The purpose of this research is to quantify how macro-scale factors such as weather, crop prices, and land conversion affect agricultural water use at the irrigation district level in central Arizona and to understand what constraints and considerations district managers face when making water-sourcing decisions. A conceptual model is developed and econometrically estimated finding that much of the annual variation in total water use for agriculture can be explained by differences in precipitation, cotton prices, and alfalfa prices. Further, results from empirical analysis support the notion that total water use for agriculture has been greatly affected by land conversion from agriculture to other uses. Irrigation district manager interviews indicate that the water sourcing process is very similar across districts in central Arizona and has varied little since 1995, due to common constraints. This research lays an important foundation for future models designed to forecast agricultural water use in central Arizona.

abstract: Land-use change has arguably been the largest contributor to the emergence of novel zoonotic diseases within the past century. However, the relationship between patterns of land-use change and the resulting landscape configuration on disease spread is poorly understood as current cross-species disease transmission models have not adequately incorporated spatial features of habitats. Furthermore, mathematical-epidemiological studies have not considered the role that land-use change plays in disease transmission throughout an ecosystem. This dissertation models how a landscape's configuration, examining the amount and shape of habitat overlap, contributes to cross-species disease transmission to determine the role that land-use change has on the spread of infectious diseases. To approach this, an epidemiological model of transmission between a domesticated and a wild species is constructed. Each species is homogeneously mixed in its respective habitat and heterogeneously mixed in the habitat overlap, where cross-species transmission occurs. Habitat overlap is modeled using landscape ecology metrics. This general framework is then applied to brucellosis transmission between elk and cattle in the Greater Yellowstone Ecosystem. The application of the general framework allows for the exploration of how land-use change has contributed to brucellosis prevalence in these two species, and how land management can be utilized to control disease transmission. This model is then extended to include a third species, bison, in order to provide insight to the indirect consequences of disease transmission for a species that is situated on land that has not been converted. The results of this study can ultimately help stakeholders develop policy for controlling brucellosis transmission between livestock, elk, and bison, and in turn, could lead to less disease prevalence, reduce associated costs, and assist in population management. This research contributes novelty by combining landscape ecology metrics with theoretical epidemiological models to understand how the shape, size, and distribution of habitat fragments on a landscape affect cross-species disease transmission. The general framework demonstrates how habitat edge in single patch impacts cross-species disease transmission. The application to brucellosis transmission in the Greater Yellowstone Ecosystem between elk, cattle, and bison is original research that enhances understanding of how land conversion is associated with enzootic disease spread. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Applied Mathematics for the Life and Social Sciences 2020

Wir betrachten folgende Teile: die zusätzlichen Kohlenstoff(C)-emissionen, welche aus der Umwandlung von natürlichem Umland durch Stadtwachstum resultieren, und die Änderung des C-Flusses durch 'urbanisierte' Ökosysteme, soweit atmosphärisches C durch diese in umliegende natürliche Ökosysteme entlang der Kette “Atmosphäre -> Vegetation -> abgestorbene organische Substanzen” gepumpt wird: d.h. C-Export; für den Zeitraum von 1980 bis 2050. Als Szenario nutzen wir Prognosen der regionalen Stadtbevölkerung, welche durch ein 'Hybridmodell' generiert werden für acht Regionen. Alle Schätzungen der C-Flüsse basieren auf zwei Modellen: das Regression Modell und das sogenannte G-Modell. Die Siedlungsfläche, welche mit dem