Institut für Tropische Agrarwissenschaften (Hans-Ruthenberg-Institut)

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A low-tech approach to mobilize nutrients from organic residues to produce bioponic stock solutions
(2024) Heintze, Sebastian; Beckett, Marc; Kriem, Lukas Simon; Germer, Jörn; Asch, Folkard; Heintze, Sebastian; Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart, Germany; (S.H.); (L.S.K.); Beckett, Marc; Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart, Germany; (S.H.); (L.S.K.); Kriem, Lukas Simon; Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology, Nobelstr. 12, 70569 Stuttgart, Germany; (S.H.); (L.S.K.); Germer, Jörn; Hans-Ruthenberg Institute for Tropical Agricultural Sciences, University of Hohenheim, Garbenstr. 13, 70599 Stuttgart, Germany; (J.G.); (F.A.); Asch, Folkard; Hans-Ruthenberg Institute for Tropical Agricultural Sciences, University of Hohenheim, Garbenstr. 13, 70599 Stuttgart, Germany; (J.G.); (F.A.); Liu, Guodong
Organic residues, as a nutrient source suitable of producing solutions for hydroponic crop production, have the potential to reduce the dependence on mineral fertilizers. Especially in remote and resource-constrained regions, organic residues might be the only option to produce hydroponic nutrient solutions. However, nutrient solutions made from organic residues, called bioponic solutions, are usually unbalanced in their nutrient composition, which leads to deficiencies and poor plant growth. This study aimed to experimentally develop a low-tech approach to produce bioponic stock solutions rich in NO3−, P, and K, to create a balanced bioponic solution. The mixed bioponic solution contained 58 mg L−1 NH4+-N, 43 mg L−1 NO3−-N, 50 mg L−1 PO43−-P, and 246 mg L−1 K+. This approach resulted in satisfactory levels of P, K and micronutrients. The solution was tested pure and spiked with Ca(NO3)2 on lettuce in comparison with a mineral Hoagland nutrient solution. Neither the bioponic nor the spiked bioponic solution achieved comparable lettuce yields to the Hoagland solution. The poor growth of the plants in the bioponic solution was attributed to an unfavorable NH4+:NO3− ratio, high microorganism load, and elevated pH levels. However, the approach of preparing bioponic stock solutions could be promising for future research into the production of balanced bioponic nutrient solutions from organic residues.
Digital agriculture: socio-technical-physical interactions and the transformation of the rural world(s)
(2024) Hidalgo Jaramillo, Francisco Javier; Regina, Birner
The social and environmental challenges that humanity faces today to produce food, fuel, and fibers in a sustainable and fair way call for a transformation. Digital agriculture has been embraced with much enthusiasm by many as the contour of such transformation. Proponents of these technologies, including international organizations as well as numerous researchers focused on innovations, describe this innovation as a paradigm shift. Associated with increased efficiencies and enhanced communication, digital agriculture is commonly depicted by these groups as the advent of a more sustainable and ‘smart’ future. Other groups, including grassroots organizations, socio-environmental activists, and critical scholars, on the other hand, see digital agriculture with skepticism and concern. They refer to the entrenchment of digital agriculture in productivist, capitalist, and extractivist forms of production, and a linkage with the consolidation of corporate power and state surveillance. Using a critical and systems approach, this thesis scrutinizes these arguments, examining the socio-technical transitions that emerge from agricultural digitalization, and discerns their societal and environmental consequences. This examination is relevant given that despite digital agriculture can transform the face of agricultural systems, it is not yet clear in what way. The emergent condition of digitalization requires this analysis to inform responsible governance of this innovation. Critical studies have made important contributions to this understanding. However, the complexity of digital agriculture calls for additional conceptual frameworks to be incorporated. The coffee production system has been selected as a case study in this thesis. This selection responds to the global scope of this system and the relevance that it represents for rural development. To set the picture: coffee is one of the most traded agricultural products in the world. Yet, more than 70% of it is produced by smallholder farmers who receive less than 10% of its final value. Meanwhile, coffee farmers experience manifold social and environmental challenges that threaten their livelihoods and the sustainability of the whole system. Poverty, power and information asymmetries, and climate change are among them. Against this background, this thesis takes the perspective of coffee as a crop, a cultural system, and a value chain. Following a qualitative research approach, the analysis is informed by a theoretical literature review and data from semi-structured interviews with developers and users of digital technologies. The thesis is divided into three studies (chapters 2, 3, and 4) which together present a critical analysis applied at three scales: 1) global, 2) value chain, and 3) local. Across these studies, three main socio-technical aspects of digital agriculture are addressed. First, global governance of digital agriculture and its consequences for farmers’ rights and capabilities. Second, the consequences of different technical assemblages for the sustainability of agricultural systems. Third, local forms of interaction with digital technologies. After presenting and introduction in Chapter 1, Chapter 2 presents a literature