Multiple-pollutant cost-efficiency : Coherent water and climate policy for agriculture

We examine the abatement costs for water and climate pollutants and their respective policies while accounting for cobenefits. We construct private and social marginal cost curves for reducing greenhouse gas emissions and nutrient runoff in Finnish agriculture. We find that the social marginal costs of reducing emissions that reflect the cobenefits are lower than the private costs. Accounting for greenhouse gas cobenefits from nutrient load reduction or water cobenefits from climate emissions reduction creates a gap between privately and socially optimal reduction levels. This gap varies depending on the valuation of cobenefits. The cost-efficient reduction of the focus pollutant is increased when cobenefits from the other pollutant are accounted for. For policies, this implies a higher cap or tax on the focus pollutant. We decompose the optimal tax rate to a basic tax on the focus pollutant and on an additional tax component depending on the level of cobenefits.Peer reviewe

Mid-summer bare fallow effective in controlling perennial weeds

The results of this study suggest that stubble cultivation before ploughing is the most effective way to reduce the amount of E. repens when bringing the long-term ley to an end

Designing climate and water policies for agriculture

This thesis studies the design of socially optimal policies for climate mitigation and water protection for two agricultural production lines: crop and dairy production. It provides analytical insights into optimal management, both in the absence and presence of nutrient runoff and greenhouse gas emissions, and develops policies to incentivize private production when externalities to water and atmosphere exist. Special attention is devoted to the coeffects of agricultural water protection measures on climate mitigation and of climate mitigation measures on water protection and their implications for marginal abatement costs and optimal policies. The thesis studies crop rotations with legumes and dairy production in detail. It additionally derives cost functions for reducing emissions by combining individual measures, such as fertilization, buffer strips, catch crops, tillage methods, afforestation and green fallow. In general, Pigouvian taxes on greenhouse gas emissions or on diffuse nutrient loading as first-best policies are not possible due to problems in measuring nonpoint source loading. Therefore, second-best policies, such as uniform taxes levied on animal numbers or fertilization or subsidies based on buffer strip width or transporting manure, are developed and applied numerically. Based on the findings, in comparison to the first-best policies, the second-best policies are relatively effective in producing the desired policy goals. Study I of the thesis shows how legumes in crop rotations outperform cereal monocultures economically and environmentally in many cases, provided there is adequate demand for legumes, and develops differentiated nitrogen tax and buffer strip subsidies based on the cultivated crop. Study II focuses on the use of nitrogen, land use, dairy cow diet and climate emissions within dairy production. This study demonstrates the overall spatial pattern of manure application and illustrates the main measures to reduce greenhouse gas emissions and nutrient runoff. Uniform nutrient taxes are found functional, although spatially differentiated taxes produce higher welfare. Study III highlights the importance of accounting for multiple pollutants and their coeffects when designing environmental policies and calculating marginal abatement costs. In the case of cobenefits, the optimal tax on the focus pollutant is relatively higher, increasing abatement and the supply of cobenefits.Väitöskirja tarkastelee yhteiskunnallisesti optimaalisen ilmasto- ja vesistöpolitiikan muotoilua ohjaamaan kasvinviljelyä ja maidontuotantoa kestävämmäksi. Maatilan optimaalinen hallinta ratkaistaan analyyttisesti sekä yksityisen viljelijän että yhteiskunnan näkökulmasta, kun yhteiskunta ottaa huomioon tuotannon aiheuttaman ravinnehuuhtouman ja kasvihuonekaasupäästöt. Väitöskirja kehittää ohjauskeinoja, joilla viljelijöitä ohjataan huomioimaan ilmaan ja vesistöihin kohdistuvat maatalouden ulkoisvaikutukset päätöksissään. Lisäksi tarkastellaan maatalouden vesistötoimenpiteiden ilmastolle aiheuttamia sivuvaikutuksia ja ilmastotoimenpiteiden vesistöille aiheuttamia sivuvaikutuksia, sekä sitä, miten näiden sivuvaikutusten huomiointi muuttaa rajapuhdistuskustannuksia ja optimaalisia ohjauskeinoja. Väitöskirja tutkii yksityiskohtaisemmin palkokasveja sisältäviä viljelykiertoja sekä maidontuotantoa. Rajapuhdistuskustannuksia määritettäessä yksittäisiä toimenpiteitä, kuten lannoitus, suojakaistat, kerääjäkasvit ja maanmuokkausmenetelmä, yhdistetään. Hajakuormituksen mittausongelmien vuoksi Pigou-malliset verot kasvihuonekaasupäästöille tai ravinnehuuhtoumalle eivät ole mahdollisia. Siksi väitöskirjassa tarkastellaan second-best-ohjauskeinoja, kuten eläinten tai lannoituksen määrään perustuvaa veroa. Tulosten perusteella second-best-ohjauskeinot tuottavat melko lähellä first-best-ohjauskeinoja olevan lopputuloksen. Artikkelin I perusteella palkokasveja sisältävät viljelykierrot ovat usein talouden ja ympäristön kannalta viljojen monokulttuureja parempia, mikäli palkokasvien kysyntä on riittävä. Artikkelissa kehitetään viljelykasvin mukaan vaihtuva typpivero sekä suojakaistatuki. Artikkeli II keskittyy typen ja maankäyttöön, eläinten dieettiin ja ilmastopäästöihin maidontuotannossa. Artikkeli esittää etäisyyden suhteen optimaalisen lannan levityksen rakenteen ja pääasialliset toimenpiteet ravinnehuuhtouman ja kasvihuonekaasupäästöjen vähentämiseksi. Vakioiset ravinneverot todetaan toimiviksi, vaikka etäisyyden mukaan vaihtuva vero tuottaisi korkeamman hyvinvoinnin. Artikkeli III korostaa useiden päästölähteiden ja näiden sivuvaikutusten yhtäaikaisen huomioinnin tärkeyttä ympäristöpolitiikan suunnittelussa ja rajapuhdistuskustannusten määrityksessä. Jos politiikka tuottaa sivuhyötyjä, politiikan kohteena olevan päästön optimaalinen vero on korkeampi, jolloin sivuhyötyjen tarjonta lisääntyy

