Developing a biodiversity evaluation tool and scenario design methods for the Greater Mekong Subregion

The Xishuangbanna Prefecture in Yunnan Province (PR China) is facing increasing conflicts between rural development and nature conservation because of an ongoing expansion and commercialization of farming. The rapid development of large-scale farming and the improvement of infrastructure throughout the region are posing serious threats to the conservation of endemic species of flora and fauna, while also offering possibilities for enhancing the livelihood of rural populations to an extend never seen before. The expansion of rubber (Hevea brasiliensis Willd Ex A. Juss) has caused a reduction and fragmentation of natural and secondary forest cover, thereby decreasing structural and species diversity as well as the loss of valuable ecosystem services. The establishment of intensified agriculture, especially plantations on sloping terrain, often leads to an increased erosion risk, nutrient run-off and sedimentation in water courses. Thus, large scale deforestation is not just a problem for nature conservation but also one for the rural economies. Rural development and simultaneous environment conservation often face trade-offs, especially in regions that host an exceptionally high biodiversity, such as many tropical areas. In order to adequately consider and evaluate these interactions, tools and methods have to be developed that allow decision makers to assess the impacts of different management and infrastructure options on the environment. The aim of the work presented in this thesis was to analyze and evaluate the effect of large-scale rubber cultivation on local and regional biodiversity by developing methods to integrate field studies from various disciplines into a comprehensive assessment model. This model was then used to highlight key aspects of anthropogenic influence on the plant species composition within the research area and to identify possible impacts of alternative land use decisions. Furthermore, the development of an interdisciplinary approach to scientific scenario design methods has been supplemented with a study on the acceptance of 3D-visualization as communication tool for land use planning in the background of nature conservation sciences. In order to achieve this, an overview of the agronomical and ecological aspects of rubber cultivation was provided. Literature sources referring to the impact of different cultivation systems on natural biodiversity were discussed and an introduction to the effect of rubber cultivation on Ecosystem Services was given. A method for projection of regionally adapted carbon capture properties of rubber cultivation under suboptimal growth conditions was presented and a comparative assessment of greenhouse gas emissions during the establishment of rubber plantations in regard to the preexisting vegetation was made. A biodiversity evaluation tool based on the combination of approaches from landscape ecology and empirical data within a Geographic Information System was developed. Detailed data on plant species diversity and distribution were combined with quality criteria like endemism or invasiveness to form spatially explicit biodiversity indices for different land use types in various elevation classes. Up-scaling in accordance to the land use distribution observed allowed the estimation of overall plant diversity and the evaluation of the effect of possible future land use scenarios. Habitat characteristics and spatial distribution were included into the analysis of the land use map derived from remote sensing information to allow for the assessment of fragmentation and landscape matrix structure. The methodology was tested with an array of possible present and future land use maps. It was possible not only to evaluate the different land use classes within and their distribution throughout the research area, but we were also able to compare distinct sub-regions based on topography or administrative status. The challenges stakeholders and nature conservation face in the different elevation zones of Nabanhe were highlighted and related to the findings of our partner workgroups from economy and social sciences. The feasibility of this approach to administration staff with limited experience in ecological modeling was one of the main goals in designing the methods. Given a reasonable data set on species diversity and distribution within any given tropical research area, this approach will enable planners and nature park administration to quickly project possible consequences on species diversity indices deriving from land use change within their respective research area. Using this approach, the importance of natural tropical forests for the maintenance of species diversity in tropical cultivated landscapes was highlighted. With the information gained from constructing this evaluation tool, the design and development process for a land use scenario based on the integration of multidisciplinary assessments and iterative scenario refinement with repeated stakeholder inclusion was promoted. By combining stricter conservation rules with alternative sources of income for the rural population in order to offer an alternative to monoculture rubber farming, the economic models and the land use allocation model predicted a stop in rubber and agriculture related deforestation, and the establishment of a considerable amount of reforested area. This was achieved by introducing an innovative land use type that is closely related to traditional local home garden agroforestry systems. By coupling reforestation efforts with the economic gain derived from intercropping Traditional Chinese Medicinal plants into degraded secondary forests, this scenario was, at least theoretically, able to remove deforestation pressure from the natural forest types and to offer an economic alternative to rubber cultivation. The methods used for this assignment can serve as guideline for future projects that want to implement scenario design procedures based on the combination of social sciences, economics, ecology and landscape planning. The acceptance and comprehensibility of computer based 3D visualization models for the communication of possible future land use scenarios was also tested. Two alternative scenarios were visualized and compared to the status quo, with questionnaires and guided interviews covering the acceptability and adaptability of such techniques for professionals from various fields of nature conservation. This thesis presents an overview over agronomic, economic and ecological aspects of rubber cultivation and highlights its implications on biodiversity and nature conservation. The methods discussed here can serve as a guideline for the integration of ecological indicators in land use planning and decision making processes. Although the concepts and topics introduced herein are closely interlinked within the framework of the Living Landscapes China (LILAC) research project, the methods and approaches can easily be applied to other areas in the Greater Mekong Subregion and beyond, be it the expansion of oil palm plantations in the Malayan Archipelago or the fragmentation of forests due to increased population pressure in Central Africa. Nature conservation is facing similar problems all over the developing world, and adaptable approaches such as the ones presented here are needed to support decision making processes in order to secure the preservation and long-term survival of the worlds? diversity in species and natural habitats.

