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

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. Savannen-Okosysteme sind oft von Grasern wie Kyasuwa (Cenchrus pedicellatus) dominiert, stellen aber auch wichtige Refugien fur okonomisch relevante Arten wie Shea (Vitellaria paradoxa) dar und werden fur den Anbau von Food Crops genutzt. Somit haben diese Okosysteme eine grose soziookonomische Bedeutung. Wechselwirkungen zwischen Grasern und Baumen bewirken, dass Savannen-Okosysteme eine grose Empfindlichkeit gegenuber Faktoren des Globalen Wandels aufweisen. Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einiger Faktoren des Globalen Wandels (erhohte atmospharische CO2 Konzentrationen (eCO2), verringerte Wasserverfugbarkeit, Feuer and Konkurrenz zu Grasern) auf Photosynthese, Wachstum, Biomasse-Allokation und Nahrstoffgehalt 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 Zusammenhange der verschiedenen Kapitel diskutiert, deren Implikationen aufzeigt und eine Ausblick auf zukunftige Forschung zum Thema gibt (Kapitel 6 und Box 2). Kapitel 2 befasst sich mit der verfugbaren Literatur zu Shea und schlussfolgert, dass eine einheitliche Methodik zur Bestimmung der Verbreitung, Dichte, der biochemischen Zusammensetzung und der Charakterisierung regionaler Populationen notwendig ist. Daruber hinaus empfiehlt es, Forschung zur Okophysiologie von Shea-Keimlingen zur Erfassung moglicher Effekte des Klimawandels durchzufuhren und Dendrochronologie als mogliche Methode zu Altersbestimmung von Shea zu prufen. Kapitel 3 befasst sich mit den Effekten von eCO2, Wasser- und Nahrstoffverfugbarkeit 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-Verhaltnis (R:S) bewirkt, was zu einer geringeren Konkurrenzstarke unter Trockenheit und Nahrstoffmangel fuhren konnte. Kapitel 4 stellt Ergebnisse einer Studie dar, welche den Effekt von eCO2 auf Shea in Abhangigkeit von Wasserverfugbarkeit und Konkurrenz (durch Graser) untersucht. Die Ergebnisse deuten auf eine erhohte photosynthetische Kohlenstoffaufnahme hin, wahrend die stomatare Leitfahigkeit reduziert war, was zu einer erhohten Wassernutzungs-Effizienz fuhrt. Die erhohte Kohlenstoffaufnahme manifestierte sich allerdings nur in einer erhohten Spross-Biomasseallokation, nicht aber in veranderte Biomasse per se. Konkurrenz zu Grasern fuhrte zu geringerer Photosynhtese und Wachstum. Kapitel 5 beschreibt die Regenerationsfahigkeit von Shea nach Feuer. Shea-Keimlinge zeigten eine schnelle Regeneration hinsichtlich Gaswechsel, Wachstum und Biomasseallokation. Vier Monate nach einem Feuerereignis waren Photosynthese- und Wachstumsraten ahnlich zwischen Kontroll- und Feuertreatments. Box 1 befasst sich mit den Allokationsmustern von Kohlenstoff und Stickstoff in Blattern und Wurzeln von Shea-Keimlingen nach einem Feuerereignis. Fluoreszenzparamenter, der sog. Nitrogen-Balance-Index und del13C (Blatter und Wurzlen) waren ahnlich in beiden Treatments. Dem gegenubar wurden hohere Stickstoff-zu-Chlorophyll- und Kohlenstoff-zu-Stickstoff-Verhaltnisse sowohl in Blattern als auch in Wurzeln in regenerierenden Keimlingen erfasst. Auserdem wurden signifikante Unterschiede in del13C zwischen Blattern und Wurzeln von Shea beider Treatments erfasst. Box 2 untersucht die Auspragung von Jahresringen in Shea verschiedener Okosysteme in Ghana und diskutiert die mogliche 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 Konkurrenzstarke und den Nahrstoffgehalt von Kyasuwa in trockheitsanfalligen und unfruchtbaren Boden. Im Gegensatz dazu erscheint das Wachstum und die Anpassung von Shea an Faktoren des Globalen Wandels vielversprechend.