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Economie publique du changement climatique
UMR Economie Publique INRA-INAPG
Modèle Intégré pour les Régulations Agri-Environnementales
Laure Bamière
Elodie Debove
Stéphane De Cara
Caroline Godard
Pierre-Alain Jayet
Binta Niang
1
22-23 janvier 2004
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
[email protected]
MICCES
Outline of the
presentation





2
L’équipe
Les objectifs
Les appuis
Outils, méthodes et résultats
perspectives
22-23 janvier 2004
MICCES
L’équipe


DR2 + CR2 (2001) + IR2 (2003)
Thèses
–
–


CDD (GICC)
CDD ? Projets 6e PCRD
–
–
–
3
1 cofinancée ADEME - INRA (ESR) : agronomie (2002)
1 IGREF formation par la recherche (soutien INRA, 2003)
INSEA (STREP coord. IIASA): 01/01/2004
GENEDEC (STREP coord. UMR): sélectionné …
SEAMLESS (PI) Agro-Eco ???
22-23 janvier 2004
MICCES
Objectifs

Dans une perpective d’économie publique
–
–
–

en s’appuyant sur la modélisation
–
–

Fondée sur une logique micro-économique de l’offre agricole tenant
compte de la diversité des contextes (géo, pédo-clim)
Associée à une bonne représentation des phénomènes physiques et
biologiques liées aux productions de l’agriculture et de l’élevage
Réactive aux chts institutionnels et environnementaux
–
–
4
Evaluer les impacts du changement climatique
En intégrant les politiques de régulation environnementale
Et l’adaptation des systèmes au changement climatique
De la Politique Agricole Commune
Du progrès technique et des changements physiques (T, CO2)
22-23 janvier 2004
MICCES
Les appuis

Institutionnels par financement sur appel d’offre
–
–
–

INRA et autres établissements de R&D
–
–
–
–
–
–
5
MATE GICC (1999, 2001, 2002)
MIES, DP
6e PCRD (2004)
Directs (postes IR2, IGREF)
Groupe INRA CAFQA (B. Seguin),
Expertise collective « stockage C sols agricoles »
Collaboration Dpt EA (Avignon, Orléans, Grignon, Clermont)
STICS, co-encadrement de thèse
ADEME (co-financement thèse)
INAPG (CEREOPA)
CEA / LSCE en devenir
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats

MIRAjE
–
–
Un “cluster” autour du modèle AROPAj
Un site intranet et un serveur dédié

Lien avec les sites et projets à visibilité externe
–
–

–
Un forum organisé autour des projets financés et
susceptibles d’être audités (UE, GICC, DP, …)
Une commande générique UNIX



6
GENEDEC (à venir)
STICS ?
Gestion des “cahiers du jour”
Mementos
Menus d’accès à l’utilisation du modèle
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)
MIRAjE
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MC2 (Modèles, couplage, climat)
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couplage, climat)
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Cara
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Stéphane De
Cara
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Mar Avr 08, 2003 5:29 pm
Stéphane De Cara
Cycles biogéochimiques,
effet de serre et chgt
climatique
0
Caroline Godard
3
Ven Jan 16, 2004 3:41 pm
Caroline Godard
Notes de Caroline sur les
engrais
0
Stéphane De
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4
Mar Déc 02, 2003 5:10 pm
Stéphane De Cara
Emissions de GES : Une note
sur les unités
0
Stéphane De
Cara
10
Ven Juil 11, 2003 4:36 pm
Stéphane De Cara
Emissions de N2O d'origine
agricole
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Stéphane De
Cara
15
Ven Juil 11, 2003 12:45 pm
Stéphane De Cara
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22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Modèle AROPAj
Généricité et modularité
–
Un ensemble de modèles
représentant le comportement économique de fermes représentatives
(exploitations type, virtuelles, constituées à partir du RICA)
–
Blocs matriciels constitutifs du modèle autour des





8
Variables caractérisant une fonction d’objectif, des activités de
production et de consommation factorielle,
Modules techniques (contraintes agronomiques, production et
alimentation animale, démographie bovine,…)
Instruments de la PAC (aides directes, gel de terre, quota,…)
Indicateurs à caractère environnemental (GES)
Scenarios
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Principes du modèle
–
Micro-économique multi-producteur


–
Fondé sur la programmation mathématique


Fort contenu technique (agronom., zoot., relat. d’émissions)
Statique mono-périodique (annuel)
–
Qui associe un PL à chaque exploitation agricole type
–
Permettant l’analyse macro-économique :


