UNIVERSIDAD DE ZARAGOZAFACULTAD DE CIENCIAS ECONÓMICAS Y

EMPRESARIALESDepartamento de Análisis Económico

ANÁLISIS ECONÓMICO Y AMBIENTAL DE LA CONTAMINACIÓN POR NITRATOS EN

EL REGADÍO

Director: José Albiac MurilloTutor: Julio Sánchez Chóliz

Yolanda Martínez Martínez

I. Introducción

II. Modelos teóricos sobre el control de la contaminación

III. Estudios empíricos sobre la contaminación difusa IV. Metodología y fuentes de datos V. Resultados

VI. Conclusiones

INDICE DE LA PRESENTACIÓN

I. Introducción

- La contaminación hídrica de origen humano incluye fuentes localizadas espacialmente y fuentes difusas: la contaminación difusa está relacionada con actividades agrícolas y ganaderas.

- Teoría económica de las externalidades y corrección de “fallos de mercado”.

- Preocupación por emisiones: normativa europea sobre gestión y calidad del agua (Directiva de Nitratos 1991 y Directiva Marco 2000).

II. Introducción

-Fuerte aumento de la mecanización y uso de fertilizantes y plaguicidas químicos en la agricultura: incremento de los rendimientos y arrastre de nutrientes hacia los cursos de agua.

-EEA 1999 → nutrientes causa principal de la degradación de la calidad en lagos europeos y segunda causa en los ríos.

I. Introducción

-En el caso español afecta a:

* Litoral mediterráneo (500 mgNO3

−/l) * Grandes áreas de las planas costeras del Júcar (100 mgNO3

−/l) * Llanura manchega * Aluvial del Ebro *Sectores del valle del Guadalquivir (50 y 100 mg NO3

−/l.)

I. Introducción -En la cuenca del Ebro la contaminación por nitratos constituye un foco de preocupación creciente por su vinculación con la actividad de regadío - Los datos sobre calidad de aguas de la Red ICA muestran que el río Flumen a su paso por Sariñena presenta concentraciones por encima del nivel aconsejado.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Años

Con

cent

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mg/

l

Flumen enSariñena

I. Introducción

-Efectos negativos de la contaminación por nitratos:

* Efectos sobre la salud humana: riesgo de metahemoglobulemia y cáncer de estómago

* Efectos ambientales: eutrofización, daños en el valor estético y biológico

* Efectos económicos: coste de potabilización y asociados al valor recreativo

i) Construir un modelo económico dinámico, con el fin de analizar la i) Construir un modelo económico dinámico, con el fin de analizar la contaminación de los recursos hídricos como consecuencia del contaminación de los recursos hídricos como consecuencia del lixiviado de nitrógeno de los distintos cultivos.lixiviado de nitrógeno de los distintos cultivos.

I. Introducción

Objetivos:

ii) Utilizar el modelo para desarrollar planes de gestión del ii) Utilizar el modelo para desarrollar planes de gestión del agua y del fertilizante que maximicen el margen neto por agua y del fertilizante que maximicen el margen neto por hectárea y reduzcan la contaminación de origen difuso que hectárea y reduzcan la contaminación de origen difuso que provoca la actividad agraria en la zona.provoca la actividad agraria en la zona.

iii) Establecer opciones de política de control de la iii) Establecer opciones de política de control de la contaminación por nitratos mediante la simulación de distintos contaminación por nitratos mediante la simulación de distintos escenarios de medidas. De este análisis pueden derivarse escenarios de medidas. De este análisis pueden derivarse orientaciones sobre el control de la contaminación para zonas orientaciones sobre el control de la contaminación para zonas de riego similares a la zona de estudio.de riego similares a la zona de estudio.

II. Modelos teóricos sobre el control de la contaminación

- Teoría de las externalidades: efecto indirecto que una actividad de consumo o producción tiene sobre la actividad de un agente distinto al que lo causó sin que exista compensación mediante el sistema de precios.

* Problema agricultor:

Zbxwyp Maximizar * Problema social:

Función de contaminación: Z = h ( y, x )

El óptimo social no se alcanza

- Instrumentos para el control de la contaminación:

Incentivos económicos

Impuestos (Pigou 1932) Subvenciones Creación de mercados de permisos

Instrumentos de mando y control

Requerimientos técnicos Fijación de cuotas Prohibición de actividad

Instrumentos institucionales Reformas legales Formación ambiental Promoción de negociación (Coase 1960)

II. Modelos teóricos sobre el control de la contaminación

- Alternativas en el control de la contaminación difusa* Dificultad para identificar a los agentes causantes de la contaminación (Altos costes de control)

* Asimetría en la información entre los agentes contaminadores y regulador* Naturaleza dinámica de la acumulación de sustancias contaminantes

No se pueden aplicar los instrumentos óptimos

Medidas subóptimas y combinación de instrumentos buscando el equilibrio entre el control de la calidad y la

facilidad de ejecución

II. Modelos teóricos sobre el control de la contaminación

III. Estudios empíricos sobre la contaminación difusa

- Los estudios existentes difieren en las técnicas empleadas y en el ámbito espacial que abarcan.

