Applying insights from production theory and frontier estimation to sustainability assessment in agriculture - Kuosmanen, Natalia (MTT, 2014)
Ekologinen kestävyys on moniulotteinen käsite, joka sisältää ympäristöä, yhteiskuntaa ja taloutta koskevia ulottuvuuksia. Kestävyydelle on ehdotettu lukuisia erilaisia määritelmiä. Siitä huolimatta ekologisen kestävyyden soveltaminen konkreettisiksi käytännön toimenpiteiksi on osoittautunut haastavaksi useista eri syistä. Tämän väitöskirjan tavoitteena on edistää ekologisen kestävyyden kvantitatiivista arviointia keskittyen erityisesti maatalouteen. Väitöskirja koostuu johdannosta sekä viidestä artikkelista, jotka lähestyvät ekologisen kestävyyden arviointia eri näkökulmista. Kolmen ensimmäisen tutkimuksen pääasiallisena tavoitteena on kehittää yleinen menetelmä ekologisen kestävyyden arviointiin. Ensimmäinen artikkeli havainnollistaa miksi on tärkeätä erottaa selkeästi ekologisen kestävyyden käsitteellinen määritelmä sen empiiristä soveltamista koskevista kysymyksistä. Seuraavat kaksi artikkelia puolestaan osoittavat ensimmäisessä artikkelissa ehdotetun yleisemmän menetelmän käytettävyyttä ekologisen kestävyyden arvioinnissa eri tuotantotasoilla. Ehdotettu menetelmä hyödyntää jo olemassa olevia rintamaestimoinnin menetelmiä, kuten ei-parametriset DEA-menetelmä (Data Envelopment Analysis) ja parametrinen SFA-menetelmä (Stochastic Frontier Analysis). Niiden lisäksi tutkimuksessa sovelletaan äskettäin kehitettyä StoNED-menetelmää (Stochastic Nonparametric Envelpoment of Data). Viimeiset artikkelit pureutuvat maatalouden ravinnepäästöihin ekologisen kestävyyden näkökulmasta. Artikkeleissa esitetään uusi dynaaminen malli maaperässä olevien ravinnevarantojen sekä ilmakehään ja vesistöihin kohdistuvien ravinnevirtausten analysointia varten. Tutkimuksessa osoitetaan dynaamisen mallin edut perinteisiin staattisiin materiaalitaselaskelmiin perustuviin malleihin verrattuna. Dynaamisen mallin hyödyllisyyttä ja sovellettavuutta havainnollistetaan neljännessä artikkelissa arvioimalla Suomen maatalouden typen ja fosforin varannot sekä niiden virtaukset 48-vuotisella ajanjaksolla. Viidennessä artikkelissa tarkastelu laajennetaan kattamaan neljätoista Euroopan maata ajanjaksolla 1961–2009. Ehdotettu dynaaminen malli mahdollistaa ravinnepäästöjen aikaisempaa tarkemman kohdentamisen maaperään, ilmakehään ja vesistöihin kohdistuviksi ravinnevirroiksi. Dynaamisen mallin avulla lasketut ravinnevarannot ja -virrat ovat suoraan hyödynnettävissä ekologisen kestävyyden arvionnissa ympäristökuormituksen indikaattoreina. Teoreettisten hyötyjen lisäksi kahdessa viimeisessä artikkelissa esitetty dynaaminen mallinnustapa avaa monia uusia tutkimusmahdollisuuksia: esimerkiksi ravinnevarantojen ja -virtausten alueellinen kohdentaminen yksittäisille maatiloille tai alueille on mielenkiintoinen mutta haastava jatkotutkimuksen aihe.

Sustainability is a multidimensional concept that encompasses environmental, social and economic dimensions. A large number of qualitative concepts and definitions of sustainability have been suggested. However, quantifying the notion of sustainability as an operational measure has proved challenging due to a variety of meanings attached to this concept. The aim of this dissertation is to contribute to quantitative assessment of sustainability, focusing on agriculture. The thesis consists of an introductory part and five articles, which approach the assessment of sustainability from different angles. The main objective of the first three studies is to develop a general framework for sustainability assessment at different levels of aggregation. The first study demonstrates the critical importance of separating the conceptual definition of sustainability from the questions concerning its empirical assessment. The following two articles apply the generalized framework proposed in the first article to sustainability assessment at farm and sector levels. The proposed approach utilizes existing methods of frontier estimation that are applied for productivity and efficiency analysis. Apart from the conventional nonparametric Data Envelopment Analysis (DEA) and parametric Stochastic Frontier Analysis (SFA), a recently developed Stochastic Nonparametric Envelopment of Data (StoNED) approach, is applied in this thesis. The last two articles of the thesis focus on a specific measurement issue within sustainability assessment: how to measure nutrient emissions from agriculture to water, soil, and air. Analyzing stocks and flows of nutrients requires dynamic modeling. The fourth article proposes a new dynamic approach to model the nutrient stocks and flows and demonstrates the advantages of the proposed dynamic model over the conventional static approaches to material balance accounting. The empirical applicability and usefulness of the dynamic model are demonstrated through an empirical application to Finnish agricultural sector where the stocks and flows of nitrogen and phosphorus are estimated for a 48-year period. In the fifth article, the analysis is extended to cover 14 European countries in years 1961–2009. The proposed dynamic material balance approach allows one to analyze the development of nutrient stock over time and decompose the nutrient flows to water, air and soil. The stocks and flows calculated using the dynamic model can be readily utilized in sustainability assessment as indicators of environmental pressure. Apart from the theoretical contribution, last two articles of the thesis open up interesting new avenues for future research; for example, disaggregating nutrient stocks and flows to the level of individual farms or regions presents an interesting but challenging research problem.
Keywords: Maatalous - yleistä, maatalousekonomia,maatalousneuvonta, maaseudun kehittäminen; ekologisen kestävyyden arviointi; rintamaestimointi; tehokkuusanalyysi; frontier methods; eficiency analysis; sustainability asessment; agriculture; maatalous