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The future of global land use
model-based assessment of policy options to reverse forest loss, mitigate climate change and safeguard biodiversity
Kreidenweis, Ulrich
Global land-use change is a main driver of two of the biggest environmental alterations threatening human well-being: climate change and the decline in biodiversity. Over recent decades, a growing and wealthier population has requested more agricultural products, and this demand has been satisfied by expanding agricultural areas and intensifying production. However, this has posed consequences. As new fields and pastures replaced tropical forests, some of the most biodiverse habitats have been destroyed, and as tropical forests are among the ecosystems with the highest carbon content, their loss has also significantly contributed to global climate change.
The pathway of global land use towards the future remains unclear, but with the projected rise in the global population and the consequent greater demand for food in addition to newly emerging requests for agricultural energy production and land-based climate change mitigation, the pressure on land will likely increase. This thesis conceptualises scenarios of future land use, identifies probable future developments and analyses policies that might help to steer land use in a more environmentally friendly direction.
Forests and how their future extent influences climate and biodiversity are central to this thesis. It assesses policies of a price on greenhouse gas emissions from land-use change and an expansion of protected areas, as well as the effects of agricultural trade liberalisation and intensification. This paper seeks to more concretely determine the expected amount of tropical deforestation until the middle of the century and measures to reduce it. It additionally focuses specifically on tropical biodiversity hotspots and methods to conserve them through the designation of protected areas and agricultural intensification. Furthermore, it considers the carbon sequestration potential of large-scale afforestation and its potential effect on food prices.
The study employs a global economic land-use model to assess potential future developments. The Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment (MAgPIE) produces patterns of global land use for a given demand for agricultural products by minimising costs of agricultural production. To analyse the research questions at hand, the model was modified and amended in several aspects.
This thesis shows that the assumed increase in demand for agricultural products will lead to an expansion of croplands, at least until the middle of the century. More than 400 million hectares (Mha) of cropland may be newly established between 2015 and 2050. Continuous loss of forests and other natural vegetation is likely to accompany this if no adequate policies come into force. In a study focusing on the tropical deforestation, deforestation amounts to 140 Mha in Latin America, 64 Mha in Sub-Saharan Africa and 24 Mha in Pacific Asia between 2010 and 2050 in the reference case. Without pasture intensification and further trade liberalisation, land-use change could cause cumulative emissions of more than 100 Gt CO2 until the middle of the century, and it will also affect areas that are globally most important for the conservation of biodiversity.
Protected areas and emission pricing are promising strategies to abate the loss of forests and land-use change emissions. The results indicate that even a relatively low CO2 price could render deforestation economically unattractive and could transform the land-use sector from a net source of greenhouse gas emissions into a net sink. Analysis of the potential of afforestation shows that a CO2 price that starts at 30 USD and increases by 5% per year could lead to a forest area expansion of almost 2,600 Mha by the end of the century and a sequestration of about 860 Gt of CO2. The findings of this thesis also underpin the importance of expanding protected areas to reduce the overall amount of deforestation, especially in tropical biodiversity hotspots.
Fulfilling the growing demand for food while maintaining or even expanding forests as a climate mitigation strategy requires substantial agricultural intensification. In MAgPIE, investments into yield-increasing research and development (R&D) are modelled endogenously, and all simulation relied on this option. Especially when afforestation competed with agricultural production for the same areas, high yield increases were necessary in tropical developing countries. These findings highlight the importance of the intensification of pasture areas, which has often been neglected. African pasture intensification seems particularly key to limit the conversion of forests and other natural vegetation.
This thesis also shows that besides offering a large CO2 removal potential, afforestation can limit the regional self-sufficiency in food production and could have severe consequences for food prices. Global afforestation efforts following the introduction of a price on carbon emissions, as assessed in one of the studies, could result in a four-fold global food price level.
The results also highlight the importance of agricultural trade, which is a main determinant of the future of land use and of the effectiveness of land-use policies. This thesis demonstrates that further trade liberalisation may boost deforestation, especially in Latin America. In this region, it also lowers the land-saving effect of agricultural intensification since higher productivity results in higher exports. On the positive side, trade liberalisation may be essential to curb food price hikes that are associated with regional afforestation.
