Modeling crop yield and farmer adaptation to rainfall variability the case of Southern Ethiopia

Improving the livelihood of poor households in developing countries by increasing agricultural productivity and production becomes the priority agenda for development actors. However, variability in rainfall has confronted success in achieving this goal. There is pressing interest in analyzing the effects of rainfall variability on household welfare and identifying policy interventions to mitigate its adverse effects. Ethiopian economy primarily depends on rain fed agriculture. Agriculture is the backbone of the country's economy; it contributes the lions share of GDP, employment, export earnings, and livelihood. Fluctuations in rainfall distribution and intensity have severely affected the economy in general and the livelihood of smallholder households in particular; the agricultural sector is more prone to changes in climatic condition, which increases the risk of poverty and hunger for poor farm households. Few studies have attempted to analyze the direct effects of rainfall variability on crop yield and its indirect effect on household welfare. Therefore, this thesis aimed at filling the knowledge gap on the impacts of rainfall variability on crop yield and welfare. Moreover, the study explores the role of adaptation strategies in mimicking the negative effects of rainfall variability accounting for household performance decision under resource constraint for Ethiopian farmers. The study employed Mathematical Programming Based Multi Agent System (MP MAS) computer simulation techniques to analyze the effects of rainfall variability on crop yield, household welfare and the role of adaptation strategies in mitigating the adverse effects of rainfall variability. Prior to application to the study, the MP MAS simulation model is parametrized, calibrated, and validated using data from the Ethiopian Rural Household Survey (ERHS) primary data collected from the research area and thirty year rainfall time series data obtained from meteorological stations located near to the study area. To address the mentioned research question a wide range of rainfall and adaptation strategy scenarios were designed. The agent based model enables us to incorporate different bioeconomic systems in the decision making process by smallholder farmers, which is otherwise difficult under a real world situation where farm households face inseparable decision making process. Moreover, the model accounts for the heterogeneity in resource endowment, investment, production, consumption, agro ecology, input constraints, and demographic distribution among households. Livestock, consumption, crop growth and irrigation water distribution models were combined in this study. The household food consumption decision is estimated by using three stages advanced consumption module and crop water requirement and irrigation water distribution modeled using inbuilt FAO CropWat and EDIC modules, and finally an empirical analysis was done by using STATA version 12. The simulation result suggested that: (i) Both current and future rainfall variability would have negative effects on crop yield and household welfare. (ii) The yield of cereals crops and vegetables are negatively affected by rainfall variability: some perennial crops such as enset gains yield under rainfall variability. (iii) Household welfare deteriorated with rainfall variability; resource poor households are severely affected by rainfall variability. (iv) Adaptation strategies such as non farm activities, irrigation, and soil and water conservation activities mitigate the negative effects of rainfall variability. (v) Improving the financial or non farm constraints alone leads to increased income inequality. Therefore, the recommended solution to reduce adverse effects of rainfall variability includes: (i) Implementing integrated policy interventions than a single strategy. (ii) Improving access to credit and access to non farm activities. (iii) Designing a pro poor intervention (such as improving the asset base of the poor households) (iv) Improving access and use of improved agricultural technologies, and (v) Increasing access and use of irrigation to enhance agricultural productivity. Die Verbesserung der