Site-Specific Management & Demand for Knowledge Based Agricultural Services

Jess Lowenberg-DeBoerSite-Specific Management CenterPurdue Universitywww.purdue.edu/ssmc

Questions:• Who is using site-specific management?• Which precision agriculture technologies are

showing themselves to be profitable?• Implications of site-specific management for

demand for knowledge based agricultural services?

Some Definitions:

• Site-specific management – is the old idea of doing the right thing, at the right place, at the right time.

• Precision agriculture – uses electronic information technology to make site-specific management commercially viable in mechanized agriculture.

Three More Definitions:• Embodied Knowledge Technology – Science

incorporated into physical inputs (e.g. seed, fertilizer, chemicals) in such a way that minimal decision making by the user is required. Bt corn and glyphosate resistant soybeans are good examples.

• Knowledge Based Agriculture – requires data gathering and analysis to adapt decisions to local conditions. Precision agriculture and integrated pest management (IPM) are examples. Also called “Smart Farming”.

• Knowledge Based Services – when a user out-sources data management, analysis and recommendation development for knowledge based agriculture.

Yield monitors: Precision Farming’s “killer application” • According to the USDA about 34% of U.S. corn

acreage was harvested with a combine equiped with yield monitor in 2001. It was about 25% of soybean acreage.

• Only about a third of these combines were

equiped with GPS.

U.S. Acreage Harvested with a Yield Monitor Equipped

Combine

0

10

20

30

40

50

% o

f P

lant

ed A

cres

Corn

Soy

Wheat

Source: Daberkow et al, 2002

Yield Monitor Use Highest on Larger Farms in the Corn Belt

• USDA researchers showed that 60% of U.S. farms using precision agriculture are in the Corn Belt.

• In a 1999 survey, Ohio researchers found that only 6% of all farmers use yield monitors, but over 50% of farms with gross sales over $1 million.

• In general, larger farms are more likely to use yield monitors, but the likelihood of adoption peaks at about 1600 acres.

Yield Monitor Use in Europe

• United Kingdom400 • Denmark 400• Germany 150• Sweden 150• France 50• Holland 6• Belgium 5

Source: Stafford, 2000

Yield Monitor Use in Latin America

• Argentina 560

• Brazil 100

• Uruguay 12

• Chile 4

Las Rosas, Cordoba, Argentina < 33 qq/ha 33-56 qq/ha 56-66 qq/ha 66-76 qq/ha > 76 qq/ha

Source: M. Bragachini, INTA Manfredi, Argentina, 2002, Jose Molin, USP, Brazil, 2002

Yield Monitors in the Rest of the World

• Australia, 800 monitors used for the 2000 harvest, 500 of those in Western Australia

• In South Africa, 15 monitors used in 2000, mainly in the corn growing area.

• No yield monitors used commercially in other parts of Africa, Eastern Europe, or Asia

• Monitors being developed for other crops, including cotton, sugar cane, potatoes, sugar beets, tomatoes and grapes. About 8% of U.S. potato acreage is yield monitored.

Precision Farming Services in the U.S.

• In 2002 variable rate application service offerings seem to be growing again.

• 50% of all fertilizer retailers nationwide offered soil sampling with GPS in 2002, mostly 2.5 acre grids. This compares with 45% in 1999.

• 43% of all dealers offered computer controlled variable rate application services in 2002, compared to 38% in 1999.

• Over 50% of all dealerships in the Midwest offer these services, and 60% to 70% of cooperatives and regional/national chain outlets offer the services.

Increasing Percentage of U.S. Ag Retailers Providing Variable Rate

Growing Use of Precision Ag Tools by Dealers to Provide Traditional Services

From fall 1999 to spring 2002 use of GPS guidance by custom applicators grew from about 5% to almost 44%. Growth was especially strong in the Midwest where over half of custom applicators use GPS guidance

Source: Akridge and Whipker, 2000, Whipker & Akridge, 2001 & 2002

National 00

National 01National 02

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

% o

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eale

rs

Farm Level Adoption of VRT in the U.S.

Widespread use of VRT on some higher value crops, but in bulk commodities farmers try it on a small proportion of crop area.• Overall about 10% of sugar beet and potato acreage received VRT fertilizer in 2000. • About 40% of sugar beet acreage in Minnesota and North Dakota received VRT nitrogen in 1999• About 11% of U.S. corn acres received VRT fertilizer in 2000. About 6% of soybean acres and 4% of cotton acres received VRT fertilizer.• 1% to 3% of corn, soybean and cotton acres received VRT seed or pesticide in 2000.

