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Doctoral Thesis
2022
Extreme climate shock and locust infestation impacts in Ethiopia : farm-level agent-based simulation of adaptation and policy options
Extreme climate shock and locust infestation impacts in Ethiopia : farm-level agent-based simulation of adaptation and policy options
Abstract (English)
Extreme climate shocks have been a daunting problem for smallholder farmers in Ethiopia for a decade. In recent years, locust invasions in many parts of the country have become another livelihood challenge to the subsistence farming population who already lives in dire livelihood situations. These two compounding shocks can lead to total crop failure at the early crop development stage or any crop growth stage. They are creating a massive economic upheaval in rainfed-dependent countries particularly affecting the well-being of resource-poor subsistence farmers. To reduce the effect of recurring shocks, especially climate risks, farmers have been implementing different risk management strategies. In addition to farmer autonomous adaptation practices, the government has been supporting farmer climate adaptation efforts by designing different policy interventions. In locust-hit areas, government and non-governmental organizations have designed and implemented different locust relief programs aimed at reducing associated welfare losses. Whether farmers can adapt to the effects of climate shocks or not by autonomous adaptation and/or with policy support is an empirical policy question. Moreover, as there are no studies of locust impacts and locust relief programs evaluation, the degree of locust livelihood devastation and the roles of locust relief policy interventions in minimizing the effect of locust shock are policy concerns.
To address these important and key empirical questions, this thesis applied a farm-level agent-based simulation model. MPMAS, a modeling framework developed at the University of Hohenheim for agent-based simulations, was applied to capture inseparable production and consumption decisions of subsistence farming households in the Central Rift Valley of Ethiopia. The modeling framework uses a whole-farm mathematical programming modeling approach to represent complex dynamics of farm household decisions where a set of constraints and their complex relationships are considered. This simulation model enables scenario-based policy analysis by comparing different climate, locust, and policy scenarios which is hardly possible using statistical and other reduced forms of econometrics models. Through establishing scenarios, the model helps to disentangle the pathways through which external shocks may affect the well-being of smallholder farmers.
MPMAS has been extensively applied for policy simulations in different countries including Ethiopia. This thesis extends previous MPMAS applications in Ethiopia by including new features for Central Rift Valley (MPMAS_CRV). MPMAS_CRV was parameterized from the CIMMYT household survey augmented with CSA datasets and own field research. Smallholder farmers ex-ante considerations of risk management strategies for possible climate shock are explicitly captured in MPMAS_CRV to assess their role in climate adaptation and welfare improvements. As part of enhancing the adaptive capacity of farm households to recurring climate shocks, the effect of policy interventions such as better access to credit services and improved agricultural technology are quantified by establishing climate and policy scenarios. Similarly, the thesis quantified the impact of locust invasions on household welfare outcomes and their response to locust relief interventions including food or cash transfers complemented with inputs and livestock provisions. Locust simulation is one of the novelties of this research as it is the first study to explicitly capture the welfare effects of the desert locust and assess the roles of locust relief programs through the application of MPMAS.
To enable climate and locust shock effects quantification and associated policy interventions, different simulation experiments were designed comprised of climate and locust shock frequencies and policy scenarios. The simulation experiments and analysis were performed using the computational resources of bwForCluster within the bwHPC infrastructure in the state of Baden-Württemberg, Germany.
Before using MPMAS_CRV for policy simulations, its reliability was validated using land use, livestock holding, and amount of crop sales by comparing simulated against observed survey values. The validation results suggest that MPMAS_CRV can represent and reflect real-world conditions so that it is reliable to use for impact quantification and policy simulations. In addition to empirical validation, the thesis conducted a global uncertainty analysis to check the robustness of the simulation results under different parameter variations and combinations to minimize erroneous policy formulations. Uncertainty analysis results show that the model converges rapidly at 50 repetitions which implies that these model repetitions are enough to cover the model uncertainty space.
