The Institute for Natural Resource Conservation of the Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Regional assessments of selected ecosystem services in northern Germany Dissertation submitted for the Doctoral Degree awarded by the Faculty of Agricultural and Nutritional Sciences of the Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Submitted by M.Sc. Liwei Ma born in Hebei, China Kiel, 2017 Dean: Prof. Dr. Joachim Krieter 1. Examiner: Prof. Dr. Felix Müller 2. Examiner: Prof. Dr. Nicola Fohrer Day of Oral Examination: April 21, 2017 Printed with the approval of the Faculty of Agricultural and Nutritional Sciences of the Christian-Albrechts-Universität zu Kiel Zusammenfassung Das zentrale Ziel dieser Arbeit liegt in einer Verbesserung unseres Wissens über die regionale Landnutzungsverteilung, die zeitlichen Landnutzungsänderungen und die hieraus folgenden Unterschiede in der Bereitstellung von ausgewählten Ökosystemleistungen auf der Basis von CORINE Landbedeckungsklassen. Vorangegangene Abschätzungen von Ökosystemleistungen wurden häufig mit qualitativen Indikatoren und mit einem lokalen Flächenbezug durchgeführt. Ihre Resultate müssen im Vergleich mit quantitativen Verfahren auf Landschaftsebene folglich nicht fehlerfrei sein. In dieser Arbeit werden verschiedene Methoden zur Abschätzung der Ökosystemleistungen anhand des Beispielsfalles „Globale Klimaregulation“ für das Bundesland Schleswig-Holstein und Zeitraum 1990 bis 2012 verglichen. Hierbei werden im Wesentlichen folgende Parameter für die Analyse herangezogen: die jährliche totale Bruttoprimärproduktion (GPP) und Nettoprimärproduktion (NPP) für die Jahre 2000, 2006 und 2012, der Kohlenstoffgehalt der Böden im Jahr 2006 (SOC), die Kohlenstoffspeicherung in 2006 (CS) und die qualitative Bewertung der Ökosystemleistung anhand des „Matrix-Ansatzes“ für 2006 (GCR). Dabei werden die Landbedeckungsklassen differenziert für das gesamte Bundesland Schleswig-Holstein, die drei Landschaftszonen der Geest, der Marsch und des östlichen Hügellandes sowie für die Landkreise in Schleswig-Holstein analysiert. Um diese Zielsetzungen zu erreichen, werden raumzeitliche statistische Methoden im Hinblick auf die Nutzung Geographischer Informationssysteme (GIS) benutzt, Für die Arbeiten wurden daneben Programme aus den Software-Paketen R und SPSS verwendet. Zur Analyse der Landbedeckungsdynamik wurden 32 CORINE-Klassen mit Datensätzen aus den Jahren 1990, 2000, 2006 und 2012 genutzt. Bei der Berechnung der Größen GPP und NPP wurde auf 17 relevante Landnutzungs-Klassen zurückgegriffen. Diese Gruppierung enthielt landwirtschaftliche Flächen, Forsten und Wälder, seminatürliche Areale und Feuchtflächen. Im Verlauf der Arbeiten wurden die genannten Landbedeckungsklassen anhand der oben aufgeführten Indikatoren mit verschiedenen Verfahren verknüpft, so dass verschiedene Indikatoren landesweit für einen Vergleich zur Verfügung standen. Die Auswertungen ergaben unter anderem, dass Ackerland und Grünland zu allen Aufnahme-Zeitpunkten die dominanten Landnutzungstypen waren. Auch die größten nutzungsbedingten Verschiebungen fanden zwischen diesen Klassen und den sogenannten „komplexen Anbaumustern“ (complex cultivation patterns) statt. Aufgrund der großen Flächenausdehnung ergeben sich für Ackerland und Grünland auch die höchsten NPP- und GPP-Werte. Dabei sticht die Geest – ebenfalls aufgrund der Flächengröße – mit den höchsten Gesamtspeichermengen hervor, obwohl die relativen Umsätze 2006 geringer waren als in der Marsch. Unter den Landkreisen zeigen Rendsburg-Eckernförde und Dithmarschen die höchsten gespeicherten GPP- und NPP-Mengen, während grundsätzlich eine hohe abundante Vegetation mit einem hohen ökosystemaren Speicherpotenzial für Kohlenstoff einhergeht. Beim Vergleich der benutzten quantitativen und qualitativen Indikatoren, der jährlichen GPP, der jährlichen NPP, der Bodenspeicherung (SOC) und der Gesamt-System-Speicherung (CS) sowie dem qualitativen Matrix-Indikator zeigen sich sehr hohe Korrelationen zwischen den einzelnen Mess- und Modellgrößen. Die Unterschiede im Potenzial zur globalen Klimaregulation ergeben sich oft erst aus den reklassifizierten Landbedeckungs-Gruppen und deren jeweiliger Flächengröße. Dabei zeigen sich auch positive Korrelationen im Rahmen eines Datenvergleichs mit der amtlichen Statistik: GPP- und NPP – Umsätze und Speicher stehen in hohen korrelativen Beziehungen etwa zu den Daten der Gesamterntemengen, der Ernten von Getreide, Mais, Rüben und Raps. Auf der Grundlage dieser Resultate werden abschließend neben methodischen Schlussfolgerungen Empfehlungen zur Verbesserung der Service-Leistungen in Bezug auf die „globale Klimaregulation“ ausgesprochen. Im Wesentlichen sollten hierzu die jährlichen GPP- und NPP-Leistungen in Bezug auf die Gesamtmengen