Altogether, this thesis shows that the future of land use is open. Failure to implement strict policies bears the risk of continued agricultural expansion and tropical deforestation with severe consequences for biodiversity and climate. However, the results also suggests that effective political instruments are available that could reduce certain adverse environmental and social impacts of agricultural production.
Globaler Landnutzungswandel ist ein Haupttreiber von zwei der größten Umweltveränderungen die das menschliche Wohlergehen bedrohen: Klimawandel und der Verlust der Biodiversität. Während den letzten Jahrzehnten hat eine wachsende und wohlhabendere Bevölkerung nach mehr landwirtschaftlichen Produkten verlangt, und diese Nachfrage wurde durch Expansion landwirtschaftlicher Flächen und Intensivierung der Produktion bedient. Das hatte jedoch Konsequenzen. Indem Felder und Weiden tropische Wälder ersetzten, wurden einige der artenreichsten Habitate zerstört, und da tropische Wälder zu den Ökosystemen mit der höchsten Kohlenstoffdichte gehören, trug ihr Verlust auch erheblich zum globalen Klimawandel bei.
Der Pfad den die Landnutzung in Zukunft einschlagen wird bleibt ungewiss, aber mit dem vorhergesagten Anstieg der globalen Bevölkerung und der damit einhergehenden verstärkten Nachfrage nach Lebensmitteln, zusätzlich zu neu auftauchenden Ansprüchen nach landwirtschaftlicher Energieproduktion und landbasierter Eindämmung des Klimawandels, wird der Druck auf nutzbares Land wahrscheinlich steigen. Diese Doktorarbeit entwirft Szenarien zukünftiger Landnutzung, identifiziert wahrscheinliche zukünftige Entwicklungen, und analysiert politische Strategien die helfen könnten Landnutzung in eine umweltfreundlichere Richtung zu lenken.
Wälder und die Frage wie ihre zukünftige Ausdehnung Klima und Biodiversität beeinflussen sind zentral in dieser Doktorarbeit. Sie evaluiert die politischen Maßnahmen eines Preises auf Treibhausgasemissionen aus Landnutzungsänderungen und eine Ausweitung von Naturschutzgebieten, sowie die Auswirkungen von Agrarhandelsliberalisierung und landwirtschaftlicher Intensivierung. Die vorliegende Arbeit versucht das voraussichtliche Ausmaß tropischer Entwaldung bis zu Mitte des Jahrhunderts konkreter zu bestimmen, und untersucht Maßnahmen diese zu verringern. Zudem konzentriert sie sich insbesondere auf tropische Biodiversitätshotspots und Methoden diese durch die Ausweisung von Schutzgebieten und landwirtschaftliche Intensivierung zu erhalten. Darüber hinaus berücksichtigt sie das Kohlenstoff-Abscheidungspotential von großräumiger Aufforstung und deren potentiellen Einfluss auf Lebensmittelpreise.
Die Studie nutzt ein globales ökonomisches Landnutzungsmodell um mögliche zukünftige Entwicklungen zu untersuchen. MAgPIE (Model of Agricultural Production and its Impact on the Environment) erzeugt globale Landnutzungsmuster für eine gegebene Nachfrage nach Agrarprodukten durch die Minimierung landwirtschaftlicher Produktionskosten. Um die vorliegenden Forschungsfragen zu untersuchen, wurde das Modell hinsichtlich verschiedener Aspekte modifiziert und erweitert.
Diese Doktorarbeit zeigt, dass die angenommene Steigerung der Nachfrage nach Agrarprodukten mindestens bis zur Mitte des Jahrhunderts zu einer Expansion der Ackerflächen führen wird. Mehr als 400 Mha Ackerfläche könnten zwischen 2015 und 2050 neu entstehen. Dies geht mit großer Wahrscheinlichkeit mit dem fortlaufenden Verlust von Wäldern und anderer natürlicher Vegetation einher, sollten dem keine geeigneten politischen Maßnahmen entgegen gesetzt werden. In einer Studie die sich auf die tropische Entwaldung fokussiert, beläuft sich die Entwaldung zwischen 2010 und 2050 im Referenzfall auf 140 Mha in Lateinamerika, 64 Mha in Subsahara-Afrika und 24 Mha in Asien-Pazifik. Ohne Intensivierung der Weide und ohne Handelsliberalisierung, könnte Landnutzungswandel bis zur Mitte des Jahrhunderts mehr als 100 Gt CO2 verursachen, und wird dabei auch jene Gegenden beeinträchtigen die weltweit am wichtigsten für den Erhalt der Biodiversität sind.