Wachstum der Stadtbevölkerung zunimmt, wird in 'Grünflächen' (Parks, usw.), Gebäudeflächen und informell städtisch genutzte Flächen (Slums, illegale Lagerplätze, usw.) unterteilt. Es werden jährlich die regionale und globale Dynamik der C-Emissionen und des C-Exports sowie die C-Gesamtbilanz berechnet. Dabei liefern beide Modelle qualitativ ähnliche Ergebnisse, jedoch gibt es einige quantitative Unterschiede. Im ersten Modell erreicht die globale Jahresemission für die Dekade 2020-2030 resultierend aus der Landnutzungsänderung ein Maximum von 205 Mt/a. Die maximalen Beiträge zur globalen Emission werden durch China, die asiatische und die pazifische Region erbracht. Im zweiten Modell erhöht sich die jährliche globale Emission von 1.12 GtC/a für 1980 auf 1.25 GtC/a für 2005 (1Gt = 109 t). Danach beginnt eine Reduzierung. Vergleichen wir das Emissionmaximum mit der Emission durch Abholzung im Jahre 1980 (1.36 GtC/a), können wir konstatieren, daß die Urbanisierung damit in vergleichbarer Grösse zur Emission beiträgt. Bezogen auf die globale Dynamik des jährlichen C-Exports durch Urbanisierung beobachten wir ein monotones Wachstum bis zum nahezu dreifachen Wert von 24 MtC/a für 1980 auf 66 MtC/a für 2050 im ersten Modell, bzw. im zweiten Modell von 249 MtC/a für 1980 auf 505 MtC/a für 2050. Damit ist im zweiten Fall die Transportleistung der Siedlungsgebiete mit dem C-Transport durch Flüsse in die Ozeane (196 .. 537 MtC/a) vergleichbar. Bei der Abschätzung der Gesamtbilanz finden wir, daß die Urbanisierung die Bilanz in Richtung zu einer 'Senke' verschiebt. Entsprechend dem zweiten Modell beginnt sich die C-Gesamtbilanz (nach annähernder Konstanz) ab dem Jahre 2000 mit einer fast konstanten Rate zu verringern. Wenn das Maximum im Jahre 2000 bei 905MtC/a liegt, fällt dieser Wert anschliessend bis zum Jahre 2050 auf 118 MtC/a. Bei Extrapolation dieser Dynamik in die Zukunft können wir annehmen, daß am Ende des 21. Jahrhunderts die “urbane” C-Gesamtbilanz Null bzw. negative Werte erreicht. / We calculate the additional carbon emissions as a result of the conversion of natural land in a process of urbanisation; and the change of carbon flows by “urbanised” ecosystems, when the atmospheric carbon is exported to the neighboring territories, from 1980 till 2050 for the eight regions of the world. As a scenario we use combined UN and demographic model′s prognoses for regional total and urban population growth. The calculations of urban areas dynamics are based on two models: the regression model and the Gamma-model. The urbanised area is sub-divided on built-up, „green“ (parks, etc.) and informal settlements (favelas) areas. The next step is to calculate the regional and world dynamics of carbon emission and export, and the annual total carbon balance. Both models give similar results with some quantitative differences. In the first model, the world annual emissions attain a maximum of 205 MtC/year between 2020-2030. Emissions will then slowly decrease. The maximum contributions are given by China and the Asia and Pacific regions. In the second model, world annual emissions increase to 1.25 GtC in 2005, beginning to decrease afterwards. If we compare the emission maximum with the annual emission caused by deforestation, 1.36GtC per year, then we can say that the role of urbanised territories (UT) is of a comparable magnitude. Regarding the world annual export of carbon by UT, we observe its monotonous growth by three times, from 24 MtC to 66 MtC in the first model, and from 249 MtC to 505 MtC in the second one. The latter, is therefore comparable to the amount of carbon transported by rivers into the ocean (196-537 MtC). By estimating the total balance we find that urbanisation shifts the total balance towards a “sink” state. The urbanisation is inhibited in the interval 2020-2030, and by 2050 the growth of urbanised areas would almost stop. Hence, the total emission of natural carbon at that stage will stabilise at the level of the 1980s (80 MtC per year). As estimated by the second model, the total balance, being almost constant until 2000, then starts to decrease at an almost constant rate. We can say that by the end of the XXI century, the total carbon balance will be equal to zero, when the exchange flows are fully balanced, and may even be negative, when the system begins to take up carbon from the atmosphere, i.e., becomes a “sink”.

