Ländliche Gebiete in Brasilien sind mit vielfältigen Problemen konfrontiert. Um gleichzeitig eine nachhaltige, bezahlbare Biodieselproduktion zu fördern und die sozialen Probleme auf dem Land anzugehen, wurde 2004 das brasilianische Biodieselprogramm PNPB beschlossen. Diese Arbeit untersucht, welche Veränderungen die Produktion von Ölpflanzen im Rahmen des PNPB für Kleinbauern mit sich bringt und ob dies zu mehr Resilienz der kleinbäuerlichen Landwirtschaft im Norden von Minas Gerais beiträgt. Untersucht wurden landwirtschaftliche Systeme in zwei Regionen. In der bereits marktwirtschaftlich orientierten Region mit einer gut funktionierenden Kooperative bringt der Anbau von Soja für Biodiesel einen geringen Mehrverdienst und wenig Umsetzungsprobleme. Das Agrarsystem selbst wird jedoch weder resilienter noch werden die Bauern abhängig vom PNPB. Anders stellt sich die Situation in der strukturschwachen Region dar, wo Kleinbauern Rizinus als neue Fruchtart in ihre Produktion aufgenommen haben. Diese Bauern waren die eigentliche Zielgruppe des PNPB. Tatsächlich profitieren sie aber weit weniger davon. Zwar konnten die Rizinusbauern durch das PNPB kurzfristig einen Einkommenszuwachs erzielen, aufgrund verschiedener Widrigkeiten war dieser jedoch nicht von Dauer. Insgesamt ist die Struktur des Agrarsystems der Rizinusbauern sehr fragil. Das bedeutet, dass sich externe Störungen selbst verstärken und das System aus dem Gleichgewicht bringen können. Dies und die genannten Schwierigkeiten führen zu einer Schwächung der Resilienz des Gesamtsystems durch das PNPB. Der Kern des Agrarsystems mit seiner ursprünglichen Produktion von Rindfleisch und Produkten zur Selbstversorgung, deren Überschüsse verkauft werden, kann jedoch als resilient eingestuft werden. Alternativ zur Teilnahme am PNPB könnte eine auf Diversität, Agrarökologie, traditionelles Wissen, regionale Vernetzung und Autonomie der Kleinbauern gegenüber Abnehmern ausgelegte Produktionsweise zu mehr Resilienz führen. / Rural areas in Brazil face various problems. In order to simultaneously promote sustainable, affordable biodiesel production and to address the social problems in the countryside, the Brazilian biodiesel program PNPB was approved in 2004. This thesis examines the changes induced by the production of oil crops under the PNPB for family farmers, and whether this contributes to the resilience of family farming in the north of Minas Gerais. Agricultural systems were studied in two regions. In the already market-oriented region with a well-functioning cooperative the cultivation of soybeans for biodiesel provides a small additional income and little implementation problems. However, neither the agricultural system itself becomes more resilient nor do the farmers depend on the PNPB. The situation is different in the structurally weak region where small farmers have included castor as a new crop in their production. These farmers were the actual target group of the PNPB. In fact, they benefit far less. Although the castor bean farmers were able to increase their income in the short term by the PNPB, this was not permanent due to various adversities. Overall, the structure of the agricultural system is very fragile. This means that external disturbances can intensify themselves and can bring the system out of balance. This and the difficulties mentioned led to a weakening of the resilience of the overall system by the PNPB. However, the core agricultural system, with its production of beef and products for self-sufficiency and the surplus being sold to the market can be classified as resilient. As an alternative to the participation in the PNPB, a more diversified farming approach, such as using methods of agricultural ecology and traditional knowledge and the establishment of cooperatives to strengthen the autonomy of small-scale farmers and their power towards contract partners, could lead to more resilience.

