Adapting agricultural land management to climate change: a regional multi-objective optimization approach

In several regions of the world, climate change is expected to have severe impacts on agricultural systems. Changes in land management are one way to adapt to future climatic conditions, including land-use changes and local adjustments of agricultural practices. In previous studies, options for adaptation have mostly been explored by testing alternative scenarios. Systematic explorations of land management possibilities using optimization approaches were so far mainly restricted to studies of land and resource management under constant climatic conditions. In this study, we bridge this gap and exploit the benefits of multi-objective regional optimization for identifying optimum land management adaptations to climate change. We design a multi-objective optimization routine that integrates a generic crop model and considers two climate scenarios for 2050 in a meso-scale catchment on the Swiss Central Plateau with already limited water resources. The results indicate that adaptation will be necessary in the study area to cope with a decrease in productivity by 0–10 %, an increase in soil loss by 25–35 %, and an increase in N-leaching by 30–45 %. Adaptation options identified here exhibit conflicts between productivity and environmental goals, but compromises are possible. Necessary management changes include (i) adjustments of crop shares, i.e. increasing the proportion of early harvested winter cereals at the expense of irrigated spring crops, (ii) widespread use of reduced tillage, (iii) allocation of irrigated areas to soils with low water-retention capacity at lower elevations, and (iv) conversion of some pre-alpine grasslands to croplands.

Daily mean surface meteorology and river discharge in Central Sulawesi for the period 2002-2005

The El Niño/ Southern Oscillation (ENSO) phenomenon is the strongest known natural interannual climate fluctuation. The most recent two extreme ENSO events of 1982/83 and 1997/98 severley hit the socio-economy of main parts of Indonesia. As the climate variability is not homogeneous over the whole Archipelago of Indonesia, ENSO events cause negative precipitation anomalies of diverse magnitude and uration in different regions. Understanding the hydrology of humid tropical catchments is an essential prerequisite to investigate the impact of climate variability on the catchment hydrology. Together with the quantitative assessment of future water resource changes they are essential tools to develop mitigation strategies on a catchment scale. These results can be integrated into long term Integrated Water Resource Management (IWRM) strategies. The general objective of this study is to investigate and quantify the impact of ENSO caused climate variability on the water balance and the implications for water resources of a mesoscale tropical catchment.

Measured daily precipitation sums over Central Sulawesi for the period 1981-1999

Data compiled within the IMPENSO project. The Impact of ENSO on Sustainable Water Management and the Decision-Making Community at a Rainforest Margin in Indonesia (IMPENSO), http://www.gwdg.de/~impenso, was a German-Indonesian research project (2003-2007) that has studied the impact of ENSO (El Nino-Southern Oscillation) on the water resources and the agricultural production in the PALU RIVER watershed in Central Sulawesi. ENSO is a climate variability that causes serious droughts in Indonesia and other countries of South-East Asia. The last ENSO event occurred in 1997. As in other regions, many farmers in Central Sulawesi suffered from reduced crop yields and lost their livestock. A better prediction of ENSO and the development of coping strategies would help local communities mitigate the impact of ENSO on rural livelihoods and food security. The IMPENSO project deals with the impact of the climate variability ENSO (El Niño Southern Oscillation) on water resource management and the local communities in the Palu River watershed of Central Sulawesi, Indonesia. The project consists of three interrelated sub-projects, which study the local and regional manifestation of ENSO using the Regional Climate Models REMO and GESIMA (Sub-project A), quantify the impact of ENSO on the availability of water for agriculture and other uses, using the distributed hydrological model WaSiM-ETH (Sub-project B), and analyze the socio-economic impact and the policy implications of ENSO on the basis of a production function analysis, a household vulnerability analysis, and a linear programming model (Sub-project C). The models used in the three sub-projects will be integrated to simulate joint scenarios that are defined in collaboration with local stakeholders and are relevant for the design of coping strategies.

Space-time analysis of the urban-rural grafient in the metropolitan area of Madrid and ist surroundings -Guadalajara and Toledo.

