Long-term challenges in cereal and oilseed markets - case studies analyzed with model systems

Cereals and oilseeds are important agricultural crops which are globally produced, traded and consumed. They are the most important crops in terms of area used and output quantity in the agricultural crop sector. Therefore, this dissertation analyzes cereal and oilseed markets and the factors impacting them in the past, present, and possibly future. Consequently, three research questions are addressed:

1) What are the main factors that have impacted and might still impact cereal and oilseed markets?
2) How did cereal and oilseed markets develop in the past and which factors caused the development?
3) How will cereal and oilseed markets be impacted by the different long-term factors in the future?

Answering the first two research questions introduces the topic, provides background information, and motivates the third research question. The latter is the main focus of the dissertation. In answer to Research Question 1, the main long-term factors impacting cereal and oilseed markets are identified as either being ‘persistent underlying factors’, such as, population growth, income, productivity, and land availability, or ‘strongly market interfering’, such as, policies in the domain of agriculture, trade, climate change mitigation and biofuels. Other long-term ‘potential market interfering factors’ are, e.g., water and nutrient availability, food loss and waste, climate change, environmental protection policies, changing preferences or diets, developments in the livestock and other downstream sectors, as well as implementations of new standards and certifications. However, a noticeable impact on cereals and oilseeds would only occur if these factors change their observed long-term trend which is less likely to happen than changes in the ‘strong market interfering factors’. Research Question 2 is answered as follows. Cereal and oilseed markets have been growing and concentrating on few crops, namely corn, wheat, barley, soybeans, rapeseed, and sunflower seed. Considering the period from 2004/05 to 2018/19 in detail, this has continued for corn and oilseeds by increasing yields and expanding area. However, growth in the wheat market has slowed down and has only been realized by yield growth, while barley markets have not grown. Demand has increased mainly driven by population and income growth. Especially the shift in China towards more meat-based diets resulted in higher demand for cereals and oilseeds as feed. Additionally, several countries have increased demand for cereals and oilseeds by introducing biofuel policies. Trade has been growing constantly with a few countries dominating the export market, while the import market is less concentrated. Of the large exporters, the United States, the European Union, and Argentina have not expanded production as fast as other countries and have lost shares in exports of cereals and oilseeds, while Brazil, Ukraine, and Russia have strongly increased production and have become important exporters. Depending on the development of the ‘persistent underlying factors’ and the ‘strongly market interfering factors’, cereals and oilseed markets will deviate from their historically observed trends. To address Research Question 3, the dissertation selects four factors to be analyzed in dedicated case studies to ex ante project different developments in cereal and oilseed markets until 2030 given a change in these factors. These are productivity increases by closing yield gaps (1), trade policies (2), land availability (3), and biofuel policies (4). For the analysis, economic equilibrium models in combination with bio-physical or land use change models are used to quantify the impact of specific changes in the four factors on cereal and oilseed markets via scenario analysis. Therefore, two model systems have been developed which consist of already existing large-scale models. One model system consists of GLOBIOM, MAGNET, and AGMEMOD and is developed as a one-way link from GLOBIOM over MAGNET to AGMEMOD. The other is a two-way iterative linkage of MAGNET and LandSHIFT. The model system of GLOBIOM, MAGNET, and AGMEMOD is used to analyze closing yield gaps, changing trade policies, and land use changes until 2030. As study regions, Ukraine and Russia are selected because other studies state their high potential to increase yields and reuse land formerly used for agricultural production that is currently abandoned. Further, trade policies have changed in the two countries and in the future might change to more liberalization or revert back to higher protection levels. Both countries have shown a strong production increase in cereal and oilseed markets over the last years and have become major exporters, especially, for corn, wheat, and sunflower oil. These strong dynamics require a carefully developed baseline until 2030 as a reference to which the scenarios can be compared (Case Study 1). The baseline