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Meine Dissertation beschäftigt sich mit den institutionellen Aspekten staatlicher Zahlungen für Ökosystemleistungen (Payments for Ecosystem Services „PES“) in China. Marktbasierte Ansätze zur Steuerung von Ökosystemleistungen, insbesondere von PES, wurden in den letzten Jahrzehnten als neue und innovative Politikinstrumente angesehen. Entsprechend diesem internationalen Trend sind PES auch in China populär, werden jedoch meist mit dem inländischen Begriff der Ökokompensation beschrieben. Einen wirtschaftlichen Anreiz für Verhaltensänderungen zu schaffen, wenn das Ökokompensations-Programm nur ein Ausgleich für gesetzliche Einschränkungen ist, kann eine Herausforderung darstellen. Die Merkmale der Ökokompensation unterscheiden sich von anderen nationalen PES-Programmen, da sich das Governance-Modell, die Eigentumsrechte und die gesellschaftlichen Strukturen in China stark von anderen Staaten unterscheiden. Die Ökokompensation steht vor vielen institutionellen Herausforderungen, wenn es darum geht, ökonomische Anreize für Verhaltensänderungen zu schaffen. Zahlungen für Ökosystemleistungen, die Elemente sowohl eines freiwilligen, marktbasierten als auch eines hierarchischen Systems kombinieren, um mit den besonderen institutionellen Rahmenbedingungen umzugehen, wurden bisher noch nicht ausreichend untersucht. Eine Wissenslücke besteht insbesondere hinsichtlich der Anpassung des Designs von PES an die institutionellen Rahmenbedingungen in China. Die Mechanismen von Zahlungen für Ökosystemleistungen in China unterscheiden sich in wichtigen Punkten von den aus der westlichen Erfahrung bekannten Mechanismen. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Diskrepanz zwischen der allgemein gültigen Rahmung von Zahlungen von Ökosystemleistungen und der Realität ihrer Praxis zu verringern, indem sie eine institutionelle Analyse des chinesischen staatlichen PES-Programms vornimmt. Das Sloping Land Conversion Program (SLCP) gilt als eines der weltweit größten PES-Programme und ist ein wichtiger Bestandteil der Ökokompensation. Das erste Ziel dieser Dissertation ist es, anhand des SLCP als empirische Fallstudie zu verstehen, wie das institutionelle Design des staatlichen PES in China verbessert werden kann. Das zweite Ziel ist in einem breiteren internationalen Kontext zu sehen und zielt darauf ab, einen methodischen Beitrag zur Analyse der Governance von Ökosystemleistungen zu leisten. Die Dissertation folgt einer kumulativen Struktur, die aus einem Rahmentext besteht, in den fünf, von Experten begutachtete, Artikel aus internationalen Fachzeitschriften integriert sind. Kapitel 1 ist eine Einführung, in der die Forschungslücken und die Forschungsziele im Hinblick auf staatliche PES beschrieben werden. Kapitel 2 liefert die theoretische Grundlage der institutionellen Ökonomie und zeigt die Bedeutung der Governance von Naturressourcen in China auf. Darauf aufbauend konkretisiert Kapitel 3 das Forschungsdesign, indem es die Forschungsziele in verschiedene Forschungsfragen untergliedert. Kapitel 4 beinhaltet den Ergebnisteil, der fünf Zeitschriftenartikel umfasst. Der erste Artikel liefert die konzeptionelle Grundlage für alle nachfolgenden Untersuchungen, die in dieser Dissertation vorgestellt werden, und gibt einen Überblick über die Wirksamkeit und die institutionellen Herausforderungen des chinesischen SLCP. Sowohl der zweite als auch der dritte Artikel sind empirische Untersuchungen. Der zweite Artikel untersucht, wie die sozioökonomischen und institutionellen Bedingungen Anreize für Haushalte in ländlichen Gebieten schaffen, um die primären Umweltziele des SLCP zu erreichen. Der dritte Artikel zeigt, wie lokale Dynamiken die Umsetzung des SLCP beeinflusst und geprägt haben. Der vierte Artikel veranschaulicht und diskutiert die im zweiten Artikel angewandte Methode im Vergleich zu einer weiteren Fallstudie in Deutschland. Der fünfte Artikel schließlich stellt die Stärken und Schwächen der im dritten Artikel angewandten Methode den Erfahrungen ähnlicher Studien in vier weiteren Ländern gegenüber. Zusammen liefern diese Artikel wichtige Beiträge für die beiden Ziele der Dissertation. Kapitel 5 beinhaltet die Synthese und Diskussion der Ergebnisse und Kapitel 6 schließt die Dissertation ab. Das wichtigste Ergebnis dieser Dissertation ist, dass die Wirksamkeit des staatlichen PES in China das Ergebnis der Interaktion der treibenden sozialen Kräfte ist, während institutionelle Rahmenbedingungen und lokale Dynamiken eine Schlüsselrolle bei der Ausgestaltung der Programmumsetzung spielen. Das SLCP hätte unter bestimmten institutionellen Bedingungen ein großes Potenzial für die Schaffung signifikanter Skaleneffekte und für die Verbesserung der Umwelteffektivität. Allerdings weicht die derzeitige Umsetzung des SLCP wegen der besonderen institutionellen Rahmenbedingungen erheblich von dem von der Politik geförderten Marktansatz ab. Zwar haben die institutionellen Rahmenbedingungen die breite Akzeptanz und schnelle Entwicklung des SLCP in der Anfangsphase nicht behindert, doch gibt es keine Möglichkeit, einen langfristigen Erfolg im Hinblick auf die Umwelteffektivität zu erreichen, wenn die wichtigsten PES-Elemente fehlen. Der überwiegend von oben nach unten gerichtete Ansatz des Programms und das Fehlen von echter Freiwilligkeit, Konditionalität und Eigentumsrechten werden zusammen als kritische Faktoren verstanden, die