Essays on the socially optimal management of nutrients in crop production in a boreal agroecosystem : a long-term perspective

Feeding the growing global population without compromising the long-term productivity and resilience of agroecosystems is a great challenge for global food production. A common view is that optimized nutrient management is central for achieving this goal. This thesis studies the problem of how to manage the long-term nutrition of crop production in a socially optimal way. All the essays in this dissertation rely on mathematical/statistical modeling and dynamic economic optimization. The thesis provides a theoretical and empirical framework for analyzing the influence of soil nutrient dynamics and the externalities on the socially optimal long-term nutrient management in crop production. All numerical applications are based on data and the models describing barley production on clay and coarse-textured soils in a boreal climate. In general, the thesis shows that soil nutrient and carbon dynamics significantly affect privately and socially optimal fertilization management and the optimal agri-environmental policy. The influence of soil texture on optimal nutrient management is highlighted by empirical findings. In particular, the soil’s ability to hold nutrients is an essential factor to be considered. Moreover, the simultaneous optimization of nitrogen and phosphorus nutrients, and organic and inorganic nitrogen fertilizers appears to be beneficial in many ways. Study I makes use of the extensive data sets describing long-term fertilizer field experiments and nonlinear estimation techniques to develop yield response models to nitrogen and phosphorus fertilization. The most crucial relationships determining the crop responses were captured by the developed Cobb-Douglas -type models, as those performed successfully against the independent validation data sets. Study II shows that excessively high legacy nutrient stores, causing environmental damage to waterbodies, are eventually brought down in both private and social optimums by simultaneously optimizing the use of nitrogen and phosphorus fertilizers. Also, catch crops were used as a long-term nitrogen loss abatement measure, whereas gypsum was used only temporally to cut down phosphorus loss on soils with high phosphorus levels. Our results also suggest that a dynamic tax-subsidy scheme can achieve a socially optimal outcome, but in certain specific cases, a simpler static policy instrument may well be cost-effective. Study III focuses on the socially optimal long-term management of nitrogen fertilizer and manure in a situation where water and atmospheric externalities, along with soil nitrogen and carbon dynamics are considered. Our results showed that synergy exists between climate change mitigation and water protection goals and a trade-off exists between pollution mitigation and crop production goals. Synergy was also recorded in certain cases between climate change mitigation and food production goals on clay soils. According to our results, greenhouse gas emission, and nitrogen and carbon leaching mitigation efforts should first be targeted on coarse soils, rather than on clay soils, because the marginal abatement costs are considerably lower on coarse soils.Globaalin ruoantuotannon suuri haaste on, kuinka ruokkia maailman kasvava väestö vaarantamatta maatalousekosysteemien pitkän ajan tuottokykyä. Yleisen näkemyksen mukaan ravinteiden käytön optimoinnilla voi olla keskeinen rooli tämän tavoitteen saavuttamisessa. Tämä väitöskirja tutkii ravinteiden kestävää käyttöä satoviljelyssä, hyödyntäen matemaattista/tilastollista mallinnusta ja dynaamista optimointia. Työ tarjoaa teoreettisen ja empiirisen viitekehyksen maaperän ravinnedynamiikan ja ympäristöhaittojen vaikutusten analysoimiseen. Kaikki työssä esiintyvät numeeriset havainnollistukset perustuvat dataan ja malleihin, jotka kuvaavat ohran kasvatusta savi- ja hietamailla boreaalisessa ilmastossa. Väitöskirja osoittaa, että maaperän ravinne- ja hiilidynamiikka on merkittävä tekijä optimaalisen lannoituksen sekä maatalouden ympäristöpolitiikan kannalta. Empiiriset tulokset korostavat myös maaperätyypin merkitystä optimoidussa ravinteiden käytössä. Erityisesti maaperän kyky pidättää ravinteita on tässä ratkaiseva ominaisuus. Lisäksi typen ja fosforin, sekä orgaanisen ja epäorgaanisen typen yhtaikainen optimointi tuo monia hyötyjä. Väitöskirja koostuu kolmesta tutkimuksesta. Tutkimus I kehittää typen ja fosforin satovastemalleja hyödyntäen laajamittaisia, pitkäaikaisia lannoitekokeita ja epälineaarisia estimointitekniikoita. Cobb-Douglas-tyyppinen mallispesifikaatio selitti hyvin havaittua vaihtelua itsenäisissä, validointia varten kerätyissä dataseteissä. Tutkimus II osoittaa, että liiallisen korkeat, vesistöjen kannalta haitalliset maaperän ravinnevarastot tuodaan lopulta alas niin yksityisessä kuin yhteiskunnallisessa optimissa, typen ja fosforin yhtaikaisella optimoinnilla. Lisäksi, kerääjäkasveja käytettiin pitkäaikaisena typpihuuhtouman puhdistustoimenpiteenä, kun taas kipsiä käytettiin vain väliaikaisesti vähentämään fosforihuuhtoumaa mailta, joilla maaperän fosforiluku oli korkea. Tulokset osoittivat myös, että dynaaminen vero-tuki-instrumentti voi saavuttaa yhteiskunnan kannalta optimaalisen lopputuloksen, mutta joissakin tapauksissa yksinkertaisempi, staattinen politiikkainstrumentti voi hyvinkin olla kustannustehokas. Tutkimus III keskittyy yhteiskunnan kannalta optimaaliseen epäorgaanisen typen ja lannan pitkäaikaiseen käyttöön tilanteessa, jossa huomioidaan ulkoisvaikutukset vesistöihin ja ilmakehään, sekä maaperän typen ja hiilen dynamiikka. Tulokset osoittavat synergian eri ulkoisvaikutuksen torjumisessa, sekä kompromissin päästöjen vähentämisen ja sadon tuotannon välillä. Joissakin tapauksissa savimailla synergia esiintyi myös ilmastonmuutoksen torjumiseen ja ruoantuotannon parantamiseen tähtäävien tavoitteiden välillä. Tulosten mukaan kasvihuonekaasupäästöjen, sekä typen ja orgaanisen aineksen vesistöpäästöjen vähentämiseen tähtäävät toimet pitäisi ensin suunnata hietamaille, savimaiden sijaan, koska puhdistuksen rajakustannukset ovat huomattavasti matalammat hietamailla