projections show that oilseed production in Ukraine will not increase as fast as historically observed, while cereal expansion, especially corn, is continuing at similar levels. In contrast, projections for Russia indicate a continuation of strong oilseed production expansion as historically observed, while projections for cereal expansion continue at a slower pace compared to historically observed trends. One of the conducted scenarios has been yields increased by intensification and productivity growth (Case Study 2). As a prerequisite a more stable and economic-friendly institutional environment would be necessary to achieve these elevated yields. Results show that both countries will increase their cereal and oilseed production in such a situation without using more land even though theoretically abandoned land is still large, at least in Russia. Oilseed production would increase more than cereal production in terms of percentage in both countries. In cereals, Russia would further concentrate on producing more wheat, while Ukraine would shift away from wheat production to barley and corn. General trade strategies have been analyzed for the two countries ranging from reducing tariffs and non-tariff measures to increasing tariffs between the Eurasian Economic Union and third countries (Case Study 3). Therefore, three scenarios have been set up of which all show only small impacts on cereal and oilseed markets. However, cereal and oilseed markets regularly face ad hoc policy interference in the form of temporary export taxes, export quotas, and even export bans in Ukraine and Russia. These policies are often a reaction to high world market prices and domestic harvest shortfalls and should stabilize domestic prices. The model system of MAGNET and LandSHIFT is used to simulate changes in global biofuel policies as well as changes in land use policies until 2030 (Case Study 4). Therefore, a baseline and three scenarios are set up which simulate a) increases in biofuel demand as proclaimed by governments, b) conservation of forest, wetlands, and peatlands, and c) a combination of both. Results show that several regions will face production constraints in the future if they cannot expand agricultural areas and simultaneously keep their biofuel targets. This double burden is most prominent in South & East Asia, namely Indonesia and China. Parts of Africa also face production constraints which are caused by the simulated area protection policies. The dissertation focuses on analyzing ex ante impacts of long-term factors on cereal and oilseed markets. Consequently, short-term factors, such as weather, ad hoc policies, or an outbreak of war, have not been considered in the case studies. Nevertheless, their importance for the markets has been presented and discussed. Often, these short-term factors impact the market more strongly than the long-term factors. However, they can only be assessed in an ex post analysis and require different economic methods and approaches. This is beyond the scope of the dissertation. In conclusion, the dissertation gives an overview of the historical development of cereal and oilseed markets, highlighting the main factors impacting the markets, and contributing to a better understanding of the long-term development of cereal and oilseed markets under certain assumptions. For the latter, new model systems have been developed and applied in the case studies. The main conclusions of the dissertation are as follows. Cereal and oilseed markets would continue growing even faster than historically observed trends if yield gaps are reduced. Additional growth in demand could be met without requiring large increases in yields and only accompanied by small increases in prices. Further, policies in the fields of trade, domestic agriculture, climate change, and environmental protection often restrict the development of cereal and oilseed markets. This could continue in the future if trade barriers increase or specific areas are protected. Consequently, the various positive and negative effects resulting from a policy should be carefully assessed before a policy is being implemented.

Getreide und Ölsaaten sind wichtige pflanzliche Agrarprodukte, die global produziert, gehandelt und verbraucht werden. Von allen pflanzlichen Agrarprodukten haben sie den größten Anteil gemessen an der genutzten landwirtschaftlichen Fläche sowie der produzierten Menge. Aus diesem Grund analysiert diese Dissertation Getreide- und Ölsaatenmärke und die Faktoren, die diese Märket in der Vergangenheit beeinflusst haben, es in der Gegenwart tun und höchst wahrscheinlich auch in der Zukunft eine zentrale Rolle spielen werden. Hierzu werden drei Forschungsfragen, die aufeinander aufbauen, adressiert:

1. Welche Faktoren haben Getreide- und Ölsaatenmärkte hauptsächlich beeinflusst und werden dies voraussichtlich weiter tun?
2. Wie haben sich die Getreide- und Ölsaatenmärkte in der Vergangenheit entwickelt und welche Faktoren waren dafür verantwortlich?
