Assessing the effectiveness of UNESCO biosphere reserves - towards a global monitoring tool of ecological functioning

Today, ecosystems worldwide are affected by multiple threats. They face habitat fragmentation and are under increasing pressure through human interventions. One approach to mitigate these pressures might be the world network of biosphere reserves, designated by the United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization (UNESCO). Designed as learning places for sustainable development, biosphere reserves aim at integrating the protection of biodiversity and the sustainable use of the ecosystems by humans. Assessing protected area effectiveness with satellite imagery is a common scientific approach. It is time- and cost-effective and facilitates study results at a high temporal and spatial resolution. In the last decades, a vast amount of preprocessed satellite imagery became freely available and processable using cloud-computing platforms. This development allows scientists and practitioners to conduct environmental monitoring worldwide. Consequently, this thesis investigated pathways to develop a tool to assess the effectiveness of biosphere reserves worldwide using remote sensing in four articles. (1) Several approaches exist to assess the effectiveness of protected areas using remote sensing. A literature review reveals the focus on single indicator-based local or regional case studies and, with it, the lack of a common framework. Although most studies acknowledge the need for a socio-ecological framework, most studies focus on ecological proxies. The reviewed studies with a focus on forests found that forested protected areas are considered effective if they protect forest cover and prevent forest degradation. (2) A regional-scale study on ecosystem functions of different land cover types highlights the potential of forests and water bodies to regulate temperatures on a landscape level. Higher shares of forest cover cool the landscape, particularly on hot days and correlate with a higher vitality. Investigating the temperature effects of forests on hot days proves to be a reliable proxy for forest ecosystem function. (3) Subsequently, connectivity was added as another proxy of forest ecosystem functioning to evaluate temperature regulation and vegetation vitality in a study on forest fragmentation in Germany. It was found that, regardless of ecoregions and forest types, better connected forest patches had a better temperature regulation and higher vitality. (4) The presented findings built the base for a comprehensive assessment of forest ecosystem functions in 119 biosphere reserves worldwide using multiple proxies designed with satellite imagery. Four different proxies of primary productivity, temperature regulation, evapotranspiration and connectivity individually indicated signs of effective ecosystem functioning as compared to their surroundings. Yet, when considering multiple ecosystem functions, most forests within the world network of biosphere reserves do not perform better than those outside. This thesis contributes not only to our knowledge of protected area (socio-) ecological effectiveness but also to the potential of applied remote sensing in monitoring ecosystem functions. To begin with, the effectiveness of ecosystems and protected areas is investigated constantly using remote sensing, but no common socio-ecological framework exists. In addition, hot-day temperature, primary productivity and forest patch connectivity tracked from space are relevant proxies to assess forests worldwide and clearly show the high pressure of human-induced climate change on forest ecosystems in recent years. Finally, UNESCO biosphere reserves claim to create model regions for sustainable development yet need to improve the support for forest ecosystem functions worldwide.

