Methodological integration for enhanced analysis of the structure of forest patches in Western Africa

Tropical forests are increasingly threatened by deforestation, fragmentation, and degradation, primarily driven by agriculture, logging, and fire. In Western Africa, thousands of small and isolated forest patches persist in agriculture-dominated landscapes. Although often unprotected, these forests provide essential ecosystem services such as biodiversity conservation, carbon storage, and the supply of resources like timber and bushmeat, while also holding cultural and spiritual significance. Safeguarding them requires a deeper understanding of their ecological functioning, as well as innovative monitoring approaches and consideration of local socio-economic realities. However, knowledge about the structure of these forests—an essential ecological feature—is limited. Forest structure determines whether a forest is composed of large versus small trees, how canopy layers are organized, and whether gaps dominate the canopy. Such attributes are directly linked to forest biomass and carbon sequestration, both of which are key indicators of ecological functioning. This thesis contributes to closing this knowledge gap by analyzing the structure, aboveground biomass (AGB), and tree species richness of tropical forest patches across Western Africa. The research focused on nine forest patches in Togo, Benin, Nigeria, and Cameroon, based on 121 forest plots with tree inventories and species identifications. The results revealed relatively intact forest structure and high aboveground biomass (85–260 Mg/ha), as well as the presence of several vulnerable and endangered tree species such as Afzelia bipindensis and Guibourtia tessmannii. At the same time, the forest patches showed pronounced edge effects: degradation was most visible near the edges, while more intact zones were confined to the core. Structural metrics—including basal area, canopy height, species richness, complexity, and tree vitality—increased with distance from the edge. In highly isolated patches, edge effects also reduced AGB and wood density. AGB values in the studied community forests were lower than those in nearby officially protected areas, underscoring the importance of conservation measures beyond formal reserves. Beyond describing ecological conditions, this thesis advances methodological innovation for forest assessment. A terrestrial laser scanner (TLS) was tested to estimate AGB and compared with manual inventories. While both methods produced moderately correlating results, challenges remained due to sensor occlusion and the lack of species-specific wood density data. In addition, unmanned aerial vehicles (UAVs) equipped with LiDAR and multispectral sensors enabled fine-scale disturbance mapping, complementing ground-based information on forest structure and vitality. Together, these tools demonstrate how emerging technologies can improve monitoring of fragmented tropical forests. Finally, the thesis integrates social dimensions to contextualize ecological findings. Through 328 interviews with regular forest users, it examined local perceptions of forest integrity and forest-related activities such as hunting and logging. Results revealed contrasting perspectives: in intensively used areas, degradation was often not perceived as a major concern, whereas communities maintaining sacred forests showed strong awareness of threats such as fire and illegal logging. Forests near urban centers exhibited higher exploitation pressure, and interviewees frequently reported declining forest areas and the disappearance of key species. These insights highlight the role of cultural traditions and socio-economic contexts in shaping both forest condition and conservation prospects. Taken together, the results highlight that Western Africa’s remaining forest patches retain important ecological value—relatively intact structures, high biomass stocks, and threatened species—yet remain highly vulnerable to edge effects and human pressure. To safeguard their ecological and social value, this thesis recommends conservation strategies such as establishing buffer zones to reduce edge degradation, reconnecting fragments with habitat corridors, and integrating socio-economic approaches into forest management. By combining ecological analysis, methodological innovation, and social perspectives, the thesis advances knowledge on tropical forest functioning and provides tools and strategies for their sustainable management. Les forêts tropicales sont de plus en plus menacées par la déforestation, la fragmentation et la dégradation, principalement sous l’effet de l’agriculture, de l’exploitation forestière et des incendies. En Afrique de l’Ouest, des milliers de petits fragments forestiers isolés subsistent dans des paysages dominés par l’agriculture. Bien que souvent non protégées, ces forêts fournissent des services écosystémiques essentiels tels que la conservation de la biodiversité, le stockage du carbone et l’approvisionnement