Swedish Agency for Marine and Water Management

This study raises three interrelated questions: i) which measures combating eutrophication in the Baltic Sea give net welfare gains?, ii) what are the minimum costs for alternative nutrient reductions to the Baltic Sea?, and iii) which countries make net losses or gains from common international policies against eutrophication?. The questions are approached by means of a mathematical programming model used for calculating minimum cost solutions for Baltic Sea wide targets and by reliance on existing welfare estimates of eutrophication oriented changes in the Baltic Sea.

With respect to the first question, the study calculates and compares net benefits for 14 different measures reducing nitrogen loads and for 10 measures decreasing phosphorus loads. Eight measures affect both nutrients. The measures are classified into two main categories; emission oriented measures reducing nutrient discharges at the sources, and leaching and retention oriented measures. Examples of the former are decreases in airborne emissions from installation of selective catalytic reduction and increased cleaning at sewage treatment plants. Land use changes, such as catch crop cultivation and wetland creation provide examples of the latter. The reason why it is important to distinguish between these classes of measures is their interdependency. The cleaning capacities, and hence costs of reducing loads to the Baltic Sea, of measures affecting leaching and retention are namely dependent of the load of nutrient from air and soil, which are affected by the emission oriented measures. Unless this interdependency is accounted for, costs of emission oriented measures for reductions in nutrients to the Baltic Sea are underestimated, which, in turn, implies deviations from cost effective solutions.

Benefit estimates rely on other studies, from which constant unit benefit for nitrogen and phosphorus reductions to the coastal water of the Baltic Sea can be derived. Differences in net benefits among measures therefore depend on their marginal costs for nutrient reductions. Calculations of costs of different measures reveal that the low cost measures for nitrogen reductions are the second class of measures in the ‘chain of impacts’, i.e. land use changes, and for phosphorus the first class of measures. Estimated marginal costs vary considerably among measures and drainage basins for both nitrogen and phosphorus reductions. Relatively small reductions in fertiliser provide low cost options, while reductions at high levels constitute the most costly measure for reductions in both nutrients. Other low cost options for nitrogen reductions are wetland creation, catch crop cultivation and installation of catalytic reduction of nitrogen oxides on ships. Removal of phosphates in detergents and increased cleaning at sewage treatment plants are among the least expensive measures for phosphorus reductions.

Two types of targets are chosen for calculation of minimum cost solutions under the second main question posed in this report: overall reductions of nutrient to the Baltic Sea and reductions to specific marine basins. Two different assumptions on adjustments among basins to exogenous load changes are made for basin specific targets; no adjustment and total, steady state, adjustment. For a given nutrient reduction in percent, estimated total cost and associated cost effective allocation of reduction in loads to different basins vary considerably depending on target setting. For example, at the 20 percent reduction in nitrogen load, annual minimum cost vary between 30 and 240 millions of Euro depending on target specification with respect to overall reductions or decreases in load to specific basins. The corresponding range in costs of phosphorus reductions is larger, between 10 and 290 millions of Euro per year. Furthermore, cost effective solutions imply reductions in nutrient load from most of the drainage basins of the Sea. 

Although costs can be calculated for different levels of nutrient loads, this is currently not possible for estimations of benefits from improvements in different marine basins. When relating overall and country wise costs with benefits it is therefore assumed that the Helcom Baltic Sea Action Plan (BSAP) generates available benefit estimates. However, the BSAP includes country targets and basin targets. If the countries implement these country allocations cost effectively they will not generate the same impacts on the basins as the BSAP marine basin targets. Benefits are therefore compared with cost effective solutions for different target formulations. The results indicate that overall annual net benefits range between 0.2 and 7.4 billions of Euro per year depending on target formulation and choice of discount rate. Associated allocation of net benefits among countries depends also on choice of common international policy. When comparing two types of policies – BSAP country allocation and nutrient trading markets – it is shown that the size of net benefits can vary considerably depending on choice of policy and on choice of initial allocations of nutrient credits under a trading market system. For example, although Poland is a net looser under both types of policies, the magnitude of annual losses can vary between 0.1 and 1.0 billions of Euro. Common results for both policy designs are that Poland, Latvia and Lithuania are net losers, and Germany, Denmark, Finland, Sweden and Estonia are net winners. Net impacts for Russia depend on policy design. 

