Geotechnical systems that evolve with ecological processes

Geotechnical systems, such as landfills, mine tailings storage facilities (TSFs), slopes, and levees, are required to perform safely throughout their service life, which can span from decades for levees to “in perpetuity” for TSFs. The conventional design practice by geotechnical engineers for these systems utilizes the as-built material properties to predict its performance throughout the required service life. The implicit assumption in this design methodology is that the soil properties are stable through time. This is counter to long-term field observations of these systems, particularly where ecological processes such as plant, animal, biological, and geochemical activity are present. Plant roots can densify soil and/or increase hydraulic conductivity, burrowing animals can increase seepage, biological activity can strengthen soil, geochemical processes can increase stiffness, etc. The engineering soil properties naturally change as a stable ecological system is gradually established following initial construction, and these changes alter system performance. This paper presents an integrated perspective and new approach to this issue, considering ecological, geotechnical, and mining demands and constraints. A series of data sets and case histories are utilized to examine these issues and to propose a more integrated design approach, and consideration is given to future opportunities to manage engineered landscapes as ecological systems. We conclude that soil scientists and restoration ecologists must be engaged in initial project design and geotechnical engineers must be active in long-term management during the facility’s service life. For near-surface geotechnical structures in particular, this requires an interdisciplinary perspective and the embracing of soil as a living ecological system rather than an inert construction material.

Farming Systems and Resilience Building in a Changing Climate On-Farm Comparisons of Organic and Conventional Cocoa Cultivation in Alto Beni, Bolivia

Resilience research has been applied to socioeconomic as well as for agroecological studies in the last 20 years. It provides a conceptual and methodological approach for a better understanding of interrelations between the performance of ecological and social systems. In the research area Alto Beni, Bolivia, the production of cocoa (Theobroma cacao L.), is one of the main sources of income. Farmers in the region have formed producers’ associations to enhance organic cocoa cultivation and obtain fair prices since the 1980s. In cooperation with the long-term system comparisons by the Research Institute of Organic Agriculture (FiBL) in Alto Beni, aspects of the field trial are applied for the use in on-farm research: a comparison of soil fertility, biomass and crop diversity is combined with qualitative interviews and participatory observation methods. Fieldwork is carried out together with Bolivian students through the Swiss KFPE-programme Echanges Universitaires. For the system comparisons, four different land-use types were classified according to their ecological complexity during a preliminary study in 2009: successional agroforestry systems, simple agroforestry systems (both organically managed and certified), traditional systems and conventional monocultures. The study focuses on interrelations between different ways of cocoa cultivation, livelihoods and the related socio-cultural rationales behind them. In particular this second aspect is innovative as it allows to broaden the biophysical perspective to a more comprehensive evaluation with socio-ecological aspects thereby increasing the relevance of the agronomic field studies for development policy and practice. Moreover, such a socio-ecological baseline allows to assess the potential of organic agriculture regarding resilience-building face to socio-environmental stress factors. Among others, the results of the pre-study illustrate local farmers’ perceptions of climate change and the consequences for the different crop-systems: all interviewees mentioned rising temperatures and/or an extended dry season as negative impacts more with regard to their own working conditions than to their crops. This was the case in particular for conventional monocultures and in plots where slash-and-burn cultivation was practised whereas for organic agroforestry systems the advantage of working in the shade was stressed indicating that their relevance rises in the context of climate change.

Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

Cogestion des ressources naturelles : une approche structurale pour quantifier la contribution des réseaux d'acteurs à la résilience des systèmes socio-écologiques

