The objective of this study was to analyze patterns, dynamics and processes of land-use/cover changes in the transboundary Mara River Basin in East Africa. We specifically focused on deforestation and expansion of agriculture in the watershed. The intensity analysis approach was used to analyze data from satellite imagery-derived land-use/cover maps. Results indicate that swap change accounted for more than 50% of the overall change, which shows a very dynamic landscape transformation. Transition from closed forest to open forest was found to be a dominant landscape change, as opposed to a random change. Similarly, transition from open forest to small-scale agriculture was also found to be a dominant transition. This suggests a trend (pathway) of deforestation from closed forest to small-scale agriculture, with open forest as a transitional land cover. The observed deforestation may be attributed to continuous encroachment and a series of excisions of the forest reserve. Transition from rangeland to mechanized agriculture was found to be a dominant land-use change, which was attributed to change in land tenure. These findings are crucial for designing strategies and integrated watershed management policies to arrest further deforestation in the forest reserves as well as to sustainably control expansion of agriculture.

The objective of this study was to analyze patterns, dynamics and processes of land-use/cover changes in the transboundary Mara River Basin in East Africa. We specifically focused on deforestation and expansion of agriculture in the watershed. The intensity analysis approach was used to analyze data from satellite imagery-derived land-use/cover maps. Results indicate that swap change accounted for more than 50% of the overall change, which shows a very dynamic landscape transformation. Transition from closed forest to open forest was found to be a dominant landscape change, as opposed to a random change. Similarly, transition from open forest to small-scale agriculture was also found to be a dominant transition. This suggests a trend (pathway) of deforestation from closed forest to small-scale agriculture, with open forest as a transitional land cover. The observed deforestation may be attributed to continuous encroachment and a series of excisions of the forest reserve. Transition from rangeland to mechanized agriculture was found to be a dominant land-use change, which was attributed to change in land tenure. These findings are crucial for designing strategies and integrated watershed management policies to arrest further deforestation in the forest reserves as well as to sustainably control expansion of agriculture.

Eine der drängendsten Fragen des 21. Jahrhunderts ist die Sicherstellung der Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung unter Berücksichtigung zukünftiger klimatischer und umweltpolitischer Aspekte. In dieser Doktorarbeit werden die wichtigsten, für eine höhere Nahrungsmittelproduktion erforderlichen Prozesse, wie Intensivierung, Flächenausdehnung und Handel, sowie deren Interaktionen mit der Umwelt näher untersucht. Diese Prozesse fließen in das globale, ökonomische Landnutzungsmodell MAgPIE ("Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment") ein. Das Modell simuliert räumlich expliziten Landnutzungswandel und untersucht damit verbundene Vorgänge und Einflüsse, wie die landwirtschaftliche Produktion, internationaler Handel, Produktionskosten, Emissionen und Wassermangel. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen die Bedeutung des Wechselspiels zwischen Intensivierung und Flächenausdehnung. Regionen, wie Afrika, der Mittlere Osten, Südasien und China benötigen hohe Investitionen in technischen Fortschritt um der wachsenden Nachfrage standzuhalten. Zunehmende Handelsliberalisierung reduziert das Bedürfnis zur Produktivitätssteigerung mit Ausnahme von Lateinamerika, wo aufgrund komparativer Vorteile der Landwirtschaft höhere Produktivitätssteigerungen und stärkere Flächenausdehnungen beobachtet werden. Bezüglich drohenden Wassermangels hat eine Handelsöffnung in den meisten Fällen positive Auswirkungen, da wasserarme Regionen aufgrund vermehrter Importe Wasser sparen können. Dies trifft jedoch nicht auf Australien, Japan und Teile Zentralasiens zu, die durch erhöhte Exporte ihre knappen Wasserressourcen stärker beanspruchen. Die Einbindung von Regeln zum Waldschutz in einen globalen Emissionshandel könnte weitere Entwaldung verhindern. Gleichermaßen würde ein geringerer Konsum von tierischen Produkten in entwickelten Ländern zu einer geringeren Ausbeutung der Wasserressourcen in wasserknappen Gebieten führen. / One of the most prevailing questions in the 21st century is how to provide enough food for a growing population under increasing environmental and climatic constraints. In this thesis, I will examine the most important processes behind higher food production, like intensification, cropland expansion, and international trade, and its interaction with the environment. The processes are implemented in the global economic land use model MAgPIE ("Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment"), which simulates spatially-explicit land use and land use change. Moreover, it examines procedures related to agricultural production, trade, production costs, greenhouse gas emissions, and water scarcity. Results of the thesis reveal the importance of the interplay between intensification and cropland expansion. Countries in Africa, the Middle East and South and East Asia require high investments in technological change to cope with future demand. Trade liberalisation lowers required yield improvements but leads to additional deforestation, especially in Latin America due to comparative advantages in agriculture. In terms of water scarcity, an opening of trade has foremost positive implications since water-scarce regions can save water through imports. This does not hold for Australia, Japan, and Central Asia, which additionally strain their water resources due to higher exports. Appropriate policies on international level can diminish the impact on environment and climate. The inclusion of avoided deforestation into a global emission trading scheme would be able to prevent deforestation. Similarly, policies reducing the consumption of animal products in developed countries would lower the pressure on water resources in water-scarce regions.

