The presented dissertation entitled „Development and Validation of a Landscape Metrics Based Approach for Standardized Landscape Assessment Considering Spatial Patterns” addresses three main questions:
I. Which ecosystem services depend on landscape structure?
II. How can landscape metrics be used to achieve a standardized routine for assessing the impact of landscape structure on the hereon dependent ecosystem services?
III. How can regional planning benefit from the consideration of landscape structural effects on the provision of ecosystem services?
The PhD study was carried out in the context of the Climate Change adaptation project REGKLAM (funding code 01 LR 0802). The work package “Land Use” was conducted at the Institute of Soil Science and Site Ecology of the TU Dresden under the direction of Prof. Dr. Makeschin. The PhD study took place in the framework of a sub-work package of it, which was called “Integrated Land Use Assessment”. The aim of this sub-work package was the evaluation of Climate Change adaptation strategies at the landscape scale in a cross-sectoral manner. The ecosystem services concept was chosen as methodological framework for this purpose. Particular motivation of this PhD study was that landscape structural aspects are often not sufficiently considered in commonly used ecosystem services assessment approaches. A standardized assessment procedure regarding the impact of the composition and configuration of land use/ land cover types is not yet existent in contemporary planning approaches, neither in strategic environmental assessment. In my thesis, I developed in the period from 2010 to 2014 a methodological basis which addresses this challenge.
My thesis was realized as cumulative dissertation, which consists of three articles. These articles are published in peer-reviewed, ISI-listed international journals, whereas the third article still is in press.
The short introduction in chapter one gives information on the motivation and the structure of the thesis. In chapter two, the research hypothesis is formulated and scope and objectives are explained. Chapter three gives an overview of the history of landscape metrics, the state-of-the-art, and current research in topic. In chapter four, the model region, focus areas, and the methodological basis are described. The fifth chapter summarizes results of the three articles (Frank et al. 2012, 2013, in press). Discussions in chapter six critically reflect the methodology and identify limitations, strengths, and its contribution to regional planning and to decision-making. Furthermore, some suggestions for extending the approach to other ecosystem services, especially regulating services, are made and perspectives towards different research questions are shown. Chapter seven summarizes the main outcomes of the PhD study.
The central output of the dissertation is a module of GISCAME, a land use change impact assessment platform for supporting regional planning. The landscape metrics based ecosystem services assessment approach facilitates calculation, combination, and interpretation of a choice of landscape metrics and, hence, the evaluation of the impact of composition and configuration of land use patterns on ecosystem services. I selected eleven focus areas in the planning region “Upper Elbe Valley/Eastern Ore Mountains” to demonstrate the application and validation of the landscape metrics based approach that I propose in my dissertation. With these use cases, I show that the landscape structure significantly influences the provision of the ecosystem services ecological integrity and landscape aesthetics.
Within the first use case I could demonstrate that the afforestation planning can be enhanced by including landscape metrics in the planning process. Actual priority areas for afforestation do not contribute to ecological integrity at the regional scale. Landscape fragmentation, habitat connectivity, and landscape diversity must be taken into account in order to identify most efficient priority areas for afforestation in terms of enhancing ecological integrity. The second use case focused on the question, how landscape structure influences scenic beauty. By means of a survey, I performed a comparison between the landscape metrics based approach and landscape perception of 153 respondents. This test underpinned my assumption that a landscape metrics based routine allows conclusions on the value of landscape aesthetics. The third use case gives practical advice in the current planning challenge about how to enhance water erosion protection planning in the context of Climate Change. Here, I demonstrated that not only land use change in preferential water erosion paths, but especially the change of management strategies combined with an improvement of landscape structure have the capacity to reduce water erosion potential by 92 %.
The results show that it is of great importance to consider landscape structural aspects in current and future regional planning questions because additional, relevant planning information becomes tangible. The comparison of the presented method with other landscape metrics based approaches for ecosystem services assessment shows that the interpretation of the landscape metric values in the GISCAME platform module goes one step further towards usability for planning support: its transparency, spatial transferability, and flexibility are the main strengths of the approach. However, there is a clear need to involve the impact of landscape structure aspects also regarding other ecosystem services.:Contents
Contents I
List of Figures III
List of Tables IV
Summary V
1. Introduction 1
1.1. Motivation 1
1.2. Structure and strategy 1
2. Scope and objectives 3
3. Background and context 5
4. Methods 8
4.1. Model region and focus areas 8
4.2. Assessment framework: GISCAME 9
4.3. Challenge of standardization 10
4.4. Approach for assessing biotope connectivity 13
5. Results 15
5.1. Assessment of ecological integrity: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., and Makeschin, F. 2012. A contribution towards a transfer of the ecosystem service concept to landscape planning using landscape metrics. Ecological Indicators 21: 30-38. 15
5.2. Relationship of structure and ecosystem service: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., Witt, A., and Makeschin, F. 2013. Assessment of landscape aesthetics-Validation of a landscape metrics-based assessment by visual estimation of the scenic beauty. Ecological Indicators 32: 222-231 17
5.3. Extended scope of application in current planning questions: Frank, S., Fürst, C., Witt, A., Koschke, L., and Makeschin, F. in press. Making use of the ecosystem services concept in regional planning - trade-offs from reducing water erosion. Landscape Ecology. DOI: 10.1007/s10980-014-9992-3. 18
6. Discussion 20
6.1. Critical reflection of the methods 20
6.2. Challenge of validation 21
6.3. Supporting decision-making and planning 22
6.4. Outlook 23
6.4.1. Extension of the LM set and assessment criteria 23
6.4.2. Extension by consideration of further ecosystem services and different research fields 23
6.5. Proposal for enhancement of practice relevancy of LMs 24
7. Concluding remark 26
References 27
Appendices 33 / Die vorgelegte Dissertation mit dem Titel „Entwicklung und Validierung eines auf Landschaftsstrukturmaßen basierten Ansatzes zur standardisierten Landschaftsbewertung unter Berücksichtigung räumlicher Muster“ behandelt die drei Hauptfragen
