Agent-based modeling of land-use changes and vulnerability assessment in a coupled socio-ecological system in the coastal zone of Sri Lanka

In recent decades, the different impacts of global change have led to an increased exposure and vulnerability of coupled socio-ecological systems (SES) to various disturbances and stressors. Human-induced land-use and land-cover changes (LUCC) are an important factor contributing to the vulnerability of such systems. It is therefore reasonable to analyse vulnerability and LUCC in a combined effort. In this study, projections for future LUCC around an estuary in southwestern Sri Lanka were developed. In a subsequent step, the vulnerability of the coupled coastal system to natural hazards was analyzed based on the effects of the tsunami in December 2004. Changes in land use and land cover are the most important impacts of human activities on the earth system, with mostly negative consequences for both ecosystems and social systems. Awareness has grown about the complexity of the driving forces of LUCC, and various modeling approaches have been developed for generating scenarios on different spatial scales. Agent-based models (ABMs) with their focus on the simulation of human decision making and the interdependencies between humans and their environment are seen as a promising and flexible approach. They are best capable of capturing the complexity of coupled SES and of providing a natural description of the systems under consideration. This study employed the Land-Use Dynamics Simulator (LUDAS), an ABM consisting of four modules, which was developed in 2005 for an upland watershed in central Vietnam. In addition to the household and the landscape modules, the policy component captures land-use related policies and other external parameters that impact decision making with respect to land use. The decision-making sub-module as the core of the model simulates the decision-making processes of the household agents. First, LUDAS was modified according to different biophysical and socio-economic circumstances in the coastal study region. Current land use was analyzed with high-resolution satellite images (Ikonos), while socio-economic information was based on extensive household surveys and field visits to agricultural plots, complemented by expert interviews on the local, regional, and national level. Principal Component Analysis and Cluster Analysis were used to classify the sampled population into five different livelihood groups. In a next step, binary logistic regression was employed to evaluate decision making with regard to land-use choices of the households within the different livelihood groups. Access of households to agricultural extension services and agricultural subsidies were identified as the most important external parameters assumed to have an impact on land use and economic patterns in the study region. Notwithstanding the impact of the policy factors, all 20-year simulations revealed slight decreases in the share of income from farming activities, while the overall income of the households of all groups remains more or less constant. Furthermore, landholdings of all households decrease in size, which is mainly due to decreases in homestead area, while agricultural land uses remain on the same level or show slight increases. Access to subsidies has a stronger effect on land use and livelihoods than access to extension services. It increases the share of income from farming activities, and modifies the development of the mixed cinnamon and paddy area. Changes in access to extension services only result in minor LUCC with large uncertainties for all scenarios. Comprehensive vulnerability approaches attempt to capture the exposure, sensitivity, and resilience of coupled SES. This study employed a guiding multi-level vulnerability framework with a specific focus on the linkages and feedbacks between social and environmental components of the system and their implications for the vulnerability of the SES. Data for the vulnerability assessment were collected through household surveys, expert interviews, analysis of secondary material, statistical analysis, and field and vegetation surveys. The assessment revealed the high vulnerability of households depending on fishery and labor. The vulnerability of the fishery households was due to a higher exposure and to failures in individual and institutional coping after the tsunami. The vegetation survey with the subsequent statistical analysis identified the varying impact of coastal vegetation on the energy of the tsunami waves.Agenten-basierte Modellierung von Landnutzungsänderungen und Verwundbarkeits-Analyse in einem gekoppelten sozio-ökologischen System in der Küstenzone Sri Lankas In den letzten Jahrzehnten haben die verschiedenen Auswirkungen des globalen Wandels zu einer zunehmenden Exposition und Verwundbarkeit von gekoppelten sozio-ökologischen