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«Ökonomische Analyse agrarpolitischer Umweltmassnahmen unter Verwendung eines biophysikalischen Modellansatzes ABHANDLUNG zur Erlangung des Titels ...»

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DISS. ETH Nr. 17693

Ökonomische Analyse agrarpolitischer Umweltmassnahmen

unter Verwendung eines biophysikalischen Modellansatzes

ABHANDLUNG

zur Erlangung des Titels

DOKTOR DER WISSENSCHAFTEN

der

ETH ZÜRICH

vorgelegt von

MARTIN BRUGGER

Dipl. Ing.-Agr. ETH geboren am 24. Januar 1960 von Birwinken TG Angenommen auf Antrag von Prof. Bernard Lehmann PD Dr. Daniel Schaub Zusammenfassung Zusammenfassung Die Situation vieler landwirtschaftlicher Betriebe im Schweizer Mittelland ist geprägt durch einen Konflikt, der durch die gleichzeitige Verfolgung verschiedener Nachhaltigkeitsziele entstehen kann. Auf der einen Seite drängt eine ökonomische, betriebswirtschaftliche Logik zu höherer Intensität. Das Ziel, ein mit der übrigen Bevölkerung vergleichbares Einkommen zu erwirtschaften – bei vergleichsweise kleinen Strukturen und hohen Faktorkosten –, kann durch innere Aufstockung mit „bodenunabhängigen“ Betriebszweigen oder durch intensitätsbedingte Ertragssteigerung verfolgt werden.

Auf der anderen Seite können solche Entscheidungen negative Auswirkungen auf die Umwelt und die Produktionsgrundlagen des Betriebes haben, die weder im Interesse des Betriebes selber noch in dem der übrigen Bevölkerung sind. Die Degradierung von Böden durch Erosion sowie die Belastung von Oberflächengewässern und Grundwasser mit Phosphor- und Stickstoffverlusten aus der Landwirtschaft sind nach wie vor von Bedeutung. In der Schweiz bilden die kleinen Mittellandseen infolge ihres geringen Wasseraustausches ein besonders empfindliches Ökosystem. Der Baldeggersee und sein Einzugsgebiet dienen dieser Arbeit als Fallstudie.

Die Agrarpolitik versucht, durch Massnahmen auf nationaler und regionaler Ebene das oben umrissene Konfliktpotential zu entschärfen. Auf nationaler Ebene verfolgt die Reform der Agrarpolitik seit den 90er Jahren einen Umbau des Anreizsystems: Weg von weiterer Intensivierung, hin zu lohnenden, ökologischen Leistungen. Auf regionaler Ebene hat man mit dem „Phosphorprojekt Baldeggersee“ Massnahmen ergriffen. Letztere zielen auf die Senkung der Phosphorversorgung der Böden ab sowie auf bauliche und kulturtechnische Massnahmen zur Vermeidung von Verlusten.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, betriebliche Landnutzungsstrategien auf ihre Umwelt- und Einkommenswirkung hin zu analysieren und aus diesen Erkenntnissen Rückschlüsse für die Gestaltung einer effektiven und effizienten Agrarpolitik zu ziehen. Dabei soll auch der Diversität von Betriebstrukturen und Standorteigenschaften Rechnung getragen werden.

Als Hilfsmittel zur Bearbeitung dieser Fragestellung dient ein integriertes intertemporales Modellsystem. Dieses besteht aus zwei Hauptkomponenten: Einem biophysikalischen Simulationsmodell (EPIC) und einem ökonomischen Optimierungsmodell. Diese beiden Komponenten werden mittels Regressionsrechnung in einem Metamodell miteinander verknüpft.

In der ersten Hauptkomponente werden die biophysikalischen Zusammenhänge durch Simulationen abgebildet. EPIC (Environment Policy Integrated Climate model) erlaubt die Schätzung von Ernte-, Boden- und Nährstoffverlusten in Abhängigkeit von Kultur, Bodeneigenschaften, Wetter und Anbaumethoden. EPIC wird seit den 80er Jahren in den USA ständig weiterentwickelt und weltweit für agronomische Fragestellungen genutzt. Erst eine eigens auf unsere Problemstellung abgestimmte Programmerweiterung für EPIC ermöglichte die Steuerung und Datenverwaltung der vielen Tausend Einzelsimulationen, deren Resultate als biophysikalische Datenbasis für das ökonomische Modell dienen.

