Land-use trajectories in lowland Sumatra: Impacts on leaf area index and below-canopy temperatures

by Pallavi Pallavi
Doctoral thesis
Date of Examination:2025-03-28
Date of issue:2025-11-12
Advisor:Prof. Dr. Dirk Hoelscher
Referee:Prof. Dr. Dirk Hoelscher
Referee:Prof. Dr. Bernhard Schuldt
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-11405

 

 

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Abstract

English

Land-use change is widespread across the globe, leading to significant biodiversity loss and impairing ecosystem functions. The land-use trajectories from forest to agriculture contributes to increased surface and air temperatures, both in the upper layers of vegetated land and the areas below the canopy. Below the canopy environment is critical, where significant biodiversity thrives, essential ecosystem functions are regulated, and humans live and work. However, little is known about below-canopy temperature dynamics in the context of land-use change and ecosystem restoration. In our study we assessed the canopy leaf area index (LAI) and below-canopy surface temperatures in a rural lowland landscape in Sumatra, Indonesia – a region, known for its land-use changes over the past decades, has transitioned from forests to monoculture plantations. In the first study, we examined the impact of conventional land-use trajectories (forest to rubber and oil palm monocultures) on canopy leaf area index (LAI) and below-canopy surface temperatures. In the second study, we explored the potential to partially reverse these trajectories by integrating trees into oil palm monoculture. Further, we explore the potential role of rubber agroforestry, and discuss options for a healthier thermal rural environment. Our first study tested the hypothesis that forest conversion to monocultures reduces LAI, leading to increased below-canopy surface temperatures. In the landscape assessment (EFForTS-LA), we measured LAI and below-canopy surface temperature across four land-use types: forest, shrubland, rubber, and oil palm - spanning 132 spatially well-distributed plots. We found that LAI varied more than tenfold, with the highest values observed in forests and the lowest in rubber and oil palm plantations. Below-canopy surface temperatures increased significantly as LAI decreased. A decrease in LAI by one unit (m2 leaf area per m2 ground area) increased ground surface temperature by 0.95 °C (confidence interval: 1.07 - 0.83 °C) around noon. Likewise, the temperatures measured on peoples’ cap or hijab surfaces under the canopy was strongly affected. For a light-brown hijab, the average noon surface temperature increased by 4.0 °C from forest to oil palm. This study concluded that the land-use trajectories from forest to rubber and oil palm negatively impact on LAI and increased below-canopy temperatures. Our second study tested the hypotheses a) Tree integration into oil palm plantations enhances LAI and thereby reduces below-canopy temperatures, b) Below-canopy temperatures decrease with increasing canopy LAI, stand structural complexity and observed woody diversity, and 3) Planted tree diversity and island area increase LAI and reduce below-canopy temperatures. In i oil palm monoculture, trees are integrated with varied planting diversity (0 - 6) and tree island area (25 m2, 100 m2, 400 m2, 1600 m2). This study was conducted nine years after tree planting in an experiment on biodiversity enrichment in lowland Sumatra (EFForTS-BEE). Data from forests and monoculture oil palm plantations from a larger-scale EFForTS-LA were used as a reference for the experiment. Compared to monoculture oil palm plantations in the landscape, tree integration (tree planting plus natural recruitment) in the experiment increased the canopy leaf area index by 0.8 m2 m-2 (27%) and reduced below-canopy surface temperature of the ground around noon by 1.5 °C. Similarly, the surface temperatures of workers' hijabs and black and white reference boards were notably reduced. In old-growth forests LAI was much higher and below-canopy temperatures were lower than in the tree integration experiment. On the experimental plots, tree planting plus natural recruitment was more effective in increasing LAI than natural recruitment alone. Mixed-effects models identified leaf area index as a key predictor of below-canopy surface temperatures, together with solar irradiance and time of the day. Other factors such as tree island area, observed tree diversity, and stand structural complexity, were less important. Our findings indicated that tree integration by planting and natural recruitment offers opportunities to curb high below-canopy temperatures in oil palm cultivation, and that leaf area index is a crucial factor therein. In the synthesis of our study, we also examined LAI and below-canopy temperature dynamics within two types of rubber cultivation in the same landscape: rubber agroforests, often referred as jungle rubber, and conventional rubber monocultures. Our findings revealed that the average LAI in jungle rubber (4.5 m2 m-2) was nearly double that of rubber monocultures (2.3 m2 m-2). The average below-canopy ground surface temperature in rubber monoculture is significantly higher (1.99 °C) compared to jungle rubber. Surface temperature measurements of workers' caps and hijabs followed a similar trend, further underscoring the influence of canopy cover on local temperature conditions. Our study also showed that shrublands, jungle rubber, and tree- integrated oil palm plantations exhibited similar below-canopy ground surface temperatures. These temperatures were lower than those observed in oil palm and rubber monocultures but higher than in forests. This finding clearly demonstrates that the integration of trees effectively reduces below-canopy temperatures. Considering rural thermal environment, the reduction of 1.5 °C around noon may seem modest in view of the increasing heat stress imposed on nature and humans, given the steep increase in global temperatures and the additional direct effects of land-use change on below-canopy ii surfaces. However, for nature and people exposed to heat and its adverse effects on health, tree integration appears as a potential way to mitigate such effects. Overall, in addition to climate warming, land transformation and associated declines in canopy leaf area index significantly increase below-canopy surface temperatures. Mitigation strategies to address these adverse temperature effects include integrating a higher density of trees and incorporating species with dense foliage into landscapes. We conclude that planting native tree species within monoculture plantations offers an opportunity to partially reverse the rising temperature and support ecosystem restoration in dynamic mosaic landscapes.
Keywords: Below-canopy surface temperatures; Land-use change; Forest to monoculture plantation; Tree islands; Restoration

