Development of integrated modeling framework of land use changes and ecosystem services in mountainous watersheds

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Kim, Ilkwon:
Development of integrated modeling framework of land use changes and ecosystem services in mountainous watersheds.
Bayreuth , 2017 . - XVII, 146 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Land use and cover changes (LUCC) are complex phenomena- causing changes on ecosystem services (ES). The importance of LUCC and ES have widely been recognized by the human society and thus ES are increasingly considered in policy making. Land management policies should achieve policy objectives whilst minimizing side effects and to develop better management plans sustainably. Therefore, integrated modeling frameworks of LUCC and ES are useful policy support tools for sustainable management.
This dissertation suggests an integrated modeling framework, which simulates spatial LUCC and the response of water-related ES in a mountainous watershed. The specific objectives are: (1) to quantify LUCC patterns and their natural-environment al and socio-economic driving factors; (2) to simulate LUCC and ES under different policy options through an integrated modeling framework of cellular automata (CA) and hydrological modeling; and (3) to simulate agricultural LUCC and ES via an agent-based model (ABM) reflecting farmers' decision-making processes in one hotspot sub-region.
In the first chapter, patterns and factors of LUCC was analyzed in archetypical periods of LUCC in Soyang Watershed in South Korea. Dominant patterns of LUCC were urban and agricultural expansion from 1980-90; in contrast, reforestation was advanced in 1990-2000. LUCC was mainly affected by slope and neighboring land composition for all types while agricultural land was more affected by rainfall and deregulation. Urban expansion was affected by land development plans, including dam and highway constructions. Agricultural areas were also affected by regional climate changes by dam construction and changes in crop price. Forest expansions occurred in areas with lower accessibility which worsen agricultural conditions, reflecting natural conversions of abandoned farms.
In the second chapter, an integrated modeling framework was developed using CA and the hydrological model SWAT (Soil and Water Assessment Tool) for different policy scenarios. There were similar patterns of reforestation in marginal agricultural areas regardless of policy types while the magnitude of reforestation was affected by the policy. Forest areas increase by 0.8% and dry fields decrease by 5% in the baseline scenario, while forest increase by 2.5% and dry fields decrease by 43% in the mixed policy of forest protection and reforestation. When these results are used to estimate water related ES, there was a decrease by up to 8% in sediment, the baseline scenario decreases sediment by 8%, total nitrogen (N) by 3%, and total phosphorus (P) by 1% while the combined policy decreases sediment by 48%, total N by 21%, and total P by 30%.
In the third chapter, ABM was adopted to develop an integrated model for one sub-region considered as water pollution “hotspot”, which simulated agricultural land use and the resulting soil erosion. Farmers with large sized farms converted less of their land to perennial crops, whilst maintaining current field status (rice and annual crops), resulting in a moderate decrease in soil erosion. Fallow lands could expand by up to 7%, increasing soil erosion rate by 6%. In two different fallow land management scenarios (ginseng farm and perennial crop expansions), the ginseng expansion plan is more effective at reducing soil erosion than perennial crop expansions.
In this dissertation, integrated modeling frameworks are developed using various models (CA, ABM, SWAT, and RUSLE) to estimate the spatial distribution of LUCC impacts on water quality-related ES under different land management policies. Based on the simulation results, agriculture and forest areas played an important role in improving or worsening water quality in the watershed area and thus should be controlled by appropriate management plans. Although these models still show a number of limitations, they could expand their spatial scale and help to update individual decision-making and interactions of all stakeholders.

