Biology, sustainability and socio-economic impact of wild plant collection in NW South America

Abstract

All over the world and especially in the northwest of South America wild plants and plant resources are of high ecological, cultural and economic - often substantial – importance for countless people. Particularly in the species-rich tropics a wide variety of different plants provides an enormous range of essential ecosystem services that are used directly or indirectly by humans. Indirect use here refers to ecosystem services (such as, biomass and oxygen production by photosynthesis, carbon dioxide sequestration, water purification, erosion control, etc.), direct use represents the collection and use of ecosystem goods, i.e., the harvesting and utilization of plant resources (such as timber, fruits, leaves, roots, seeds, fibres, resins, waxes, etc.). This work focuses on two main subject areas in this context, which are presented separately in the different chapters: After a general, cross-thematic and contextualizing introduction (Chapter 1), the following three chapters deal with questions about the scope, sustainability and economic importance of traded resources from native palms (Arecaceae) in northwestern South America (Chapter 2-4). The second part of this thesis deals with botanical and ecological aspects and the sustainability in the management of wild stocks of a medicinal plant from the Peruvian Andes (Krameria lappacea) and the impact of wild harvest on the condition of individual populations (Chapter 5 & 6). The two topics are processed separately, with each chapter corresponding to a part of the work that has already been published or is in preparation to be published in scientific journals (see page 26 & 27). Each chapter therefore includes separate sections for introduction, materials and methods, results, and discussion. Chapter 7 summarizes the results of Chapters 2-4 (Arecaceae) and Chapter 5 & 6 (Krameria lappacea) and forms the conclusion of this study, which was based on the following research questions: 1\. How can the data on trade with wild plant resources be obtained in a standardized manner? 2\. What are the economically most important native palm species, raw materials and products in northwestern South America in terms of turnover and amounts traded? 3\. What is the overall socio-economic importance of the trade in palm resources for primary producers and which share of the overall benefits do they obtain? 4\. How are leaf and fruit production in Phytelephas aequatorialis correlated to environmental factors (altitude and exposure to sunlight) versus management? 5\. What is the biology of Krameria lappacea and how can sustainable management be based on a biological understanding of the species? To answer these questions both botanical methods were applied in field and laboratory work and in experiments in the greenhouse and botanical economic data were analyzed. Chapter 1 presents the here treated plants, explains the relationship between ecosystem services and the use of wild plants, reports on the legal backgrounds of wild harvesting and marketing of vegetable raw materials in South America and presents a typical analysis tool of economic botany. Furthermore, the objectives of the work are listed and the research approach is explained and a general overview of the structure of the dissertation is given. Chapters 2-4 deal with questions about the scope, sustainability and economic importance of the trade resources with native palm (Arecaceae) in northwestern South America. In Chapter 2, a standardized research protocol (SRP) is presented, which was designed as a simple and universally applicable tool for capture of relevant data on the production and commercialization of palm products by means of standardized surveys of stakeholders. The SRP consists of three components: (I) the manual with instructions for conducting interviews, including a questionnaire, (II) the forms for data recording during the interviews and (III) the data capture table (DCT) for the transfer and consolidation of data. The questionnaire includes all necessary questions, the answering of which represent relevant data that are necessary for the understanding of the detailed processes of all commercial activities (e.g., questions about origin, quantity and type of raw materials used, the timing and nature of manufacturing processes; expenses and profits of individual stakeholders, trade limiting factors). General problems and limitations in the application of the SRPs are discussed. Chapter 3 presents the results of an extensive revision on trade in palm products in northwestern South America, which is based on over 200 scientific publications and internet sources. Palm trees are particularly present near the equator and are known worldwide as third most important crop family after the grasses and legumes, as they provide a variety of raw materials and products. Besides wood, countless non- timber products (NTFPs) are used and marketed. The bulk of palm products is used directly and has particularly in rural communities of tropical countries many important applications in subsistence. Palms provide a wide range of resources ranging from food and feed, construction materials and raw materials for traditional or modern crafts through