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Land use change syndromes as a framework for integrating satellite observations into the assessment of dryland degradation

Syndrome des Landnutzungswandels als ein Konzept für die Integration von Erdbeobachtungsdaten in die Berwertung von Landdegradation

  • The main research question of this thesis was to set up a framework to allow for the identification of land use changes in drylands and reveal their underlying drivers. The concept of describing land cover change processes in a framework of global change syndrome was introduced by Schellnhuber et al. (1997). In a first step the syndrome approach was implemented for semi-natural areas of the Iberian Peninsula based on time series analysis of the MEDOKADS archive. In the subsequent study the approach was expanded and adapted to other land cover strata. Furthermore, results of an analysis of the relationship of annual NDVI and rainfall data were incorporated to designate areas that show a significant relationship indicating that at least a part of the variability found in NDVI time series was caused by precipitation. Additionally, a first step was taken towards the integration of socio-economic data into the analysis; population density changes between 1961 and 2008 were utilized to support the identification of processes related to land abandonment accompanied by cessation of agricultural practices on the one hand and urbanization on the other. The main findings of the studies comprise three major land cover change processes caused by human interaction: (i) shrub and woody vegetation encroachment in the wake of land abandonment of marginal areas, (ii) intensification of non-irrigated and irrigated, intensively used fertile regions and (iii) urbanization trends along the coastline caused by migration and the increase of mass tourism. Land abandonment of cultivated fields and the give-up of grazing areas in marginal mountainous areas often lead to the encroachment of shrubs and woody vegetation in the course of succession or reforestation. Whereas this cover change has positive effects concerning soil stabilization and carbon sequestration the increase of biomass involves also negative consequences for ecosystem goods and services; these include decreased water yield as a result of increased evapotranspiration, increasing fire risk, decreasing biodiversity due to landscape homogenization and loss of aesthetic value. Arable land in intensively used fertile zones of Spain was further intensified including the expansion of irrigated arable land. The intensification of agriculture has also generated land abandonment in these areas because less people are needed in the agricultural labour sector due to mechanization. Urbanization effects due to migration and the growth of the tourism sector were mapped along the eastern Mediterranean coast. Urban sprawl was only partly detectable by means of the MEDOKADS archive as the changes of urbanization are often too subtle to be detected by data with a spatial resolution of 1 km-². This is in line with a comparison of a Landsat TM time series and the NOAA AVHRR archive for a study area in the Greece that showed that small scale changes cannot be detected based on this approach, even though they might be of high relevance for local management of resources. This underlines the fact that land degradation processes are multi-scale problems and that data of several spatial and temporal scales are mandatory to build a comprehensive dryland observation system. Further land cover processes related to a decrease of greenness did not play an important role in the observation period. Thus, only few patches were identified, suggesting that no large-scale land degradation processes are taking place in the sense of decline of primary productivity after disturbances. Nevertheless, the land cover processes detected impact ecosystem functioning and using the example of shrub encroachment, bear risks for the provision of goods and services which can be valued as land degradation in the sense of a decline of important ecosystem goods and services. This risk is not only confined to the affected ecosystem itself but can also impact adjacent ecosystems due to inter-linkages. In drylands water availability is of major importance and the management of water resources is an important political issue. In view of climate change this topic will become even more important because aridity in Spain did increase within the last decades and is likely to further do so. In addition, the land cover changes detected by the syndrome approach could even augment water scarcity problems. Whereas the water yield of marginal areas, which often serve as headwaters of rivers, decreases with increasing biomass, water demand of agriculture and tourism is not expected to decline. In this context it will be of major importance to evaluate the trade-offs between different land uses and to take decisions that maintain the future functioning of the ecosystems for human well-being.