It is important to emphasise that a study of this kind can be made only under a number of assumptions related to nutrient transports, cost and benefit estimates. Considering that improvements of nutrient reductions may require decades before full realisation, there is a high degree of uncertainty associated with forecasting impacts on and value of different types of ecosystem services. Furthermore, it might be difficult to implement cost effective strategies at the international and national scales which implies an increase in costs. On the other hand, this study has not included side benefits of abatement measures, such as provision of biodiversity by wetlands, which implies an overestimation of abatement costs. Nevertheless, the simulations support earlier studies of likely overall net benefits of common international program against eutrophication, and that associated net benefits may be sufficiently high for compensating net losers of the program. 

The study also points to need for future investigations and research. One such finding is the inconsistency in the BSAP marine and country allocations, which calls for a diversity and variety in the approaches for modelling nutrient transport in drainage basins and in the Sea. Results are robust and reliable only when several models and modellers arrive at similar results with respect to, among others, nutrient reduction requirements to different basins and from different countries. The need for careful interpretation of the BSAP recommendations is underlined by the large differences in estimated abatement costs, totally and for different countries, depending on interpretation and choice of BSAP nutrient targets. 

However, although data on cost, nutrient load impacts, and benefits from nutrient load reductions is insufficient, there is currently relatively much research and knowledge on these topics when comparing with knowledge on conditions for emergence of international agreements, their implementation in practice in different countries, and human responses to different nutrient related policies, such as compensation payment for wetland creation in Sweden and Denmark. Unless the understanding of Baltic Sea related human behaviour is improved, further data collection and/or model advances on nutrient loads and biological impacts in drainage basins and/or marine basins may not add much to actual policy making and associated human responses. Current imbalances in knowledge between human and nature behaviour with respect to eutrophication of the Baltic Sea may be one of the most important impediments for improvements of the Sea. 

Syftet med denna rapport är att belysa och besvara tre olika, men sammanhängande, frågeställningar: i) vilka åtgärder för att bekämpa övergödningen i Östersjön ger nettovärde?; ii) vilka är de lägsta kostnaderna för att uppnå olika mål för reduktioner av kväve och fosfor till Östersjön?; och iii) hur fördelas nettovärden, mellan olika länder runt Östersjön? Frågorna behandlas med hjälp av en matematisk programmeringsmodell som beräknar kostnadseffektiva reduktioner av näringsämnen till Östersjön och genom utnyttjande av existerande studier som beräknat värden av minskad övergödning i Östersjön.

När det gäller den första frågan jämförs nettovärden av 14 olika åtgärder för att reducera tillförsel av kväve och fosfor till Östersjön. En del åtgärder, såsom ändrad markanvändning påverkar transporter av både fosfor och kväve. Åtgärderna klassificeras i två huvudkategorier: åtgärder för reduktion av utsläpp vid källan och åtgärder som minskar läckage och transport av näringsämnen till kusterna. Exempel på den första kategorin är en minskning av luftburna utsläpp genom installation av katalysatorer i bilar och ökad reningsgrad vid reningsverken. Förändringar i markanvändningen, till exempel odling av fånggrödor och skapandet av våtmarker, utgör exempel på den andra kategorin åtgärder. Skälet till varför det är viktigt att särskilja mellan dessa åtgärdsklasser är deras inbördes beroende. Reningsförmågan, och därmed kostnaden för att minska belastningen på Östersjön, av åtgärder som minskar läckage påverkas av mängden näringsämnen som deponeras på marken. Dessa härrör i sin tur från utsläppskällorna som påverkas av de utsläppsorienterade åtgärderna. Om detta beroende inte tas med i beräkningen kommer kostnaden för de utsläppsorienterade åtgärderna att underskattas.

Beräkningar av nettovärde av olika åtgärder visar att förändringar i markanvändning ger de högsta nettovinsterna för kvävereduktioner och utsläppsreduktioner vid källorna de största nettovärdena för fosforreduktioner. De beräknade marginalkostnaderna varierar dock avsevärt mellan åtgärder och avrinningsområden för minskningar av både kväve och fosfor. Reducerad användning av handelsgödsel vid låga nivåer är en relativt billig åtgärd, men minskningar vid höga nivåer utgör en av de dyraste åtgärderna för reduktion av båda kväve och fosfor. Andra lågkostnadsalternativ för kvävereduktion är konstruktion av våtmarker, odling av fånggrödor och installation av katalytisk rening av kväveoxid på fartyg. Några av de minst kostsamma åtgärderna för att minska fosformängden är att ta bort ämnet i tvättmedlen och att öka reningsgraden av fosfor i reningsverk.