to cosmetics and medical applications. Trade with palm products takes place at the local, regional, national and international level. This work is focused on value chains, volumes traded, prices, and the recent developments of some of the most economically important, native palms and the raw materials they provide. Socio-economic aspects are also presented and discussed. For many households, the marketing of palm resources or products represents one of the most important options to participate in the cash economy, which is essential to provide access to health care and education. Overall, native palm products are playing an important socio-economic role in local, regional and sometimes national markets (“drivers of economy”) in South America. However, the number of traded native palm products decreases with increasing geographical extent, i.e., the number of products that are traded internationally is relatively small and represents only a fraction of the usable diversity of resources. Nevertheless, some native palms are of particular economic importance since they deliver export products with turnovers reaching tens of million US$, such as palm hearts and vegetable ivory. Chapter 4 is a case study on productivity and sustainable management of Phytelephas aequatorialis, a palm endemic to western Ecuador. This species provides vegetable ivory (tagua, the endosperm) for handicraft and also leaves for thatch. Harvest of commercialized resources is mainly from nature, although the palm is occasionally cultivated. Most seeds are collected from the ground. In times of high demand, however, some primary producers tend to collect immature inflorescence; these young seeds are of low quality and not suitable for the production of tagua products for export. The development of the inflorescence takes at least three years in the lowlands and over four years at the Andean slopes at around 1,400 m above sea level. Data from 365 palms included in this study showed that male palm trees produce significantly more leaves than female palms. The harvest of leaves has little effect on the production of leaves, but the fruit production is significantly reduced. Sustainable use and marketing of the two partially exclusive and locally competing products tagua (vegetable ivory) and cade (leaves for roofs) have to be carefully designed. Application of non- sustainable practices in the harvest of seeds and leaves, moderately efficient regeneration of populations in pastures and insufficient availability of high- quality raw material for the tagua manufacturing industry represent the greatest challenges in the sustainable utilization of this valuable palm species in the future. Chapter 5 and 6 deal with botanical and ecological aspects and backgrounds of sustainability in the management of wild stocks of a medicinal plant from the Peruvian Andes (Krameria lappacea) and the impact of wild harvest in the state of individual populations. In Chapter 5 the results of the study of parasitism and haustorium anatomy of Krameria lappacea (rhatany, Krameriaceae) are presented. Rhatany is an endangered medicinal plant from the semi-desert of the South American Andes and is destructively harvested from nature. The present study investigated the presence or absence of hemiparasitism, the host plant spectrum and morphology and anatomy of the haustoria. Hemiparasitism could be confirmed and 106 haustorial connections to 18 host plant species from 17 genera and 12 plant families were recorded. By the results of this study, the number of known host plants was doubled for Krameria and the list of hosts was extended by four angiosperm families. Overall, K. lappacea is a very generalistic hemiparasite, which probably influences the performance of most perennial species in its habitat. Over- collection therefore probably affects the entire vegetation notably. Strategies for the conservation and sustainable harvesting should have high priority due to the special ecological and economic importance of this species. Chapter 6 deals with the effects of wild harvest on the condition of natural Krameria lappacea populations and the question how to make the sustainable wild harvesting based on a better understanding of the biology of the species. Krameria root extracts are used as a promising ingredient for various cosmetic and pharmaceutical preparations. However, commercial cultivation of this medicinal plant is not economical. The commercial sourcing takes place mainly in Peru. By destructive harvesting techniques and extensive marketing wild stocks of this type are becoming increasingly rare, and in some areas rhatany populations are already heavily degraded (commercially extinct). The study is based on abundance data from the 238 examined plots (100 square meters) in 6 regions in Peru and the conditions of the differently affected populations are compared and discussed. Experimental results on the germination of rhatany are presented, which have relevance for available management options. Strategies for the conservation of K. lappacea should have high priority and it is strongly recommended to promote the implementation of sustainable harvesting practices. In Chapter 9, the major findings of each chapter are finally summarized and discussed separately for both main subjects of this work.

