Sustainable mechanization options for smallholder farming systems in Ethiopia and Kenya

Agriculture in sub-Saharan Africa offers a high potential to contribute to food security and poverty reduction. Realizing this potential requires increasing agricultural productivity in an environmentally sustainable way. Next to facilitating access to improved seeds and mineral fertilizers, mechanization has become an important strategy to improve agricultural productivity in many countries in Sub-Saharan Africa. Mechanization is important as research has shown that labor productivity is particularly low in Sub-Saharan Africa and that it could be increased by mechanization. Recently, mechanization has been on the rise and the service provider model has made it accessible to smallholder farmers. The existing literature on smallholder mechanization in Africa has confirmed its potential to increase agricultural productivity, but it has also revealed two major challenges: (1) One challenge is to identify the type of mechanization that is most suited to increase agricultural productivity in an environmentally sustainable way. There is evidence that the wide-spread use of the disk plow operated by four-wheel tractors, as the main tillage strategy currently promoted by tractor service providers, often results in high soil erosion. Conservation agriculture has been promoted as an alternative strategy, but adoption rates remain low, partly due to a lack of knowledge on the type of equipment that would be most suitable, depending on the farming system. (2) The second challenge is to identify the farming practices that smallholder farmers, who have adopted mechanization, need to apply in addition to ensure that they can realize the full potential of increasing agricultural productivity. Considerable yield gaps that remain even among mechanized smallholder farms, which indicate that other farming practices need to be improved simultaneously to close remaining yield gaps. Regarding these two challenges, there are major knowledge gaps in the literature on smallholder mechanization in Sub-Saharan Africa, which this thesis aims to address. Accordingly, this thesis has three major objectives: (1) to evaluate the technical performance of equipment that are most suitable to promote mechanized conservation agricultural practices, taking agricultural engineering aspects into account (2) to identify the types of farming practices that are most suitable to promote mechanized conservation agricultural practices, taking agronomic and economic aspects into account; and (3) to analyze the farming practices that mechanized smallholder farmers need to improve to exploit the full potential of increasing agricultural productivity. To meet these objectives, three different types of farming systems that can easily be mechanized using four-wheel tractors, have been selected. They are located in two African countries: In Ethiopia, maize-legume and wheat-legume based farming systems were covered, and in Kenya, the research focused on intensive potato production. Ethiopia is a major wheat and maize producer and has experienced substantial challenges with soil degradation caused by conventional tillage. Kenya is a major producer of Irish potatoes, and has experienced declining yields on mechanized farms, which points to challenges in farming practices such as fertilization and crop protection. The research approach employed in this thesis is interdisciplinary and combines agricultural engineering and agronomy with agricultural economics. A mixed methods approach was used, which involved a field experiment on two different experimental stations in Ethiopia and a household survey, which was conducted in Kenya. The project involved cooperation with the public and the private sector. In Ethiopia, the research was facilitated by a collaboration with the government’s Ethiopian Institute of Agricultural Research (EIAR), which operates the Melkassa Agricultural Research Center and the Kulumsa Agricultural Mechanization Research, where the field experiments were carried out. The German company Amazone supported the field experiment in Ethiopia. In Kenya, the research was facilitated in collaboration with the project “African Agricenter of Excellence” (AAE), which involves a Kenyan company (Tinga), which provides mechanization services and three German companies, (Grimme, Pöttinger and Bayer), which provide agricultural machinery. The project is financially supported by the Federal Ministry of Economic Cooperation and