Estudios parciales Escala explotación Escala región

Estimación de emisiones y modelos de

programación matemática

Estudios agregados NOAA 2000 (3,2 millones de km2)Mapp et al. 1994 (48.500 km2)

V. Metodología y fuentes de datos

Simulación Simulación agronómicaagronómica

EPICEPICTeoría del Control ÓptimoTeoría del Control Óptimo

MODELO BIO-ECONÓMICOMODELO BIO-ECONÓMICO

Simulación de Simulación de escenariosescenarios

V. Metodología y fuentes de datos

• 16 municipios en Hoya de Huesca y Monegros (77.841 Ha).• Clima semiárido con déficit de agua• Canal de Monegros y Canal del Cinca• 60.000 ha cultivables y 46.000 ha de regadío (riego por superficie)• Cultivos más extendidos: maíz, alfalfa, trigo, cebada, arroz y girasol.

AREA DE ESTUDIO

•Información:

*Clima (Martínez-Cob 1999) *Datos agronómicos (Isidoro 1999 y Cavero 2000) *Tipos de suelo (Nogués 2000) *Costes de producción (MAPA 2000) *Precios y pagos directos de la PAC (MAPA 2000 y DGA 2000)

IV. Metodología y fuentes de datos

Obtención de las funciones del modelo: simulación agronómica EPIC (Environmental Policy Integrated

Climate)- Se simularon las relaciones en el crecimiento de los cultivos entre: suelo, agua, clima, manejo cultivos, percolación y lixiviación.

Archivos de entradaArchivo general

Archivos secundarios

ClimaClima Suelos Suelos Manejo de cultivosManejo de cultivos Otros parámetros físicosOtros parámetros físicos

IV. Metodología y fuentes de datos

Validación: •Encuestas a agricultores de la zona y consulta a expertos de la Unidad de Suelos y Riegos del SIA (DGA) y de la Estación Experimental Aula Dei (CSIC).

* Ensayos de campo: Lisímetros de drenaje en el Campus de Aula Dei (Saad 1999 y Quílez 2001).

IV. Metodología y fuentes de datos

Programación dinámica: Magnitud óptima de una variable en el Programación dinámica: Magnitud óptima de una variable en el tiempotiempo Dos métodos: cálculo de variaciones y control óptimoDos métodos: cálculo de variaciones y control óptimo

Se obtienen las sendas óptimas de las variables uSe obtienen las sendas óptimas de las variables u**, y, y**

Elementos del control óptimo: Elementos del control óptimo: * variable de estado y(t) estado del sistema en t* variable de estado y(t) estado del sistema en t* variable de control u(t) afecta a y(t)* variable de control u(t) afecta a y(t)* función objetivo * función objetivo F(t, y(t), u(t))F(t, y(t), u(t))

* ecuación de movimiento :* ecuación de movimiento :

IV. Metodología y fuentes de datos

PROBLEMA BÁSICO DEL CONTROL ÓPTIMOPROBLEMA BÁSICO DEL CONTROL ÓPTIMO

→ Principio del máximo de Pontryagin: “los valores posibles de u se restringen a un intervalo convexo” → Conceptos de función hamiltoniana y variable auxiliar o coestado λ que es el precio sombra asociado a la variable de estado (valor marginal de y)

10

10010

,)()()(,,

)),(),(,(dd

))(),(,(1

0

tttUtulibre,esty;ytyttdonde

tutytftysujeto a

dttt tutytFMaximizar

IV. Metodología y fuentes de datos

),,()(),,(),,,( uytftuytFuytH

- Análisis de problemas de contaminación: Yadav (1994), Goetz y Zilberman ( 1998), Kampas y White (2000).

0)()

)

)

),,,()

TivyHiii

Hyii

uytHMaxiu

IV. Metodología y fuentes de datos

MODELO BIO-ECONÓMICOMODELO BIO-ECONÓMICO

- Problema de decisión del agricultor sobre las actividades agrícolas ligadas a la gestión del agua y a la contaminación

T

tTttntxtyt

nxgRlesknpxpyp

rMaxtt 1,

)()1(

1

tttttt uvlengg 1s.a.

