Konzeption und Entwicklung eines Entscheidungsunterstützungssystems für das Integrierte Nematodenmanagement im Zuckerrübenanbau

In Hinblick auf die bevorstehenden Preissenkungen im Rahmen der Reform der europäischen Zuckermarktordnung ist es entscheidend, den Zuckerrübenanbau zum Erhalt der innerbetrieblichen Wettbewerbsfähigkeit so effizient wie möglich zu gestalten. Integriertes Management des wichtigsten Schaderregers an Zuckerrüben, des Rübenzystennematoden Heterodera schachtii, ist ein wesentlicher Bestandteil eines effizienten Zuckerrübenanbaus. Im Rahmen dieser Arbeit wird ein bio-ökonomisches Entscheidungsunterstützungssystem als eigenständig lauffähiges Computerprogramm entwickelt. Dieses versetzt Landwirte und deren Berater in die Lage, durch Prognose der ökonomischen Auswirkungen der im Rahmen des Integrierten Nematodenmanagements zur Verfügung stehenden Handlungsalternativen die relativen Vorzüglichkeiten der Maßnahmen zu bewerten. Die entwickelten biologisch-technischen Simulationsmodelle, die als Informationssystem des Entscheidungsunterstützungssystems dienen, umfassen die Simulation und Prognose der Abundanzdynamik des Nematoden unter Wirts- und Nichtwirtspflanzen und unter dem Einfluss der Managementmaßnahmen sowie der Ertragsdynamik der Zuckerrübe mit und ohne Schaderregerbefall. Die Simulationsmodelle sind dynamisch und stochastisch gestaltet. Ihre Entwicklung erfolgt nach dem Schema Konzeption - Formalisierung der Modellelemente in Form mathematischer Gleichungen - Kalibrierung der Modellparameter - Verifikation und Validierung des Modellansatzes. Die Kalibrierung der Modellparameter erfolgt auf der Basis von Auswertungen mehrjähriger nematologischer und pflanzenbaulicher Feldversuche aus dem Rheinland, Literaturangaben, Expertenmeinungen und ergänzend plausiblen Annahmen. Mit dem Entscheidungsunterstützungssystem werden längerfristige Simulationsexperimente durchgeführt, in denen die durch Carry-over-Effekte hervorgerufenen Folgekosten der einzelnen Managementmaßnahmen für die vergleichende Bewertung erfasst werden können. Als politische Systemumwelt für diese Simulationsexperimente wird die bis 2006 geltende Zuckermarktordnung der EU in der für das Rheinland maßgeblichen Ausgestaltung des Zuckererzeugers Pfeifer & Langen KG aus Köln nachgebildet. Wichtigstes Ergebnis dieser Simulationsexperimente ist, dass die vornehmliche Leistung der betrachteten Maßnahmen des Nematodenmanagements in der Verringerung der Variabilität der ökonomischen Zielgröße kumulierter Gesamtdeckungsbeitrag besteht. Nematodenmanagement empfiehlt sich daher in erster Linie als ein Instrument der Risikominderung im Zuckerrübenanbau. In zweijährigen Fruchtfolgen (50% Zuckerrübenanteil) erweist sich das so genannte Resistenzmanagement, d.h. der wechselnde Anbau nematodenresistenter und -anfälliger Zuckerrübensorten, unabhängig von der Risikopräferenz des Entscheidungsträgers als am vorzüglichsten. In der verbreiteten dreijährigen Fruchtfolge verzichten risikoneutrale Entscheidungsträger auf Nematodenmanagement, während risikoaverse Entscheidungsträger den frühen Anbau nematodenresistenter Zwischenfrüchte nach Stoppelweizen bzw. Wintergerste gegenüber einer Fruchtfolge ohne Nematodenmanagement präferieren könnten. Selbst bei Fruchtfolgen, in denen Zuckerrüben lediglich alle vier Jahre angebaut werden, senkt Nematodenmanagement noch die Volatilität der Zielgröße. Als Ansatzpunkt für Modellerweiterungen werden abschließend gesamtbetriebliche Planungs- und Optimierungsansätze diskutiertConcept and development of a decision-support-system for the integrated nematodemanagement in sugar beet cultivation With regard to the forthcoming price cut within the reform of the Common Market Organization for sugar it is vital to form the sugar beet cultivation as efficiently as possible to preserve its intrafarm competitiveness. Integrated management of the most important pest in sugar beets, the sugar beet cyst nematode Heterodera schachtii, is an essential component of efficient sugar beet cultivation. In this doctoral thesis a bioeconomic decision-support-system (dss) is developed as a stand-alone computer program. It enables farmers and their advisers to assess the excellence of the measures available within the integrated nematode management by predicting their economic consequences. The developed biological-technical simulation models serve as an information system of the dss and enclose the simulation and prediction of the nematodes abundance under hosts and nonhosts and under the influence of the management measures, as well as the sugar beet yield development with and without the influence of the nematode. The simulation models are dynamic and stochastic. Their development occurs according to the pattern concept - formalization of the model elements in form of mathematical equations - calibration of the model parameters - verification and validation of the model. The calibration of the model parameters is based upon evaluations of long-time nematological and agronomic field trials located in the Rhineland, references, expert's opinions and additional feasible assumptions. With the dss long-term simulation experiments are carried out in which the costs caused by carry-over effects of the single management measures can be grasped for comparative assessments. The political system environment for these experiments is the EU's Common Mar-ket Organization for sugar valid until 2006 and its regional implementation by the sugar producer Pfeifer & Langen based in Cologne. The most important result of these simulation experiments is that the main achievement of the considered measures for nematode management exists in the reduction of the variability of the economic model output "accumulated total gross margin". Hence, nematode management is primarily recommended as an instrument of risk management in sugar beet cultivation. In two-year sugar beet rotations, the so-called resistance management, i.e. the alternating cultivation of nematode resistant and susceptible sugar beet cultivars, turns out most superior independent of the decision makers risk preference. Indeed, in widespread three-year sugar beet rotations risk neutral decision makers resign nematode management, but risk averse decision makers could prefer early catch crop cultivation after wheat or winter barley to a crop rotation without nematode management. Even in four-year sugar beet rotations nematode management still reduces the accumulated total gross margin's volatility. Finally, attempts of total rotation planning and optimization are discussed as a first step for further model development