Percent of Acreage Ever Intensively Soil Tested

22%

17%

11%13%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

Corn Soy Wheat Cotton

% o

f A

crea

ge

Source: Daberkow et al, 2002

VRT Worldwide Worldwide experimentation with VRA, but

relatively little commercial use outside of U.S. and Canada

In Argentina and Australia, VRA constrained by high cost of soil testing

In Western Europe VRA seems driven by environmental concern and regulation. Because of limits on overall N use, commericial use of the greeness sensor is growing.

Remote Sensing

• About 5% of corn acres and 4% of soybean acres were managed using some kind of remotely sensed image in 2000.

• This could be either satellite or aerial photograph.

• Ag retailers are struggling with how to market this service. In the 2002 Purdue survey of ag retailers, remote sensing was the least profitable of precision ag services offered.

More Rapid Adoption of Biotech

Transgenics have been marketed as a classic embodied knowledge technology. New science marketed in a very traditional package.

Economic Studies of Precision Agriculture

• Focus on variable rate fertilizer• “Stand alone” systems with one or two

inputs• Usually had variable rate application

equipment with whole field recommendations

• Most studies on bulk commodities because this is the “mass market” sought by manufacturers and retailers

Many Articles and Websites Report Profitability of Precision Agriculture

• Lambert and Lowenberg-DeBoer reviewed 108 articles reporting economic results related to precision ag. Some 63% reported profits. (http://mollisol.agry.purdue.edu/SSMC/)

• Many of these studies omit important costs including: soil testing, data analysis, training.

• Other studies overstate yield benefits and/or cost savings.

Variable Rate Profitability in Nine U.S. Studies with Standardized Budget Methods

Grid Site-years

Crop Inputs __ acres_ Profitable

Higher Value Crops: Sugar Beets N 2.75 100%Extensive Dryland Crops: Wheat, Barley N,P,K soil type 20% Wheat N 3.0 0 Wheat, Barley P,K soil type 0Corn and Soybeans: Corn P,K 3.0 42% Corn P,K soil type 50%

Corn, Soybean P,K 2.5 83% Irrigated Corn N 0.75 50% Corn P,K 2.5 50% Corn, interpolated P,K 2.1 100% Corn, grid average P,K 2.1 0_______________________________________________________ Source: Swinton & Lowenberg-DeBoer, JPA, 1998.

Variable Rate Lime Seems Consistently Profitable the

Eastern Cornbelt

150

152

154

156

158

160

162

164

166

168

170

172

174

$/a

cre

/year

Do nothing Whole Field VRT agonomicVRT economic

$162

$164

$167

$172

Source: Bongiovanni and Lowenberg-DeBoer, 1998

Annual Net Returns to pH Management in Indiana

Profitability of Yield Monitors

Profitability depends on:• Use in diagnosing problems such as pests,

drainage, tillage, fertility and• Improving input decisions (e.g. hybrid,

varieties, herbicides)

Yield Monitor Profit Example?

• A 2000 acre grain farm

• Purchases a yield monitor and GPS for about $7000

• Uses yield data to choose better corn hybrids and soybean varieties.

• Improves average yields by 1 bushel/acre

• Almost pays for yield monitor first year

Whole Farm Information Systems Benefits

• Diagnosing crop production problems• Improving field logistics• Supervising employees in the field• Managing production risk • Marketing differentiated products• Providing “traceback” for food safety• Documenting environmental compliance

Farm Journal Soil Density Trials Example of Technology Testing

Source: Farm Journal, July/August, 2001, p. 16.

The Pace of Technology has Quickened

– On-Farm Testing With Yield Monitors

Provides Timely Information With Less Interference with Farm

Operations

Source: Farm Journal, July/August, 2001, p. 18.

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Davis Purdue Agricultural Center

Field Operations Record

Spraying

Date and Product Applied

Yellow -- 6/27/00 -- Poast Plus

Bright Green -- 6/28 -- Roundup Ultra

Blue -- 6/28 -- Poast Plus + Synchrony

Orange -- 6/28 -- Basis Gold

Background Image Courtesy of Emerge

As-applied maps can be a useful tool in documenting safety & environmental stewardship.

This is a map of herbicideApplication on the Davis Purdue

Ag Center

Yellow – Poast Plus – 6/27/00Green – Roundup Ultra – 6/28/00

Blue – Poast Plus – 6/28/00Orange – Basis Gold – 6/28/00

EXAMPLE OF AS-APPLIED MAPPING

Manure Application Map

As-applied maps can be developed for manure as well as any other crop input.These maps can document that nutrient management plans are being followed.

