Mapping and valuation of ecosystem services for informed decision making in spatial planning

Abstract

Everyone in the world depends on Earth’s ecosystems and the services they provide, such as food, water, disease management, climate regulation, spiritual fulfillment, and aesthetic enjoyment. Ecosystem Services (ESs) are defined as the direct or indirect contribution of ecological structure and processes to human well-being in the form of (1) provisioning, (2) regulating & maintenance and (3) cultural services (based on the Common International Classification of Ecosystem Services - CICES). This implies that mankind is strongly dependent on well-functioning ecosystems and natural capital that are the basis for a constant flow of ESs from nature to society. Mapping and assessing ESs represent important approaches towards understanding the link between the provision of ESs and human society, which, in turn, facilitates decision-making and management. To effectively manage multiple ESs, it is essential to understand how the dynamics of ESs maintain healthy ecosystems to avoid potential negative impacts on human well-being in the context of sustainable development. In this regard, implementing the ES framework in practice requires the identification of the complex interactions among ESs, and between ESs and human demand to optimize future ES provision and to mitigate current trade-offs. However, human demands for natural resources continue to grow rapidly, risking the short supply of ES. By accounting for both the supply and demand ES, it is possible to identify where ESs are not able to satisfy human needs. Mediterranean islands are widely recognized as biodiversity hotspots, with a long history of human activities shaping multi-functional landscapes. Socio-economic and environmental factors are among the most important factors driving the creation of diverse landscapes, with a high supply of ESs. However, these factors, along with climate change, could also have irreversible consequences on local ecosystems, which might have negatively impacted ESs. Within this context, this thesis aimed to improve the understanding of ES occurrence and ES relationships in complex and diverse Mediterranean ecosystems, such as those found in the Ionian Islands. This improved understanding offers important information to decision-makers and landscape planners about the possible impacts that management decisions and actions could cause on sensitive ecosystems. Specifically, the main objectives were to (1) assess the spatial dynamics and interactions among the supply of multiple ES, (2) identify the spatial congruence between the supply and demand of ES, and (3) reveal the socio-ecological factors that determine the spatial distribution of ES bundles in the four prefectures of Ionian Islands; namely, Corfu, Lefkada, Kefalonia, and Zakynthos. First, using a combined set of biophysical indicators and models, ESs were mapped to reveal their spatial distribution. Additionally, ES interactions were investigated by analyzing ES relationships, identifying ES bundles (sets of ESs that repeatedly occur together across space and time), and specifying ES occurrence within these bundles. The three ES groups (provisioning, regulating and cultural) exhibited similar patterns on some islands, but differed on other islands were areas of high recreation presented low provisioning and regulating ESs. Temporal variations showed both stability and changes to the supply and relationships of ESs. Among the islands, different patterns were caused by the degree of mixing between natural vegetation and olive orchards, as the olive bundle delivered the most ESs, while the non-vegetated bundle delivered negligible amounts of ESs. The findings of the spatial and temporal variation in ESs appear to be determined by agriculture, land abandonment, and increasing tourism, as well as the occurrence of fires. Second, using both biophysical and economic indicators, the capacity of ecosystems to provide benefits and societal needs were assessed to reveal ES spatial similarities and mismatches. The results showed that cropland and urban areas presented high demand for all three ES, due to the high presence of the human population, along with tourism activities. In comparison, more than 50% of the Ionian Islands are characterized by natural forests and olive orchards, leading large areas to be dominated by excess ES supply or by similar amounts of both ES supply and demand. The hot spot analysis (Getis-Ord Gi* statistic) conducted to identify spatial mismatches delineated zones with high connectivity, which could facilitate the prioritization of conservation areas. For areas where an unsustainable regime was revealed, recommendations on how to maintain or shift current spatial policies were given to improve the decision-making process. For the most part, results signified that human demands for ES were fulfilled. Consequently, understanding the balance between ES supply and demand can facilitate sustainable spatial planning and enhance the quality of life. Third, to support informed decision-making on landscape management, and implement appropriate planning actions, the final objective of this thesis was to reveal the importance of socio-ecological factors in shaping ES bundles. In specific, 17 socio-ecological variables were explored using an ensemble machine learning method (Random Forest) for their contribution to explaining the supply and demand of ESs. The results showed that the most important variables for the distribution of ES supply bundles were landscape heterogeneity, elevation, slope, landscape connectivity, and population. In comparison, variables representing elevation, slope, and population were among the most important variables contributing to ES demand bundles. The findings demonstrated that research on ESs should account for underlying socio-ecological drivers that influence the supply and demand of ES to improve our understanding of the possible impacts of future management decisions regarding the diverse Mediterranean landscapes of the Ionian Islands. In conclusion, ecosystem services are regarded as an effective communication tool to bridge the knowledge of science, policy-making, and practice, eventually becoming a major tool for decision making on global, national, regional and local scales.

