Climate change and agricultural structural change : the relevance for machinery use and acquisition in Germany

Abstract

This thesis is a contribution to the research project “Regional Climate Change,” funded by the German Research Foundation (Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG – Forschergruppe 1695 Regionaler Klimawandel). The projects objective was to learn about the vulnerability and sensitivity of typical land systems in Southwest Germany and identify suitable strategies for adaptation. The doctoral work contributes with empirical and methodological insights of farmers likely management adaptations in light of the farm managerial challenges arising from climate and structural change in Germany. The agricultural structure in Germany has strongly changed in the last 60 years. Where before numerous small-scale and labor-intensive farms were observed, it is now the place where fewer and highly mechanized farms contribute to agricultural production. The ongoing agricultural structural change in Germany is characterized by a trend in which many farms exit the agricultural sector, and the remaining --growth-oriented-- farmers take over the land, reorganize their farm business, and expand their operations. Nevertheless, this trend of farm growth, which is expected to continue in the future, poses significant challenges at the farm management level: Decisions on machinery use and acquisition play a crucial role in shaping the farm cost structure, and represent a critical element for maintaining competitiveness. Particularly for the expansion efforts, farm managers face a highly complex decision-making process to acquire the proper machinery capacities for field operations. Moreover, an additional factor will need to be considered for adequate decision-making: Climate change developments and the uncertainties associated with this process will likely increase the complexity of the farmers decision-making regarding the best reorganizational strategies towards farms expansion. Changes in the natural conditions for crop growth and development will likely result in management adaptations, e.g., changing the timing for fieldwork operations or changing land-use patterns. An analysis of the complex interactions and interdependencies between the environment and the farm system, on the one hand, and the resources and production possibilities available to the farm manager in the course of farm expansion on the other hand, require adequate tools of analysis. This work analyzes three dimensions of farm machinery management in the context of climate change and agricultural structural change. The first element of analysis corresponds to an examination of the sensibility of land-use and machinery investment decisions to climate change scenarios with the agent-based MPMAS model constructed for Central Swabian Jura in Southwest Germany. The Central Swabian Jura MPMAS model is a constitutive part of the bioeconomic modeling system MPMAS_XN. The MPMAS_XN system integrates the agricultural economic agent-based software MPMAS and the plant-soil modeling software Expert-N (XN) into a fully coupled system. The assessment of the sensibility and responsiveness of the MPMAS component revealed complex adaptation responses of land-use and machinery investment decisions as a result of shifted timing in fieldwork operations (e.g., harvesting or fertilization tasks). The second element of analysis corresponds to an examination of economies of size arising from farm machinery use and acquisition decisions in arable farms that follow a typical crop rotation practiced in Germany. For the analysis, a whole-farm multiperiod mathematical program implemented in the agent-based software MPMAS was employed. Optimizations were run and evaluated at a broad range of farm sizes and two distinctive distributions of availability of fieldwork days estimated for Southwest Germany. The results allowed observing patterns of optimal farm machinery demand and cost curves for several evaluated farm sizes and distributions of available fieldwork days distributions. The third main element of this work corresponds to a methodological contribution to the MPMAS_XN model system. Within this element, the implementation, functioning, and potential of an external theory-based MPMAS module are presented. The external module represents dynamics for joint machinery investments among simulated farm agents and serves as an enhancing methodological contribution for analyzing and representing farm machinery management in the agent-based software MPMAS.

