One of the pronounced global challenges facing ecologists is how to feed the current growing human population while sustaining biodiversity and ecosystem services. To shed light on this, I investigated the impact of human land use on bee diversity and plant-pollinator interactions in Tanzania Savannah ecosystems. The thesis comprises the following chapters:
Chapter I: General Introduction
This chapter provides the background information including the study objectives and hypotheses. It highlights the ecological importance of bees and the main threats facing bee pollinators with a focus on two land-use practices namely livestock grazing and agriculture. It also highlights the diversity and global distribution of bees. It further introduces the tropical savannah ecosystem, its climate, and vegetation characteristics and explains spectacular megafauna species of the system that form centers of wildlife tourism and inadequacy knowledge on pollinators diversity of the system. Finally, this chapter describes the study methodology including, the description of the study area, study design, and data collection.
Chapter II: Positive effects of low livestock grazing intensity on East African bee assemblages mediated by increases in floral resources
The impact of livestock grazing intensity on bee assemblage has been subjected to research over decades. Moreover, most of these studies have been conducted in temperate Europe and America leaving the huge tropical savannah of East Africa less studied. Using sweep netting and pan traps, a total of 183 species (from 2,691 individuals) representing 55 genera and five families were collected from 24 study sites representing three levels of livestock grazing intensity in savannah ecosystem of northern Tanzania. Results have shown that moderate livestock grazing slightly increased bee species richness. However, high livestock grazing intensity led to a strong decline. Besides, results revealed a unimodal distribution pattern of bee species richness and mean annual temperature. It was also found that the effect of livestock grazing and environmental temperature on bee species richness was mediated by a positive effect of moderate grazing on floral resource richness. The study, therefore, reveals that bee communities of the African savannah zone may benefit from low levels of livestock grazing as this favors the growth of flowering plant species. A high level of livestock grazing intensity will cause significant species losses, an effect that may increase with climatic warming.
Chapter III: Agricultural intensification with seasonal fallow land promotes high bee diversity in Afrotropical drylands
This study investigated the impact of local agriculture intensification on bee diversity in the Afro tropical drylands of northern Tanzania. Using sweep netting and pan traps, a total of 219 species (from 3,428 individuals) representing 58 genera and six families were collected from 24 study sites (distributed from 702 to 1708 m. asl) representing three levels of agriculture intensity spanning an extensive gradient of mean annual temperature. Results showed that bee species richness increased with agricultural intensity and with increasing temperature. However, the effects of agriculture intensity and temperature on bee species richness were mediated by the positive effects of agriculture and temperature on floral resource richness used by bee pollinators. Moreover, results showed that variation of bee body sizes increases with agricultural intensification, “that effect”, however, diminished in environments with higher temperatures. This study reveals that bee assemblages in Afrotropical drylands benefit from agriculture intensification in the way it is currently practiced. Further intensification, including year-round irrigated crop monocultures and extensive use of agrochemicals, is likely to exert a negative impact on bee diversity and pollination services, as reported in temperate regions. Moreover, several bee species were restricted to natural savannah habitats. Therefore, to conserve bee communities in Afro tropical drylands and guarantee pollination services, a mixture of savannah and agriculture, with long periods of fallow land should be maintained.
Chapter IV: Impact of land use intensification and local features on plants and pollinators in Sub-Saharan smallholder farms
For the first time in the region, this study explores the impact of land-use intensification on plants and pollinators in Sub-Saharan smallholder farms. The study complemented field surveys of bees with a modern DNA metabarcoding approach to characterize the foraged plants and thus built networks describing plant-pollinator interactions at the individual insect level. This information was coupled with quantitative traits of landscape composition and floral availability surrounding each farm. The study found that pollinator richness decreased with increasing impervious and agricultural cover in the landscape, whereas the flower density at each farm correlated with pollinator richness. The intensification of agricultural land use and urbanization correlated with a higher foraging niche overlap among pollinators due to the convergence of individuals' flower-visiting strategies. Furthermore, within farms, the higher availability of floral resources drove lower niche overlap among individuals, greater abundance of flower visitors shaped higher generalization at the networks level (H2I), possibly due to increased competition. These mechanistic understandings leading to individuals’ foraging niche overlap and generalism at the network level, could imply stability of interactions and the pollination ecosystem service. The integrative survey proved that plant-pollinator systems are largely affected by land use intensification and by local factors in smallholder farms of Sub-Saharan Africa. Thus, policies promoting nature-based solutions, among which the introduction of more pollinator-friendly practices by smallholder farmers, could be effective in mitigating the intensification of both urban and rural landscapes in this region, as well as in similar Sub-Saharan contexts.