Ο άνθρωπος εξαρτάται εξ ολοκλήρου από τα οικοσυστήματα της Γης και τις υπηρεσίες που παρέχουν, όπως η διάθεση τροφής και νερού, η διαχείριση ασθενειών, η ρύθμιση του κλίματος, η πνευματική ευημερία και η αισθητική απόλαυση. Οι οικοσυστημικές υπηρεσίες (ΟΥ) ορίζονται ως η άμεση ή έμμεση συμβολή της οικολογικής δομής και των διαδικασιών στην ανθρώπινη ευημερία με τη μορφή (1) προμηθευτικών υπηρεσιών, (2) ρυθμιστικών υπηρεσιών και υπηρεσιών διατήρησης, και (3) πολιτιστικών υπηρεσιών (σύμφωνα με την Κοινή Παγκόσμια Ταξινόμηση των Οικοσυστημικών Υπηρεσιών - CICES). Αυτό σημαίνει ότι η ανθρωπότητα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το φυσικό κεφάλαιο και από υψηλής λειτουργικότητας οικοσυστήματα, τα οποία αποτελούν τη βάση μιας σταθερής ροής ΟΥ. Η χαρτογράφηση και η αξιολόγηση των ΟΥ παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την κατανόηση της σχέσης μεταξύ της παροχής ΟΥ και της κοινωνίας, οι οποίες, με τη σειρά τους, διευκολύνουν τη λήψη αποφάσεων και την περιβαλλοντική διαχείριση. Έτσι, για την αποτελεσματική διαχείριση πολλαπλών ΟΥ, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πως η δυναμική των ΟΥ διατηρεί υγιή οικοσυστήματα ώστε να αποφευχθούν πιθανές αρνητικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη ευημερία στο πλαίσιο της βιώσιμης ανάπτυξης. Από την άποψη αυτή, η εφαρμογή των ΟΥ στην πράξη απαιτεί τον εντοπισμό των πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων αναμεταξύ των ΟΥ και μεταξύ των ΟΥ και της ανθρώπινης ζήτησης για τη βελτιστοποίηση της μελλοντικής παροχής ΟΥ και τον μετριασμό των πιθανών ανταλλαγών (trade-offs). Ωστόσο, η ανθρώπινη ζήτηση για φυσικούς πόρους εξακολουθεί να αυξάνεται με ραγδαίο ρυθμό, με κίνδυνο τη μείωση παροχής σημαντικών ΟΥ. Έτσι, με την καταγραφή τόσο της προσφοράς όσο και της ζήτησης για ΟΥ, είναι δυνατό να εντοπιστούν οι ζώνες ή οι περιοχές στις οποίες οι ΟΥ είναι σε θέση να ικανοποιήσουν τις ανθρώπινες ανάγκες. Τα νησιά της Μεσογείου είναι ευρέως αναγνωρισμένα ως θερμά σημεία (hotspots) βιοποικιλότητας, με μακροχρόνια επίδραση ανθρώπινων δραστηριοτήτων που διαμόρφωσαν πολύ-λειτουργικά τοπία. Οι κοινωνικό-οικονομικοί και περιβαλλοντικοί παράγοντες συγκαταλέγονται μεταξύ των σημαντικότερων παραγόντων που οδηγούν στη δημιουργία τέτοιων ποικίλων τοπίων, τα οποία παρέχουν πολλαπλές ΟΥ. Ωστόσο, αυτοί οι παράγοντες, συνοδευόμενοι και οδηγούμενοι από την κλιματική αλλαγή, μπορεί να έχουν μη αναστρέψιμες συνέπειες στα τοπικά οικοσυστήματα, και επομένως στις ΟΥ που παρέχονται. