Essays on socially optimal phosphorus policies in crop production

Phosphorus is a nutrient needed in crop production. While boosting crop yields it may also accelerate eutrophication in the surface waters receiving the phosphorus runoff. The privately optimal level of phosphorus use is determined by the input and output prices, and the crop response to phosphorus. Socially optimal use also takes into account the impact of phosphorus runoff on water quality. Increased eutrophication decreases the economic value of surface waters by Deteriorating fish stocks, curtailing the potential for recreational activities and by increasing the probabilities of mass algae blooms. In this dissertation, the optimal use of phosphorus is modelled as a dynamic optimization problem. The potentially plant available phosphorus accumulated in soil is treated as a dynamic state variable, the control variable being the annual phosphorus fertilization. For crop response to phosphorus, the state variable is more important than the annual fertilization. The level of this state variable is also a key determinant of the runoff of dissolved, reactive phosphorus. Also the loss of particulate phosphorus due to erosion is considered in the thesis, as well as its mitigation by constructing vegetative buffers. The dynamic model is applied for crop production on clay soils. At the steady state, the analysis focuses on the effects of prices, damage parameterization, discount rate and soil phosphorus carryover capacity on optimal steady state phosphorus use. The economic instruments needed to sustain the social optimum are also analyzed. According to the results the economic incentives should be conditioned on soil phosphorus values directly, rather than on annual phosphorus applications. The results also emphasize the substantial effects the differences in varying discount rates of the farmer and the social planner have on optimal instruments. The thesis analyzes the optimal soil phosphorus paths from its alternative initial levels. It also examines how erosion susceptibility of a parcel affects these optimal paths. The results underline the significance of the prevailing soil phosphorus status on optimal fertilization levels. With very high initial soil phosphorus levels, both the privately and socially optimal phosphorus application levels are close to zero as the state variable is driven towards its steady state. The soil phosphorus processes are slow. Therefore, depleting high phosphorus soils may take decades. The thesis also presents a methodologically interesting phenomenon in problems of maximizing the flow of discounted payoffs. When both the benefits and damages are related to the same state variable, the steady state solution may have an interesting property, under very general conditions: The tail of the payoffs of the privately optimal path as well as the steady state may provide a higher social welfare than the respective tail of the socially optimal path. The result is formalized and an applied to the created framework of optimal phosphorus use.

Fosfori on kasvintuotannon kannalta välttämätön ravinne. Se lisää satoja mutta tuotantoalueen alapuolisissa vesistöissä sen huuhtoutuminen voi kiihdyttää rehevöitymistä. Yksityistaloudellisesti järkevä fosforinkäytön taso määräytyy fosforin hinnan, sen satovaikutuksen ja lopputuotteen hinnan perusteella. Yhteiskunnallisesti järkevää tasoa määriteltäessä tulee tämän lisäksi ottaa huomioon fosforihuuhtoumien vaikutus rehevöitymiseen ja sen kielteiset hyvinvointivaikutukset kuten heikentyneet virkistykäyttömahdollisuudet, kalakantojen muutokset ja massaleväkukintojen todennäköisyyksien kasvaminen. Tässä väitöskirjassa luodaan viitekehys fosforinkäytön järkevän tason määrittelemiseen niin yksityis- kuin yhteiskuntataloudelliselta kannalta. Luodun mallin tilamuuttujana on maaperään kertynyt, kasveille potentiaalisesti käyttökelpoinen fosforivaranto, jonka tasoa voidaan hitaasti ohjata vuotuisella fosforilannoituksella. Tämä maaperän fosfori on sadon kannalta varsinaista fosforilannoitusta merkittävämpi komponentti. Liukoisen, välittömästi kasveille käyttökelpoisen fosforin huuhtouma on niinikään sidoksissa tähän fosforivarantoon. Mallilla ratkaistaan myös, kuinka eroosioherkkyydestä riippuvan hiukkasmaisen fosforin joutumista vesistöihin tulisi torjua vesistöjen varteen perustettavin suojakaistoin. Mallia sovelletaan savimailla viljeltävän ohran fosforilannoituksen tarkasteluun. Mallin avulla tarkastellaan hintojen, haitan arvostuksen ja maaperän fosforidynamiikan vaikutuksia järkevään pitkän aikavälin fosforinkäyttöön. Lisäksi analysoidaan optimiratkaisua tukevien taloudellisten ohjauskeinojen asetantaa. Tulosten mukaan ohjauksen kannattaisi perustua suoraan maaperän fosforitasoon vuotuisen lannoitusmäärän asemesta. Toisaalta tulosten mukaan viljelijän ja yhteiskunnan toisistaan poikkeavat diskonttokorot vaikuttavat ohjauskeinojen tasoon merkittävästi. Työssä selvitetään myös, miten fosforivaranto kannattaa ohjata kohti pitkän aikavälin tasapainoa eri lähtötasoilta lähdettäessä. Samoin selvitetään, miten optimaaliset polut kohti tasapainoa riippuvat tarkasteltavan lohkon eroosioherkkyydestä. Fosforivarannon lähtötason vaikutus optimaalisiin polkuihin on merkittävä. Korkeimmilta lähtötasoilta lähdettäessä optimaaliset polut pyrkivät pudottamaan varantoja erittäin nopeasti kohti tasapainoa. Maaperäprosessit ovat kuitenkin erittäin hitaita ja fosforivarannon köyhdyttäminen voi kestää kymmeniä vuosia. Tutkimus nostaa esille myös menetelmällisesti mielenkiintoisen ilmiön diskontattujen hyötyjen summan maksimointiin perustuvassa optimointitehtävässä. Kun hyöty ja haitta linkittyvät samaan dynaamiseen tilamuuttujaan, tasapainoratkaisulla voi varsin tavallisten ehtojen vallitessa olla yllättävä ominaisuus: yksityistaloudellisen optimipolun loppuosa pitkän ajan tasapaino mukaan lukien voi tietystä ajanhetkestä eteenpäin tuottaa suurempaa yhteiskunnallista hyötyä kuin yhteiskunnallisesti optimaalinen polku. Työssä formalisoidaan tämä ilmiö ja tarkastellaan sen ilmenemistä.