Carbon Stocks and Ecological Implications of Open Spaces

Abstract

The aim of this work is to evaluate the ecological implications of the whole range of urban and rural land use systems from a common perspective focused on carbon stocks and land use change (LUC) in urbanizing areas of Recife in Brazil. To analyze the open spaces (OS), 22 representative experimental areas were defined, that represent 6 experimental systems identified in the urban to rural transect; natural forest, fallow land, perennial crops, annual crops, recreation areas and street trees. A common methodological approach was applied to all systems during a 24 month survey composed of field measurements and personal interviews on a household/farm level between 2005 and 2006. The structural composition, carbon stocks, biodiversity, indicators of resilience (Ri) and cooling potential were analyzed and projected to 6 case studies representing typical landscapes undergoing rapid changes in the peri-urban fringe of Recife. A social profile was drawn to support the understanding of the LUC process on a household/farm level and enable the creation of a scenario in which carbon stocks are kept neutral in the rural to urban LUC process, maintaining functions of OS to their users. The parameters analyzed undergo a huge variation across the experimental systems which distribution in turn undergoes a huge variation across the case studies. Recreation areas stored almost half of the carbon (24,23 t/ha) than natural forest fragments (48,33 t/ha) and perennial crops (61,77 t/ha) but had the highest Ri (206) and plant diversity (62 species). In densely populated areas the income generating functions of OS are reduced, resulting in proportionally more fallow land (50%) than in less populated areas (13,07%) and the extinction of natural forest fragments on a household level. The importance of perennial crops is almost maintained from 35% to 29% due to their role in supporting subsistence in poor households. Considering the functionality of OS across the study area, a distribution of 23% build-up, 18% natural forest, 24% perennial crops, 19% annual crops and 16% recreation area could compensate the carbon stocks reduced during the urbanization process. Any further reduction of OS would implicate in a compromise of functions to the settlers and/or carbon stocks. Finally are discussed the (i) ecological implications of the land-use systems; (ii) the implications of LUC; (iii) a future outlook about Emergy analysis and sustainability; and (iv) a prospective/strategic open space planning approach for the peri-urban fringe of megacities.

<strong>Kohlenstoffspeicher und Ökologische Implikationen von Freiflächen – Eine Fallstudie in Recife – Brasilien</strong><br /> Ziel der vorliegenden Dissertation war es, die unterschiedlichen Landnutzungssysteme in der ruralen und urbanen Landschaft von Recife - Brasilien methodisch einheitlich zu bearbeiten und besonders deren Potential als Kohlenstoffspeicher und die Einflüsse auf den Landnutzungswandel (LNW) zu bewerten. Es wurden insgesamt 22 Versuchsflächen selektiert, die es ermöglichten, daraus sechs typische Agro-Ökosysteme zu definieren, die typische im LNW befindliche Landschaften des peri-urbanen Recifes repräsentieren und als Fallstudien analysiert wurden (Waldflächen, Ruderalflächen, Dauerkulturen, annuelle Kulturen, parkähnliche Erholungsflächen und Straßenbäume). Von 2005 bis 2006 wurden in einem 24 monatigen Feldversuch die strukturelle Beschaffenheit der Ökosysteme, der Kohlenstoffspeicher, die Biodiversität sowie Indikatoren für Resilienz (Ri) und das Kühlungspotential erhoben. Um die Entscheidungsprozesse verstehen und analysieren zu können, erfolgten zusätzlich direkte Befragungen nach einem sozialen Bewertungssystem. Die analysierten Parameter präsentieren eine starke Variation zwischen den einzelnen Landnutzungssystemen. Erholungsflächen speichern lediglich 24,23 t/ha Kohlenstoff im Vergleich zu 48,33 t/ha in Waldflächen und 61,77 t/ha bei Dauerkulturen, weisen aber den höchsten Ri – Index (206) und die reichste Pflanzenvielfalt (62 Arten) auf. In dicht besiedelten Gegenden ist die ökonomische Bedeutung von FF reduziert, was durch einen verhältnismäßig großen Anteil von Ruderalflächen (50%) im Vergleich zu dünner besiedelten Gegenden (13,07%) verdeutlicht wird. Waldflächen verschwinden in rein urbanen Siedlungen, während Dauerkulturen ihre Bedeutung so gut wie erhalten (von 35 zu 29% der FF). Eine Verteilung von 23% bebauter Fläche, 18% Waldfläche, 24% Dauerkulturen, 19% annuelle Kulturen und 16% Erholungsflächen könnte den Kohlenstoff-Speicherverlust im Urbanisierungsprozess ausgleichen. Jede weitere Reduzierung der FF würde negative Veränderungen in der Funktionalität für deren Nutzer sowie ihres Potentials als Kohlenstoffspeicher bedeuten. Abschließend werden thesenhaft diskutiert: (i) die ökologische Wertigkeit der Landnutzungssysteme; (ii) sozio-ökonomische Einflüsse der LNW; (iii) ein Ausblick zu “Emergy analysis” und Nachhaltigkeit; und (iv) ein hypothetisch strategischer Planungsansatz für FF im peri-urbanen Bereich von Megastädten.

