Integrated rural and urban agricultural systems for the sustainability transition towards the bioeconomy

The goal of the bioeconomy is a fundamental transition of both the economy and society towards sustainability. Replacing fossil resources by biomass for the provision of food, feed, fibre and fuel/energy (the 4F’s) will result in a substantial increase in demand for agricultural products. The consequent intensification of agricultural production, however, needs to be achieved while alleviating the societal challenges of the 21st century. The bioeconomy provides a knowledge-based, cross-sectoral and systemic pathway to increase agricultural production that involves all relevant stakeholders in the sustainability transition. This interdisciplinary thesis investigated the contribution that three selected bioeconomic approaches can make to the sustainable intensification of agricultural production, encompassing the growing urban population on the demand side and the numerous smallholder family farmers in countries of the global South on the supply side. The first study develops the ‘Integrated Renewable Energy Potential Assessment’ (IREPA) approach that involves smallholder farmers in planning and selection of renewable energy (RE) technologies for implementation into their agricultural systems. The bottom-up potential assessment, participatory learning and action research and multi-criteria decision analysis supported the smallholders in two case studies in rural South Africa and India in the identification of locally appropriate RE technologies. The second study uses IREPA to explore smallholders’ perception of agricultural RE production. Social, environmental, technical, institutional and economic factors are analysed to identify drivers of and barriers to RE implementation into smallholder agricultural systems. Mainly environmental factors, in particular climate change impacts, motivate smallholders to produce RE, while social factors (social cohesion, gender aspects, well-being, food and water security) determine the actual change. The barrier of high upfront investment costs can be eliminated by falling RET prices, the development of novel rural RE business models and institutional support. In addition, growing smartphone penetration rates in rural areas and open-access online information enables do-it-yourself RET operation and maintenance. Integrated approaches and such insights are crucial for the targeted formulation of agricultural development policies and stakeholder involvement in the sustainability transition towards a bioeconomy. The third study investigates the characteristics of urban gardening in Germany and its potential to encourage sustainable consumer behaviour, based on a review of 657 urban gardening project websites and an online survey involving 380 project participants. The results reveal multiple social, environmental and economic benefits of urban gardens for sustainable city development. The diverse gardener communities actively promote sustainable consumer behaviour by (unintentionally) applying several methods known to encourage pro-environmental behaviour. Hence, urban gardens are transformative spaces that involve the growing urban population in the societal transition towards a bioeconomy. In the context of sustainable intensification of biomass production in rural areas, the fourth study investigates the contribution of environmental service assessment and monetization in agricultural systems, using the example of the perennial biomass crop miscanthus for biofuel production. The valorisation makes environmental services - such as soil fertility improvement, carbon sequestration, water and air purification – tangible. This can incentivise payments to farmers for the provision of these public goods. Enhancing and utilising environmental services through nature-based solutions is a promising pathway to sustainable intensification, providing a shift from input-based towards process-based agricultural production. Finally, it can be concluded that integrated approaches which connect different production systems, disciplines and stakeholders are central for the development of the bioeconomy: - The integration of sustainable technologies, such as RE, into agricultural systems requires case-based research and participation of local stakeholders in project planning, decision making and targeted policy formulation. - The integration of the growing urban population in the sustainability transition can be supported by urban gardening because it promotes sustainable consumer behaviour. - The integration of nature-based solutions into agricultural systems enhances environmental service provision and supports the shift from input-based towards process-based agricultural systems. The approaches discussed in this thesis can support the sustainable intensification of agriculture, serve to re-connect the perspectives of rural producers and urban consumers, and enable the involvement of large portions of society in the sustainability transition towards the bioeconomy.