Chapter V: A synopsis of the Bee occurrence data of northern Tanzania
This study represents a synopsis of the bee occurrence data of northern Tanzania obtained from a survey in the Kilimanjaro, Arusha, and Manyara regions. Bees were sampled using two standardized methods, sweep netting and colored pan traps. The study summed up 953 species occurrences of 45 species belonging to 20 genera and four families (Halictidae, Apidae, Megachilidae, and andrenidae) A. This study serves as the baseline information in understanding the diversity and distribution of bees in the northern parts of the country. Understanding the richness and distribution of bees is a critical step in devising robust conservation and monitoring strategies for their populations since limited taxonomic information of the existing and unidentified bee species makes their conservation haphazard.
Chapter VI: General discussion
In general, findings obtained in these studies suggest that livestock grazing and agriculture intensification affects bee assemblages and floral resources used by bee pollinators. Results have shown that moderate livestock grazing intensity may be important in preserving bee diversity. However, high level of livestock grazing intensity may result in a strong decline in bee species richness and abundance. Moreover, findings indicate that agriculture intensification with seasonal fallow lands supports high floral resource richness promoting high bee diversity in Afrotropical drylands. Nonetheless, natural savannahs were found to contain unique bee species. Therefore, agriculture intensification with seasonal fallow should go in hand with conserving remnant savannah in the landscapes to increase bee diversity and ensure pollination services. Likewise, findings suggest that increasing urbanization and agriculture cover at the landscape level reduce plant and pollinator biodiversity with negative impacts on their complex interactions with plants. Conversely, local scale availability of floral resources has shown the positive effects in buffering pollinators decline and mitigating all detrimental effects induced by land-use intensification. Moreover, findings suggest that the impact of human land use (livestock grazing and agriculture) do not act in isolation but synergistically interacts with climatic factors such as mean annual temperature, MAT. The impact of MAT on bee species richness in grazing gradient showed to be more detrimental than in agriculture habitats. This could probably be explained by the remaining vegetation cover following anthropogenic disturbance. Meaning that the remaining vegetation cover in the agricultural gradient probably absorbs the solar radiations hence reducing detrimental effect of mean annual temperature on bee species richness. This one is not the case in grazing gradient since the impact of livestock grazing is severe, leaving the bare land with no vegetation cover. Finally, our findings conclude that understanding the interplay of multiple anthropogenic activities and their interaction with MAT as a consequence of ongoing climate change is necessary for mitigating their potential consequences on bee assemblages and the provision of ecosystem services. Morever, future increases in livestock grazing and agriculture intensification (including year-round crop irrigated monocultures and excessive use of agrochemicals) may lead to undesirable consequences such as species loss and impair provision of pollination services. / Eine der größten globalen Herausforderungen für Ökologen ist die Beantwortung der Frage, wie die wachsende menschliche Bevölkerung ernährt und gleichzeitig die biologische Vielfalt und die Ökosystemleistungen erhalten werden können. Um dies zu beleuchten, habe ich die Auswirkungen der menschlichen Landnutzung auf die Bienenvielfalt und die Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Bestäubern in den Ökosystemen der Tansania-Savanne untersucht. Die Arbeit umfasst die folgenden Kapitel:
Kapitel I: Allgemeine Einführung
Dieses Kapitel enthält die Hintergrundinformationen, einschließlich der Studienziele und Hypothesen. Es hebt die ökologische Bedeutung von Bienen und die Hauptbedrohungen für Bienenbestäuber hervor, wobei der Schwerpunkt auf zwei Landnutzungspraktiken liegt, nämlich Viehbeweidung und Landwirtschaft. Außerdem werden die Vielfalt und die globale Verbreitung der Bienen herausgearbeitet. Des Weiteren werden das Ökosystem der tropischen Savanne, sein Klima und seine Vegetationscharakteristika vorgestellt und die spektakulären Megafauna-Arten des Systems erläutert, die Zentren des Wildtiertourismus bilden, sowie die unzureichenden Kenntnisse über die Vielfalt der Bestäuber in diesem System. Schließlich wird in diesem Kapitel die Methodik der Studie beschrieben, einschließlich der Beschreibung des Untersuchungsgebiets, des Studiendesigns und der Datenerhebung.
