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THE HIGH-ALTITUDE ENVIRONMENT OF MT. ELGON (UGANDA, Kenya): CLIMATE AND THE IMPACT OF FIRE VEGETATION (download)

by

KARSTEN WESCHE

ABSTRACT

The present study describes the results of 16-month stay in the lower Afroalpine zone of Mt. Elgon at the border of Uganda and Kenya. The research focused on the relationships between ericaceous communities and truly Afroalpine grasslands, seeking an explanation for the heterogeneous appearance of the ericaceous belt. Climate and fires were the main environmental factors of interest. The altitudinal variation in climate and vegetation was assessed in two transects along the moist western side and the dry eastern side of Mt. Elgon. Climatic conditions in the lower afroalpine zone were measured in more detail, and the impacts of fire assessed by the first burning experiments in an Afroalpine environment. Data on fire ecology were supplemented by information gathered during a vegetation survey of the lower Afroalpine zone and ericaceous belt.
The study revealed lapse rates for soil temperatures of 0,65 to 0.75 K/100 m on both sides of the mountain but the dry eastern exposure was up to 2.5 K warmer. Maximum precipitation was recorded at 2200 to 2600 m on both sides, but differences in precipitation and temperatures vanished above 3600 m as a result of high-altitude easterly winds. Using soil temperatures for climatological research proved to be difficult, since values differed in a non-systematical way from air temperatures. Soil temperatures in the Afroalpine zone were regularly 2-3 K higher than air temperatures (20 cm and 200 cm above ground) and seasonal variation was still clearly detected at 100 cm depth.
The Afroalpine climate of Mt. Elgon is characterized by low annual but high diurnal amplitudes in air temperature. Conditions were more extreme near the ground than in the standard two-meters-high weather screen. There was no evidence for higher temperatures in densely vegetated Afroalpine valleys; instead cold air ponding was a common feature. While seasonal variation in temperature was small, precipitation showed a clearly seasonal pattern with a well-developed dry season. Dry season conditions in 1997 were particularly severe, with eight dry weeks resulting in widespread but not lethal drought stress and, more importantly, extensive fires.
A vegetation survey of the montane forests led to the recognition of 10 plant communities, while a more detailed survey of the lower Afroalpine and ericaceous vegetation yielded 32 plant communities. Communities compared well with vegetation units described for other mountains in the region. Plots in the lower Afroalpine zone usually showed signs of former burning like charred trunks of strikingly patchy vegetation structures. Thus very few samples were truly undisturbed and most units represent secondary, albeit not necessarily unnatural, vegetation. At present fire is the dominant disturbance factor, but large herbivores introduced disturbance long before humans arrived on Mt. Elgon.
Remnant Erica excelsa groves form the present timberline at 3700 m a.s.l, while multistemmed plants of Erica trimera form a gradual transition from forests to scrub. The upper limit of closed ericaceous vegetation is presently reached at 4100 m.
Repeated sampling of selected plots gave an impression of dynamic processes in the vegetation. Plants showed a weak but significant phenology, flowering being concentrated in most cases during the dry season and towards its end. Thus drought stress exerted little influence on reproductive behavior. Phenological phases were never absolute, since at any given time some individuals would flower; quantitative changes were however apparent. While most species preferred the dry season, some flowered all year long and others had very short reproductive cycles not clearly linked to any season. The last group included species with superannually synchronized flowering events (mast years), like the giant rosette plants and the most common tussock grasses.
Fires exerted a strong influence on reproductive behavior. Burned plots showed a remarkable increase in flowering activity; reproduction peaked some 5-7 months after fire in the rainy season, thus being significantly different from the unburned plots. Moreover the tussock grasses, which rarely flowered in unburned vegetation, showed mass flowering half a year after a fire had passed.
Monitoring of post-fire successions gave an insight into the regeneration capabilities of various Afroalpine vegetation types. Dry tussock grasslands and Carex bogs regenerated almost completely within 2 years of burning and Dendrosencecio elgonensis plants were equally capable of survival and fast recovery. Erica plants survived fire as well, but shoot development was slow; two years after burning the plants had still not recovered their original structure. Alchemilla plants were killed by fires and showed no apparent signs of recovery after two years of study.
Thus the fire frequency is of crucial importance for the vegetation distribution in the Afroalpine belt, of Mt. Elgon. Pronounced drought in 1997 and 1999 resulted in severe fires that devastated more than half of the high-altitude environment of Mt. Elgon. All fires were anthropogenic. Long-term climatic records suggest that pronounced drought occurs every 2-8 years, resulting in favourable conditions for burning by hunters and pastoralists. As a consequence, hypothetical fire frequency would be low enough for the regeneration of the prevailing grass communities but not for Erica and Alchemilla scrub. Hence fires are the main factor responsible for the present heterogeneous structure of the lower Afroalpine and ericaceous belt of Mt. Elgon, and presumably also for related communities in other tropical mountains in East Africa and elsewhere.

