Abstract We introduce a multistep modeling approach for studying optimal management of fertilizer inputs in a situation where soil nitrogen and carbon dynamics and water and atmosphere externalities are considered. The three steps in the modeling process are: (1) generation of the data sets with a detailed simulation model; (2) estimation of the system models from the data; (3) application of the obtained dynamic economic optimization model considering inorganic and organic fertilizer inputs. We demonstrate the approach with a case study: barley production in southern Finland on coarse and clay soils. Our results show that there is a synergy between climate change mitigation and water protection goals, and a trade-off between pollution mitigation and crop production goals. If a field is a significant source of greenhouse gas (GHG) emissions and an insignificant source of water pollution, atmospheric externalities dominate the water externalities, even for a relatively low social cost of carbon (SCC). If a field is a significant source of water pollution, the SCC would have to be very high before atmospheric externalities dominate water externalities. In addition, an integrated nutrient management system appears better than a system in which only inorganic or organic fertilizer is used, although manure is not a solution to agriculture's GHG emissions problem. Moreover, GHG emissions and nitrogen and carbon leaching mitigation efforts should first be targeted at coarse soils rather than clay soils, because the marginal abatement costs are considerably lower for coarse soils.

中文翻译：

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作物生产、水污染或气候变化减缓——哪个最能推动社会优化施肥管理？

摘要 我们介绍了一种多步建模方法，用于在考虑土壤氮和碳动态以及水和大气外部性的情况下研究肥料投入的优化管理。建模过程的三个步骤是： (1) 生成具有详细仿真模型的数据集；(2) 根据数据估计系统模型；(3) 应用获得的考虑无机和有机肥料投入的动态经济优化模型。我们通过案例研究展示了该方法：芬兰南部粗粘土和粘土土壤上的大麦生产。我们的研究结果表明，减缓气候变化和水保护目标之间存在协同作用，以及减轻污染和作物生产目标之间的权衡。如果一个油田是温室气体 (GHG) 排放的重要来源和水污染的微不足道的来源，则大气外部性主导着水的外部性，即使是相对较低的碳社会成本 (SCC)。如果一个油田是水污染的重要来源，那么在大气外部性主导水外部性之前，SCC 必须非常高。此外，尽管粪肥不能解决农业温室气体排放问题，但综合养分管理系统似乎比仅使用无机或有机肥料的系统更好。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。大气外部性支配着水的外部性，即使是相对较低的碳社会成本 (SCC)。如果一个油田是水污染的重要来源，那么在大气外部性主导水外部性之前，SCC 必须非常高。此外，尽管粪肥不能解决农业温室气体排放问题，但综合养分管理系统似乎比仅使用无机或有机肥料的系统更好。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。大气外部性支配着水的外部性，即使是相对较低的碳社会成本 (SCC)。如果一个油田是水污染的重要来源，那么在大气外部性主导水外部性之前，SCC 必须非常高。此外，尽管粪肥不能解决农业温室气体排放问题，但综合养分管理系统似乎比仅使用无机或有机肥料的系统更好。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。如果一个油田是水污染的重要来源，那么在大气外部性主导水外部性之前，SCC 必须非常高。此外，尽管粪肥不能解决农业温室气体排放问题，但综合养分管理系统似乎比仅使用无机或有机肥料的系统更好。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。如果一个油田是水污染的重要来源，那么在大气外部性主导水外部性之前，SCC 必须非常高。此外，尽管粪肥不能解决农业温室气体排放问题，但综合养分管理系统似乎比仅使用无机或有机肥料的系统更好。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。尽管粪便不能解决农业温室气体排放问题。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。尽管粪便不能解决农业温室气体排放问题。此外，温室气体排放和氮和碳浸出减缓工作应首先针对粗土而不是粘土，因为粗土的边际减排成本要低得多。