Diese Arbeit ist ein Beitrag zum von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt „Regionaler Klimawandel“, dessen Ziel es war die Verwundbarkeit und Sensitivität typischer Landsysteme in Südwestdeutschland zu untersuchen und geeignete Anpassungsstrategien zu identifizieren. Diese Doktorarbeit liefert empirische und methodische Erkenntnisse über die wahrscheinlichen Managementanpassungen der Landwirte und Landwirtinnen angesichts der Herausforderungen der Betriebsführung, die sich aus dem Klima- und Strukturwandel in Deutschland ergeben. Die Agrarstruktur in Deutschland hat sich in den letzten 60 Jahren stark verändert. Wo früher zahlreiche kleine und arbeitsintensive Betriebe beobachtet wurden, tragen heute weniger, dafür aber hochmechanisierte Betriebe zur landwirtschaftlichen Produktion bei. Dieser anhaltende landwirtschaftliche Strukturwandel in Deutschland kennzeichnet sich dadurch, dass viele Betriebe den Agrarsektor verlassen und die verbleibenden, wachstumsorientierten Landwirte und Landwirtinnen die Produktion übernehmen, ihre Betriebe neu organisieren und ihre Tätigkeiten ausweiten. Dieser Wachstumstrend, der sich voraussichtlich in Zukunft fortsetzen wird,hat erhebliche Herausforderungen auf der Ebene des Betriebsmanagements zur Folge: Entscheidungen über den Einsatz und die Anschaffung von Maschinen spielen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Betriebskostenstruktur und sind daher ein zentrales Element für die Aufrechterhaltung der Wettbewerbsfähigkeit. Insbesondere bei den Expansionsbemühungen stehen die BetriebsleiterInnen vor einem hochkomplexen Entscheidungsprozess, um die passenden Maschinenkapazitäten für den Feldeinsatz zu erwerben. Neben dem Erwerb und der optimalen Nutzung von Maschinen muss ein zusätzlicher Faktor für eine angemessene Entscheidungsfindung berücksichtigt werden: Die Entwicklung des Klimawandels und die mit diesem Prozess einhergehenden Unsicherheiten werden die Komplexität der Entscheidungsfindung hinsichtlich der besten Umstrukturierungsstrategien für die Expansion der landwirtschaftlichen Betriebe vermutlich weiter erhöhen. Dadurch entstehenden Änderungen der natürlichen Bedingungen für Pflanzenwachstum und -entwicklung wird wahrscheinlich mit Anpassungen des Managements begegnet, z.B. durch Verschiebung derFeldarbeitszeitpunkte oder durch Veränderung der Landnutzungsmuster. Eine Analyse der geschilderten komplexen Wechselwirkungen und Abhängigkeiten, einerseits zwischen Umwelt und landwirtschaftlichen Systemen, andererseits zwischen Ressourcen und Produktionsmöglichkeiten, die den Verantwortlichen zur Betriebserweiterung zur Verfügung stehen, erfordert geeignete Analysewerkzeuge. Diese Arbeit analysiert drei Dimensionen des Landmaschinenmanagements im Kontext des Klimawandels und des landwirtschaftlichen Strukturwandels. Im ersten Analyseelement wird die Sensibilität von Landnutzungs- und Maschineninvestitionsentscheidungen in Bezug auf verschiedene Klimawandelszenarien untersucht. Diese Analyse wird mit dem agentenbasierten MPMAS Modell durchgeführt, das für die mittlere Schwäbischen Alb in Südwestdeutschland erstellt wurde. Das MPMAS- Modell ist ein wesentlicher Bestandteil des bioökonomischen Modellierungssystems MPMAS_XN. Das MPMAS_XN Modellierungssystem integriert die agrarökonomische, agentenbasierte MPMAS Software und die Pflanzen-Boden-Modellierungssoftware Expert-N (XN) in ein vollständig gekoppeltes System. Die Bewertung der Sensibilität und Reaktionsfähigkeit der MPMAS Komponente zeigt komplexe Anpassungsreaktionen von Landnutzungs- und Maschineninvestitionsentscheidungen als Ergebnis eines verschobenen Zeitplans bei Feldarbeiten (z. B. Ernte- oder Düngungsaufgaben). Im zweiten Schritt befasst sich die vorliegende Arbeit mit einer Untersuchung der Skaleneffekte, die sich aus den Kaufentscheidungen und dem Einsatz von Landmaschinen in Ackerbetrieben ergeben, in denen eine für Deutschland übliche Fruchtfolge angebaut wird. Für die Analyse wird ein in der agentenbasierten Software MPMAS implementiertes mathematisches Mehrperiodenprogramm für den gesamten landwirtschaftlichen Betrieb verwendet. Optimierungen werden in einem breiten Spektrum von Betriebsgrößen und zwei unterschiedlichen Verteilungen der Verfügbarkeit von Feldarbeitstagen, die für Südwestdeutschland geschätzt werden, durchgeführt und bewertet. Die Ergebnisse ermöglichen die Beobachtung von Mustern der optimalen Nachfrage nach landwirtschaftlichen Maschinen sowie der Kostenkurven für die betrachteten Betriebsgrößen und Verteilungen der verfügbaren Feldarbeitstage. Der dritte Hauptteil dieser Arbeit stellt einen methodischen Beitrag zum MPMAS_XN Modellsystem dar. In diesem Element werden die Implementierung, Funktionsweise und das Potenzial eines externen und theoretisch aufgebauten MPMAS-Moduls vorgestellt. Dieses externe Modul repräsentiert die Dynamik, die sich aus gemeinsamen Maschineninvestitionen zwischen simulierten Computer-Agenten ergibt und dient als verbesserter methodischer Beitrag zur Analyse und Darstellung des Landmaschinenmanagements in der Agentenbasierte Software MPMAS.