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Doctoral Thesis
2025
The role of digital technologies to support sustainability management in agriculture
The role of digital technologies to support sustainability management in agriculture
Weber, Rolf
Abstract (English)
Agriculture causes many environmental problems in the production of food. In addition to the emissions that the agricultural sector emits in the upstream and downstream value chains, the use of plant protection products to increase yields also contributes to the decline in biodiversity. Consumer demands for more sustainable food production are increasing and stricter regulations are also being implemented politically to increase sustainability in European and German agriculture. To achieve this goal, many different assessment tools have been developed to measure and evaluate sustainability in agriculture. In addition to its role in the respective tools, digitization is also becoming increasingly important in food production. The possibilities of digital technologies in agriculture are multifaceted and can help to support farmers in managing their farms. Furthermore, digitization will also have an important impact on sustainability management.
Digitization can help to increase the output:input ratio of farm inputs. Improving the efficiency of resource use has an impact on sustainability. However, tools for assessing sustainability in agriculture cannot show whether the use of digital technologies creates synergies or trade-offs. The sustainability tools also have limitations when it comes to assessing biodiversity, as the assessment takes place retrospectively on the one hand and across farms on the other. An algorithm that supports farmers in the field-specific biodiversity assessment before the cultivation season is still missing. Whether farmers are willing to accept the use of digital technologies to support decision-making has not yet been researched. Without the willingness of farmers to invest in digital technologies, the associated efficiency gains will remain unused and thus slow down the development towards a more sustainable agriculture.
The aim of this work is to show how sustainability management in agriculture can be improved in food production with the support of digital technologies. In the study, field trials on site-specific fertilization were carried out over a period of four years on three different farms in a case study. Using the example of site-specific fertilization as a digital technology, the on-farm-research trials show which trade-offs and synergies occur between ecological and economic sustainability indicators in the digitization of agriculture in arable farming. Site-specific fertilization has led to an increase in yields, regardless of the size of the farm. This results in lower emissions per unit of product produced. In terms of economic benefits, the results show that farm size is crucial for the profitability of site-specific fertilization. The smaller the size of the farm, the higher the costs per unit associated with the technology. Whether synergies or trade-offs occur between ecological and economic sustainability indicators in site-specific fertilization has to be calculated manually so far, as the sustainability assessment tools do not provide this information.
In the second study, an algorithm was developed that assesses the biodiversity potential in an indicator-based and prospective manner. To this end, agricultural management parameters (on-crop) and landscape parameters (off-crop) were first derived from the literature and then discussed in expert interviews. In these interviews, points were awarded for the on-crop and off-crop parameters and parameters influencing biodiversity in particular were weighted twice. The algorithm developed enables the biodiversity potential to be assessed on a field-specific basis. This allows farmers to determine which biodiversity potential is achieved at the cultivation planning stage. In addition, the algorithm can show farmers scenarios on how to optimize biodiversity performance.
The third study addresses the social acceptance of digital technologies among farmers. The first and second study showed how the use of digital technologies can support farmers in their management. Therefore, the third research question investigated whether farmers use them at all. A qualitative Delphi study with experts was conducted to find out whether farmers accept and use digital technologies and how they affect the social dimension of sustainability. In most questions, the experts were unsure about farmers' acceptance of digital technologies and the general impact of digitization on farm life. The experts were concerned about data security, dependence on individual providers and the risk of smaller farmers not digitizing and thus being left behind in the digitization process because the costs of the technology are too high.
Digital technologies can support the farmer's management on the one hand and contribute to a standardized sustainability assessment by automatically evaluating existing data on the other. However, this requires better interoperability of different software programs so that all data generated on the farm can be collected and evaluated centrally. This can enable the automation of the sustainability assessment and the transparency of sustainability performance for the downstream value chain. However, dealing with trade-offs within the sustainability dimensions when using digital technologies on the one hand, and the risk that farmers will not digitize due to a lack of economic viability on the other, hinder the digitization process.