In terms of extreme climate impacts and adaptations, the simulation results suggest that climate shocks affect the welfare of agents adversely to the extent that they face temporary food shortages, loss of discretionary income, and depletion of livestock assets. The welfare losses are similar for both with and without ex-ante measure scenarios which indicates that farm agents cannot adapt to extreme shocks by employing autonomous adaptations. After the shocks are over, the simulation results reveal that agents cannot recover income and livestock losses immediately even when they consider ex-ante measures in the planning for possible risks. This suggests that for resource-poor farm agents, income and assets recovery takes a longer period after perturbation which can lead to a long-term livelihood crisis and a poverty trap. But, according to the simulation results in this thesis, agents can recover from food shortage immediately after the shocks are over, as meeting minimum food requirements are an absolute priority for agents (which is also true with real-world subsistence smallholder farmers) over other competing goals.
Credit and technology policy simulation analysis further depict that welfare losses are partly compensated compared to without policies. Welfare losses of agents are better compensated when credit and technology are used jointly than when they are implemented separately. Similarly, technology policy intervention is better in compensating welfare losses compared to credit policy. Though policy interventions have compensational effects in minimizing the losses, they cannot completely offset the negative effects of extreme climate shocks even when implemented jointly. Disaggregation of simulation results by resource endowments suggests that agents with higher baseline income (without policy) and farm size appeared to be relatively less affected by shocks, and benefit from policy interventions the most.
Locust simulation results also suggest that locust shock leads to agent livelihood crisis and makes slower recovery of income and livestock assets rebuild without any relief intervention programs. Simulation of different locust relief policy interventions reveals that combined relief policy interventions appear to be superior in compensating welfare losses compared to individual relief interventions. When food or cash transfer is combined with inputs and assets the welfare losses are considerably reduced compared to the individual policy intervention. When asset recuperation is combined with other relief programs, livestock losses are substantially reduced which signifies the importance of asset support in building an asset base which has long-term benefits. Strengthening early warning systems by including seasonal weather forecasting has paramount importance to prevent the crisis of desert locust plague.
Abstract (German)
Extreme Klimaschocks sind für Kleinbauern in Äthiopien seit einem Jahrzehnt ein beängstigendes Problem. In den letzten Jahren sind Heuschreckeninvasionen in vielen Teilen des Landes zu einer weiteren Herausforderung für die Existenzgrundlage der ohnehin schon unter schwierigen Bedingungen lebenden Subsistenzbauern geworden. Diese beiden sich gegenseitig verstärkenden Schocks können zu totalen Ernteausfällen in der frühen Entwicklungsphase der Ernte oder in jeder Wachstumsphase führen. Sie führen zu massiven wirtschaftlichen Umwälzungen in Ländern, die vom Regen abhängig sind, und beeinträchtigen insbesondere das Wohlergehen der ressourcenarmen Subsistenzbauern. Um die Auswirkungen wiederkehrender Schocks, insbesondere von Klimarisiken, zu verringern, haben die Landwirte verschiedene Risikomanagementstrategien eingeführt. Zusätzlich zu den autonomen Anpassungspraktiken der Landwirte hat die Regierung die Bemühungen der Landwirte zur Klimaanpassung durch verschiedene politische Maßnahmen unterstützt. In Gebieten, die von Heuschrecken heimgesucht wurden, haben Regierung und Nichtregierungsorganisationen verschiedene Programme zur Bekämpfung der Heuschrecken entwickelt und umgesetzt, um die damit verbundenen Wohlfahrtsverluste zu verringern. Ob sich Landwirte durch autonome Anpassung und/oder mit politischer Unterstützung an die Auswirkungen von Klimaschocks anpassen können oder nicht, ist eine empirische politische Frage. Da es keine Studien über die Auswirkungen von Heuschrecken und die Bewertung von Heuschreckenhilfsprogrammen gibt, sind das Ausmaß der Zerstörung der Lebensgrundlagen durch Heuschrecken und die Rolle der Heuschreckenhilfsmaßnahmen bei der Minimierung der Auswirkungen des Heuschreckenschocks von politischem Interesse.