Climate change mitigation and agriculture : measures, costs and policies – A literature review

Peer reviewe

Crop rotation and reducing nutrients in agriculture : effects on runoff and profitability

Tutkielmassa selvitettiin mallilaskelmien avulla palkokasveja sisältävien viljelykiertojen vaikutuksia typen huuhtoumaan ja kannattavuuteen. Tarkastelussa olivat vehnän, ohran ja kauran viiden periodin monokulttuurit, joissa kaksi periodia korvattiin joko apilanurmella tai hernepavulla sekä hernepavun kierto vehnän, ohran ja rypsin kanssa. Viljelykiertojen tuloksia verrattiin monokulttuurien tuloksiin. Viljelykiertoja tutkittiin viljelijän vapaassa optimissa, maatalouden ympäristöohjelman oloissa sekä yhteiskunnan optimissa. Tulosten perusteella typen huuhtoumaa olisi mahdollista alentaa palkokasveja sisältäviä viljelykiertoja hyödyntämällä. Huuhtoumavähennykset syntyivät toisaalta palkokasvien muita tarkasteltuja kasveja alemmasta keskimääräisestä typpihuuhtoumasta ja toisaalta palkokasvien biologisen typensidonnan jälkivaikutuksesta, jonka määrällä voidaan korvata seuraavan periodin lannoitustarvetta. Viljelykiertojen keskimääräinen typpihuuhtouma laski enemmän hernepapuun perustuvissa kierroissa alemman optimaalisen lannoitustason vuoksi. Viljojen kasvikohtaiset huuhtoumat taas laskivat enemmän apilanurmeen perustuvissa kierroissa apilanurmen selvästi suuremman jälkivaikutuksen seurauksena. Keskimääräinen typpihuuhtouma laski kaikissa tapauksissa lukuun ottamatta apilanurmeen perustuvia kiertoja yhteiskunnan optimissa, jossa suojakaistan leveyden vaihtelu tuotti muutokset. Apilanurmen kannattavuus oli sekä viljelijälle että yhteiskunnalle korkein ja sen lisääminen viljojen monokulttuureihin nosti sekä viljelijän lyhyen aikavälin voittoa että yhteiskunnan hyvinvointia. Jos apilanurmelle ei rehuna ollut kysyntää, ei sitä kannattanut viljellä lainkaan. Hernepavun kannattavuus oli heikoin ja sen lisääminen monokulttuureihin laski kannattavuutta.The aim of this study was to find out how crop rotations with legumes in comparison to monocultures affect nutrient runoff from cultivation and profitability. We looked at five period monocultures of wheat, barley and oats. In the rotations considered two periods were replaced by red clover-grass or pea-horse bean mixtures. Results from rotations were compared with the ones from monocultures. Rotations were studied in private and social optimum and the case of common agricultural policy. According to the results it is possible to reduce nitrogen runoff with the use of legumes in crop rotations. Reductions were achieved by two means: lower average nitrogen runoff of legumes and residual effect from biologically fixed nitrogen which allows reducing fertilization in the next period. The average reductions in nitrogen runoff were higher in rotations based on pea-horse bean due to its lower optimal fertilization rate compared to red clover-grass. However, average per grain runoff was reduced more with red clover-grass due to its greater residual effect. Average nitrogen runoff was reduced in all cases expect for red clovergrass based rotations in social optimum where the variation in buffer strips made the difference. Private and social profitability were the highest for red clover-grass and adding it to grain monocultures increased both private and social profits. If the demand as fodder was too low cultivation of red clover-grass was unprofitable. Pea-horse bean had the lowest profitability and adding it to grain monocultures reduced profits

