Humboldt-Universität zu Berlin – Geographisches Institut Land use change and land use displacement dynamics in Mato Grosso and Pará, Brazilian Amazon DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) im Fach Geographie eingereicht an der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin von Dipl. Geogr. Florian Gollnow Präsidentin der Humboldt-Universität zu Berlin Prof. Dr. -Ing. habil. Dr. Sabine Kunst Dekan der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät Prof. Dr. Elmar Kulke Gutachter: Prof. Dr. Tobia Lakes PD Dr. Daniel Müller Dr. Nestor Ignacio Gasparri Eingereicht am: 6. Juni 2017 Tag der Verteidigung: 6. Juli 2017 Acknowledgements This thesis would not have been possible without the support and encouragement of many people who accompanied me along completing this work. First, I want to thank my supervisor, Prof. Tobia Lakes, for your confidence, support, and motivation during my research. I want to thank Prof. Patrick Hostert, Prof. Tobias Kümmerle, Dr. Sebastian van der Linden, and PD Daniel Müller who introduced me to Remote Sensing and to the discipline of Land Use Science and supported me throughout my PhD studies. Thanks for motivating me with many discussions and insights along the course of this dissertation. I want to thanks my friends and colleagues at Geoinformation Science, Geomatics, Biogeography Lab and IRI THESys who accompanied me for the last couple of years. Particularly, I am grateful for the support, discussions and after work or weekends fun. I want to thank Leticia, Hannes, Philippe, Cecilie, María, Marcel, Anika and Lisa, who accompanied me throughout my PhD studies, traveled along the BR-163 highway, joint kitesurfing in the Baltic Sea, crossed Lago Maggiore swimming, or joined bouldering in Berlin. Finally, I want to thank my friends, especially Lisa, Wieteke, Miriam, Lennart, Julius and my family, for support and great times traveling, playing badminton, going road biking, running, snowboarding, surfing and bouldering, and for good books, food, drinks, and much more. Many thanks! i ii Abstract Global demands for agricultural commodities such as food, feed, fuel, and fiber have become a major threat for some of the most valuable natural ecosystems in the world. The rapid expansion of the agricultural sector in Brazil, fueled by global demands for soybeans, contributed to the large-scale destruction of globally valuable tropical and savanna ecosystems. Most deforestation, however, was caused by the conversion of forest for pastures, raising concerns about linkages and displacement processes between soybean expansion and cattle ranching. In 2004, governmental strategies in Brazil, backed by a zero- deforestation commitment of the major soybean-trading companies in 2006, marked a turning point in deforestation, followed by decreasing rates of forest loss. This thesis aims to contribute to the understanding of the spatial and temporal dynamics of soybean expansion and cattle ranching, driving deforestation under changing environmental governance in Brazil. The Brazilian federal states Mato Grosso and Pará encompass one of the most dynamic frontiers of soybean cultivation, cattle ranching, and deforestation in the Amazon. In this region, land use displacement processes refer the conversion of pasture for soybean in a particular region followed by cattle ranching driving deforestation at another location. This process was assessed at regional and at property scale. Publicly accessible data on past land use changes, changes in agricultural production, and spatially explicit property information were employed to analyze land use and land use displacement dynamics at the interaction between cattle and soybean production. Scenario analysis was applied to identify regional and subregional dynamics of land use change that were linked to the expansion of agricultural production. The results of this thesis indicated regional and local land use dynamics and land use displacements to be affected by environmental governance. Distal displacement processes between soybean expansion in Mato Grosso and deforestation in the Amazon, particularly along the BR-163 highway, were significant, contributing to deforestation, but declined subsequently to the implementation of the environmental policies. Likewise, deforestation at property level declined following the policy implementations. However, displacement deforestation at property level challenged the effectiveness of the zero-deforestation commitment of the soy industry. Cross-scale scenario analysis of potential future land use and deforestation along the BR-163 highway emphasized the importance of subregional dynamics and risks of deforestation due to the expansion of cattle ranching. These findings suggest that better control and reduction of future deforestation require to account for the interactions between soybean and cattle production. Integrating efforts between supply chain actors, the soybean and beef purchasing companies, and the government enforcing policies aiming to control deforestation appear to be crucial measures to address illegal deforestation. iii iv Zusammenfassung Die globale Nachfrage nach Agrarerzeugnissen gilt als eine der zentralen Ursache für den Verlust der weltweit wichtigsten Ökosysteme. Auch