ZUSAMMENFASSUNG

Die vorliegende Arbeit fasst die Ergebnisse 16-monatiger Feldarbeiten 1996/97 am Mt. Elgon (Grenzbereich Uganda/Kenia) zusammen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag oberhalb der Waldgrenze, wo sich kleinblättrige ericoide Vegetation mit afroalpinen Grasländern verzahnt. Bis in 3700 m NN Höhe zeigen Reste von Erica exelsa-Wäldern heute noch den ehemaligen Verlauf der Waldgrenze an. Weiter oberhalb wird die Art durch E. trimera ersetzt, die bis in 4100 m geschlossene vielstämmige Gehölze bildet.
Im Vordergrund der Untersuchung stand die Frage nach den Ursachen dieser mosaikartigen Struktur im sogenannten „ericaceous belt“, der Stufe ericoider Vegetation. Klima und Feuer sind hier von besonderer Bedeutung. Je ein Transekt auf der trockenen Ost- und auf der feuchten Westseite dienten der Dokumentation der Klimabedingungen in verschiedenen Höhenstufen. Zusätzlich konnten in der Nähe des Basislagers in 3700 m detaillierte Messungen zum Mikroklima durchgeführt werden. Die feuerökologischen Untersuchungen und Experimente konzentrierten sich ebenfalls auf die obere montane und die untere afroalpine Stufe. Eine umfassende Vegetationsbeschreibung dieser Höhenstufen diente der Unterstützung der kleinräumig erarbeiteten Befunde.
Die Bodentemperaturen in 20 cm Tiefe (offener Boden) zeigten Vertikalgradienten von 0,65-0,75 K/100 m, die trockene Ostseite war in der montanen Stufe im Schnitt 2,5 K wärmer. Die höchsten Niederschläge fallen jeweils zwischen 2200 und 2600 m auf der feuchten und auf der trockenen Seite des Mt. Elgon und nehmen nach oben hin ab. Oberhalb 3600 m werden aber beide Seiten von den gleichen nordöstlichen Winden beeinflusst und entsprechend sind die Temperatur- und Niederschlagsbedingungen praktisch gleich. Auch in dieser Arbeit konnte bestätigt werden, dass Bodentemperaturen in offenem Gelände nicht geeignet sind, Lufttemperaturen abzuschätzen. Die Bodentemperaturen liegen immer ca. 2-3 K über den Lufttemperaturen, die Differenz schwankt ohne ein erkennbares Muster im Jahresgang. Jahreszeitlich bedingte Temperaturschwankungen ließen sich bis 100 cm Bodentiefe nachweisen.
Allerdings ist das afroalpine Klima auch am Mt. Elgon durch relativ geringe jahreszeitliche und große tageszeitliche Temperaturschwankungen charakterisiert. Die tageszeitlichen Schwankungen sind in Bodennähe extremer als in 2 m Höhe. Den schwachen thermischen Jahreszeiten stehen allerdings ausgeprägte hygrische Jahreszeiten mit einer deutlichen Trockenzeit gegenüber. Die Trockenzeit 1997 dauerte besonders lange; es regnete 8 Wochen überhaupt nicht. Die Folgen dieser Trockenzeit waren erhebliche aber nie letale Trockenschäden bei verschiedenen Pflanzenarten und ausgedehnte Feuer in der ganzen Bergregion.
Die Vegetationsklassifikation ergab 10 Pflanzengemeinschaften für die afromontane Stufe, und mit einem etwas detaillierteren Ansatz insgesamt 32 Gemeinschaften für den Gürtel ericoider Vegetation und die afroalpine Stufe. Diese decken sich weitgehend mit bereits beschriebenen Vegetationseinheiten von den Nachbarbergen im tropischen Afrika. Die weitaus meisten Flächen in der unteren afroalpinen Stufe zeigten Hinweis auf frühere Feuer wie mosaikartige Vegetationsstrukturen oder verkohlte Stämme, sehr wenige Flächen wirkten nicht gestört. Entsprechend sind in dieser Arbeit vorwiegend sekundäre Vegetationseinheiten beschrieben, die aber nicht unbedingt als unnatürlich gelten können. Störungen sind vermutlich auch in afroalpinen Regionen Teil der natürlichen Dynamik. Im Moment ist Feuer der dominante Faktor, aber Megaherbivoren dürften für Störungen und Auflockerung der Gehölzvegetation gesorgt haben, lange bevor der Mensch am Berg siedelte.
