Mapping and assessing ecosystem services in an agricultural landscape following a tiered approach

Abstract

Agricultural ecosystems are anthropogenically highly transformed ecosystems, mainly designed to maximise the delivery of provisioning ecosystem services (ES) such as food, material and fuel, often at the expense of other ES. Especially, conventional agriculture and agricultural landscape simplification have become major causes of climate change, ecosystem degradation and biodiversity loss. At the same time, the production of provisioning services depends on other, mainly regulating, ES. In the long-term, the viability of agricultural ecosystems and the delivery of provisioning ES rely on more sustainable farming practices and the conservation of ES and biodiversity. This calls for a shift in the agricultural production paradigm, towards more multifunctional and sustainable agricultural landscapes. Spatially explicit assessments of ES are key components in supporting the shift towards sustainable land use management: they inform on how and where land use decisions can affect ecosystems, on potential trade-offs between the delivery of different ES and help to design targeted ES conservation measures. Understanding the distribution patterns and the main drivers influencing the delivery of ES is needed to determine where land use management measures can be improved to maximise the delivery of (specific) ES. Specifically, spatial information on ES can assist economical decisions underlying agricultural practices: for instance, higher pollination and natural pest control ES potentials can increase crop yields and save resources. The central question of this thesis is to assess how different ES assessment methods influence the predictions of ES supply potential, aiming to find the adapted level of information needed for an ES assessment at the local scale, in an agricultural landscape. To address this research question, several ES mapping and assessment methods, using simple (tier 1) to more complex (tiers 2 and 3) approaches, were developed and applied to a case study area in northern Germany. Additionally, this work aims at informing land use planners and decision-makers on the capacity of the landscape to deliver multiple ES. First, the ES matrix approach (tier 1) was used to assess the importance of spatial resolution and of accounting for ecosystem condition (tier 2). The two following studies developed and implemented more complex methods (tier 3) based on species distribution models (SDMs). SDMs were used to model the relationships between ES providers (ESP) (here wild bees and natural enemies of pests) and a combination of abiotic and biotic factors at different scales. The results of this thesis show that designing multifunctional landscapes ideally requires a rather comprehensive assessment. For most regulation and cultural ES, simple proxies are not suitable for a local quantitative assessment of ES, as they cannot sufficiently cover the spatial heterogeneity of ES capacities and functions that arise from different ecosystem properties and conditions. This is particularly the case of ES delivered by living and mobile organisms such as pollination and natural pest control, whose potentials are determined by multi-scale variables and processes. A comprehensive assessment of every ES is, however, often not feasible. This thesis shows how the use of different modelling methods and the tiered approach can assist in the assessment of multiple ES. Proxy indicators and models should be used whenever empirical data and knowledge of ecological processes are limited. Indicators and models are, however, only simplified representations of complex processes. ES mapping and assessment outputs should therefore be interpreted considering the assumptions behind the models and knowing the associated uncertainties.

Landwirtschaftliche Ökosysteme (ÖS) sind anthropogen stark veränderte ÖS, die hauptsächlich darauf ausgelegt sind, die Bereitstellung von Ökosystemleistungen (ÖSL) wie Nahrung, Material und Brennstoff zu maximieren - oft auf Kosten anderer ÖSL. Insbesondere die konventionelle Landwirtschaft und die Vereinfachung der Agrarlandschaft sind wesentlich mitverantwortlich für den Klimawandel, die Verschlechterung von ÖS und den Verlust der biologischen Vielfalt. Gleichzeitig hängt die Fähigkeit eines ÖS Nahrung und andere Rohstoffe zur Verfügung zu stellen von anderen, hauptsächlich regulierenden, ÖSL ab. Langfristig hängen die Lebensfähigkeit landwirtschaftlicher ÖS und die Bereitstellung von ÖSL von nachhaltigeren landwirtschaftlichen Praktiken und der Erhaltung von Ökosystemen in gutem Zustand und der Biodiversität ab. Räumlich explizite Bewertungen von ÖSL sind ein Schlüssel zur Unterstützung eines nachhaltigen Landnutzungsmanagements: Sie informieren, wie und wo Ökosysteme beeinflussen werden können, über potenzielle Kompromisse zwischen der Bereitstellung verschiedener ÖSL und helfen bei der Entwicklung gezielter Maßnahmen zur Erhaltung von ÖSL. Insbesondere räumliche Informationen zu ÖSL können wirtschaftliche Entscheidungen unterstützen: Höhere Bestäubungs- und natürliche Schädlingsbekämpfungspotentiale von ÖSL können beispielsweise die Ernteerträge steigern und Ressourcen sparen. Die zentrale Frage dieser Arbeit ist es zu bewerten wie verschiedene ÖSL-Bewertungsmethoden die Vorhersagen des ÖSL-Versorgungspotentials auf lokaler Ebene beeinflussen. Dafür wurden mehrere ÖSL-Kartierungs- und Bewertungsmethoden unter Verwendung einfacher (Stufe 1) bis hin zu komplexeren (Stufen 2 und 3) Ansätzen entwickelt und auf ein Fallstudiengebiet in Norddeutschland angewendet. Darüber hinaus sollen Landnutzungsplaner und Entscheidungsträger über die Fähigkeit der Landschaft informiert werden mehrere ÖS bereitzustellen. Zunächst wurde der ÖSL-Matrix-Ansatz (Stufe 1) verwendet, um die Bedeutung der räumlichen Auflösung und der Berücksichtigung des Ökosystemzustands (Stufe 2) zu bewerten. Die beiden nachfolgenden Studien entwickelten und implementierten komplexere Methoden (Stufe 3) auf der Grundlage von Artenverteilungsmodellen („species distribution models“ - SDMs). SDMs wurden verwendet, um die Beziehungen zwischen ÖSL-Anbietern (hier Wildbienen und natürlichen Feinden) und mit abiotischen und biotischen Faktoren auf verschiedenen Skalen zu modellieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Gestaltung multifunktionaler Landschaften eine umfassende Bewertung erfordert. Für die meisten regulatorischen und kulturellen ÖSLs sind einfache Proxys nicht für eine lokale quantitative Bewertung von ÖSL geeignet, da sie die räumliche Heterogenität von ÖSL-Kapazitäten und -Funktionen, die sich aus unterschiedlichen Ökosystemeigenschaften und -bedingungen ergeben, nicht ausreichend abdecken können. Dies gilt insbesondere für ÖSL, die von lebenden und mobilen Organismen wie Bestäubung und Schädlingsbekämpfung geliefert werden, deren Potenziale durch mehrskalige Variablen und Prozesse bestimmt werden. Eine umfassende Bewertung aller ÖSL ist jedoch oft nicht praktikabel. Diese Arbeit zeigt, wie die Verwendung verschiedener Modellierungsmethoden und der gestufte Ansatz bei der Bewertung mehrerer ÖSL helfen können. Proxy-Indikatoren und -Modelle sollten verwendet werden, wenn empirische Daten und Kenntnisse über ökologische Prozesse begrenzt sind.