3. Wie könnten Getreide- und Ölsaatenmärkte in Zukunft durch verschiedene langfristig wirkende Faktoren beeinflusst werden?

Die Beantwortungen der ersten beiden Forschungsfragen leiten in das Thema ein, geben Hintergrundinformationen, und sind Grundlage zur Beantwortung der dritten Forschungsfrage. Forschungsfrage 3 stellt den Kern der Arbeit dar. Zur Beantwortung der ersten Forschungsfrage, werden die unterschiedlichen Faktoren zunächst klassifiziert. Dabei werden die hauptsächlichen Faktoren, die langfristig auf Getreide- und Ölsaatenmärkte wirken in zwei Kategorien unterteilt: a) dauerhaft und kontinuierlich wirkende Faktoren wie Bevölkerungswachstum, Einkommensentwicklung, Produktivitätsänderungen und Verfügbarkeit von Land sowie b) stark den Markt beeinflussende Faktoren wie Agrar-, Handels-, Klimaschutz- und Biokraftstoffpolitiken. Andere langfristig wirkende Faktoren, die potentiell Getreide- und Ölsaatenmärkte beeinflussen können, sind zum Beispiel die Verfügbarkeit von Wasser und Nährstoffen, Nahrungsmittelverluste und -verschwendung, Klimawandel, Umweltschutzpolitiken, Präferenzänderungen, Änderungen im Ernährungsverhalten, Entwicklungen in tierischen und anderen nachgelagerten Sektoren, sowie die Einführung von Standards und Zertifizierungssystemen. Ein nennenswerter Einfluss auf Getreide- und Ölsaatenmärkte ist bei diesen Faktoren jedoch nur zu erwarten, wenn sie stark von ihren historisch beobachteten Entwicklungen abweichen. Dies wird jedoch als weniger wahrscheinlich beurteilt als Änderungen in den Faktoren, die den Markt stark beeinflussen. Forschungsfrage 2 lässt sich wie folgt beantworten. Getreide- und Ölsaatenmärkte sind in der Vergangenheit stetig gewachsen und werden durch wenige Kulturen (Mais, Weizen, Gerste, Sojabohnen, Raps und Sonnenblumen) dominiert. Im näher betrachteten Zeitraum von 2004/05 bis 2018/19, hat sich dies für Mais und Ölsaaten fortgesetzt indem sowohl Erträge als auch Anbauflächen gestiegen sind. Im Weizenmarkt hat sich das Wachstum allerdings verlangsamt und wurde überwiegend durch Ertragszuwächse realisiert. Der Gerstenmarkt hingegen stagniert. Die Nachfrage nach Getreide und Ölsaaten ist hauptsächlich aufgrund von Bevölkerungs- und Einkommenswachstum angestiegen. Insbesondere die Entwicklung in China hin zu einem höheren Konsum tierischer Produkte, hat die Nachfrage nach Getreide und Ölsaaten als Futtermittel stark erhöht. Zusätzlich haben die Biokraftstoffpolitiken in mehreren Ländern zu einer erhöhten Nachfrage nach Getreide und Ölsaaten geführt. Die Handelsmengen haben sich ebenfalls kontinuierlich erhöht. Dabei dominieren einige wenige Länder die Exportseite, wohingegen die Importseite weit weniger konzentriert ist. Von den großen Exporteuren haben die Vereinigten Staaten von Amerika, die Europäische Union und Argentinien ihre Produktion weniger stark erhöht als andere Länder und daher Anteile bei den Getreide- und Ölsaatenexporten an Brasilien, die Ukraine und Russland verloren, die ihre Produktion stark erhöht haben und zu wichtigen Exporteuren wurden. Abhängig von der Entwicklung der dauerhaft und kontinuierlich wirkenden Faktoren sowie der stark den Markt beeinflussenden Faktoren könnten sich die Getreide- und Ölsaatenmärkte anders entwickeln als der historische Trend es suggerieren würde. Um Forschungsfrage 3 zu adressieren, wurden in dieser