Die Doktorarbeit untersucht, wie sich Mensch-Umwelt-Interaktionen am Beispiel von Abholzung und Landnutzungsänderungen im Amazonas analysieren und modellieren lassen. Die Abholzung tropischer Wälder bedroht die Stabilität artenreicher Ökosysteme, lokaler Wettergeschehen und des globalen Klimas. Drei Hauptteile erforschen das Thema mit Konzepten der theoretischen Physik und Netzwerktheorie. Der erste Teil gibt einen kritischen Überblick über Modellansätze, die Entscheidungen und menschliches Verhalten beschreiben. Agentenbasierte Netzwerkmodelle ergeben sich als vielversprechender Ansatz um sozial-ökologische Systeme zu modellieren. Der zweite Teil identifiziert Muster in satellitengestützten Landbedeckungsdaten im brasilianischen Amazonas. Basierend auf der Theorie der Markov-Ketten werden Übergangsraten zwischen verschiedenen Typen von Landbedeckung berechnet und Übergangsmatrizen für Teilgebiete mit Clusteralgorithmen verglichen. Angrenzende Teilgebiete weisen ähnliche Übergänge auf. Die identifizierten Cluster decken sich mit Erkenntnissen aus Feldstudien. Auf Grundlage der geschätzten Übergangsrate ergeben sich Projektionen für die Entwicklung der Landbedeckungsanteile. Der dritte Teil entwickelt ein agentenbasiertes Modell um zu untersuchen, unter welchen Bedingungen die Intensivierung der Viehhaltung im Amazonas die Abholzung reduzieren kann. Das Modell kombiniert ökologische, ökonomische und soziale Prozesse und modelliert Landnutzungsstrategien mit Heuristiken. Die Modellanalyse zeigt, dass eine Intensivierung die Abholzung nur dann verringert, wenn der lokale Viehmarkt saturiert. Unter anderen ökonomischen Bedingungen kann Intensivierung die Abholzung erhöhen. Die Arbeit demonstriert, dass eine Kombination von Methoden aus der Theorie komplexer Systeme mit sozialwissenschaftlichen Theorien zu einem besseren Verständnis der emergenten Dynamik sozial-ökologischer Systeme führen kann – eine Grundvoraussetzung, um solche Systeme nachhaltig zu bewirtschaften. / This thesis investigates how to model and analyze human-nature interactions using the example of deforestation and land-use change in the Brazilian Amazon. Deforestation of tropical forests threatens the stability of species-rich ecosystems, local weather patterns, and global climate. The three main parts of the thesis study different aspects of this topic using concepts from theoretical physics and network theory. The first part reviews modeling approaches to human decision making and behavior. From the review, networked agent-based models emerge as promising tools to capture the dynamics of social-ecological systems such as the land system. The second part of the thesis combines Markov-chain and cluster analyses to detect patterns in satellite-derived land-cover maps of the Brazilian Amazon. I compute transition rates between different land-cover types and apply clustering algorithms to find spatial patterns. The analysis shows that neighboring subregions undergo similar transitions and identifies clusters corresponding to findings from field surveys. Markov-chain models, parameterized with the transition rates, are used to compute land-cover projections. In the third part, I develop an agent-based model to investigate under which conditions the intensification of cattle ranching can reduce deforestation in the Amazon. The model captures stylized environmental, economic, as well as social processes, and uses heuristic decision theory to represent different land management strategies. A detailed analysis reveals that fast intensification can only lower deforestation rates if local cattle markets saturate. Under other economic conditions intensification may increase deforestation. The contributions of this thesis demonstrate that combining modeling tools from complexity science with social-science theories allow better understanding the emergent dynamics of social-ecological systems, which is a prerequisite for their sustainable management.

This publication summarizes the main results of the INCAProject during 2011/2012 and the contributions to the according INCA-Summer-School, which took place from September 19th – September 27th 2012 at the Technische Universität Dresden, Faculty of Environmental Sciences, Institute of International Forestry and Forest Products, Professorship of Tropical Forestry in Tharandt, Germany.

