Integrated Arable Land Optimization through Portfolio Optimization for Sustainable Agriculture: A Case Study in Uzbekistan

Abstract

In this research, our objective is to enhance the efficiency of agricultural land allocation using portfolio optimization to promote a sustainable agriculture system. We will conduct a case study in Uzbekistan, a country with a semi-arid climate containing limited cultivable land, accounting for less than 10%. Additionally, the region faces constraints in water resources, relying mainly on the Amu Darya and Syr Darya rivers for agricultural water. Given the significant role of agriculture in the country's economy, optimizing land allocation becomes crucial for conserving water, increasing yield, and enhancing productivity. The study focuses on seven crops, namely barley, maize, potato, rice, tomato, watermelon, and wheat, and employs a linear programming model utilizing Markowitz portfolio optimization for land allocation. This financial technique, which integrates parameters such as risk and return, is adapted to optimize land allocation based on crop production values. The approach involves defining initial land based on crop weights, followed by a second model where the initial weight of each crop is optimized based on the outcomes of the initial land model. The optimization in this model is oriented towards maximizing the production value of the crops. In the following, a sensitivity analysis is conducted to the obtained outcomes from the model, by varying the risk parameter (lambda) to assess its impact on land allocation and optimization. Finally, a model estimating the water consumption of each crop according to their respective land distribution is presented. Keywords: Agriculture, Crop Production, Land-use, Portfolio Optimization

Bu araştırmada amacımız, sürdürülebilir bir tarım sistemini teşvik etmek için portföy optimizasyonunu kullanarak tarımsal arazi tahsisinin verimliliğini artırmaktır. Yarı kurak iklime sahip, ekilebilir arazilerin sınırlı olduğu ve %10'dan az bir alana sahip olan Özbekistan'da bir örnek çalışma yapacağız. Ayrıca bölge, tarımsal su için esas olarak Amu Darya ve Syr Darya nehirlerine bağımlı olduğundan su kaynaklarında kısıtlamalarla karşı karşıyadır. Tarımın ülke ekonomisindeki önemli rolü göz önüne alındığında, arazi tahsisinin optimize edilmesi suyun korunması, verimin arttırılması ve üretkenliğin arttırılması açısından hayati önem taşıyor. Çalışma, arpa, mısır, patates, pirinç, domates, karpuz ve buğday olmak üzere yedi ürüne odaklanmakta ve arazi tahsisi için Markowitz portföy optimizasyonunu kullanan doğrusal bir programlama modeli kullanmaktadır. Risk ve getiri gibi parametreleri birleştiren bu finansal teknik, bitkisel üretim değerlerine göre arazi tahsisini optimize edecek şekilde uyarlanıyor. Yaklaşım, ilk arazinin ürün ağırlıklarına göre tanımlanmasını ve ardından her mahsulün başlangıç ağırlığının, ilk arazi modelinin sonuçlarına göre optimize edildiği ikinci bir modeli içerir. Bu modeldeki optimizasyon, mahsullerin üretim değerini maksimuma çıkarmaya yöneliktir. Aşağıda, arazi tahsisi ve optimizasyon üzerindeki etkisini değerlendirmek için risk parametresi (lambda) değiştirilerek modelden elde edilen sonuçlara yönelik bir duyarlılık analizi yapılmıştır. Son olarak, her bir ürünün su tüketimini ilgili arazi dağılımına göre tahmin eden bir model sunulmaktadır. Anahtar Kelimeler: Tarım, Bitkisel Üretim, Arazi Kullanımı, Portföy Optimizasyon