Pathways to future cropland : Assessing uncertainties in socio-economic processes by applying a global land-use model

Abstract

Global agricultural production almost tripled within the last five decades. The production increase was
based on expanding cropland and pastures, as well as the intensification of agriculture, including increased use of
high yielding crop varieties, machinery, irrigation, artificial fertilisers, and pesticides. Both, agricultural
intensification and the expansion of agricultural land-use lead to environmental degradation, pose threats to
human health, and contribute to climate change. Transitioning towards sustainable agricultural land use, therefore,
is one of the major challenges facing humanity in the 21st century. This challenge is aggravated by the need to
feed the growing and increasingly affluent population, the effects of climate change on agriculture and the
increasing demand for land to mitigate climate change, through for example bioenergy production. This thesis
assesses how uncertainties in the development of socio-economic drivers and processes, such as population
growth, dietary shifts, technological change, and bioenergy production, affect the outcome of future land-use and
land cover change (LULCC). Future development of socio-economic drivers and climate forcing are described by
the latest scenarios developed for environmental and climate-change research, i.e. the Shared Socio-economic
Pathways (SSPs) and the Representative Concentration Pathways (RCPs). The impacts of the changing drivers
on the land system are assessed with the global Parsimonious Land Use Model (PLUM). PLUM was shown to
reproduce observed global agricultural land use change at the global to country scale for 1991-2010. Future global
cropland changes were found to be very sensitive to the assumed yield growth rate. In a subsequent study,
estimates of future yield were therefore derived with a global dynamic vegetation model, and included impacts of
climate change. Without assumed land-based mitigation strategies, simulated future cropland ranged from 970 to
2280 Mha by 2100, compared to current cropland area of 1500 Mha. This range is consistent with those found in
the recently published literature. Accounting for the uncertainties related to the interpretation of socio-economic
processes and drivers described in the scenarios expanded the simulated range for global cropland to 890-2380
Mha (± one standard deviation) by 2100 and led to strongly overlapping cropland ranges for three out of five
scenarios. Uncertainties related to scenario interpretation are thus of similar importance as uncertainties across
different models for estimating the possible outcome of future LULCC. When land-based climate change mitigation
strategies are considered, additional cropland requirements of 603-1115 Mha by 2100 were simulated for the
production of bioenergy. However, considerable uncertainties related to the strength of mitigation efforts and crop
yields accompany this estimate. Continuous expansion of cropland into grasslands and forest, as in scenarios with
strong population growth and low technological change or scenarios with large bioenergy production, was
simulated to transform the terrestrial biosphere from a carbon sink into a carbon source. Moreover, remaining
within the estimated planetary boundary for global cropland (15% of ice-free land) is not possible when aiming to
ensure food security while simultaneously producing bioenergy that significantly contributes to strong climatechange
mitigation efforts by 2050. In a local to regional case study future food security was shown to be at risk
under the assumed future socio-economic developments, demonstrated here for countries in the Sahel region of
Africa. Implementing sustainable agricultural management practices as well as global trade will be important to
ensure food security in the future. Overall, uncertainties in population development, technological change,
resource intensity and land degradation were shown to contribute to a wide range of future agricultural LULCC.

Abstract (Swedish)