Systemen (SES) geführt. Von Menschen verursachte Veränderungen der Landnutzung und Landbedeckung (LUCC) sind ein wichtiger Aspekt hinsichtlich der Verwundbarkeit solcher Systeme. Es ist daher sinnvoll, Verwundbarkeit und LUCC in einer kombinierten Analyse gemeinsam zu untersuchen. In der vorliegenden Studie wurden Szenarien zur zukünftigen LUCC im Umland einer Lagune im Südwesten Sri Lankas entwickelt. Im darauf folgenden Schritt wurde die Verwundbarkeit des gekoppelten Küsten-Systems gegenüber Naturkatastrophen auf Grundlage des Tsunamis 2004 analysiert. Änderungen der Landnutzung und dr Landbedeckung sind die wichtigsten Auswirkungen von menschlichen Aktivitäten auf das Erdsystem. Sie haben meistens negative Konsequenzen sowohl für Ökosysteme als auch für soziale Systeme. Das Bewusstsein über die Komplexität der Einflussfaktoren für LUCC hat zugenommen, und es wurden verschiedene Modellierungs-Ansätze zur Generierung von Szenarien auf verschiedenen räumlichen Ebenen entwickelt. Agenten-basierte Modelle (ABMs) mit ihrem Fokus auf der Simulation von menschlichen Entscheidungsfindungsprozessen und gegenseitigen Abhängigkeiten zwischen Menschen und ihrer Umwelt sind ein viel versprechender und flexibler Ansatz. Sie sind am besten in der Lage, die Komplexität von gekoppelten SES darzustellen, und eine naturgetreue Abbildung der betrachteten Systeme zu liefern. Die vorliegende Studie nutzte den „Land-Use Dynamics Simulator“ (LUDAS), ein ABM, das 2005 zur Anwendung in einem Hochland-Einzugsgebiet an der Zentralküste von Vietnam entwickelt wurde und aus vier Modulen besteht. In Ergänzung zu den Modulen „Haushalte“ und „Landschaft“ beinhaltet das „Politik“-Modul landnutzungsbezogene Politiken sowie andere externe Parameter, die einen Einfluss auf Entscheidungsprozesse zu Landnutzung haben. Das Unter-Modul „Entscheidungsfindung“ als zentrales Element des Modells simuliert die Entscheidungsfindungsprozesse der Haushalte (Agenten). Als erstes wurde LUDAS an die veränderten biophysikalischen und sozioökonomischen Rahmenbedingungen in der küstennahen Studienregion angepasst. Die aktuelle Landnutzung wurde anhand hochauflösender Satellitenbilder (Ikonos) analysiert. Die sozioökonomischen Informationen basierten auf ausführlichen Haushaltsbefragungen und Feldstudien der landwirtschaftlichen Flächen, ergänzt durch Experten-Interviews auf der lokalen, regionalen und nationalen Ebene. Die Stichproben der Haushalte wurden mit Hauptkomponenten- und Clusteranalyse in fünf verschiedene Erwerbsgruppen eingeteilt. Mit einer binären logistischen Regression wurde die Entscheidungsfindung im Hinblick auf Landnutzung der Haushalte im Rahmen der Gruppen ermittelt. Der Zugang der Haushalte zu landwirtschaftlichen Beratungsdiensten und zu landwirtschaftlichen Subventionen wurden als die wichtigsten externen Parameter identifiziert, von denen angenommen wird, dass sie einen Einfluss auf die Landnutzung und ökonomische Muster in der Studienregion haben. Unabhängig von den Auswirkungen der Politikfaktoren zeigten die Simulationen über einen Zeitraum von 20 Jahren leichte Abnahmen des Einkommensanteils aus landwirtschaftlichen Aktivitäten, während sich das gesamte Einkommen der Haushalte in allen Gruppen kaum verändert. Die Größe des Grundbesitzes aller Haushalte nimmt ab, hauptsächlich wegen der Reduzierung des Landes zur vorwiegenden Wohnnutzung, während landwirtschaftlich genutztes Land auf dem gleichen Level bleibt oder einen leichten Anstieg verzeichnet. Der Zugang zu Subventionen hat einen stärkeren Effekt auf Landnutzung und Lebensstrategien als der Zugang zu Beratungsdiensten. Er erhöht den Anteil des Einkommens aus landwirtschaftlichen Tätigkeiten und beeinflusst die Entwicklung der gemischten Zimt-Plantagen und Reisfelder. Der Zugang zu Beratungsdiensten führt nur zu geringen LUCC mit hohen Unsicherheiten in allen Szenarien. Umfassende Verwundbarkeitsansätze haben zum Ziel, die Exposition, Anfälligkeit und Resilienz von gekoppelten SES zu ermitteln. Die vorliegende Studie verwendete ein Mehrebenen-Konzept mit einem besonderen Fokus auf den Verknüpfungen und Rückkoppelungen zwischen den sozialen und ökologischen Komponenten des Systems und deren Implikationen für die Verwundbarkeit des SES. Die Daten für die Verwundbarkeits-Analyse basierten auf Haushaltbefragungen, Experten-Interviews, Analyse von Sekundärmaterial, statistischen Untersuchungen sowie Feld- und Vegetations-Erhebungen. Die Analyse zeigte die hohe Verwundbarkeit der Haushalte, die ihr Einkommen durch Fischerei und einfache Erwerbstätigkeiten erzielen. Die Verwundbarkeit der Fischerei-Haushalte entstand durch eine höhere Exposition sowie Fehlentwicklungen in der individuellen und institutionellen Bewältigung nach dem Tsunami. Die Vegetations-Erhebung und die anschließenden statistischen Analysen verdeutlichten die unterschiedlichen Auswirkungen von Küstenvegetation auf die Energie der Tsunami-Wellen