en ressources comme le bois et le gibier, tout en revêtant une importance culturelle et spirituelle. Les protéger nécessite une compréhension approfondie de leur fonctionnement écologique, ainsi que des approches de suivi innovantes et la prise en compte des réalités socio-économiques locales. Cependant, les connaissances sur la structure de ces forêts — une caractéristique écologique essentielle — restent limitées. La structure forestière détermine si une forêt est composée principalement de grands ou de petits arbres, comment les strates de la canopée sont organisées et si les trouées dominent la couverture forestière. Ces attributs sont directement liés à la biomasse aérienne (BA) et à la séquestration du carbone, deux indicateurs clés du fonctionnement écologique. Cette thèse contribue à combler cette lacune en analysant la structure, la biomasse aérienne (BA) et la richesse en espèces d’arbres des fragments forestiers tropicaux d’Afrique de l’Ouest. La recherche s’est concentrée sur neuf fragments forestiers situés au Togo, au Bénin, au Nigeria et au Cameroun, à partir de 121 parcelles forestières avec inventaires d’arbres et identification des espèces. Les résultats ont révélé une structure forestière relativement intacte et une biomasse aérienne élevée (85–260 Mg/ha), ainsi que la présence de plusieurs espèces d’arbres vulnérables et menacées telles que Afzelia bipindensis et Guibourtia tessmannii. En même temps, les fragments forestiers ont montré des effets de lisière prononcés : la dégradation était la plus visible près des bords, tandis que des zones plus intactes étaient confinées au coeur des fragments. Les indicateurs structurels — notamment la surface terrière, la hauteur de la canopée, la richesse en espèces, la complexité structurale et la vitalité des arbres — augmentaient avec la distance par rapport à la lisière. Dans les fragments fortement isolés, les effets de lisière réduisaient également la biomasse aérienne et la densité du bois. Les valeurs de BA dans les forêts communautaires étudiées étaient inférieures à celles des zones protégées officielles à proximité, soulignant l’importance de mesures de conservation au-delà des réserves formelles. Au-delà de la description des conditions écologiques, cette thèse fait progresser l’innovation méthodologique pour l’évaluation forestière. Un scanner laser terrestre (TLS, terrestrial laser scanner) a été utilisé pour estimer la BA et comparé aux inventaires manuels. Bien que les deux méthodes montrent une corrélation moderée, des difficultés subsistent en raison de l’occultation des capteurs et du manque de données de densité du bois spécifiques aux espèces. De plus, des véhicules aériens sans pilote (UAV, unmanned aerial vehicle) équipés de LiDAR et de capteurs multispectraux ont permis de cartographier les perturbations à fine échelle, complétant les informations obtenues au sol sur la structure et la vitalité forestières. Ensemble, ces outils démontrent comment les technologies émergentes peuvent améliorer le suivi des forêts tropicales fragmentées. Enfin, la thèse intègre des dimensions sociales pour contextualiser les résultats écologiques. Grâce à 328 entretiens avec des usagers de la forêt, elle a examiné les perceptions locales de l’intégrité forestière et les activités forestières telles que la chasse et l’exploitation du bois. Les résultats ont révélé des perspectives contrastées : dans les zones à forte exploitation, la dégradation n’était souvent pas perçue comme un problème majeur, tandis que les communautés maintenant des forêts sacrées montraient une forte conscience des menaces telles que les incendies et l’exploitation illégale. Les forêts situées à proximité des centres urbains présentaient une pression d’exploitation plus élevée, et les interviewés signalaient fréquemment un recul des surfaces forestières et la disparition d’espèces clés. Ces observations mettent en évidence le rôle des traditions culturelles et des contextes socio-économiques dans la détermination de l’état des forêts et des perspectives de conservation. Dans l’ensemble, les résultats montrent que les fragments forestiers restants d’Afrique de l’Ouest conservent une valeur écologique importante — structures relativement intactes, stocks élevés de biomasse et espèces menacées — mais restent très vulnérables aux effets de lisière et aux pressions humaines. Pour préserver leur valeur écologique et sociale, cette thèse recommande des stratégies de conservation telles que l’établissement de zones tampons pour réduire la dégradation en bordure, la reconnexion des fragments par des corridors écologiques et l’intégration d’approches socio-économiques dans la gestion forestière. En combinant analyse écologique, innovation méthodologique et perspectives sociales, la thèse fait progresser la connaissance du fonctionnement des forêts tropicales et fournit des outils et stratégies pour leur gestion durable. Tropische Wälder sind zunehmend durch Abholzung, Fragmentierung und Degradierung bedroht, hauptsächlich verursacht durch