Manure can be applied at a variable rate, but because it is not a standardizedproduct it is hard to know what is being applied.

“No-Apply” Zone-86.9330 -86.9328 -86.9326 -86.9324 -86.9322 -86.9320 -86.9318

Longitude

4 0 .4 1 7 2

4 0 .4 1 7 4

La

tit

ud

e

-86.9330 -86.9328 -86.9326 -86.9324 -86.9322 -86.9320 -86.9318

Longitude

4 0 . 4 1 7 2

4 0 . 4 1 7 4

La

tit

ud

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0 gal/a

1000 gal/a

2000 gal/a

3000 gal/a

4000 gal/a

5000 gal/a

6000 gal/a

7000 gal/a

Precision Farming Profitability:Chapters:1 - Information Technology Profits2 - Choosing Better Hybrids and Varieties3 - Making Drainage Decisions4 - Managing Soil Fertility5 - Increasing Cost Effectiveness of Weed Control

Plus Technical Reference Section

Edited by J. Lowenberg-DeBoer andK. Erickson

Published by Purdue UniversityAgricultural Research Programswith support from Case New Holland, Dec., 2000.

Excellence in Communication Award,Agronomy Society of America, 2001

Budget templates can help guide analysis of common precision ag practices. Template for yield monitoring for hybrid and variety choice

Source: Precision Farming Profitability, Lowenberg-DeBoer and Erickson, 2000

Why Does Precision Agriculture Hold Opportunities for Crop Advisors?

• Economies of Scale – in some cases the skills, hardware and software that one producer would use for his operation, could be used equally effectively on a much larger acreage.

• Producer lifestyle choice – most US farmers chose that occupation because of the active, outdoor lifestyle it offers. They did not become farmers to sit in front of a computer.

Convenience Farming?

• “Convenience Agriculture” is the opposite of Smart Farming or Knowledge Based Agriculture.(See Sept. , 2002 USDA Outlook: www.ers.usda.gov/publications/agoutlook/sep2002/ao294i.pdf)

• Convenience agriculture economizes on management time.

Management Time in Agriculture

• Management time is expensive - The average compensation for U.S. managers in 2001 was $60,000/year and experienced managers can earn much more.

• Ag. management time may be more expensive than average – because many producers chose agriculture for the active, outdoor lifestyle. They did not become farmers to spend hours in front of a computer.

Compare Precision Agto Adoption of Hybrid Corn

0%

10%

20%

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50%

60%

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Per

cent

of C

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Are

a

1st hybrid at Connecticut Exp. Station yields 120 bu./a

1st commercial hybrid production exploits economies of scale

Most assume farmers will grow their own hybrid seed. Universities produce bulletins for on-farm hybrid production

When hybrid seed is easy to use and on-farm trials show profits, hybrid corn adoption grows quickly.

Maturing hybrid technology includes:a) development of adapted inbred lines, and b) retraining a generation of plant breeders

Projected Precision Agriculture Adoption with & without Knowledge Based Services

Maturing Precision Ag requires:

a) Technical improvements – soil sensors, higher resolution satellites, etc.

b) Analysis tools – better algorithms and software

c) Retraining a generation of agricultural scientists

00.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

1900 1920 1940 1960 1980 2000 2020 2040

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cen

tage

of

Cro

p A

rea

Robinson & Lloyd measure soil variability

Lindsey & Bauser recommend 2.5 a grids

Ron Olson uses 2.5 a grids on his father's farm

Top Soil Testing formed

1st Ag Leader yield monitor

GPS available for civilian use

Potential adoption with knowledge based services

Projected adoption with mainly on-farm data analysis

Take Home MessageThe economics of precision agriculture are site

specific.Use of precision agriculture technology is

growing throughout the world.Precision agriculture adoption has been slower

than expected, in part because of the management time required.

Management time in agriculture may be more expensive than in other parts of the economy.

Knowledge based services are the key to reducing the cost of precision agriculture management time.

Developing Precision Agriculture & Knowledge Based Services Requires:

Lower cost data gathering – sensors, high resolution remote sensing, etc.

Better analysis tools – improved algorithms in user friendly software.

Knowledge based service packages – make precision ag as easy for the producer as herbicide resistant soybeans

Entrepreneurship – Marketing knowledge services to producers who have better things to do with their time.

Questions?

Jess Lowenberg-DeBoerSite-Specific Management CenterPurdue UniversityWebsite: www.purdue.edu/ssmc