Under den andra frågeställningen beräknas kostnadseffektiva lösningar för två olika slags mål: en allmän reduktion av näringsämnena till Östersjön och en reduktion i specifika havsområden. De beräknade kostnaderna för en viss procentuell minskning av näringsämnen varierar väsentligt beroende på målformulering. Vid till exempel en 20-procentig minskning av kvävebelastningen varierar den årliga minimikostnaden mellan 30 och 240 miljoner EUR, beroende på mål om generell reduktion till Östersjön eller minskning i belastningen till specifika havsbassänger. Motsvarande spännvidd i kostnaderna för fosforreduktionen är större, mellan 10 och 290 miljoner EUR per år. Dessutom pekar resultaten på att åtgärder ska genomföras i samtliga avrinningsområden för att uppnå kostnadseffektiva reduktioner i näringsbelastningen till Östersjön.

Resultaten under den tredje frågeställningen indikerar att totala nettovärdet och fördelning av detta mellan olika länder är avhängigt av tre faktorer: mål för reduktioner av näringsämnen, räntenivå för diskontering av uppnådda värden, och val av internationell samarbetsform. Resultaten visar att det totala nettovärdet kan variera mellan 0,2 och 7,4 miljarder EUR per år beroende på målformulering och diskonteringsränta. Fördelning av nettovärden mellan olika länder påverkas också av gemensamt styrmedel. När man jämför två slags styrmedel – BSAP:s länderallokering och en Östersjömarknad för näringsämnen – ser man att nettovärdet för enskilda länder kan variera betydligt. Även om till exempel Polen är en nettoförlorare under båda styrmedlen kan storleken på de årliga förlusterna bli antingen 0,1 EUR under en marknad för näringsämnen eller 1,0 miljarder EUR vid BSAP:s allokeringsförslag. Gemensamma resultat för båda konstruktionerna är att Polen, Lettland och Litauen är nettoförlorare, medan Tyskland, Danmark, Finland, Sverige och Estland är nettovinnare. Nettoresultatet för Ryssland beror på val av internationellt styrmedel.

Det är viktigt att betona att en studie av det här slaget bara kan genomföras under en rad antaganden rörande beräkningar av näringstransporter, kostnader och värden. Med tanke på att anpassningar i Östersjön till en belastningsminskning kan kräva årtionden finns det en hög grad av osäkerhet när det gäller att förutspå effekter på olika slags ekosystemtjänster. Dessutom är det svårt att implementera kostnadseffektiva strategier på en internationell och nationell skala, vilket medför ökade kostnader. Å andra sidan har den här studien inte inkluderat positiva sidoeffekter av olika åtgärder, som till exempel ökad biologisk mångfald genom konstruktion av våtmarker, vilket innebär en överskattning av kostnaderna. Under alla omständigheter stödjer simuleringarna tidigare studiers beräkningar som ger nettovärden av gemensamma internationella program mot övergödning.

Studien pekar även ut framtida forskningsbehov. Ett sådant behov härstammar från inkonsekvenserna i BSAP:s havs- och landsfördelning, som manar till mångfald vid modellering av näringstransporten i avrinningsområden och i havet. Beräkningarna blir robusta endast när flera modeller erhåller likartade resultat med avseende på bland annat krav på reduktioner av näringsämnen till olika havsbassänger. Behovet av en försiktig implementering av BSAP understryks av de stora skillnaderna i de uppskattade reduktionskostnaderna, totalt och för olika länder, beroende på tolkning av målen för reduktioner av näringsämnen i BSAP.

Det bör dock påpekas att även om data på transporter av näringsämnen och belastningseffekter är otillräckliga, finns det för närvarande relativt mycket forskning och kunskap om dessa områden när man jämför med kunskaper om villkoren för internationella överenskommelser, deras implementering i praktiken i olika länder, och samhällets reaktioner på olika styrmedel såsom subventioner för konstruktioner av våtmarker i Sverige och Danmark. Om inte kunskaper om mänskliga attityder och beteenden rörande Östersjön förbättras är det risk för att ytterligare datainsamling och/eller modellering av transporter av näringsämnen i avrinningsområden och/eller havsbassänger inte bidrar särskilt mycket till den faktiska Östersjöpolitiken. De nuvarande obalanserna i kunskaper om människans och naturens beteende rörande övergödning av Östersjön kan vara ett av de främsta hindren för att havet ska kunna återställas.