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This publication summarizes the main results of the INCAProject during 2011/2012 and the contributions to the according INCA-Summer-School, which took place from September 19th – September 27th 2012 at the Technische Universität Dresden, Faculty of Environmental Sciences, Institute of International Forestry and Forest Products, Professorship of Tropical Forestry in Tharandt, Germany.:AN INTERNATIONAL NETWORK ON CLIMATE CHANGE IMPACTS ON SMALL FARMERS IN THE TROPICAL ANDES – GLOBAL CONVENTIONS FROM A LOCAL PERSPECTIVE S. 1 1. Introduction S. 2 2. The concept of an International Network on Climate Change S. 5 3. The outlook on an endogenous approach S. 9 4. References S. 12 ADAPTATION MEASURES S. 17 Adaptation strategies of Andean campesinos to cope with the climatic variability – Examples from the Mantaro Valley, Peru S. 18 A socio-economic analysis of livelihood strategies in rural forest depending communities in lowland Bolivia under a changing climate S. 20 Who knows what and why? Intra-cultural knowledge variation of agroforestry plants S. 21 Traditional ecological knowledge, resilience and food security: local strategies in three communities in the Yungas ecosystem, La Paz, Bolivia S. 22 Influence of agroforestry systems in risk reduction and climate change adaptation in the Peruvian Andes S. 24 Assessing adaptation to climate change: Environmental and socio-economic changes in the Andes of Bolivia S. 26 Adaptive capacity of rural communities to climate change in the bio-cultural system of the Andes, Bolivia S. 28 Socio-economic analysis of farm-forestry systems: Case studies from Achamayo and Palcazu watersheds, Peruvian Andes S. 29 MONITORING AND MODELING LAND USE CHANGE S.33 Modeling and forecast of changes in land-use and land-cover caused by climate change in the Peruvian Andes S. 34 Land-use and land-cover change in Cotapata National Park – Natural integrated management area, Bolivia S. 37 Monitoring and analyzing land-use / land-cover changes using remote sensing and GIS in the Achamayo and Shullcas region, Peruvian Andes S. 39 Climate change and land-use in the Bolivian Andes S. 41 Modeling the adaptation strategies of farmers of the Andes against climate change and the related development of land-use / land-cover S. 43 MANAGEMENT OF A CHANGING LANDSCAPE S. 45 Evaluating the strategies for the management of biophysical resources in farm communities of the Mantaro Valley, Central Andes of Peru S. 46 Participative planning, monitoring and evaluation system in bio-cultural local communities S. 50 The monitoring program in Apolobamba protected area S. 51 Progress in the diagnosis of biodiversity vulnerability to climate change in Bolivia S. 52 Sectoral program of adaptation to climate change of biodiversity and ecosystems S. 53 DEFORESTATION AND CLIMATE CHANGE S. 55 Possible interactions between climate projections and deforestation scenarios in Bolivia S. 56 Transport and possible climate impacts of aerosols from biomass burning from the Amazon to the Bolivian Andes S. 56 Transboundary air pollution in southern Amazon of Peru S. 57 SUMMARY S. 59 Challenges presented by climate change in the Andean region: Land-use cover change and adaptive response of small farmers S. 60 List of participants and additional information S. 62

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Die Hauptursachen für die derzeitige weltweite Krise der biologischen Vielfalt sind Lebensraumzerstörung und Übernutzung. Wir wissen jedoch nicht, wie sich diese beiden Faktoren einzeln und zusammen auf die verschiedenen Aspekte biologischer Vielfalt auswirken und wie sie sich im Laufe der Zeit verändern. Da beide Bedrohungen weit verbreitet sind, verhindern dies die Entwicklung wirksamer Schutzstrategien. Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit war räumliche und zeitliche Veränderungsmuster der Auswirkungen von Lebensraumzerstörung und Übernutzung auf die biologische Vielfalt zu verstehen. Ich habe diese Bedrohungsgeographien mit hoher räumlicher Auflösung und über drei Jahrzehnte hinweg für verschiedene Aspekte biologischer Vielfalt untersucht: Arten, Lebensgemeinschaften und taxonomische, phylogenetische und funktionale Facetten biologischer Vielfalt. Ich konzentrierte mich auf den 1,1 Millionen km² großen Gran Chaco, den größten tropischen Trockenwald der Welt und einen globalen Entwaldungs-Hotspot. Meine Ergebnisse zeigen, dass sich im Laufe von 30 Jahren die räumlichen Auswirkungen der einzelnen Bedrohungen auf größere Gebiete ausdehnten als nur auf die abgeholzte Fläche. Dies führte zu einem Verlust an hochwertigen und sicheren Gebieten für den Jaguar, die gesamte Großsäugergemeinschaft und alle Facetten der Säugetiervielfalt. Beide Bedrohungen trugen wesentlich zum