Assessing the Economic Relevance and Productivity of Agricultural Inputs in Italian Farms Through Quantitative Analyses
Author(s)
Buttinelli, Rebecca
Date Issued
September 18, 2024
Type
Doctoral Thesis
Abstract
For decades, Europe has actively promoted environmental sustainability through practices aimed at reducing environmental impact and protecting natural resources. Starting from the adoption of the Water Framework Directive 2000/60 (WFD) and continuing through various reforms of the Common Agricultural Policy (CAP), the European Union has consistently strengthened its commitment in this area. With the European Green Deal in 2019 and the introduction of the Farm to Fork Strategy (F2F) in 2020, the ambitious goal is to transform Europe into a zero-emission and sustainable continent, with particular attention to making the food system fair, healthy, and environmentally friendly by 2050.
However, the pursuit of agricultural sustainability, particularly through some F2F objectives such as a 50% reduction in the use of toxic pesticides and a 20% reduction in fertilizers by 2030, introduces challenges and potential trade-offs for farmers. These objectives require adaptation to new agricultural techniques, changes in crop selection, and managing the potential increase in costs associated with environmentally friendly practices, inevitably impacting agricultural production, farmer income, and rural areas’ livelihood. These worries led to European farmers’ protests all across Europe in February 2024, prompting the European Commission (EC) to announce the withdrawal of the Sustainable Use Regulation (SUR), a proposal aimed at establishing legally binding EU targets to reduce the use of chemical pesticides and associated risks by 50% (Regulation of the European Parliament and the Council on the sustainable use of plant protection products, COM (2022) 305 final 2022/0196).
In this context, this thesis aims to analyze how changes in the interaction between different agricultural inputs influence the economic performance of Italian farms. Using an integrated approach that leverages both Mathematical Programming (MP) and Econometrics, the research examines the complex dynamics that may play a role in achieving greater agricultural sustainability, including both economic and agronomic dimensions as well as social aspects. Specifically, the thesis explores the underlying dynamics of the Italian agricultural production system, evaluates the relevance and productivity of irrigation in crop production, and quantifies the economic implications of F2F objectives by identifying various representative case studies. Through detailed analysis, the goal is to identify vulnerable sectors, areas, and crops, offering insights for targeted interventions. Using advanced methodologies, the contribution of production factors to Italian agricultural production is quantified, with particular attention to irrigation water, fertilizers, and pesticides. This aims to provide a comprehensive understanding of the sector's ability to withstand changes in relationships and the
availability of the various inputs under consideration. The thesis is structured as a collection of four scientific articles, two of which are published in journals and two are ready to be submitted.
The first scientific paper analyzes the entire Italian Farm Accountancy Data Network (FADN) sample for a total of 40,000 farms for the period 2015-2018, providing a comprehensive view of Italian agriculture. Using an agro-supply model (AGRITALIM), the study identifies the most vulnerable sectors to reductions in chemicals under the F2F strategy. The analysis reveals a correlation between the reduction in chemicals and other inputs, such as water and labor, with significant economic and social repercussions on different sectors and areas of the Country. The economic and productive impacts highlighted by this work have indeed shown substantial heterogeneity across the sample, with areas and productive sectors experiencing more significant losses than others. For instance, production losses are particularly pronounced in grain or fresh fruit production, while income reduction especially affects small and more specialized farms. Livestock experience a more contained impact, although the reduction in feed and grain production exposes them to greater dependence on foreign markets and a potential increase in production costs. Considering the results of this comprehensive first analysis, more in-depth considerations on specific case studies were necessary, thus outlining the subsequent steps of the research.
Building on the findings of the previous study, which showed that grain production is especially sensitive to F2F objectives and that reducing chemicals affects other inputs like water, the second scientific article shifts its focus to the contribution of irrigation water to the production of maize grain. This investigation is particularly relevant in areas such as the Mediterranean, which are experiencing the effects of increasingly high temperatures and limited precipitation and are more exposed to drought. The study assesses the economic relevance of irrigation water for maize grain at the farm level in Italy, employing econometric production functions estimates on a panel of 1,625 Italian farms over a decade. The marginal productivity of water, and thus its shadow price, is estimated to assess the crucial role of water in economically viable maize production and to identify the significant contribution of this resource to the productivity of other inputs. This study provides accurate estimates by taking into account the unique characteristics of individuals and climatic variability. It also allows for an in-depth analysis of the differences in estimated shadow prices. This helps identify areas and farms where better management practices or increased water availability can significantly contribute to production.