Ökosysteme sind weltweit von zahlreichen Bedrohungen betroffen. Lebensräume werden fragmentiert, der Einfluss menschlicher Eingriffe und Veränderungen nimmt zu. Ein Ansatz zur Abschwächung dieser Belastungen könnte das Weltnetz der Biosphärenreservate sein, die von der Organisation der Vereinten Nationen für Erziehung, Wissenschaft und Kultur (UNESCO) ausgewiesen werden. Biosphärenreservate werden als Lernorte für nachhaltige Entwicklung konzipiert und sollen den Schutz der biologischen Vielfalt und die nachhaltige Nutzung der Ökosysteme durch den Menschen miteinander verbinden. Die Bewertung der Wirksamkeit von Schutzgebieten mit Hilfe von Satellitenbildern ist ein gängiger wissenschaftlicher Ansatz. Sie ist zeit-und kosteneffizient und ermöglicht Ergebnisse in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung. In den letzten Jahrzehnten wurde eine große Menge an vorverarbeiteten Satellitenbildern frei verfügbar, die über Cloud-Computing-Plattformenverarbeitet werden können. Diese Entwicklungen ermöglichen Wissenschaftlern und Praktikern, Umweltbeobachtungen durchzuführen. In dieser Arbeit wurde anhand von vier Artikeln untersucht, wie ein Instrument zur Bewertung der Wirksamkeit von Biosphärenreservaten weltweit mithilfe der Fernerkundung entwickelt werden kann. (1) Es gibt verschiedene Ansätze zur Bewertung der Wirksamkeit von Schutzgebieten mit Hilfe der Fernerkundung. DieAuswertung der Literatur machte deutlich, dass der Schwerpunkt auf einzelnen indikatorbasierten lokalen oder regionalen Fallstudien liegt und zeigt damit das Fehlen eines gemeinsamen Rahmenkonzeptes auf. Obwohl die meisten Studien die Notwendigkeit eines sozio-ökologischen Rahmenkonzepts anerkennen, konzentrieren sie sich zumeist auf ökologische Indikatoren. Die untersuchten Artikel mit Waldfokus kamen zu dem Ergebnis, dass bewaldete Schutzgebiete als wirksam angesehen werden, wenn sie die Waldfläche schützen und die Walddegradierung verhindern. (2) Eine regional angelegte Studie über die Ökosystemfunktion verschiedener Landnutzungstypen unterstreicht das Potenzial von Wäldern und Wasserflächen zur Temperaturregulierung auf Landschaftsebene. Ein höherer Waldanteil kühlt die Landschaft, insbesondere an heißen Tagen, und korreliert mit einer höheren Vitalität. Die Untersuchung der Temperatureffekte von Wäldern an heißen Tagen erweist sich als ein zuverlässiger Proxy für die Ökosystemfunktion von Wäldern. (3) Darauf aufbauend wurde in einer Studie zur Waldfragmentierung in Deutschland die Konnektivität als weiterer Proxy der Waldökosystemfunktion untersucht, um die Temperaturregulierung und die Vitalität der Vegetation zu bewerten. Stärker verbundene Waldflächen weisen eine bessere Temperaturregulierung und eine höhere Vitalität auf, unabhängig von Ökoregionen und Waldtypen. (4) Die vorgenannten Ergebnisse bilden die Grundlage für eine umfassende Bewertung der Funktionen von Waldökosystemen in 119 Biosphärenreservaten weltweit unter Verwendung mehrerer, mit Hilfe von Satellitenbildern entwickelter, Proxies. Vier verschiedene Proxies für die Primärproduktivität, die Temperaturregulierung, die Evapotranspiration und die Konnektivität zeigten im Vergleich zu ihrer Umgebung Anzeichen für effektive Ökosystemfunktionen. Betrachtet man jedoch mehrere Ökosystemfunktionen, so schneiden die meisten Wälder innerhalb des Weltnetzes der Biosphärenreservate nicht besser ab als die Wälder in ihrer Umgebung. Diese Arbeit trägt nicht nur zum tieferen Verständnis über die (sozio-)ökologische Effektivität von Schutzgebieten bei, sondern zeigt auch das Potenzial der angewandten Fernerkundung bei der Untersuchung von Ökosystemfunktionen auf. Zum einen wird die Wirksamkeit von Ökosystemen und Schutzgebieten stets mit Hilfe der Fernerkundung untersucht, aber ein gemeinsames sozio-ökologisches Rahmenkonzept fehlt. Weiterhin sind die Temperaturen an heißen Tagen, die Primärproduktivität und die Vernetzung von Waldflächen, die aus Satellitendaten gewonnen werden, wichtige Proxies für die Bewertung von Wäldern weltweit. Sie zeigen deutlich den hohen Druck, den der vom Menschen verursachte Klimawandel in den letzten Jahren auf Waldökosysteme ausgeübt hat. Schließlich erheben die UNESCO-Biosphärenreservate den Anspruch, Modellregionen für eine nachhaltige Entwicklung zu schaffen, wobei die Unterstützung der Waldökosystemfunktionen weltweit verbessert werden muss.