IIIZusammenfassung

Das ökonomische Entscheidungsmodell, als zweite Modellhauptkomponente, maximiert den Deckungsbeitrag verschiedener Modellbetriebe über einen vorgegebenen Zeithorizont. Dieser Betrachtungshorizont kann sich mit einem langfristigen Planungshorizont decken oder in eine Sequenz vieler kurzfristiger Planungshorizonte unterteilt sein. Die simultane Lösung des Optimierungsproblems für den gesamten Betrachtungshorizont steht im Modell für eine soziale Perspektive, die rekursive Optimierung über kurzfristige Planungshorizonte für eine private. Entscheidungsvariablen sind: Die Flächenallokation (Kulturen: Winterweizen, Wintergerste, Kartoffeln, Silomais, Körnermais, Kunstwiesen und Naturwiesen), die Intensität (Höhe der Stickstoffdüngung), das Düngerverfahren (Hof- oder Mineraldünger), die Anbautechnik (Pflug oder Minimalbodenbearbeitung) und die Anzahl gehaltener Grossvieheinheiten (Rinder und Schweine).

Eine von Keusch (2000) entwickelte modifizierte Cobb-Douglas-Funktion wäre prädestiniert, die nichtlinearen biophysikalischen Produktionszusammenhänge abzubilden. Damit würde den Forderungen nach Eindeutigkeit der Lösung und Flexibilität der Funktion gleichzeitig Rechnung getragen. In der vorliegenden Arbeit mit ihrem viel umfangreicheren Datenbestand verhindern allerdings numerische Probleme die Schätzung der Koeffizienten für eine solche modifizierte Cobb-Douglas-Funktionen. Die Schätzung der Koeffizienten erfolgt deshalb mit linearen, Wurzel- und Quadratfunktionen sowie mit der (nicht modifizierten) CobbDouglas-Funktion. In das ökonomische Entscheidungsmodell werden schliesslich wegen schlechterer Qualität der Schätzungen gar keine Cobb-Douglas-Funktionen integriert.





Wegen besserer Datenverfügbarkeit wurde die Kalibrierung von EPIC in einem ersten Schritt für einen Boden der STABIO-Versuche (Reckenholz, Zürich) vorgenommen und die Resultate in einer Expertenbefragung evaluiert. Die Urteile der sieben antwortenden Experten sind uneinheitlich. Es wird verschiedentlich darauf hingewiesen, dass das Fehlen empirischer Referenzergebnisse die Beurteilung erschwert oder verunmöglicht. Die Simulationsresultate für Ertrag und Erosion werden mehrheitlich als befriedigend beurteilt. Im Bereich Phosphordynamik fällt aber insbesondere die Phosphorauswaschung negativ auf. Am schlechtesten wurden die Ergebnisse des Simulationsprogramms – respektive unsere Kalibrierung – für die Stickstoffverluste beurteilt. Mit den aus den STABIO-Simulationen Erkenntnissen erfolgt das Setup für Böden des Baldeggerseegebiets.

In zwei Clusteranalysen werden sieben Modellbetriebe und ihre Bodenausstattung, welche aus elf Bodentypen besteht, abgeleitet. Die Bodentypen sind das Ergebnis einer Clusteranalyse mit GIS-basierten Bodendaten von am „Seeprojekt“ beteiligten Landwirtschaftsbetrieben. Sechs Modellbetriebe leiten sich aus der Clusterung mit Daten der amtlichen landwirtschaftlichen Betriebserhebung ab. Mit den regionalen Durchschnittswerten wurde ein siebter Betriebstyp, der „Regionshof“, gebildet.

In den Resultaten des Optimierungsmodells lassen sich neben wirtschaftlichen Grössen Boden- und Nährstoffverluste sowie die Entwicklung von Nährstoffpools im See und im Grund

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wasser über den gesamten Betrachtungshorizont verfolgen. Das Modell generiert im aktuellen Entwicklungsstand nur bedingt aussagekräftige Ergebnisse. Die Reaktionsrichtung der Resultate als Reaktionen auf Inputvariationen erscheint jedoch im allgemeinen plausibel. Ihre Werte selbst sowie deren Reaktionsstärke auf Inputvariationen werfen noch viele Fragen auf.

Wir kommen deshalb zum Schluss, dass das Modell im derzeitigen Entwicklungsstadium noch nicht reif ist für eine realitätsnahe Evaluation agrarpolitischer Fragestellungen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen noch verschiedene Begrenzungen des Modellsystems ausgeräumt werden. Dazu gehört unter anderem eine Verbesserung der Validität der biophysikalischen Datenbasis (input- und outputseitig). Im ökonomischen Modellteil sollte sich eine Weiterentwicklung einer detaillierteren Modellierung der intertemporalen Zusammenhänge zwischen Tierbeständen, Fütterung, Hofdüngerverwendung und Betriebs- und Investitionskosten widmen.