Dynamische Veränderungen in diesen Vegetationseinheiten wurden mit Wiederholungsaufnahmen auf gleichen Flächen untersucht. Die meisten Pflanzen zeigten eine schwache Phänologie, wobei Blüten am Ende der Trockenzeit gehäuft auftraten. Das weist darauf hin, dass auch der ausgeprägte Trockenstress 1997 die Bildung von Reproduktionsorganen offenbar nicht behindert hat. Allerdings fanden sich zu allen Jahreszeiten einzelne blühende Individuen, so dass die phänologischen Jahreszeiten mehr quantitativer als qualitativer Natur waren. Einige Arten zeigten keine jahreszeitlichen Blührhythmen und blühten das ganze Jahr, andere zeigten nur sehr kurze, jahreszeitlich ungebundene Blühphasen. Zu dieser letzten Gruppe gehörten auch die wichtigen Tussock-Gräser (Bultgräser) und die Schopfrosetten-Pflanzen.
Nach Brand war die Blühaktivität deutlich erhöht. Auf den experimentell gebrannten Flächen setzte 5-7 Monate nach dem Feuer verstärktes Blühen ein, diese Blühphase war um 6 Monate gegenüber dem jahreszeitlich bedingten Rhythmus ungebrannter Flächen verschoben. Die häufigsten Tussock-Gräser blühten praktisch nur auf gebrannten Flächen, auf ungebrannten Flächen waren Blüten extrem selten.
Die Regenerationsfähigkeit verschiedener afroalpiner Pflanzengemeinschaften nach Brand erwies sich als sehr unterschiedlich. Carex-Rieder und afroalpines Grasland regenerierten praktisch vollständig innerhalb der ersten zwei Jahre nach Brand, auch Dendrosenecio elgonensis-Schopfrosettenbäume erholten sich ähnlich rasch. Erica-Pflanzen verloren in der Regel die gesamte Grünmasse bei Feuer, überlebten aber meist und schlugen wieder aus. Die Entwicklung der Triebe war allerdings sehr langsam und zwei Jahre nach Brand war die ursprüngliche Struktur noch nicht ansatzweise wieder hergestellt. Alchemilla-Sträucher brannten generell sehr heiß und wurden dabei abgetötet. Die von ihnen dominierten Pflanzengemeinschaften zeigten auch zwei Jahre nach Brand keine Anzeichen von Regeneration.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Intervalle zwischen den Bränden darüber entscheiden, welche Pflanzengemeinschaften sich auf Dauer halten können. Sowohl 1997 als auch 1999 traten sehr ausgeprägte Trockenzeiten mit nachfolgenden schweren Bränden auf, die insgesamt mehr als die Hälfte der afroalpinen Vegetation des Mt. Elgon zerstörten. Alle Feuer waren antropogenen Ursprungs. Langfristige Klimamessungen in der Fußstufe des Berges zeigen, dass solchen Trockenzeiten etwa alle 2-8 Jahre auftreten; dann nutzen Hirten und Jäger die trockenen Bedingungen, um durch Brände frisches Gras zu erzeugen. Entsprechend wären die Feuerintervalle lang genug zur Regeneration afroalpiner Grasländer und ähnlicher Pflanzengemeinschaften, während Erica- und Alchemilla-Gehölze zurück gedrängt werden.
Damit sind Feuer die wichtigste Ursache für die heutige mosaikartige Struktur des „ericaceous belt“ des Mt. Elgon und höchstwahrscheinlich auch für ähnliche Vegetationsmuster in anderen tropischen Hochgebirgen.

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