Kapitel II: Positive Auswirkungen einer geringen Beweidungsintensität auf ostafrikanische Bienengemeinschaften, vermittelt durch eine Zunahme der floralen Ressourcen
Die Auswirkungen der Weideintensität auf die Bienenbestände sind seit Jahrzehnten Gegenstand von empirischen Untersuchungen. Die meisten dieser Studien wurden jedoch in den gemäßigten Breiten Europas und Amerikas durchgeführt, während die riesigen tropischen Savannen Ostafrikas weniger untersucht wurden. Mit Hilfe von Wurfnetzen und Schwenkfallen wurden insgesamt 183 Arten (von 2.691 Individuen) aus 55 Gattungen und fünf Familien an 24 Untersuchungsstandorten, die drei Stufen der Viehweideintensität im Savannen-Ökosystem im Norden Tansanias repräsentieren, gesammelt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine mäßige Beweidung mit Weidevieh den Artenreichtum der Bienen leicht erhöht. Eine hohe Beweidungsintensität führte jedoch zu einem starken Rückgang. Außerdem zeigten die Ergebnisse ein unimodales Verteilungsmuster des Bienenartenreichtums und der mittleren Jahrestemperatur. Es wurde auch festgestellt, dass die Auswirkungen von Viehbeweidung und Umwelttemperatur auf den Bienenartenreichtum durch eine positive Auswirkung von mäßiger Beweidung auf den Reichtum an floralen Ressourcen vermittelt wurden. Die Studie zeigt daher, dass Bienengemeinschaften in der afrikanischen Savanne von einer geringen Beweidung durch Vieh profitieren können, da dies das Wachstum blühender Pflanzenarten fördert. Eine hohe Beweidungsintensität führt zu erheblichen Artenverlusten, die sich infolge der Klimaerwärmung noch verstärken können.
Kapitel III: Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland fördert hohe Bienenvielfalt in afrotropischen Trockengebieten
In dieser Studie wurden die Auswirkungen der Intensivierung der lokalen Landwirtschaft auf die Bienenvielfalt in den afrotropischen Trockengebieten im Norden Tansanias untersucht. An 24 Untersuchungsstandorten (zwischen 702 und 1.708 m ü.N.N.), die drei Intensitätsstufen der Landwirtschaft repräsentieren und einen weiten Gradienten der Jahresmitteltemperatur abdecken, wurden 219 Arten (von 3.428 Individuen) gesammelt, die 58 Gattungen und sechs Familien repräsentieren. Die Ergebnisse zeigten, dass der Artenreichtum der Bienen mit der Intensität der Landwirtschaft und mit steigender Temperatur zunahm. Die Auswirkungen der Intensität der Landwirtschaft und der Temperatur auf den Artenreichtum der Bienen wurden jedoch durch die positiven Auswirkungen der Landwirtschaft und der Temperatur auf den Reichtum der von den Bienenbestäubern genutzten Blütenressourcen vermittelt. Außerdem zeigten die Ergebnisse, dass die Variation der Körpergröße der Bienen mit der Intensivierung der Landwirtschaft zunimmt, diese jedoch in Umgebungen mit höheren Temperaturen abnimmt. Diese Studie zeigt, dass die Bienengemeinschaften in afrotropischen Trockengebieten von der Intensivierung der Landwirtschaft, wie sie derzeit praktiziert wird, profitieren. Eine weitere Intensivierung, einschließlich ganzjährig bewässerter Monokulturen und intensiver Einsatz von Agrochemikalien, wird sich wahrscheinlich negativ auf die Bienenvielfalt und die Bestäubungsleistung auswirken, wie dies auch in den gemäßigten Regionen beobachtet wurde. Außerdem war das Vorkommen einiger Bienenarten auf natürliche Savannenlebensräume beschränkt. Um die Bienengemeinschaften in afrotropischen Trockengebieten zu erhalten und die Bestäubungsleistungen zu gewährleisten, sollte daher eine Mischung aus Savanne und Landwirtschaft mit Langzeitig-Brachflächen beibehalten werden.