I. Welche Ökosystemdienstleistungen hängen von der Landschaftsstruktur ab?
II. Wie können Landschaftsstrukturmaße genutzt werden, um ein standardisiertes Bewertungsverfahren dieser abhängigen Ökosystemdienstleistungen zu ermöglichen?
III. Wie kann die Regionalplanung von der Berücksichtigung der Effekte von Landschaftsstruktur auf die Bereitstellung von Ökosystemdienstleistungen profitieren?
Die Promotions-Studie wurde im Rahmen des Klimawandel-Anpassungs-Projektes REGKLAM (Förderkennzeichen 01 LR 0802) durchgeführt. Das Arbeitspaket „Landnutzung“ wurde am Institut für Bodenkunde und Standortslehre der TU Dresden unter Leitung von Prof. Dr. Makeschin bearbeitet. Die Promotions-Studie erfolgte im Rahmen des Teil-Arbeitstaktes „Integrierte Landnutzungsbewertung“. Ziel dieses Teil-Arbeitspaketes war die Bewertung von Klimawandel-Anpassungs-Strategien auf Landschaftsebene in Sektor-übergreifender Weise. Zu diesem Zweck wurde das Ökosystemdienstleistungskonzept als methodischer Rahmen gewählt. Der spezielle Anlass dieser Promotion-Studie war, dass landschaftsstrukturelle Aspekte in gebräuchlichen Ökosystemdienstleistungs-Bewertungsansätzen oft ungenügend berücksichtigt sind. Ein standardisiertes Bewertungsverfahren des Einflusses von Zusammensetzung und Anordnung von Landnutzungs-/Landbedeckungstypen existiert weder in aktuellen Planungsansätzen noch in Umweltverträglichkeitsprüfungen. In meiner Dissertation entwickelte ich im Zeitraum von 2010 bis 2014 eine methodische Grundlage, welche diese Herausforderung angeht.
Meine Promotion wurde als kumulative Dissertation, welche aus drei Artikeln besteht, umgesetzt. Diese Artikel wurden in begutachteten, ISI-gelisteten, internationalen Journalen veröffentlicht, wobei sich das dritte aktuell im Druck befindet.
Die kurze Einleitung im ersten Kapitel informiert über die Beweggründe und die Struktur der Dissertation. Im zweiten Kapitel ist die Forschungshypothese formuliert sowie Geltungsbereich und Zeile erläutert. Kapitel drei gibt einen Überblick über die Geschichte der Landschaftsstrukturmaße, den aktuellen Forschungsstand und aktuelle Forschungsfelder. Im vierten Kapitel sind die Modellregion, die Fallstudien-Gebiete, sowie methodische Grundlagen beschrieben. Das fünfte Kapitel fasst die Ergebnisse der drei Artikel (Frank et al. 2012, 2013, im Druck) zusammen. Diskussionen in Kapitel sechs reflektieren die Methodik kritisch und identifizieren ihre Grenzen und Stärken sowie den Beitrag der Ergebnisse zu Regionalplanung und Entscheidungsfindung. Darüber hinaus werden einige Empfehlungen zur Erweiterung des Ansatzes für weitere Ökosystemdienstleistungen, insbesondere regulierende Leistungen, getroffen und Perspektiven zur Anwendung für andere Forschungsfragen werden aufgezeigt. Kapitel sieben fasst schließlich die wichtigsten Ergebnisse der Promotions-Studie zusammen.