Alors que les activités anthropiques font basculer de nombreux écosystèmes vers des régimes fonctionnels différents, la résilience des systèmes socio-écologiques devient un problème pressant. Des acteurs locaux, impliqués dans une grande diversité de groupes — allant d’initiatives locales et indépendantes à de grandes institutions formelles — peuvent agir sur ces questions en collaborant au développement, à la promotion ou à l’implantation de pratiques plus en accord avec ce que l’environnement peut fournir. De ces collaborations répétées émergent des réseaux complexes, et il a été montré que la topologie de ces réseaux peut améliorer la résilience des systèmes socio-écologiques (SSÉ) auxquels ils participent. La topologie des réseaux d’acteurs favorisant la résilience de leur SSÉ est caractérisée par une combinaison de plusieurs facteurs : la structure doit être modulaire afin d’aider les différents groupes à développer et proposer des solutions à la fois plus innovantes (en réduisant l’homogénéisation du réseau), et plus proches de leurs intérêts propres ; elle doit être bien connectée et facilement synchronisable afin de faciliter les consensus, d’augmenter le capital social, ainsi que la capacité d’apprentissage ; enfin, elle doit être robuste, afin d’éviter que les deux premières caractéristiques ne souffrent du retrait volontaire ou de la mise à l’écart de certains acteurs. Ces caractéristiques, qui sont relativement intuitives à la fois conceptuellement et dans leur application mathématique, sont souvent employées séparément pour analyser les qualités structurales de réseaux d’acteurs empiriques. Cependant, certaines sont, par nature, incompatibles entre elles. Par exemple, le degré de modularité d’un réseau ne peut pas augmenter au même rythme que sa connectivité, et cette dernière ne peut pas être améliorée tout en améliorant sa robustesse. Cet obstacle rend difficile la création d’une mesure globale, car le niveau auquel le réseau des acteurs contribue à améliorer la résilience du SSÉ ne peut pas être la simple addition des caractéristiques citées, mais plutôt le résultat d’un compromis subtil entre celles-ci. Le travail présenté ici a pour objectifs (1), d’explorer les compromis entre ces caractéristiques ; (2) de proposer une mesure du degré auquel un réseau empirique d’acteurs contribue à la résilience de son SSÉ ; et (3) d’analyser un réseau empirique à la lumière, entre autres, de ces qualités structurales. Cette thèse s’articule autour d’une introduction et de quatre chapitres numérotés de 2 à 5. Le chapitre 2 est une revue de la littérature sur la résilience des SSÉ. Il identifie une série de caractéristiques structurales (ainsi que les mesures de réseaux qui leur correspondent) liées à l’amélioration de la résilience dans les SSÉ. Le chapitre 3 est une étude de cas sur la péninsule d’Eyre, une région rurale d’Australie-Méridionale où l’occupation du sol, ainsi que les changements climatiques, contribuent à l’érosion de la biodiversité. Pour cette étude de cas, des travaux de terrain ont été effectués en 2010 et 2011 durant lesquels une série d’entrevues a permis de créer une liste des acteurs de la cogestion de la biodiversité sur la péninsule. Les données collectées ont été utilisées pour le développement d’un questionnaire en ligne permettant de documenter les interactions entre ces acteurs. Ces deux étapes ont permis la reconstitution d’un réseau pondéré et dirigé de 129 acteurs individuels et 1180 relations. Le chapitre 4 décrit une méthodologie pour mesurer le degré auquel un réseau d’acteurs participe à la résilience du SSÉ dans lequel il est inclus. La méthode s’articule en deux étapes : premièrement, un algorithme d’optimisation (recuit simulé) est utilisé pour fabriquer un archétype semi-aléatoire correspondant à un compromis entre des niveaux élevés de modularité, de connectivité et de robustesse. Deuxièmement, un réseau empirique (comme celui de la péninsule d’Eyre) est comparé au réseau archétypique par le biais d’une mesure de distance structurelle. Plus la distance est courte, et plus le réseau empirique est proche de sa configuration optimale. La cinquième et dernier chapitre est une amélioration de l’algorithme de recuit simulé utilisé dans le chapitre 4. Comme il est d’usage pour ce genre d’algorithmes, le recuit simulé utilisé projetait les dimensions du problème multiobjectif dans une seule dimension (sous la forme d’une moyenne pondérée). Si cette technique donne de très bons résultats ponctuellement, elle n’autorise la production que d’une seule solution parmi la multitude de compromis possibles entre les différents objectifs. Afin de mieux explorer ces compromis, nous proposons un algorithme de recuit simulé multiobjectifs qui, plutôt que d’optimiser une seule solution, optimise une surface multidimensionnelle de solutions. Cette étude, qui se concentre sur la partie sociale des systèmes socio-écologiques, améliore notre compréhension des structures actorielles qui contribuent à la résilience des SSÉ. Elle montre que si certaines caractéristiques profitables à la résilience sont incompatibles (modularité et connectivité, ou — dans une moindre mesure — connectivité et robustesse), d’autres sont plus facilement conciliables (connectivité et synchronisabilité, ou — dans une moindre mesure — modularité et robustesse). Elle fournit également une méthode intuitive pour mesurer quantitativement des réseaux d’acteurs empiriques, et ouvre ainsi la voie vers, par exemple, des comparaisons d’études de cas, ou des suivis — dans le temps — de réseaux d’acteurs. De plus, cette thèse inclut une étude de cas qui fait la lumière sur l’importance de certains groupes institutionnels pour la coordination des collaborations et des échanges de connaissances entre des acteurs aux intérêts potentiellement divergents.

Crowdsourcing information systems : definition, typology and design

Crowdsourcing has become a popular approach for capitalizing on the potential of large and open crowds of people external to the organization. While crowdsourcing as a phenomenon is studied in a variety of fields, research mostly focuses on isolated aspects and little is known about the integrated design of crowdsourcing efforts. We introduce a socio-technical systems perspective on crowdsourcing, which provides a deeper understanding of the components and relationships in crowdsourcing systems. By considering the function of crowdsourcing systems within their organizational context, we develop a typology of four distinct system archetypes. We analyze the characteristics of each type and derive a number of design requirements for the respective system components. The paper lays a foundation for IS-based crowdsourcing research, channels related academic work, and helps guiding the study and design of crowdsourcing information systems.