Dairy Farm Management when Nutrient Runoff and Climate Emissions Count

We provide a theoretical framework and detailed bioeconomic simulations to examine privately and socially optimal dairy farm management in the presence of nutrient runoff and greenhouse gas emissions. Dairy farms produce milk by choosing herd size, diet, fertilization and land allocation between crops, as well as (discrete) manure storage and spreading technologies and the number of milking seasons. We show analytically that a critical radius emerges for the choice of land use between silage and cereal cultivation and fertilizer types (mineral and manure). Both privately and socially optimal manure application rates decrease with application distance. We characterize the optimal climate and water policy instruments for dairy farming. A detailed bioeconomic simulation model links farm management decisions with their impacts on climate and water quality. We numerically solve the social and private optima and the features of optimal climate and water policy instruments. We show that using only climate instruments provides considerable water co‐benefits, and in the same vein, the use of water quality instruments provides considerable climate co‐benefits. Climate policies lead to a reduction in herd size, as measures relating to manure management and spreading are relatively inefficient at reducing climate emissions. There is much more leeway for adapting to water policies than to climate policies, because dairy farms have multiple measures to reduce their nutrient loads.Peer reviewe

Nutrient load compensation as a means of maintaining the good ecological status of surface waters

We examine how nutrient load compensation could help a firm expand its production when production is a source of nutrient loads, threatening the ecological status of a water body. We ask whether compensation is technically feasible and whether it can be made in an ecologically sustainable way. Credits for compensation may be provided by point or nonpoint sources. We apply our approach to the case of Finnish Lake Kallavesi, where the Supreme Administrative Court, based on the Water Framework Directive, refused an environmental permit for a plan to build a large pulp mill. We employ a lake nutrient response model to determine water quality using probabilistic analysis of the ecological status of the lake. The supply potential of phosphorus credits from point sources was too low to keep the lake in good ecological status with at least 80% probability and must be complemented by credits from agricultural nonpoint sources. Using a trade ratio of 1:1.2 to reflect uncertainty on credits from nonpoint sources suggests that the reduction in agricultural phosphorus loading would suffice on its own to ensure the good ecological status by 90% probability. The cost of buying nutrient reduction credits would be at most 2% of the investment.Peer reviewe

Ilmastonmuutoksen riskit, kustannukset ja vastuut: Tapaustarkastelussa sato- ja tulvavahingot

201