Die Präfektur Xishuangbanna in der chinesischen Provinz Yunnan sieht sich zunehmend mit Konflikten zwischen ländlicher Entwicklung und Naturschutz konfrontiert. Einer der Hauptgründe hierfür ist die ständige Ausweitung und Kommerzialisierung der Landwirtschaft in der Region. Die Entwicklung großflächiger Landwirtschaft und die Verbesserung der Infrastruktur über die gesamte Region hinweg stellen ernst zu nehmende Herausforderungen für den Schutz endemischer Arten der Fauna und Flora dar, gleichzeitig bieten sie aber auch nie gekannte Möglichkeiten zur Verbesserung des Lebensstandards der Bevölkerung im ländlichen Raum. Die Ausweitung des Kautschukanbaus (Hevea brasiliensis Willd Ex A. Juss) hat zu einer Reduktion und Fragmentierung der naturnahen und sekundären Waldbestände geführt, was einen Verlust an struktureller Vielfalt als auch an biologischer Vielfalt ebenso wie an wertvollen Ökosystemdienstleistungen mit sich brachte. Die Etablierung intensiver ackerbaulicher Praktiken führt insbesondere bei der Anlage von Plantagensystemen in topographisch anspruchsvollem Terrain, zu einem erhöhten Risiko von Erosion, Sedimentation und Nährstoffverlusten durch Ausschwemmung in umliegende Gewässersysteme. Dies macht die großflächige Abholzung tropischer Regenwälder zu mehr als nur einem Problem des Naturschutzes, sondern zudem auch zu einem Problem der Agrarwirtschaft und des ländlichen Raums als Ganzem. Um die Vielzahl an Einflussfaktoren berücksichtigen und bewerten zu können müssen passende Methoden und Werkzeuge entwickelt werden, die es Entscheidungsträgern ermöglichen die möglichen Konsequenzen verschiedener ordnungspolitischer Vorgaben, Landnutzungsplanungen und der Entwicklung ländlicher Infrastruktur abzuschätzen. Die Zielsetzung der hier präsentierten Arbeit war es die Auswirkungen des großflächigen Anbaus von Kautschuk auf die lokale und regionale Artenvielfalt zu analysieren und zu bewerten. Dafür wurden Methoden zur Integration von Feldstudien verschiedener Forschungsrichtungen in ein umfassendes Bewertungsmodell entwickelt. Dieses Modell wurde anschließend genutzt um zentrale Aspekte des menschlichen Einflusses auf die Artenzusammensetzung innerhalb des Untersuchungsgebietes aufzuzeigen und die möglichen Auswirkungen von alternativen Landnutzungsentscheidungen zu ermitteln. Weiterhin wurde die Entwicklung eines interdisziplinären Ansatzes zum Entwurf wissenschaftlicher Landnutzungsszenarien ergänzt durch eine Studie zur Akzeptanz von 3D-Visualisierungen, einem zurzeit im Kontext des Naturschutzes noch nicht allzu vertrauten Werkzeug der Landschaftsplanung. Um diese Ziele zu erreichen wurde zu allererst eine Übersicht zu den agronomischen und ökologischen Charakteristika des Kautschukanbaus zusammengestellt. Quellen aus der Literatur hinsichtlich des Einflusses von verschiedenen Anbausystemen auf die natürliche Artenvielfalt wurden erörtert und eine Einführung zu den Auswirkungen des Kautschukanbaus auf wichtige Ökosystemdienstleistungen wurde zusammengestellt. Ein Entwurf für die regional adaptierte Prognose des Potentials von Hevea-Beständen als Kohlenstoffdioxidsenken unter suboptimalen Wachstumsbedingen wurde erarbeitet und mit einer vergleichenden Analyse zur Etablierung solcher Plantagen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Vorgängervegetation ergänzt. Durch die Kombination von Ansätzen aus der Landschaftökologie mit empirischen Datensätzen aus den Feldarbeitsphasen der Projektpartner unter Zuhilfenahme geographischer Informationssysteme wurde ein Bewertungswerkzeug für biologische Vielfalt entwickelt. Dafür wurden detaillierte Daten zur Artenvielfalt und Verteilung von Pflanzen mit Qualitätskriterien wie Endemismus oder Invasivität kombiniert, um räumlich explizite Biodiversität-Indices für die vorhandenen Landnutzungsklassen zu erhalten. Durch Hochskalierung anhand der im Feld und per Fernerkundung bestimmten Landnutzungsverteilung war es möglich eine Abschätzung zur Pflanzenvielfalt im gesamten Untersuchungsgebiet abzugeben, und die Auswirkungen möglicher zukünftiger Landnutzungs-szenarien zu bewerten. Die räumliche Verteilung und landschaftsökologischen Charakteristika der Landnutzung wurden in diese Analysen eingebunden, um zusätzlich Aspekte wie die Fragmentierung von Waldflächen und die Struktur