The third scientific paper, stemming again from the results of the first study, explores the impacts of F2F goals on processing tomato production in Italy. Using the Stochastic Frontier Analysis (SFA) method, the study employs a translog Output Distance Function and an Inefficiency Model to
incorporate Technical Efficiency (TE) levels and identify exogenous factors influencing the production process. These factors are mainly related to determinants of potential overuse of chemical inputs such as risk perception, production uncertainty, farms’ degree of specialization, or personal beliefs and socio-demographic characteristics that may prompt the adoption of low-input production practices. Based on a FADN panel of 2,145 observations and 843 farms spanning from 2010-2021, the findings highlight the significant contribution of chemical inputs, especially fertilizers, to Italian processing tomato production. Consequently, reductions in this input could result in significant output losses, mainly affecting farms located in Northern Italy and in plains, as well as farms showing a high level of TE, therefore affecting the most productive areas, and threatening national production. Moreover, restrictions on chemicals could lead to competition with other crops, particularly in less specialized farms, resulting in a decline in national tomato production in favor of less water and input-intensive crops. Once again, these findings underscore the need for targeted interventions to mitigate the impacts of restrictive policies on chemical inputs, especially in the short term and for economically significant sectors such as the industrial tomato industry.
Finally, the econometrically estimated production function for maize grain farms is integrated with the AGRITALIM model, leveraging a FADN sample of 395 arable farms for the year 2020. This methodological advancement allows us to obtain flexible responses for maize grain production and investigate the impact of F2F targets on this crop production in Italy. Indeed, by including endogenous variables in the model maize grain gross saleable output and the quantity of fertilizers and pesticides, AGRITALIM provides results that encompass not only variations in land use but also these specific variables. The main results reveal a significant reduction in maize production and land, i.e., an extensification of production, especially in less suitable and productive areas such as Central-South and hilly regions. Furthermore, this leads to a worsening of economic results for Italian arable farms, especially in terms of added value, income, and employment. However, due to their economic relevance and the widespread cultivation of maize in these areas, the most affecting consequences concern Northern Italy, particularly the Northwest, and the more intensive areas located in the plains. These effects are mainly determined by the reduction in the use of pesticides, especially in smaller farms. Therefore, in the short term, F2F restrictions on chemical inputs could lead to increased dependence on foreign productions and a worsening of the economic conditions of agricultural farms, especially in some areas and clusters of farms, emphasizing once again the need for policies that are based on specific regional needs and tailored to the identified most vulnerable farms.
All the analyses, initially focusing on the broader variety of Italian agriculture and subsequently on vulnerable crops such as maize grain and processing tomatoes, reinforce the initial hypothesis
regarding the cascading effects of variations in input quantity on other production factors, contributing to significant economic and social impacts. By examining the context from various perspectives, these analyses collectively provide a comprehensive view, offering valuable insights for targeted interventions. Throughout the research, the relevance of production functions, particularly the translog function, emerges revealing the effects of substitution of synergy among various inputs. The research leverages these properties in all conducted studies, employing both MP and Econometrics.
In conclusion, the thesis emphasizes the need to achieve a balance for the coexistence and achievement of environmental and economic sustainability goals, recognizing that, especially in Italy, the heterogeneity within the agricultural system requires area-specific strategies and support.
The diversity observed within the Italian agricultural landscape is emphasized and explored to enhance our comprehension of farms' capacity to withstand changes in relationships among production factors and input availability. Overall, the research offers valuable insights into the dynamics between environmental and economic sustainability in Italian agriculture helping identify tailored strategies to guide the sector toward low-input production practices. It lays a robust groundwork for future investigations and provides pertinent insights, emphasizing the necessity for tailored and region-specific support for the most vulnerable farms, regions, and crops as evidenced by the widespread farmers’ protests that erupted throughout Europe. Furthermore, the EU's reassessment of environmental objectives for agriculture and its commitment to proposing new regulations and objectives in response to farmers' concerns, underscores the urgency of addressing this transition differently. This highlights how such analyses can support policymakers in formulating and shaping new proposals.