Naturschutzgebiete und die Bepreisung von Emissionen sind erfolgversprechende Strategien um den Verlust von Wäldern und Landnutzungsemissionen zu verringern. Die Ergebnisse deuten an, dass bereits ein relativ geringer CO2-Preis Entwaldungen ökonomisch unattraktiv machen könnte, und den Landnutzungssektor von einer Netto-Quelle zu einer Senke von Treibhausgasemissionen wandeln könnte. Eine Analyse des Aufforstungspotentials zeigt, dass ein CO2-Preis der bei 30 USD startet und um 5% pro Jahr steigt bis zum Ende des Jahrhunderts zu einer Ausdehnung der Waldfläche um fast 2600 Mha und einer Sequestrierung von etwa 860 Gt CO2 führen könnte. Die Ergebnisse dieser Dissertation untermauern auch die Bedeutung der Ausweitung von Schutzgebieten um das Ausmaß der Entwaldung, insbesondere in tropischen Biodiversitätshotspots, zu verringern.
Um die steigende Nachfrage nach Lebensmitteln zu bedienen, während Wälder erhalten oder als Klimaschutzmaßnahme sogar ausgeweitet werden, bedarf es erheblicher landwirtschaftlicher Intensivierung. In MAgPIE werden Investitionen in Forschung und Entwicklung endogen modelliert, und alle Simulationen beruhten auf dieser Option. Insbesondere wenn Aufforstung mit landwirtschaftlicher Produktion um die gleichen Flächen konkurrierte waren starke Ertragssteigerungen in tropischen Entwicklungsländern nötig. Diese Ergebnisse unterstreichen die Wichtigkeit einer Intensivierung des Weidelands, welche bisher oft vernachlässigt wurde. Eine Intensivierung afrikanischer Weideflächen erscheint besonders zentral zu sein um die Umwandlung von Wäldern und anderer natürlicher Vegetation einzuschränken.
Diese Arbeit zeigt auch, dass Aufforstungen neben dem zur Verfügung stellen eines großen Kohlendioxid-Abscheidungspotentials, die regionale Selbstversorgung mit Lebensmitteln einschränken und erheblichen Einfluss auf Lebensmittelpreise haben können. Weltweite Aufforstungsbestrebungen die der Einführung eines Preises auf Kohlenstoffemissionen folgen, wie es in einer der Studien untersucht wurde, könnten zu einem viermal so hohen globalen Lebensmittelpreisniveau führen.
Die Ergebnisse verdeutlichen auch die Bedeutung des Agrarhandels, der eine bestimmende Größe für die Zukunft der Landnutzung und die Effektivität von Landnutzungspolitik ist. Diese Arbeit zeigt, dass weitere Handelsliberalisierung insbesondere in Lateinamerika die Entwaldung beschleunigen könnte. In dieser Region verringert sie zudem den flächensparenden Effekt von landwirtschaftlicher Intensivierung, da höhere Produktivität zu höheren Exporten führt. Positiv zu bewerten ist, dass Handelsliberalisierung wesentlich zur Begrenzung von Lebensmittelpreissteigerungen im Zusammenhang mit regionalen Aufforstungen beitragen könnte.
Insgesamt zeigt die vorliegende Arbeit, dass die Zukunft der Landnutzung offen ist. Ein Versäumnis konsequente Politik umzusetzen birgt das Risiko fortschreitender landwirtschaftlicher Expansion und tropischer Entwaldung mit einschneidenden Konsequenzen für Biodiversität und Klima. Die Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass effektive politische Instrumente zur Verfügung stehen, die bestimmte negative soziale und ökologische Auswirkungen der landwirtschaftlichen Produktion verringern könnten.
