A financial analysis of tree windbreaks as climate smart management strategies for farms in South Africa

Abstract

South Africa has become warmer over the past six decades, with an average annual temperature increase of 0.12°C per decade between 1901 and 2020. Annual mean temperature in South Africa have risen faster than the observed global average and are more than 1.5°C above the levels that prevailed before the industrial revolution. Especially in the western parts of South Africa, evidence shows that climatic conditions are becoming drier and mean temperatures rise. Higher temperature levels during autumn, winter and summer periods coincide with an increase in drought events and strong winds. Agricultural adaptation to these changes in climate and climate variability requires farm level responses. Windbreaks can be of substantial importance for maintaining ecosystem services of the agricultural landscape, such as crop protection, biomass production, the avoidance of wind erosion, the development of humus in the soil, carbon sequestration and human health benefits. These sometimes indirect benefits come at a cost to the agricultural producers: the abandonment of arable land in favour of windbreak trees. To understand and explain the long-term impacts of windbreaks on farm profitability the costs and benefits are essential. There are no studies on the profitability of tree-based windbreaks in fruit and wine farming in South Africa. Should farmers consider tree-based windbreaks when considering expert-based uncertainty analyses on profitability? In this thesis a financial comparisons of windbreak systems in South African vineyard and orchards was performed, considering only the most tangible effects of windbreaks in these production systems with a rigorous uncertainty analysis. In particular, an investment model was constructed testing the viability of establishing citrus with Casuarina windbreak trees under various wind protection scenarios as well as vineyards with Populus windbreak trees. The empirical approach of this thesis combined interview data with financial modeling under uncertainty, to evaluate the farm-level financial viability of windbreak trees in citrus and wine farming of South Africa. In a first part, the data from on-farm and online interviews was used to understand vineyard and windbreak cost, benefits, management and farmer perceptions. Technical and farm-level data of farming was collected by means of direct on-farm interviews during a field trip in the 2019/2020 season. Further, additional online interviews of farmers collected data on perceived trade-offs and windbreak system designs. Financial analysis was performed by means of discounted cash flow method, discounting yearly gross margins to present values. To move a way from deterministic point estimates only, stochastic elements were brought into the financial analysis. Farmer and expert estimated ranges and distributions were utilized for an uncertainty analysis. To account for direct financial benefits, data from ecophysiological modeling of woody biomass and carbon sequestration of windbreak trees as well as wind protection scenarios were included in the financial model to draw conclusions on farm farm-level profitability. The results of the online farm surveys show that despite the potentially significant benefits of tree wind protection on farms,there are different levels of acceptance of windbreaks on farms in the in South Africa. The reason for this lies in the divergent subjective perception and assessment of wind damage and windbreak benefits. The results of the feasibility analyses of establishing poplar windbreaks as borders to vineyards in the Western Cape Province are as follows: When considering wood chips sales of windbreaks, the cumulative cash flows of such a modeled poplar-vineyards system does not catch up to an open field bench mark. The process of discounting erodes wood chip income which is only generated at the end of a 20 year lifetime. The reason for this may be