Analysing agricultural landscape change in a marginal European landscape

Since the end of World War II, marginal European landscapes with unfavourable environmental conditions for cultivation have experienced severe land-use changes. In many cases, large portions of arable land have been successively abandoned in favour of grassland or fallow land. This general trend of marginalisation in turn affected ecological landscape functions and processes with far-reaching consequences for biodiversity and natural resources. Furthermore, the land-use pattern in marginal European landscapes is expected to undergo further major changes in the future, particularly in the course of EU agricultural policy. Given this background, this multiple-paper thesis (A) analysed agricultural landscape change in a marginal agricultural landscape and (B) developed methods that may support landscape change research at multiple spatio-temporal scales. Both aims were addressed in three studies. Our study area was the Lahn-Dill Highlands (1270 km²), a marginal agricultural landscape in Hesse (Germany) with a pronounced land-use change in the past decades. In the first study, we developed an approach to identify types of land-cover patterns and dynamics (TLPDs) at the rural district scale. By the combination of recent satellite data with historic agricultural statistics, and the application of k-means cluster analysis, we identified six TLPDs and characterised their physical settings. We found a general trend of abandonment of cultivation at the landscape scale, which is governed by significant differences in current land-cover patterns and the directions of land-cover change at the district scale: In the eastern part of the area, where elevation is low, and the proportions of steep slopes and dry soils are small, land cover remained relatively stable. Slight to dramatic changes occurred, in contrast, in the remaining districts with comparatively unfavourable conditions for cultivation. In the second study, we developed a 3-step methodological approach to systematically assess the spatial distribution of grassland age in a marginal agricultural landscape. The approach is based on the combination of an a-priori two-stage landscape stratification with conventional aerial photograph interpretation of selected patches, and the subsequent spatial extrapolation of the determined grassland age. Results proved that our approach provides a realistic estimation of grassland age at the scale of districts and over a time period of five decades. We found that the derived probabilities of grassland age classes are specific for grassland types in areas with a homogenous pattern of land-cover change. Furthermore, the results indicated a predominance of old grassland patches (>47 years). Occurrences of mid-aged grassland (18-47 years) were concentrated in districts with a pronounced land-cover change in this time period, whereas young grassland ( In the third study, we analysed the potential effects of three alternative transfer payment schemes on the farmland habitat diversity in a marginal agricultural landscape. We defined (1) a scenario with direct transfer payments coupled to production, (2) a scenario with direct transfer payments decoupled from production, and (3) a scenario phasing out all direct transfer payments. We characterised habitat diversity with three indices: habitat richness, evenness, and rarity. The habitat pattern in 1995 served as reference for comparison. All scenarios predicted a general trend of homogenisation of the farmland habitat pattern, yet to a differing extent. Transfer payments coupled to production (Scenario 1) supported spatially segregated land use with fallow land primarily in low-productive areas and arable land use in the more productive sites. The scenario predicted intermediate values for habitat richness and habitat evenness. Decoupling transfer payments from production (Scenario 2) favoured grassland as the most profitable farming system. This led to a grassland-dominated landscape with low values of all habitat diversity indices. Phasing out transfer payments (Scenario 3) resulted in complete abandonment or afforestation of agricultural land and extremely low values in all habitat diversity indices. Scenario results revealed that the payment of subsidies may prevent cessation of agricultural production, but may not fully counteract the homogenisation in marginal landscapes.Seit Ende