Abstract in weiterer Sprache

Landnutzungswandel ist ein komplexes Phänomen, das Veränderungen von Ökosystemleistungen nach sich zieht. Die Bedeutung von Landnutzungswandel und Ökosystemleistungen wurde in der Gesellschaft weithin anerkannt, wodurch Ökosystemleistungen in zunehmendem Maße Berücksichtigung in politischen Entscheidungen gefunden haben. Landnutzungspolitik sollte demnach die politischen Zielvorgaben erfüllen und gleichzeitig Nebeneffekte minimieren sowie nachhaltige Managementstrategien entwickeln. Aus diesem Grund sind integrierte Modellierungssysteme, die sowohl Landnutzungsveränderungen als auch Ökosystemleistungen einbeziehen, nützliche Entscheidungshilfen für nachhaltiges Management.
Diese Dissertation stellt ein integriertes Modellsystem vor, welches räumlich explizit Landnutzungsveränderungen und deren Folgen auf wasserqualitätsbezogene Ökosystemleistungen in einem gebirgigen Einzugsgebiet simuliert. Die Zielstellungen dieser Arbeit sind (1) die Quantifizierung von Landnutzungsmustern und deren naturräumlichen und sozio-ökonomischen Einflussfaktoren, (2) die Simulation von Landnutzungswandel und Ökosystemleistungen unter dem Einfluss verschiedener Politikinstrumente mithilfe eines integrierten Systems aus Cellular Automata (CA) und hydrologischer Modellierung und (3) die Simulation landwirtschaftlicher Nutzungsveränderungen und Ökosystemleistungen mithilfe eines Agenten-basierten Modells (ABM), welches die Entscheidungsprozesse von Landwirten abbildet.
Für die erste Fragestellung wurden die räumlichen Muster des Landnutzungswandels in der Untersuchungsregion des Soyang-Einzugsgebietes untersucht, welche zwischen 1980 und 90 durch die Ausweitung urbaner und landwirtschaftlicher Flächen dominiert war, während zwischen 1990 und 2000 eine Wiederaufforstung zu verzeichnen war. Die Landnutzungsveränderungen wurden in erster Linie durch die Hangneigung und die Zusammensetzung benachbarter Landnutzungseinheiten bestimmt, während landwirtschaftliche Flächen stärker durch Niederschlag und Deregulierung beeinflusst wurden. Die städtische Ausdehnung wurde durch Landentwicklungsplanungen, wie die Konstruktion von Staudämmen und Fernstraßen beeinflusst. Landwirtschaftliche Flächen wurden durch den regionalen Klimawandel, der im Zusammenhang mit Staudammkonstruktionen steht, und die veränderungen der Erntepreise. Die Ausdehnung der Waldflächen fand in Gebieten mit geringer Zugänglichkeit statt, welches die landwirtschaftlichen Produktionsbedingen erschwerte, und war stärker ausgeprägt in der Nähe von bestehenden Waldflächen und reflektiert somit die natürliche Umwandlung von stellgelegtem Agrarland.
Im zweiten Teil wurde ein Modellsystem aus CA und dem hydrologischen Modell SWAT (Soil and Water Assessment Tool) für unterschiedliche Politikszenarien entwickelt. Unabhängig von der Art der Politikinstrumente wurden ähnliche (räumliche) Muster von Wiederaufforstung auf marginalen landwirtschaftlichen Flächen gefunden, während allerdings das Ausmaß der Wiederbewaldung durch die Politik beeinflusst war. Für das Baseline-Szenario erhöhen sich die Waldflächen um 0.8% und verringern sich trockene (nichtbewässerte) Anbauflächen um 5%, während sich bei einer kombinierten Schutz- und Aufforstungspolitik die Waldfläche um 2.5% erhöhen und die Anbauflächen um 43% zurückgehen. Wenn diese Ergebnisse in wasserqualitätsbezogene Ökosystemleistungen übertragen werden, verringern sich für das Baseline-Szenario Sediment um 8%, Gesamt-Stickstoff (N) um 3% und Gesamt-Phosphor (P) um 1%, während die kombinierte Politik einen Rückgang von Sediment um 48%, Gesamt-N um 21% und Gesamt-P um 30% zur Folge hat.
Im dritten Teil wurde ein ABM verwendet, um ein integriertes Modell für eine Teilregion zu entwickeln, die als „Hotspot“ für Wasserverschmutzung gilt, um die landwirtschaftliche Nutzung und die daraus resultierende Bodenerosion zu simulieren. Landwirte mit großen Schlägen wandelten weniger Fläche ihres Landes in mehrjährige Kulturen um und behielten den gegenwärtigen Status (Reis und einjährige Feldfrüchte) bei, wodurch eine moderate Reduzierung der Bodenerosion erreicht wurde. Brachflächen konnten sich um bis zu 7% erhöhen, was die Bodenerosionsrate um 6% steigerte. In zwei verschiedenen Brachlandmanagementszenarien (Erweiterung des Ginseng-Anbaus und mehrjähriger Kulturen), zeigte sich, dass Ginseng-Anbau die Bodenerosion effektiver reduziert als die Ausweitung von mehrjährigen Kulturen.
In dieser Dissertation wurden integrierte Modellsysteme aus verschiedenen Modellen (CA, ABM, SWAT und RUSLE) entwickelt, um die räumliche Verteilung von Landnutzungsveränderungen und deren Auswirkungen auf wasserqualitätsbezogene Ökosystemleistungen für verschiedene Landnutzungspolitikmaßnahmen zu untersuchen. Anhand der Modellergebnisse kann geschlussfolgert werden, dass Landwirtschafts- und Waldflächen eine entscheidende Rolle in der Verbesserung bzw. Verschlechterung der Gewässerqualität im Einzugsgebiet spielen und deshalb durch angemessene Maßnahmenplanungen reguliert werden sollten. Obwohl diese Modelle einige Beschränkungen aufweisen, können sie auf größere Skalen ausgeweitet werden und helfen, individuelle Entscheidungsprozesse und Interaktionen zwischen allen Stakeholdern zu verbessern.