multifold, with the most obvious being the low wood chip price farmers currently receive. In the case of continuous carbon payments, windbreaks do not accrue enough carbon to be outperform unprotected vineyards when the current price is USD 9 per ton. In this scenario, windbreaks are not harvested, but kept along the vineyards for the entire lifespan. The median per-hectare net present value is USD 3663 per hectare for the open field system, while the net present value including carbon payments is USD 2815 for a vineyard with a single row windbreaks and USD 2307 for a double row vineyard-windbreak system. There is however no doubt that windbreaks impact yields of adjacent orchards. When ignoring yield protection the financial viability of windbreaks may be underestimated. When the assumption is made, that windbreak protect vineyards from yield losses in severe wind years occurring every 5 years, single-row windbreak-vineyard systems outperform unprotected orchards in terms of profitability. The results of the feasibility analyses of establishing windbreaks as bor- ders to citrus orchards in the Western Cape Province are as follows: When the assumption is made, that windbreaks protect orchards from yield losses occurring every fifth year, windbreak designs 1 and design 2 as well as nets outperform open field conditions from an investment appraisal point of view when considering the net present value or the annual annual gross margin. In support of the cost-benefit investment indicators, the stochastic domi- nance analysis also showed that a certain windbreak design may be preferred by the risk-neutral or risk-averse mandarin farmer over open field conditions. Using stochastic dominance analysis, a two-sided windbreak design was found to dominant over all other tree-based windbreaks. In all wind damage frequency scenarios except annual wind damage scenario, the cumulative distribution of this two-sided design remained visually dominant over open field orchards using a second order dominant criterion. The data collected and results of this study suggests that nets have the highest returns, but have by far the highest investment costs, where net establishment costs alone are even higher then orchard establishment costs. The calculated internal rate of return is however well above the current interest rates and farmers may thus be guided by the net present value when basing their investment decisions solely on profitability. Not accounted is the fact that nets may reduce the aesthetics and appeal of landscapes in the Western Cape Province of South Africa. Many fruit and wine farms in South Africa do also engage in tourism, hosting events and accommodating international tourists. The attractiveness of these farms may thus be a relevant objective to farm-level decision-makers. The results of this thesis indicate that tree-based windbreak designs can improve the profitability of orchards and be a dominant investment strategy over open field conditions. This is the first known study in South Africa which quantifies the uncertainties about agronomic windbreak factors influencing the returns. This studies contributes to shedding light on the long-term uncertainties in returns and improves understanding of wind damage reduction by scenario analysis. Ultimately, the the thesis helps to understand and foster adoption of windbreak trees as climate smart adaptation strategy in fruit and wine farming of South Africa.