Das zentrale Ergebnis der Dissertation ist eine Erweiterung des Entscheidungsunterstützungs-Werkzeuges GISCAME. Der auf Landschaftsstrukturmaßen basierende Ökosystemdienstleistungs-Bewertungsansatz ermöglicht die Berechnung, Kombination und Interpretation einer Auswahl von Landschaftsstrukturmaßen und somit die Bewertung des Einflusses von Zusammensetzung und Anordnung von Landnutzungsmustern auf Ökosystemdienstleistungen. Ich wählte elf Fokusgebiete in der Planungsregion „Oberes Elbtal/Osterzgebirge“ aus um die Anwendung und Validierung des auf Landschaftsstrukturmaßen basierenden Ansatzes, den ich in der Dissertation vorschlage, zu demonstrieren. Mittels dieser Anwendungsfälle zeige ich, dass die Landschaftsstruktur die Bereitstellung der Ökosystemdienstleistungen ökologische Integrität und Landschaftsästhetik erheblich beeinflusst.
Im ersten Anwendungsfall konnte ich zeigen, dass die Aufforstungsplanung durch die Einbeziehung von Landschaftsstrukturmaßen in den Planungsprozess verbessert werden kann. Vorranggebiete für Waldmehrung in ihrer derzeitigen Form tragen nicht zur ökologischen Integrität auf der regionalen Ebene bei. Landschaftszerschneidung, Biotopverbund und Landschaftsdiversität müssen vermehrt beachtet werden, um Vorranggebiete für Waldmehrung für eine Verbesserung der ökologischen Intaktheit effizienter anzuordnen. Der zweite Anwendungsfall richtete sich auf die Frage, wie Landschaftsstruktur die Landschaftsästhetik beeinflusst. Mithilfe einer Befragung verglich ich den auf Landschaftsstrukurmaßen basierenden Ansatz mit der Landschaftswahrnehmung von 153 Befragten. Dieser Test untermauerte meine Annahme, dass das auf Landschaftsstrukurmaßen basierende Vorgehen Rückschlüsse auf den ästhetischen Wert einer Landschaft zulässt. Der dritte Anwendungsfall gibt praktische Hinweise bezüglich der aktuellen Planungs-Herausforderung, wie Erosionsschutzplanung im Kontext des Klimawandels verbesset werden kann. In diesem Fall konnte ich zeigen, dass nicht nur Landnutzungsänderungen in präferenziellen Abflussbahnen, sondern insbesondere eine Änderung der Bodenbearbeitungsstrategie in Kombination mit verbesserter Landschaftsstruktur das Potential hat, die potentielle Wassererosion um 92 % zu reduzieren.
Die Ergebnisse zeigen, dass es von großer Bedeutung ist, landschaftsstrukturelle Aspekte in aktuellen und zukünftigen Planungsfragen zu berücksichtigen, da somit zusätzliche, maßgebliche Informationen greifbar werden. Der Vergleich der vorliegenden Methodik mit anderen Ansätzen, die Landschaftsstrukturmaße nutzen um Ökosystemdienstleistungen zu bewerten, zeigt, dass die automatisierte Interpretation der Landschaftsstrukturmaße mittels des neuen Moduls in GISCAME einen Schritt in Richtung Nützlichkeit für Planungsunterstützung geht: Transparenz, räumliche Übertragbarkeit und Flexibilität sind weitere Stärken des Ansatzes. Jedoch gibt es eindeutig den Bedarf den Einfluss von Landschaftsstruktur auf weitere Ökosystemdienstleistungen einzubeziehen.:Contents
Contents I
List of Figures III
List of Tables IV
Summary V
1. Introduction 1
1.1. Motivation 1
1.2. Structure and strategy 1
2. Scope and objectives 3
3. Background and context 5
4. Methods 8
4.1. Model region and focus areas 8
4.2. Assessment framework: GISCAME 9
4.3. Challenge of standardization 10
4.4. Approach for assessing biotope connectivity 13
5. Results 15
5.1. Assessment of ecological integrity: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., and Makeschin, F. 2012. A contribution towards a transfer of the ecosystem service concept to landscape planning using landscape metrics. Ecological Indicators 21: 30-38. 15
5.2. Relationship of structure and ecosystem service: Frank, S., Fürst, C., Koschke, L., Witt, A., and Makeschin, F. 2013. Assessment of landscape aesthetics-Validation of a landscape metrics-based assessment by visual estimation of the scenic beauty. Ecological Indicators 32: 222-231 17
5.3. Extended scope of application in current planning questions: Frank, S., Fürst, C., Witt, A., Koschke, L., and Makeschin, F. in press. Making use of the ecosystem services concept in regional planning - trade-offs from reducing water erosion. Landscape Ecology. DOI: 10.1007/s10980-014-9992-3. 18
6. Discussion 20
6.1. Critical reflection of the methods 20
6.2. Challenge of validation 21
6.3. Supporting decision-making and planning 22
6.4. Outlook 23
6.4.1. Extension of the LM set and assessment criteria 23
6.4.2. Extension by consideration of further ecosystem services and different research fields 23
6.5. Proposal for enhancement of practice relevancy of LMs 24
7. Concluding remark 26
References 27
Appendices 33
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:28247 |
| Date | 17 July 2014 |
| Creators | Frank, Susanne |
| Contributors | Makeschin, Franz, Fürst, Christine, Müller, Felix, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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