Development (BMZ). The on-station field experiments in Ethiopia were conducted in 2022 and 2023. Three treatments were conducted using a Randomized Complete Block Design with three replications. The treatments were conventional tillage, ripping tillage and no-tillage. With regard to seeding, hand-seeding was compared with mechanized drilling. Data were collected on equipment performance (fuel consumption, operation time), agronomics (weather, soil moisture, soil chemical properties, weed count, plant density, number of pods and plant height, yield) and economics (input costs, labor time, revenues). Analytical techniques involved Analysis of Variance (ANOVA) as well as calculation of economic indicators, specifically gross margins, return to total inputs and return to labor. The household survey was conducted in the Nakuru County of Kenya and covered 156 farmers, who were selected from the client list of the mechanization service provider Tinga. A structured questionnaire was used to collect data in face-to-face interviews. The questionnaire covered data on machine use, agronomy as well as economics. A Stochastic Frontier Analysis (SFA) was conducted to estimate the technical efficiency of the farmers and identify the influencing factors. The thesis comprises five chapters. Chapter 1 provides a general introduction. Chapters 2 and 3 present the findings from the field experiment in Ethiopia. Chapter 2 focuses on equipment performance, while Chapter 3 focuses on agronomy and economics. Chapter 4 presents the findings from the household survey in Kenya. Chapter 5 discusses the findings in comparative perspective, derives policy recommendations and draws overall conclusions. The results from the field experiment presented in Chapter 2 show that, expectedly, the two conservation agriculture techniques of ripping and no-till significantly reduce labor time and crop establishment cost for all crops as compared to the conventional tillage and seeding systems. Importantly, the results show that there is a need for site-specific adaptation of technology, especially regarding ripper tyne width, seeding boot attachments, and residue cutting systems as well as for site-specific adaptation of crop configuration, especially regarding row spacing. To enhance the timeliness and labor-saving benefits for smallholder farmers, the results indicate that it would prove advantageous to adopt a rip-seed technology with a residue-cutting system. The chapter further discusses the results obtained in Ethiopia as a case study in Sub-Saharan Africa and compares the findings with successful mechanized Conservation Agriculture seeding technologies, which have been developed for smallholders in India and Bangladesh. Chapter 3 focuses on the economic results from the field experiment in Ethiopia. The result show that in Melkassa, which represents semi-arid conditions, ripping tillage significantly increased maize and haricot bean yields due to improved soil moisture, while in Kulumsa, which represents sub-humid conditions, wheat yields showed no major differences across the three different tillage methods. However, ripping tillage led to higher gross margins due to lower machinery hiring costs than conventional tillage. Conservation tillage methods overall offered better economic returns. The results of the field experiment provide empirical evidence of the agronomic and economic benefits of mechanized Conservation Agriculture, which can be realized by smallholders in varied contexts even in the short term, if smallholders have access to mechanization services based on four-wheel tractors. The findings indicate that offering mechanization services with ripping tillage or no-till equipment could remove a major obstacle to the adoption of Conservation Agriculture in Sub-Saharan African countries. At the same time, the findings indicate that equipment and farming practices need to be tailored to context-specific conditions. Chapter 4 presents the findings of the household survey of potato farmers in Kenya, who use mechanized tillage services. The results indicate that the average technical efficiency of potato production was 63%. 