9
Rationnalité individuelle
Offre (prix exogènes)
Agrégation successive des producteurs types
(région, Etat membre, UE)
“jeu” entre producteur et contribuable
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Modèle générique pour la ferme type k
programme du producteur :
max pk(x, z ; k,) = pk(k,)  x
x,z
st
/
Ak(k,) x - bk(k,) z ≤ 0
(l)
z = Nk (h)
x≥0
Ferme type:
Eléments:
Paramètres:
Activités:
10
22-23 janvier 2004
(m)
k
Ak , bk , pk
k ,
x, z, l, h, m
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Maquette
Sveg
Farm type
External aggregation
Pveg
On-f
Breed
LiveSt
CAPact
Agron
n
-S
Vegetal use
Breeding
0
<
Cattle Demogr.
-S
CAP
=
-S
1
Sveg Pveg On-f
Breed
LiveSt
Agron
Vegetal use
Sveg Pveg On-f
Breeding
Agron
Breed
LiveSt
-S
CAPact n
FT 2
<
Demog
Sveg
Pveg On-f
CAP Agron Breeding
Vegetal use
Vegetal use
CAP
0
-S
Breed
-S LiveSt CAPact n
-S
<
1
N
=
Demog
-S
Breeding
-S
0
=
N
1
Demog
CAP
FT 3
-S
<
-S
-S
1
Sveg
0 Pveg On-f
Breed
LiveSt
Agron
Vegetal use
=
N
22-23 janvier 2004
FT k
CAPact n
-S
Breeding
CAP
11
N
FT 1
CAPact n
-S
-S
1
<
0
=
N
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Cohérence entre les modules
Yields
functions
Animal « block »
- cattle demographic balance
- capital adjustment
- feeding
Crop « block »
- yields
-fertilizers (N org. & min.)
- use (market / on-farm)
Manure
- CH4
- organic N
C sequestration
- soils (change in practice, land use)
- upper biomass (trees)
12
22-23 janvier 2004
Climate
change
adaptation
GHG
- CH4
- N2O
- NO, O3 ?
+C
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Elaboration du modèle à partir de la maquette
–
Typologie


–
Estimation des paramètres


–
Critère géographique (région RICA, alt.)
Critère technico-économique (OTE RICA)
Économétrie simple
Dires d’expert
Calibrage

Combinaison gradient, MonteCarlo
min
x* k ( k ,  )  x k
k
d

where    .
13
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Version UE-15
Data
(FADN)
- Yields
- Area
- Variable costs
- Producing activities
- Size of farms
- Altitude
-…
Other sources
14
Estimation
Typology
15 countries, 101
regions
734 farm-types
Calibration
Model inputs
- Prices
- Technical parameters
- CAP-related parameters
734 models
Maximize gross margin
Subject to :
- Technical constraints
- Policy constraints
Model output
- Optimal area
- Livestock numbers
- Animal feeding
- Net emissions
- Emissions coefficients
- Soils characteristics
- Fertilizer uses and
prices
-…
22-23 janvier 2004
MICCES
Artix
Sources
Oracle, MySql, PostGres, …..
sol
• RICA :
AROPAj
étape de
calibrage
Sources
Base de données
• Carte européenne
des sols (1/10 6)
• Base de
données du
projet MARS
(JRC)
Architecture Client-Serveur
climat
Pays
Région
 Cultivars
Ferme Type
Apports
organiques
Prix des engrais
Culture
 type d’engrais azoté
 Fractionnement
 Autres pratiques
culturales pour STICS
Irrigation
SERVEUR
Client Java
Réseau
Client Java
Client Java
15
• FAO
• Eurostat
22-23 janvier 2004
MICCES
• Experts
16
22-23 janvier 2004
MICCES
17
22-23 janvier 2004
MICCES
18
22-23 janvier 2004
MICCES
Méthode
Couplage des modèles AROPAj et STICS (1)
Base de
données
ENTREES A
DETERMINER
• Cultivar
3
• sol
5
• Précédant cultural
A
R
O
P
A
J
19
ENTREES FORCEES
• Climat
2
S
T
I
C
S
• Type d’engrais
et calendrier
• Irrigation
R = rendement
Echelle : 1 culture, 1 ferme type
30
+
+ +… +… …
+…
+…
X X1
XX
+…
X
X
X
R = B – (B-A) e - t N
R
X
R0
X
X 24
X
N = Azote
(engrais + déjections)
X
X
N0
Données
pseudoexperimentales :
30 jeux
Courbe ajustée
répondant le mieux
aux critères
économiques
Sélection du jeu d’entrées
• Apports azotés organiques
(quantité évaluée, caractéristiques)
22-23 janvier 2004
N
TOUTES LES ENTREES
(variété, sol, précédent)
NECESSAIRES FIXEES
MICCES
Méthode
Couplage des modèles AROPAj et STICS (2)
Echelle : 1 culture, 1 ferme type
ENTREES AZOTEES
• doses d’engrais variables
OU
OU
R
R
R = B – (B-A) e - t N
R = b – (b-a) e - T N
• épandages d’effluents variables
*
*
*
*
X
*
ENTREES FIXEES
BD
20
*
• Sol
1
• Climat
1
• Cultivar
1
• irrigation
1
• Type d’engrais et
calendrier
1
1
• Précédant cultural
1
S
T
I
C
S
X
X
X
X
*
X
X
D
D = quantité
de déjection
N
N = unités
d’azote engrais
Equivalentes en rendement
(toutes conditions égales par ailleurs)
R = B – (B-A) e - t N
Courbe unique
AROPAJ
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Impact « biophysique » du changement climatique et
implication économique
Déformation du rendement fonction de réponse
à l’engrais minéral azoté
r(x; CO2, T, …) ?
Quelles associations
climat – sol – culture ?
r
p
p
Cultures nouvelles
pour une région
r1
?
-w
r0
Déformation
par le climat
-w
Potentiel agronomique
fonction du sol, du climat
Variété ? Coût ? Rendement ?
Risque évènement extrême (proba?)
21
22-23 janvier 2004
x1
x0
x
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Émissions et séquestration C
–
–
À partir du lien entre émissions GES, stockage C et activités
agricoles :
Estimer les coûts d’abattement du Carbone