According to UN provisions in the period from 2007 to 2050 world population will grow up to 9200 million people. In fact, for the first time in history, in the year 2008 world urban population became higher than rural population. The increase of urban areas and their transport infrastructures has influenced agricultural land use due to their irreversible change, especially when they remain as periurban vacant land, losing their character and identity. In the Europe of the nineties, the traditional urban-rural gradient, characterized by a neat contact between both land types, has become so complex that it has change to a gradient in which it is difficult to separate urban and rural land uses. [Antrop 2004]. A literature review has been made on methodologies used for the urban-rural gradient analysis. One of these methodologies was selected that integrates ecological characterization based on the use of spatial metrics and geographical characterization based on spatial components. Cartographical sources used were Corine Land Cover at 1: 100000 scale and the Spanish Land Use Information System at 1:25000 scale. Urban-rural gradient paradigm is an analysis methodology, coming from landscape ecology, which enables to investigate how urbanization provokes changes in ecological patterns and processes into landscape. [Hahs and McDonnell 2006].The present research adapt this methodology to study the urban-rural gradient in the outskirts of Madrid, Toledo and Guadalajara. Both scales (1:25000 and 1:100000) were simultaneously used to reach the next objectives: 1) Analysis of landscape pattern dynamics in relation to distance to the town centre and major infrastructures. 2) Analysis of landscape pattern dynamics in the fringe of protected areas. The paper presents a new approach to the urban-rural relationship which allows better planning and management of urban áreas.

Evaluación del ruido ambiental en espacios naturales protegidos: implicaciones para su gestión

Esta Tesis Doctoral trata sobre la caracterización acústica de los ecosistemas naturales y la evaluación del impacto ambiental del ruido antropogénico sobre sus potenciales receptores en estos lugares, incluidos los receptores no humanos y sus efectos ecológicos, además, analiza las implicaciones para su gestión a distintas escalas y se lleva a cabo una valoración económica. Este trabajo ofrece soluciones para caracterizar los paisajes sonoros de forma compatible con distintas escalas de trabajo, nivel de esfuerzo técnico y en contextos de recursos limitados que haga viable su tratamiento como cualquier otra variable ambiental en el ámbito de la conservación y gestión del medio natural. Se han adaptado herramientas y metodologías propias de disciplinas como la acústica ambiental, bioacústica y ecología del paisaje, para servir a los objetivos específicos de la evaluación y gestión de los paisajes sonoros y el ruido ambiental en amplias extensiones geográficas. Se ha establecido un método general de muestreo sistemático para trabajo de campo y también se han adaptado métodos de modelización informática, que permiten analizar escenarios sonoros dinámicos en el tiempo y en el espacio, desde localizaciones puntuales hasta la escala del paisaje. Es posible elaborar cartografía ambiental con esta información y se ha representado gráficamente la zona de influencia de distintas fuentes de ruido sobre la calidad de distintos hábitats faunísticos. Se recomienda el uso del indicador del nivel de presión sonora equivalente (Leq) por su operatividad en medición y modelización, y su adaptabilidad a cualquier dimensión espacial y temporal que se requiera, por ejemplo en función del paisaje, actividades o especies que se establezcan como objeto de análisis. Se ha comprobado que las voces y conversaciones de parte de los excursionistas en zonas de reposo, observación y descanso (Laguna Grande de Peñalara) es la fuente de ruido que con mayor frecuencia identifican los propios visitantes (51%) y causa un incremento del nivel de presión sonora equivalente de unos 4,5 dBA sobre el nivel correspondiente al ambiente natural (Lnat). También se ha comprobado que carreteras con bajo nivel de tráfico (IMD<1000) pueden causar estrés fisiológico sobre la fauna y afectar a la calidad de sus hábitats. La isófona de 30 dBA del índice Leq (24h) permite dividir a los corzos de la zona de estudio en dos grupos con diferente nivel de estrés fisiológico, más elevado en los que se sitúan más cerca de la carretera con mayor volumen de tráfico y se expone a mayores niveles de ruido. Por otro lado, ha sido posible delimitar una zona de exclusión para la nidificación de