Rückgang biologischer Vielfalt bei, ihre relative Bedeutung variierte jedoch je nach Art und Facette der biologischen Vielfalt. Zudem haben die Gebiete, in denen beide Bedrohungen zusammenwirken, im Laufe der Zeit zugenommen, was den Verlust der biologischen Vielfalt wahrscheinlich noch verschlimmert hat. Diese Arbeit unterstreicht, wie wichtig es ist, die Auswirkungen mehrerer Bedrohungen im Laufe der Zeit gemeinsam zu bewerten, um den menschlichen Einfluss auf die biologische Vielfalt besser verstehen zu können und wirksame Schutzstrategien zu finden. / The main drivers of the current global biodiversity crisis are habitat destruction and overexploitation. Yet, we lack understanding of their individual and combined spatial impact on different aspects of biodiversity, and how they change over time. Because both threats are common, these knowledge gaps preclude building more effective conservation strategies. The overarching goal of this thesis was to understand how the impacts of habitat destruction and overexploitation on biodiversity change in space and over time. I assessed these geographies of threat at high spatial resolutions and over three decades for different biodiversity aspects: species, communities, and the taxonomic, phylogenetic, and functional facets of biodiversity. I focused on the 1.1 million km² Gran Chaco, the largest tropical dry forest globally, and a global deforestation hotspot. Results reveal that over 30 years, the spatial impacts of each threat expanded over larger areas than the area deforested. This resulted in widespread losses of high-quality and safe areas for the jaguar, the entire larger mammal community and for all facets of the mammalian diversity. Such declines suggest a generalized biotic impoverishment that includes the loss of species, evolutionary history, and ecological functions across much of the Chaco. Both threats contributed substantially to biodiversity declines, and their relative importance varied among species and biodiversity facets. Moreover, the areas where both threats synergize increased over time, likely exacerbating biodiversity losses. For each biodiversity aspect, I identified priority areas of safe and high-quality habitats, and hotspots of high threat impacts, which could guide more effective complementary proactive and reactive conservation strategies. This thesis highlights the importance of jointly assessing the impact of multiple threats over time to better understand the impact of humans on biodiversity and to identify effective ways to mitigate them. / Los principales factores de la actual crisis de la biodiversidad global son la destrucción del hábitat y la sobreexplotación. Sin embargo, desconocemos su impacto espacial, tanto individual como combinado, sobre los diferentes aspectos de la biodiversidad, y cómo cambian en el tiempo. Como ambas amenazas son comunes, estos vacíos de conocimiento impiden elaborar estrategias de conservación más eficaces. El objetivo general de esta tesis fue comprender cómo los impactos de la destrucción del hábitat y la sobreexplotación en la biodiversidad cambian en el espacio y en el tiempo. Evalué estas geografías de las amenazas a altas resoluciones espaciales y a lo largo de tres décadas para diferentes aspectos de la biodiversidad: especies, comunidades y las facetas taxonómica, filogenética y funcional de la biodiversidad. Me centré en el Gran Chaco, de 1,1 millones de km², el mayor bosque seco tropical del mundo y un foco global de deforestación. Los resultados revelan que, a lo largo de 30 años, los impactos espaciales de cada una de las amenazas se extendieron por areas mayores que la superficie deforestada. Esto dio lugar a pérdidas extendidas de áreas seguras y de alta calidad para el jaguar, la comunidad de mamíferos grandes y para todas las facetas de la diversidad de mamíferos. Estos declives sugieren un empobrecimiento biótico generalizado que incluye la pérdida de especies, historia evolutiva y funciones ecológicas en gran parte del Chaco. Ambas amenazas contribuyeron sustancialmente al declive de la biodiversidad, y su importancia relativa varió entre especies y facetas de la biodiversidad. Además, las áreas en las que ambas amenazas sinergizan aumentaron en el tiempo, probablemente exacerbando las pérdidas de biodiversidad. Para cada aspecto de la biodiversidad, identifiqué áreas prioritarias de hábitats seguros y de alta calidad, y focos de alto impacto de las amenazas, que podrían orientar estrategias de conservación complementarias más eficaces, tanto proactivas como reactivas. Esta tesis destaca la importancia de evaluar conjuntamente el impacto de múltiples amenazas a lo largo del tiempo para comprender mejor el impacto de los humanos en la biodiversidad e identificar vías eficaces para mitigarlas.