Ett nyligen avslutat forskningsprojekt ledd av University of Wyoming forskare möjliggjorde ny socioekonomisk analys som syftade till att ta reda på om investeringar i ekologisk infrastruktur är genomförbara i olika scenarier för att förbättra Panamakanalens tillförlitlighet.

Fred Ogden, en professor vid UW:s institution för civil- och arkitektonisk teknik och Haub School of Environment and Natural Resources, var huvudutredare för forskningen. Han är för närvarande en besökande senior vetenskapsman och akademiker vid Office of Water Prediction vid U.S. National Water Center i Tuscaloosa, Ala.

"Vår studie skapade ett stort team som inkluderade hydrologer, botaniker, skogsekologer, markforskare, geokemister, geofysiker, civilingenjörer, samhällsvetare och ekonomer – alla med målet att förbättra vår förståelse för hur människor fattar beslut om markförvaltning som påverkar tropiska vattendelar, " säger Ogden. "I synnerhet, vi fokuserade på önskvärda resultat av ökat strömflöde under längre torrperioder och minskad erosion. Det här dokumentet representerar en sammanfattning av resultaten av vår omfattande studie för att informera och förbättra markförvaltningsbeslut som ger hydrologiska fördelar i tropikerna."

Ogden bidrog till tidningen, med titeln "Bedöma investeringar i ekologisk infrastruktur, " som publicerades 7 januari i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ). Tidskriften är en av världens mest prestigefyllda multidisciplinära vetenskapliga serier, med täckning som spänner över det biologiska, fysik och samhällsvetenskap.

Projektet utnyttjade befintlig forskningsinfrastruktur som tillhandahålls av Smithsonian Tropical Research Institutes Agua Salud-projekt, som gav en experimentell miljö för att testa hypoteser relaterade till effekterna av marktäckning och markanvändning på hydrologisk respons i vattendelaren som tillhandahåller allt flodflöde som driver Panamakanalen. Sjöburen handel mellan USA och andra länder representerar den dominerande användningen av Panamakanalen.

"Tropiska vattendelar runt om i världen är under stress eftersom små vattendelar normalt ger stora mängder vatten till stora befolkningar och riskerar torka eller andra klimatpåfrestningar, ", säger Ogden. "Panamakanalens vattendelare är mycket viktig för USA:s handel och är en av få platser i tropikerna som har både en långsiktig hydrologisk rekord, och ett aktivt system för markförvaltningsdrivet beslutsfattande som involverar markägare och parter som är intresserade av att maximera hydrologiska fördelar."

Detta nya dokument syntetiserar resultaten av ett stort flerårigt år, multi-institution, multidisciplinärt projekt. Nivån på syntesen som uppnåtts för att dra slutsatser skulle ha varit omöjlig utan de betydande bidragen från varje person som är involverad i studien, säger Ogden.

Andra bidragsgivare till tidningen var från University of Alberta, Yale universitet, University of Saskatchewan, U.S. Geological Survey's Water Mission Area i Boulder, Colo.; och Smithsonian Tropical Research Institute. Jason Regina, en UW Ph.D. student från Kansas City, Mo., hjälpte till att samla in och analysera hydrologiska data.

Crunching the Numbers

Forskningsprojektet uppfyllde sina mål att främja hydrologisk förståelse i de branta fuktiga tropikerna; förstå faktorer som påverkar markägares beslut i förhållande till betalda markförvaltningsplaner; och kombinera dessa resultat till en integrerad bedömning av potentialen för långsiktiga betalningar för hydrologiska ekosystemtjänster i Panamakanalens vattendelare.

Den ekonomiska analysen, baserat på år av intensiva hydrologiska och beteendestudier, leddes av forskare från Yale, University of Alberta, Kanada, och University of Saskatchewan, Kanada.

"Jag tror att våra resultat stöder platsen där Panamakanalmyndigheten har arbetat, så det ger några solida hydrologiska-ekonomiska analyser till det beslutet, " säger Eli Fenichel, docent i bioekonomi och ekosystemförvaltning vid Yale, och tidningens motsvarande författare. "Det ger också en känsla av hur långt Panama Canal Authority kan gå med ekologisk infrastruktur. Vi tillhandahåller några olika alternativ som beror på exakt vad deras mål är och förmodligen några icke-ekonomiska utmaningar de kan ställas inför. Vi visar att Panama Canal Authority står inför verkliga utmaningar att få in mer vatten i kanalen under torrperioden."