der Landschaftsmatrix bewerten zu können. Diese Methoden wurden anhand einer Reihe von aktuellen und zukünftigen Landnutzungskarten getestet. Es war damit nicht nur möglich die verschiedenen Landnutzungsklassen und ihre Verteilung im Untersuchungsgebiet zu bewerten, sondern darüber hinaus auch noch klar abgrenzbare Teilregionen zu vergleichen. Die Herausforderungen, denen sowohl lokale Interessengruppen als auch Naturschutz gegenüberstehen konnten somit klar herausgearbeitet und unseren Partnerarbeitsgruppen kommuniziert werden. Eines der Hauptziele bei der Entwicklung dieser Methoden war die Anwendbarkeit durch Verwaltungspersonal mit nur eingeschränkten Erfahrungen auf dem Gebiet der ökologischen Modellierung. Unter der Vorrausetzung eines angemessenen Datensatzes zur Artendiversität und ?verteilung kann dieser hier vorgestellte Ansatz es Planern und Naturparkverwaltungen ermöglichen zeitnah die möglichen Konsequenzen des Landnutzungswandelns auf ihre Region abzuschätzen. Desweiteren konnte abermals die Bedeutung des tropischen Regenwaldes für den Schutz der Artenvielfalt in tropischen Kulturlandschaften gezeigt werden. Mit den Erkenntnissen, die durch die Entwicklung des Bewertungswerkzeugs gewonnen wurden war es möglich den Aufbau- und Entwicklungsprozess eines nachhaltigen Landnutzungsszenarios zu begleiten. Hierfür wurden die Erkenntnisse multidisziplinärer Forschungsarbeit durch schrittweise Anpassungen der ?storyline? nach wiederholter Einbindung verschiedener Interessengruppen kombiniert. Es war möglich durch die Kombination von strikteren Naturschutzvorgaben zusammen mit der Einführung alternativer Einkommensquellen für die ländliche Bevölkerung eine Alternative für die Kautschukplantagenwirtschaft zu entwerfen was dazu führte das die ökonomischen und Landnutzungsmodelle nicht nur eine Stagnation des Waldverlustes, sondern zeitgleich eine Ausweitung der Wiederaufforstungsflächen vorhersagten. Dies wurde erreicht durch die Einführung eines innovativen Landnutzungssystems das stark an lokal vorhandenen ?home garden? Systemen orientiert ist. Durch die Kopplung von Wiederaufforstungsbemühungen mit dem ökonomischen Gewinn aus dem Anbau von Traditionellen Chinesischen Medizinalpflanzen (TCM) in degradierten Sekundärwäldern war es mit diesem Szenario wenigstens theoretisch möglich den Abholzungsdruck auf naturnahe Wälder zu lindern und gleichzeitig eine Alternative zum Kautschukanbau zu liefern. Die Methoden die für diesen Prozess entwickelt wurden können als Leitlinie zukünftiger Projekte mit der Zielsetzung der Verbindung wissenschaftlicher Ansätze aus Sozialwissenschaften, Ökonomie, Ökologie und Landschaftsplanung für die gemeinschaftliche Entwicklung möglicher Landnutzungs-szenarien dienen. Weiterhin wurde die Akzeptanz und Verständlichkeit von computerbasierten 3D-Visualisierungen für die Kommunikation von möglichen Landnutzungsszenarien untersucht. Zwei alternative Szenarien sowie der Status quo wurden visualisiert und mit Hilfe von Fragebögen und strukturierten Interviews wurde die Aufnahmebereitschaft durch und Anpassungsfähigkeit für solche Techniken anhand von Experten aus verschiedenen Bereichen des Umweltschutzes untersucht. Diese Arbeit zeigt eine Übersicht über die agronomischen, ökonomischen und ökologischen Aspekte des Kautschukanbaus auf, und beleuchtet dessen Auswirkungen auf die Artenvielfalt und den Naturschutz. Die hier entwickelten Methoden können Leitlinien für eine Integration von ökologischen Indikatoren in Entscheidungsfindungsprozesse zur Landnutzungsplanung darstellen. Die vorgestellten Ansätze können, obwohl sie angepasst an die Rahmenbedingungen des Living Landscapes China Projektes entwickelt worden sind, problemlos auf andere Regionen angewandt werden. Mögliche Fragestellungen wären die Auswirkungen des sich ausbreitenden Ölpalmenanbaus im Malaiischen Archipel, oder die zunehmende Fragmentierung von Waldflächen aufgrund des Bevölkerungs-wachstums in Zentral- und Ostafrika. Der Naturschutz sieht sich in der gesamten sich entwickelnden Welt ähnlichen Problemstellungen gegenüber, und anpassungsfähige Ansätze wie die hier vorgestellten werden gebraucht, um Entscheidungsprozesse zur Erhaltung und Sicherung des Überlebens der gefährdeten Arten und vielfältigen Lebensräume dieser Welt zu unterstützen.