Three Essays in Environmental and Health Economics

213 Pages·2017·11.41 MB·English

ETH Library
Three Essays in Environmental
and Health Economics
Doctoral Thesis
Author(s):
Steinbach, Sandro
Publication date:
2018
Permanent link:
https://doi.org/10.3929/ethz-b-000266153
Rights / license:
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DISS. ETH No. 25141
Three Essays in Environmental and Health Economics
A dissertation submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
SANDRO STEINBACH
Master of Science in Agricultural and Resource Economics
University of California, Davis
born on November 28,1986
in Bad Saarow, Germany
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Massimo Filippini
Prof. Dr. Fabrizio Mazzonna
2018
Summary
This dissertation is composed of three essays on the relationship between environmental
factors and human well-being. In order to design and implement management mea-
sures that cope with the adverse effects of environmental factors, reliable estimates are
needed that relate these factors to observable health outcomes and carefully identify the
related economic damages. This dissertation is concerned with the impact of ambient
air pollution and allergenic pollen released by an invasive plant, common ragweed, on
human health. Although various studies are concerned with the harmful effects of these
factors on human well-being, reliable estimates of the treatment effects and the related
economic damages are still rare. Moreover, the identification of the treatment effect is
often compromised by methodological limitations that can have a considerable impact
on the damage estimates. Notably, reliable measures are needed to assess the benefits
of management strategies. Such a management measure is biological control which can,
in the case of common ragweed and the ragweed leaf beetle, have a substantial impact
on human health through the reduction of allergenic pollen in the air. The goal of this
dissertation is to estimate the treatment effect of these environmental factors and relate
the observed adverse impact on human health to the potential benefits of management
measures.
In Essay I we estimate the impact of ambient air pollution on morbidity in Switzer-
land. Ambient air pollution is the environmental factor with the greatest impact on
human health. Although the epidemiological literature has provided strong evidence for
a significant relationship between ambient air pollution and various health outcomes,
i
the contemporary economic literature has questioned the validity of these findings. We
investigate the association between ambient air pollution and morbidity using retro-
spective data from Switzerland. We pay particular attention to the construction of
location-specific pollution measures, applying a dispersion model that replicates the at-
mospheric conditions while simultaneously accounting for emission sources. Our reduced
form estimates show that ambient air pollution is positively associated with hospital ad-
missions for cardiovascular and respiratory diseases. These results are robust to various
distributional assumptions and non-linearity in the treatment effect. Moreover, we inves-
tigate differences in the treatment effect at the disease level, showing that SO2 and NO2
are positively associated with admission rates for coronary artery and cerebrovascular
diseases. As a robustness check, we account for endogeneity with a control function
approach, finding that these estimates convey a similar picture as our baseline results.
We also find that emergency admissions are less affected by ambient air pollution than
elective admissions. Lastly, we show that young and elderly people are more affected
by air pollution than the working-age population, implying that the potential benefits
of environmental policies aiming at a reduction of current pollution levels are unevenly
distributed. Therefore, these results may contribute to a more accurate evaluation of
environmental policies that target the release of hazardous pollutants.
In Essay II I investigate the impact of an invasive alien species on human health. It
is widely recognized that invasive alien species are responsible for a significant loss of
biodiversity. Some of them also affect the well-being of humans and worsen the state
of the economy. The empirical literature on invasive alien species focuses primarily on
management strategies and is less concerned about the economic damage associated
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with the spread of these species. Such estimates are not only needed to inform the
public and policymakers but also to decide on appropriate management strategies. This
study exploits temporal and spatial variation in the distribution of common ragweed in
Swedenandusesthoroughempiricalmethodstomeasurethecausalrelationshipbetween
ragweed pollen exposure and the demand for healthcare services. Common ragweed is
a particularly noxious invasive alien species that has recently established in Europe and
threatens human well-being through the release of highly allergenic pollen. The quasi-
experimental setting in Sweden allows me to measure the impact of common ragweed on
healthcare demand. The estimation results show that common ragweed has a significant
effect on human health. The arrival of the plant resulted in an increase of hospital
treatments by 250 patients and doctor consultations by 14,400 per year. The additional
demand for healthcare services induces economic damages that amount to more than
USD 7 million annually. These results demonstrate that invasive alien species can have
considerable consequences for the well-being of humans that go far beyond their primary
impact on the ecosystem.
