Sustainability Assessment of Land Use Systems Von der Naturwissenschaftlichen Fakultität der Universität Hannover zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Gartenbauwissenschaften – Dr. rer. hort. – genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. agr. Christof Walter geboren am 15. 10. 1972 in Göttingen 2006 Referent: Prof. Dr. Helmut Stützel Korreferent: Prof. Dr. Olaf Christen Tag der Promotion: 12.12.2005 Kurzfassung Angesichts der wachsenden Beanspruchung natürlicher Ressourcen durch die Mensch• heit und der global ungleichen Verteilung der Vorteile ihrer Nutzung ist “Nachhaltige Entwicklung” zum einem weithin anerkannten Leitbild geworden. Das Ziel dieser Arbeit ist, einen Indikatorensatz zu konstruieren und mit ihm die Nachhaltigkeit eines Spinat-Produktionssystems im Kreis Borken (Nordrhein-Westfalen) zu bewerten. In Kapitel 1 wird ein kurzer Überblick über die Initiative gegeben, die Rahmen für diese Arbeit bildet. In Kapitel 2 werden grundlegende Konzepte der Nachhaltigkeitesbewertung in der Landwirtschaft besprochen. Dabei werden drei Phasen der indikatoren-basierten Nachhaltigkeitsbewertung herausgearbeitet: (1) Konstruktion des Indikatorensatzes; (2) Auswertung des Indikatorensatzes, und (3) Strategieentwicklung. Diese Arbeit folgt mit ihren Hauptkapiteln diesen drei Phasen. Kapitel 3 ist der ersten Phase gewidmet, der Konstruktion des Indikatorensatzes. Speziell befaßt es sich damit, den Begriff “Nachhaltige Landwirtschaft” zu konkretisieren, um ihn als Grundlage für wissenschaftliche Untersuchungen nutzen zu können. In der derzeitigen Literatur zum Thema wird diese Phase oft oberflächlich und nicht systematisch behandelt. Da es, unseres Wissens, keine Methode gibt, die die Konstruktion von Indikatorensätzen systematisch, nachvollziehbar und reproduzierbar gestaltet, wird hier eine solche Methode entwickelt. Sie erstellt zunächst ein Inventar potentieller Probleme, indem sie den laufenden Diskurs über nachhaltige Landwirtschaft in der Literatur nutzt. Und prüft dann, ob diese potentiellen Probleme im konkreten Fall tatsächlich von Bedeutung sind. Am Beispiel des Kreises Borken wird diese Methode demonstriert, um Umweltprobleme auszumachen, die für die Nachhaltigkeit der Landwirtschaft dort relevant sind. Kapitel 4 unternimmt einen Exkurs zur Schätzung von Nährstoffverlusten von landwirtschaftlich genutzten Flächen. Nährstoffverluste aus der Landwirtschaft verursachen eine Reihe von Umweltproblemen. Sie möglichst genau und verläßlich abschätzen zu können ist eine wichtig Voraussetzung, um sachkundige Entscheidungen über unterschiedliche Bewirtschaftungsmaßnahmen treffen zu können. Einige häufig verwendete einfache Schätzmethoden für Nährstoffverluste werden besprochen. Es zeigt sich, daß sich mit ihnen, trotz ihrer Einfachheit, Nährstoffverluste von landwirtschaftlichen Flächen recht präzise und verläßlich schätzen lassen. In Kapitel 5 wird eine Methode entwickelt, die sich mit der zweiten Phase indikatoren• basierter Nachhaltigkeitsbewertung befaßt, der Auswertung des Indikatorensatzes. Kurzfassung Die Methode erfüllt vier spezifische Anforderungen: (1) sie ist für Umwelt-, soziale und wirtschaftliche Indikatoren gleichermaßen geeignet; (2) sie erlaubt den Vergleich sehr unterschiedlicher Landnutzungssysteme; (3) sie integriert über die unterschiedlichen räumlichen Skalenniveaus, auf denen unterschiedliche Probleme auftreten; und (4) sie vermischt nicht deskriptive mit normativen Elementen der Indikatorenauswertung. Die Methode umfaßt ein Standardisierungs- und ein Nachhaltigkeits-Bewertungs• verfahren. Das Standardisierungsverfahren macht unterschiedliche Indikatoren vergleichbar und reflektiert, wie weit sich der tatsächliche Indikatorwert von einem Sollwert unterscheidet. Das Nachhaltigkeits-Bewertungsverfahren ordnet die standardisierten Indikatoren drei diskreten Nachhaltigkeitsklassen zu. Wir wenden diese Methode dann auf das Beispielproduktiossystem im Kreis Borken an. Unterschiede zwischen einzelnen standardisierten Indikatoren werden hauptsächlich vom Beitrag des Produktionssystems zum Gesamtproblem bestimmt, das der jeweilige Indikator beschreibt. Durch den Standardisierungsprozeß “erben” und kombinieren die standardisierten Indikatoren die methodische Unsicherheit ihrer Eingangsdaten. Aufgrund von stochastischen Simulationen mit drei ausgewählten Indikatoren schätzen wir, daß der Standardisierungsprozeß die Unsicherheit um Faktor 2.0 bis 2.5 erhöht. Kapitel 6 befaßt sich mit der dritten Phase Indikatoren-basierter Nachhaltigkeitsbewertung, der Stategieentwicklung. Minderungspotentiale und – möglichkeiten für die Umwelteffekte des Spinatproduktionssystems werden diskutiert. Eine Reihe von praktischen Empfehlungen wird gegeben. Kapitel 7 diskutiert die Umwelteffekte des