des Zweiten Weltkriegs ist in standörtlich benachteiligten, marginalen Kulturlandschaften ein tief greifender Nutzungswandel zu beobachten, bei dem meist der Ackerbau durch Grünland oder Brachland ersetzt wird. Dieser allgemeine Trend zur Marginalisierung wirkte sich nachhaltig auf Landschaftsfunktionen und Prozesse mit weit reichenden Konsequenzen für Biodiversität und natürliche Ressourcen aus. Im Zuge der EU-Agrarpolitik sind künftig weitere Veränderungen der Nutzungsmuster zu erwarten. Vor diesem Hintergrund wurden in dieser Arbeit (A) der Agrarlandschaftswandel in einer marginalen Kulturlandschaft untersucht und (B) Methoden zur Analyse des Landschaftswandels auf multiplen raum-zeitlichen Skalen entwickelt. Beide Arbeitsschwerpunkte wurden in drei Studien behandelt. Als Untersuchungsregion diente das Lahn-Dill-Bergland (1270 km²), eine marginale Kulturlandschaft in Hessen, welche in den vergangenen Jahrzehnten einem starken Nutzungswandel unterlag. In der ersten Studie wurde eine Methodik zur Identifizierung von Typen der Nutzungsmuster und der -dynamik (TLPDs) auf Gemarkungsebene entwickelt. Mit Hilfe von aktuellen Satellitendaten und historischer Agrarstatistik sowie einer K-Means Clusteranalyse konnten sechs TLPDs identifiziert und hinsichtlich ihrer physischen Eigenschaften charakterisiert werden. Auf Landschaftsebene konnte ein allgemeiner Trend zur Aufgabe des Ackerbaus nachgewiesen werden. Signifikante Unterschiede im gegenwärtigen Nutzungsmuster und in der Richtung des Nutzungswandels zeigten sich hingegen auf Gemarkungsebene: Im östlichen Teil des Lahn-Dill-Berglands, wo die Höhenlage, der Anteil steiler Hänge und trockener Böden gering sind, blieb die Landnutzung nahezu unverändert. Geringe bis starke Veränderungen jedoch traten in den übrigen Gemarkungen mit vergleichsweise ungünstigen Bedingungen für die Kultivierung auf. In der zweiten Studie wurde eine dreistufige Methodik zur systematischen Abschätzung der räumlichen Verteilung von Grünlandalter in marginalen Landschaften entwickelt. Die Methodik basiert auf einer zweistufig geschichteten Landschaftsstratifizierung, einer Luftbildinterpretation ausgewählter Grünlandflächen und einer räumlichen Extrapolation des bestimmten Grünlandalters. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelte Methode für eine realistische Abschätzung des Grünlandalters auf Gemarkungsebene und über einen Zeitraum von fünf Jahrzehnten geeignet ist. Die abgeleiteten Wahrscheinlichkeiten der Altersklassen sind spezifisch für Grünlandtypen in Gebieten mit einheitlichem Muster des Nutzungswandels. Die Ergebnisse zeigen außerdem ein Vorherrschen von altem Grünland (>47 Jahre). Vorkommen von mittelaltem Grünland (18-47 Jahre) konzentrieren sich auf Gemarkungen mit starker Nutzungsdynamik in diesem Zeitraum, während junges Grünland ( In der dritten Studie wurden die potentiellen Auswirkungen von drei alternativen Transferzahlungen auf das landwirtschaftliche Habitatmuster abgeschätzt. Es wurden drei Szenarien definiert: (1) Ein Szenario mit direkten Transfers gekoppelt an die Produktion, (2) ein Szenario mit direkten Transfers entkoppelt von der Produktion und (3) ein Szenario ohne Zahlung von direkten Transfers. Habitatdiversität wurde mit drei Indizes charakterisiert: Habitatreichtum, Evenness und Rarität. Das Habitatmuster von 1995 diente als Vergleichsgrundlage. Alle Szenarien sagen einen allgemeinen Trend zur Homogenisierung des Habitatmusters voraus. An die Produktion gekoppelte Transfers (Szenario 1) begünstigten eine räumliche Trennung der Landnutzung mit einer Aufgabe der landwirtschaftlichen Nutzung insbesondere in schwach produktiven Gebieten und Ackernutzung in stark produktiven Gebieten. Entsprechend wies das Szenario mittlere Werte für den Habitatreichtum und die Evenness auf. Eine Entkoppelung der Transfers von der Produktion (Szenario 2) begünstigte Grünland als profitabelstes Landnutzungssystem. Dies führte zu einer von Grünland dominierten Landschaft mit geringen Werten aller Habitatindizes. Bei Einstellung der Zahlung von Transfers (Szenario 3) ist von einer völligen Aufgabe der landwirtschaftlichen Nutzung bzw. einer Wiederaufforstung und extrem niedrigen Werten aller Habitatindizes auszugehen. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Zahlung von Prämien eine Aufgabe der landwirtschaftlichen Produktion verhindern kann. Sie kann jedoch nicht einer Homogenisierung marginaler Landschaften entgegenwirken