<strong>Estoques de carbono e implicações ecologicas de espaços livres - Um estudo de caso em Recife - Brasil</strong><br /> O objetivo deste trabalho é avaliar as implicações ecológicas de sistemas de uso do solo (SUS) urbanos e rurais de uma perspectiva comum focada em estoques de carbono e na mudança de uso do solo (MUS) em áreas sujeitas a urbanização em Recife - Brasil. Para analisar os espaços livres (EL) foram definidas 22 áreas experimentais que representam 6 sistemas identificados em um transecto urbano/rural; Mata natural (fragmentos), área baldia, culturas perenes, culturas anuais, áreas de recreação, e arborização de calcadas. Foi aplicada uma metodologia única em um período de 24 meses entre 2005 a 2006 composta de medições de campo e entrevistas no nível da propriedade. Foram analisados a composição estrutural, estoques de carbono, biodiversiade, indicadores de resilência (Ri) e do potencial de resfriamento. Os dados foram projetados para 6 estudos de caso que representam paisagens típicas em processo de urbanização no perímetro urbano de Recife. Foi desenhado um perfil social para apoiar a compreensão do processo de tomadas de decisão no nível da propriedade e possibilitar a criação de um cenário de MUS no qual estoques de carbono são mantidos durante o processo de urbanização sem prejudicar a funcionalidade dos EL para os seus usuários. Os resultados mostram uma grande variação entre os SUS cuja distribuição apresenta uma grande variação entre os estudos de caso. As áreas de recreação estocam aprox. a metade do carbono (24,23 t/ha) se comparadas com áreas de mata natural (48,33 t/ha) e culturas perenes (61,77 t/ha) mas apresentam o mais elevado Ri e diversidade vegetal (62 espécies). Em áreas mais populosas a função de geração de renda dos EL é reduzida, resultando em proporcionalmente mais área baldia (50% do EL) comparado com áreas de menos populosas (13,07%). Áreas de mata natural desaparecem no nível da propriedade enquanto culturas perenes tem sua importância mantida (35 e 29%) devido a sua contribuição para a subsistência da população mais pobre. Uma distribuição de 23% de área construída, 18% de mata natural, 24% de culturas perenes, 19% de culturas anuais e 16% de áreas de recreação poderia compensar os estoques de carbono reduzidos pelo processo de urbanização sem reduzir a funcionalidade dos EL para seus usuários. Finalizando, foram discutidos: (i) implicações ecológicas dos SUS; (ii) implicações da MUS; (iii) perspectivas futuras sobre analise emergetica e sustentabilidade; (iv) uma abordagem prospectiva/estratégica para o planejamento de EL em megacidades.