Ein Entscheidungsunterstützungssystem für den Zwischenfruchtanbau: Konzeption, Entwicklung, Validierung

Die Arbeit beschreibt Entwicklung und Validierung eines computergestützten Entscheidungsunterstützungssystems (decision support system, DSS), das Nutzern aus Praxis, Beratung und Planung unterstützt, standort-, situations- und zielbezogene Entscheidungen zur Etablierung von Zwischenfruchtbeständen zu treffen. Das DSS wurde als wissensbasiertes System konzipiert, das Wissen und Erfahrungen von Experten (aus Befragungen und Fachliteratur) verarbeitet. Mit der Software Matlab 5.3/ Python 2.0/ GTK+ 1.3 wurde das DSS als PC-fähige Stand-Alone-Software mit graphischer Benutzeroberfläche entwickelt. Unsicheres Expertenwissen wurde durch unscharfe Mengen (Fuzzy-Sets) und Fuzzy-Inferenzsysteme formalisiert. Das DSS unterstützt die Auswahl geeigneter Anbauverfahren (Entscheidungsvariablen wie Zwischenfrucht, Bestellverfahren, Saattermin etc.), die von vielfältigen Anbauzielen (z.B. Nährstoffkonservierung, Bodenschutz) sowie nicht (direkt) beeinflussbaren Zustandsgrößen (z.B. Anbausituation, Standorteigenschaften) bestimmt wird. Je Verfahren werden spezifische Leistungspotenziale und Anforderungen an die Zielgrößen Biomasse, Deckungsgrad sowie aufgenommene Stickstoffmenge berechnet, die über eine Fuzzy-Nutzenbewertung abgeglichen und mit spezifischen Zielerfüllungsgraden bewertet werden. Anhand von Experteninterviews und Literaturdaten wurden die DSS-Ergebnisse überprüft: die einzelnen DSS-Komponenten liefern stabile und plausible Ergebnisse. Für unterschiedliche Fallbeispiele (Standorte, Anbausituationen, Anbauziele, wie sie innerhalb Deutschlands auftreten) kann das DSS situationsspezifische Informationen und Startbedingungen verarbeiten sowie entsprechende Experteneinschätzungen und Unsicherheiten gut abbilden