Abstract (German)
Landwirtschaft verursacht bei der Herstellung von Nahrungsmitteln viele Umweltprobleme. Neben den Emissionen, die der landwirtschaftliche Sektor in den vor- und nachgelagerten Wertschöpfungsketten emittiert, führt der Einsatz von Pflanzenschutzmitteln zur Steigerung der Erträge zum Rückgang der Biodiversität. Die Anforderungen seitens der Verbraucher für eine nachhaltigere Lebensmittelproduktion steigen und auch politisch werden strengere Regulierungen umgesetzt um die Nachhaltigkeit in der europäischen und deutschen Landwirtschaft zu erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden viele verschiedene Bewertungstools entwickelt mit denen Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft gemessen und bewertet werden kann. Neben der Bedeutung für die jeweiligen Tools wird die Digitalisierung auch in der Lebensmittelproduktion immer wichtiger. Die Möglichkeiten der digitalen Technologien in der Landwirtschaft sind vielfältig und können Landwirte beim Management ihrer Betriebe unterstützen. Darüber hinaus wird die Digitalisierung auch einen wichtigen Einfluss auf das Nachhaltigkeitsmanagement haben. Durch die Digitalisierung kann das Output:Input Verhältnis der landwirtschaftlichen Betriebsmittel verbessert werden. Eine Verbesserung der Ressourcennutzungseffizienz hat Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit. Tools, die die Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft bewerten, können jedoch nicht aufzeigen, ob durch den Einsatz von digitalen Technologien Synergien oder Zielkonflikte entstehen. Auch bei der Bewertung von Biodiversität haben die Nachhaltigkeitstools Limitierungen da die Bewertung einerseits retrospektiv und andererseits betriebsübergreifend stattfindet. Ein Algorithmus, der Landwirte bei der schlagspezifischen Biodiversitätsbewertung vor der Anbausaison unterstützt, fehlt bisher. Ob die Akzeptanz der Landwirte für die Nutzung von digitalen Technologien zur Unterstützung bei Entscheidungen vorhanden ist, ist bisher unerforscht. Ohne die Bereitschaft der Landwirte in digitale Technologien zu investieren, bleiben die damit verbundenen Effizienzgewinne ungenutzt und verlangsamen dadurch die Entwicklung zu einer nachhaltigeren Landwirtschaft. Das Ziel dieser Arbeit ist es aufzuzeigen, wie mit der Unterstützung von digitalen Technologien das Nachhaltigkeitsmanagement in der Landwirtschaft bei der Herstellung von Lebensmitteln verbessert werden kann. In der Forschungsarbeit wurden über einen Zeitraum von vier Jahren Feldversuche zur teilflächenspezifischen Düngung auf drei unterschiedlichen Betrieben in einer Fallstudie durchgeführt. Die on- farm-research Versuche zeigen am Beispiel der teilflächenspezifischen Düngung, als eine digitale Technologie, welche trade-offs und Synergien bei der Digitalisierung der Landwirtschaft im Ackerbau zwischen ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeitsindikatoren auftreten. Die teilflächenspezifische Düngung hat zu einer Steigerung der Erträge geführt, unabhängig von der Größe des Betriebes. Daraus resultieren geringere Emissionen pro erzeugter Produkteinheit. In Bezug auf den wirtschaftlichen Nutzen zeigen die Ergebnisse, dass die Betriebsgröße entscheidend für die Rentabilität der teilflächenspezifischen Düngung ist. Je kleiner der Betrieb ist, desto höher sind die mit der Technologie verbundenen Kosten pro Einheit. Ob bei der teilflächenspezifischen Düngung Synergien oder Zielkonflikte zwischen ökologischen und ökonomischen Nachhaltigkeitsindikatoren auftreten, muss bisher händisch berechnet werden, weil die Tools zur Bewertung der Nachhaltigkeit darüber keine Aussagen treffen. In der zweiten Forschungsarbeit wurde ein Algorithmus entwickelt, der indikatorbasiert und prospektiv das Biodiversitätspotential bewertet. Dafür wurden zunächst Kulturführungsparameter (on-crop) und Landschaftsparameter (off-crop) aus der Literatur abgeleitet und anschließend in Experteninterviews diskutiert. In diesen Gesprächen wurden für die on-crop und off-crop Parameter Punkte vergeben und besonders biodiversitätsbeeinflussende Parameter doppelt gewichtet. Durch den entwickelten Algorithmus kann das Biodiversitätspotential schlagspezifisch bewertet werden. Dadurch können Landwirte bereits in der Anbauplanung feststellen welches Biodiversitätspotential erreicht wird. Darüber hinaus kann der Algorithmus den Landwirten Szenarien aufzeigen, wie die Biodiversitätsleistung optimiert werden kann. Die dritte Forschungsarbeit adressiert die soziale Akzeptanz digitaler Technologien bei den Landwirten. In der ersten und zweiten Forschungsarbeit wurde gezeigt wie der Einsatz von digitalen Technologien die Landwirte beim Management unterstützen können. Ob Landwirte diese überhaupt nutzen und einsetzen, wurde deshalb in der dritten Forschungsfrage untersucht. Eine qualitative Delphi-Studie mit Experten wurde durchgeführt, um herauszufinden, ob Landwirte digitale Technologien akzeptieren und nutzen und wie sich diese auf die soziale Dimension der Nachhaltigkeit auswirken. In den meisten Fragen sind sich die Experten unsicher wie die Akzeptanz der Landwirte gegenüber digitalen Technologien ist und wie sich die Digitalisierung generell auf das Leben auf den Betrieben auswirkt. Die Experten zeigten sich besorgt über die Datensicherheit, die Abhängigkeit von einzelnen Anbietern und das Risiko, dass Landwirte mit kleineren Betrieben nicht digitalisieren und damit im Digitalisierungsprozess zurückbleiben, weil die Kosten für die Technologie zu hoch sind. Digitale Technologien können einerseits das Management der landwirtschaftlichen Betriebe unterstützen und andererseits zu einer standardisierten Nachhaltigkeitsbewertung beitragen, indem sie vorhandene Daten automatisch auswerten. Dafür ist allerdings die bessere Interoperabilität von verschiedenen Softwareprogrammen notwendig, damit alle generierten Daten auf dem Betrieb zentralisiert gesammelt und ausgewertet werden können. Das ermöglicht die Automatisierung der Nachhaltigkeitsbewertung und den transparenten Nachweis der Nachhaltigkeitsleistung für die nachgelagerte Wertschöpfungskette. Der Umgang mit Zielkonflikten innerhalb der Nachhaltigkeitsdimensionen bei der Nutzung von digitalen Technologien einerseits und das Risiko, dass Landwirte aufgrund von fehlender Betriebswirtschaftlichkeit nicht digitalisieren andererseits, behindern jedoch den Digitalisierungsprozess.
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2025-10-14
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630 Agriculture
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Sustainable Development Goals
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