30% of the farmers did not reach a technical efficiency level of 50%. Overall, a rather wide variation of technical efficiency scores was obtained, ranging from 15% to 93%. These results indicate that there is a considerable potential among mechanized potato farmers to increase their technical efficiency and, accordingly, improve overall production as well as their farm incomes. The results indicate that farmers who are older and farmers who have participated in training realize higher technical efficiency, which underlines the role of experience and training. The final chapter discusses the findings of the three papers in comparative perspective and compares the findings with findings from the previous literature in the fields covered by the paper. Limitations and implications for future research are also discussed. Three overall conclusions are derived from the research conducted for this dissertation. First, mechanized Conservation Agriculture can be effective in reaching both environmental as well as economic goals in smallholder farming systems. However, to realize this potential, applied research is required to identify the technological and agronomic options that are most suitable for a specific farming system. Second, strategies to promote mechanization in smallholder farming systems should be accompanied not only with research on training on the use of farm equipment, but address the entire range of good agricultural practices, including crop protection and fertilization. Third, the thesis indicates that collaboration between public sector research and training organizations and private sector machinery companies can play an important role in promoting sustainable mechanization in Sub-Saharan Africa. Die Landwirtschaft in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara bietet ein großes Potenzial, um zur Ernährungssicherheit und zur Armutsbekämpfung beizutragen. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, muss die landwirtschaftliche Produktivität auf ökologisch nachhaltige Weise gesteigert werden. Neben der Erleichterung des Zugangs zu verbessertem Saatgut und Mineraldünger ist die Mechanisierung in vielen Ländern Subsahara-Afrikas zu einer wichtigen Strategie zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität geworden. Die Mechanisierung ist wichtig, da Untersuchungen gezeigt haben, dass die Arbeitsproduktivität in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara besonders niedrig ist und durch Mechanisierung gesteigert werden könnte. In jüngster Zeit ist die Mechanisierung auf dem Vormarsch, und das Modell der Dienstleistungsanbieter hat sie für Kleinbauern zugänglich gemacht. Die vorhandene Literatur zur Mechanisierung von Kleinbauern in Afrika hat deren Potenzial zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität bestätigt, aber auch zwei große Herausforderungen aufgezeigt: (1) Eine Herausforderung besteht darin, die Art der Mechanisierung zu ermitteln, die am besten geeignet ist, die landwirtschaftliche Produktivität auf ökologisch nachhaltige Weise zu steigern. Es gibt Hinweise darauf, dass der weit verbreitete Einsatz des Scheibenpfluges, der von vierrädrigen Traktoren betrieben wird und derzeit von Traktordienstleistern als wichtigste Bodenbearbeitungsstrategie gefördert wird, häufig zu einer starken Bodenerosion führt. Die konservierende Landwirtschaft wurde als alternative Strategie gefördert, aber die Akzeptanz ist nach wie vor gering, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass nicht bekannt ist, welche Art von Geräten je nach Bewirtschaftungssystem am besten geeignet ist. (2) Die zweite Herausforderung besteht darin, die landwirtschaftlichen Praktiken zu ermitteln, die Kleinbauern, die sich für die Mechanisierung entschieden haben, zusätzlich anwenden müssen, um sicherzustellen, dass sie das volle Potenzial zur Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität nutzen können. Selbst bei mechanisierten Kleinbauernbetrieben bestehen noch erhebliche Ertragslücken, was darauf hindeutet, dass andere landwirtschaftliche Praktiken gleichzeitig verbessert werden müssen, um die verbleibenden Ertragslücken zu schließen. In Bezug auf diese beiden Herausforderungen gibt es in der Literatur über die Mechanisierung von Kleinbauern in Afrika südlich der Sahara große Wissenslücken, die mit dieser Arbeit geschlossen werden sollen. Dementsprechend verfolgt diese Arbeit drei Hauptziele: (1) die Bewertung der technischen Leistungsfähigkeit von Geräten, die sich am besten für die Förderung mechanisierter, konservierender landwirtschaftlicher Praktiken eignen, unter Berücksichtigung agrartechnischer Aspekte; (2) die Identifizierung der Arten von landwirtschaftlichen Praktiken, die sich am besten für die Förderung mechanisierter, konservierender landwirtschaftlicher Praktiken eignen, unter Berücksichtigung agronomischer und wirtschaftlicher Aspekte; und (3) die Analyse der