mögliche Misserfolge langfristig erklären. Ein weiterer Beitrag der Dissertation sind die methodischen Ansätze, die zum besseren Verständnis der Governance von Ökosystemleistungen beitragen. Diese Dissertation zeigt, dass Ansätze, die qualitative und quantitative Methoden kombinieren, wie z.B. Qualitative Vergleichende Analyse (Qualitative Comparative Analysis „QCA“) und Soziale Netzwerkanalyse (SNA), ein großes Potenzial für die institutionelle Analyse und partizipative Forschung von PES haben. Bei beiden Methoden wurde besonderes Augenmerk auf die detaillierte Beschreibung ihrer Anwendung sowie die damit verbundenen Vor- und Nachteile gelegt. / My dissertation focuses on institutional aspects of governmental payments for ecosystem services (PES) in China. Market-based approaches for ecosystem service governance, particular the PES, have been considered new and innovative policy instruments over the past decades. Corresponding to this international trend, PES schemes in China are mostly described by the domestic term eco-compensation. However, the characteristics of eco-compensation are distinct from other national PES programs, as governance model, property rights and societal structures in China are different to the PES theory. Eco-compensation faces many institutional challenges in creating economic incentives for behavioral change. However, PES that combines elements of both a voluntary market and hierarchy-based system in dealing with incomplete institutional settings has not yet been sufficiently addressed. In particular, there is a knowledge gap regarding fitting the design of PES and institutional settings in China together. The mechanisms of PES in China differ in important ways from mechanisms familiar from the western experience. This dissertation aims to reduce the divergence between the common framing of PES and the reality of its practice by presenting the institutional analysis of China’s governmental PES program. As a major component of eco-compensation, the Sloping Land Conversion Program (SLCP) is considered one of the world’s largest PES programmes. By taking SLCP as an empirical case, the first objective of this dissertation is to understand how to improve the institutional design of governmental PES. The second lies in a broad international context, aiming at methodologically contributing to the analysis of ecosystem services governance. This dissertation follows a cumulative structure, integrating the framework text and five papers. Chapter 1 is an introduction, outlining the research gaps and objectives of governmental PES. Chapter 2 provides a theoretical foundation to the institutional economic schools, their respective theories and the relevance of nature resource governance in China. Based on this, Chapter 3 confirms the research design by deconstructing the research objectives into different research questions. Chapter 4 is the results section, which comprises five papers. The first paper provides the conceptual basis for all subsequent studies presented in this dissertation, as it is an overview of the effectiveness and institutional challenges of China’s Sloping Land Conversion Program (SLCP). Both the second and third papers are empirical works. The second paper explores how socioeconomic and institutional conditions encourage rural households to reach the primary environmental goals of SLCP. The third paper shows how local dynamics derived and shaped the SLCP’s implementation. The fourth paper illustrates and discusses the method used in paper 2, comparing it with another case study in Germany. Finally, the fifth paper present the strengths and weaknesses of the method used in paper 3 based on the experiences of four different countries. Together, these papers deliver important contributions to both objectives. Chapter 5 is the synthesis and discussion, and Chapter 6 concludes the dissertation. The key finding of this dissertation is that the effectiveness of governmental PES is a result of interacting driving forces, whereas institutional settings and local dynamics play key roles in shaping program implementation. The SLCP could achieve its potential in creating significant economies of scale and environmental effectiveness under certain institutional conditions. However, against incomplete institutional settings, the current implementation of SLCP has deviated substantially from the market approach promoted by policy makers. While the incomplete institutional settings did not prevent SLCP’s wide acceptance and fast development in its first phases, there is no by-pass to reach the long term success in terms of environmental effectiveness in the absence of key PES elements. The program’s predominantly top-down approach and lack of genuinely voluntary characteristics, conditionality and property rights are jointly understood to be critical factors that explain possible failures in the long-term. Another contribution which this dissertation makes is in methodological approaches of ecosystem service governance. This dissertation has shown that mixed approaches combining qualitative and quantitative methods, such as Qualitative Comparative Analysis (QCA) and social network analysis (SNA), could have great potential for institutional analysis and participatory research for PES. The two methods were given particular emphasis in the detailed description of application, as well as in the inherent merits and limitations.