Spinatproduktionssystems vor dem Hintergrund der finanziellen und sozialen Leistungen, die das Produktionssystem schafft. Schließlich verortet und diskutiert Kapitel 8 die Methodik, die hier entwickelt wurde, im Kontext andere Bewertungssystemen. Es zeigt sich, daß die Methode Schwächen anderer verfügbare Methoden überwindet: Sie (1) ist umfassend, denn sie berücksichtigt ausdrücklich die Konstruktion des Indikatorensatzes; (2) erlaubt den Vergleich zwischen unterschiedlichen Landnutzungssystemen, denn sie kann auf jedes beliebige System angewendet werden, unabhängig von Art, Lage und Skalenniveau; (3) kann unterschiedliche Nachhaltigkeitsdimensionen integrieren (etwa die Umwelt-, soziale und wirtschaftliche Dimension); und sie (4) trennt eindeutig zwischen deskriptiven und normativen Elementen und erlaubt dadurch mit Normativität im wissenschaftlichen Prozeß umzugehen. Dies begründet drei große Vorteilen der Methode: Sie ist umfassend, flexible und transparent. Schlagworte: Nachhaltige Landwirtschaft; Nachhaltigkeitsbewertung; Landnutzungssysteme Abstract In the face of increasing human pressure on the world’s natural resources and global inequity in the benefits of their use, sustainable development has become a widely rec• ognised guiding principle for policy and development. The objective of this study is to construct an indicator set and evaluate the sustainability of a spinach production system in the County of Borken, Northwest Germany. In Chapter 1 a brief overview is given of the initiative that forms the context of this work. Chapter 2 reviews basic concepts of sustainable agriculture assessment. Three stages of indicator-based sustainability assessment are identified: (1) Indicator set con• struction; (2) Indicator set evaluation; and (3) Strategy development. These three stages also provide the structure for the main chapters of this study. Chapter 3 addresses the first of these stages, Indicator set construction. Specifically, it deals with setting up workable conceptions of the term ‘sustainable agriculture’ as the basis of scientific inquiry. Reviewing the current literature on sustainable agriculture, we found that Stage 1 is often treated superficially in the literature on sustainable agri• culture and not addressed in a systematic way. As there is, to our knowledge, no method that would address indicator set construction in a systematic, transparent and reproduci• ble way, a method is developed to meet these requirements. It first makes an inventory of potential sustainability issues from the ongoing discourse on sustainable agriculture; and then tests whether or not a potential issue is actually relevant within a given con• text. The method is then applied to identify environmental issues of concern for agricul• tural sustainability in the case study area in the County of Borken. Chapter 4 is an excursus on estimating nutrient losses from agricultural fields. Nutrient losses from agriculture are a significant driver of many environmental issues and esti• mating them accurately and reliably is a key requirement for making informed decisions about different agricultural management options. A number of often used simple esti• mation methods for such nutrient losses are reviewed. It is found that, in spite of their simplicity, they can well serve to estimate nutrient losses from agricultural fields rela• tively accurately and reliably. In Chapter 5, a methodology is introduced that addresses the second stage of indicator based sustainability assessment, Indicator set evaluation. The method is designed to meet four specific requirements, namely (1) to be applicable to environmental, social Abstract and economic indicators alike; (2) to allow for comparing very different land use sys• tems; (3) to integrate over various spatial scales at which diverse issues emerge; and (4) to be clear about the descriptive and normative elements of the evaluation. The method comprises a standardisation and a sustainability valuation procedure. The standardisation procedure makes different indicators comparable and accounts for the distance between the actual and the target value for a particular indicator. The sustain- ability valuation procedure assigns the standardised indicators to three discrete sustain- ability classes. We then apply the method to the case study production system in the County of Borken. Differences between individual standardised indicators are predominantly determined by the relative share that the land use system contributes to a particular issue. Through the standardisation process, the standardised indicators ‘inherit’ and combine the meth• odological uncertainty from their input data. Based on stochastic simulation with three selected indicators, it is estimated that standardisation procedure increases