in Brasilien haben Nahrungsmittel-, Viehfutter-, und Bioenergieproduktion, speziell die rasche Ausweitung der Sojaproduktion, zur großflächigen Abholzung tropischer Wälder sowie zur Umwandlung von Savannenökosystemen geführt. Zumeist werden hierbei neu gerodete Flächen als Rinderweiden genutzt und vormaliges Weideland für den Sojaanbau umgewandelt. Diese Entwicklung führt zu der Annahme, dass die Ausweitung der Sojaanbaufläche indirekt, durch die Verdrängung der Rinderproduktion, für die Rodung verantwortlich ist. Mit der Einführung des Aktionsplans zur Kontrolle und Verhinderung von Abholzung im Jahr 2004 und die Selbstverpflichtung der Sojahändler, nur das Soja abzunehmen, für dessen Produktion kein Regenwald gerodet wurde, kam es zu einer Änderung von Landnutzungsdynamiken, in dessen Folge Regenwaldzerstörung zurückging. Vor diesem Hintergrund zielt die vorliegende Dissertation darauf ab, ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Soja- und Rinderwirtschaft zu erlangen. Im Fokus stehen hierbei die räumlichen und zeitlichen Dynamiken von Landnutzungsveränderungen und Landnutzungsverdrängung im Amazonas. Konkret werden mit den Bundesstaaten Mato Grosso und Pará die dynamischsten Regionen von Sojaanbau, Rinderwirtschaft und Entwaldung analysiert. Für diese Bundesstaaten untersucht die vorliegende Dissertation die Landnutzung und Landnutzungsverdrängung im regionalen Kontext, auf Grundstücksebene und mithilfe der Szenarienanalyse. Die Datenbasis bilden öffentlich zugängliche Statistiken zur landwirtschaftlichen Produktion, Landnutzungs- und Abholzungskarten sowie Katasterdaten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Strategien der brasilianischen Regierung zur Verringerung der Abholzung Einfluss auf die regionalen und lokalen Dynamiken der Landnutzung und Landnutzungsverdrängung hatten. Durch die großflächige Ausweitung der Sojaanbauflächen hervorgerufenen regionale Verdrängungsprozesse, die in Mato Grosso insbesondere entlang der BR-163 Straße zur Abholzung führten, haben sich nach der Implementierung der verschiedenen Umweltschutzstrategien verringert. Auch die Abholzung auf einzelnen Grundstücken in Mato Grosso ging zurück. Zugleich zeigt die Analyse, dass die Selbstverpflichtung der Sojaindustrie durch indirekte Abholzung, d.h. Sojaanbau expandiert auf Weideland, gefolgt von Abholzung für Rinderweiden, untergraben wird. Die Ergebnisse der skalenübergreifenden Szenarienanalyse stellen die Region entlang der BR-163 als besonders dynamisch dar. Zukünftig scheint die Region speziell der weiteren Expansion der Rinderwirtschaft ausgesetzt. Insgesamt legen die Ergebnisse nahe, dass auf effektive Verringerung der Abholzung abzielende Strategien die Wechselwirkungen von Rinderwirtschaft und Sojaanbau beachten müssen. Dies erfordert eine verstärkte Zusammenarbeit der verschiedenen Akteure der Rinderwirtschaft, der Sojaindustrie und der staatlichen Organisationen. v vi Contents Acknowledgements i Abstract iii Zusammenfassung v Contents vii List of Figures xi List of Tables xiii List of Supplementary Information xv Figures SI xv Tables SI xv Chapter I: Introduction 1 1 Introduction 2 1.1 Global Environmental Change and Land System Science 2 2 Land use change, deforestation, and environmental governance in the Brazilian Amazon 5 3 Research Questions, Study Region and Objectives 10 4 Overall structure of the thesis 13 Chapter II: Policy change, land use, and agriculture: The case of soy production and cattle ranching in Brazil, 2001-2012 15 Abstract 16 1 Introduction 17 2 Material and methods 19 2.1 Study region 19 2.2 Data 21 2.3 Methods 21 3 Results 24 3.1 Coupling between deforestation, cattle and soy production 24 3.2 Panel regression model 26 4 Discussion 28 5 Conclusion 32 Acknowledgements 33 Supplementary Information 34 vii Chapter III: On property deforestation for soybean production in Mato Grosso, Brazil: investigating direct deforestation, on-property displacement, and property spillover deforestation 37 Abstract 38 1 Introduction 39 2 Methods 42 2.1 Study region 42 2.2 Data and Pre-processing 43 2.3 Analysis 44 3 Results 46 3.1 Direct deforestation 46 3.2 On-property displacement deforestation 47 3.3 Property spillover deforestation 49 3.4 Total deforestation for croplands 49 4 Discussion 50 5 Conclusion 54 Acknowledgments 54 Supplement Information 55 Chapter IV: Scenarios of land use change in a deforestation corridor in the Brazilian Amazon: combining two scales of analysis 57 Abstract 58 1 Introduction 59 2 Methods 62 2.1 Study area 62 2.2 Land use models and multiscale modeling 63 2.3 Scenario building 65 2.4 Data 68 3 Results 71 3.1 Comparison of LandSHIFT 2010 and TerraClass 2010 harmonized land use classifications for the BR-163 corridor 71 3.2 Comparison of the land use change dynamics at the regional scale vs. the subregional BR-163 corridor, derived from the coupled scenario quantification 72 3.3 Comparison of the subregional dynamics along the BR-163 corridor between the coupled and noncoupled model quantifications 73 3.4 Spatial explicit land use change and deforestation estimates 74 4 Discussion 77 5 Conclusion 80 Acknowledgements 81 Supplementary Information 82 Chapter V: Synthesis 89 1 Summary 90 2 Main conclusions and implications 94 3 Outlook 97 References 101 viii