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή φιλοδοξεί να συμβάλει στην κατανόηση των ΟΥ και των σχέσεων μεταξύ τους, οι οποίες λαμβάνουν χώρα σε πολύπλοκα και ποικίλα μεσογειακά οικοσυστήματα, όπως εκείνα που χαρακτηρίζουν τα Ιόνια νησιά. Αυτή η ολοκληρωμένη εικόνα μπορεί να προσφέρει σημαντικές πληροφορίες στους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων και στους διαχειριστές του τοπίου σχετικά με τις πιθανές επιπτώσεις που μπορεί να προκαλέσουν διαχειριστικές αποφάσεις και δράσεις σε ευαίσθητα οικοσυστήματα. Συγκεκριμένα, οι κύριοι στόχοι ήταν (1) να εκτιμηθεί η χωρική και χρονική δυναμική πολλαπλών ΟΥ, καθώς και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους, (2) να προσδιοριστεί η χωρική συμφωνία/αντιστοιχία μεταξύ της προσφοράς και της ζήτησης για ΟΥ και (3) να εντοπιστεί ο βαθμός συνεισφοράς κοινωνικό-οικολογικών παραγόντων στη χωρική κατανομή των δεσμών ΟΥ στους τέσσερις νομούς των Ιονίων Νήσων · δηλαδή την Κέρκυρα, τη Λευκάδα, την Κεφαλονιά και τη Ζάκυνθο. Αρχικά, χρησιμοποιώντας μια σειρά βιοφυσικών δεικτών και μοντέλων, χαρτογραφήθηκε στην περιοχή μελέτης η χωρική κατανομή των ΟΥ. Επιπλέον, διερευνήθηκαν οι αλληλεπιδράσεις αναμεταξύ των ΟΥ αναλύοντας τις σχέσεις τους, προσδιορίζοντας τις δέσμες ΟΥ (σύνολα ΟΥ που εμφανίζονται ταυτόχρονα χωρικά και χρονικά) και προσδιορίζοντας την σύσταση και ένταση των ΟΥ μέσα στις δέσμες αυτές. Οι τρεις βασικές ομάδες ΟΥ (προμηθευτικές, ρυθμιστικές και πολιτισμικές) εμφάνισαν παρόμοια πρότυπα σε ορισμένα νησιά, αλλά διέφεραν σε νησιά όπου περιοχές με υψηλή παροχή αναψυχής παρουσίασαν ταυτόχρονα χαμηλής έντασης προμηθευτικές και ρυθμιστικές υπηρεσίες. Οι χρονικές μεταβολές έδειξαν τόσο σταθερότητα όσο και αλλαγές στην παροχή και τις σχέσεις μεταξύ ΟΥ. Μεταξύ των νησιών, διαφορετικά πρότυπα προκλήθηκαν από το βαθμό μίξης φυσικής βλάστησης και ελαιώνων, καθώς η δέσμη ελαιώνων παρείχε πολλαπλές ΟΥ, ενώ η αστική-χωρίς βλάστηση δέσμη παρείχε μειωμένη ποσότητα ΟΥ. Τα ευρήματα της εργασίας σχετικά με τη χωρική και χρονική διακύμανση των ΟΥ φαίνεται να καθορίζονται από τη γεωργία, την εγκατάλειψη ή/και εντατικοποίηση της γης, την αύξηση του τουρισμού και την συχνότητα πυρκαγιών. Έπειτα, διερευνήθηκαν οι χωρικές ομοιότητες και αναντιστοιχίες μεταξύ της ικανότητας των οικοσυστημάτων να παρέχουν υπηρεσίες και της ζήτησης της κοινωνίας για τις υπηρεσίες αυτές, χρησιμοποιώντας βιοφυσικούς και οικονομικούς δείκτες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι αγροτικές και αστικές περιοχές παρουσίασαν μεγάλη ζήτηση, λόγω της υψηλής παρουσίας του ανθρώπινου πληθυσμού και των τουριστικών