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Doctoral Thesis
2016
Environmental and economic assessment of the intensive wheat - maize production system in the North China Plain
Environmental and economic assessment of the intensive wheat - maize production system in the North China Plain
Abstract (English)
To ensure food security for its vast population input intensification in crop production has been one of China’s major strategies in the last decades. However, the negative environmental impact of the highly intensive crop production becomes apparent. Especially the emission of greenhouse gases (GHG) constitutes a major sustainability issue of crop production in China.
The winter wheat - summer maize (WW-SM) double cropping system plays a crucial role for China’s national food security. Strong research efforts mainly focusing on field experiments insufficiently consider the economic viability of the proposed improvement strategies and farmers’actual crop management. Therefore this study aims to fill this void by assessing farmers’actual crop management in the WW-SM production system, with regard to its environmental and economic performance to derive suitable improvement strategies for more sustainable crop production in the North China Plain (NCP).
This cumulative PhD thesis consists of three papers published or accepted with revisions in international peer-reviewed journals. A field survey conducted in 2011 interviewing 65 WW-SM producing farm households constitutes the core data base for the thesis’analysis. The data was supplemented by expert interviews and specific secondary data. Partial life cycle analysis and economic assessment were conducted, comprising GHG emission, product carbon footprint (PCF), gross margin (GM), variable cost per unit product and life cycle costing (LCC) as key environmental and economic indicators, respectively.
The first article describes the status quo of single farm environmental and economic performance of 65 WW-SM producers. The results revealed a huge heterogeneity among farms. Astonishingly no trade-off between productivity and sustainability could be identified in the region. Building on cluster analysis, with farms grouped according to their economic and environmental performance into “poor”, “fair” and “good” producers, the regional GHG mitigation potential was estimated. Under the scenario assumption that all grain in the NCP is produced under “good” production conditions, 21% and 7% of GHG could be mitigated in wheat and maize production, respectively.
To be able to address the existing heterogeneity and develop strategies towards attaining GHG mitigation in practice, the second article aimed at assessing the factors determining farmers’ current environmental and economic performance. Using stepwise multiple linear regression (SMLR) it was revealed that nitrogen (N) input and electricity for irrigation were responsible for 0.787 and 0.802 of variability (adjusted R2) in the GHG emission results of the WW and SM production, respectively. Electricity for irrigation and labor were the most significant factors explaining the differences in LCC of WW and SM production, with an adjusted coefficient of determination (adjusted R2) of 0.397 and 0.29. This finding indicates that N input, electricity for irrigation and labor are key target areas for lowering GHG emissions and production costs of the WW-SM production system in the NCP.
As revealed in the second article overuse of N fertilizer, which actually constitutes a major current issue in China, offers great potential for reducing GHG emissions and production costs in the WW-SM production system. Therefore in the third article three simple and easily to apply N fertilizer recommendation strategies are tested, which could be implemented on large scale through the existing agricultural advisory system of China, at comparatively low cost. Building on the household dataset, the effects of the three N strategies under constant and changing yield levels on PCF and GM were determined for every individual farm household. The N fixed rate strategy realized the highest improvement potential in PCF and GM in WW; while the N coefficient strategy performed best in SM. The analysis furthermore revealed that improved N management has a significant positive effect on PCF, but only a marginal and insignificant effect on GM. On the other side, a potential 10 % yield loss would have only a marginal effect on PCF, but a detrimental effect on farmers’income. It will be of vital importance to avoid any yield reductions and respective severe financial losses, when promoting and implementing advanced fertilization strategies. Therefore, it is furthermore recommended to increase the price of fertilizer, improve the agricultural extensions system, and recognize farmers’ fertilizer related decision-making processes as key research areas.
The presented thesis gives valuable contributions to the development of environmentally and economically more sustainable crop production systems in the NCP. The thesis concludes that an adjustment in the agricultural advisory system is required, supported by more interdisciplinary research, which is able to address the inherent complexity of realizing more sustainable crop production in China.
Abstract (German)
In seinen Anstrengungen Ernährungssicherheit für seine riesige Bevölkerung zu gewährleisten, stellt die Intensivierung der Pflanzenproduktion Chinas wichtigste Strategie dar. Jedoch treten in den letzten Jahren vermehrt die negativen Umweltwirkungen der hochintensiven Pflanzenproduktion zu Tage. Emission von Treibhausgasen (THG) und der entsprechende Beitrag zur globalen Erwärmung sind besonders ein großes Nachhaltigkeitsproblem der Pflanzenproduktion in China. Als wichtigstes Anbausystem in Nordchina spielt das Winterweizen - Sommermais - Doppelanbausystem eine wichtige Rolle für Chinas Ernährungssicherheit. Die Agrarforschung konzentriert sich auf Feldversuchsbasierte Ansätze. Daher zielt die vorliegende Studie darauf ab, diese Lücke durch die Evaluierung des tatsächlichen ackerbaulichen Managements der Landwirte im WW-SM Produktionssystem zu schließen. Durch die ökologische und ökonomische Bewertung des Systems können passende Verbesserungsstrategien für eine nachhaltigere Pflanzenproduktion in China entwickelt werden, mit besonderem Fokus auf THG Vermeidung in der nordchinesischen Tiefebene (NCT).