Auf der ganzen Welt und besonders im Nordwesten Südamerikas sind wilde Pflanzen und Pflanzenressourcen für unzählige Menschen von hoher ökologischer, kultureller und wirtschaftlicher - häufig substanzieller - Bedeutung. Besonders in den artenreichen Tropen liefert eine Vielzahl von unterschiedlichen Pflanzen eine enorme Bandbreite an essentiellen Ökosystemischen Leistungen, die direkt oder indirekt vom Menschen genutzt werden. Indirekte Nutzung bezieht sich hier auf Ökosystemische Leistungen (wie z.B., Biomasse- und Sauerstoffproduktion durch Photosynthese, Kohlendioxid- Sequestrierung, Wasserreinigung, Erosionsschutz, etc.), direkte Nutzung meint Entnahme und Gebrauch von Ökosystemischen Gütern, d.h. die Ernte und Nutzung von pflanzlichen Rohstoffen (wie Holz, Früchte, Blätter, Wurzeln, Samen, Fasern, Harze, Wachse, etc:). Im Zentrum dieser Arbeit stehen in diesem Zusammenhang zwei Themenbereiche, unterteilt in mehrere Teilaspekte, die separat in einzelnen Kapiteln bearbeitet werden. Nach einer allgemeinen, themenübergreifenden und kontextualisierenden Einleitung (Kapitel 1) beschäftigen sich die folgenden drei Kapitel mit Fragen zu Umfang, Nachhaltigkeit und wirtschaftlicher Bedeutung des Handels mit nativen Palmenressourcen (Arecaceae) im Nordwesten Südamerikas (Kapitel 2-4). Der zweite Teil der Arbeit befaßt sich mit botanischen und ökologischen Aspekten und Hintergründen zur Nachhaltigkeit in der Bewirtschaftung wilder Bestände einer Medizinalpflanze aus den peruanischen Anden (Krameria lappaceae) und den Auswirkungen der Wildernte auf den Zustand einzelner Populationen (Kapitel 5 & 6). Die beiden Themenbereiche werden separat bearbeitet, wobei die einzelnen Kapitel Beiträgen entsprechen, die bereits in Fachzeitschriften veröffentlicht wurden, bei diesen eingereicht sind oder in Kürze eingereicht werden. Dies ist den jeweiligen Fußnoten auf Seite 26 und 27 zu entnehmen. Jedes Kapitel enthält dementsprechend eigene Abschnitte zur Einleitung, zu den Materialien und Methoden, Ergebnissen und eine Diskussion. Kapitel 7 diskutiert zusammenfassend die Ergebnisse der Kapitel 2-4 (Arecaceae) bzw. Kapitel 5 & 6 (Krameria lappacea) und bildet den Abschluß der vorliegenden Arbeit, der folgende wissenschaftliche Fragestellungen zu Grunde lagen: 1\. Wie können Daten über den Handel mit pflanzlichen Ressourcen aus Wildernte in standardisierter Form aufgenommen werden? 2\. Welche sind die wirtschaftlich bedeutendsten einheimischen Palmenarten, Rohstoffe und Produkte in Bezug auf Umsatz und Handelsvolumen im nordwestlichen Südamerika? 3\. Welche sozioökonomische Bedeutung hat der Handel mit Palmrohstoffen für Primärproduzenten und wie hoch ist ihre Profitbeteiligung? 4\. Welchen Einfluß haben Umweltfaktoren (Höhenlage und Lichtintensität) und Bewirtschaftungweise auf Blatt- und Fruchtproduktion bei Phytelephas aequatorialis? 5\. Was ist die Biologie von Krameria lappacea und wie kann nachhaltiges Management auf dem biologischen Verständnis der Art basieren? Um diese Fragen zu beantworten wurden sowohl botanische Methoden in Feld- und Laborarbeiten angewandt, als auch Experimente im Gewächshaus durchgeführt und ökonomisch botanische Daten analysiert. Kapitel 1 stellt einleitend die hier behandelten Pflanzen vor, führt in die Thematik ein und erläutert den Zusammenhang zwischen Ökosystemischen Leistungen und der Nutzung von Wildpflanzen, berichtet über die legalen Hintergründe von Wildsammlung und Vermarktung pflanzlicher Rohstoffe in Südamerika und stellt ein in der ökonomischen Botanik eingesetztest Analysewerkzeug vor. Weiterhin werden die Ziele der Arbeit aufgeführt und es wird erläutert, welche Ansätze zur Bearbeitung der Themenkomplexe gewählt wurden und eine Übersicht über die Gliederung der Arbeit gegeben. Kapitel 2-4 beschäftigen sich mit Fragen zu Umfang, Nachhaltigkeit