Spatial optimization of nutrient reduction measures on agricultural land to improve water quality: A coupled modeling approach

The objective of this study is to identify the optimal spatial distribution of Best Management Practices (BMPs) to reduce total phosphorus (TP) runoff from agricultural land in the largest Canadian watershed draining into Lake Erie, the Great Lake most vulnerable to eutrophication. BMP measures include reduced fertilizer application, cover crops, buffer strips, and the restoration of wetlands. Environmental SWAT model results feed into a spatial optimization procedure using two separate objective functions to distinguish between public BMP program implementation costs (PIC) on the one hand and farmers' private pollution abatement costs (PAC) on the other hand. The latter account for the opportunity costs of land retirement and changing land productivity. PAC are initially lower than PIC but exceed the latter after 30% of the annual TP baseline load is eliminated. This suggests that under optimal conditions existing grant and incentive payments cover the economic costs farmers face up to a maximum of 30% of the baseline load reduction. Imposing further reductions of up to 40% results in a cost to farmers of almost $52 million per year. This is 45% higher than the optimal solution based on PIC and therefore not deemed incentive-compatible under the watershed's existing cost-sharing scheme. L'objectif de cette etude est d'identifier la distribution spatiale optimale des meilleures pratiques de gestion (BMP) pour reduire le ruissellement de phosphore total (TP) des terres agricoles dans le plus grand bassin versant canadien qui se deverse dans le lac erie, le Grand Lac le plus vulnerable a l'eutrophisation. Les mesures de BMP comprennent la reduction de l'epandage d'engrais, les cultures de couverture, les bandes tampons et la restauration des milieux humides. Les resultats environnemental du modele SWAT alimentent une procedure d'optimisation spatiale utilisant deux fonctions objectives distinctes pour faire la distinction entre les couts publics de mise en oe uvre des programmes de BMP (PIC) d'une part et les couts prives de reduction de la pollution (PAC) des agriculteurs d'autre part. Ces derniers tiennent compte des couts d'opportunite de la mise hors service des terres et de l'evolution de la productivite des terres. Les PAC sont initialement inferieurs aux PIC, mais depassent ce dernier apres l'elimination de 30% de la charge de base annuelle de TP. Cela suggere que, dans des conditions optimales, les subventions et les primes d'incitation existantes couvrent les couts economiques auxquels les agriculteurs sont confrontes jusqu'a un maximum de 30% de la reduction de la charge de base. L'imposition de reductions supplementaires allant jusqu'a 40% entraine un cout pour les agriculteurs de pres de 52 millions de dollars par annee. Il s'agit d'une augmentation de 45% par rapport a la solution optimale fondee sur le PIC et qui n'est donc pas jugee compatible avec les incitatifs dans le cadre du systeme actuel de partage des couts du bassin versant.