Die Abwägung von Wirtschaftswachstum, Nahrungsmittelsicherheit und Bewahrung natürlicher Ökosystemdienstleistungen ist eine der wesentlichen Herausforderungen für die heutige Gesellschaft. Diese Dissertation zielt darauf ab, mit Hilfe von zeitreihenbasierten Fernerkundungsmethoden den Status und die Veränderungen von Landnutzung, und Landbedeckung im brasilianischen Regenwald und der Savanne zu erfassen. Dabei wurde untersucht, inwieweit der Einsatz zeitlicher Information die Trennung von Ackerland, Weideland und natürlicher Vegetation in einer heterogenen Savannenlandschaft erleichtert. Im Anschluss wurden langfristige Zeitreihen von Satellitenbildern genutzt, um die historische Entwaldung und das Nachwachsen der Sekundärvegetation nachzuvollziehen. Der verfolgte Ansatz stellte deutlich den Mehrwert zeitlicher Information zur Trennung von Ackerland, Weideland und natürlicher Vegetation in den komplexen Landnutzungssystemen der Savannenlandschaften heraus. Die langzeitlichen Analysen zur Entwaldungsdynamik zeigten erstmals die Bedeutung der historischen Abholzung im Untersuchungsgebiet. Hier wurde die Hälfte aller Abholzung zwischen 1984-2012 vor dem Jahr 2000 registriert. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass auf bis zu 50% der Abholzungsflächen in Pará und maximal 25% der Abholzungsflächen in Mato Grosso Sekundärvegetation aufgewachsen ist. Die höheren Aufwuchsraten in Pará deuten auf eine geringere Bewirtschaftungsintensität der dominierenden Weidesysteme im Vergleich zu Mato Grosso hin. Zudem werfen die unterschiedlichen Dynamiken von Abholzungs- und Aufwuchsprozessen ein neues Licht auf die politischen und ökonomischen Rahmenbedingungen der 90er Jahre, nach dem Zusammenbruch des Militärregimes. Darüber hinaus helfen die räumlich expliziten Informationen zur langfristigen Entwaldung und Wiederaufwuchs dabei, die Schätzungen der regionalen Kohlenstoffbilanz zu verfeinern und Kernbereiche für die Wiederherstellung der Landschaft zu identifizieren. / Reconciling trade-offs between economic growth, food security and ecosystem services is one of the major challenges for today’s society. This dissertation aims to monitor status and changes of land use and land cover (LULC) in the Brazilian rainforest and savanna employing time series-based analysis of Landsat imagery. First, it was investigated how temporal information facilitates the separation of cropland, pasture and natural vegetation in a heterogeneous savanna landscape of the Brazilian Cerrado. Second, a long-term record of satellite imagery was used to uncover historic deforestation and regrowth processes. Outcomes of the LULC assessment demonstrated a high additional value of temporal information for separating cropland, pasture and natural vegetation in complex land use systems of savanna landscapes. In regard to the long-term deforestation analysis (1984-2012), spatio-temporal clearing patterns emphasized the relevance of historical deforestation with half of the overall deforestation being detected before 2000. Investigating post-deforestation regrowth dynamics, results revealed secondary vegetation on up to 50% of the deforested area in Pará and a maximum of 25% in Mato Grosso. Higher regrowth rates in Pará indicated a lower management intensity on the dominating pasture systems compared to Mato Grosso. Differences in historic deforestation and regrowth dynamics shed a new light on possible impacts of political incentives in the 90s after the collapse of the military regime in 1984. In this context, the results set a valuable basis to investigate the influence of proximate and underlying drivers on land change in the region. Spatially explicit information on long- term deforestation and regrowth dynamics further allows to refine estimates on the regional carbon balance and to identify core areas for landscape restoration.

Die Nachfrage nach Agrarerzeugnissen gilt als zentrale Ursache für den Verlust weltweit wichtiger Ökosysteme. In Brasilien hat speziell die Ausweitung der Sojaproduktion zur Abholzung tropischer Wälder und Savannen geführt. Zumeist werden neu gerodete Flächen als Rinderweiden genutzt und vormalige Weiden für den Sojaanbau umgewandelt. Diese Entwicklung führt zu der Annahme, dass die Ausweitung der Sojaproduktion indirekt für die Rodung verantwortlich ist. Staatliche Umweltpolitiken und die Selbstverpflichtung der Sojaindustrie haben seit 2004 zu einer Verringerung der Abholzung beigetragen. Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Dissertation darauf ab, ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Soja- und Rinderwirtschaft zu erlangen. Im Fokus stehen räumliche und zeitliche Dynamiken von Landnutzung und Landnutzungsverdrängung in Mato Grosso und Pará, einer der dynamischsten Regionen Brasiliens. Für diese Bundesstaaten werden Landnutzung und Landnutzungsverdrängung im regionalen Kontext, auf Grundstücksebene und mithilfe von Szenarien untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strategien zur Verringerung der Abholzung Einfluss auf die Dynamiken der Landnutzung und Landnutzungsverdrängung hatten. Die durch die Ausweitung des Sojaanbaus hervorgerufene Verdrängungsprozesse haben sich nach der Implementierung der Umweltschutzstrategien verringert. Auch die Abholzung auf einzelnen Grundstücken in Mato Grosso ging zurück. Zugleich zeigt die Analyse, dass die Selbstverpflichtung der Sojaindustrie durch indirekte Abholzung teilweise untergraben wird. Die Ergebnisse der Szenarien unterstreichen die regionale Dynamik und speziell die Risiken einer weiteren Ausweitung von Rinderweiden. Insgesamt legen die Ergebnisse nahe, dass auf Reduktion der Abholzung abzielende Strategien die Wechselwirkungen von Soja- und Rinderwirtschaft beachten müssen. Dies erfordert eine verstärkte Zusammenarbeit von Rinderwirtschaft, Sojaindustrie und staatlichen Organisationen. / Demands for agricultural commodities are a major threat for some of the most valuable ecosystems in the world. The expansion of the agricultural sector in Brazil, fueled by global demands for soybeans, contributed to the loss of tropical and savanna ecosystems. However, most deforestation was caused by pastures, raising concerns about land use displacement processes between soybean expansion and cattle ranching. Promising, reductions of deforestation were observed following the implementation of governmental strategies and zero-deforestation supply chain commitments. This thesis aims to contribute to the understanding of spatial and temporal dynamics of soybean expansion and cattle ranching, driving deforestation in one of the most dynamic agricultural expansion and deforestation frontier of Brazil, in Mato Grosso and Pará. In this region, land use displacement describes the conversion of pasture to soybean followed by deforestation for cattle ranching at another location. This process was assessed at regional and property-level. Moreover, scenario analysis was applied to identify regional and subregional dynamics of land use changes. The results indicated that environmental governance affected regional and local land use dynamics and displacement processes. Distal displacement processes between soybean expansion and deforestation were significant, contributing to deforestation, but declined subsequently to the implementation of environmental policies. Likewise, deforestation at property-level declined following the policy implementations. However, the effectiveness of the zero-deforestation supply chain commitment was found to be at risk due to property-level displacement deforestation. Additionally, the scenario analysis emphasized the importance of subregional dynamics and identified risks of future deforestation. Integrating efforts between supply chain (soy and cattle) and governmental actors may be crucial to reduce deforestation in the Amazon.