–
Combien il en coûterait aux producteurs de réduire leurs émissions
Coûts total et marginal
Évaluer le potentiel que l’on obtiendrait par la régulation

À quels niveaux d’émission conduirait l’instauration de politiques
économiques selon les instruments et le contexte
–
–
–
–
–
Tenir compte de l’hétérogénéité des coûts d’abattement

22
“prix” (taxes sur les émissions, les produits ou facteurs)
“quantité” (quota sur les émissions, les produits ou facteurs)
1er rang (les émissions … inobservables individuellement)
2ème rang (les produits ou facteurs … marchandisés)
Où se produirait et qui produirait la réduction des émissions
pour un niveau donné d’incitation
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Emission accounting within the economic
model
–
Several options are available:




–
–
23
Average coefficients per unit of agricultural activities
IPCC: Inventory-based, relying on national parameters
Using outputs from bio-physical models
“Hard” coupling of economic and biophysical models
Trade-off between accuracy, availability of data,
computing time and compatibility of inputs/outputs
The choice of the accounting method matters
when it comes to estimate abatement cost
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Relations entre émissions et activités : IPCC
Area
N2O agricultural soils (synthetic fertilizers)
X (N use)
N2O agricultural soils (crop residues and
N-fixing crops)
X (N use)
Animal
numbers
N2O agricultural soils (manure applied to
soils)
X
N2O agricultural soils (animal production)
X
N2O manure management
X
CH4 manure management
X
CH4 enteric fermentation
X
X
CH4 rice cultivation
(X)
Carbon sequestration
24
Animal
Feeding
22-23 janvier 2004
MICCES
(X)
Outils, méthodes et
résultats (suite)

GHG emissions from agriculture in the EU
–
Le point de départ
CO2
(MtCO2)
CH4
(MtCO2)
N2O
(MtCO2)
Enteric fermentation
-
131.4
Manure management
-
33.1
Rice cultivation
-
2.3
-
Total
(MtCO2)
-
131.4
29.1
2.3
Agricultural soils
2.0
1.3
189.7
193.1
Total Agriculture
2.0
168.3
219.2
389.5
Total EU (excl. LULUCF)
3324.8
341.8
338.1
4004.7
LULUCF (agri. and forestry)
-180.7
2.6
5.9
-172.2
Source : IPCC 2003, 2000 data
25
62.2
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Estimating abatement costs
–
Pricing the externality’ to estimate abatement costs (primal
approach):



–
Alternative approach (dual):




26
A tax t on net emissions is assumed to affect the gross margin
Modification of the relative prices between activities
t in [0;T] => individual abatement supply curves or
equivalently the marginal abatement cost functions
A emission quota q is introduced q<E0
Modification of the feasible set.
The shadow price (emission constraint) = MAC
q in [Emin;E0] => individual MAC curves
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Coûts marginaux de réduction en France
450
No authorization
of afforestation
of set aside land
400
350
300
l (€)
250
200
150
100
50
0
1
2
20%
3
4
5
5%
6
Deciles of the total population
Source : De Cara et Jayet (2000) Eur. Rev. of Ag. Econ.
27
22-23 janvier 2004
7
8
1%
9
1-
10
Increasing ratio LU/ha
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Coûts marginaux de réduction en France
225
Authorization
of afforestation
of set aside land
200
175
150
l (€)
125
100
75
50
25
0
1
2
20%
3
4
5
5%
6
Deciles of the total population
Source : De Cara et Jayet (2000) Eur. Rev. of Ag. Econ.
28
22-23 janvier 2004
7
8
1%
9
1-
10
Increasing ratio LU/ha
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

29
Offre de réduction pour l’UE (CH4 et N2O)
22-23 janvier 2004
MICCES
Outils, méthodes et
résultats (suite)

Distribution régionale de l’abattement
Relative regional abatement rate
for t = 34€/tCO2
when total abatement is 8%
30
22-23 janvier 2004
MICCES
Perspectives
et conclusion

Au carrefour
–
–

Développer un modèle de référence
–

–
–
Impacts de l’agriculture sur l’environnement (GES)
Impacts du changement climatique sur l’agriculture
Aléas sur les évènements extrêmes
Susceptible d’aider à la décision publique en matière
–
–
31
Pour les décideurs publics ou privés européens ou nationaux
Traitant des relations agriculture - environnement
–

Entre économie et biophysique
Des politiques agricoles et environnementales
D’évaluation des incitations au changement d’utilisation du sol
Et au changement des pratiques agricoles
22-23 janvier 2004
MICCES