buitre negro alrededor de las carreteras, coincidente con la isófona Leq (24h) de 40 dBA que afecta al 11% de su hábitat potencial. Además se ha llevado a cabo una novedosa valoración económica de la contaminación acústica en espacios naturales protegidos, mediante el análisis de la experiencia sonora de los visitantes del antiguo Parque Natural de Peñalara, y se ha constatado su disposición al pago de una entrada de acceso a estos lugares (aproximadamente 1 euro) si redundara en una mejora de su estado de conservación. En conclusión, los espacios naturales protegidos pueden sufrir un impacto ambiental significativo causado por fuentes de ruido localizadas en su interior pero también lejanas a ellos, que se sitúan fuera del ámbito de competencias de sus gestores. Sucesos sonoros como el sobrevuelo de aviones pueden incrementar en aproximadamente 8 dBA el nivel de referencia Lnat en las zonas tranquilas del parque. Se recomienda llevar a cabo una gestión activa del medio ambiente sonoro y se considera necesario extender la investigación sobre los efectos ecológicos del ruido ambiental a otros lugares y especies animales. ABSTRACT This PhD Thesis deals with acoustic characterization of natural ecosystems and anthropogenic noise impact assessment on potential receivers, including non-human receivers and their ecological effects. Besides, its management implications at different scales are analyzed and an economic valuation is performed. This study provides solutions for characterizing soundscapes in a compatible way with different working scales, level of technical effort and in a context of limited resources, so its treatment becomes feasible as for any other environmental variable in conservation and environmental management. Several tools and methodologies have been adapted from a variety of disciplines such as environmental acoustics, bioacoustics and landscape ecology, to better serve the specific goals of assessing and managing soundscapes and environmental noise in large areas. A procedure has been established for systematic field measurement surveys and noise common computer modelling methods have also been adapted in order to analyze dynamic soundscapes across time and space, from local to landscape scales. It is possible to create specific thematic cartography as for instance delimiting potential influence zone from different noise sources on animal habitats quality. Use of equivalent continuous sound pressure level index (Leq) is recommended because it provides great flexibility in operation for noise measurement and modelling, and because of its adaptability to any required temporal and spatial dimension, for instance landscape, activities or the target species established as study subjects. It has been found that human voices and conversations in a resting and contemplation area (Laguna Grande de Peñalara) is the most frequently referred noise source by national park visitors (51 %) when asked. Human voices alter this recreational area by increasing the sound pressure level approximately 4.5 dBA over the natural ambient level (Lnat). It has also been found that low traffic roads (AADT<1000 ) may cause physiological stress on wildlife and affect the quality of their habitats. It has also been possible to define a road-effect zone by noise mapping, which suggests an effective habitat loss within the Leq (24h) 30 dBA isophone in case of Roe deer and also divide the study area in two groups with different physiological stress level, higher for those exposed to higher noise levels and traffic volume. On the other hand, it has been possible to determine an exclusion area for Cinereous vulture nesting surrounding roads which is coincident with the Leq (24h) 40 dBA isophone and affects 11 % of the vulture potential habitat. It has also been performed an economic estimation of noise pollution impact on visitors’ perception and results showed that visitors would be willing to pay an entrance fee of approximately 1 euro if such payment is really bringing an improvement of the conservation status. In conclusion, protected areas may be significantly affected by anthropogenic noise sources located within the park borders but perturbations may also be caused by large-distance noise sources outside the park managers’ jurisdiction. Aircraft overflight events disrupted quietness and caused Leq increases of almost 8 dBA during a monitoring period with respect to Lnat reference levels in the park quiet areas. It is recommended to actively manage the acoustic environment. Finally, further research on ecological impacts of environmental noise needs to be extended to other species and places.

