Mens omgeving interacties in het verleden Het modelleren van paleo-gewasopbrengsten in een Mediterrane omgeving

Doorheen de geschiedenis zijn er periodes geweest met een sterke wisselwerking tussen mens en omgeving, waarin beide een impact hadden op elkaar. De introductie van landbouw betekende een drastische verandering in de manier waarop de mens leefde met als resultaat veranderingen in de bio, geo, hydro- en atmosfeer. Voor het Mediterrane gebied bestond de hypothese dat de golf van bodemerosie als gevolg van het in cultuur nemen van grote oppervlaktes land, het landschap zodanig gedegradeerd had, dat het aanleiding gaf tot crisis in de maatschappijen van het verleden. Echter, Van Andel (1986) argumenteerde dat voor Argolis in Griekenland het geërodeerde materiaal terecht kwam in de brede valleivlaktes, en er zo uitgestrekte oppervlaktes van vruchtbare bodem gevormd werden die makkelijker te bewerken waren. Zodoende ontstond de hypothese dat hellingserosie echter ook een belangrijke en een niet enkel negatieve impact had op maatschappijen in het verleden, en dit door het effect van bodemaccumulatie in de centrale valleien.

Echter, om een betrouwbare conclusie te maken over hoe de mens zijn stempel liet op de omgeving, en in welke mate historische bodemerosie tot verliezen in de agrarische draagkracht van het landschap resulteerde, is er ten eerste een nood aan een nauwkeurige begroting van deze processen. Historische bodemerosie is tot dusver enkel begroot in enkele casestudies. Er is nood aan het modeleren van bodemerosie op een lange tijdschaal om  beter inzicht te krijgen over de processen die geomorfologische verandering drijven. Ten tweede, de bodemerosie – gewasopbrengst relatie is begroot voor hedendaagse condities, maar het is slecht geweten welke impact bodemerosie had op de agrarische productiviteit op een lange tijdschaal. Pogingen om historische gewasopbrengst te modeleren zijn gebeurd, maar deze missen enerzijds een goede ruimtelijke en temporele resolutie, en anderzijds nemen ze lange termijn veranderingen in bodem, klimaat, hydrologie of agronomische beheersstrategieën niet in rekening.

Dit doctoraat is een poging om historische mens-omgeving interacties te kwantificeren, en licht te werpen op de duurzaamheid van maatschappijen en hun agrarische draagkracht. Meer specifiek wordt het effect van bodems en bodemerosie op de draagkracht van het land bepaald door een combinatie van veldwerk en numerische modellering in een Mediterrane omgeving in het studiegebied van de historische site van Sagalassos (ZW Turkije).

Eerst werd het bodemerosie- en aanvoer model WATEM/SEDEM aangepast zodat het voldoende goed functioneerde in een bergachtig Mediterraan gebied. Op basis van een bestaand sedimentair archief uit voorgaande veldstudies werd het model gekalibreerd en gevalideerd in het klein endoreïsch bekken van Gravgaz. We waren in staat de temporele veranderingen van sedimenttoevoer naar de centrale vallei goed te modeleren. Om de impact van historische bodemerosie op gewasopbrengst te kwantificeren werd een eenvoudig gewasopbrengst model gekoppeld aan de gereconstrueerde bodemdikte kaarten. Het belangrijkste resultaat hiervan was dat historische ontbossing, en dus menselijke activiteit, de grootste sturende kracht was van bodemerosie, maar dat bodemerosie niet voor een complete ondergang zorgde van de gewasopbrengsten.

Als verbetering van de eenvoudige bodemdikte – gewasopbrengst relatie werd het agronomische AquaCrop model gekalibreerd en gevalideerd voor het studiegebied van Sagalassos. Aangezien er hedendaagse gegevens van gewasopbrengst nodig waren, werd er tijdens de oogstperiodes in 2015 en 2016 veldwerk uitgevoerd in het gebied rond Sagalassos. Hierbij werden 103 percelen bemonsterd, en werden gewasopbrengst en bodemeigenschappen opgemeten. Een statistische analyse werd uitgevoerd om inzicht te krijgen in de dataset, en om een bodemfertiliteit parameter te berekenen, die nodig is voor de kalibratie van AquaCrop. AquaCrop was in staat de spreiding van gewasopbrengst te modeleren, maar perceelspecifieke voorspellingen waren eerder matig. Toch werd het model toegepast op historische tijdschaal, gezien de variabelen nodig om tot goede perceelspecifieke voorspellingen te komen ook vaak moeilijk te achterhalen zijn op zulke tijdschaal. Aangezien AquaCrop in staat was de algemene verdeling van gewasopbrengst te modeleren, argumenteren we dat het model dus toch zijn waarde zou hebben voor een toepassing op historische tijdschaal.

Er zijn al pogingen gebeurd om historische gewasopbrengsten te begroten in het verleden, maar vaak missen ze ruimtelijk en temporeel detail, of is er geen integratie van de verschillende omgevingsfactoren die gewasopbrengst beïnvloeden. In deze studie werd voor de eerste keer een lange termijn gewasopbrengst model ontwikkeld dat toelaat de belangrijkste veranderingen in klimaat, bodem en landgebruik in rekening te nemen, en tegelijkertijd ook de rekentijden beperkt dankzij de parallellisatieschema’s ontwikkeld voor simulaties op een supercomputer. Het aangepaste AquaCrop model werd ruimtelijk expliciet gemaakt, waardoor cellen hydrologisch met elkaar in verbinding kunnen staan. De gemodelleerde gewasopbrengst in het Gravgaz bekken tonen de sterke invloed van neerslag. Bodemdikte en in mindere mate het herinfiltreren van water hebben ook een behoorlijke impact, te zien aan de hoge gewasopbrengsten in de centrale valleien waar water en sediment  accumuleren. Export van water naar de centrale vallei stijgt sterk na de ontbossinggolf en de resulterende bodemerosie op de helling, waardoor de waterflux toeneemt met een factor vier. Het model is in staat hoogtes van het meer in de centrale vallei te modeleren, maar gezien het ontbreken van voldoende gegevens om het model correct te sturen, is de interpretatie ervan moeilijk. Toch lijkt het model te wijzen op verhoogde waterhoogtes in het meer gedurende de Hellenistische en Romeinse periode, wat mogelijks landbouw in de centrale valleien kan belemmert hebben.

