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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-94964
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9496/


Global Change Effects on Vitellaria paradoxa (C.F.Gaertn.) and Cenchrus pedicellatus (Trin.)

Auswirkungen globaler Veränderungen auf Vitellaria paradoxa (C.F.Gaertn.) und Cenchrus pedicellatus (Trin.)

Tom-Dery, Damian

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Basisklassifikation: 42.90
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Pflanzen (Botanik)
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Jensen, Kai (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.12.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 20.12.2018
Kurzfassung auf Englisch: Parklands are important refugia of economic species like shea (Vitellaria paradoxa), but are also inhabited by several grass species like kyasuwa (Cenchrus pedicellatus) and even food crops making them vital for economic, social and environmental (climate change mitigation) benefits. The inter-play of grasses and trees in savanna ecosystems make them one of the most vulnerable biome to global change. This thesis addresses the effects of several global change factors (CO2, water availability, fire and or grass competition) on shea and kyasuwa photosynthesis, growth, biomass allocation and nutritive value. The general hypothesis of this thesis is that global change factors interact to produce plant-trait responses in shea and kyasuwa.
The thesis is structured in 6 chapters and two boxes. It includes a general introduction to the topic (Chapter 1), a review manuscript of the multi-purpose tree shea (Chapter 2), four manuscripts as the main part (Chapters 3 – 5 and box 1), and a synthesis discussing the links between the single chapters, their implications, and resulting future research perspectives (Chapter 6 and box 2).
Chapter 2 reviewed literature on shea concluding that a consistent methodology for determining the distribution, density, chemical and nutritional composition as well as characterization of regional populations was required. It also suggested research on eco-physiology of shea seedlings under current and projected climate scenarios and dendrochronology as a tool to determine shea age.
Chapter 3 focused on the effects of elevated CO2, differences in water availability and in N-nutrition on C4 grass kyasuwa. The findings suggest that elevated CO2 will make kyasuwa attractive as forage and also result in a change in biomass allocation towards a lower root to shoot ratio (R:S), that ultimately may be harmful for the species especially under dry conditions and low nutrient availability making it less competitive.
Chapter 4 presents findings of the effect of elevated CO2 on shea seedling as modulated by water availability and grass competition. The findings suggest that elevated CO2 caused an increase in photosynthetic carbon uptake while the stomatal conductance was reduced resulting in increased carbon uptake per transpired water. However, this was only manifested in higher allocation to stems but no change in biomass. Conversely, grass competition caused a decrease in photosynthesis, growth and biomass allocation.
Chapter 5 described the recovery abilities of shea after fire. Shea seedlings showed exceptional recovery to gas exchange parameters, growth and biomass allocation patterns four months after fire with similar photosynthetic rates, growth and biomass accumulation rates of control and fire treatments.
Box 1 focused on the allocation patterns of carbon and nitrogen in shea seedling leaves and roots after fire. The fluorescence parameters, the nitrogen balance index and δ13C (leaves and roots) were comparable in the two treatments. However higher N per chlorophyll and C/N ratios were recorded in both leaves and roots in post-fire regrowths. We also recorded significant differences in δ13C in leaves and roots of shea in both treatments.
Box 2 assessed the presence of growth rings in shea from different ecosystems in Ghana and discussed the potential uses of growth rings in shea research.
In conclusion this thesis suggests future global change (especially eCO2) looks unfavorable for kyasuwa growth making it less competitive with a reduced nutritive value in drought prone and infertile soils. However, shea growth and adaptation to the savanna ecosystem is promising under future global change.
