabliert wurden, weisen größere oberirdischen Kohlenstoffvorräten auf und haben das Potenzial, eine waldähnliche Struktur mit einheimischen und endemischen Bäumen in der Landschaft zu erhalten, während Agroforste, die auf Brachland etabliert wurden, dieses ehemalig bewaldete Brachland in dauerhaft baumdominierte Landnutzungssysteme zurückführen.
Zusammenfassend tragen die Studien im Rahmen dieser Doktorarbeit dazu bei, die ökologische Bewertung tropischer Agroforste zu verbessern. Die Studien liefern datengestützte Erkenntnisse aus Fallstudien in der Mosaiklandschaft im Nordosten Madagaskars, welche die ökologische Bewertung der Vanille-Agroforstwirtschaft in dieser Region ermöglichen. Die vorliegende Doktorarbeit beleuchtet die Vielfalt, die Zusammensetzung und die Bestandsstruktur von Baumgemeinschaften in der Mosaiklandschaft im Nordosten Madagaskars und liefert damit wichtige Informationen, um die Folgen von Landnutzungsänderungen in dieser tropischen Landschaft zu quantifizieren und zu verstehen. Ein solches Verständnis ist unerlässlich für die Entwicklung von regional angepassten Landnutzungsplänen und Schutzmaßnahmen, die darauf abzielen, die Artenvielfalt, Ökosystemfunktionen und Ökosystemdienstleistungen zu erhalten, und ist somit sowohl für die Forschung als auch für den angewandten Naturschutz von hohem Wert.