Der Amazonas befindet sich im Wandel. Seine Regenwälder sind zunehmend durch die expandierende Landwirtschaft bedroht. Brandrodungen und die meist extensive Weidewirtschaft verantworten großflächige Ökosystemschäden und hohe Treibhausgasemissionen. Erdbeobachtungssysteme wie die Landsat und Sentinel-2 Satelliten ermöglichen eine großflächige Analyse dieser Entwicklungen und sind unerlässlich zur Evaluierung von Maßnahmen zum Schutze des Amazonas. Allerdings sind in den Kerntropen Fernerkundungsanalysen aufgrund des Bewölkungsgrades sehr herausfordernd. Diese Arbeit zielt daher auf eine verbesserte Erkennung landwirtschaftlicher Prozesse, wie sie an Entwaldungsfronten und speziell in der Region Novo Progresso, Pará, Brasilien, typisch sind. Dazu wurde zunächst der EO Time Series Explorer entwickelt, um verschiedene Dimensionen dichter Multisensorzeitserien interaktiv zur Erstellung von Referenzdaten in Wert zu setzen. Mit den Clear Observation Sequences (COS) wurde darauf basierend ein neuer Ansatz zur Erfassung hoch-dynamischer landwirtschaftlicher Prozesse entwickelt, etwa Feuer mit geringer Brandlast oder Bodenbearbeitungsmaßnahmen. Darauf aufbauend wurde schließlich der Landnutzungswandel in der Region Novo Progresso zwischen 2014 und 2020 untersucht. Die Ergebnisse zeigen einen alarmierenden Anstieg der Entwaldung und eine Zunahme landwirtschaftlicher Feuer seit der Präsidentschaft von Jair Bolsonaro. Differenziert nach Landnutzungszonen und Betriebsgrößen wird deutlich, dass Schutzgebiete weniger wirksam sind und insbesondere größere Landwirtschaftsbetriebe die Entwaldung vorantreiben. Diese Arbeit zeigt den hohen Wert einer synergetischen Nutzung unterschiedlicher Satellitenzeitserien für die fernerkundliche Analyse landwirtschaftlicher Prozesse. Eine weitere Verdichtung der Zeitserien mit räumlich und spektral höherauflösenden Sensoren bietet weiteres Verbesserungspotential bei der Beschreibung landwirtschaftlicher Dynamiken. / The Amazon is in transition, and its rainforests are increasingly threatened by agricultural expansion. A slash-and-burn agriculture and mostly extensive cattle grazing are responsible for large-scale ecosystem damage and high levels of greenhouse gas emission. Earth observation systems such as the Landsat and Sentinel-2 satellites enable large-scale analysis of these developments and are essential for evaluating measures to protect the Amazon. However, cloud cover makes remote sensing analysis challenging in the core tropics. The present work aims to improve the detection of agricultural processes typical of deforestation frontiers, focusing specifically on the Novo Progresso region, Pará, Brazil. To that end, the EO Time Series Explorer was developed to interactively visualize the different dimensions of dense multi-sensor time series and to create reference data. Based on this software tool, the Clear Observation Sequences (COS) approach was developed to capture highly dynamic agricultural processes such as low-load fires or tillage operations. Finally, the investigation of land-use changes in the Novo Progresso region between 2014 and 2020 shows an alarming increase in deforestation and agricultural fires since Jair Bolsonaro’s accession to the presidency. Analysis by land-use zone and property size shows that protected areas have become less effective and that larger properties are driving deforestation. This work demonstrates the value of synergistic use of satellite time series for remote sensing analysis of agricultural processes. Further densification of time series using higher spatial and spectral resolution sensors promises to further improve the description of agricultural dynamics.