265

243

2210 ttttttt gagananaxaxaay → función

rendimiento

siendo:

tttttt gbnbnbxbxbble 52

432

210 → función lixiviado

→ ecuación balance

→ función volatilizacióntt nv → función nitrógeno tomado por la planta

tt yu

IV. Metodología y fuentes de datos

- Obtención de la expresión analítica es posible si el modelo es lineal en la variable de estado (Muzicant 1980)- Solución para maíz, trigo y alfalfa:

)(glesknpxpypH nxy

0;0)

nH

xHi cc

cHgii )

rgHiii )

trTiv

)1(1)()

x*maíz= 600; n*maíz= 290;x*trigo= 290; n*trigo= 153;x*alfalfa= 758; n*alfalfa= 64;

IV. Metodología y fuentes de datos

T

tTititiiitintixtiyit

inxigRzlesknpxpyp

rMaxtt 1

,,,,,,,

6

1,,)(

)1(1

- El modelo para seis cultivos incluye:

titititititi uvlengg ,,,,,1,

6

11,,

jtjti zz i ≠ j, para todo i, j=1,...,6 → restricciones de

sucesión

tt

tti Z

dc

z , → restricciones de frecuencia

Izz titpac ,, → retirada de tierras PAC

tii

titi Mzm ,

6

1,,

→ restricciones de mano de obra

99,,698,,597,,496,,395,,294,,1, ititititititti zzzzzzz → restricciones agregación

IV. Metodología y fuentes de datos

V. Análisis de resultados

- El modelo bio-económico se utiliza para analizar los efectos de distintas medidas de control sobre la producción y el nivel de contaminación en la zona de estudio

Escenario Base (condiciones iniciales)

Simulación Escenarios

Comparación situación real con la óptima

Precios aguaPrecios nitrógenoLímites fertilizaciónImpuestos sobre emisiones

* Se analizan tales efectos para cada uno de los seis cultivos en 1 ha.* Efectos conjuntos en toda la zona de regadío

ESCENARIO BASE: (Precio agua 0,012 €/m3, precio nitrógeno 0,6 €/kg)

MODELO UN CULTIVO

Nitrógeno (kg/ha)

real óptimo

Agua (m3/ha)

real óptimo

Lixiviado (kg/ha)

real óptimo

Maíz 462 343 9.000 6.160 277 137Cebada 151 150 3.500 2.300 25 18Trigo 143 142 4.000 2.900 37 32Girasol 75 68 3.500 2.700 47 6Alfalfa 75 60 10.000 7.500 18 11Arroz 201 170 14.000 11.600 62 53

Sobreutilización de recursos agua y nitrógeno (Orús et al. 2000, Causapé 2002) Contaminación superior a la óptima Resultados muy próximos a la solución analítica

V. Análisis de resultados

ESCENARIO 1: Aumentos en el precio del agua (0,06 €/m3 y 0,09

€/m3)

MODELO UN CULTIVO

Efectos dispares según el cultivo Coste elevado para los agricultores

V. Análisis de resultados

ESCENARIO 2: Aumentos en el precio del nitrógeno (0,9 €/kg y 1,2

€/kg)

MODELO UN CULTIVOV. Análisis de resultados

0

100

200

300

400

500

600

700

maiz cebada trigo girasol alfalfa arroz

cultivo

Mar

gen ne

to (e

uros

/ha)

Coste inferior al del escenario 1

ESCENARIO 3: Límites a la fertilización nitrogenada (maíz 250 kg/ha, cereales y arroz 100 kg/ha, alfalfa y girasol 50 kg/ha)

Instrumento similar a los Códigos de buenas prácticas agrarias Dificultad de control de esta medida Figura del “doctor ambiental”

MODELO UN CULTIVOV. Análisis de resultados

0

100

200

300

400

500

600

700

maiz cebada trigo girasol alfalfa arroz

cultivoM

arge

n ne

to (e

uros

/ha)

V. Análisis de resultados

ESCENARIO 4: Impuesto sobre el lixiviado (0,32 €/kg y 0,11 €/kg)

MODELO UN CULTIVO

Medida preferible para la mayoría de los cultivos Dificultad de medir y controlar el nivel de emisiones Impuesto sobre el uso de la tierra puede ser una alternativa

020406080

100120140160

maiz trigo cebada girasol alfalfa arroz

Lixiviad

o (k

g/ha

)

base escenario 4.2 escenario 4.1

V. Análisis de resultados

MODELO SEIS CULTIVOS

ESCENARIO BASE:- Se ha analizado además la superficie ocupada por cada cultivo y el margen de toda la zona

PAC 2.307

Girasol 4.818

Arroz 1.947

Cebada 4.177

Maíz 6.726

Trigo 5.043Alf alf a 10.738

-El uso de agua en el estado estacionario es de 187 hm3 y 5.089 Tm el uso de nitrógeno activo. -El margen de la región asciende a 17,1 millones de euros y el lixiviado a 1.617 Tm (30 % del aplicado).