近年來為配合重大建設之開發如設置科學園區、國立大學分部設校計畫等土地開發，政府機關多按區域計畫法第15條之2規定以申請開發許可方式辦理農地之變更使用。於是大批農地變更為建築用地、工業用地或特定目的事業用地使用之情形屢見不鮮。如此大型之開發案雖經整體規劃，但規劃過程中僅考量開發案基地內本身之條件，卻忽視對週遭之環境或相關計畫之協調與整合，以致於不僅造成農地大量流失外，亦對整體環境品質之維護造成嚴重影響。 目前非都市土地開發管理在實務操作的面向上，似呈現開發許可制度並未考慮區域計畫精神、制度設計未考慮層級、各層級計畫之間的指導或承接關係普遍存在欠缺適當的聯繫機制、個案變更審議過程中未與國土規劃相連結且易受到政治影響、涉及變更農地使用時僅針對個案審議未考量是否影響周邊環境、農業主管機關對於優良農地保護及審查機制不足、開發方式太縱容個案開發許可、僅有量之需求但無質之要求、民眾事先參與之管道欠缺等之缺點，均有待探討謀求解決之道。 本文以土地使用計畫審議之合理性為主軸，應用永續發展中環境、經濟和公平（environment, economy, and equity）三個E之概念與區域計畫法第15條之2於國土利用係屬適當而合理之原則，探討開發許可中，農牧用地變更審議之規範與執行情形及民眾參與之方式，並藉由對專家學者、當地居民、公部門與相關組織之深入訪談及個案綜合分析結果，加以檢視與研討，確認目前非都市土地農牧用地變更審議執行上遭遇之課題，最後針對各課題研提改善策略與配套措施，以供政府未來執行非都市土地農牧用地變更審議政策之參考，期能達到農地環境資源合理利用之目標。 / In recent years, for co-operating the development of significant construction, like establishment of science parks, the national university branch and so on, the Government applies for the development permission to change the farmland use according to article 15-2 in Regional Plan Act. Large quantities of farmland are often changed to construction land, industry land or special-purpose land. So large-scale land development cases are planned comprehensively, and conditions of developed land base are considered in the planning process. Actually, the coordination and conformity to the environment or related plan are neglected. This not only causes the massive lost farmland, but also influences maintenance of the overall environment quality seriously. At present, in the non-urban land development management in the practice operation, the spirit of regional plan is not considered in the development permission institution. The Government do not considered the levels in the institution design. It is short of the suitable link mechanism in the instruction or continuation between plans in various levels. In the examination process of land-change cases, the cases are not linked to the national land planning, and easily influenced by the political power. When involving the farmland conversion, only the case itself is examined, but the effects on the peripheral environment are not considered. The agricultural agency lacks the superior farmland protection and examination mechanism. In the development way, the Government too tolerates the case development permission, and only has demand of the quantity without request for the quality. Besides, public participation prior to examination process is lacked. Above shortcomings should be discussed and solved. This article takes the rationality of land use plan examination as the main axle. It applies the concepts of three Es including environment, economy, and equity in the sustainable development, and adopts the principle of suitable and reasonable national land use in article 15-2 in Regional Plan Act. It discusses the standards and the situations of examination in agricultural land conversion, and the way of public participation in development permission. According to the in-depth Interviews of experts, local residents, the government agency and related organization and the results of cases study, it inspects and confirms present layout problems of examination in agricultural land conversion of non-urban land. Finally, it proposes the improvement strategies and the coordinated measures for various problems to offer references to the governmental policy in the future for achieving the goal of the reasonable use of farmland environment resources.