Um diese wichtigen und zentralen empirischen Fragen zu beantworten, wurde in dieser Arbeit ein agentenbasiertes Simulationsmodell auf Betriebsebene eingesetzt. MPMAS, ein an der Universität Hohenheim entwickelter Modellierungsrahmen für agentenbasierte Simulationen, wurde angewandt, um die untrennbaren Produktions- und Verbrauchsentscheidungen von Subsistenzbauernhaushalten im zentralen Rift Valley in Äthiopien zu erfassen. Der Modellierungsrahmen verwendet einen mathematischen Programmierungsansatz für den gesamten Betrieb, um die komplexe Dynamik der Entscheidungen der bäuerlichen Haushalte darzustellen, wobei eine Reihe von Beschränkungen und deren komplexe Beziehungen berücksichtigt werden. Dieses Simulationsmodell ermöglicht eine szenariobasierte Politikanalyse durch den Vergleich verschiedener Klima-, Heuschrecken- und Politikszenarien, was mit statistischen und anderen reduzierten Formen ökonometrischer Modelle kaum möglich ist. Durch die Erstellung von Szenarien hilft das Modell, die Wege zu entschlüsseln, über die sich externe Schocks auf das Wohlergehen von Kleinbauern auswirken können.
MPMAS wurde in verschiedenen Ländern, darunter auch in Äthiopien, ausgiebig für Politiksimulationen eingesetzt. Diese Arbeit erweitert frühere MPMAS-Anwendungen in Äthiopien durch neue Funktionen für das zentrale Rift Valley (MPMAS_CRV). MPMAS_CRV wurde anhand der CIMMYT-Haushaltsbefragung parametrisiert und mit CSA-Datensätzen und eigener Feldforschung ergänzt. Ex-ante-Überlegungen von Kleinbauern zu Risikomanagementstrategien für mögliche Klimaschocks werden in MPMAS_CRV explizit erfasst, um ihre Rolle bei der Klimaanpassung und der Verbesserung des Wohlstands zu bewerten. Um die Anpassungsfähigkeit der landwirtschaftlichen Haushalte an wiederkehrende Klimaschocks zu verbessern, werden die Auswirkungen politischer Maßnahmen, wie z. B. ein besserer Zugang zu Krediten und verbesserter landwirtschaftlicher Technologie, durch die Erstellung von Klima- und Politikszenarien quantifiziert. In ähnlicher Weise wurden in dieser Arbeit die Auswirkungen von Heuschreckeninvasionen auf das Wohlergehen der Haushalte und ihre Reaktion auf Heuschreckenhilfsmaßnahmen wie Nahrungsmittel- oder Geldtransfers, ergänzt durch Betriebsmittel und Viehhaltung, quantifiziert. Die Heuschrecken-Simulation ist eine der Neuerungen dieser Studie, da sie die erste ist, die explizit die Auswirkungen der Wüstenheuschrecken auf das Wohlergehen der Haushalte erfasst und die Rolle von Heuschrecken-Hilfsprogrammen durch die Anwendung von MPMAS bewertet.
Um die Auswirkungen von Klima- und Heuschreckenschocks zu quantifizieren und damit verbundene politische Interventionen zu ermöglichen, wurden verschiedene Simulationsexperimente entworfen, die Klima- und Heuschreckenschockhäufigkeiten und politische Szenarien umfassen. Die Simulationsexperimente und Analysen wurden mit den Rechenressourcen des bwForCluster innerhalb der bwHPC-Infrastruktur des Landes Baden-Württemberg durchgeführt.
Vor der Verwendung von MPMAS_CRV für Politiksimulationen wurde seine Zuverlässigkeit anhand der Landnutzung, des Viehbestands und des Umfangs der Ernteverkäufe durch Vergleich der simulierten mit den beobachteten Erhebungswerten validiert. Die Validierungsergebnisse deuten darauf hin, dass MPMAS_CRV reale Bedingungen darstellen und widerspiegeln kann, so dass es zuverlässig für die Quantifizierung von Auswirkungen und für Politiksimulationen verwendet werden kann. Zusätzlich zur empirischen Validierung wurde in dieser Arbeit eine globale Unsicherheitsanalyse durchgeführt, um die Robustheit der Simulationsergebnisse unter verschiedenen Parametervariationen und -kombinationen zu überprüfen und fehlerhafte Politikformulierungen zu minimieren. Die Ergebnisse der Unsicherheitsanalyse zeigen, dass das Modell bei 50 Wiederholungen schnell konvergiert, was bedeutet, dass diese Modellwiederholungen ausreichen, um den Raum der Modellunsicherheit abzudecken.
