Analyzing trade-offs between ecosystem services in multi-functional landscapes

Abstract

The urgent need to preserve multiple ecosystem services is one of the key challenges in natural resource management globally. A management decision can cause undesired con- sequences when a decision is made without a comprehensive understanding of provided ecosystems services. These consequences can lead to trade-off situations when a service increases at the cost of another service. An informed decision is therefore crucial to re- duce unexpected trade-offs between ecosystem services and to preserve multiple ecosystem services at the same time. The international community initiated the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) to strengthen the link between the scientific evidence and policy making. To support the IPBES process, various review studies have been conducted in the ecosystem services research community. Yet, they often appear to be qualitative; therefore, a quantitative synthesis on relation- ships requires further investigation. At the same time, an effective way of quantifying less-studied ecosystem services (i.e., cultural ecosystem services) has to be found.<br /> The first two studies presented in this thesis contribute to the synthesis of case studies on relationships between multiple ecosystem services. In the first study, a dominant re- lationship between pairwise combinations of ecosystem services was determined based on 67 case studies with 476 pairs of ecosystem services. Also, the effect of scale, land sys- tems (a combined measure of land use and bioms), and the methods used to determine the relationship on the pattern of dominant relationships was tested. Across case studies, the trade-off relationships were dominant between provisioning and regulating services, whereas synergistic relationships were dominant between different regulating services, or between different cultural services. Increases in cultural services did not influence regulat- ing services, which led to no-effect relationships between them. The dominant pattern of relationships was not influenced by either scale or land system archetype. It is partly due to biased case studies, which hampered the comparison. The method used to determine the relationships influenced the direction of relationships between ecosystem services, which calls for further attention when a researcher or practitioner chooses a method to analyze relationships between ecosystem services.<br /> The relationships were further investigated based on the management choices in the sec- ond study. The second study focuses on the impacts of alternative agricultural practices on multiple ecosystem services in the Mediterranean basin using the meta-analysis method. As the ecosystem services provisioning in the Mediterranean basin is threatened by on- going climate change and unsustainable use of rural land, the alternative agricultural management approaches may reduce unexpected trade-offs between agricultural produc- tion and regulating services. The frequently found alternative agricultural practices in case studies (conservation tillage, cover cropping, mulching, manual weed management, organic fertilizer use, irrigation system) were compared to the pairwise conventional prac- tices based on 155 published case studies. The results showed that all regulating services were positively affected by the conservation schemes since they improve the soil quality. However, the impacts on food provisioning services were inconsistent.<br /> In the last study, a new methodological framework was developed to quantify and map cultural ecosystem services using crowd-sourced photos uploaded in the Flickr archive.Subsequently, the quantified cultural ecosystem services were compared with other services such as carbon sequestration and flora and fauna diversity in the Mulde watershed in Saxony, Germany. Based on semantic tags and the network analysis of tags, the thematic information of photos was classified into nine clusters, two of which were related to cultural ecosystem services. The hotspots identified based on the contents of photos were related to butterfly richness. Photos were rarely related to carbon sequestration.<br /> Taken together, this PhD thesis investigated relationships between multiple ecosystem ser- vices on three different spatial scales: a global synthesis, Mediterranean agro-ecosystems and the river Mulde watershed. The results of this thesis emphasize that trade-off and synergy effects need to be evaluated to successfully assess multiple ecosystem services. I further identified a lack of results in cultural services and therefore provide a methodolog- ical guideline to perform a quantification of cultural ecosystem service.