und wirtschaftlicher Bedeutung des Handels mit nativen Palmenressourcen (Arecaceae) im Nordwesten Südamerikas. In Kapitel 2 wird ein Standardisiertes Forschungsprotokoll (SRP) vorgestellt, welches speziell als einfaches und universell anwendbares Werkzeug entwickelt wurde, um relevante Daten zur Produktion und Vermarktung von Palmenprodukten mit Hilfe von Befragungen Beteiligter in einheitlicher Form aufzunehmen. Das SRP besteht aus drei Komponenten: (I) Anleitung zur Durchführung von Interviews und inklusive Fragenkatalog, (II) Formulare für die Datenaufnahme während der Befragungen und (III) Datenaufnahmetabelle (DCT) zur Übertragung und Zusammenführung von Daten. Der Fragenkatalog bezieht alle notwendigen Fragen mit ein, deren Beantwortung relevante Daten liefern, die für das Verstehen der genauen Abläufe aller kommerziellen Aktivitäten notwendig sind (z.B., Fragen zu Herkunft, Menge und Typ verwendeter Rohstoffe; Art und Ablauf von Verarbeitungsprozessen; Ausgaben und Gewinne einzelner Beteiligter; Faktoren, die den Handel limiteren). Generelle Probleme und Limitierungen in der Anwendungen werden diskutiert. Kapitel 3 stellt die Ergebnisse einer umfangreichen Revision über den Handel mit Palmenprodukten im nordwestlichen Südamerika vor, die auf über 200 wissenschaftlichen Publikationen und Internetquellen basiert. Palmen sind in Äquatornähe besonders präsent und gelten weltweit als drittwichtigste Nutzpflanzenfamilie nach den Süßgräsern und Hülsenfrüchten, da sie eine Vielzahl von Rohstoffen und Produkten liefern. Neben Holz werden auch zahllose Nicht-Holzprodukte (NTFPs) genutzt und vermarktet. Der größte Teil der Palmprodukte wird direkt genutzt und findet besonders in ländlichen Gemeinden tropischer Länder vielerlei subsistenziell bedeutende Anwendungen. Angefangen bei Nahrungsmitteln und Futtermitteln über Baumaterialien und Rohstoffe für traditionelles oder modernes Handwerk bis hin zu Kosmetika und medizinischen Anwendungen stellen Palmen eine große Bandbreite an Ressourcen bereit. Handel mit Palmprodukten erfolgt auf lokaler, regionaler, nationaler und internationaler Ebene. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf Wertschöpfungsketten, Handelsvolumen, Preisen, und den jüngsten Entwicklungen für einige der ökonomisch bedeutendsten, heimischen Palmen und deren Rohstoffe. Sozioökonomische Aspekte werden ebenfalls vorgestellt und diskutiert. Für viele Haushalte stellt die Vermarktung von Palmressourcen oder -produkten eine der wichtigsten Möglichkeiten dar auch über den Tauschhandel hinaus an der Geldwirtschaft teilzunehmen, was u.a. entscheidend für den Zugang zu ärztlicher Versorgung und Bildung ist. Insgesamt spielen native Palmprodukte in Südamerika also eine wichtige sozioökonomische Rolle in lokalen, regionalen und manchmal nationalen Märkten („drivers of economy“). Die Zahl der gehandelten nativen Palmprodukte nimmt jedoch mit steigendem geografischen Ausmaß deutlich ab, d.h., die Zahl der Produkte, die international gehandelt werden ist vergleichsweise gering und stellt nur einen Bruchteil der nutzbaren Ressourcenvielfalt dar. Native Palmen von besonderer ökonomischer Bedeutung liefern Exportprodukte mit Umsätzen in zweistelliger Millionenhöhe, wie z.B. Palmherzen und pflanzliches Elfenbein. Kapitel 4 ist eine Fallstudie zu Fragen der Produktivität und der nachhaltigen Bewirtschaftung von Phytelephas aequatorialis, eine im Westen Ecuadors endemisch vorkommende Palme. Von dieser Art werden pflanzliches Elfenbein (tagua, das Endosperm) und Blätter für das Decken von Palmdächern vor allem aus der Natur geerntet und kommerzialisiert, obwohl die Palme gelegentlich angebaut wird. Die meisten Samen werden vom Boden gesammelt. In Zeiten hoher Nachfrage jedoch, sammeln einige Primärproduzenten unreife Fruchtstände; diese jungen Samen