Industry-school partnerships : an ecological approach

Internationally, Industry-School Partnerships (ISPs) are a ubiquitous government approach for enabling school to work transitions. Significant benefits of ISPs for centralised bureaucracies that are seeking to address common educational problems include: i) cost reduction; ii) supply to geographically dispersed locations, and; iii) industry access to innovative education solutions. In Queensland, there exists a government led ISP, the Gateway to Industry Schools Program. Under this initiative is the Queensland Minerals and Energy Academy, a lead industry organisation for 34 schools and 17 multinational sponsor companies. Acquiring an understanding of this strategic ISP is critical, given the current Resources Industry boom, and the workforce skills shortage experienced in Australia. This review paper adopts Ecological Systems Theory as a lens to understand the inner workings of ISPs. Acknowledging that ISPs will remain a key feature of government policy, this paper seeks to further illuminate the role of ISPs in transitioning young people from school to the working world.

Can social resilience inform SA/SIA for adaptive planning for climate change in vulnerable regions?

Social resilience concepts are gaining momentum in environmental planning through an emerging understanding of the socio-ecological nature of biophysical systems. There is a disconnect, however, between these concepts and the sociological and psychological literature related to social resilience. Further still, both schools of thought are not well connected to the concepts of social assessment (SA) and social impact assessment (SIA) that are the more standard tools supporting planning and decision-making. This raises questions as to how emerging social resilience concepts can translate into improved SA/SIA practices to inform regional-scale adaptation. Through a review of the literature, this paper suggests that more cross-disciplinary integration is needed if social resilience concepts are to have a genuine impact in helping vulnerable regions tackle climate change.

Industry-school partnerships: An ecological case study to understand operational dynamics

This thesis is an ecological systems case study of an industry-school partnership. It examines a minerals and energy sector partnership with Queensland schools and explains the operational dynamics. In doing so, an original contribution to theory and practice was presented, together with implications for the impact of industry on education.

Ecological dynamics of emerging bat virus spillover

Viruses that originate in bats may be the most notorious emerging zoonoses that spill over from wildlife into domestic animals and humans. Understanding how these infections filter through ecological systems to cause disease in humans is of profound importance to public health. Transmission of viruses from bats to humans requires a hierarchy of enabling conditions that connect the distribution of reservoir hosts, viral infection within these hosts, and exposure and susceptibility of recipient hosts. For many emerging bat viruses, spillover also requires viral shedding from bats, and survival of the virus in the environment. Focusing on Hendra virus, but also addressing Nipah virus, Ebola virus, Marburg virus and coronaviruses, we delineate this cross-species spillover dynamic from the within-host processes that drive virus excretion to land-use changes that increase interaction among species. We describe how land-use changes may affect co-occurrence and contact between bats and recipient hosts. Two hypotheses may explain temporal and spatial pulses of virus shedding in bat populations: episodic shedding from persistently infected bats or transient epidemics that occur as virus is transmitted among bat populations. Management of livestock also may affect the probability of exposure and disease. Interventions to decrease the probability of virus spillover can be implemented at multiple levels from targeting the reservoir host to managing recipient host exposure and susceptibility.

A participatory systems approach to understanding climate adaptation needs

Emerging literature on climate adaptation suggests the need for effective ways of engaging or activating communities and supporting community roles, coupled with whole-of-system approaches to understanding climate change and adaptation needs. We have developed and evaluated a participatory approach to elicit community and stakeholder understanding of climate change adaptation needs, and connect diverse community members and local office bearers towards potential action. The approach was trialed in a series of connected social-ecological systems along a transect from a rural area to the coast and islands of ecologically sensitive Moreton Bay in Queensland, Australia. We conducted ‘climate roundtables’ in each of three areas along the transect, then a fourth roundtable reviewed and extended the results to the region as a whole. Influence diagrams produced through the process show how each climate variable forecast to affect this region (heat, storm, flood, sea-level rise, fire, drought) affects the natural environment, infrastructure, economic and social behaviour patterns, and psychosocial responses, and how sets of people, species and ecosystems are affected, and act, differentially. The participatory process proved effective as a way of building local empathy, a local knowledge base and empowering participants to join towards future climate adaptation action. Key principles are highlighted to assist in adapting the process for use elsewhere.