Kapitel IV: Auswirkungen der Intensivierung der Landnutzung und lokaler Gegebenheiten auf Pflanzen und Bestäuber in kleinbäuerlichen Betrieben südlich der Sahara
In dieser Studie werden zum ersten Mal in der Region die Auswirkungen der Intensivierung der Landnutzung auf Pflanzen und Bestäuber in kleinbäuerlichen Betrieben südlich der Sahara untersucht. Hierbei wurden Felduntersuchungen von Bienen um einen modernen DNA-Metabarcoding-Ansatz ergänzt, um die beflogenen Pflanzen zu charakterisieren und so Netzwerke aufzudecken, die die Interaktionen zwischen Pflanzen und Bestäubern auf der Ebene einzelner Insekten beschreiben. Diese Informationen wurden mit quantitativen Merkmalen der Landschaftszusammensetzung und der Blütenverfügbarkeit in der Umgebung der einzelnen landwirtschaftlichen Betriebe verknüpft. Die Studie ergab, dass der Reichtum an Bestäubern mit zunehmendem Landschaftsanteil an undurchlässiger und landwirtschaftlicher Fläche abnahm, während die Blütendichte mit dem Reichtum an Bestäubern korrelierte. Die Intensivierung der landwirtschaftlichen Nutzung und die Urbanisierung korrelierten mit einer stärkeren Überlappung der Nischen für die Nahrungssuche von Bestäubern, was auf die Konvergenz der Strategien der Individuen bei der Suche nach Blüten zurückzuführen ist. Darüber hinaus führte innerhalb der landwirtschaftlichen Betriebe die höhere Verfügbarkeit von Blütenressourcen zu einer geringeren Nischenüberschneidung zwischen den Individuen, während eine größere Anzahl von Blütenbesuchern zu einer stärkeren Generalisierung auf der Ebene der Netzwerke führte (H2I), was möglicherweise auf einen erhöhten Wettbewerb zurückzuführen ist. Diese mechanistischen Erkenntnisse, die zur Überlappung der Nischen der Individuen bei der Nahrungssuche und zum Generalismus auf der Netzwerkebene führen, könnten die Stabilität der Interaktionen und der Ökosystemdienstleistung Bestäubung implizieren. Die integrative Untersuchung hat gezeigt, dass die Bestäubersysteme in den kleinbäuerlichen Betrieben Afrikas südlich der Sahara weitgehend von der Intensivierung der Landnutzung und von lokalen Faktoren beeinflusst werden. Daher könnten politische Maßnahmen zur Förderung naturbasierter Lösungen, zu denen auch die Einführung bestäuberfreundlicher Praktiken durch Kleinbauern gehört, die Intensivierung sowohl städtischer als auch ländlicher Landschaften in dieser Region wie auch in ähnlichen Kontexten südlich der Sahara wirksam abmildern.