V. Análisis de resultados MODELO SEIS CULTIVOS

- Aumentan los cultivos más intensivos en agua y nitrógeno.- El aumento en el precio del agua puede no ser adecuado.

ESCENARIO 1: Aumentos en el precio del agua (0,06 €/m3 y 0,09

€/m3)

Base 0,06 (€/m3) 0,09 (€/m3)Agua (hm3) 187 139 141

Nitrógeno (Tm) 5.089 4.949 6.426

Lixiviado (Tm) 1.617 1.425 2.335

Margen (millones €) 17,1 11,4 10,402000400060008000

100001200014000

Maíz Cebada Trigo Girasol Alfalfa Arroz PAC

V. Análisis de resultados MODELO SEIS CULTIVOS

- El coste es menor que en el escenario 1.

ESCENARIO 2: Aumentos en el precio del nitrógeno (0,9 €/kg y 1,2

€/kg)

Base 0,9 (€/kg) 1,2 (€/kg) Agua (hm3) 187 185 208Nitrógeno (Tm) 5.089 4.608 4.755Lixiviado (Tm) 1.617 1.369 1.284Margen (millones €) 17,1 17,3 16,30

2000400060008000

100001200014000

Maíz Cebada Trigo Girasol Alfalfa Arroz PAC

V. Análisis de resultados MODELO SEIS CULTIVOS

- Es un buen instrumento para disminuir la contaminación a bajo coste.- Resultado similar al de los trabajos de Bernardo et al. (1994), Huang y Uri (1992) y Mapp et al. (1994).

ESCENARIO 3: Límites a la fertilización

Base LímiteAgua (hm3) 187 171Nitrógeno (Tm) 5.089 3.991Lixiviado (Tm) 1.617 898Margen (millones €) 17,1 16,70

2000400060008000

1000012000

Maíz Cebada Trigo Girasol Alfalfa Arroz PAC

V. Análisis de resultados MODELO SEIS CULTIVOS

- Se mantiene la ocupación por cultivo.

ESCENARIO 4: Impuesto sobre las emisiones contaminantes

Base 0,11 (€/kg) 0,32 (€/kg)Agua (hm3) 187 186 184Nitrógeno (Tm) 5.089 4.910 4.590Lixiviado (Tm) 1.617 1.910 1.250Margen (millones €) 17,1 16,9 16,8

02000400060008000

1000012000

Maíz Cebada Trigo Girasol Alfalfa Arroz PAC

V. Análisis de resultados MODELO SEIS CULTIVOS

EVALUACIÓN DE RESULTADOS

Variación margen

neto (miles €) (1)

Variación lixiviado

(Tm) (2)

Ratio (1)/(2)

Precio agua 0,06 €/m3 2.380 20 119Precio agua 0,09 €/m3 5.690 192 29,6Precio nitrógeno 0,90

€/kg280 248 1,12

Precio nitrógeno 1,20 €/kg

1.460 8 182,5

Límite N 300 719 0,41Tasa emisiones 0,32 €/kg 270 367 0,73Tasa emisiones 0,11 €/kg 900 147 6,12

-La medida preferida es la limitación sobre el fertilizante

La realización de encuestas y la disponibilidad de resultados La realización de encuestas y la disponibilidad de resultados experimentales, ha permitido validar los datos simulados y experimentales, ha permitido validar los datos simulados y confirmar la robustez del simulador EPIC. confirmar la robustez del simulador EPIC.

Se ha presentado un modelo bio-económico dinámico, para Se ha presentado un modelo bio-económico dinámico, para analizar la contaminación por nitratos en la zona de regadío analizar la contaminación por nitratos en la zona de regadío de Flumen-Monegrosde Flumen-Monegros

VI. Conclusiones

La obtención de la solución analítica del problema de La obtención de la solución analítica del problema de control óptimo ha permitido comparar los resultados control óptimo ha permitido comparar los resultados numéricos del modelo económico en el caso del maíz, la numéricos del modelo económico en el caso del maíz, la alfalfa y el trigo con la solución analítica. alfalfa y el trigo con la solución analítica.

