Analysing agricultural landscape change in a marginal European landscape

Abstract

Since the end of World War II, marginal European landscapes with unfavourable environmental conditions for cultivation have experienced severe land-use changes. In many cases, large portions of arable land have been successively abandoned in favour of grassland or fallow land. This general trend of marginalisation in turn affected ecological landscape functions and processes with far-reaching consequences for biodiversity and natural resources. Furthermore, the land-use pattern in marginal European landscapes is expected to undergo further major changes in the future, particularly in the course of EU agricultural policy. Given this background, this multiple-paper thesis (A) analysed agricultural landscape change in a marginal agricultural landscape and (B) developed methods that may support landscape change research at multiple spatio-temporal scales. Both aims were addressed in three studies. Our study area was the Lahn-Dill Highlands (1270 km²), a marginal agricultural landscape in Hesse (Germany) with a pronounced land-use change in the past decades. In the first study, we developed an approach to identify types of land-cover patterns and dynamics (TLPDs) at the rural district scale. By the combination of recent satellite data with historic agricultural statistics, and the application of k-means cluster analysis, we identified six TLPDs and characterised their physical settings. We found a general trend of abandonment of cultivation at the landscape scale, which is governed by significant differences in current land-cover patterns and the directions of land-cover change at the district scale: In the eastern part of the area, where elevation is low, and the proportions of steep slopes and dry soils are small, land cover remained relatively stable. Slight to dramatic changes occurred, in contrast, in the remaining districts with comparatively unfavourable conditions for cultivation. In the second study, we developed a 3-step methodological approach to systematically assess the spatial distribution of grassland age in a marginal agricultural landscape. The approach is based on the combination of an a-priori two-stage landscape stratification with conventional aerial photograph interpretation of selected patches, and the subsequent spatial extrapolation of the determined grassland age. Results proved that our approach provides a realistic estimation of grassland age at the scale of districts and over a time period of five decades. We found that the derived probabilities of grassland age classes are specific for grassland types in areas with a homogenous pattern of land-cover change. Furthermore, the results indicated a predominance of old grassland patches (>47 years). Occurrences of mid-aged grassland (18-47 years) were concentrated in districts with a pronounced land-cover change in this time period, whereas young grassland (<18 years) is apparently evenly distributed across the study area. In the third study, we analysed the potential effects of three alternative transfer payment schemes on the farmland habitat diversity in a marginal agricultural landscape. We defined (1) a scenario with direct transfer payments coupled to production, (2) a scenario with direct transfer payments decoupled from production, and (3) a scenario phasing out all direct transfer payments. We characterised habitat diversity with three indices: habitat richness, evenness, and rarity. The habitat pattern in 1995 served as reference for comparison. All scenarios predicted a general trend of homogenisation of the farmland habitat pattern, yet to a differing extent. Transfer payments coupled to production (Scenario 1) supported spatially segregated land use with fallow land primarily in low-productive areas and arable land use in the more productive sites. The scenario predicted intermediate values for habitat richness and habitat evenness. Decoupling transfer payments from production (Scenario 2) favoured grassland as the most profitable farming system. This led to a grassland-dominated landscape with low values of all habitat diversity indices. Phasing out transfer payments (Scenario 3) resulted in complete abandonment or afforestation of agricultural land and extremely low values in all habitat diversity indices. Scenario results revealed that the payment of subsidies may prevent cessation of agricultural production, but may not fully counteract the homogenisation in marginal landscapes. Seit Ende des Zweiten Weltkriegs ist in standörtlich benachteiligten, marginalen Kulturlandschaften ein tief greifender Nutzungswandel zu beobachten, bei dem meist der Ackerbau durch Grünland oder Brachland ersetzt wird. Dieser allgemeine Trend zur Marginalisierung wirkte sich nachhaltig auf Landschaftsfunktionen und Prozesse mit weit reichenden Konsequenzen für Biodiversität und natürliche Ressourcen aus. Im Zuge der EU-Agrarpolitik sind künftig weitere Veränderungen der Nutzungsmuster zu erwarten. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit (A) der Agrarlandschaftswandel in einer marginalen Kulturlandschaft untersucht und (B) Methoden zur Analyse des Landschaftswandels auf multiplen raum-zeitlichen Skalen entwickelt. Beide Arbeitsschwerpunkte wurden in drei Studien behandelt. Als Untersuchungsregion diente das Lahn-Dill-Bergland (1270 km²), eine marginale Kulturlandschaft in Hessen, welche in den vergangenen Jahrzehnten einem starken Nutzungswandel unterlag. In der ersten Studie wurde eine Methodik zur Identifizierung von Typen der Nutzungsmuster und der -dynamik (TLPDs) auf Gemarkungsebene entwickelt. Mit Hilfe von aktuellen Satellitendaten und historischer Agrarstatistik sowie einer K-Means Clusteranalyse konnten sechs TLPDs identifiziert und hinsichtlich ihrer physischen Eigenschaften charakterisiert werden. Auf Landschaftsebene konnte ein allgemeiner Trend zur Aufgabe des Ackerbaus nachgewiesen werden. Signifikante Unterschiede im gegenwärtigen Nutzungsmuster und in der Richtung des Nutzungswandels zeigten sich hingegen auf Gemarkungsebene: Im östlichen Teil des Lahn-Dill-Berglands, wo die Höhenlage, der Anteil steiler Hänge und trockener Böden gering sind, blieb die Landnutzung nahezu unverändert. Geringe bis starke Veränderungen jedoch traten in den übrigen Gemarkungen mit vergleichsweise ungünstigen Bedingungen für die Kultivierung auf. In der zweiten Studie wurde eine dreistufige Methodik zur systematischen Abschätzung der räumlichen Verteilung von Grünlandalter in marginalen Landschaften entwickelt. Die Methodik basiert auf einer zweistufig geschichteten Landschaftsstratifizierung, einer Luftbildinterpretation ausgewählter Grünlandflächen und einer räumlichen Extrapolation des bestimmten Grünlandalters. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Methode für eine realistische Abschätzung des Grünlandalters auf Gemarkungsebene und über einen Zeitraum von fünf Jahrzehnten geeignet ist. Die abgeleiteten Wahrscheinlichkeiten der Altersklassen sind spezifisch für Grünlandtypen in Gebieten mit einheitlichem Muster des Nutzungswandels. Die Ergebnisse zeigen außerdem ein Vorherrschen von altem Grünland (>47 Jahre). Vorkommen von mittelaltem Grünland (18-47 Jahre) konzentrieren sich auf Gemarkungen mit starker Nutzungsdynamik in diesem Zeitraum, während junges Grünland (<18 Jahre) gleichmäßig über das Untersuchungsgebiet verteilt ist. In der dritten Studie wurden die potentiellen Auswirkungen von drei alternativen Transferzahlungen auf das landwirtschaftliche Habitatmuster abgeschätzt. Es wurden drei Szenarien definiert: (1) Ein Szenario mit direkten Transfers gekoppelt an die Produktion, (2) ein Szenario mit direkten Transfers entkoppelt von der Produktion und (3) ein Szenario ohne Zahlung von direkten Transfers. Habitatdiversität wurde mit drei Indizes charakterisiert: Habitatreichtum, Evenness und Rarität. Das Habitatmuster von 1995 diente als Vergleichsgrundlage. Alle Szenarien sagen einen allgemeinen Trend zur Homogenisierung des Habitatmusters voraus. An die Produktion gekoppelte Transfers (Szenario 1) begünstigten eine räumliche Trennung der Landnutzung mit einer Aufgabe der landwirtschaftlichen Nutzung insbesondere in schwach produktiven Gebieten und Ackernutzung in stark produktiven Gebieten. Entsprechend wies das Szenario mittlere Werte für den Habitatreichtum und die Evenness auf. Eine Entkoppelung der Transfers von der Produktion (Szenario 2) begünstigte Grünland als profitabelstes Landnutzungssystem. Dies führte zu einer von Grünland dominierten Landschaft mit geringen Werten aller Habitatindizes. Bei Einstellung der Zahlung von Transfers (Szenario 3) ist von einer völligen Aufgabe der landwirtschaftlichen Nutzung bzw. einer Wiederaufforstung und extrem niedrigen Werten aller Habitatindizes auszugehen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Zahlung von Prämien eine Aufgabe der landwirtschaftlichen Produktion verhindern kann. Sie kann jedoch nicht einer Homogenisierung marginaler Landschaften entgegenwirken.