Lebensgrundlage der armen Haushalte in Entwicklungslandern durch die Erhohung der landwirtschaftlichen Produktivitat und Produktion wird zu einer Prioritat fur die Entwicklungsakteure. Allerdings beeintrachtigen Niederschlagsschwankungen das Erreichen des Ziels einer Welt ohne Hunger. Daher ist es von groser Bedeutung, die Auswirkungen der Niederschlagsvariabilitat auf die Wohlfahrt der Haushalte zu untersuchen und mogliche Strategien zu identifizieren, um seine nachteiligen Auswirkungen zu reduzieren. Die athiopische Landwirtschaft basiert hauptsachlich auf Regenfeldbau. Die Landwirtschaft ist das Ruckgrat der Wirtschaft des Landes, denn sie tragt zum Hauptanteil des BIP, zur Beschaftigung und zum Export und Lebensunterhalt bei. Schwankungen der Niederschlagsverteilung und Intensitat des Niederschlags haben ernste Folgen fur die Gesamtwirtschaft und die Lebensgrundlage der Kleinbauern. Auserdem ist der landwirtschaftliche Sektor anfalliger fur die Folgen des Klimawandels, der die Armut und das Hungerrisiko bei armen bauerlichen Haushalten erhoht. Nur wenige Studien haben versucht, die direkten Auswirkungen von Niederschlagsvariabilitat auf Ertrage und ihre indirekte Wirkung auf die Wohlfahrt der Haushalte zu analysieren. Ziel dieser Arbeit ist es, einerseits die Wissenslucke zwischen Niederschlagsschwankungen, Feldfruchtertragen und Wohlfahrt zu schliesen und anderseits die Rolle der Anpassungsstrategien zur Minderung der negativen Auswirkungen der Niederschlagsvariabilitat mit Berucksichtigung der Haushalteigenschaft unter Ressourceneinschrankungen bei athiopischen Landwirten zu untersuchen. Die Studie nutzte das agentenbasierte Modellsystem MP MAS (Mathematical programming based multi agent system) zur Analyse der Auswirkungen von Niederschlagsvariabilitat auf den Feldfruchtertrag und auf die Wohlfahrt der Haushalte und der Rolle von Anpassungsstrategien bei der Milderung der negativen Auswirkungen der Niederschlagsvariabilitat. Um die genannte Forschungsfrage anzugehen, wurde eine breite Palette von Niederschlags und Anpassungsstrategienszenarien entwickelt. Agentenbasierte Modellierung ermoglicht es verschiedene bio okonomische Systeme in den Entscheidungsprozess von Kleinbauern zu integrieren. Zudem wird in dem Model die Heterogenitat in der Ressourcenausstattung berucksichtigt. Viehzucht, Anbau, Konsum, Pflanzenwachstum und Bewasserungswasser Verteilungsmodelle wurden in dieser Studie kombiniert. Die Entscheidung uber den Lebensmittelkonsum der Haushalte wurde geschatzt durch die Nutzung des Three stage consumption modules des MPMAS Modells. Pflanzenwasserbedarf und Bewasserungswasserverteilung wurden mit FAO CropWat und EDIC Modulen modelliert. Auswirkungen von Niederschlagsschwankungen auf Feldfruchtertrage und die Wohlfahrt der Haushalte wurden mit MP MAS Software durchgefuhrt und schlieslich die empirische Analyse mittels STATA gemacht. Das Simulationsergebnis legte nahe, dass (i) sowohl die gegenwartige als auch die zukunftige Regenvariabilitat negative Auswirkungen auf die Ernte und das Auskommen der Haushalte haben wurde (ii) die Getreide und Gemuseernten von der Regenvariabilitat negativ betroffen waren: einige mehrjahrige Ernten wie etwa Ensete haben unter Regenvariabilitat hohere Ertrage (iii) das Auskommen von Haushalten sich mit Regenvariabilitat verschlechtert; arme Haushalte ohne Ressourcen sind besonders stark betroffen (iv) Anpassungsstrategien wie andwirtschaftsfremde Aktivitaten, Bewasserung, boden und wasserschonende Masnahmen die negativen Auswirkungen von Regenvariabilitat mildern (v) lediglich die Verbesserung der finanziellen, nicht das Feld betreffenden Zwange nur zu hoherer Einkommensungleichheit fuhrt Daher schliest die empfohlene Losung zur Minimierung negativer Auswirkungen von Regenvariabilitat Folgendes ein: (i) die Umsetzung integrierter Losungsansatze statt einer einzigen Strategie (ii) verbesserter Zugang zu Krediten sowie Einkommensmoglichkeiten, die nichts mit der Landwirtschaft zu tun haben (iii) der Entwurf einer Intervention zum Vorteil der Armen (wie etwa die Verbesserung der Vermogensgrundlage armer Haushalte) (iv) verbesserter Zugang und Nutzung besserer landwirtschaftlicher Technik und verbesserter Zugang und Nutzung von Bewasserung, um die landwirtschaftliche Produktivitat zu erhohen.