Land use change and ecosystem services: linking social and ecological systems across time

Abstract

In light of the projected climate change for the coming decades, there 1s an urgent need for multifunctional landscapes that are capable to provide a diversity of ecosystem services. This requires a better understanding of social and ecological factors that nfluence how these landscapes are managed and how this, im turn, Influences the provision of ecosystem services. Land Use Land Cover (LULC) changes are one of the main factors that lead to spatio-temporal changes of ecosystems services. As such, the identification of the mam socioeconomic drivers of LULC can give important insights about the drivers of ecosystem services. However, the analysis of ecosystem services in a context of socio-ecological systems 1s still underdeveloped. Brazil has witnessed intense changes mn LULC 1n the last five centuries, which may have influenced the provision of ecosystem services at local, regional and global scales. In the southeast mountain area of the Atlantic Forest biome, the Zona da Mata de Minas Gerais is characterized by a heterogeneous landscape mosaic composed of pasture and coffee fields intermingled with forest fragments, which are predominantly inhabited and managed by family farmers. The Zona da Mata 1s considered a complex socio-ecological system and 1s an interesting case to study the spatio-temporal provision of ecosystem services. In Chapter 2, I assessed the LULC changes from 1986 to 2015 and their mam socioeconomic drivers. By combining data obtained from satellite images, workshops and secondary data, I showed that forest and coffee areas increased, and pasture decreased. These changes were associated with government measures to protect the environment, financial support of family farmers, migration to cities and the agroecological movement. A scenarios analysis of contrasting soclo-economic narratives indicated that sustamable measures taken by the government to protect the environment and support family farmers with financial credit will lead to increase forest and coffee areas in the Green Road scenario. In contrast, the socioeconomic development mn the Fossil Fuel scenario, which projects a decline m environmental protection and focuses on rapid economic development, there will be a decline 1n forest areas. In Chapter 3, Iexplored the spatial variation of ecosystem services from 1986 to 2015 and the impacts of LULC changes on ecosystem services proviston levels and their interactions. To map the spatio-variation of ecosystem services, I used the LULC maps from 1986 and 2015 (Chapter 2) and the InVEST model. This analysis indicated that the conversion of forest to pasture has strong negative impacts on soil erosion control and water flow regulation, manifesting mostly as trade-offs and dis- synergies between ecosystem services. In Chapter 4, Iinvestigated the separate effects of LULC changes and climate on water dynamics from 1990 to 2015, and explored scenarios of LULC change and climate change for 2045. For this purpose, I used the SWAT model and climate data combined with historical and future LULC maps developed mn Chapter 2. I found that the variation m climate variables was the main factor for the observed increase 1n the river streamflow in the study period and that forest can buffer extreme precipitation events. The exploration of future scenarios indicated that the increase in forest cover under the Green Road scenario 1s expected to decrease the surface runoff water and increase evapotranspiration as compared to the Fossil Fuel scenario, mitigating the impacts of soil erosion and climatic extremes 1n the region. Projected changes im precipitation and temperature are expected to have negative impacts for agriculture 1n the future. In Chapter 5, I assessed the impact of climate change on the suitability of Coffea arabica production in the study region and the potential of agroforestry systems to mitigate these impacts. For this, I combined the species distribution model MaxEnt with current and future climate projections. Agroforestry system have the potential to reduce air temperatures under the canopy of trees. I explored the effect of the altered the microclimate in agroforestry systems on the suitability for coffee production by adjusting future climate data to reflect conditions in agroforestry systems. I found that the area suitability for coffee production from the current monoculture coffee systems will decline by 60% under the projected climatic changes. However, the implementation of coffee agroforestry systems can mitigate these negative impacts of climatic change and maintam 75% of the area suitable for coffee production mn 2050. Combining social and ecological systems in an interdisciplinary framework, generated insights im the relationships between climate and LULC change, and how this influences several ecosystem services. This framework connects different research fields and allows different stakeholders to work together to find effective ways to work towards multifunctional landscapes that promote the sustamable use of ecosystem services. Keywords: future scenarios; mapping; agroforestry; water dynamics; climate change.Diante das mudanças climáticas projetadas para as próximas décadas, há uma necessidade urgente de paisagens multifuncionais capazes de fornecer diversos serviços ecossistêmicos, que