Ridurre l'impatto sull'ambiente e a tutelare le risorse naturali. A partire dal 2000 con l'adozione della Direttiva quadro sulle acque 2000/60 (DQA) e proseguendo con varie riforme della Politica Agricola Comune (PAC), l’Unione Europea ha costantemente rafforzato il proprio impegno in questo ambito. Con l'avvento del Green Deal europeo nel 2019 e l'introduzione della Strategia Farm to Fork (F2F) nel 2020, l'obiettivo ancora più ambizioso è quello di trasformare l'Europa in un continente a emissioni zero e quindi sostenibile, con particolare attenzione a rendere il sistema alimentare equo, sano e rispettoso dell'ambiente entro il 2050.
Tuttavia, la ricerca della sostenibilità agricola, in particolare attraverso alcuni obiettivi della F2F, quali la riduzione del 50% dell'uso di pesticidi tossici e del 20% dei fertilizzanti entro il 2030, introduce sfide e potenziali rischi per gli agricoltori. Questi obiettivi, infatti, necessitano di adattarsi a nuove tecniche agricole, modificare la selezione delle colture e gestire il potenziale aumento dei costi associati a pratiche rispettose dell'ambiente con un’inevitabile influenza sulla produzione agricola, il reddito degli agricoltori e l’economia delle aree rurali. Proprio questi sono le ragioni che, nel febbraio 2024, hanno portato gli agricoltori europei ad organizzare proteste in tutta Europa, spingendo la Commissione Europea (CE) ad annunciare il ritiro del Regolamento sull'Uso Sostenibile dei pesticidi (SUR), ovvero una proposta volta a stabilire obiettivi legalmente vincolanti a livello dell'UE per ridurre del 50% l'uso dei pesticidi chimici e i rischi da esso derivanti (Regolamento del Parlamento Europeo e del Consiglio sull'uso sostenibile dei prodotti fitosanitari, COM (2022) 305 final 2022/0196).
In questo contesto, questa tesi si propone di analizzare come cambiamenti nell'interazione tra diversi input agricoli influenzino le performance economiche delle aziende agricole italiane. Utilizzando un approccio integrato che sfrutta sia modelli di Programmazione Matematica (MP) che modelli econometrici, la ricerca esamina le complesse dinamiche che possono giocare un ruolo nel raggiungere una maggiore sostenibilità agricola, includendo sia aspetti economici, che agronomici e occupazionali. Nello specifico, la tesi esplora le dinamiche sottostanti al sistema di produzione agricola italiano, valuta la rilevanza e la produttività dell’irrigazione nella produzione colturale e quantifica le implicazioni economiche degli obiettivi della Strategia F2F individuando vari casi studio rappresentativi. Attraverso analisi dettagliate, l’obiettivo è quello di identificare settori, aree e colture vulnerabili, offrendo spunti per interventi mirati. Tramite metodologie avanzate, il contributo dei fattori produttivi alla produzione agricola italiana viene quantificato, con particolare attenzione alla risorsa idrica, ai fertilizzanti e pesticidi. Ciò con l’obiettivo di avere una comprensione completa della
capacità del settore di resistere ai cambiamenti nelle relazioni e nella disponibilità dei diversi input presi in esame. La tesi è strutturata come una raccolta di quattro articoli scientifici, di cui due pubblicati su rivista e due in fase di sottomissione.