landwirtschaftlichen Praktiken, die mechanisierte Kleinbauern verbessern müssen, um das volle Potenzial der Steigerung der landwirtschaftlichen Produktivität zu nutzen. Um diese Ziele zu erreichen, wurden drei verschiedene Arten von landwirtschaftlichen Systemen ausgewählt, die sich leicht mit vierrädrigen Traktoren mechanisieren lassen. Sie befinden sich in zwei afrikanischen Ländern: In Äthiopien wurden Anbausysteme auf Mais- und Weizen-Leguminosen-Basis untersucht, und in Kenia konzentrierte sich die Forschung auf den intensiven Kartoffelanbau. Äthiopien ist ein bedeutender Weizen- und Maiserzeuger und hat erhebliche Probleme mit der Bodendegradation, die durch die konventionelle Bodenbearbeitung verursacht wird. Kenia ist ein wichtiger Produzent von irischen Kartoffeln und hat sinkende Erträge in mechanisierten Betrieben zu verzeichnen, was auf Herausforderungen bei der landwirtschaftlichen Praxis wie Düngung und Pflanzenschutz hinweist. Der in dieser Arbeit verwendete Forschungsansatz ist interdisziplinär und kombiniert Agrartechnik und Agronomie mit Agrarökonomie. Es wurde ein Mixed-Methods-Ansatz verwendet, der einen Feldversuch an zwei verschiedenen Versuchsstationen in Äthiopien und eine Haushaltsbefragung in Kenia umfasste. Das Projekt umfasste die Zusammenarbeit mit dem öffentlichen und dem privaten Sektor. In Äthiopien wurde die Forschung durch eine Zusammenarbeit mit dem staatlichen Ethiopian Institute of Agricultural Research (EIAR) erleichtert, das das Melkassa Agricultural Research Center und das Kulumsa Agricultural Mechanization Research betreibt, wo die Feldversuche durchgeführt wurden. Das deutsche Unternehmen Amazone unterstützte den Feldversuch in Äthiopien. In Kenia wurde die Forschung in Zusammenarbeit mit dem Projekt „African Agricenter of Excellence“(AAE) ermöglicht, an dem ein kenianisches Unternehmen (Tinga), das Mechanisierungsdienstleistungen anbietet, und drei deutsche Unternehmen (Grimme, Pöttinger und Bayer), die Landmaschinen bereitstellen, beteiligt sind. Das Projekt wird vom Bundesministerium für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (BMZ) finanziell unterstützt. Die Feldversuche auf den Stationen in Äthiopien wurden in den Jahren 2022 und 2023 durchgeführt. Es wurden drei Behandlungen in einem randomisierten vollständigen Blockversuch mit drei Wiederholungen durchgeführt. Bei den Behandlungen handelte es sich um konventionelle Bodenbearbeitung, Rippensaat und Direktsaat. Bei der Aussaat wurde die Handsaat mit der maschinellen Aussaat verglichen. Es wurden Daten zur Maschinenleistung (Kraftstoffverbrauch, Betriebszeit), zur Agronomie (Witterung, Bodenfeuchtigkeit, bodenchemische Eigenschaften, Unkrautzahl, Pflanzendichte, Anzahl der Hülsen und Pflanzenhöhe, Ertrag) und zur Ökonomie (Inputkosten, Arbeitszeit, Einnahmen) erhoben. Zu den Analysetechniken gehörten die Varianzanalyse (ANOVA) sowie die Berechnung wirtschaftlicher Indikatoren, insbesondere der Bruttomargen, des Ertrags im Verhältnis zum Gesamtinput und des Ertrags im Verhältnis zum Arbeitsaufwand. Die Haushaltsbefragung wurde im Bezirk Nakuru in Kenia durchgeführt und umfasste 156 Landwirte, die aus der Kundenliste des Mechanisierungsdienstleisters Tinga ausgewählt wurden. Für die Datenerhebung in persönlichen Gesprächen wurde ein strukturierter Fragebogen verwendet. Der Fragebogen umfasste Daten zum Maschineneinsatz, zur Agronomie und zu den wirtschaftlichen Aspekten. Eine stochastische Grenzanalyse (SFA) wurde durchgeführt, um die technische Effizienz der Landwirte zu schätzen und die Einflussfaktoren zu ermitteln. Die Arbeit besteht aus fünf Kapiteln. Kapitel 1 enthält eine allgemeine Einführung. In den Kapiteln 2 und 3 werden die Ergebnisse des Feldversuchs in Äthiopien vorgestellt. Kapitel 2 befasst sich mit der Leistung der Geräte, während Kapitel 3 den Schwerpunkt auf Agronomie und Wirtschaftlichkeit legt. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse der Haushaltsbefragung in Kenia vorgestellt. In Kapitel 5 werden die Ergebnisse in einer vergleichenden Perspektive erörtert, politische Empfehlungen abgeleitet und allgemeine Schlussfolgerungen gezogen. Die Ergebnisse des in Kapitel 2 vorgestellten Feldversuchs zeigen, dass die beiden Verfahren der konservierenden Landwirtschaft - Rippen und Direktsaat - erwartungsgemäß den Arbeitsaufwand und die Kosten für den Anbau aller Kulturen im Vergleich zur konventionellen Bodenbearbeitung und Aussaat deutlich reduzieren. Wichtig ist, dass die Ergebnisse zeigen, dass eine standortspezifische Anpassung der Technologie erforderlich ist, insbesondere in Bezug auf die Breite der Aufreißzinken, die Anbaugeräte für die Saatstiefel und die Systeme zum Schneiden der Rückstände sowie die standortspezifische Anpassung der Pflanzenkonfiguration, insbesondere in Bezug auf den Reihenabstand. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es sich als vorteilhaft erweisen würde, eine Rip-Seed-Technologie mit einem Rückstandsschneidesystem einzuführen, um die Zeit- und Arbeitsersparnis für Kleinbauern zu erhöhen. In diesem Kapitel werden die in Äthiopien erzielten Ergebnisse als Fallstudie in Subsahara-Afrika erörtert und mit erfolgreichen mechanisierten Conservation Agriculture-Sätechniken verglichen, die für Kleinbauern in Indien und Bangladesch entwickelt wurden. Kapitel 3 befasst sich mit den wirtschaftlichen Ergebnissen des Feldversuchs in Äthiopien. Die Ergebnisse zeigen, dass in Melkassa, das für halbtrockene Bedingungen steht, die Bodenbearbeitung durch Reißen die Mais- und Ackerbohnenerträge aufgrund der verbesserten Bodenfeuchtigkeit erheblich steigerte, während in Kulumsa, das für subhumide Bedingungen steht, die Weizenerträge keine größeren Unterschiede zwischen den drei verschiedenen Bodenbearbeitungsmethoden aufwiesen. Die Bodenlockerung führte jedoch zu höheren Bruttomargen, da die Mietkosten für Maschinen niedriger waren als bei der konventionellen Bodenbearbeitung. Die konservierenden Bodenbearbeitungsmethoden boten insgesamt bessere wirtschaftliche Erträge. Die Ergebnisse des Feldversuchs liefern empirische Belege für die agronomischen und wirtschaftlichen Vorteile der mechanisierten konservierenden Landwirtschaft, die von Kleinbauern in unterschiedlichen Kontexten auch kurzfristig realisiert werden können, wenn sie Zugang zu Mechanisierungsdienstleistungen auf der Basis von Vierradtraktoren haben. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Angebot von Mechanisierungsdienstleistungen mit Ripping Tillage- oder No-Till-Ausrüstung ein Haupthindernis für die Einführung der konservierenden Landwirtschaft in den afrikanischen Ländern südlich der Sahara beseitigen könnte. Gleichzeitig zeigen die Ergebnisse, dass die Ausrüstung und die Anbaumethoden auf die kontextspezifischen Bedingungen zugeschnitten werden müssen. In Kapitel 4 werden die Ergebnisse der Haushaltsbefragung von Kartoffelbauern in Kenia vorgestellt, die mechanisierte Bodenbearbeitungsdienste nutzen. Die Ergebnisse zeigen, dass die durchschnittliche technische Effizienz der Kartoffelproduktion 63 % betrug. 30 % der Landwirte erreichten nicht einmal ein technisches Effizienzniveau von 50 %. Insgesamt wurde eine recht große Streuung der technischen Effizienzwerte ermittelt, die von 15 % bis 93 % reichte. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass es bei den mechanisierten Kartoffelbauern ein erhebliches Potenzial zur Steigerung ihrer technischen Effizienz und damit zur Verbesserung der Gesamtproduktion und des Betriebseinkommens gibt. Die Ergebnisse zeigen, dass ältere Landwirte und Landwirte, die an Schulungen teilgenommen haben, eine höhere technische Effizienz erzielen, was die Rolle von Erfahrung und Schulung unterstreicht. Im letzten Kapitel werden die Ergebnisse der drei Arbeiten in einer vergleichenden Perspektive diskutiert und mit den Erkenntnissen aus der bisherigen Literatur in den von der Arbeit abgedeckten Bereichen verglichen. Es werden auch Einschränkungen und Implikationen für die zukünftige Forschung diskutiert. Aus den für diese Dissertation durchgeführten Untersuchungen lassen sich drei allgemeine Schlussfolgerungen ableiten. Erstens kann die mechanisierte konservierende Landwirtschaft sowohl ökologische als auch ökonomische Ziele in kleinbäuerlichen Anbausystemen erreichen. Um dieses Potenzial auszuschöpfen, ist jedoch angewandte Forschung erforderlich, um die technologischen und agronomischen Optionen zu ermitteln, die für ein bestimmtes Anbausystem am besten geeignet sind. Zweitens sollten Strategien zur Förderung der Mechanisierung in kleinbäuerlichen Anbausystemen nicht nur mit Forschungsarbeiten zur Schulung im Umgang mit landwirtschaftlichen Geräten einhergehen, sondern das gesamte Spektrum guter landwirtschaftlicher Praktiken, einschließlich Pflanzenschutz und Düngung, berücksichtigen. Drittens zeigt die These, dass die Zusammenarbeit zwischen Forschungs- und Ausbildungseinrichtungen des öffentlichen Sektors und Maschinenherstellern des Privatsektors eine wichtige Rolle bei der Förderung einer nachhaltigen Mechanisierung in Afrika südlich der Sahara spielen kann.