Diese kumulative Dissertation besteht aus drei Artikeln, die in internationalen peer-reviewed Zeitschriften veröffentlicht oder mit Revision zur Veröffentlichung akzeptiert sind. Eine 2011 durchgeführte Feldstudie bei der 65 WW-SM produzierende landwirtschaftliche Betriebe befragt wurden stellt die Datengrundlage dieser Thesis. Die Daten wurden durch Experteninterviews und spezifische Sekundärdaten ergänzt. Partielle Lebenszyklusanalyse und ökonomische Bewertung wurden durchgeführt, die THG-Emissionen, Produkt-CO2-Fußabdruck (PCF), Deckungsbeitrag (DB), variable Kosten pro Produktionseinheit (VK) und Lebenszykluskosten (LZK) als ökologische und ökonomische Schlüsselindikatoren umfassten.
Der erste Artikel beschreibt eine sehr hohe Heterogenität unter den Betrieben. Erstaunlicherweise zeigte sich in der Region nicht der erwartete Zielkonflikt zwischen Produktivität und Nachhaltigkeit; Hochertragsbetreibe emittierten keine erhöhten Mengen an THG pro Hektar im Vergleich zu den Niedrigertragsbetrieben. Aufbauend auf Clusteranalyse, bei der die Betriebe entsprechend ihres ökologischen und ökonomischen Abschneidens nach „schwachen“, „mittleren“ und „guten“ Betreiben gruppiert wurden, wurde das regionale THG-Vermeidungspotential bewertet.
Um die existierende Heterogenität zu adressieren und Treibhausgasvermeidungsstrategien für die Praxis zu entwickeln, zielte der zweite Artikel darauf ab, die Einflussfaktoren des ökonomischen und ökologischen Abschneidens der Landwirte zu eruieren. Während im Durchschnitt 4107 und 3185 kg CO2-äquivalente THG-Emissionen pro Hektar, und LZK von 1176 und 1190 US$ pro Hektar im WW und SM ermittelt wurden, existiert eine gewaltige Streuung unter den Produzenten. Die Ergebnisse zeigt, dass Stickstoffdüngung, Elektrizität für Bewässerung und Arbeitseinsatz die Schlüsselgebiete zur Verringerung der THG-Emissionen und Produktionskosten in der WW und SM Erzeugung in der NCP darstellen.
Wie die Analyse des zweiten Artikels gezeigt hat, liegt in der Reduzierung der Stickstoffüberdüngung, die derzeit eines der akutesten Probleme der Pflanzenproduktion in China darstellt, ein sehr großes Potential die THG-Emissionen und Produktionskosten im WW-SM Anbausystem zu reduzieren. Daher werden im dritten Artikel drei klare und einfach anzuwendende N-Düngungsempfehlungsstrategien getestet, die in großem Maßstab durch das existierende landwirtschaftliche Beratungssystem Chinas zu geringen Kosten implementiert werden könnten. Aufbauend auf dem detaillierten Pflanzenproduktions-datensatz der 65 WW-SM produzierenden Betriebe wurde Szenarien-Analyse angewandt. Die Effekte der drei N-Strategien auf PCF und DB wurden unter konstantem und sich verändernden Ertragsniveau unter den Produktionsbedingungen jedes individuellen Haushalts bestimmt. Die N fixierte Rate Strategie erzielte das höchste Verbesserungspotential im PCF und DB im WW; hingegen erzielte die N Koeffizienten Strategie die besten Ergebnisse im SM. Die Analyse hat desweiteren gezeigt, dass ein verbessertes N Management ein signifikant positiven Effekt auf PCF hat, jedoch nur einen marginalen und insignifikanten Effekt auf DB. Auf der anderen Seite hätte ein potentieller Ertragsverlust um 10% nur einen marginalen Effekt auf den PCF, jedoch einen sehr nachteiligen Effekt auf das Einkommen der Landwirte.
Die vorliegende Thesis bietet wichtige Beiträge zur Entwicklung ökologisch und ökonomisch nachhaltigerer Pflanzenproduktionssysteme in der NCT. Die aufeinander aufbauenden Analysen der drei Artikel zeigt klar, dass eine potentielle Optimierung des ackerbaulichen Managements der Landwirte, dass auf eine Verringerung der Umweltbelastung abzielt, gleichzeitig zu einer ökonomisch vorteilhaften Entwicklung führt.
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Notes
Publication license
Publication series
Published in
Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Farm Management
Examination date
2016-02-02
Supervisor
Edition / version
Citation
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DOI
ISSN
ISBN
Language
English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Ha2016,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5986},
author = {Ha, Nan},
title = {Environmental and economic assessment of the intensive wheat - maize production system in the North China Plain},
year = {2016},
school = {Universität Hohenheim},
}