Land use change and its impact on soil properties using remote sensing, farmer decision rules and modelling in rural regions of Northern Vietnam

Nguyen, Thanh Thi

Doctoral Thesis

2017

Land use change and its impact on soil properties using remote sensing, farmer decision rules and modelling in rural regions of Northern Vietnam

Nguyen, Thanh Thi

Dissertation_Thanh_Thi_Nguyen_490e.pdf (19.82 MB)

Abstract (English)

After the Indo China war in 1954, a dramatic rise in population in Northwest Vietnam led to an increased demand of agricultural land for food security requirements. Slash and burn systems which existed for many hundreds of years were replaced by intense cash crop systems, particularly maize production. Maize cropping was further expanded to steeper sloping areas, resulting in a risk of soil degradation. Therefore, investigating Land Use Change (LUC) and its impact on soil properties were considered in this study. The study aimed to identify LUC in 1954, 1973, the 1990s and 2007 in Chieng Khoi commune, Yen Chau district, Son La province, Vietnam using available remote sensing data. Furthermore, a detailed land use map classification method was developed using farmers’ decision rules. Based on farmers’ crop decision rules and, food requirement and population information, a simple LUC model was developed to simulate LUC annually from 1954 to 2007. Moreover, total soil nitrogen and carbon were determined under a chronosequence of intense cultivation. Thus, developing a modelling tool had the aim to assess the impacts of LUC on soil fertility at watershed level. The first case study (Chapter 3) presented the LUC assessment, using available remote sensing data combined with farmer information. Forest areas decreased from 1954 to 2007, except in the 1990s because of policies that aimed to encourage and support afforestation programmes to increase forest land. However, planted forest has since decreased again since 1999 whereas agricultural land has increased dramatically. Agricultural land expanded to both natural forest and planted forest areas until 2007 legally (with encouragement of agroforestry) and illegally thereafter (at the border between cultivated land and forest). The establishment of an artificial lake in Chieng Khoi commune opened the accessibility to forest land surrounding the lake, with a forest area of 929 ha remaining in 2007 compare to more than 2,500 ha in 1954. Paddy rice areas did not change because of their specific location (lower and flat lands), but production increased and was intensified by two cropping seasons per year due to irrigation improvements and a continuous water supply from the artificial lake. The second case study (Chapter 4) presented the development of a LUC model, using the outputs from the first case study comprising farmers’ decision rules and food requirements for an increased population. For later periods, the influence of market orientation factor was considered. The model successfully simulated the expansion of cultivation areas and replacement of forest land by agricultural land. Simulations were at accepted level of accuracy comparing actual and simulated LUC (Goodness-of-fit – GOF values greater than 0.7 and Figure of merit - FOM values greater than 50%). The third case study (Chapter 5) demonstrated an investigation of the soil fertility dynamic under intense cultivation and the development of a simple dynamic and spatially-explicit modelling tool to assess the changes in soil fertility. The Dynamic of total Carbon and Nitrogen distribution (DyCNDis) model was constructed using field data combined with literature information. The field data showed that, under a decade of maize mono cultivation in slope areas, both nitrogen and carbon were largely depleted. Furthermore, the DyCNDis model showed an acceptable level of validation (modelling efficiency – EF of 0.71 and root mean square error - RMSE of 0.42) to simulate nitrogen and carbon under intense maize cultivation at watershed level. Additionally, the model identified hotspot areas of 134 ha (18.9% of total upland cultivation areas) that are threatened by soil degradation through intense cultivation over a long-term period. In conclusion, the combination of qualitative and quantitative approaches allowed assessing impacts of LUC on environmental services such as soil fertility through the developed DyCNDis modeling tool. The combination of improved LUC analysis with a simple spatial dynamic soil fertility modeling tool may assist policy makers in developing alternative implementation strategies for local stakeholders in regions which face data limitations. The modelling tools developed in this study were able to successfully simulate LUC and to identify locations where soil conservation methods at watershed level need most urgently to be applied to avoid soil degradation. The model tools were able to simulate the trends rather than values of agricultural area expansion and reduction of soil nitrogen and carbon. The developed approaches could be linked and coupled to other modelling tools to economically consider benefits or ecological concerns toward sustainable crop production in remote and rural regions.

Abstract (German)