In Südafrika ist es in den letzten sechs Jahrzehnten wärmer geworden, mit einem durchschnittlichen jährlichen Temperaturanstieg von 0,12°C pro Jahrzehnt zwischen 1901 und 2020. Die jährliche Durchschnittstemperatur in Südafrika ist schneller gestiegen als der beobachtete globale Durchschnitt und liegt mehr als 1,5 °C über den Werten, die vor der industriellen Revolution herrschten. Vor allem in den westlichen Teilen Südafrikas zeigt sich, dass die klimatischen Bedingungen trockener werden und die Durchschnittstemperaturen steigen. Höhere Temperaturen im Herbst, Winter und Sommer gehen mit einer Zunahme von Dürreperioden und starken Winden einher. Die Anpassung der Landwirtschaft an diese Veränderungen des Klimas und der Klimaschwankungen erfordert Reaktionen auf Betriebsebene. Windschutzstreifen können für die Aufrechterhaltung der Ökosystemleistungen der Agrarlandschaft von erheblicher Bedeutung sein, z. B. für den Pflanzenschutz, die Biomasseproduktion, die Vermeidung von Winderosion, die Humusbildung im Boden, die Kohlenstoffbindung und die menschliche Gesundheit. Diese mitunter indirekten Vorteile sind für die landwirtschaftlichen Erzeuger mit Kosten verbunden: die Aufgabe von Ackerland zugunsten von Windschutzbäumen. Um die langfristigen Auswirkungen von Windschutzbäumen auf die Rentabilität landwirtschaftlicher Betriebe zu verstehen und zu erklären, sind die Kosten und der Nutzen von entscheidender Bedeutung. Es gibt keine Studien über die Rentabilität von Windschutzbäumen im Obst- und Weinbau in Südafrika. Sollten Landwirte baumbasierte Windschutzanlagen in ihren Plantagen errichten, wenn sie expertenbasierte Unsicherheitsanalysen zur Rentabilität in Betracht ziehen? In dieser Arbeit wurde ein finanzieller Vergleich von Windschutzsystemen in südafrikanischen Wein- und Obstgärten durchgeführt, wobei nur die greifbarsten Auswirkungen von Windschutzanlagen in diesen Produktionssystemen mit einer rigorosen Unsicherheitsanalyse berücksichtigt wurden. Insbesondere wurde ein Investitionsmodell erstellt, mit dem die Rentabilität des Anbaus von Zitrusfrüchten mit Casuarina-Windschutzbäumen unter verschiedenen Windschutzszenarien sowie von Weinbergen mit Populus- Windschutzbäumen getestet wurde. Die empirische Vorgehensweise dieser Arbeit kombinierte Interviewdaten mit Finanzmodellen unter Unsicherheit, um die finanzielle Rentabilität von Windschutzbäumen im südafrikanischen Zitrus- und Weinanbau auf Betriebsebene zu bewerten. In einem ersten Teil wurden die Daten aus On-Farm- und Online-Interviews verwendet, um die Kosten, den Nutzen, das Management und die Wahrnehmungen der Landwirte in Bezug auf Weinberge und Windschutzstreifen zu verstehen. Technische Daten und Daten auf Betrieb- sebene wurden mittels direkter Interviews auf dem Betrieb während einer Exkursion in der Saison 2019/2020 erhoben. Darüber hinaus wurden durch zusätzliche Online-Interviews mit Landwirten Daten zu wahrgenommenen Kompromissen und Windschutzsystemdesigns gesammelt. Die Finanzanalyse wurde mit Hilfe der Discounted-Cashflow-Methode durchgeführt, bei der die jährlichen Bruttomargen auf den Gegenwartswert abgezinst werden. Um von rein deterministischen Punktschätzungen wegzukommen, wurden stochastische Elemente in die Finanzanalyse einbezogen. Die von Landwirten und Experten geschätzten Spannen und Verteilungen wurden für eine Unsicherheitsanalyse verwendet. Um den direkten finanziellen Nutzen zu berücksichtigen, wurden Daten aus der ökophysiologischen Modellierung der holzigen Biomasse und der Kohlenstoffbindung von Windschutzbäumen sowie Windschutzszenarien in das Finanzmodell einbezogen, um Rückschlüsse auf die Rentabilität auf Betriebsebene zu ziehen. Die Ergebnisse der Online-Betriebsbefragungen zeigen, dass trotz der potenziell erheblichen Vorteile von Windschutzbäumen auf landwirtschaftlichen Betrieben die Akzeptanz von Windschutzbäumen auf landwirtschaftlichen Betrieben in Südafrika unterschiedlich hoch ist. Der Grund dafür liegt in der abweichenden subjektiven Wahrnehmung und Bewertung von Windschäden und Windschutzvorteilen. Die Ergebnisse der finanziellen Simulation zur Errichtung von Pappel- Windschutzstreifen als Begrenzung von Weinbergen in der Provinz Westkap lauten wie folgt: Bei der Betrachtung des Hackschnitzelverkaufs von Windschutzstreifen erreicht der kumulative Cashflow eines solchen modellierten Pappel-Weinbergs-Systems nicht die Benchmark eines offenen Feldes. Der Prozess der Abzinsung führt zu einer Aushöhlung der Hackschnitzel-Einnahmen, die erst am Ende einer 20-jährigen Lebensdauer anfallen. Der Grund dafür kann vielfältig sein, wobei der offensichtlichste