Ecological dynamics of emerging bat virus spillover

Viruses that originate in bats may be the most notorious emerging zoonoses that spill over from wildlife into domestic animals and humans. Understanding how these infections filter through ecological systems to cause disease in humans is of profound importance to public health. Transmission of viruses from bats to humans requires a hierarchy of enabling conditions that connect the distribution of reservoir hosts, viral infection within these hosts, and exposure and susceptibility of recipient hosts. For many emerging bat viruses, spillover also requires viral shedding from bats, and survival of the virus in the environment. Focusing on Hendra virus, but also addressing Nipah virus, Ebola virus, Marburg virus and coronaviruses, we delineate this cross-species spillover dynamic from the within-host processes that drive virus excretion to land-use changes that increase interaction among species. We describe how land-use changes may affect co-occurrence and contact between bats and recipient hosts. Two hypotheses may explain temporal and spatial pulses of virus shedding in bat populations: episodic shedding from persistently infected bats or transient epidemics that occur as virus is transmitted among bat populations. Management of livestock also may affect the probability of exposure and disease. Interventions to decrease the probability of virus spillover can be implemented at multiple levels from targeting the reservoir host to managing recipient host exposure and susceptibility.

Robustness of early warning signals of regime shifts in time-delayed ecological models

Various ecological and other complex dynamical systems may exhibit abrupt regime shifts or critical transitions, wherein they reorganize from one stable state to another over relatively short time scales. Because of potential losses to ecosystem services, forecasting such unexpected shifts would be valuable. Using mathematical models of regime shifts, ecologists have proposed various early warning signals of imminent shifts. However, their generality and applicability to real ecosystems remain unclear because these mathematical models are considered too simplistic. Here, we investigate the robustness of recently proposed early warning signals of regime shifts in two well-studied ecological models, but with the inclusion of time-delayed processes. We find that the average variance may either increase or decrease prior to a regime shift and, thus, may not be a robust leading indicator in time-delayed ecological systems. In contrast, changing average skewness, increasing autocorrelation at short time lags, and reddening power spectra of time series of the ecological state variable all show trends consistent with those of models with no time delays. Our results provide insights into the robustness of early warning signals of regime shifts in a broader class of ecological systems.

Integrating biodiversity and conservation with modern agricultural landscapes

To achieve food security and meet the demands of the ever-growing human populations, farming systems have assumed unsustainable practices to produce more from a finite land area. This has been cause for concern mainly due to the often-irreversible damage done to the otherwise productive agricultural landscapes. Agro-ecology is proclaimed to be deteriorating due to eroding integrity of connected ecological mosaics and vulnerability to climate change. This has contributed to declining species diversity, loss of buffer vegetation, fragmentation of habitats, and loss of natural pollinators or predators, which eventually leads to decline in ecosystem services. Currently, a hierarchy of conservation initiatives is being considered to restore ecological integrity of agricultural landscapes. However, the challenge of identifying a suitable conservation strategy is a daunting task in view of socio-ecological factors that may constrain the choice of available strategies. One way to mitigate this situation and integrate biodiversity with agricultural landscapes is to implement offset mechanisms, which are compensatory and balancing approaches to restore the ecological health and function of an ecosystem. This needs to be tailored to the history of location specific agricultural practices, and the social, ecological and environmental conditions. The offset mechanisms can complement other initiatives through which farmers are insured against landscape-level risks such as droughts, fire and floods. For countries in the developing world with significant biodiversity and extensive agriculture, we should promote a comprehensive model of sustainable agricultural landscapes and ecosystem services, replicable at landscape to regional scales. Arguably, the model can be a potential option to sustain the integrity of biodiversity mosaic in agricultural landscapes.

Coastal resource planning system: Integrating evaluation of ecological integrity and ecosystem services valuation

Efficient and effective coastal management decisions rely on knowledge of the impact of human activities on ecosystem integrity, vulnerable species, and valued ecosystem services—collectively, human impact on environmental quality (EQ). Ecosystem-based management (EBM) is an emerging approach to address the dynamics and complexities of coupled social-ecological systems. EBM “is intended to directly address the long-term sustainable delivery of ecosystem services and the resilience of marine ecosystems to perturbations” (Rosenberg and Sandifer, 2009). The lack of a tool that integrates human choices with the ecological connections between contributing watersheds and nearshore areas, and that incorporates valuation of ecosystem services, is a critical missing piece needed for effective and efficient coastal management. To address the need for an integrative tool for evaluation of human impacts on ecosystems and their services, Battelle developed the EcoVal™ Environmental Quality Evaluation System. The EcoVal system is an updated (2009) version of the EQ Evaluation System for Water Resources developed by Battelle for the U.S. Bureau of Reclamation (Dee et al., 1972). The Battelle EQ evaluation system has a thirty-year history of providing a standard approach to evaluate watershed EQ. This paper describes the conceptual approach and methodology of the updated EcoVal system and its potential application to coastal ecosystems. (PDF contains 4 pages)

The basque ecological debt: global socioecological impacts of a small open economy

4 p.