sind von minderer Qualität und nicht geegnet für die Herstellung von tagua Produkten für den Export. Die Entwicklung der Fruchtstände dauert im Tiefland drei Jahre und über vier Jahre an den Anden-Hängen bei rund 1400 m ü.N.N. Daten von 365 untersuchten Palmen zeigen, dass männliche Palmen deutlich mehr Blätter als weibliche Palmen produzieren. Die Ernte von Blättern hat nur geringe Auswirkung auf die Produktion von Blättern, reduziert die Fruchtproduktion jedoch erheblich. Nachhaltige Nutzung und Vermarktung der beiden teilweise exklusiven und lokal konkurrierenden Produkte tagua (pflanzliches Elfenbein) und cade (Blätter für Dächer) müssen sorgfältig durchdacht werden. Einsatz nicht nachhaltiger Praktiken in der Ernte von Samen und Blättern, mäßig effiziente Regeneration von Populationen auf Weideland und unzureichende Verfügbarkeit hoch-qualitativer Rohstoffe für die verarbeitende Industrie repräsentieren die größten Herausforderungen bei der nachhaltigen Nutzung dieser wertvollen Palmart in der Zukunft. Kapitel 5 & 6 befassen sich mit botanischen und ökologischen Aspekten und Hintergründen zur Nachhaltigkeit in der Bewirtschaftung wilder Bestände einer Medizinalpflanze aus den peruanischen Anden (Krameria lappacea) und den Auswirkungen der Wildernte auf den Zustand einzelner Populationen In Kapitel 5 werden die Ergebnisse zur Studie Parasitismus und Haustoriumanatomie von Krameria lappacea (Ratanhia, Krameriaceae) präsentiert. Ratanhia ist eine gefährdete, übersammelte Heilpflanze aus den Halbwüsten in den südamerikanischen Anden und wird destruktiv aus der Natur geerntet. Die vorliegende Studie untersucht die Anwesenheit oder Abwesenheit von Hemiparasitismus, das Wirtspflanzenspektrum sowie Morphologie und Anatomie der Haustorien. Hemiparasitismus konnte bestätigt werden, 106 haustoriale Verbindungen zu 18 Wirtspflanzenarten aus 17 Gattungen und 12 Pflanzenfamilien wurden dokumentiert. Durch die Ergebnisse dieser Studie wurde die Anzahl von bekannten Wirtspflanzen für Krameria verdoppelt und um vier zusätzliche Angiospermefamilien erweitert. K. lappacea ist insgesamt ein sehr generalistischer Hemiparasit und hat Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der meisten mehrjährigen Arten in ihrem Lebensraum. Übersammlung betrifft daher wahrscheinlich die gesamte Vegetation. Aufgrund der speziellen ökologischen und wirtschaftlichen Bedeutung dieser Art sollten Strategien zur Erhaltung und zur nachhaltigen Ernte hohe Priorität haben. Kapitel 6 befaßt sich mit den Auswirkungen von Wildernte auf den Zustand natürlicher Krameria lappacea Populationen und der Frage wie man auf Basis eines besseren biologischen Verständnisses der Art die Wildernte nachhaltiger gestalten kann. Krameria Wurzelextrakte werden als vielversprechende Zutaten für diverse kosmetische und pharmazeutische Präparate eingesetzt. Eine kommerzielle Kultivierung dieser Heilpflanze ist jedoch nicht ökonomisch. Die kommerzielle Beschaffung erfolgt hauptsächlich in Peru. Durch destruktive Erntetechniken und umfangreiche Vermarktung werden wilde Bestände dieser Art immer seltener und in einigen Gegenden ist Ratanhia bereits erheblich dezimiert (commercially extinct). Die Studie basiert auf den Abundanzdaten aus der Untersuchung von 238 plots (100 qm) in 6 Regionen in Peru und der Zustand der unterschiedlich beeinflußten Populationen wird verglichen und diskutiert. Experimentelle Ergebnisse zur Keimung von Ratanhia, die Relevanz für verfügbare Management-Optionen haben, werden vorgestellt. Strategien zur Erhaltung von K. lappacea sollten hohe Priorität haben und es wird dringend empfohlen die Umsetzung verfügbarer nachhaltiger Erntepraktiken zu fördern. In Kapitel 9 werden für beide Themenkomplexe der Arbeit die Kernaussagen der einzelnen Kapitel abschließend zusammengefasst und diskutiert.