review on the political dynamics of digital agriculture. Drawing upon an emancipatory conceptualization of agency and sovereignty, this chapter is focused on describing two main forms of governance: governance through and governance of digital technologies in the context of agriculture. This description is followed by an analysis of the multiple effects of these two forms of governance on farmer’s sovereignty and agency. The analysis revealed that the governance of digital agriculture is an assemblage of multiple agencies of human and cyber agents (smart devices, automated machines, algorithms). Socio-technical interactions in this assemblage result simultaneously in sovereignty and agency gains and losses for farmers - a complex set of power transactions in which farmers participate many times inadvertently. Together with oppressive forms of governance associated with corporate technological lock-in, data extractivism, and a surveilling state, there is evidence also of a democratic facet of digitalization. This facet is integrated by open-collaborative networks, data cooperatives, cyberactivism, and open-source software. With this analysis, the study aimed to understand how the political position of farmers is affected by digitalization, understanding that this process is occurring in a context of structural power imbalance. A socio-technical perspective is applied in Chapter 3 to explore 20 digital tools designed for the coffee value chain, examining the pathways toward sustainability (environmental, social, and economic) promoted by these tools. The socio-technical perspective mainly proposes that social and technical systems shape each other in reciprocal interactions. Building on this idea, the chapter examines the technical attributes of these tools (functionality, technologies included, operation rules, information flow). Subsequently, it analyzes the consequences of these attributes in terms of three broad social dynamics: 1) knowledge and value systems represented, 2) power structures, and 3) possibilities for using these tools effectively. The forms in which these social dynamics are shaped by these tools, in turn, yield specific sustainability outcomes. These include the kind of production systems that are endorsed - and not endorsed -, the access to these technologies and their benefits, and the way in which social inequalities and power asymmetries are addressed - or not addressed -. The data for this analysis comes from interviews with 15 developers of these tools and secondary information. The analysis shows that technical attributes play a fundamental role in directing the kinds of pathways toward sustainability that are made available for agricultural systems. Additionally, it shows that in some cases, rather than a revolution, digital agriculture can look like business as usual but tweaked. Chapter 4 presents a local perspective on digitalization. Using data from interviews with 73 households in two selected coffee growing communities in Colombia, this chapter explores how they engage with digital technologies. The study parts from the idea that important reality-design gaps in digital agriculture result from a lack of understanding and inclusion of local worldviews around digital technologies and farming. Amartya Sen’s capabilities approach was adopted as the conceptual framework for the analysis. This framework posits that resources only become assets when they can be used by individuals to accomplish the life they value. For that reason, the analysis in this chapter was focused on first, understanding the elements that configure a valuable life for these communities, and next, understanding how they use digital technologies to support the accomplishment of this life. The underlying values of this local process of technological appropriation were compared with the values represented by broader narratives of digital agriculture. This offered a picture of the negotiations and tensions that occur when contrasting visions of farming, digitalization, and a desirable future, interface. Drawing upon a relational perspective, the local appropriation process is characterized by multiple negotiations between farmers’ personal and collective goals, situated knowledge, institutional programs, and the agency of non-humans (e.g. land, plants, animals, machines). From these interactions emerge distinctive forms of digitalization and non-digitalization. This process of local appropriation revealed the critical view of farmers and agency, for example, by following a digitalization pathway that profoundly diverges from dominant imaginaries and discourses around digital agriculture. By applying a systems approach and by integrating three frameworks into critical scholarship - (1) emancipatory conceptualization of agency and sovereignty, (2) Sen´s capabilities approach, and (3) a relational approach - this thesis presents evidence of the complexity of socio-technical-physical interactions that lead to certain broad-mainstream and local-everyday digitalization pathways. These pathways, in turn, present particular societal consequences, such as the kind of agricultural worlds that are made possible, the interests that are represented in them, and the possibilities of participation for different social groups. More than a single trajectory, digital agriculture is a space of multiplicity and permanent emergence, also for reproducing current – not necessarily sustainable - models. For this reason, this thesis calls for abandoning notions of immutability, universality, and uniformity in development discourses, perspectives of rurality, and the generation of new technologies. Instead, it proposes to integrate a critical and systems-relational perspective into inclusionary innovation research and practice.