Die Bioökonomie strebt die Nachhaltigkeitstransformation von Wirtschaft und Gesellschaft an, wobei fossile Ressourcen durch Biomasse ersetzt werden. Dadurch steigt der Bedarf an landwirtschaftlichen Produkten als Nahrungs- und Futtermittel sowie für die stoffliche und energetische Nutzung. Die dafür notwendige Intensivierung der landwirtschaftlichen Produktion muss aber auch zur Lösung der gesellschaftlichen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts beitragen. Die Bioökonomie bietet eine wissensbasierte, sektorübergreifende und systemische Herangehensweise zur nachhaltigen Intensivierung unter Einbezug aller relevanter Akteure. Diese interdisziplinäre Dissertation untersucht und entwickelt drei bioökonomische Ansätze weiter, um die Bereitstellung landwirtschaftlicher Produkte zu steigern und die wachsende urbane Bevölkerung nachfrageseitig und die zahlreichen Kleinbauern in Ländern des Globalen Südens angebotsseitig einzubeziehen. In der ersten Studie wurde der Ansatz der ‚Integrierten Bewertung des Potenzials erneuerbarer Energien‘ (IREPA) entwickelt, um erneuerbare Energien (EE) in kleinbäuerliche Agrarsysteme unter Einbezug der Kleinbauern in die Projektplanung und Entscheidungsfindung zu integrieren. Mittels bottom-up Bewertung des EE-Potentials, partizipativer Lern- und Aktionsforschung sowie Multikriterienanalyse wurden in zwei Fallstudien in Südafrika und Indien Kleinbauern dabei unterstützt geeignete EE-Technologien zu ermitteln. In der zweiten Studie wurden soziale, ökologische, technische, institutionelle und wirtschaftliche Hindernisse und Treiber für die Implementierung von EE in kleinbäuerliche Agrarsysteme identifiziert. Ökologische Faktoren, wie Folgen des Klimawandels, motivieren Kleinbauern dazu erneuerbare Energien zu produzieren, während soziale Faktoren (wie soziale Strukturen, Gender-Aspekte, Wohlbefinden, Nahrungs- und Wasser Versorgung) entscheidend für die Umsetzung sind. Sinkende Preise von EE-Technologien, neue Geschäftsmodelle im ländlichen Raum sowie institutionelle Unterstützung beseitigen das Hindernis hoher Investitionskosten. Zunehmende Smartphone-Verbreitung bietet Zugang zu Informationen, was Eigenbau und Betrieb von EE-Technologien ermöglicht. Integrative Ansätze und Einblicke wie diese sind entscheidend für die Formulierung zielgerichteter, landwirtschaftlicher Entwicklungsstrategien und die Einbindung relevanter Akteure in die Nachhaltigkeitstransformation zur Bioökonomie. Die dritte Studie untersuchte urbane Gartenprojekte in Deutschland und deren Potential zur Förderung eines nachhaltigen Konsumentenverhaltens, mittels Analyse der Webseiten von 657 urbanen Gartenprojekten und online Umfrage mit 380 Projektteilnehmer*innen. Urbane Gärten bieten soziale, ökologische und wirtschaftliche Vorteile für eine nachhaltige Stadtentwicklung. Diverse, soziale Gartengemeinschaften fördern nachhaltiges Konsumentenverhalten, da (unbeabsichtigt) mehrere Methoden angewandt werden, die bekanntermaßen umweltfreundliches Verhalten fördern. Urbane Gärten sind transformative Räume und beziehen die wachsende urbane Bevölkerung in den gesellschaftlichen Wandel zur Bioökonomie ein. Die vierte Studie untersuchte die Bewertung und Monetarisierung von Umweltdienstleistungen und den Beitrag dieses Ansatzes zur Förderung der nachhaltigen Intensivierung am Fallbeispiel der mehrjährigen Biomassepflanze Miscanthus für die Biokraftstoffproduktion. Die Monetarisierung macht Umweltdienstleistungen, wie Bodenfruchtbarkeit, CO2-Sequestrierung, Wasser- und Luftreinigung, greifbar und schafft Anreize Landwirte für die Bereitstellung dieser Gemeingüter zu vergüten. Die Förderung von Umweltdienstleistungen mittels naturbasierter Lösungen ist ein aussichtsreicher Ansatz für eine Prozess-basierte, anstelle einer Input-basierten Intensivierung der Agrarproduktion. Letztendlich lässt sich aus diesen vier Studien schließen, dass integrative Ansätze, die Verbindungen zwischen Produktionssystemen, Disziplinen und beteiligten Akteuren schaffen, von zentraler Bedeutung für die Entwicklung der Bioökonomie sind: - Die Integration nachhaltiger Technologien, wie EE, in Agrarsysteme erfordert fallbezogene Forschungsansätze. Die Perspektiven lokaler Akteure bilden eine wichtige Grundlage für Projektplanung und Entscheidungsfindung sowie die Entwicklung bioökonomischer Politikstrategien. - Die Integration der wachsenden urbanen Bevölkerung in die Nachhaltigkeitstransformation wird durch das urbane Gärtnern unterstützt, indem es ein nachhaltiges Konsumentenverhalten fördert. - Die Integration naturbasierter Lösungen in Agrarsysteme steigert deren Umweltdienstleistungen und unterstützt so den Wandel von der Input-basierten zur Prozess-basierten Landwirtschaft. Diese drei Ansätze können wichtige Beiträge zur nachhaltigen Intensivierung leisten und durch die (Wieder-)Verbindung ländlicher Produzenten und urbaner Verbraucher, diese großen Bevölkerungsgruppen in die Nachhaltigkeitstransformation zur Bioökonomie einbeziehen.