In Essay III we study the potential health benefits of a biological control agent for
common ragweed. This invasive alien species causes not only significant environmental
damage but also provoke enormous economic costs by reducing crop yields, damaging
infrastructure and directly impacting human well-being. In spite of their considerable
adverse effects on human health and the potential benefits of implementing sustainable
management measures, detailed quantitative assessments are still rare. Moreover, recent
studies acknowledge that the current estimates of health impacts related to IAS are in-
accurate. Therefore, this essay presents an interdisciplinary approach to quantify the
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effects of the allergenic plant common ragweed, Ambrosia artemisiifolia L., on public
health in Europe. Moreover, we analyze the potential impact of the recently established
ragweed leaf beetle, Ophraella communa LeSage on the number of patients and health-
care costs in Europe. Notably, the beetle is already distributed actively in China as a
biological control agent. By spatially modeling aerobiological, medical and ecological
data, we relate seasonal total ragweed pollen counts to the population requiring medical
careandestimatethatcurrentlymorethan13.38millionpeoplereceivetreatmentforrag-
weed allergies in Europe. These medical treatments induce considerable economic costs
which amount to approximately EUR 8.99 billion per year. By modeling the number of
generations of O. communa, we project that once the ragweed leaf beetle colonized its
environmental niche in Europe, biological control of common ragweed will reduce the
number of patients by 2.56 million (19.1 percent). Moreover, the beetle’s spread will
lead to a considerable reduction in health costs by more than EUR 1.72 billion per year.
We argue that such interdisciplinary studies are essential to inform policymakers both
at the national and European level and achieve coordinated and cost-efficient actions.
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Zusammenfassung
Diese Doktorschrift besteht aus drei wissenschaftlichen Abhandlungen zu den negati-
ven Auswirkungen von Umweltfaktoren auf das menschliche Wohlbefinden. Um effektive
Massnahmen zur Anwendung bringen zu können, welche darauf abzielen, die negative
Auswirkungen von Umweltfaktoren zu mitigieren, ist es nötig, diese Faktoren mit beob-
achtbaren Gesundheitsparametern in Beziehung zu setzen und so die damit einhergehen-
den ökonomischen Schäden akkurat zu bemessen. Der analytische Schwerpunkt dieser
Doktorarbeit liegt auf den negativen Gesundheitsauswirkungen, welche durch die Ver-
schmutzung der Aussenluft verursacht werden. Hierzu zählen sowohl Luftpartikel, die
einen anthropogenen Ursprung haben, als auch allergieauslösende Pollen, welche durch
eine invasive Pflanzenart, die Beifussblättrige Ambrosie, in die Aussenluft abgegeben
werden. Zwar hat sich bereits eine Vielzahl von Studien mit den Auswirkungen dieser
Partikel auf das menschliche Wohlbefinden befasst, jedoch gibt es nur wenige verlässliche
Abschätzungen der kausalen Beziehungen und der damit einhergehenden ökonomischen
Schäden. Solche Abschätzungen sind jedoch nötig, um die Mehrwerte verschiedener Ma-
nagementmassnahmen zu bewerten und ihren Nutzen abzubilden. Eine dieser Massnah-
men ist der Einsatz von biologischen Kontrollorganismen, welche, wie das Beispiel des
Ambrosia-Blattkäfers und der Beifussblättrigen Ambrosie zeigt, positive Auswirkungen
auf die Gesundheit aufweisen können, da sie die Luftbelastung mit Ambrosia-Pollen si-
gnifikant reduzieren können. Daher zielen die wissenschaftlichen Abhandlungen dieser
Doktorschrift darauf ab, die kausale Beziehung zwischen den Umweltfaktoren und den
Gesundheitsauswirkungen zu erfassen, die negativen ökonomischen Effekte zu bemessen
und die möglichen Mehrwerte von Managementmassnahmen zu ermitteln.
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Die wissenschaftliche Abhandlung I dieser Doktorschrift untersucht die negativen
Auswirkungen der Luftverschmutzung auf die Morbidität anhand von Daten für die
Schweizer Bevölkerung. Die Belastung der Aussenluft mit gesundheitschädlichen Parti-
keln wird zu den Umweltfaktoren gezählt, welche den stärksten Einfluss auf das mensch-
liche Wohlbefinden hat. Zwar beschäftigten sich bereits verschiedene epidemiologische
Studien mit diesem Zusammenhang und lieferten Belege dafür, dass eine signifikante
Beziehung zwischen diesen Umweltfaktoren und den Gesundheitsparametern besteht,
jedoch führten methodische Einschränkungen dazu, dass diese Ergebnisse und die da-
mit einhergehenden Schlussfolgerungen durch neuere empirische Forschungsarbeiten in
Zweifel gezogen wurden. Diese wissenschaftliche Abhandlung nimmt sich dieser Heraus-
forderung an und untersucht die Beziehung zwischen Luftverschmutzung und Morbidi-