Landwirtschaft, Holzeinschlag und Feuer. In Westafrika bestehen in von Landwirtschaft dominierten Landschaften noch tausende kleine und isolierte Waldfragmente. Obwohl diese Wälder oft ungeschützt sind, erbringen sie essenzielle Ökosystemleistungen wie den Erhalt der Biodiversität, die Kohlenstoffspeicherung sowie die Bereitstellung von Ressourcen wie Bauholz und Wildfleisch und haben gleichzeitig kulturelle und spirituelle Bedeutung. Ihr Schutz erfordert ein tieferes Verständnis ihres ökologischen Funktionierens sowie innovative Monitoring-Ansätze und die Berücksichtigung lokaler sozioökonomischer Realitäten. Allerdings sind die Kenntnisse über die Struktur dieser Wälder — ein wesentliches ökologisches Merkmal — begrenzt. Die Waldstruktur bestimmt, ob ein Wald hauptsächlich aus grossen oder kleinen Bäumen besteht, wie die Schichten der Baumkronen (Kronendachstrukturen) organisiert sind und ob Lücken die Baumkronen dominieren. Diese Merkmale stehen in direktem Zusammenhang mit der oberirdischen Biomasse (AGB, aboveground biomass) und der Kohlenstoffspeicherung, die beide zentrale Indikatoren für das ökologische Funktionieren darstellen. Diese Dissertation trägt dazu bei, diese Wissenslücke zu schliessen, indem sie die Struktur, die AGB und die Artenvielfalt von Bäumen in tropischen Waldfragmenten Westafrikas analysiert. Die Untersuchung konzentrierte sich auf neun Waldfragmente in Togo, Benin, Nigeria und Kamerun, basierend auf 121 Waldparzellen mit Baum-Inventur und Artenbestimmungen. Die Ergebnisse zeigten eine relativ intakte Waldstruktur und eine hohe oberirdische Biomasse (85–260 Mg/ha), sowie das Vorkommen mehrerer gefährdeter und bedrohter Baumarten wie Afzelia bipindensis und Guibourtia tessmannii. Gleichzeitig wiesen die Waldfragmente ausgeprägte Randeffekte (edge effects) auf: Degradierung war besonders an den Waldrändern sichtbar, während intakte Bereiche im Kern der Fragmente lagen. Strukturmetriken — einschliesslich Baumgrundfläche, Kronenhöhe, Artenvielfalt, strukturelle Komplexität und Baumvitalität — nahmen mit zunehmender Entfernung vom Waldrand zu. In stark isolierten Fragmenten reduzierten die Randeffekte zusätzlich die AGB und die Holzdichte. Die AGB-Werte in den untersuchten Gemeinschaftswäldern lagen unter denen der nahegelegenen offiziell geschützten Gebiete, was die Bedeutung von Schutzmassnahmen über formelle Reservate hinaus unterstreicht. Über die Beschreibung ökologischer Bedingungen hinaus leistet diese Dissertation einen Beitrag zur methodischen Innovation in der Waldbewertung. Ein terrestrischer Laserscanner (TLS, terrestrial laser scanner) wurde zur Schätzung der AGB eingesetzt und mit manuellen Inventaren verglichen. Obwohl beide Methoden stark korrelierende Ergebnisse lieferten, bestanden weiterhin Herausforderungen aufgrund von Sensorverschattungen (occlusion) und fehlender artspezifischer Holzdichtedaten. Zusätzlich ermöglichten unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs, unmanned aerial vehicles) mit LiDAR- und Multispektralsensoren die Kartierung von Störungen auf feiner Skala, wodurch die bodengestützten Informationen über Waldstruktur und Vitalität ergänzt wurden. Zusammen zeigen diese Technologien, wie moderne Methoden die Überwachung fragmentierter tropischer Wälder verbessern können. Schliesslich integriert die Dissertation soziale Dimensionen, um die ökologischen Ergebnisse zu kontextualisieren. Durch 328 Interviews mit Waldnutzenden wurden lokale Wahrnehmungen der Waldintegrität und waldbezogener Aktivitäten wie Jagd und Holzeinschlag untersucht. Die Ergebnisse zeigten kontrastierende Perspektiven: In intensiv genutzten Gebieten wurde Degradierung oft nicht als ernsthaftes Problem wahrgenommen, während Gemeinden, die heilige Wälder pflegen, ein starkes Bewusstsein für Bedrohungen wie Feuer und illegalen Holzeinschlag zeigten. Wälder in der Nähe städtischer Zentren waren stärkerer Nutzung ausgesetzt, und die Befragten berichteten häufig über rückläufige Waldflächen und das Verschwinden wichtiger Arten. Diese Erkenntnisse verdeutlichen die Rolle kultureller Traditionen und sozioökonomischer Kontexte bei der Bestimmung des Waldzustands und der Aussichten für den Naturschutz. Zusammenfassend heben die Ergebnisse hervor, dass die verbleibenden Waldfragmente Westafrikas eine bedeutende ökologische Wertigkeit besitzen — relativ intakte Strukturen, hohe Biomassebestände und bedrohte Arten —, jedoch weiterhin stark anfällig für Randeffekte und menschlichen Druck sind. Um ihren ökologischen und sozialen Wert zu sichern, empfiehlt diese Dissertation Schutzstrategien wie die Einrichtung von Pufferzonen zur Reduzierung der Randdegradierung, die Wiedervernetzung von Fragmenten durch Habitatkorridore und die Integration sozioökonomischer Ansätze in die Waldbewirtschaftung. Durch die Kombination ökologischer Analysen, methodischer Innovationen und sozialer Perspektiven erweitert die Dissertation das Wissen über das Funktionieren tropischer Wälder und liefert Werkzeuge und Strategien für deren nachhaltige Bewirtschaftung.