Agent-based modeling of human-environment interactions in a smallholder agricultural system in the Atlantic Forest (Ribeira Valley, SP, Brazil)

Abstract

Shifting cultivation systems (SCSs) have been practiced all over the tropics for centuries as the primary subsistence strategy for smallholders. However, since the mid-20th century, SCSs have been submitted to changes, driven by a combination of geographic, economic, socio-political, and demographic factors. Consequently, land use changes lead to agricultural intensification and the replacement of more profitable and permanent practices. The implementation of forest conservation policies (FCPs) is one of the changing drivers to SCSs. They have been designed to reduce or eliminate it, criminalize traditional practices, restrict resources access, displace locals, and increase inequalities and land conflicts. In Brazil, SCSs have been practiced by smallholders and indigenous groups, including Quilombolas, descendants of African enslaved who rebelled against the Portuguese regime. After the abolition of slavery, they remained spread over the country without any state legitimation. Their recognition and rights to ancestors land were possible only in 1988, with the Brazilian Constitution. The Ribeira Valley (Southeastern Brazil) is home to dozens of Quilombos, one of the most significant Atlantic Forest remnants, and high biodiversity. Its first Quilombos were formed in the 18th century and relied on SCS to survive, relatively isolated, up to the 1950s. However, in the context of SCS changes, Quilombos are under a transitional process in different dimensions, including constraints to their traditions by FCPs, generating conflicts. Inspired by this challenging scenario, the Thesis goals are to evaluate Quilombolas’ socioeconomic conditions and the perception of FCPs implementation and integrate two modeling tools. The tools will model the impact of agricultural transitions on family wealth, income, landscape structure, and tree community β diversity and model the impact of FCPs over the equal economic and ecological dimensions. Socioeconomic data were gathered in 2017 in 14 communities through interviews of 164 farmers. Quilombolas’ perception of FCPs and constraints for agricultural practice were investigated. The modeling implementation used MPMAS (Mathematical Programming-based Multi-Agent Systems) to simulate land use change in agriculture and forestry. MPMAS was integrated (through land use maps) with a Generalized Dissimilarity Modeling tool (GDM) to predict beta diversity as a function of environmental variation. The modeling exercise was implemented for Pedro Cubas territory, a Quilombo with 52 households located in Eldorado (SP). A combination of primary and secondary data from different sources was used, including a socioeconomic census of 2014 and a collection of tree data in 2016. Five economic/political scenarios were created for comparisons, with a baseline and four different counterfactual situations, varying in market access and FCPs versions. Seven yield curve scenarios and 30 Sobol’ repetitions were combined, totalizing 1050 simulations. A tradeoff analysis was applied over the political scenarios. MPMAS sensitivity/uncertainty analyses revealed variation on staples consumptions among yield curve scenarios, the sensitivity of income to different parameters, and each income source relevance. The GDM calibration highlighted the importance of climate predictors for tree species, indicating vulnerability to potential climate variability. Results revealed that only 32% of the families were practicing SCS in 2017, but it was still relevant for food security. 83% of the interviewees were unsatisfied with the FCPs, especially the timing of issuing the licenses for SCS. The political scenarios comparison indicates that agricultural intensification caused an improvement in average income. Still, it was accompanied by economic inequality, diminished rotation of plots, lower diversity of habitats, and a less permeable landscape structure (on fallows and because of the emergence of pasture and perennial areas). GDM results showed a significant change in landscape structure/tree community for at least 10% of the territory in the last decades. Regarding FCPs implementation, scenario comparison showed that well-being conditions improved when FCPs were excluded, although more ecological impacts occur. However, such effects refer to only 2.6% of the territory where 90% is covered by mature forest, and GDM indicates that the total ß diversity would not be significantly affected. The tradeoff analysis showed that FCPs are significant for conservation in the present context when perennials and pasture areas occur. In the isolated scenario case, when SCS is the only economic activity, a combination of good well-being and conservation performances was found, suggesting it is causing even lower environmental impacts. I recommend more flexible policies for SCS implementation in the Quilombos in general, for the potential of improving well-being conditions by impacting a small share of the territories. FCPs flexibilization would be even more relevant to the communities that don’t have access to alternatives to SCS.