Kurzfassung auf Deutsch: Savannen-Ökosysteme sind oft von Gräsern wie Kyasuwa (Cenchrus pedicellatus) dominiert, stellen aber auch wichtige Refugien für ökonomisch relevante Arten wie Shea (Vitellaria paradoxa) dar und werden für den Anbau von Food Crops genutzt. Somit haben diese Ökosysteme eine große sozioökonomische Bedeutung. Wechselwirkungen zwischen Gräsern und Bäumen bewirken, dass Savannen-Ökosysteme eine große Empfindlichkeit gegenüber Faktoren des Globalen Wandels aufweisen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einiger Faktoren des Globalen Wandels (erhöhte atmosphärische CO2 Konzentrationen (eCO2), verringerte Wasserverfügbarkeit, Feuer and Konkurrenz zu Gräsern) auf Photosynthese, Wachstum, Biomasse-Allokation und Nährstoffgehalt von Shea und Kyasuwa. Die grundlegende Hypothese dieser Arbeit ist, dass diese Pflanzeneigenschaften durch Interaktion der Faktoren des Globalen Wandels beeinflusst werden.
Diese Arbeit umfasst 6 Kapitel und 2 Boxen. Sie beinhaltet eine Allgemeine Einleitung (Kapitel 1), ein Review-Manuskript zu Shea (Kapitel 2), vier Manuskripte als Hauptteil (Kapitel 3-5 und Box 1) sowie eine Synthese, welche die Zusammenhänge der verschiedenen Kapitel diskutiert, deren Implikationen aufzeigt und eine Ausblick auf zukünftige Forschung zum Thema gibt (Kapitel 6 und Box 2).
Kapitel 2 befasst sich mit der verfügbaren Literatur zu Shea und schlussfolgert, dass eine einheitliche Methodik zur Bestimmung der Verbreitung, Dichte, der biochemischen Zusammensetzung und der Charakterisierung regionaler Populationen notwendig ist. Darüber hinaus empfiehlt es, Forschung zur Ökophysiologie von Shea-Keimlingen zur Erfassung möglicher Effekte des Klimawandels durchzuführen und Dendrochronologie als mögliche Methode zu Altersbestimmung von Shea zu prüfen.
Kapitel 3 befasst sich mit den Effekten von eCO2, Wasser- und Nährstoffverfügbarkeit auf das C4-Gras Kyasuwa. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eCO2 Kyasuwa als Futterpflanze hochwertiger macht und eine Verschiebung in der Biomasse-Allokation zu einem niedrigerem Wurzel-zu-Spross-Verhältnis (R:S) bewirkt, was zu einer geringeren Konkurrenzstärke unter Trockenheit und Nährstoffmangel führen könnte.
Kapitel 4 stellt Ergebnisse einer Studie dar, welche den Effekt von eCO2 auf Shea in Abhängigkeit von Wasserverfügbarkeit und Konkurrenz (durch Gräser) untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine erhöhte photosynthetische Kohlenstoffaufnahme hin, während die stomatäre Leitfähigkeit reduziert war, was zu einer erhöhten Wassernutzungs-Effizienz führt. Die erhöhte Kohlenstoffaufnahme manifestierte sich allerdings nur in einer erhöhten Spross-Biomasseallokation, nicht aber in veränderte Biomasse per se. Konkurrenz zu Gräsern führte zu geringerer Photosynhtese und Wachstum.
Kapitel 5 beschreibt die Regenerationsfähigkeit von Shea nach Feuer. Shea-Keimlinge zeigten eine schnelle Regeneration hinsichtlich Gaswechsel, Wachstum und Biomasseallokation. Vier Monate nach einem Feuerereignis waren Photosynthese- und Wachstumsraten ähnlich zwischen Kontroll- und Feuertreatments.
Box 1 befasst sich mit den Allokationsmustern von Kohlenstoff und Stickstoff in Blättern und Wurzeln von Shea-Keimlingen nach einem Feuerereignis. Fluoreszenzparamenter, der sog. Nitrogen-Balance-Index und del13C (Blätter und Wurzlen) waren ähnlich in beiden Treatments. Dem gegenübar wurden höhere Stickstoff-zu-Chlorophyll- und Kohlenstoff-zu-Stickstoff-Verhältnisse sowohl in Blättern als auch in Wurzeln in regenerierenden Keimlingen erfasst. Außerdem wurden signifikante Unterschiede in del13C zwischen Blättern und Wurzeln von Shea beider Treatments erfasst.
Box 2 untersucht die Ausprägung von Jahresringen in Shea verschiedener Ökosysteme in Ghana und diskutiert die mögliche Forschungsanwendung.
Zusammenfassend deutet diese Arbeit darauf hin, dass sich der Globale Wandel (speziell eCO2) negativ auf das Wachstum von Kyasuwa auswirkt. Der Globale Wandel reduziert die Konkurrenzstärke und den Nährstoffgehalt von Kyasuwa in trockheitsanfälligen und unfruchtbaren Böden. Im Gegensatz dazu erscheint das Wachstum und die Anpassung von Shea an Faktoren des Globalen Wandels vielversprechend.

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