Il primo articolo scientifico analizza l'intero campione della Rete di Informazione Contabile Agricola (RICA) per un totale di 40.000 aziende per il periodo 2015-2018, fornendo una visione rappresentativa dell'agricoltura italiana. Utilizzando un modello di offerta agricola (AGRITALIM), lo studio identifica i settori più vulnerabili alla riduzione di input chimici come indicato dagli obiettivi della strategia F2F. L'analisi rivela una correlazione tra riduzione di input chimici e altri fattori produttivi, come acqua e lavoro, con ripercussioni economiche e sociali rilevanti su diversi settori e aree del Paese. Gli impatti economici e produttivi evidenziati da questo lavoro hanno infatti mostrato una sostanziale eterogeneità, con aree e settori produttivi che subiscono effetti più significativi di altri. Ad esempio, la riduzione di produzione è particolarmente pronunciata per alcuni comparti, quali quello della produzione di granella o dei frutti freschi, mentre la riduzione di reddito colpisce in particolare le aziende più piccole e le più specializzate. Gli allevamenti subiscono un impatto più contenuto, anche se la riduzione nella produzione di foraggi e granella li espone a una maggiore dipendenza dal mercato estero e a un potenziale aumento dei costi di produzione. Considerando quindi i risultati di questa ampia analisi inziale, si sono rese necessarie considerazioni più approfondite su specifici casi studio, delineando così gli step successivi della ricerca.
Di conseguenza, sulla base dei risultati ottenuti tramite il modello AGRITALIM, che ha identificato i settori più vulnerabili alle variazioni di sostanze chimiche e ha evidenziato un effetto scatenante a seguito delle riduzioni di sostanze chimiche su altri input quali l’acqua, il secondo articolo scientifico sposta il proprio focus sul contributo della risorsa idrica alla produzione di colture vulnerabili come i cereali da granella, e in particolare il mais. Questa indagine è particolarmente rilevante in aree, come quella del Mediterraneo, che subiscono gli effetti di temperature sempre più elevate e limitate precipitazioni. Lo studio valuta la rilevanza economica dell’irrigazione per il mais a livello aziendale in Italia, impiegando stime econometriche delle funzioni di produzione su un panel RICA di 1625 aziende italiane nell'arco di un decennio (2010-2020). La produttività marginale dell’acqua, e quindi il suo prezzo ombra viene stimato tramite un modello econometrico basato su una funzione di produzione translog in modo da sottolineare il ruolo cruciale dell'acqua per una produzione di mais da granella economicamente sostenibile e da identificare il contributo significativo di questa risorsa alla produttività degli altri input. Lo studio fornisce stime accurate, considerando sia le caratteristiche specifiche delle aziende considerate che la variabilità climatica, permettendo di analizzare
l’eterogeneità dei risultati ottenuti e di identificare aree e aziende dove una gestione più efficiente o una maggiore disponibilità di acqua può dare un contributo importante alla produzione.
Il terzo articolo scientifico, derivante ancora una volta dai risultati dello studio condotto all’inizio del percorso, esplora gli impatti degli obiettivi F2F sulla produzione di pomodoro da industria in Italia. Utilizzando un Modello di Frontiera Stocastica (SFA), lo studio impiega una Output Distance Function di tipo translog e un modello di inefficienza per stimare i livelli di Efficienza Tecnica (TE) e identificare i fattori esogeni che la influenzano, principalmente legati a determinanti di un potenziale overuse di input chimici quali la percezione del rischio, incertezza produttiva, grado di specializzazione o convinzioni personali che possono favorire l’adozione di pratiche produttive a basso uso di input. Basandosi su un panel RICA di 2145 osservazioni e 843 aziende nel periodo 2010-2021, i risultati evidenziano la significativa rilevanza del contributo degli input chimici, soprattutto fertilizzanti, per la produzione di pomodoro da industria italiano. Di conseguenza, riduzioni in questo input potrebbero comportare significative perdite di output, colpendo principalmente aziende più grandi e produttive nel Nord Italia e nelle zone pianeggianti del Paese, con potenziali ricadute sulla produzione nazionale, e aziende che hanno già raggiunto un buon livello di TE. Inoltre, per alcuni input produttivi quali terra e acqua, una restrizione nell’uso di input soprattutto in aziende meno specializzate potrebbe portare a una competizione con altre colture, con una conseguente riduzione di produzione di pomodoro da industria a favore di colture meno esigenti in termini idrici e in termini di input. Ancora una volta, i risultati mostrano come interventi mirati siano necessari per sostenere gli impatti di politiche restrittive in termini di input chimici, soprattutto nel breve termine e per quanto riguarda settori economicamente rilevanti per l’economia e l’export italiano, quali quello della filiera del pomodoro da industria.