German

Landnutzungsänderungen von Wald zu landwirtschaftlichen Flächen sind weltweit weit verbreitet und führen zu einem erheblichen Verlust an Biodiversität und beeinträchtigen Ökosystemfunktionen. Die Landnutzungsänderungen vom Wald zur Landwirtschaft tragen zu erhöhten Oberflächen- und Lufttemperaturen bei, sowohl in den oberen Schichten der Vegetation als auch in den Bereichen unterhalb des Kronendachs. Die Temperaturen unterhalb des Kronendachs sind von großer Bedeutung, da hier eine bedeutende Artenvielfalt vorkommt, wesentliche Ökosystemfunktionen reguliert werden, und Menschen leben und arbeiten. Über die Temperaturdynamik unterhalb des Kronendachs im Zusammenhang mit Landnutzungsänderungen und der Wiederherstellung von Ökosystemen ist jedoch wenig bekannt. In unserer Studie haben wir den Kronendach-Blattflächenindex (LAI) und die Oberflächentemperaturen unterhalb des Kronendachs in einer ländlichen Region im Tiefland von Sumatra, Indonesien, untersucht – eine Region, die für ihre Landnutzungsänderungen in den letzten Jahrzehnten bekannt ist und von Wäldern zu Monokulturplantagen führte. In der ersten Studie untersuchten wir die Auswirkungen konventioneller Landnutzungsverläufe (Wald zu Kautschuk- und Ölpalmenmonokulturen) auf den Kronendach-Blattflächenindex (LAI) und die Oberflächentemperaturen unterhalb des Kronendachs. In der zweiten Studie untersuchten wir das Potenzial diese Entwicklungen teilweise umzukehren; Bäume wurden in den Ölpalmanbau integriert. Darüber hinaus untersuchten wir die mögliche Rolle der Kautschuk- Agroforstwirtschaft und diskutieren Optionen für eine gesündere thermische ländliche Umgebung. Unsere erste Studie prüfte die Hypothese, dass die Umwandlung von Wäldern in Monokulturen den LAI verringert, was zu höheren Temperaturen unter der Baumkronenoberfläche führt. Bei diese Studie auf Landschaftsebene im EFForTS-Projekt (EFForTS-LA) haben wir den LAI und die Temperaturen unter der Baumkrone in vier Landnutzungstypen gemessen: Wald, Buschland, Kautschuk und Ölpalme – und das auf 132 räumlich gut verteilten Plots. Wir fanden heraus, dass der LAI mehr als den Faktor 10 variierte, wobei die höchsten Werte in Wäldern und die niedrigsten in Kautschuk- und Ölpalmenplantagen beobachtet wurden. Die Temperaturen unter der Baumkronenoberfläche stiegen mit abnehmendem LAI deutlich an. Ein Rückgang des LAI um eine Einheit (m2 Blattfläche pro m2 Bodenfläche) erhöhte die Bodenoberflächentemperatur um die Mittagszeit um 0,95 °C (Vertrauensintervall: 1,07 - 0,83 °C). Ebenso wurden die Temperaturen, die auf den Oberflächen von Kopfbedeckungen oder iv Hijabs unter dem Blätterdach gemessen wurden, stark beeinflusst. Bei einer hellbraunen Hijab stieg die durchschnittliche Oberflächentemperatur mittags von Wald zu Ölpalme um 4,0 °C. Diese Studie kam zu dem Schluss, dass die Landnutzungsverläufe vom Wald zum Kautschuk- und Ölpalmenanbau einen negativen Einfluss auf den LAI und die Erhöhung der Temperaturen unter den Baumkronen haben. Unsere zweite Studie prüfte die Hypothesen: a) Die Integration von Bäumen in Ölpalmenplantagen erhöht den LAI und reduziert dadurch die Temperaturen unter dem Kronendach, b) Die Temperaturen unter dem Kronendach sinken mit zunehmendem LAI im Kronendach, struktureller Komplexität des Bestandes und beobachteter Gehölzvielfalt, und c) Die Vielfalt gepflanzter Bäume und die Inselfläche erhöhen den LAI und reduzieren die Temperaturen unter dem Kronendach. In Ölpalmenmonokulturen wurden Bäume mit unterschiedlicher Artenvielfalt (0 - 6) und Bauminselfläche (25 m2, 100 m2, 400 m2, 1600 m2) integriert. Diese Studie wurde neun Jahre nach der Baumpflanzung in einem Experiment zur Bereicherung der Artenvielfalt (EFForTS-BEE) im