Dissertation vier Faktoren gewählt, deren Wirkungen auf Getreide- und Ölsaatenmärkte mit Hilfe von Fallstudien analysiert wurden. Dabei wurden ex ante Projektionen in Abhängigkeit der untersuchten Faktoren durchgeführt, die Änderungen auf den Getreide- und Ölsaatenmärkten bis 2030 quantifizieren. Die gewählten Faktoren sind Produktivitätssteigerung durch Schließen von Ertragslücken (1), Handelspolitiken (2), Verfügbarkeit von Land (3) und Biokraftstoffpolitiken (4). Mit Hilfe von ökonomischen Gleichgewichtsmodellen in Kombination mit bio-physikalischen oder Landnutzungsmodellen wird der Einfluss von Änderungen in den vier Faktoren auf Getreide- und Ölsaatenmärkten durch Szenarioanalysen quantifiziert. Dazu wurden zwei Modellsysteme entwickelt, die auf schon bestehenden großen Modellen beruhen. Das erste Modellsystem besteht aus den Modellen GLOBIOM, MAGNET und AGMEMOD und wurde als eine unidirektionale Verknüpfung von GLOBIOM über MAGNET zu AGEMEMOD entwickelt. Im anderen Modellsystem wurden MAGNET und LandSHIFT iterativ miteinander verknüpft. Das Modellsystem aus GLOBIOM, MAGNET und AGEMOD wird genutzt um die Schließung von Ertragslücken, Änderungen in Handelspolitiken sowie Landnutzungsänderungen bis 2030 zu analysieren. Die Ukraine und Russland wurden hier als zu untersuchende Regionen gewählt, weil andere Studien ein hohes Potential in Bezug auf mögliche Ertragssteigerungen und Wiedernutzung von aktuell nicht mehr genutzten Agrarflächen in beiden Ländern ausweisen. Zudem haben sich die Handelspolitiken der beiden Länder in der Vergangenheit stark verändert und könnten sich in der Zukunft weiter ändern hin zu einer stärkeren Liberalisierung oder aber hin zu höherem Protektionismus. Beide Länder haben ihre Produktion von Getreide und Ölsaaten über die letzten Jahre stark gesteigert und wurden so zu wichtigen Exporteuren insbesondere von Mais, Weizen und Sonnenblumenöl. Diese sehr dynamischen Entwicklungen erfordern eine sorgfältig entwickelte Baseline bis 2030, die als Referenzszenario für den Vergleich mit den entwickelten Szenarien dient (Fallstudie 1). Die Projektionen der Baseline zeigen, dass die Ölsaatenproduktion in der Ukraine weniger stark steigt als historisch beobachtet, wohingegen die Getreideproduktion, insbesondere Mais, weiter ähnlich stark ausgedehnt wird. Im Gegensatz dazu zeigen die Projektionen für Russland, dass die Ölsaatenproduktion weiter stark ausgedehnt wird, wohingegen die Getreideproduktion langsamer wächst als historisch beobachtet. Ertragsteigerungen durch Intensivierung und Produktivitätssteigerungen ist eines der durchgeführten Szenarien (Fallstudie 2). Diese höheren Erträge haben als Voraussetzung ein stabiles und wirtschaftsfreundliches institutionelles Umfeld. Die Ergebnisse zeigen, dass beide Länder ihre Getreide und Ölsaatenproduktion unter diesen Umständen erhöhen, ohne jedoch mehr Flächen dafür zu nutzen, obwohl die theoretische Menge an ungenutzten Flächen zumindest in Russland noch hoch ist. Dabei steigt in beiden Ländern die Ölsaatenproduktion prozentual stärker als die Getreideproduktion. Zudem dehnt Russland insbesondere die Weizenproduktion aus, wohingegen die Ukraine ihre Getreideproduktion hin zu mehr Gerste und Mais ausrichtet. In Fallstudie 3 wurden verschiedene Handelsstrategien der beiden Länder analysiert, die von einem Abbau von Zöllen und