Wetterderivate als Instrument im Risikomanagement landwirtschaftlicher Betriebe

Die vergangenen und vermutlich zukünftigen Reformen der gemeinsamen Agrarpolitik führen bei landwirtschaftlichen Aktivitäten zu einem Anstieg der Risiken. Marktrisiken nehmen durch Marktliberalisierungen und daraus resultierenden abnehmenden Preisstützungen zu. Darüber hinaus können strengere Richtlinien bei der Anwendung von Pflanzenschutzmitteln die Ertragsvariabilität erhöhen. Daher erscheint es sinnvoll, neue oder zusätzliche Instrumente des Risikomanagements zu analysieren. In diesem Kontext stellen Wetterderivate ein neues Konzept dar, das in jüngster Vergangenheit zunehmend Interesse auf sich gezogen hat. Im Gegensatz zu klassischen Finanzderivaten wird bei solchen die Auszahlung von zukünftigen Wettereignissen wie Temperatur oder Niederschlag determiniert. Dadurch ist die Absicherung von Risiken möglich, die nicht aus der Wertänderung von gehandelten Finanztiteln sondern aus der Unsicherheit zukünftiger klimatischer Prozesse stammen. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die einzelbetriebliche Wirkungsanalyse von Wetterderivaten, wobei drei verschiedene Modelle genutzt werden. Es sollen Möglichkeiten und Grenzen von Wetterderivaten als Instrument im Risikomanagement in landwirtschaftlichen Betrieben aufgezeigt werden. Die Arbeit beginnt mit einer Darstellung von Risiko und Risikomanagement, wobei verschiedene Methoden der Risikobeurteilung diskutiert werden. Risiko wird häufig mit Lower Partial Moments gemessen, bei denen keine Annahme der exakten Verteilung der Zufallsvariable vorausgesetzt werden muss. Im Gegensatz zu Versicherungen ist bei Wetterderivaten keine adverse Selektion oder moral hazard möglich. Jedoch zeigt eine Korrelationsanalyse zwischen den Wetterparametern Temperatur und Niederschlag und dem Ertrag von verschiedenen Kulturen an verschiedenen Kulturen keine einheitlichen Beziehungen den Parametern. In der vorliegenden Arbeit werden ein autoregressiver Prozess dritter Ordnung für die Modellierung der Temperaturentwicklung und ein Markovkettenmodell für die Niederschlagsentwicklung verwendet. Ein Gewächshausmodellbetrieb wird entwickelt, um den Einfluss eines Temperaturderivats auf das Heizenergiekostenrisiko zu überprüfen. In zwei weiteren Modellen wird der Einfluss von Niederschlagsderivaten auf das Ertragsrisiko von Stärkekartoffeln und Zwiebeln analysiert. Das Zwiebelmodell wird einer gesamtbetrieblichen Wirkungsanalyse unterzogen. Eine Risikoreduzierung der mit dem Wetterderivat abgesicherten Kultur wird erzielt, wobei sich der Effekt im diversifizierten Modellbetrieb auf gesamtbetrieblicher Ebene verringert.Weather Derivatives as Risk Management Tool in Agriculture Past and presumable future reforms of the CAP tend to increase the risk associated with farming activities. Globalisation of trade combined with declining commodity price support result in an increase of market risks. Besides this, more stringent regulations with respect to the application of agro chemicals cause an increase of yield variability. It therefore appears worthwile analysing new or additional risk management instruments. Among these are weather derivatives a fairly new concept that has recently gained a considerable amount of interest. Contrary to traditional financial derivatives their payoff is determined by future weather events such as temperature or precipitation. Thus, they allow the securitisation of risks which are not caused by changes of market value of traded finance titles but result from the uncertainty of the climatic processes. The study addresses the farm level impacts of hedging with weather derivatives using three modelling approaches. The objective is to evaluate the economic attractiveness of weather derivatives and to assess their potential and limitations as farm level instruments of risk management. The study starts with a description of risk and risk management whereby different methods of risk assessment are discussed. Risk exposure is often presented by Lower Partial Moments who do not need an exact distribution assumption of the random variable. Contrary to insurances weather derivatives do not evoke adverse selection and moral hazard. However, in this study correlation analysis between temperature, precipitation and yield of different crops on different sites show no standardised relation between these parameters. The development of weather parameters can be modelled in different ways. In this study a third order autoregressive process is used for temperature and in case of precipitation a Markov Chain model. To review the impact of a temperature derivative on the heating energy cost risk a greenhouse model firm is used. Precipitation derivatives are modelled to analyse their impact on the yield risk of starch potatoes and onions. The latter is used to evaluate the whole-farm effect of weather derivatives. A risk reduction for the hedged crop is achieved by using the weather derivative. In the diversified model farm on whole farm level the risk reducing effect diminishes

GIS based analysis of agricultural biomass

Zur Abschätzung von regionalen Bioenergiepotenzialen wurden das Biomasse-Ertragsmodell (Biomass Yield Model BYM) entwickelt und in Brandenburg, Deutschland und Europa angewendet. Dazu wurden die erforderlichen Modelleingansparameter (Anbauflächen landwirtschaftlicher Kulturen, Geodaten zum bodenspezifischen Ertragsniveau sowie Niederschlagssummen nach Vegetationszeiten von Winter- und Sommerfrüchten) für die unterschiedlichen Skalenebenen abgeleitet und validiert. Die Potenzialanalysen sind auf eine standortangepasste, nachhaltige Landwirtschaft, den Anbau von regional ausgewogenen Fruchtfolgen und eine ausgeglichene oder positive Humusbilanz ausgerichtet. Unter Berücksichtigung des regionalen Verbrauchs an Saatgut, Nahrungs- und Futtermitteln werden Bioenergiepotenziale für Biokraftstoffe, Biogas und landwirtschaftliche Reststoffe regional differenziert modelliert. Es können klimatische und landwirtschaftliche Szenarien sowie Rohstoff-Konkurrenzen im Einzugsbereich der Bioenergieanlagen berechnet und standortspezifisch differenziert visualisiert werden.The biomass yield model BYM was developed to assess regional bioenergy targets and the achievement of which. The model delivers regionally differentiated biomass potentials for biofuel, biogas and agricultural residues. They are aligned to a locally adapted agricultural management systems taking good practice guidelines, regionally adapted crop rotations and humus balances into account. An estimation of regional consumption of seed, food and feed were considered as well. Scenarios enable the visualization of differences in the climatic conditions, agricultural management practices as well as competitive biomass consumption. Additionally, the catchment area of bioenergy plants can be represented. As model input parameters the following were developed and validated at the scales of federal state Brandenburg, Germany and Europe: the acreage of crops, soil productivity level and growing season precipitation of winter and summer crops. The model basic yield functions have been adapted to the precipitation time series