Indicator species of nutrient-poor sites in mountain forests of the Bavarian Alps

In den Bergwäldern der Bayerischen Alpen sind Standorte mit geringer Nachlieferung von N, P und K, z. T. auch von Mg und Ca weit verbreitet. Um diese gegenüber Biomassenutzung empfindlichen Standorte im Gelände zu erkennen, können Pflanzenarten der Bodenvegetation als Indikatoren genutzt werden. Ziel unserer Arbeit war es, anhand einer umfangreichen Vegetations- und Bodendatenbank Indikatorarten für nährstoffarme Waldstandorte in den Bayerischen Alpen zu ermitteln. Mit Hilfe einer Indikatorartenanalyse wurden insgesamt 745 verschiedene Gefäßpflanzenarten und die Torfmoose (auf Gattungsebene zusammengefasst) auf ihre Eignung als Indikatorarten überprüft. Dazu wurden insgesamt 1.496 durch Vegetationsaufnahmen und Bodenprofilansprachen gekennzeichnete Waldstandorte hinsichtlich ihrer Nährstoffversorgung eingestuft und ausgewertet. Potentilla erecta, Vaccinium vitis-idaea, Homogyne alpina und Huperzia selago wurden als allgemeine Indikatorarten für nährstoffarme Standorte ermittelt. Vorkommen von Vaccinium myrtillus (Deckung ≥ 5 %) sowie Vorkommen von Juncus effusus, Luzula sylvatica und Luzula pilosa weisen auf nährstoffarme, tiefgründig versauerte Mineralböden mit Auflagehumus hin, während Calamagrostis varia, Sesleria albicans, Melampyrum sylvaticum, Aster bellidiastrum und Anthoxanthum odoratum eng an nährstoffarme kalkreiche Standorte gebunden sind. Die dargestellten Indikatorarten wurden speziell für die nährstoffarmen Waldstandorte der Bayerischen Alpen zusammengestellt. Sie ermöglichen ohne viel Sach- und Zeitaufwand im Gelände eine Ansprache von nährstoffarmen Waldstandorten, deren Nährstoffangebot aus Standortskarten nur grob eingeschätzt werden kann.Many mountain forests of the Bavarian Alps are found on sites with low supply of N, P and K and, in fewer cases, of Mg and Ca. In order to identify these sites, which are sensitive to biomass extraction, in the field, plant species of the soil vegetation can be used as indicators. The aim of our study was to identify indicator species of nutrient-poor forest sites in the Bavarian Alps by analysing a comprehensive database of coincident vegetation plots and soil profiles. A total of 745 vascular plant species and the moss genus Sphagnum were tested for their relevance in this regard by indicator-species analysis. For the analysis, a total of 1,496 forest sites were classified according to their nutrient supply and ana-lysed statistically. Potentilla erecta, Vaccinium vitis-idaea, Homogyne alpina and Huperzia selago were identified as general indicator species of nutrient-poor sites. Occurrences of Vaccinium myrtillus (cover ≥ 5%) as well as of Juncus effusus, Luzula sylvatica and Luzula pilosa indicate nutrient-poor, acid mineral soils whereas Calamagrostis varia, Sesleria albicans, Melampyrum sylvaticum, Aster bellidiastrum and Anthoxanthum odoratum are closely connected to nutrient-poor calcareous sites on limestone and dolomite. The presented indicator species were specifically compiled for the nutrient-poor forest sites of the Bavarian Alps. They allow on-site recognition of nutrient-poor forest sites with-out labor-intensive and time-consuming effort. The method is particularly useful, as site maps allow only a broad categorisation of nutrient supply

The Potential of Artificial Snags to Promote Endangered Saproxylic Beetle Species in Bavarian Forests

The creation of artificial snags, so-called high stumps, within forest management operations is a recently established tool to enrich standing deadwood as a habitat for saproxylic species. In this study, we analysed the impact of active high stump management on saproxylic beetle species. We selected 63 high stumps in six Bavarian forest districts (Germany), which were felled and subjected to close examination, focusing on beetle (Coleoptera) colonization. We identified 63 emerged coleopteran species belonging to 29 families; a further 10 taxa were identified only at the genus or family level, respectively. Moreover, 17% of the obtained taxa are listed in the German Red List of Coleoptera. Furthermore, 32% of the examined high stump trunks, predominantly broad-leaved tree species, harboured Red List beetle taxa. In particular, trembling aspen (Populus tremula) showed a disproportionately high number of Red List beetle species. The total species richness of beetles was independent of the height, diameter and decay stage of the snags. High stumps (snags) containing Red List beetle species tended to have higher amounts of deadwood in their surroundings, but the difference was not significant. According to the results of our study, actively creating high stumps proved to be a suitable method for creating habitats and serve as stepping-stones for endangered saproxylic species. Proactive high stump management during harvest can be a valuable component of deadwood management and biodiversity protection in forests.ISSN:1424-281

Evaluating Today's Landscape Multifunctionality and Providing an Alternative Future: A Normative Scenario Approach

Intensive agriculture has had multiple negative effects on the environment across large areas of Europe, including a decrease in the degree to which these landscapes serve multiple functions. A quantitative evaluation of the deficits in landscape multifunctionality is difficult, however, for a given landscape as long as "multifunctional reference landscapes" are lacking. We present an interdisciplinary normative scenario approach to overcome this obstacle. Given the example of the lower Wetter-catchment in the Wetterau region (Hesse, Germany), we compare the existing landscape with an expert-generated multifunctional landscape scenario that may also serve as an alternative future. This approach may inspire policy makers and land users by providing a methodology for the design of alternative multifunctional futures in five steps: (1) documentation of today's landscape structure and land use at the scale of uniformly managed land units; (2) detection of functional deficits of today's landscape considering environmental (soil contamination, groundwater production, water quality, biodiversity), economic (land rent), and societal (landscape perception by its population) attributes; (3) compilation of a catalogue of alternative land uses (including linear landscape elements) suitable to minimize the detected functional deficits; (4) rule-based modification of today's land-use pattern into a normative scenario; and (5) comparison of today's landscape and the normative scenario by applying the model network ITE²M. Results highlight a strongly unbalanced allocation of private and public goods in today's landscape with severe deficits in environmental and societal landscape features, but a significantly higher land rent. The designed multifunctional scenario, instead, may be preferred by the local population, and their willingness to pay for multifunctionality could potentially compensate calculated opportunity costs. Hence, the generated landscape scenario may be regarded as an alternative, multifunctional future