Etablierung und Vernetzung digital-gestützter Systeme auf Pferdebetrieben unter Berücksichtigung der betriebswirtschaftlichen Optimierung
(2024) Speidel, Linda Thurid; Dickhöfer, Uta
Das Management eines pferdehaltenden Betriebs umfasst eine Vielzahl arbeitswirtschaftlicher Herausforderungen. Dazu zählen unter anderem die zeitintensiven Arbeitsabläufe, das notwendige Kundenmanagement in Pensions- und Schulpferdebetrieben sowie die begrenzte Verfügbarkeit von Fachkräften. Auf Ackerbau- und Veredelungsbetrieben wird der Nutzen der Digitalisierung bereits wahrgenommen, da deren Einsatz unter anderem Potenzial zur Zeitersparnis und Arbeitserleichterung bietet. Obgleich des genannten Potenzials sind Pferdebetriebe bisher wenig digitalisiert und technisiert, die Grundversorgung erfolgt meist manuell. Im Rahmen dieser, im Projekt „Digitale Wertschöpfungsketten für eine nachhaltige kleinstrukturiert Landwirtschaft“ (DiWenkLa) angefertigten, Forschungsarbeit wurde daher untersucht, welche Möglichkeiten der Digitalisierung bisher genutzt werden und unter welchen Voraussetzungen die einzelnen Systeme in Pferdebetrieben etabliert werden können. Des Weiteren wurde analysiert, welche Auswirkungen der Einsatz dieser Systeme auf den Arbeitszeitbedarf im Pferdebetrieb hat und welche Informationen über Schnittstellen zwischen den Systemen ausgetauscht werden können. Dafür wurden von März 2020 bis Oktober 2023 Experteninterviews, (Arbeitszeit-)Beobachtungen und Online-Befragungen durchgeführt. Zunächst wurden die vorhandenen Möglichkeiten der digitalen Technisierung auf Pferdebetrieben in der Fütterung von Rau- und Krippenfutter, der Entmistung und Einstreu, der Gesundheits- und Sicherheitsüberwachung sowie der Kommunikation und dem Betriebsmanagement untersucht. Der Schwerpunkt lag auf den Voraussetzungen, die erfüllt sein müssen, um ausgewählte digital-technische Systeme auf den Betrieben zu etablieren. Zu diesem Zweck wurden Beobachtungen und Befragungen bei pferdehaltenden Betrieben (N=1235) und den Kooperationspartnern aus der Industrie des Projekts DiWenkLa durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbindung digital-technischer Systeme von der Investitionsbereitschaft der Betriebsleitenden, der stabilen Internetverbindung, einer verfügbaren Stromversorgung in den Stallgebäuden (Steckdosen) und dem vorhandenen Haltungssystem (z. B. Einzel- oder Gruppenhaltung sowie Gliederung der Haltung in Funktionsbereiche) abhängt. Auf den an einer Online-Befragung teilnehmenden Pferdebetrieben (N=451) wurden Kameras zur Sicherheits- (30,8 %) und Gesundheitsüberwachung (22,6 %) sowie Software für die Kundenkommunikation (24,8 %) und das Betriebsmanagement (13,7 %) eingesetzt. Die automatisierte Fütterung von Krippenfutter (9,3 %) und Raufutter (7,3 %) war selten vorhanden. Eine Gliederung der Haltung in Funktionsbereiche führte zu einem vermehrten Einsatz digital-technischer Systeme. Als Gründe gegen den Einsatz neuer digital-technischer Systeme wurden von den 207 teilnehmenden Betriebsleitenden die fehlenden Finanzmittel, der unbekannte wirtschaftliche Nutzen sowie der Kontaktverlust zu den Tieren genannt. In Anlehnung an die vorliegenden Ergebnisse erscheint eine erneute Erhebung der vorhandenen Systeme auf Pferdebetrieben sinnvoll, um etwaige Veränderungen im Verlauf der Zeit abzubilden und die Gründe für die Investition in neue digital-technische Systeme zu ermitteln. Des Weiteren sollte untersucht werden, ob Einsteller bei einem höheren Digitalisierungsgrad im Pferdebetrieb bereit sind, einen höheren Pensionspreis zu bezahlen. Zu diesem Zweck könnte die Zahlungsbereitschaft beim Einsatz von z. B. Futterautomation und intelligenten Kameras zur Gesundheitsüberwachung abgefragt werden. Des Weiteren wurde analysiert, welche betriebswirtschaftlichen Vorteile die auf den Pferdebetrieben etablierten, digital gesteuerten Systeme mit sich bringen können. Dazu wurden die möglichen Auswirkungen der Digitalisierung auf den Arbeitszeitbedarf für verschiedene Arbeitsabläufe wie die Fütterung, Entmistung und Hütesicherheit untersucht. Dies wurde durch Zeiterfassungen mit und ohne den Einsatz der Systeme sowie mit Hilfe von Online-Befragungen (N=1014) und Experteninterviews (N=16) realisiert. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen bei der Einzelhaltung von Pferden eine potenzielle Arbeitszeitersparnis in der Fütterung und Entmistung von bis zu 65 % durch eine automatisierte Fütterung von Rau- und Krippenfutter und den Einsatz von mobiler Technik, wie beispielsweise einem Hoflader. Zudem kann der Einsatz dieser Systeme auch dazu führen, dass die benötigte Arbeitszeit in anderen Arbeitsabläufen sinkt. Ein Beispiel hierfür ist der Einsatz einer automatisierten Fütterung, welcher zu einer geringeren Arbeitszeit in der Kundenkommunikation führte. Dies wurde in den durchgeführten Datenerhebungen dadurch begründet, dass gewünschte Änderungen in der Rationsgestaltung automatisiert erfolgen und somit nicht persönlich kommuniziert werden müssen. Darüber hinaus lassen sich durch eine digitale Absprache und die Dokumentation wesentlicher Arbeitsschritte und Änderungen in den Abläufen sowie Kundenwünschen Fehler reduzieren und Missverständnisse vermeiden. Auf Basis der Ergebnisse sollten die Abfragen der Arbeitszeitbedarfe der Arbeitsabläufe mit exakten und vorgegebenen Werten wiederholt und teilweise ergänzt werden. Dies betrifft z. B. den Zeitbedarf für das Betriebsmanagement, die Tierkontrolle und den Weidegang. Dadurch können die vorhandenen Kalkulationsgrundlagen aktualisiert und das Bewusstsein der Betriebsleitenden für teils unbeachteten Arbeitszeitaufwand geschärft werden. Dieser kann wiederum durch den Einsatz von digital-technischen Systemen reduziert werden. Darüber hinaus wurde ein Konzept für eine Schnittstelle für digitale Systeme für Pferdebetriebe entwickelt, um den Datenaustausch zwischen Systemen zu vereinfachen und somit die Übersichtlichkeit der verschiedenen Informationen aus den eingesetzten Technologien zu optimieren sowie zusätzliche Zeitersparnis zu gewährleisten. Dazu wurden mittels Experteninterviews (N=20 Experten) die auszutauschenden Informationen zwischen Systemen für die Fütterung, die Entmistung und Einstreu, die Gesundheits- und Sicherheitsüberwachung sowie das Betriebsmanagement und die Kommunikation identifiziert, um eine verbesserte Übersicht für die Betriebsleitenden zu gewährleisten. In diesem Kontext wurde der Datenaustausch zwischen Futterautomationen und Kommunikationssoftware als besonders relevant hervorgehoben. Je nach Bedarf können die Informationen aus dem Datenaustausch transparent an die Kunden (z. B. Einsteller) weitergegeben werden. Eine Online-Befragung ergab, dass die Mehrheit (57,2 %) aller Teilnehmenden (N=451) Interesse an einer Vernetzung der Systeme zeigt. In zukünftigen Untersuchungen könnten zum einen die Gründe für das Interesse an einer Vernetzung analysiert werden, da bisher lediglich die Gegenposition untersucht wurde (d.h. Gründe gegen das Interesse an der Vernetzung). Zum anderen könnte die Einbindung weiterer Systeme neben den genannten geprüft werden, insbesondere die Anbindung der vorhandenen Hardware (z. B. Solarien, Aquatrainer) an das Internet und die (standardisierte) Programmierung der Schnittstelle, um z. B. eine unkomplizierte und transparente Abrechnung der Nutzung zu ermöglichen. Die Etablierung und Vernetzung digital-technischer Systeme in Pferdebetrieben ist bei erfüllbaren Voraussetzungen als sinnvoll anzusehen, da sie eine Arbeitszeiteinsparung generieren, eine Entlastung der Arbeitskräfte ermöglichen, die Kommunikation verbessern und das Betriebsmanagement sowie die Sicherheits- und Gesundheitskontrolle der Tiere vereinfachen. Diese Faktoren sind neben der Beachtung und Verbesserung des Tierwohls für eine nachhaltige, zukunftsfähige Pferdehaltung unabdingbar.