Enligt tidningen, Panama Canal Authority skulle kunna erbjuda kontrakt till privata bönder för att ändra markanvändningen för att öka vattenflödet under torrperioden och minska sedimenteringen. Fysiska och sociala begränsningar begränsar utbudet och skalbarheten på marknaden. Serviceförseningar, från det att betalningar måste göras till markägare till det att tjänsterna realiseras, uppstår på grund av eftersläpningar i ekologisk förändring som hindrar programmets genomförbarhet.

Genomförbara ekologiska investeringar beror på värdet och efterfrågan på de tjänster som den ekologiska infrastrukturen tillhandahåller; förmågan att förändra ett ekosystem för att producera en högre servicenivå; och förmågan, rätt och vilja för en enhet att göra förändringar i ett ekosystem.

I många fall, mottagarna av ekosystemtjänster saknar förmåga att genomföra förändringar i utbudet, vilket kräver ett frivilligt avtalssystem som möjliggör betalningar från vattenanvändare till vattenleverantör.

Dessa system kallas "betalningar för ekosystemtjänster" eller PES. This is a system of agreed-to monetary or in-kind payments made to land holders, who agree to manage their land in an agreed-upon way, such that the land provides benefits to the person making the payment for some kind of service provided by the landscape. This service could include reduced nutrient, sediment or contaminant runoff; more river flow during droughts or nonrainy periods; and habitat for wildlife.

Vic Adamowicz, one of the paper's co-authors and a professor in the Department of Resource Economics and Environmental Sociology at the University of Alberta, says his role was to help design and implement the survey of landowners in the Panama Canal Watershed.

The study collected a variety of information on landowners, including demographics, land area and farming systems. Dock, he adds the most important element was the determination of landowners' willingness to accept payments in exchange for changing their land use and providing hydrological benefits.

This identified the cost for these people to provide hydrological services. The survey design provided cost information for different land-use changes for land that is currently pasture, but could be changed into a silvopastoral (wood pasture) regime or used to grow coffee or timber. The survey also included a number of ways to ensure the responses were valid and realistic.

"We feel this helps the Panama Canal Authority in assessing the costs of payments for ecosystem services programs and the benefits, in terms of transit revenue, of PES programs, " Adamowicz says. "This is a challenging natural and social science issue that requires understanding of the natural and social systems, and how they interact. We also have described the importance of targeting spatially and landowner preferences for technical assistance and insurance."

Fenichel says that the team figured out what a centimeter of water in Gatun Lake was worth to the Panama Canal Authority. Gatun Lake is a large artificial lake located to the south of Colon, Panama. It forms a major part of the Panama Canal, carrying ships for 33 kilometers of their trip across the Isthmus of Panama.

In a market where supply equals demand—known as a market clearing equilibrium—a quantity-price pair is experienced. Fenichel used the analogy of a bakery making cookies at a certain price to explain this concept.

Till exempel, if a bakery charges $5 per cookie, it might sell 10. However, if the bakery charges $4 per cookie, it might sell a dozen. Putting these price-quantity pairs together creates the demand curve. Å andra sidan, it might cost the bakery $3 to make the 10th cookie, but $4 to make the 12th cookie. This is the supply curve.

The bakery would certainly choose to make the 10th cookie because it would net $2 on that cookie, Fenichel says. The bakery likely would continue making up to the 12th cookie because it breaks even on that cookie and makes money on every cookie made before that.

"In our analysis, we find a constant amount that the Panama Canal Authority would be willing to pay for a centimeter of water in Gutan Lake but that every centimeter costs more in contracted land-use change, " Fenichel explains. "We order the hectares that could be contracted to make a supply curve. The market clearing equilibrium is the quantity of land that the Panama Canal Authority would contract with at the price that is exactly equal to the willingness to pay for the additional water that adding a hectare provides."

"As a synthesis paper, it builds on our hydrology research results and uses them to place values on different land management decisions, " Ogden says.