são os benefícios da natureza como água e alimentos. Isso requer melhor compreensão dos fatores sociais e ecológicos que influenciam o manejo destas paisagens e, por sua vez, influenciam a prestação de serviços ecossistêmicos. Como mudanças na cobertura do uso da terra são um dos principais fatores que influenciam a fornecimento de serviços de ecossistemas sem tempo e espaço. Dessa forma, a identificação dos principais fatores socioeconômicos responsáveis ​​pelas mudanças no uso da terra podem fornecer informações importantes sobre os fatores que impulsionam os serviços ecossistêmicos. No entanto, a análise dos serviços ecossistêmicos em um contexto de sistemas socioecológicos ainda são incipientes. O Brasil testemunhou intensas mudanças no uso da terra nos últimos cinco séculos, o que pode ter influenciado a prestação de serviços ecossistêmicos nas escalas local, regional e global. Localizada na região montanhosa do sudeste da Mata Atlântica, a Zona da Mata de Minas Gerais é descrição por um mosaico heterogêneo de paisagens composto por fragmentos florestais, pastagens e cafezais, predominantemente gerenciados por agricultores familiares. A Zona da Mata é considerada um sistema socioecológico complexo e por isso é um caso interessante para estudar a prestação espaço-temporal de serviços ecossistêmicos. No capítulo 2, mapeei as modificações no uso da terra de 1986 a 2015 e os principais fatores socioeconômicos associados. Combinando dados obtidos a partir de imagens de satélite, oficinas e dados da literatura, mostrei que as áreas de floresta e o café aumentou e as pastagens diminuíram no período treinado. Essas mudanças foram associadas às medidas governamentais de proteção ao meio ambiente, apoio financeiro a agricultores familiares, migração para cidades e ao movimento agroecológico na região. Uma análise de diferentes cenários socioeconômicos indicou que medidas sustentáveis tomadas pelo governo para proteger o meio ambiente e apoiar os agricultores familiares com crédito financeiro levarão ao aumento das áreas florestais e de café no cenário Caminho Verde para 2045. Por outro lado, o desenvolvimento socioeconômico no cenário Combustíveis Fósseis, que projetam um declínio na proteção ambiental e é caracterizado pelo rápido desenvolvimento econômico, haverá um declínio nas áreas florestais. No capítulo 3, explorei a variação espacial dos serviços ecossistêmicos de 1986 a 2015 e os Impactos das mudanças no uso da terra nos níveis de prestação de serviços ecossistêmicos e suas Interações. Para mapear a variação espacial dos serviços ecossistêmicos, usei os mapas de uso da terra de 1986 e 2015 (capítulo 2) e o modelo InVEST. Essa análise indicou que a conversão de floresta em pastagem tem fortes impactos negativos no controle da erosão do solo e na regulação do fluxo de água, manifestando-se principalmente como trade-offs e de-simmergias entre os serviços do ecossistema. No capítulo 4, investiguei os efeitos separados das mudanças de uso da terra e do clima na dinâmica da água de 1990 a 2015 e explorei cenários de mudanças de uso da terra e mudanças climáticas para 2045. Para esse propósito, usei o modelo SWAT e dados climáticos combinados com dados históricos e futuros mapas LULC desenvolvidos no Capítulo 2. Identifiquei que a variações climáticas foram o principal fator para o aumento observado no fluxo do rio no período do estudo e que a floresta pode amortecer eventos extremos de precipitação. A exploração de cenários futuros indicou que o aumento da cobertura florestal no cenário Caminho Verde deverá diminuir a água do escoamento superficial e aumentar a evapotranspiração em comparação com o cenário Combustível Fóssil, mitigando os impactos da erosão do solo e extremos climáticos na região. Em todo o mundo, projeções de mudanças na precipitação e na temperatura podem causar impactos negativos para a agricultura no futuro. No capítulo 5, avaliei o Impacto das mudanças climáticas nas áreas aptas para produção de Coffea arabica nas regiões Matas de Minas e Montanhas do Sudeste e o potencial dos sistemas agroflorestais para mitigar esses Impactos. Para 1sso, utilizei o modelo de distribuição de espécies MaxEnt e as projeções climáticas atuais e futuras. O sistema agroflorestal tem o potencial de reduzir a temperatura do ar sob o dossel das árvores. Eu explorei este efeito dos sistemas agroflorestais no microclima, ajustando dados climáticos futuros para refletir as condições caso os sistemas agroflorestais fossem adotados no futuro. Os resultados indicaram que diante das projeções climáticas, a área apta para produção de café nos atuais sistemas de monocultura será de apenas 40% da área total atual em 2050. No entanto, a implementação de sistemas agroflorestais de café pode mitigar esses impactos negativos das mudanças climáticas e manter 75% da área adequada para a produção de café em 2050. A combinação de sistemas sociais e ecológicos em uma estrutura interdisciplinar gerou importantes informações sobre as relações entre a sociedade, mudanças no uso da terra e clima e como isso influencia vários serviços ecossistêmicos. Essa estrutura conecta diferentes áreas de pesquisa e permite que diferentes partes interessadas trabalhem juntas para manejar paisagens multifuncionais que promovem o uso sustentável dos serviços ecossistêmicos. Palavras-chave: cenários futuros; mapeamento; agrofloresta; dinâmica hídrica; mudanças climáticas.