Wanderfeldbau wurde jahrhundertelang von Kleinbauern im gesamten Tropengürtel als Hauptstrategie für Subsistenzlandwirtschaft ausgeübt. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts werden Wanderfeldbausysteme durch eine Kombination geographischer, wirtschaftlicher, soziopolitischer und demografischer Faktoren stark beeinflusst. Folglich sind Veränderungen in der Landnutzung zu beobachten, welche zu landwirtschaftlicher Intensivierung und Ersatz durch rentablere, nicht-rotierende Verfahren führen. Die Umsetzung von Waldschutzmaßnahmen spielt eine große Rolle bei Veränderungen von Wanderfeldbausystemen, da diese Schutzmaßnahmen konzipiert wurden, um Wanderfeldbau einzuschränken bzw. zu eliminieren, indem sie traditionelle Methoden kriminalisieren, Ressourcenzugriff beschränken und Vertreibung erzwingen, was zu wachsender Ungleichheit sowie zu Landkonflikten führt. In Brasilien wird Wanderfeldbaus von Kleinbauern und indigenen Bevölkerungsgruppen praktiziert, u.a. auch von den Quilombolas, den Nachkommen afrikanischer Sklaven die gegen die portugiesischen Kolonisatoren rebellierten. Nach der Abschaffung der Sklaverei blieben die ehemaligen Sklaven ohne staatliche Legitimation über das ganze Land verteilt. Ihre Anerkennung und ihre Rechte an den Ländern ihrer Vorfahren wurden erst 1988 mit der brasilianischen Verfassung ermöglicht. Das Ribeira-Tal (Südosten Brasiliens) beherbergt Dutzende von Quilombos sowie die größten verbleibenden Reste Atlantischen Regenwaldes mit hoher Biodiversität. Die ersten Quilombos dort wurden im 18. Jahrhundert gegründet und sie überlebten auf Basis von Wanderfeldbau in relativer Abgeschiedenheit bis in die 1950er Jahren Im Kontext der Veränderungen der Wanderfeldbausysteme befinden sich die Quilombos in einem multidimensionalen Übergangsprozess. Hierzu gehört auch die Einschränkung ihrer Traditionen durch die Waldschutzmaßnahmen, die Konflikte erzeugen. Vor diesem anspruchsvollen Hintergrund hat sich die vorliegende Arbeit zum Ziel gesetzt, sowohl die sozioökonomischen Bedingungen und die Wahrnehmung der Implementierung solcher Waldschutzmaßnahmen aus Sicht der Quilombolas zu evaluieren, als auch die Auswirkung der landwirtschaftlichen Intensivierung und der Waldschutzmaßnahmen auf Familieneinkommen, und vermögen, Landschaftsstruktur und Beta-Diversität der Baumgemeinschaft zu modellieren. Sozioökonomische Daten wurden im Jahr 2017 durch Interviews mit 164 Bauern aus 14 Gemeinschaften erfasst. Damit wurden die Wahrnehmung der Waldschutzmaßnahmen durch Quilombolas und die Einschränkungen der Landwirtschaftsmethoden untersucht. Als Werkzeug für die Simulation der Landnutzungsänderungen in der Land- und Forstwirtschaft wurde MPMAS (Mathematical Programming-based Multi-Agent-Systems) verwendet. Die Ergebnisse von MPMAS sind dann als Landnutzungskarten in das Generalized Dissimilarity Modeling Tool (GDM) integriert worden, um die Beta-Diversität als Funktion der Umweltvariation abzuschätzen. Die Modellierung wurde für das Pedro Cubas Gebiet durchgeführt, ein Quilombo mit 52 Haushalten in Eldorado, im Bundesstaat São Paulo. Dafür wurde eine Kombination primärer und sekundärer Daten aus verschieden