  • Als direkte Reaktion auf Klimaveränderungen, Wasserverknappung und Übernutzung von natürlichen Ressourcen werden Landdegradation und Desertifikation in den Trockengebieten der Erde als eine der größten Bedrohungen für die globale Umwelt eingeschätzt. Um nachhaltige Landmanagementstrategien zu entwickeln, ist es notwendig, die oftmals sehr komplexen Landdegradationsprozesse vollständig zu verstehen. Dazu gehört neben dem Verständnis der Prozessdynamik auch die Identifizierung der zugrundeliegenden klimabedingten und anthropogenen Ursachen. Zudem ist es essentiell, betroffene und gefährdete Gebiete in ihrer räumlichen Ausdehnung und Struktur zu erfassen. Da die biologische Produktivität eines Ökosystems Rückschlüsse auf dessen Zustand zulässt, eignen sich fernerkundlich abgeleitete Vegetationsparameter, um großflächige Analysen durchzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Interpretationsrahmen entwickelt, der die vielfältigen anthropogen verursachten Umweltveränderungen mit ihren Ausprägungen (Symptome) typischen Ursache-Wirkungsmustern (Syndrome) zuordnet. Auf der Basis von temporal hochaufgelösten Erdbeobachtungsdaten des NOAA-AVHRR-Sensors, interpolierten Niederschlagsreihen und unter Berücksichtigung der demographischen Entwicklung wurden beispielhaft für Spanien großflächige Landbedeckungsveränderungen identifiziert und ihre Ursachen abgeleitet. Im Hinblick auf die häufig kleinräumigen Landschaftsstrukturen im mediterranen Raum hängt die Detektierbarkeit von Prozessen stark von der Beobachtungsskala ab, was anhand einer vergleichenden Untersuchung zweier Zeitreihen (NOAA AVHRR und Landsat-TM/-ETM+) quantifiziert wurde. Als dominante anthropogen verursachte Landnutzungsänderung auf großräumiger Maßsatb wurden detektiert: (i) die Zunahme an Biomasse in marginalen Gebieten aufgrund von Sukzessionsprozessen und Wiederaufforstungsmaßnahmen in aufgegebenen Gebieten ("Landfluchtsyndrom"), (ii) die Intensivierung landwirtschaftlicher Nutzung in den fruchtbaren Agrargebieten, die auch eine weitere Ausweitung von Bewässerungsmaßnahmen beinhaltet ("Übernutzungssyndrom"). (iii) der Trend zur Urbanisierung, insbesondere entlang der mediterranen Küstengebiete, in denen Tourismus eine zentrale Rolle einnimmt ("Urbanisierungssyndrom", "Massentourismussyndrom"). Obwohl keine großräumige "klassische" Landdegradation (im Sinne reduzierter biologischer Produktivität) identifiziert wurde, zeigt eine Betrachtung der Ökosystemfunktionalität, dass die erfassten Änderungen gleichzeitig positive und negative Auswirkungen auf Ökosysteme besitzen können. Beispielsweise erhöhen Aufforstungsmaßnahmen zwar das Potential zur CO2-Sequestierung, gleichzeitig wird aber die Waldbrandgefahr gesteigert. Neben der Betrachtung der Veränderungen innerhalb eines Ökosystems ist es jedoch ebenso unabdingbar, die Wechselbeziehungen zu benachbarten Ökosystemen zu analysieren. Der in dieser Arbeit implementierte Syndrom-Ansatz kann wertvolle Informationen bereitstellen, die die Bewertung verschiedener Ökosystemfunktionen und die Entwicklung von Strategien zur nachhaltigen Landnutzung unterstützen können.

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Metadaten
Author:Marion Stellmes
URN:urn:nbn:de:hbz:385-6457
Advisor:Joachim Hill
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2011/05/05
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2011/04/28
Release Date:2011/05/05
Tag:Landdegradation; Mittelmeerraum; Monitoring; NOAA AVHRR; Zeitreihe
Mediterranean; NOAA AVHRR; drylands; land degradattion; time series analysis
GND Keyword:Degradation; Fernerkundung; Monitoring; Terrestrisches ükosystem; Trockengebiet; Zeitreihe; ükosystem
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

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