Es besteht ein unmittelbarer Handlungsbedarf um Ökosystemdienstleistungen (ÖSD) zu erhalten und dies ist eine der größten, aktuellen Herausforderung bei der Nutzung natür- licher Ressourcen und Ökosysteme. Entscheidungen über die Nutzung und Bewirtschaf- tung unserer Landschaft können unerwünschte Folgen haben, wenn die Entscheidung nicht auf einem umfassenden Verständnis der ÖSD basiert. Diese unerwünschten Folgen er- fordern Kosten-Nutzen Abwägungen (trade-offs), vor allem dann wenn eine Ökosystemdi- enstleistung wächst zu Lasten einer anderen sinkenden Leistung. Eine allumfassende, auf gutem Wissen basierende Entscheidung ist demnach unabdingbar um unerwartete Kosten zu reduzieren und zahlreiche ÖSD gleichzeitig zu erhalten. Die internationale Gemein- schaft hat die Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services (IPBES) ins Leben gerufen um die Zusammenarbeit zwischen wissenschaftlichen Grundlagen und politischen Entscheidungen zu stärken. Um die Realisierung von IPBES zu unterstützen wurden zahlreiche Literaturstudien in des ÖSD Gemeinschaft durchge- führt. Diese Literaturstudien erscheinen jedoch oft als qualitative Zusammenfassung, aber eine quantitative Untersuchung über diesen Zusammenhang werden noch benötigt. Ein qualitativer Zusammenfassung über diese Beziehung und der Einfluss von Verwaltungs- maßnahmen auf die Beziehung benötigen noch weitere Untersuchen in Fallstudien um in politische Entscheidungsprozesse eingebunden werden zu können. Gleichzeitig müssen in Zukunft effiziente Methoden zur Quantifizierung weniger untersuchter ÖSD gefunden werden. Gleichzeitig muss eine effiziente Methode um weniger untersuchte ÖSD, wie z.B. kulturelle Dienstleistungen, zu erfassen, gefunden werden.<br /> Die ersten beiden hier vorgestellten Studien tragen zur Synthese von Fallstudien über den Zusammenhang mehrerer ÖSD bei. Zuerst wurde ein starker Zusammenhang in 67 Fallstu- dien mit 475 gepaarten ÖSD herausgearbeitet. Auch der Effekt von Skala, Landsystemen (einem kombinierten Maß aus Landnutzung und Biomen) und der Methode, die zur Fest- stellung des Zusammenhanges zwischen zwei starken Verbindungen herangezogen wurde, wurden untersucht. Über alle Studien hinweg lag die Kosten-Nutzen Abwägung vor allem zwischen Versorgungsleistungen und regulierenden Leistungen, wohingegen synergistische Beziehungen vor allem bei verschiedenen regulierenden Leistungen zu finden waren oder zwischen kulturellen Leistungen. Eine Steigerung der kulturellen Leistungen beeinflusste die regulierenden Leistungen nicht, was zu einer ‘ohne-Effekt-Beziehung’ zwischen den bei- den führte. Das vorliegende Muster der Beziehungen wurde nicht durch die Skala oder das Landsystem beeinflusst. Dies ist teilweise durch Fallstudien mit systematischen Fehlern, die die Vergleichbarkeit behindern, beeinflusst. Die Beziehung zwischen ÖSD wurde auch von der Methode, die für die Erfassung der Zusammenhänge genutzt wurde, beeinflusst. Dies erfordert eine erhöhte Aufmerksamkeit, wenn ein Wissenschaftler oder Praktiker eine Methode zur Analyse der Beziehung zwischen ÖSD heranzieht.<br /> Die Zusammenhänge wurden in der zweiten Studie im Zusammenhang mit Nutzungsentscheidungen untersucht. In einer Meta-Analyse wird dabei der Einfluss alter- nativer landwirtschaftlicher Bewirtschaftungsmethoden auf mehrere ÖSD im Mittelmeer- raum untersucht. Die Versorgungsleistungen im Mittelmeerraum werden von Klimawan- del und nichtnachhaltiger Landnutzung der ländlichen Gebiete bedroht. Die alternativen landwirtschaftlichen Bewirtschaftungsmethoden könnten die unerwarteten Kompromisse (trade-offs) zwischen landwirtschaftlicher Produktion und regulierenden Leistungen re- duzieren. Die oft gefundenen alternativen Bewirtschaftungsformen in den Fallstudien (konservierende Bodenbearbeitung, Deckfrüchte anbauen, mulchen, manuelle Unkraut- entfernung, organischer Dünger, Bewässerungsanlagen) wurden mit paarweisen konven- tionellen Praktiken verglichen, basierend auf 155 veröffentlichten Fallstudien. Die Ergeb- nisse zeigten, dass alle regulierenden Leistungen positiv von den Naturschutzmaßnahmen beeinflusst wurden, da es die Bodenqualität verbessern konnte. Jedoch waren die Einflüsse auf Ernährungsversorgungleistungen inkonsistent.<br /> In der letzten Studie dieser Dissertation wurde ein neues methodisches Konzept entwickelt um kulturelle Dienstleistungen zu quantifizieren und kartographisch darzustellen, durch die Fotos, die von vielen Nutzern (crowd-sourcing) auf Flickr zur Verfügung gestellt wur- den. Folglich wurden die so quantifizierten kulturellen Leistungen mit anderen ÖSD, wie Kohlenstoffsequestrierung und Diversität der Flora und Fauna im Mulde Wassereinzugs- gebiet in Sachsen in Deutschland verglichen. Auf Grundlage von semantischen Etiketten (‘tags’) und der Netzwerkanalyse dieser ‘tags’, wurde die thematische Zugehörigkeit der Bilder in 9 Kategorien eingeteilt, von denen zwei im Zusammenhang mit kulturellen Dien- stleistungen standen. Der ‘Hotspot’, der durch den Inhalt der Bilder identifiziert werden konnte, lag bei Schmetterlingsdiversität. Bilder konnten selten in einen Zusammenhang mit Kohlenstoffsequenzierung gebracht werden.<br /> Zusammengefasst betrachtet die vorliegende Doktorarbeit den Zusammenhang zwischen mehreren ÖSD auf drei verschiedenen räumlichen Skalen: auf der globalen Ebene, in mediterranen Agroökosystemen und im Einzugsgebiet des Flusses Mulde. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass Kosten-Nutzen Abwägungen und Synergien evaluiert werden müssen um mehrere ÖSD erfolgreich feststellen zu können. Ich habe weiterhin festgestellt, dass Ergebnisse zu kulturellen Dienstleistungen weitestgehend fehlen und stelle deswegen eine methodische Leitlinie für eine Evaluierung von kulturellen Dienstleistungen vor.