Análisis espacio-temporal del gradiente urbano-rural del sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Caracterización de los procesos y patrones paisajísticos acaecidos en el período 1990-2006

El objetivo de esta tesis es proponer una metodología capaz de cuantificar la dinámica paisajística a lo largo del gradiente urbano – rural perteneciente al sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Esta tesis se estructura en ocho capítulos, planos y anejos. El primero se refiere a los antecedentes tanto conceptuales como metodológicos. Los primeros se centran en los diversos enfoques existentes en relación al estudio de la dinámica paisajística, con el objetivo de encontrar los puntos en común existentes entre el enfoque del metabolismo social, el de la ecología del paisaje y el humanista, para obtener un diagnóstico que permita entender la complejidad de la realidad a la que esta Tesis se enfrenta. Los segundos se centran en los antecedentes de carácter metodológico que también desde diversos enfoques han abordado el análisis de la dinámica paisajística. El segundo capítulo se centra en los objetivos concretos derivados del objetivo general ya expresado, la tesis considera que para comprender y cuantificar la dinámica hay que identificar en primer lugar los procesos de transformación, como manifestación espacial de los factores socioeconómicos y naturales responsables en última instancia de la variación de los patrones paisajísticos existentes. En segundo lugar se identifican los patrones paisajísticos con el objetivo de analizar sus características espaciales y su evolución en el período analizado. Por último se identifican los procesos paisajísticos, es decir qué tipos de variaciones espaciales se producen en los patrones paisajísticos como consecuencia de los procesos de transformación identificados así como su pauta de distribución a lo largo del gradiente urbano ‐ rural. El tercer capítulo se dedica a la caracterización del ámbito de estudio, ésta se extiende al sur del límite del suelo urbano de la capital madrileña en el año 1990, comprende la totalidad de los municipios madrileños que contactan con los municipios castellano – manchegos que se encuentran en el área de influencia de la capital, abarcando el área 9.968 km2. El cuarto capítulo se centra en la metodología. Como material de partida se ha utilizado en la cartografía del Corine Land Cover y como herramienta de análisis se ha utilizado los Sistemas de Información Geográfica. En primer lugar se identifican los procesos de transformación, acaecidos en los períodos 1990 – 2000 y 2000 – 2006, mediante la aplicación de matrices de transición. Se han identificado cuatro tipos de procesos dinámicos: Urbanización, abandono, renaturalización y agrarización. Se ha realizado un análisis de indicadores compuestos lo que ha permitido identificar los tipos de patrones paisajísticos existentes a lo largo del gradiente urbano – rural. Del mismo modo se ha calculado la variación de los indicadores individuales para identificar los procesos paisajísticos mediante el análisis de indicadores compuestos que se produjeron en el período 1990 – 2000 y 2000 – 2006. En el quinto capítulo se aportan los resultados tanto de carácter cuantitativo como gráfico de los tres componentes analizados tanto de forma independiente como integrada. En el sexto capítulo se describen las conclusiones producto de la investigación realizada. En el séptimo capítulo se identifican qué líneas de investigación podrían desarrollarse en el futuro para continuar la línea de investigación iniciada con esta tesis. ABSTRACT The aim of this thesis was to propose a methodology to characterize landscape dynamics along the urban – rural gradient in the south Madrid area. It´s structured in eight chapters, planes and annexes: the first one describes previous research. Firstly to make a diagnosis of the effects of landscape dynamic we have performed an integrated analysis from social metabolism, landscape ecology and the humanistic point of view. Secondly we have focused on previous methodological research mainly developped by landscape ecology. The second chapter focuses on specific objectives derived from the general objective. The thesis considers that to understand and quantify landscape dynamics must first identify the transformation processes: spatial manifestation of natural and socioeconomics factors that induce the change of landscape patterns. Secondly landscape patterns have been identified in order to analyze their spatial characteristics and evolution. Finally the landscape processes have been identified, i.e. what kind of spatial variations cause changes in landscape patterns along urban – rural gradient. The third chapter describes the study area. The study area occupies 9968 km2. It covers the area to the south of Madrid’s 1990 urban land area, and takes in the southeast of the Madrid Autonomous Region plus all the municipal areas of the Castilla–La Mancha Autonomous Region directly influenced by the expansion of Madrid. The fourth chapter contains the methodology. To identify the changes in the landscape of the study area, the land cover data for the area held in the CORINE LandCover Project Database was examined. To characterize the transformations processes in the period 1990 ‐ 2000 and 2000 – 2006, transition matrices were constructed. We have identified four clear changes: Urbanization, renaturalization, abandonment and agrarianization. We have characterized landscape patterns using composite indicators by integrating individual spatial metrics. Similarly we have characterized landscape processes using composite indicators by integrating the variation of individual spatial metrics. Chapter fifth includes the results, both for each component and its final integration. The conclusions of this research have been described in the sixth chapter. The seventh chapter describes what kind of investigations could be done in the future.

Análisis espacio-temporal del gradiente urbano-rural del sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Caracterización de los procesos y patrones paisajísticos acaecidos en el período 1990-2006 (versión revisada y corregida)