Governance of land rehabilitation and remediation: case studies of Ghana’s small-scale mining sector
(2024) Adu-Baffour, Ferdinand Ababio; Birner, Regina
The artisanal and small-scale mining (ASM) sector is a complex and evolving industry that presents unique challenges within the global resource landscape. Despite its traditional labeling as artisanal, ASM operations are increasingly becoming mechanized, utilizing heavy machinery and hazardous chemicals such as mercury and cyanide for mineral extraction. Concurrently, the informal nature of most ASM operations limits effective top-down regulatory enforcements due to governance challenges. These developments have led to wide spreads of degraded, contaminated and abandoned rural community lands which also serve as valuable agricultural and forest lands for inhabitants of affected mining communities. While the existing literature has extensively analyzed the impacts of these developments on local, national, and global economies, ecologies, health, and welfare, there remains a notable gap in understanding the governance of rehabilitating and remediating affected environments post-mineral extraction. Furthermore, phytoremediation – a biological innovation which can help remediate contaminated sites and address the problem of soil degradation and erosion, with reported economic and environmental benefits – has only seen very limited global commercial adoption. In regions where traditional remediation approaches are financially untenable, like in the Global South, however, phytoremediation is argued to be a suitable and viable solution towards a greener future for remediation and environmental restoration. This thesis aims to address the knowledge gaps pertaining to the governance of rehabilitating and remediating affected environments affected by mineral extraction in the artisanal and small-scale mining (ASM) sector. Specifically, it focuses on systematically investigating the governance challenges in ASM, exploring community-based solutions for sustainable land restoration, and proposing a framework for the broader-based application of phytoremediation to address land contamination in the small-scale gold mining sector in Ghana. These research objectives are structured around three chapters, with the first two focusing on empirical case studies and the last chapter serving as a review of scientific and grey literature, as well as project reports on land rehabilitation and phytoremediation. Chapter 2, which addresses the first objective, delves into the obstacles hindering the implementation of the legal framework for artisanal small-scale mining (ASM) in Ghana. The first part conducts an institutional analysis of the legal and political framework governing Ghana’s small scale mining sector, with a particular focus on its implications for post-mined land rehabilitation efforts. This is followed by an assessment of the practical application of the legal framework in the context of small-scale gold mining (ASGM) value chain, using the Process Net-Mapping tool along with stakeholder interviews. The study reveals outdated legislation, formal licensing bureaucracies, land tenure issues, and ineffective collaboration among stakeholders as major bottlenecks. Drawing on these insights, the chapter discusses the broader implications of the findings for the effective running of the ASGM value chain and recommends, among other things, the adoption of collaborative governance systems, like co-management, to ensure sustainability. Chapter 3, which addresses the second objective, examines community-based solutions for sustainable mined land restoration through a case study of an NGO-initiated project in five active mining communities in Ghana's Amansie West district. The chapter utilizes a combination of qualitative methods including the participatory Net-Mapping tool to explore conditions under which local communities would engage in restoration efforts without financial incentives, revealing community support, using communal labor, dependent on factors like land tenure arrangements and local leadership influence. The study underscores the potential of community-led efforts for land rehabilitation, emphasizing the role of social networks, norms, and land tenure structures. Chapter 4, which addresses the third objective, introduces a conceptual framework for the effective and sustainable application of phytoremediation to clean contaminated lands resulting from mining activities. This is the result of insights drawn from existing phytoremediation literature, including case studies where the field application or/and commercialization of phytoremediation has been successful, and lessons gleaned from other real-world applications of the technology. The framework encompasses technical considerations across the phytoremediation process and identifies the socio-cultural, economic, political, and institutional conditions necessary for successful large-scale implementation. The paper provides valuable guidance for regions seeking to leverage phytoremediation to benefit society and the environment. In conclusion, this thesis contributes to understanding the challenges facing the ASM sector and proposes innovative solutions to address governance issues, promote community-based land restoration, and facilitate the scaling of phytoremediation initiatives for sustainable development in the mining sector, particularly in developing regions. The holistic approach advocated in this thesis underscores the importance of legal reforms tailored to the constantly evolving ASM sector, stakeholder collaboration, adaptive governance systems, and community engagement to effectively navigate the intricate ASM landscape and maximize its beneficial effects on local livelihoods and development worldwide.

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