Ten slotte werd het AquaCrop model ook toegepast in drie verschillende bekkens in het studiegebied, gebruik makende van verschillende scenario’s van landbeheersstrategieën. Het belang van irrigatie om gewasopbrengsten te verhogen werd blootgelegd. Het effect van braakligging werd ook begroot. Resultaten tonen dat het technisch mogelijk  geweest zou zijn voor de landbouwers om de variabiliteit in gewasopbrengst en het falen van de oogst sterk te reduceren door gebruik te maken van een  braaklegging van twee jaar. Tegelijkertijd zorgt het land dat braak komt te liggen voor ruimte dat gebruikt kon worden als graasland voor het vee. Onze berekeningen suggereren dat  met zulke oppervlaktes ter beschikking, er genoeg vee gehouden kon worden om behoorlijke hoeveelheden melk te produceren. In tegenstelling tot een braaklegging van twee jaar, kan jaarlijkse cultivatie van het land voor  potentieel hogere gewasopbrengsten zorgen, bekeken over een driejaarlijks gemiddelde.  Het risico op het falen van de oogst is dan echter hoger. Waar het effect van bodemerosie op gewasopbrengsten in Gravgaz duidelijk is, zorgen een andere topografie en cultivatiegeschiedenis er in de andere bekkens voor dat de impact van bodemerosie minder groot is.

In conclusie, de combinatie van bodemerosie en gewasopbrengst modelering toont duidelijk aan dat bodemerosie  sterk limiterend was voor opbrengsten op de steile hellingen die lang onder cultivatie geweest zijn. De vlakke valleibodems waar het sediment opgeslagen werd konden dit verlies compenseren, maar het zorgde er niet voor een stijging in gewasopbrengsten. Gemiddelde gewasopbrengsten in de bekkens konden zo wel op peil gehouden worden. Al zijn de verliezen in gewasopbrengst op de hellingen duidelijk, een jaar met voldoende neerslag kon er evenwel voor zorgen dat er toch redelijke opbrengsten mogelijk waren. Willet et al. (2015) berekende o.b.v. een DNA studie van Otoni et al. (2016) in combinatie met andere archeologische gegevens dat er naar  schatting ongeveer 6000-25000 inwoners in het studiegebied zouden geweest zijn tijdens de Romeinse periode. Wetende dat onze gemodelleerde gewasopbrengsten ongeveer enkele duizende inwoners per individueel bekken konden voorzien, lijkt het dat de voedselproductie in het studiegebied niet in het gedrang kwam tijdens de Romeinse periode. Er was mogelijks zelfs ruimte voor surplus productie in een goed jaar. Echter, indien er niet aan braaklegging gedaan werd, kan er toch een zekere stress geweest zijn in de voedselvoorziening in jaren wanneer er niet voldoende neerslag viel, zeker in de gebieden rond Bereket en Gravgaz. Archeologisch onderzoek toont verder ook het belang aan van secundaire nederzettingen tijdens de Byzantijnse periode, wat mogelijks een verhoogde populatiedruk en stress op de landbouwproductie met zich meebracht in vergelijking met de Hellenistische en Romeinse periodes. Aan de andere kant tonen verschillende archeologische records ook aan dat in tijde van stress op de landbouwproductie de maatschappij verschillende adaptieve strategieën toepaste, zoals het irrigeren van velden en  het diversifiëren van gewastypes. Op een bepaald punt was er zelfs een overgang van het overwegend telen van gewassen naar een overwegend graasland systeem. Dit alles toont de veerkracht van de maatschappij aan in het studiegebied van Sagalassos.

Het modeleren van gewasopbrengsten breng helaas ook veel onzekerheden mee. Enkele bronnen van onzekerheid in het model werden gekwantificeerd, maar om na te gaan hoe al deze onzekerheden uiteindelijk samenkomen is moeilijk te achterhalen, gezien de grote computationele kosten nodig om dit alles uit te rekenen (b.v. het uitvoeren van Monte Carlo analyses). Ondanks deze onzekerheden besluiten we toch dat het aangepaste AquaCrop model zeker zijn verdienste heeft in vergelijking met eenvoudige lineaire regressiemodellen van gewasopbrengst. Indien in de toekomst het AquaCrop model kan gevalideerd worden met onafhankelijke schattingen van gewasopbrengst (b.v. via een ΔC13 isotoop studie), dan zou het model zeker een toegevoegde waarde moeten brengen voor het berekenen van de historische agrarische productiviteit.

Het is momenteel moeilijk om het hele spectra aan archeologische gegevens in rekening te brengen wegens de verschillen in ruimtelijke en temporele resolutie met het AquaCrop model. Zelfs al vinden de archeologische gegevens slechts sporadisch hun weg naar het model, toch zijn we van mening dat het verleden beter begrepen zal kunnen worden wanneer archeologie en palaeogeografische modellen in de toekomst beter geïntegreerd kunnen worden.