Agent based modeling of innovation diffusion in agricultural systems. Lake Como - Muzza district case study

The global warming as resulted from human activities is expected to alter the spatial and temporal distribution of hydro-climatic variables, such as stream flow, temperature and precipitation. Agricultural sector as one of the vital components in society, which strongly depends on the climate conditions, will be challenged by more extreme weather and by the overall increase of the temperature that changes the crop's phenological process. Although the impact of climate changes on agricultural practices may differ based on the geological locations, it is important to be prepared and make timely adaptation to the changing conditions to mitigate the potential negative impacts from extreme events, such as droughts or hail. One alternative to reduce farmers’ vulnerability to the changing conditions is by adopting new agricultural techniques, just like how introducing controlled irrigation greatly improved the crop production in the past. The adoption of new techniques among farmers is a dynamic diffusion process, influenced by the heterogeneity of farmers’ endogenous characters as well as the exogenous conditions. In this work, we are interested in the farmers' adoption of new irrigation system under the changing boundary conditions, and we chose Muzza district (in Italy) as a pilot study area, which has experienced several extreme events in recent decades. We modeled the Muzza agricultural system as a Coupled Human Natural System (CHNS) using Agent Based Modeling (ABM) approach, in which each irrigation association is modeled as an agent who make choices on the irrigation methods and perform agricultural activities on the farmland. The explicit behavioral model for describing farmers' decisions is introduced, with parameters defined based on the literature review. Specifically, we introduce different risk attitudes of farmer agents based on their financial performance and the farm size, as well as the interaction among different agents based on the number of adopters that may motivate the rest of non-adopters. The constructed explicit behavioral model is then embedded into the DistriLake modeling framework for describing Muzza district as a CHNS. A 50-year simulation with design parameters and synthesized hydro-climatic dataset was first performed to simulate the diffusion process, followed by the sensitivity analysis to justify the impact of different parameters on the simulation outputs. Results suggest that the uptake of the new irrigation technology is rather fast and saturated in 7th year. Risk taking farmers appear to be the first adopters, and represent the vital population that motivates the rest risk neutral and risk averse farmers to follow their steps. Despite the fast saturation of the new technology uptake, it is observed a retreating behavioral from adopting new irrigation methods in 4th year compared with last year, which might be due to the poor economic performance that year and hence reduce the number of risk seeking farmers. As expected, risk averse farmers are the last adopters, who wait until the majority is equipped with the new irrigation method. Sensitivity analysis suggests that parameters that related to the financial liquidity and the threshold of critical mass are most important ones that impact the diffusion process. Future work is needed to validate the parameter values based on the field survey.

Si prevede che il riscaldamento globale come risultato di attività umane possa modificare la distribuzione spaziale e temporale di variabili idro-climatiche, come il flusso di corrente, temperatura e precipitazioni. Il settore agricolo, uno dei componenti vitali nella nostra società e fortemente dipendente dalle condizioni del clima, dovrà affrontare non solo condizioni meteorologiche estreme ma anche l'aumento globale della temperatura, che cambia i processi fenologici della coltura. Anche se l'impatto dei cambiamenti climatici sulle pratiche agricole può variare in base alle posizioni geografiche, è importante essere preparati e, in particolare, adeguarsi tempestivamente ai cambiamenti al fine di mitigare i potenziali effetti negativi di eventi estremi, come siccità o grandine. Un’alternativa per ridurre la vulnerabilità degli agricoltori alle condizioni variabili è quella di adottare nuove tecniche agricole. Ad esempio, l'introduzione di irrigazione controllata ha migliorato notevolmente la produzione delle colture in passato. L'adozione di nuove tecniche tra agricoltori è un processo di diffusione dinamico, influenzato dalla eterogeneità dai caratteri endogeni dei contadini ma anche dalle condizioni esogene. In questo lavoro, ci focalizziamo sull'adozione dei contadini del nuovo sistema di irrigazione in base alle condizioni cambianti del ambiente. Abbiamo scelto, come area di studio pilota, il quartiere di Muzza in Italia, il quale ha vissuto degli eventi estremi negli ultimi decenni. In particolare, abbiamo modellato il sistema agricolo Muzza come un CHNS (Coupled Human-Natural System) utilizzando l'approccio di ABM (Agent Based Modeling) in cui ogni associazione di irrigazione è modellata come un agente che fa delle scelte sui metodi di irrigazione ed esegue attività agricole sui terreni. Si introduce quindi Il modello comportamentale esplicito per descrivere le decisioni degli agricoltori. I parametri sono definiti sulla base di ricerche letterarie. In particolare, si introducono diversi atteggiamenti di rischio di agenti agricoli in base alla loro situazione finanziaria ed alla dimensione delle fattorie, così come l'interazione tra i diversi agenti in base al numero di utilizzatori che possono motivare il resto degli agricoltori che non li hanno ancora adottati. Il modello comportamentale esplicito costruito viene quindi inserito nel quadro di modellazione DistriLake per descrivere il quartiere di Muzza come CHNS. È stata eseguita una simulazione di 50 anni con i parametri di progettazione e con un set di dati idro-climatico sintetizzato, per simulare il processo di diffusione ed inseguito è stata eseguita un’analisi di sensitività per giustificare l'impatto dei diversi parametri in base ai resultati della simulazione. I risultati suggeriscono che l'adozione della nuova tecnologia di irrigazione è piuttosto veloce e saturata nel settimo anno. Gli agricoltori propensi al rischio sembrano essere i primi utilizzatori, e rappresentano la popolazione vitale che motiva il resto degli agricoltori, sia neutri al rischio che avversi al rischio, a seguire i loro passi. Nonostante la saturazione rapida della nuova diffusione della tecnologia, al quarto anno, rispetto all’anno precedente, si osserva un comportamento di retrocessione riguardo ai nuovi metodi di irrigazione. Questo comportamento potrebbe essere causato delle scarse risorse economiche di quell'anno e quindi riduce il numero di agricoltori propensi al rischio. Come previsto, gli agricoltori avversi al rischio sono gli ultimi ad adottare, ed aspettano fino a quando la maggior parte sia già dotata del nuovo metodo di irrigazione. L'analisi di sensibilità suggerisce che i parametri che si sono riferiti alla liquidità economica e la soglia di massa critica sono quelli più importanti e che influenzano il processo di diffusione. Tra i lavori futuri, è necessario convalidare i valori dei parametri in base all’indagine sul campo.