Grund der niedrige Hackschnitzelpreis ist, den die Landwirte derzeit erhalten. Im Falle kontinuierlicher Kohlenstoffzahlungen können Windschutzstreifen nicht genug Kohlenstoff ansammeln, um bei einem derzeitigen Preis von 9 USD pro Tonne besser abzuschneiden als ungeschützte Weinberge. In diesem Szenario werden die Windschutzstreifen nicht geerntet, sondern entlang der Weinberge während der gesamten Lebensdauer. Der mittlere Nettogegenwartswert pro Hektar beträgt 3663 USD für das offene Feldsystem, während der Nettogegenwartswert einschließlich Kohlenstoffzahlungen 2815 USD für einen Weinberg mit einreihigem Windschutz und 2307 USD für ein zweireihiges Weinberg-Windschutzsystem beträgt. Es besteht jedoch kein Zweifel daran, dass sich Windschutzstreifen auf die Erträge der angrenzenden Obstanlagen auswirken. Wenn die Ertragssicherung außer Acht gelassen wird, kann die finanzielle Rentabilität von Windschutzanlagen unterschätzt werden. Wenn man davon ausgeht, dass der Windschutz die Weinberge vor Ertragseinbußen in schweren Windjahren, die alle 5 Jahre auftreten, schützt, sind einreihige Windschutz-Weinberg-Systeme in Bezug auf die Rentabilität besser als ungeschützte Obstgärten. Die Ergebnisse der Durchführbarkeitsanalysen für die Einrichtung von Windschutzstreifen als Begrenzung von Zitrusfruchtplantagen in der Provinz Westkap lauten wie folgt: Wenn man davon ausgeht, dass Windschutzstreifen die Obstplantagen vor Ertragsverlusten schützen, die jedes fünfte Jahr auftreten, sind die Windschutzstreifen-Designs 1 und 2 sowie die Netze aus Sicht der Investitionsbewertung besser als die Bedingungen im offenen Feld, wenn man den Kapitalwert oder die jährliche Bruttomarge betrachtet. Zur Unterstützung der Kosten-Nutzen-Investitionsindikatoren zeigte die stochastische Dominanzanalyse auch, dass ein bestimmtes Windschutzdesign von einem risikoneutralen oder risikoaversen Mandarinenanbauer gegenüber den Bedingungen auf dem offenen Feld bevorzugt werden kann. Die stochastische Dominanzanalyse ergab, dass ein zweiseitiges Windschutzdesign gegenüber allen anderen baumbasierten Windschutzsystemen dominiert. In allen Windschadensszenarien, mit Ausnahme des jährlichen Windschadensszenarios, blieb die kumulative Verteilung dieses zweiseitigen Windschutzes visuell dominant gegenüber den Obstgärten im Freiland, wobei ein Dominanzkriterium zweiter Ordnung verwendet wurde. Die gesammelten Daten und Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass Netze die höchsten Erträge, aber auch die bei weitem höchsten Investitionskosten aufweisen, wobei die Kosten für die Errichtung von Netzen sogar höher sind als die Kosten für die Errichtung von Obstgärten. Der berechnete interne Zinsfuß liegt jedoch deutlich über den derzeitigen Zinssätzen, so dass sich die Landwirte bei ihren Investitionsentscheidungen allein von der Rentabilität leiten lassen können. Unberücksichtigt bleibt die Tatsache, dass Netze die Ästhetik und Attraktivität der Landschaft in der südafrikanischen Provinz Westkap beeinträchtigen können. Viele Obst- und Weinfarmen in Südafrika sind auch im Tourismus tätig, richten Veranstaltungen aus und beherbergen internationale Touristen. Die Attraktivität dieser Betriebe kann daher ein wichtiges Ziel für die Entscheidungsträger auf Betriebsebene sein. Die Ergebnisse dieser Arbeit deuten darauf hin, dass baumbasierte Windschutzkonstruktionen die Rentabilität von Obstplantagen verbessern können und eine dominante Investitionsstrategie gegenüber Freilandbedingungen darstellen. Dies ist die erste bekannte Studie in Südafrika, die die Unsicherheiten über agronomische Windschutzfaktoren, die die Erträge beeinflussen, quantifiziert. Diese Studie trägt dazu bei, die langfristigen Unsicherheiten bei den Erträgen zu erhellen und verbessert das Verständnis für die Verringerung von Windschäden durch Szenarioanalysen. Letztlich trägt die Arbeit dazu bei, den Einsatz von Windschutzbäumen als klimafreundliche Anpassungsstrategie im südafrikanischen Obst- und Weinbau zu verstehen und zu fördern.