tät mit Hilfe retrospektiver Daten aus der Schweiz. Hierzu greifen wir auf auf einen
mathematischen Simulationsansatz zurück, welcher es uns erlaubt, räumlich-explizite
Luftverschmutzungswerte zu bestimmen, die im Vergleich zu den etablierten Verfahren
einen signifikant kleineren Messfehler aufweisen und damit eine akkurate Bestimmung
der kausalen Beziehungen erlauben. Dieses Simulationsmodell berücksichtigt sowohl die
atmosphärischen Bedingungen als auch die besonderen topographischen Eigenschaften
der Schweiz. Weiterhin bindet es eine Vielzahl von Emissionsquellen ein und model-
liert die Beziehung zwischen Wetterbedingungen, Topographie und Emissionsquellen
mit Hilfe dynamischer Simulationsverfahren. Unsere statistischen Analyseergebnisse zei-
gen, dass eine signifikante und positive Beziehung zwischen der Luftverschmutzung und
den Krankenhausaufenthalten für Patienten mit Herz- und Atemwegserkrankungen vor-
liegt. Diese Schätzergebnisse sind sowohl robust gegenüber verschiedenen Verteilungsan-
vi
nahmen als auch gegenüber nicht-linearen Effekten in der kausalen Beziehung. Weiter-
hin zeigen unsere Untersuchungen der kausalen Beziehung auf Ebene der individuellen
Krankheitsdiagnosen, dass die Luftverschmutzungswerte für SO2 und NO2 stark mit
den Krankenhausaufenthalten bei koronaren Herzerkrankungen und zerebrovaskulären
Erkrankungen assoziiert sind. Um die Robustheit unserer Schätzergebnisse zu überprü-
fen, kontrollieren wir für die mögliche Endogenität in den Gesundheitsdaten mit Hilfe
der Methode der Instrumentenvariablen. Diese Analysen führen zu ähnlichen Ergebnisse
wie die Schätzungen unserer Hauptanalyse. Weiterhin zeigen unsere Schätzergebnisse,
dass ein starker kausaler Zusammenhang für Notfallbehandlungen besteht, als dies bei
den Überweisungen in das Krankenhaus der Fall ist. Abschliessend ist festzustellen, dass
der negative Gesundheitseffekt einer erhöhten Luftverschmutzung bei Jugendlichen und
älteren Personen deutlich stärker ausgeprägt ist. Hieraus lässt sich schlussfolgern, dass
die möglichen Mehrwerte von Umweltmassnahmen, welche darauf abzielen, die Belas-
tung mit gesundheitsschädlichen Partikeln zu reduzieren, ungleich verteilt sind. Daher
tragen unsere Forschungsergebnisse nicht nur dazu bei, die möglichen Mehrwerte von
Umweltmassnahmen akkurat zu bemessen, sondern auch dazu, deren mögliche Nutzen
den Interessengruppen zuzuordnen.
Die wissenschaftliche Abhandlung II dieser Doktorschrift befasst sich mit den nega-
tiven Auswirkungen invasiver Arten auf das menschliche Wohlbefinden. Es ist weithin
bekannt, dass invasive Arten für einen signifikanten Verlust an Biodiversität verantwort-
lichsind.EinigedieserArtenhabenebenfallsnegativeAuswirkungenaufdasmenschliche
Wohlbefinden und werden mit enormen wirtschaftlichen Kosten in Beziehung gebracht.
Die empirische Fachliteratur, welche sich mit invasiven Arten beschäftigt, fokussiert sich
vii
primär auf die Bewertung von Managementmassnahmen und weniger auf die Abschät-
zung der ökonomischen Schäden, welche durch die weitere Ausbreitung dieser Arten
hervorgerufen werden. Jedoch sind solche Schätzung nicht nur eine wichtige Informati-
onsgrundlage für die Öffentlichkeit und für politische Entscheidungsträger, sondern auch
die Grundlage für die Bewertung und Abschätzung der Mehrwerte solcher Massnahmen.
Diese wissenschaftliche Abhandlung untersucht daher die kausale Beziehung zwischen
invasiven Arten und der menschlichen Gesundheit am Beispiel der Beifussblättrigen
Ambrosie. Hierzu kommen rigorose empirische Methoden zum Einsatz, welche es erlau-
ben, die zeitliche und räumliche Variabilität in der Ambrosia-Ausbreitung auszunutzen
und diese Variation mit der Nachfrage nach Gesundheitsdienstleistungen in Beziehung
zu setzen. Die Beifussblättrigen Ambrosie ist bekannt dafür, dass sie besonders allergi-
sche Pollen produziert, die signifikante Auswirkungen auf das menschliche Wohlbefinden
haben. Da die Pflanze sich erst vor wenigen Jahren in Schweden etabliert hat, können
diese quasi-experimentellen Bedingungen ausgenutzt werden, um den kausalen Zusam-
menhangzwischenPollenbelastungundderNachfragenachGesundheitsdienstleistungen
zu erfassen. Meine Schätzergebnisse zeigen, dass der Pollen der Beifussblättrigen Ambro-
sie einen starken Einfluss auf die menschliche Gesundheit hat. So hat die Ausbreitung
dieser invasiven Pflanzenart nach Schweden zu einem Anstieg der stationären Patienten-
zahlen um 250 und bei den ambulanten Patientenzahlen um 14,400 geführt. Die zusätz-
liche Nachfrage nach Gesundheitsdienstleistungen führt zu ökonomischen Mehrkosten
von mehr als 7 Millionen USD pro Jahr. Diese Ergebnisse zeigen, dass invasive Arten
einen signifikanten Einfluss auf das menschliche Wohlbefinden haben können, welcher
weit über deren hauptsächliche Wirkung auf die Biodiversität hinausgehen kann.
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