Nach Ende des Indochinakrieges führten ein starkes Bevölkerungswachstum und der damit steigende Bedarf an Nahrungsmitteln in Nordwestvietnam zu einer enormen Ausweitung der landwirtschaftlich genutzten Flächen. Intensivierte Landwirtschaft, insbesondere im Maisanbau, ersetzte die traditionellen Landnutzungssysteme, die hauptsächlich auf Brandrohdung basierten und zuvor für Jahrhunderte Bestand hatten. Vor allem der Maisanbau wurde zunehmend auf Steillagen ausgeweitet, was beträchtliche Risiken der Bodendegradierung nach sich zog. Diese Dissertation befasst sich mit der Erforschung der Landnutzungsänderungen und ihren Auswirkungen auf die Bodeneigenschaften der betroffenen Flächen. Das übergeordnete Ziel ist die Analyse der Landnutzungsänderungen in der Kommune Chieng Khoi des Distrikts Son La in den Jahren 1954, 1973, den 1990er Jahren sowie 2007. Hierfür wurden verfügbare Fernerkundungsdaten verwendet. Zudem wurde eine detaillierte Klassifizierungsmethode zur Erstellung von Landnutzungskarten entwickelt. Basierend auf den Anbauentscheidungen der Kleinbauern in der Studienregion, Nahrungsmittelbedarf und demographischen Daten, wurde ein einfaches dynamisches und räumlich-explizites Modell zur Simulation der Landnutzungsänderungen im Zeitraum von 1954 bis 2007 erstellt. Gesamtstickstoff und der gesamte Kohlenstoffgehalt unter intensiver Landnutzung wurden durch Feldbeprobungen und Laboranalysen bestimmt. Somit hatte die Modellentwicklung das Ziel, den Einfluss der Landnutzungsänderungen auf die Bodenfruchtbarkeit im Wassereinzugsgebiet des Chieng Khoi-Sees zu analysieren und zu bewerten. Die erste Fallstudie dieser Dissertation behandelt die Bewertung der Landnutzungsänderungen mit Hilfe von Fernerkundungsdaten und Interviews mit Kleinbauern. Nahezu der gesamte Untersuchungszeitraum war durch Abholzung geprägt. Eine Ausnahme stellen die 1990er Jahre dar, in denen Aufforstung durch diverse politische Maßnahmen gefördert wurde. Diese kurze Phase der Aufforstung endete jedoch bereits im Jahr 1999, als mit massiver Abholzung begonnen wurde. Bis ins Jahr 2007 wurden sowohl Primärwälder, als auch wieder aufgeforstete Flächen zur Erschließung von Ackerland gerodet. Dies geschah zum einen auf legalem Weg im Rahmen von staatlich geförderten Agroforstprogrammen, zum anderen illegal an den Grenzbereichen der Ackerflächen zu Wäldern. Insbesondere die Errichtung des Chieng Khoi-Stausees ermöglichte die landwirtschaftliche Erschließung umliegender Waldgebiete. Als Konsequenz gingen die Waldgebiete von 2.500 Hektar in 1954 auf 929 Hektar in 2007 zurück. Im Gegensatz zu Hanglagen hatte die Errichtung des Stausees lediglich geringe Auswirkungen auf den Nassreisanbau in flachen Lagen und Tälern. Dennoch wurden auch im Nassreisanbau Veränderungen registriert. Die konstante Wasserverfügbarkeit durch den Stausee ermöglichte die Einführung eines zweiten Produktionszyklus pro Jahr. Außerdem konnten durch intensivere Bewirtschaftungsmethoden die Erträge gesteigert werden. In der zweiten Fallstudie wird ein Modell zur Simulation von Landnutzungsänderungen entwickelt. Hierfür werden die Ergebnisse der ersten Fallstudie, die Anbauentscheidungen der Kleinbauern in der Studienregion und der Nahrungsmittelbedarf einer wachsenden Bevölkerung herangezogen. Mit Hilfe des Modells konnte die Ausweitung der landwirtschaftlich genutzten Flächen sowie die dadurch bedingte Abholzung erfolgreich simuliert werden. Simulierte Ergebnisse lagen beim Vergleich mit historischen Daten im Toleranzbereich. Die dritte Fallstudie befasst sich mit der Untersuchung der Entwicklung der Bodenfruchtbarkeit in intensiven Ackerbausystemen. Zudem wurde ein einfaches Modellierungstool zur Bewertung der Änderungen der Bodenfruchtbarkeit entwickelt. Das Modell zur Analyse der Entwicklung der gesamten Kohlenstoff- und Stickstoffverteilung (DyCNDis) wurde mit Hilfe von im Feld erhobenen Primärdaten sowie Sekundärdaten aus relevanter Literatur entwickelt. Anhand der Primärdaten konnte gezeigt werden, dass an Hanglagen sowohl der Kohlenstoff- als auch der Stickstoffgehalt im Boden bereits nach einem Jahrzehnt Maisanbau drastisch abgenommen hatte. Zudem konnte das DyCNDis-Modell zufriedenstellend validiert werden. Demnach ist das Modell geeignet, um Kohlenstoff- und Stickstoffgehalte im Boden unter intensivem Maisanbau für Wassereinzugsgebiete zu simulieren. Außerdem konnten Standorte, welche bei dauerhafter landwirtschaftlicher Nutzung besonders von Bodendegradation bedroht waren, identifiziert werden. Diese Standorte hatten eine Gesamtfläche von 134 ha, was 18,9% der gesamten Ackerfläche an Hanglagen in der Forschungsregion entspricht. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Kombination qualitativer und quantitativer Forschung eine hinreichende Bewertung der Einflüsse von Landnutzungsänderungen auf Ökosystemdienstleistungen ermöglicht. Dynamische Veränderungen der Landnutzung und Bodenfruchtbarkeit werden, wie in der Vergangenheit, auch in Zukunft auftreten. Besonders in Regionen mit beschränkter Datenverfügbarkeit bietet diese Dissertation politischen Entscheidungsträgern mögliche Umsetzungsstrategien für lokale Stakeholder. Die entwickelten Modelle konnten Landnutzungsänderungen zuverlässig modellieren und Standorte identifizieren, an denen eine Einführung von bodenkonservierenden Maßnahmen notwendig ist, um eine Bodendegradation zu verhindern. Darüber hinaus können Modelle zur Einsparung von Kosten und Arbeitszeit bei Feldversuchen verwendet werden, sowie für die Bewertung des ökonomischen Nutzens oder von ökologischen Bedenken zu einer nachhaltigeren Landbewirtschaftung in abgelegenen und ländlichen Regionen beitragen.