Den globala jordbruksproduktionen har de senaste fem decennierna nästan tredubblats. Produktionsökningen beror på ett allt intensivare jordbruk samt konvertering av naturliga ekosystem till jordbruksmark. Intensifieringen av jordbruket har skett genom ökad användning av högavkastande grödor, mekanisering, bevattning, konstgödsel och bekämpningsmedel. Både intensivare jordbruk och expansionen av jordbruksmark kan dock leda till miljöförstöring och risker för människors hälsa. Att ställa om till ett hållbart jordbruk samtidigt som efterfrågan på jordbruksprodukter och mark ökar, utgör en av 20:e århundradets stora utmaningar. Viktiga drivkrafter bakom ökad efterfråga är en växande befolkning, ekonomisk tillväxt men även ökad efterfråga på bioenergi. Bioenergiproduktion ses som en av många strategier för att minska utsläppen av växthusgaser. Klimatförändringar förväntas att ytterligare förstärka de utmaningar som samhället och inte minst jordbruket kommer att behöva tackla. I denna avhandling undersöks hur osäkerheterna i socioekonomiska processer och klimatförändringar kan komma att påverka framtida markanvändning. De socioekonomiska processerna omfattar till exempel befolkningsutveckling, förändrade mönster i kött- och mjölkkonsumtion, teknisk utveckling inom jordbrukssektorn och produktion av bioenergi. Framtida utveckling av socioekonomiska drivkrafter och klimatförändringar beskrivs av nya scenarier som används inom miljöforskningen, de så kallade ”Shared Socio-economic Pathways” (SSP) och ”Representative Concentration Pathways” (RCP). Förändringar i drivkrafter och deras effekter på markanvändningen studeras med en global markanvändningsmodell, ”Parsimonious Land Use Model” (PLUM). PLUM, som på ett förenklat sätt representerar det globala jordbrukssystemet och kopplar till de bakomliggande drivkrafterna, visade sig kunna reproducera observerad global markanvändning på global skala för tidsperioden 1991-2010. Globala förändringar i jordbruksmark visade sig vara mycket känsliga för antaganden om teknisk utveckling inom jordbrukssektorn. I en efterföljande modellversion uppskattades därför den potentiella utvecklingen av spannmålsskördar med hjälp av en global dynamisk vegetationsmodell, som tar hänsyn till effekterna av klimatförändringarna på skörden. Genom simuleringar av scenarier med PLUM uppskattades den framtida jordbruksmarken ligga mellan 970 2280 Mha år 2100, jämfört med dagens 1500 Mha. Den stora spridningen kan förklaras av de olika antagande om de bakomliggande drivkrafterna i de olika scenarierna. Spridningen är i linje med andra uppskattningar av framtida jordbruksmark som nyligen publicerades i en vetenskaplig artikel. Osäkerheterna relaterade till hur man tolkar socioekonomiska processer och drivkrafter ökade spridningen till 890-2380 Mha (± en standardavvikelse) år 2100. Det är därför viktigt att även ta hänsyn till osäkerheter relaterade till tolkning av ett scenario, liksom till osäkerheter som uppstår genom användning av olika markanvändningsmodeller. Vidare, när bioenergi inkluderas som en strategi för att minska klimatförändringarna, ökar den uppskattade efterfrågan av jordbruksmark med 603-1115 Mha år 2100. Det finns dock stora osäkerheter kopplade till hur mycket mark som använts för bioenergi i framtiden, relaterad till skördar, bioenergiteknologier, och tillgång till jordbruksmark. Kontinuerlig expansion av jordbruksmark på bekostnad av naturliga ekosystem, vilket sker i scenarier med stark befolkningstillväxt och låg teknisk utveckling eller scenarier med en stor produktion av bioenergi, resulterade i att biosfären till och med kan skifta från att vara en kolsänka till att vara en kolkälla. För att undvika de långsiktigt ohållbara konsekvenserna av ökad markanvändning har det tidigare uppskattats att den globala åkermarken inte bör överskrida 15% av all isfri mark globalt. Denna avhandling visar att om åkermarken hålls inom denna gräns, så är det omöjligt att säkra livsmedelsförsörjningen år 2050 och samtidigt producera bioenergi som bidrar till en minskad klimatpåverkan, om man i stort bibehåller dagens befolknings-, inkomst- och konsumtionsutveckling. Livsmedelsförsörjning kommer att vara i riskzonen under framtida socioekonomisk utveckling i ett lokalt till regionalt sammanhang, vilket här demonstrerades för länderna i Sahelregionen i Afrika. För närvarande är efterfrågan på resurser ifrån vegetationen mindre än tillgången vilket gör att försörjningsbalansen i Sahel är positiv, men den visade sig bli negativ under de kommande decennierna för fyra av fem studerade scenarier. För att säkra framtida livsmedelsförsörjning är det viktigt att globalt implementera hållbara jordbruksmetoder samt att säkra tillgång till den globala marknaden för alla länder. Totalt sett så bidrar osäkerheter i befolkningsutvecklingen, den tekniska utvecklingen, konsumtionsmönster och omfattning av markförstöring till en mycket stor spridning av våra uppskattningar av framtida användning av jordbruksmark.

• author: Engstrom, Kerstin
• supervisor: Almut Arneth; Mark D. A. Rounsevell; Jonathan Seaquist; Sara Brogaard
• opponent: Professor Kaplan, Jed O., University of Lausanne, Switzerland
• organization: Dept of Physical Geography and Ecosystem Science; BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2016-08
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geosciences, Multidisciplinary
• keywords: land-use and land cover change, socio-economic modelling, scenarios, uncertainties
• pages: 252 pages
• defense location: Geocentre I, lecture hall “Världen”, Sölvegatan 10, Lund
• defense date: 2016-09-26 10:00:00
• ISBN: 978-91-85793-61-7
• ISBN: 978-91-85793-62-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 90858484-ab7d-4c27-9fe9-4ac36e095d78
• date added to LUP: 2016-08-29 11:29:37
• date last changed: 2023-05-05 14:42:44