Importancia de la actividad a la que se dedica el suelo en la toma Importancia de la actividad a la que se dedica el suelo en la toma de decisiones del agricultor. Algunas medidas de control de la de decisiones del agricultor. Algunas medidas de control de la contaminación pueden tener efectos contrarios a los deseados, contaminación pueden tener efectos contrarios a los deseados, debido a que la contribución al nivel de emisiones de nitrógeno en la debido a que la contribución al nivel de emisiones de nitrógeno en la región estudiada varía notablemente en función del tipo de cultivo. región estudiada varía notablemente en función del tipo de cultivo.

En la situación inicial la solución óptima difiere de la situación real, En la situación inicial la solución óptima difiere de la situación real, en la que se da una sobreutilización de los en la que se da una sobreutilización de los inputs inputs nitrógeno y agua. El nitrógeno y agua. El agricultor toma sus decisiones sin considerar los efectos dinámicos agricultor toma sus decisiones sin considerar los efectos dinámicos de éstas.de éstas.

El establecimiento de los códigos de buenas prácticas agrarias El establecimiento de los códigos de buenas prácticas agrarias puede ser un instrumento apropiado si se proveen los incentivos puede ser un instrumento apropiado si se proveen los incentivos adecuados. adecuados.

VI. Conclusiones

En el análisis del modelo regional con los seis cultivos se En el análisis del modelo regional con los seis cultivos se establecen los efectos que las distintas medidas de política de control establecen los efectos que las distintas medidas de política de control de la contaminación producen sobre la redistribución de los cultivos de la contaminación producen sobre la redistribución de los cultivos en el territorio. Puede establecerse una jerarquía entre las medidas: en el territorio. Puede establecerse una jerarquía entre las medidas: la medida más coste-eficiente es la fijación de límites cuantitativos la medida más coste-eficiente es la fijación de límites cuantitativos sobre las dosis de fertilizante nitrogenado. Las menos apropiadas son sobre las dosis de fertilizante nitrogenado. Las menos apropiadas son el aumento del precio del agua y del fertilizante.el aumento del precio del agua y del fertilizante.

En el análisis del modelo para cada cultivo por separado se En el análisis del modelo para cada cultivo por separado se observa un comportamiento diferente según las actividades: la observa un comportamiento diferente según las actividades: la medida preferible es la introducción de un impuesto sobre el medida preferible es la introducción de un impuesto sobre el lixiviado, excepto en el caso del trigo que es preferible el límite lixiviado, excepto en el caso del trigo que es preferible el límite cuantitativo sobre el nitrógeno.cuantitativo sobre el nitrógeno.

VI. Conclusiones

La sustitución entre los cultivos puede modificar de forma notable La sustitución entre los cultivos puede modificar de forma notable los niveles de contaminación, y por tanto los efectos esperados de los niveles de contaminación, y por tanto los efectos esperados de una medida concreta.una medida concreta.

Los costes de control asociados a cada una de las medidas Los costes de control asociados a cada una de las medidas planteadas determina la eficiencia de los instrumentos. Las medidas planteadas determina la eficiencia de los instrumentos. Las medidas más costosas de administrar y controlar son precisamente las más más costosas de administrar y controlar son precisamente las más eficientes. Medidas alternativas como la introducción del “doctor eficientes. Medidas alternativas como la introducción del “doctor ambiental” o de los impuestos sobre el uso de la tierra (land use tax) ambiental” o de los impuestos sobre el uso de la tierra (land use tax) pueden ser preferibles a las óptimas por su menor dificultad de pueden ser preferibles a las óptimas por su menor dificultad de gestión y control.gestión y control.

VI. Conclusiones

Importancia del control periódico sobre la efectividad y el Importancia del control periódico sobre la efectividad y el cumplimiento de las medidas: las condiciones ambientales pueden cumplimiento de las medidas: las condiciones ambientales pueden variar a lo largo del tiempo y ello puede requerir una revisión de los variar a lo largo del tiempo y ello puede requerir una revisión de los instrumentos establecidos para adecuarlos al nuevo contexto.instrumentos establecidos para adecuarlos al nuevo contexto.

UNIVERSIDAD DE ZARAGOZAFACULTAD DE CIENCIAS ECONÓMICAS Y

EMPRESARIALESDepartamento de Análisis Económico

ANÁLISIS ECONÓMICO Y AMBIENTAL DE LA CONTAMINACIÓN POR NITRATOS EN

EL REGADÍO

Director: José Albiac MurilloTutor: Julio Sánchez Chóliz

Yolanda Martínez Martínez