und die gespeicherten Mengen erhöht werden. Dies gilt ebenso für die Indikatoren SOC und CS. Diese Modifikation kann durch eine Änderung der Landnutzungsstruktur hin zu Klassen mit hohen Fixierungspotenzialen wie „Grünland“, „Laubwald“, „Nadelwald“, Mischwald“ oder auch zu „nicht bewässerte Ackerflächen“ geschehen. i Abstract The purpose of this study is to gain a better understanding of the land cover distributions, land cover changes and the differences in ecosystem service provisions resulting from distinctive indicators based on various CORINE land cover classes. Previous ecosystem service assessments focused on estimating ecosystem services with qualitative indicators or which have been carried out at local scales with limited land cover classes, and did not provide a sufficient understanding of the ecosystem service distributions and dynamics. Therefore this study includes an attempt to consider quantitative indicators on regional scales including the number and development of different land cover classes. By analyzing the land cover dynamics in Schleswig-Holstein from 1990 to 2012 and the “global climate regulation” service that uses information on the annual total Gross Primary Production (GPP) and Net Primary Production (NPP) for the years 2000, 2006 and 2012, Soil Organic Carbon (SOC) in 2006, Carbon Storage (CS) in 2006, and a qualitative indicator derived from the ecosystem service matrix method (GCR) in 2006, this study measures the land cover distributions based on the whole state, the landscape regions and the administrative districts. The land-cover-based global climate regulation potential in Schleswig-Holstein is assessed with regional distinctions, using different methods for the assessment and developing strategies to improve global climate regulation. To achieve these goals, this study uses spatial and statistical analysis tools referring to Geographic Information Systems (GIS), the statistical package R and the software of SPSS were used to estimate the land cover and ecosystem services dynamics in Schleswig-Holstein. 32 CORINE land cover classes were used to evaluate their distributions in Schleswig-Holsten, in the three landscape regions of Geest, Marsch and Hügelland and in the 15 administrative districts of Schleswig-Holsten in 1990, 2000, 2006 and 2012. In terms of the annual total GPP and NPP and the annual total stored GPP and NPP, 17 land cover classes including agricultural areas, forests, semi natural areas and wetlands were used to evaluate their effects on the distributions of the annual total GPP and NPP and the annual total stored GPP and NPP. The study then estimated the differences of distinct ecosystem service assessment concepts applying various indicators and using the data of the land cover map, the annual total GPP, the annual total NPP, SOC, CS and GCR with the best accessibility in 2006. Through the analysis, the study has found that “non-irrigated arable land” and “pastures” are the dominating land cover classes in Schleswig-Holstein, and the significant land cover changes during the study periods are also among the land cover classes of “non-irrigated arable land”, “pastures” and “complex cultivation patterns”. Because of the large areas, “non-irrigated arable land” and “pastures” are having higher annual total stored GPP and NPP values than the other land cover classes. The annual total stored GPP and NPP are significantly correlated with the areas. Due to the big area, Geest has the largest annual total stored GPP and NPP even though the annual total GPP and NPP are less than the annual total GPP and NPP in Marsch. Simultaneously, Dithmarschen and Rendsburg-Eckernförde are the districts holding larger annual total stored GPP and NPP amounts than the other districts of Schleswig-Holstein due the size of the areas. The areas covered with abundant vegetation have high carbon-stock capabilities. The outcome of the comparison of qualitative and quantitative indicators of the global climate regulation service, the annual total GPP, the annual total NPP, SOC, CS and GCR is that all of them show significant correlations. The differences in mapping global climate regulation are mainly consequences of different reclassified groups of land cover types in different indicator categories and distinctions of areas among land cover classes. The interrelations among the different indicators, the annual total GPP, the annual total NPP, and the statistical data of average harvest, the harvests of grain, green corn, root crops and winter rape evaluated based on districts also correlate significantly. Based on these findings, this study proposes methodological conclusions and the recommendations to enhance the annual total GPP and NPP, the annual total stored GPP and NPP, as well as SOC, and