El objetivo de esta tesis es proponer una metodología capaz de cuantificar la dinámica paisajística a lo largo del gradiente urbano – rural perteneciente al sur de la Región Metropolitana de Madrid y su entorno. Esta tesis se estructura en ocho capítulos, planos y anejos. El primero se refiere a los antecedentes tanto conceptuales como metodológicos. Los primeros se centran en los diversos enfoques existentes en relación al estudio de la dinámica paisajística, con el objetivo de encontrar los puntos en común existentes entre el enfoque del metabolismo social, el de la ecología del paisaje y el humanista, para obtener un diagnóstico que permita entender la complejidad de la realidad a la que esta Tesis se enfrenta. Los segundos se centran en los antecedentes de carácter metodológico que también desde diversos enfoques han abordado el análisis de la dinámica paisajística. El segundo capítulo se centra en los objetivos concretos derivados del objetivo general ya expresado, la tesis considera que para comprender y cuantificar la dinámica hay que identificar en primer lugar los procesos de transformación, como manifestación espacial de los factores socioeconómicos y naturales responsables en última instancia de la variación de los patrones paisajísticos existentes. En segundo lugar se identifican los patrones paisajísticos con el objetivo de analizar sus características espaciales y su evolución en el período analizado. Por último se identifican los procesos paisajísticos, es decir qué tipos de variaciones espaciales se producen en los patrones paisajísticos como consecuencia de los procesos de transformación identificados así como su pauta de distribución a lo largo del gradiente urbano ‐ rural. El tercer capítulo se dedica a la caracterización del ámbito de estudio, ésta se extiende al sur del límite del suelo urbano de la capital madrileña en el año 1990, comprende la totalidad de los municipios madrileños que contactan con los municipios castellano – manchegos que se encuentran en el área de influencia de la capital, abarcando el área 9.968 km2. El cuarto capítulo se centra en la metodología. Como material de partida se ha utilizado en la cartografía del Corine Land Cover y como herramienta de análisis se ha utilizado los Sistemas de Información Geográfica. En primer lugar se identifican los procesos de transformación, acaecidos en los períodos 1990 – 2000 y 2000 – 2006, mediante la aplicación de matrices de transición. Se han identificado cuatro tipos de procesos dinámicos: Urbanización, abandono, renaturalización y agrarización. Se ha realizado un análisis de indicadores compuestos lo que ha permitido identificar los tipos de patrones paisajísticos existentes a lo largo del gradiente urbano – rural. Del mismo modo se ha calculado la variación de los indicadores individuales para identificar los procesos paisajísticos mediante el análisis de indicadores compuestos que se produjeron en el período 1990 – 2000 y 2000 – 2006. En el quinto capítulo se aportan los resultados tanto de carácter cuantitativo como gráfico de los tres componentes analizados tanto de forma independiente como integrada. En el sexto capítulo se describen las conclusiones producto de la investigación realizada. En el séptimo capítulo se identifican qué líneas de investigación podrían desarrollarse en el futuro para continuar la línea de investigación iniciada con esta tesis. ABSTRACT The aim of this thesis was to propose a methodology to characterize landscape dynamics along the urban – rural gradient in the south Madrid area. It´s structured in eight chapters, planes and annexes: the first one describes previous research. Firstly to make a diagnosis of the effects of landscape dynamic we have performed an integrated analysis from social metabolism, landscape ecology and the humanistic point of view. Secondly we have focused on previous methodological research mainly developped by landscape ecology. The second chapter focuses on specific objectives derived from the general objective. The thesis considers that to understand and quantify landscape dynamics must first identify the transformation processes: spatial manifestation of natural and socioeconomics factors that induce the change of landscape patterns. Secondly landscape patterns have been identified in order to analyze their spatial characteristics and evolution. Finally the landscape processes have been identified, i.e. what kind of spatial variations cause changes in landscape patterns along urban – rural gradient. The third chapter describes the study area. The study area occupies 9968 km2. It covers the area to the south of Madrid’s 1990 urban land area, and takes in the southeast of the Madrid Autonomous Region plus all the municipal areas of the Castilla–La Mancha Autonomous Region directly influenced by the expansion of Madrid. The fourth chapter contains the methodology. To identify the changes in the landscape of the study area, the land cover data for the area held in the CORINE LandCover Project Database was examined. To characterize the transformations processes in the period 1990 ‐ 2000 and 2000 – 2006, transition matrices were constructed. We have identified four clear changes: Urbanization, renaturalization, abandonment and agrarianization. We have characterized landscape patterns using composite indicators by integrating individual spatial metrics. Similarly we have characterized landscape processes using composite indicators by integrating the variation of individual spatial metrics. Chapter fifth includes the results, both for each component and its final integration. The conclusions of this research have been described in the sixth chapter. The seventh chapter describes what kind of investigations could be done in the future.