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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-48878
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4887/


CLIMATE CHANGE AND PESTICIDE USE: AN INTEGRATED ECONOMIC ANALYSIS

KLIMAWANDEL UND  PESTIZIDENNUTZUNG:  EINE INTEGRIERTE ÖKONOMISCHE  ANALYSE

Koleva, Nikolinka

Originalveröffentlichung: (2010) Koleva, N.G., U.A. Schneider, and R.S.J. Tol The impact of weather variability and climate change on pesticide applications in the US - An empirical investigation, International Journal of Ecological Economics & Statistics 18(2010):64-81. Koleva, N.G. and Schneider U.A., The impact of climate change on aquatic risk from agricultural pesticides in the US, International Journal of Environmental Studies, 67(2010):677-704. Koleva, N.G. and Schneider U.A., The impact of climate change on the external cost of pesticide applications in US agriculture. International Journal of Agricultural Sustainability 7 (2009):203-216
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Freie Schlagwörter (Englisch): climate change impacts, pesticide externalities, farm management adaptation , agricultural sector model , welfare maximization
Basisklassifikation: 83.66 , 83.63
Institut: Wirtschaftswissenschaften
DDC-Sachgruppe: Wirtschaft
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Tol, Richard S. J. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.11.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 29.11.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Der Gebrauch von Pestiziden in der Landwirtschaft hat nachteilige Auswirkungen auf die Umwelt und die menschliche Gesundheit. Diese Auswirkungen sind abhängig vom Klima, weil Schädlingsbelastung und optimaler Pestizideinsatz sich mit den Wetter- und Klimabedingungen verändern. Diese Dissertation liefert eine integrierte ökonomische Analyse des Einflusses der Klimaentwicklung auf den Pestizideinsatz in der US-amerikanischen Landwirtschaft und der externen Auswirkungen auf die aquatische Umwelt.

Im ersten analytischen Teil der Dissertation wird ein auf Paneldaten basierendes Regressionsmodell benutzt, um die Auswirkung von Wetter und Klima auf den Pestizideinsatz in 32 Staaten zu quantifizieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Wetter- und Klimaunterschiede die Anwendungsraten der meisten Pestizide bedeutend beeinflussen. Anschließend werden interpolierte Klimaszenariodaten sowohl des Kanadischen Klimamodells als auch des Klimamodells vom Hadley-Zentrum in die geschätzten Regressionsgleichungen integriert. Die dadurch erhaltenen Projektionen zeigen, dass die Anwendung der meisten Pestizide zunimmt. Die Werte variieren jedoch nach Nutzpflanzenart, Region und Pestizid.

Erhöhte Ausbringungsraten von Pestiziden können die negativen Auswirkungen auf die Umwelt vergrößern. Dabei spielen die Auswirkungen auf Wasserorganismen eine wichtige Rolle. Der aquatische Risikoindikator REXTOX und aus der Paneldatenregression abgeleitete, klimaabhängige Projektionen der Pestizidanwendung werden kombiniert, um die Auswirkung des Klimawandels auf das Risiko für Wasserorganismen zu untersuchen, das von Pestiziden in der US-amerikanischen Landwirtschaft ausgeht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Klimawandel das Toxizitätsrisiko für Wasserorganismen wegen gestiegener Anwendungen von Pestiziden in der Landwirtschaft um durchschnittlich 47 Prozent erhöht. Daphnien und Fische sind die am meisten betroffenen Wasserorganismen. Von den acht untersuchten Kulturpflanzenkategorien tragen Pestizide, die auf Kern- und Steinfrüchte sowie auf fruchtbildendem Gemüse verwendet werden, am meisten zum aquatischem Risiko bei. Innerhalb der 32 untersuchten US-Staaten werden mehr als 90 Prozent der vom Klimawandel hervorgerufenen Pestizidschäden auf die Wasserwelt von nur dreizehn Staaten in Küstennähe verursacht. Weil die 100 Jahre umspannenden Projektionen auf unsicheren Regressionskoeffizienten mit einer Fehlerverteilung beruhen, werden Monte Carlo Simulationen durchgeführt und Vorhersage-Intervalle berechnet, um die Unsicherheit der Risikowerte einzuschätzen.

Außerdem werden die Projektionen der Pestizidanwendung mit dem Pesticide Environmental Accounting (PEA)-Instrument verknüpft, um die Auswirkung des Klimawandels auf die externen Kosten der Pestizidanwendungen zu monetarisieren. Die daraus berechneten gegenwärtigen externen Kosten der Pestizidanwendung in der US-amerikanischen Landwirtschaft betragen durchschnittlich US$42 pro Hektar. Durch den Klimawandel können diese Kosten auf durchschnittlich $72 pro Hektar bis 2100 steigen.
Im weiteren Verlauf der Dissertation werden klimaabhängige Daten über Pestizidintensitäten unter alternativen Schädlingskontrollstrategien und damit verbundene Einflüsse auf Nutzpflanzenerträge, Wasserbedürfnisse, Produktionskosten und externe Pestizidkosten, in das Agricultural Sector and Mitigation of Greenhouse Gas (ASMGHG)-Modell integriert, um alternative Szenarien über mögliche Regulierungen von externen Kosten der Pestizidanwendungen in der US-amerikanischen Landwirtschaft unter verschiedenen klimatischen Bedingungen zu untersuchen. Die Auswirkungen der Internalisierung der externen Pestizidkosten und des Klimawandels werden sowohl unabhängig voneinander als auch gemeinsam beurteilt. Die Ergebnisse zeigen für die USA, dass ohne eine Pestizidregulierung die Klimawandelgewinne aus der gestiegenen landwirtschaftlichen Produktion durch die gestiegenen externen Umweltkosten mehr als kompensiert werden. Die Internalisierung der externen Pestizidwirkungen erhöht zwar die Produktionskosten der Landwirte, aber wegen der Preisanpassungen und damit verbundenen Veränderungen von Konsumenten- und Produzentenrenten auch deren Einkünfte. Die Ergebnisse offenbaren auch, dass eine vollständige Internalisierung der externen Pestizidkosten die optimalen Anwendungsraten für Pestizide im Getreide- und Sojabohnenanbau beträchtlich reduzieren würde, wenn sich das Klima verändert.