δραστηριοτήτων στις περιοχές αυτές. Αντίθετα, τα δάση και ελαιώνες, που αποτελούν πάνω από το 50% των νησιών του Ιονίου οδήγησαν μεγάλες εκτάσεις περιοχών να κυριαρχούνται από πλεονάζουσα παροχή ΟΥ ή ισορροπία μεταξύ παροχής και ζήτησης. Η ανάλυση χωρικών προτύπων που πραγματοποιήθηκε για τον εντοπισμό ομοιογενών χωρικών ζωνών με υψηλή αναντιστοιχία παροχής-ζήτησης διευκόλυνε τον εντοπισμό περιοχών προτεραιότητας για διατήρηση. Για περιοχές όπου φαίνεται να υπάρχει ένα μη βιώσιμο καθεστώς διαχείρισης, ήταν δυνατή η εύρεση εναλλακτικών λύσεων σχετικά με τη διατήρηση ή τη μετατόπιση των χωροταξικών πολιτικών για τη βελτίωση της διαδικασίας λήψης αποφάσεων. Γενικότερα, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι σε μεγάλο βαθμό η ζήτηση της κοινωνίας για σημαντικές υπηρεσίες καλύπτεται από την παροχή υπηρεσιών των οικοσυστήματων. Κατά συνέπεια, η κατανόηση της ισορροπίας μεταξύ παροχής και ζήτησης μπορεί να διευκολύνει τον βιώσιμο χωροταξικό σχεδιασμό και τη βελτίωση της ποιότητας ζωής. Τέλος, για να υποστηριχθεί η λήψη τεκμηριωμένων αποφάσεων σχετικά με τη διαχείριση του τοπίου και για την υλοποίηση κατάλληλων ενεργειών σχεδιασμού, ο τελικός στόχος αυτής της εργασίας ήταν να εντοπίσει το βαθμό συνεισφοράς των κοινωνικό-οικολογικών παραγόντων στη διαμόρφωση των δεσμών ΟΥ. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκαν 17 κοινωνικό-οικολογικές μεταβλητές, με τη χρήση μεθόδου μηχανικής μάθησης (Random Forest), για τη συμβολή τους στην εξήγηση και διαμόρφωση της παροχής και ζήτησης ΟΥ. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι σημαντικότερες μεταβλητές για τη διαμόρφωση των δεσμών παροχής ΟΥ ήταν η ετερογένεια και η συνδεσιμότητα τοπίου, το υψόμετρο, οι κλίσεις, και ο πληθυσμός. Συγκριτικά, οι μεταβλητές που αντιπροσωπεύουν τοπογραφικά χαρακτηριστικά (υψόμετρο και κλίσεις) και ο πληθυσμός συγκαταλέγονται μεταξύ των σημαντικότερων μεταβλητών που συμβάλλουν στη ζήτηση από τη κοινωνία για συγκεκριμένες ΟΥ. Έτσι, μελλοντικές έρευνες για ΟΥ θα πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τους κοινωνικό-οικολογικούς παράγοντες που επηρεάζουν την παροχή και τη ζήτηση των ΟΥ για την κατανόηση των πιθανών επιπτώσεων μελλοντικών διαχειριστικών αποφάσεων σχετικά με τα ποικίλα μεσογειακά τοπία, όπως αυτά των Ιονίων Νήσων. Συμπερασματικά, οι οικοσυστημικές υπηρεσίες θεωρούνται ως ένα αποτελεσματικό εργαλείο γεφύρωσης μεταξύ ερευνητικών αποτελεσμάτων, και χάραξης πολιτικής, καθιστώντας τες τελικά ένα σημαντικό μέσο λήψης αποφάσεων σε παγκόσμια, εθνική, περιφερειακή και τοπική κλίμακα.