Analyzing spatial patterns and dynamics of landscapes and ecosystem services – Exploring fine-scale data and indicators

Abstract

In den vergangenen Jahrzehnten hat der Einfluss des Menschen auf Ökosysteme stark zugenommen. Tendenzen der Landnutzungsänderung, darunter die Ausdehnung von Städten und die Intensivierung der Landwirtschaft als Folge des Bevölkerungsanstiegs und damit des Nahrungsmittel- und Energiebedarfs, führen zu Umweltproblemen wie dem Verlust von Lebensraum und biologischer Vielfalt. Die zunehmende Verfügbarkeit von Daten mit feiner räumlicher Auflösung kann die Analyse von Merkmalen und Prozessen in Landschaften mit Hilfe von räumlichen Metriken unterstützen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, feinskalige Daten und räumliche Metriken zu integrieren, um Indikatoren zur Messung und Bewertung von Landnutzung, Ökosystemdienstleistungen und deren räumlichen Mustern zu entwickeln und folgende Fragen zu beantworten: Wie können Landnutzungsänderungen und Ökosystemleistungen einer Landschaft beschrieben und analysiert werden? Und, wie kann die Landschaftsperspektive zu unserem Verständnis von Landsystemen beitragen? In zwei verschiedenen Weltregionen werden Landschaften mit Hilfe von Hexagonen als räumliche Einheiten untersucht. Diese dienen zur Analyse von räumlichen Mustern und Beziehungen zwischen verschiedenen Indikatoren (z. B. Ökosystemdienstleistungen) und die Konzeptualisierung von Prozessen auf Landschaftsebene. Obwohl sich einige Phänomene auf feinen räumlichen Skalen manifestieren, ist es für die Operationalisierung und Überwachung dieser Prozesse notwendig, ‚herauszuzoomen‘. Der Landschaftsansatz im Zusammenhang mit Ökosystemleistungen bietet wichtige Perspektiven im Hinblick auf Umweltauswirkungen, die durch Landnutzungsänderungen verursacht werden. Dabei können Indikatoren, die die ökologische, ökonomische und soziale Dimension verknüpfen, dazu beitragen, regionalspezifisches Wissen über Landschaftsdynamiken zu erlangen und dieses Wissen an Entscheidungsträger weiterzugeben, um gezielte Maßnahmen für ein nachhaltiges Landmanagement zu entwickeln.

Over the last decades, anthropogenic pressures on ecosystems have been increasing. Trends of land use change including urban expansion and agricultural intensification driven by population increase, and hence food and energy demand, cause environmental challenges including habitat and biodiversity loss. Analyzing major trends of land use change requires additional metrics to capture local processes on a landscape spatial scale. Increasing fine-scale data availability can support analyses of characteristics and processes of landscapes with the help of spatial metrics, e.g. distance or density measures. The aims of this thesis are to incorporate fine-scale data and spatial metrics to develop indicators to measure and assess land-use, ecosystem services (ESS) and their spatial patterns to answer the following questions: How can land use change and ecosystem services of landscapes be described and analyzed? And how can the landscape perspective contribute to our understanding of land systems? The thesis includes three case studies in two different world regions: 1) characteristics of land use within a peri-urban gradient in Dar es Salaam, Tanzania, 2) characteristics of agricultural landscapes in Brandenburg, Germany, and 3) ecosystem service relationships at different spatial units and scales. In both regions, landscapes are investigated with hexagons as spatial units for the analysis of spatial patterns and relationships among different indicators (i.e., ESS) and conceptualize processes on a landscape level. The landscape approach in context with ecosystem services offers important perspectives regarding environmental impacts caused by land use change. Thereby, metrics integrating the ecological, economic, and social dimensions can support obtaining region-specific knowledge on landscape dynamics and transferring this knowledge to decision-makers to design targeted measures towards sustainable land management.