Die empirischen Ergebnisse dieser Doktorarbeit zeigen wie wichtig die Berechnung der externen Pestizidkosten ist. Eine Zunahme der negative externen Effekte durch Pestizidanwendungen liefert ein Argument für eine strengere politische Kontrolle der Treibhausgasemissionen. In diesem Zusammenhang können die durchgeführten Kostenberechnungen auch helfen, die Repräsentation der externen Effekte des Klimawandels in integrierten Bewertungs- und Erdsystemmodellen zu verbessern. Die untersuchte Pestizidregulierung kann als eine Pestizidsteuer interpretiert werden, bei der das Steuerniveau dem Schaden für Umwelt und menschliche Gesundheit entspricht. Eine solche Politik würde sich von den meisten existierenden Regelungen unterscheiden, die nur Pestizide verbieten oder genehmigen, aber keine Kosten auf die erlaubten Pestiziden auferlegen. Die Erkenntnisse dieser Dissertation können auch Landwirtschaftsforschungsprogramme beeinflussen, weil der erwartete gesellschaftliche Nutzen der Forschung zu alternativen Schädlingskontrollstrategien von der erwarteten Veränderung der externen Kosten abhängt.
Kurzfassung auf Englisch: Agricultural pesticides impact adversely on the environment and human health. These impacts are sensitive to climate change, because pest pressure and optimal pesticide application rates vary with weather and climatic conditions. This dissertation provides an integrated economic analysis on climate change and US pesticide applications. A panel data regression model, for thirty two states, is used to quantify the effect of weather variability and climate change on pesticide application. The results indicate that weather and climate differences significantly influence the application rates of most pesticides. Subsequently, the regression results are linked to a downscaled climate change scenario, the Canadian and Hadley climate change models. Results show that the application of most pesticides increases under both scenarios. The projection results vary by crop, region and pesticide.
Increases in pesticide application doses may amplify the negative impacts on the environment. One important issue is the effect on aquatic species. Aquatic risk indicator, REXTOX and climate change projection on pesticide applications from the panel data regression model, are combined to examine the impact of climate change on aquatic risk from agricultural pesticides in the US. On average, climate change is likely to increase the toxicity risk to aquatic species by 47 percent, because of increased applications of agricultural pesticides. Daphnia and fish are the most affected aquatic species categories. Across eight broad crop groups, pesticides used on pome and stone fruits and on fruiting vegetables contribute the most to aquatic risk. Within the thirty two US states examined, more than 90 percent of the climate change-induced pesticide pollution impact on the aquatic environment is caused by only thirteen states near the coast. Because projections on aquatic risk are based on uncertain regression coefficients with an error distribution and projection period covering 100 years, a Monte Carlo simulation and prediction intervals system is used to estimate the uncertainty of the risk estimates.
Simultaneously, projections on pesticide application are linked with the Pesticide Environmental Accounting (PEA) tool, to compute the impact of climate change on the external cost of pesticide applications. The current average external cost of pesticide use in US agriculture is calculated at US$42 per hectare. Under projected climate change this cost could increase to $72 per hectare by 2100.

Subsequently, pesticide external cost estimations and climate change projections on pesticide application, together with alternative pest control data, climate state specific data on agricultural crop yields, irrigation water requirements and production costs are integrated within the Agricultural Sector and Mitigation of Greenhouse Gas (ASMGHG) model, to examine alternative assumptions about regulations of external costs from pesticide applications in US agriculture under different climatic conditions. The impact of the internalization of the pesticide externality and climate change, are assessed both independently and jointly. Results indicate that without external cost regulation, climate change benefits from increased agricultural production in the US, may be more than offset by increased environmental costs. The internalization of the pesticide externalities increases farmers’ production costs but also increases farmers’ income, because of price adjustments and associated welfare shifts from consumers to producers. The results also show that full internalizations of external pesticide costs substantially reduce preferred pesticide application rates for corn and soybeans, as climate changes.

Additionally, a partial equilibrium model of the US agricultural sector is modified to examine the effects of alternative regulations of the pesticide and greenhouse gas emission externality. Simulation results indicate that without pesticide externality regulations and low greenhouse gas emission mitigation strategy, climate change benefits from increased agricultural production in the US are more than offset by increased environmental costs. Although the combined regulation of pesticide and greenhouse gas emission externalities increases farmers’ production costs, their net income effects are positive because of price adjustments and associated welfare shifts from consumers to producers. The results also show heterogeneous impacts on preferred pest management intensities across major crops In absence of greenhouse gas emission policy, pesticide externality regulation substantially increases the total water use for irrigation.

Empirical results from this dissertation show the importance of accounting for pesticide externalities. Overall increased negative externalities from pesticide applications could provide an argument for more mitigation, i.e. for stronger greenhouse gas emission control policies. Related to this argument, the externality estimates can help to improve the scope of climate change impacts in integrated assessment and earth system models. Furthermore, the examined pesticide policy could be interpreted as a pesticide tax, where the tax level corresponds with the environmental and human health damage. Such a policy is different from most existing regulations, which only prohibit pesticides but impose no charge on admitted ones. The results further could also affect agricultural research programs because the anticipated social returns to research on alternative pest control strategies depend also on the expected external cost change.

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