Infine, la funzione di produzione econometricamente stimata nel secondo articolo scientifico per il mais da granella viene integrata con il modello AGRITALIM, utilizzando un campione RICA di 395 aziende agricole per l'anno 2020. Questo sviluppo metodologico consente di ottenere una risposta più flessibile per la produzione di mais e di investigare l'impatto degli obiettivi F2F su questa produzione in Italia. Infatti, in questo modo, la produzione lorda vendibile e la quantità di fertilizzanti e pesticidi impiegati nella produzione di mais sono resi endogeni al modello, permettendo una maggiore flessibilità e risultati non solo in termini di variazione di uso del suolo. I principali risultati rivelano una significativa riduzione della produzione di mais e della superficie coltivata, cioè un’estensificazione della produzione, soprattutto nelle aree meno vocate e produttive come quelle del Centro-Sud e collinari. Inoltre, ciò determina un peggioramento dei risultati economici per le aziende seminative italiane, soprattutto in termini di valore aggiunto, reddito e occupazione. Tuttavia, a causa
della loro rilevanza economica e della diffusione della coltivazione di mais in queste aree, le conseguenze più preoccupanti riguardano il Nord Italia, in particolare il Nord-Ovest, e le aree più intensive situate in pianura. Questi effetti sono principalmente determinati dalla riduzione dell'uso di pesticidi, soprattutto nelle aziende più piccole. Nel breve termine quindi, il raggiungimento degli obiettivi della F2F potrebbe portare a una maggiore dipendenza dalle produzioni estere e a un deterioramento delle condizioni economiche delle aziende agricole, soprattutto in alcune aree e in alcuni cluster di aziende, sottolineando ancora una volta la necessità di politiche di sostegno alla transizione che siano basate su esigenze specifiche regionali e adattate alle aziende identificate come più vulnerabili.
Tutte le analisi, inizialmente incentrate sull'intera agricoltura italiana e successivamente su colture vulnerabili come il mais e il pomodoro da industria, rafforzano l'ipotesi iniziale riguardo agli effetti a cascata delle variazioni nella quantità di input su altri fattori produttivi, contribuendo a impatti economici e sociali significativi. Esaminando il contesto da varie prospettive, queste analisi offrono collettivamente una visione completa, fornendo preziosi spunti per interventi mirati. Durante la ricerca, emerge la rilevanza delle funzioni di produzione, in particolare della funzione translog, che permette di rilevare effetti di sostituzione o complementarità tra vari input. La ricerca sfrutta queste proprietà in tutti gli studi condotti, impiegando sia i punti di forza della MP che dell'Econometria.
In conclusione, la tesi sottolinea che è necessario raggiungere un equilibrio per la coesistenza e il raggiungimento di obiettivi di sostenibilità ambientale ed economica, senza dimenticare che, soprattutto in Italia, l'eterogeneità all'interno del sistema agricolo richiede strategie area-specifiche. La diversità osservata nel contesto agricolo italiano è quindi messa in evidenza e utilizzata per arricchire la comprensione della capacità delle aziende agricole di affrontare i cambiamenti nelle relazioni e nella disponibilità degli input produttivi e di conseguenza definire le strategie utili ad accompagnare il settore verso una produzione low-input. Complessivamente, la ricerca offre spunti sulle dinamiche tra sostenibilità ambientale ed economica nell'agricoltura italiana. Essa fornisce una solida base per future esplorazioni e offre indicazioni pertinenti, sottolineando la necessità di un sostegno mirato per le aziende, regioni e settori più vulnerabili, come evidenziato dalle diffuse proteste degli agricoltori esplose in tutta Europa e dalle riconsiderazioni dell'UE riguardo agli obiettivi ambientali fissati per il settore.
Additional information
Dottorato in Economia management e metodi quantitativi
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