Kapitel V: Ein Überblick über die Daten zum Bienenvorkommen im Norden Tansanias
Diese Studie gibt einen Überblick über die Daten zum Bienenvorkommen im Norden Tansanias, die im Rahmen einer Erhebung in den Regionen Kilimanjaro, Arusha und Manyara gewonnen wurden. Die Bienen wurden mit zwei standardisierten Methoden erfasst: mit Keschern und Farbschalen. Im Rahmen der Studie wurden 953 Individuen aus 45 Arten aus 20 Gattungen und vier Familien (Halictidae, Apidae, Megachilidae und Andrenidae) nachgewiesen. Diese Studie dient als Grundlage für das Verständnis der Vielfalt und Verbreitung von Bienen in den nördlichen Teilen des Landes. Das Verständnis des Reichtums und der Verbreitung von Bienen ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung robuster Erhaltungs- und Überwachungsstrategien für deren Populationen, da die begrenzten taxonomischen Informationen über die vorhandenen und nicht identifizierten Bienenarten deren Erhaltung ungewiss erscheinen lassen.
Kapitel VI: Allgemeine Diskussion
Im Allgemeinen deuten die Ergebnisse dieser Studien darauf hin, dass die Beweidung mit Vieh und die Intensivierung der Landwirtschaft Auswirkungen auf die Bienenbestände und die von Bienenbestäubern genutzten Blütenressourcen haben. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass eine mäßige Beweidungsintensität für die Erhaltung der Bienenvielfalt von Bedeutung sein kann. Eine hohe Beweidungsintensität kann jedoch zu einem starken Rückgang des Artenreichtums und der Abundanz von Bienen führen. Außerdem deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland einen hohen Reichtum an floralen Ressourcen aufweist, der eine hohe Bienenvielfalt in afrotropischen Trockengebieten fördert. Nichtsdestotrotz zeigte sich, dass natürliche Savannen eine einzigartige Artenzusammensetzung aufweisen. Daher sollte die Intensivierung der Landwirtschaft mit saisonalem Brachland mit der Erhaltung von Savannenresten in den Landschaften einhergehen, um die Bienenvielfalt zu erhöhen und die Bestäubungsleistung sicherzustellen. Ebenso deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die zunehmende Urbanisierung und landwirtschaftliche Nutzung auf Landschaftsebene die biologische Vielfalt von Pflanzen und Bestäubern verringert, was sich negativ auf ihre komplexen Interaktionen mit Pflanzen auswirkt. Umgekehrt hat sich die Verfügbarkeit von Blütenressourcen auf lokaler Ebene als positiv erwiesen, da sie den Rückgang der Bestäuber abpuffert und alle durch die Intensivierung der Flächennutzung verursachten negativen Auswirkungen abmildert. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Auswirkungen der menschlichen Landnutzung (Viehbeweidung und Landwirtschaft) nicht isoliert wirken, sondern synergetisch mit Klimafaktoren wie der mittleren Jahrestemperatur (MAT) zusammenwirken. Die Auswirkung von MAT auf den Artenreichtum der Bienen in Weidegebieten erwies sich als nachteiliger als in landwirtschaftlich genutzten Lebensräumen. Dies könnte wahrscheinlich durch die verbleibende Vegetationsdeckung nach einer anthropogenen Störung erklärt werden. Das bedeutet, dass die verbleibende Vegetationsdeckung im landwirtschaftlichen Gradienten wahrscheinlich die Sonneneinstrahlung absorbiert und damit die nachteiligen Auswirkungen der mittleren Jahrestemperatur auf den Artenreichtum der Bienen verringert. Dies ist im Weidegradienten nicht der Fall, da die Auswirkungen der Beweidung durch das Weidevieh schwerwiegend sind und kahles Land ohne nennenswerte Vegetationsbedeckung zurücklassen. Unsere Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass ein Verständnis des Zusammenspiels verschiedener anthropogener Aktivitäten und ihrer Interaktion mit MAT als Folge des fortschreitenden Klimawandels notwendig ist, um die potenziellen Folgen für die Bienenbestände und die Bereitstellung von Ökosystemleistungen zu mildern. Darüber hinaus können die künftige Zunahme der Viehbeweidung und die Intensivierung der Landwirtschaft (einschließlich ganzjährig bewässerter Monokulturen und übermäßiger Einsatz von Agrochemikalien) zu unerwünschten Folgen wie dem Verlust von Arten und Bestäubungsleistungen führen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:25772 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Lasway, Julius Vincent |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_ohne_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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