VAbstract

Abstract The situation of many farms in the Swiss Mittelland, i.e. the low lying part of Switzerland between the Alps and the Jura mountains, is characterized by a conflict resulting from simultaneously pursuing different aims of sustainability. On the one hand, the logic of economic management would encourage a higher intensity level. With comparatively small dimensions and high factor costs, the aim of earning an income comparable to that of the rest of the population can be pursued either by adding business branches independent of the area cultivated or by an intensity-based increase of yields.

On the other hand, such decisions may have negative consequences for the environment as well as for the basis for agricultural production - which would be in the interest of neither the farm itself nor of the population as a whole. Soil degradation by erosion and contamination of surface and ground waters by agricultural phosphorus and nitrogen effluents are still of significant importance. Because of their slow water turnover, the small Swiss Mittelland lakes constitute a very sensitive ecosystem. Lake Baldegg and its catchment serve as a case study for the present work.

Both on national and regional levels, agricultural policy tries to ease the conflict potential described. On a national level, the reform of agricultural policy is, since the nineties, pursuing a reorganization of a system of incentives: Away from further intensification, in favour of rewarding ecological achievements. On a regional level, measures have been taken in the "Phosphorous Project Lake Baldegg". These measures aim at lowering the phosphorous provision of the soils, as well as structural investments and cultivating techniques designed to prevent losses.

The objective of the present work is to analyse farmers' land-use strategies in view of their effects on environment and income, and to apply the results for drawing conclusions as to the organization of an effective and efficient agricultural policy. The diversity of farming business structures and of locations will be taken into consideration.

An integrated intertemporal modelling system will serve as an aid in dealing with this problem. It consists of two main components: A biophysical simulation model (EPIC) and an economic optimization model. In a meta-model, these two components are linked together by means of regression analysis.

In the first main component, the biophysical relationships are simulated. EPIC (Environment Policy Integrated Climate model) produces estimates of yield, soil, and nutrient losses as functions of crop, soil properties, weather, and cultivating methods. In the USA, EPIC is continually being developed further. It is used worldwide for agronomic investigations. But a program extension specifically tailored to our problems was required to make possible the control and data management required by the many thousands of simulation runs whose results constitute the biophysical database for the economical model.

The economical decision model, the second main component of the model, maximizes the gross margin of different model farms over a given time horizon. This horizon under consid

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eration may either cover one long-time planning horizon or be segmented into a sequence of many short-time planning horizons. The simultaneous solution of the optimization problem for the entire horizon under consideration stands, in the model, for a social perspective, whereas the recursive optimization over short-time planning horizons deals with a private perspective.

Decision variables are: land allocation (crops: winter wheat, winter barley, potatoes, corn silage, corn, temporary ley, natural grassland), the intensity (amount of nitrogen fertilization), the type of fertilization (farm manure, mineral fertilizer), the tillage mode (plow, minimal tillage), and the number of livestock units held (cattle, swine).

A modified Cobb-Douglas function developed by Keusch (2000) would be predestined for modelling the nonlinear biophysical production correlations. It would take into account simultaneously the demands for both an unambiguous solution and flexibility of the function. In the present work with its much larger amount of data, however, numerical problems prevent the estimation of the coefficients for such a modified Cobb-Douglas function. Therefore, the coefficients were estimated using linear, square root, and square functions, as well as the (unmodified) Cobb-Douglas function. Because of the lower quality of the estimates no CobbDouglas functions at all were eventually integrated into the economic decision model.

Because of better data availability, the calibration of EPIC was, in a first step, done for a soil of the STABIO experiments (Reckenholz, Zürich), evaluating the results by questioning experts. The opinions given by the seven experts who answered the request were non-uniform.

Several of them pointed out that the lack of empirical reference results makes an assessment difficult or impossible. The simulation results for yield and erosion were judged to be satisfactory by a majority. In the sector of phosphorus dynamics, however, the results of leached phosphorus were deemed unsatisfactory. Even more negative was the experts' view of the results the simulation program - or rather our calibration - gave for nitrogen losses. The findings of these STABIO simulations were then used for the setup for soils in the area of Lake Baldegg.

In two cluster analyses, seven model farms and their soils, consisting of eleven soil types, were evaluated. The soil type definitions are the result of a cluster analysis of GIS-based soil data from the farms involved in the "Lake Project". Six model farms were derived from a data clustering of the official farm statistics. Using the regional averages, a seventh farm type, the "Regional Farm", was calculated.

In the results of the optimizing model economic factors, soil and nutrient losses, and the development of nutrient pools in the lake and ground water can be followed over the whole time horizon of the measurements. The validity of the results produced by the model, in its present state of development, is limited. However, the trend of the results as reactions to input variations appears to be generally plausible. As to the absolute values of these results, as well as the intensities of the influences of input variations, many questions remain unanswered.

VIIAbstract



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