nicht-tarifären Handelshemmnissen bis hin zu einer Erhöhung der Zölle zwischen der Eurasischen Union und Drittländern reichen. Dazu wurden drei Szenarien durchgeführt, die jedoch alle nur geringe Auswirkungen auf Getreide- und Ölsaatenmärkte zeigen. In der Ukraine und Russland werden jedoch häufig kurzfristige zeitlich begrenzte Handelsbeschränkungen in Form von Exportsteuern, Exportquoten oder auch Exportverboten für Getreide und Ölsaaten eingeführt. Diese Politiken sind oft eine Reaktion auf hohe Weltmarktpreise und niedrige inländische Ernten und sollen dazu dienen das heimische Preisniveau zu stabilisieren. Das Modellsystem mit MAGNET und LandSHIFT wird genutzt um weltweite Änderungen von Biokraftstoffpolitiken und Landnutzungspolitiken bis 2030 zu simulieren (Fallstudie 4). Hierzu wurde eine Baseline sowie drei Szenarien entwickelt, die a) eine Erhöhung der Nachfrage nach Biokraftstoffen wie durch Regierungen angekündet, b) einen Erhalt von Wäldern, Feuchtgebieten und Torfmooren und c) die Kombination aus beiden simulieren. Die Ergebnisse zeigen, dass einige Region an Produktionsgrenzen kommen werden, wenn sie ihre landwirtschaftliche Nutzfläche nicht ausdehnen können und gleichzeitig ihre Biokraftstoffziele beibehalten. Diese doppelte Belastung ist in Süd- und Ostasien, konkret in Indonesien und China, am ausgeprägtesten. Durch die simulierten politisch induzierten Schutzgebiete sind Produktionseinschränkungen auch in Teilen von Afrika zu beobachten. Diese Dissertation legt ihren Fokus auf die ex ante Analyse von Auswirkungen langfristiger Faktoren auf Getreide- und Ölsaatenmärkte. Demzufolge wurden kurzfristige Faktoren wie beispielsweise Wettereinflüsse, ad hoc Politiken oder auch ein Kriegsausbruch nicht in den Fallstudien berücksichtigt. Diese kurzfristigen Faktoren beeinflussen die Märkte jedoch häufig stärker als die langfristigen Faktoren und daher wurden sie ebenfalls aufgezeigt und diskutiert. Die Analyse dieser Faktoren ist jedoch oft nur ex post möglich und benötigt andere ökonomische Methoden und Ansätze, was weit über den Umfang in dieser Dissertation hinaus gehen würde. Insgesamt gibt die Dissertation einen Überblick über die historische Entwicklung von Getreide- und Ölsaatenmärkten, zeigt die Hauptfaktoren auf, die einen Einfluss auf die Märkte haben und trägt zu einem besseren Verständnis der langfristigen Entwicklungen von Getreide und Ölsaaten unter festgelegten Annahmen bei. Um Letzterem gerecht zu werden, wurden neue Modellsysteme entwickelt und in Fallstudien angewandt. Die folgenden Schlussfolgerungen können aus der Dissertation gezogen werden. Getreide- und Ölsaatenmärkte können stärker wachsen als historisch beobachtet, wenn Ertragslücken geschlossen werden. Zusätzliche Nachfrage kann bedient werden ohne dass starke Ertragszuwächse nötig sind und Preise dabei nur leicht ansteigen. Weiter wird die Entwicklung von Getreide und Ölsaatenmärkten oft von Handels-, Agar- Klimaschutz- und Umweltschutzpolitiken beschränkt. Wie durch die Analysen in den Fallbeispielen aufgezeigt könnte dies in Zukunft fortgeführt werden, wenn Handelsbeschränkungen steigen oder Schutzgebiete ausgeweitet werden. Daher sollten die positiven und negativen Effekte einer Politik sorgfältig gegeneinander abgewogen werden bevor eine Politik eingeführt wird.

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