Tiefland von Sumatra durchgeführt. Daten aus Wäldern und Monokultur-Ölpalmenplantagen aus einem groß angelegten EFForTS-LA wurden als Referenz für das Experiment verwendet. Im Vergleich zu Monokultur- Ölpalmenplantagen in der Landschaft erhöhte die Baumintegration (Baumpflanzung plus natürliche Verjüngung) im Experiment den Kronendach-Blattflächenindex um 0,8 m2 m-2 (27 %) und reduzierte die Oberflächentemperatur des Bodens unter dem Kronendach um 1,5 °C um die Mittagszeit. Ebenso wurden die Oberflächentemperaturen der Hijabs der Arbeiterinnen und der schwarz-weißen Referenztafeln deutlich reduziert. In Naturwäldern war der LAI allerdings viel höher und die Temperaturen unter der Baumkrone niedriger als im Baumintegrationsexperiment. Auf den Versuchsflächen waren das Pflanzen von Bäumen und die natürliche Verjüngung in Kombination wirksamer bei der Steigerung des LAI als die natürliche Verjüngung alleine. Gemischte Effektmodelle identifizierten den Blattflächenindex als Schlüsselfaktor für die Temperatur unter der Baumkrone, zusammen mit der Sonneneinstrahlung und der Tageszeit. Andere Faktoren wie die Bauminselfläche, die beobachtete Baumartenvielfalt und die strukturelle Komplexität des Bestandes waren weniger wichtig. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die Baumintegration durch Pflanzen und natürliche Verjüngung Möglichkeiten bietet, die hohen Temperaturen unter der Baumkrone beim Ölpalmenanbau einzudämmen, und dass der Blattflächenindex dabei ein entscheidender Faktor ist. v Im Weiteren untersuchten wir auch den LAI und die Temperaturdynamik unter der Baumkrone in zwei Arten des Kautschukanbaus: Kautschuk-Agroforste (Jungle Rubber) und konventionelle Kautschuk-Monokulturen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass die durchschnittliche LAI im Jungle Rubber (4,5 m2 m-2) fast doppelt so hoch war wie in Kautschuk-Monokulturen (2,3 m2 m-2). Die durchschnittliche Bodenoberflächentemperatur unter der Baumkrone waren in Kautschuk-Monokulturen deutlich höher (1,99 °C) als im Jungle Rubber. Oberflächentemperaturmessungen von Arbeitermützen und Hijabs folgten einem ähnlichen Trend, was den Einfluss der Baumkronenbedeckung auf die lokalen Temperaturbedingungen weiter unterstreicht. Unsere Studie zeigte auch, dass Buschland, Jungle Rubber und baumintegrierte Ölpalmenplantagen ähnliche Bodenoberflächentemperaturen unter der Baumkrone aufwiesen. Diese Temperaturen waren niedriger als die in Ölpalmen- und Kautschuk-Monokulturen beobachteten, aber höher als in Wäldern. Dieses Ergebnis zeigt deutlich, dass die Integration von Bäumen die Temperaturen unter der Baumkrone effektiv senkt. In Anbetracht der zunehmenden Hitzebelastung von Natur und Mensch, die durch den starken Anstieg der globalen Temperaturen und die zusätzlichen direkten Auswirkungen der Landnutzungsänderungen auf die Oberflächen unterhalb der Baumkronen entsteht, mag die Verringerung der Mittagstemperatur um 1,5 °C bescheiden erscheinen. Für Natur und Menschen, die der Hitze und ihren negativen Auswirkungen auf die Gesundheit ausgesetzt sind, erweist sich die Integration von Bäumen jedoch als eine mögliche Möglichkeit, diese Auswirkungen abzumildern. Insgesamt führten Landnutzungsänderungen von Wald zu Kautschuk- und Ölpalmplantagen und die damit verbundene Abnahme des LAI im Kronendach zu einem deutlichen Anstieg der Oberflächentemperaturen unterhalb des Kronendachs. Die Integration von dicht belaubten Bäumen hat sich als eine Strategie zur Abschwächung dieser nachteiligen Temperatureffekte erwiesen. Die Integration von Bäumen in diese Monokulturen bietet eine vielversprechende Möglichkeit, den Temperaturanstieg abzumildern.
 
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