Quellen gesammelt, u.a aus dem sozioökonomischen Zensus von 2014 und Daten einer Baumerhebung von 2016. Fünf wirtschaftliche bzw. politische Szenarien wurden dann zum Vergleich erstellt, davon eines als Referenz und vier als kontrafaktische Szenarien angelegt wurden, die vor allem Unterschiede im Marktzugang und den Fassungen der Waldschutzordnungen abbilden. Um mit Unsicherheit umzugehen, wurden sieben Pflanzenertragskurvenszenarien und 30 Sobol-Wiederholungen kombiniert, was insgesamt 1050 Simulationen ergab. Auf die politischen Szenarien wurde eine Trade-off-Analyse angewandt. Unsicherheitsanalysen für MPMAS-Simulationen zeigten Schwankungen sowohl im Konsum von Grundnahrungsmitteln zwischen den verschiedenen Szenarien, als auch in der Empfindlichkeit der Einkommen gegen die unterschiedlichen Parameter sowie in der Relevanz der unterschiedlichen Einkommensquellen. Die GDM-Kalibrierung hob die Bedeutung von Klimavorhersagen für die Baumarten und die Anfälligkeit für potenzielle Klimavariabilität hervor. Die Ergebnisse zeigten, dass 2017 nur 32% der Familien Wanderfeldbausysteme praktizierten, dies jedoch weiterhin für die Ernährungssicherheit relevant war. 83% der Befragten waren mit den Waldschutzmaßnahmen unzufrieden, insbesondere mit dem Zeitpunkt der Erteilung der Lizenzen für den Wanderfeldbau. Dier Vergleich der politischen Szenarien zeigt an, dass die Intensivierung der Landwirtschaft zu einer Verbesserung der durchschnittlichen Einkommen führt, dies ging jedoch einher mit wirtschaftlicher Ungleichheit, verminderter Rotation der Parzellen, geringerer Vielfalt der Lebensräume und einer weniger durchlässigen Landschaftsstruktur (auf Brachflächen und aufgrund der Entstehung von Weiden und Dauergrünland). Die GDM-Ergebnisse zeigten in den letzten Jahrzehnten für mindestens 10% des Territoriums eine große Veränderung der Landschaftsstruktur bzw. Baumgemeinschaft. In Bezug auf die Umsetzung von Waldschutzmaßnahmen zeigte ein Szenarienvergleich, dass sich die Bedingungen für die Wohlfahrt der Quilombolas verbesserten, wenn diese Maßnahmen abgeschafft würden, das würde gleichzeitig aber die ökologischen Auswirkungen verstärken. Diese Auswirkungen betreffen jedoch nur auf 2,6% des Gebiets, in dem 90% von altem Wald bedeckt sind, und die GDM Simulationen weisen darauf hin, dass die gesamte Beta-Diversität nicht sehr betroffen wäre. Die Trade-Off-Analyse ergab, dass Waldschutzmaßnahmen im gegenwärtigen Kontext mit Dauerkulturen und Weideflächen für die Walderhaltung wichtig sind. Für das Szenario einer wirtschaftlichen Isolation wie bis Anfang der 1950er Jahre, in dem Wanderfeldbau die einzige wirtschaftliche Aktivität ist, haben wir eine Kombination aus gutem wirtschaftlichem Auskommen und Waldschutz festgestellt, was darauf hindeutet, dass dies noch geringere Umweltauswirkungen verursacht. Wir empfehlen flexiblere Richtlinien für die Implementierung solcher Systeme in Quilombos im Allgemeinen, um die wirtschaftliche Wohlfahrt zu verbessern, bei Beeinflussung nur eines kleinen Teils der Gebiete. Die Flexibilisierung von Waldschutzmaßnahmen wäre für die Gemeinschaften, die keine Alternativen zum Wanderfeldbau haben, noch relevanter.