In Bezug auf extreme Klimaauswirkungen und Anpassungen deuten die Simulationsergebnisse darauf hin, dass Klimaschocks das Wohlergehen der Landwirte insofern beeinträchtigen, als sie mit vorübergehender Nahrungsmittelknappheit, dem Verlust von verfügbarem Einkommen und der Erschöpfung des Viehbestands konfrontiert sind. Die Wohlfahrtsverluste sind sowohl für Szenarien mit als auch ohne Ex-ante-Maßnahmen ähnlich, was darauf hindeutet, dass sich die landwirtschaftlichen Akteure nicht durch autonome Anpassungen an extreme Schocks anpassen können. Nach den Schocks zeigen die Simulationsergebnisse, dass die Landwirte die Einkommens- und Viehbestandsverluste nicht sofort ausgleichen können, selbst wenn sie bei der Planung möglicher Risiken Ex-ante-Maßnahmen berücksichtigen. Dies deutet darauf hin, dass es bei ressourcenarmen Landwirten länger dauert, bis sich Einkommen und Vermögen nach einer Störung erholen, was zu einer langfristigen Existenzkrise und einer Armutsfalle führen kann. Den Simulationsergebnissen in dieser Arbeit zufolge können sich die Agenten jedoch unmittelbar nach dem Ende der Schocks von der Nahrungsmittelknappheit erholen, da die Deckung des Mindestbedarfs an Nahrungsmitteln für die Agenten absolute Priorität vor anderen konkurrierenden Zielen hat (was auch für Subsistenz-Kleinbauern in der realen Welt gilt).
Die Simulationsanalyse der Kredit- und Technologiepolitik zeigt außerdem, dass Wohlfahrtsverluste im Vergleich zu einer Politik ohne sie teilweise kompensiert werden. Die Wohlfahrtsverluste der Akteure werden besser ausgeglichen, wenn Kredit und Technologie gemeinsam eingesetzt werden, als wenn sie getrennt eingesetzt werden. In ähnlicher Weise kompensiert die Technologiepolitik Wohlfahrtsverluste besser als die Kreditpolitik. Obwohl politische Interventionen kompensatorische Effekte haben, indem sie die Verluste minimieren, können sie die negativen Auswirkungen extremer Klimaschocks nicht vollständig ausgleichen, selbst wenn sie gemeinsam eingesetzt werden. Eine Disaggregation der Simulationsergebnisse nach Ressourcenausstattung legt nahe, dass Agenten mit einem höheren Grundeinkommen (ohne Politik) und einer höheren Betriebsgröße relativ weniger von Schocks betroffen zu sein scheinen und am meisten von politischen Maßnahmen profitieren.
Die Ergebnisse der Heuschrecken-Simulationen deuten auch darauf hin, dass der Heuschreckenschock zu einer Existenzkrise führt und eine langsamere Erholung des Einkommens und des Viehbestands ohne jegliche Hilfsprogramme bewirkt. Die Simulation verschiedener Heuschreckenhilfsmaßnahmen zeigt, dass kombinierte Hilfsmaßnahmen im Vergleich zu einzelnen Hilfsmaßnahmen die Wohlfahrtsverluste besser auszugleichen scheinen. Wenn Nahrungsmittel- oder Geldtransfers mit Betriebsmitteln und Vermögenswerten kombiniert werden, sind die Wohlfahrtsverluste im Vergleich zu den einzelnen Maßnahmen erheblich geringer. Wenn die Rückgewinnung von Vermögenswerten mit anderen Hilfsprogrammen kombiniert wird, werden die Verluste beim Viehbestand erheblich reduziert, was auf die Bedeutung der Unterstützung von Vermögenswerten für den Aufbau einer Vermögensbasis hinweist, die langfristig von Nutzen ist. Die Stärkung der Frühwarnsysteme durch Einbeziehung saisonaler Wettervorhersagen ist von größter Bedeutung, um die Krise der Wüstenheuschreckenplage zu verhindern.
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Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Sciences in the Tropics (Hans-Ruthenberg-Institute)
Examination date
2022-12-20
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English
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Original object
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
@phdthesis{Ejeta2022,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6831},
author = {Ejeta, Alemu Tolemariam},
title = {Extreme climate shock and locust infestation impacts in Ethiopia : farm-level agent-based simulation of adaptation and policy options},
year = {2022},
school = {Universität Hohenheim},
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