Environmental assessment of new technologies: two case studies, in a pear orchard and in energy crops

Abstract

Sustainable agriculture aims at optimizing the inputs, increasing profits, and reducing the adverse environmental impacts. Assessment of environmental impacts of human activities is the aim of many studies and methodologies. LCA is a method used to evaluate the environmental burdens associated with products or processes while taking their whole life cycle into consideration; that is from raw material extraction, to the production of the product till its consumption and the final waste disposal. This is referred to as cradle to grave approach. LCA is a comprehensive assessment method which considers all aspects of natural environment, human health, and resources. The present research is an application of the LCA methodology in the assessment of the environmental impact of agricultural practices. The methodology applied is based on ISO standardization. Two different case studies have been evaluated: a) Variable Rate Application (VRA) of Nitrogen (N) in a pear orchard using Precision Agriculture (PA) technology, and b) Biomass production under conventional and conservation tillage systems.Precision agriculture (PA) is a management approach for sustainable agriculture, developed to manage the spatial and temporal variability in fields resulting in the optimization of inputs, profits and the environmental impacts. Although many studies have analysed the effects of PA system on production and profit, there are limited results concerning its influence on the environment. The present study comes to fill this gap by assessing the environmental impact of sustainable management practices and precision technologies using both experimental measurements and Life Cycle Assessment (LCA)methodology. Biomass production and use for second generation biofuels like bio‐ethanol,will remove all lignocellulosic material from the fields. This land use change can cause soil degradation. Using conservation agriculture this effect could be mitigated. The present study investigates the environmental implications of establishing a novel crop rotation system with double cropping per year and reduced or no tillage treatments, using the LCA methodology. The LCA goal and scope was defined for each study along with the system boundaries and the functional unit (FU).The ultimate aim for the pear study was to reveal and compare the environmental impacts of using different N fertiliser application techniques(uniform and VRA). The FU used was the 1 kg output of fresh pears. The ultimate aim for biomass study was to reveal and compare the environmental impacts of using different tillage practices for seedbed preparation (conventional and conservation tillage: Reduced tillage RT I, RT II, RT III and no‐till tillage) in an innovative crop rotation system, combining winter and spring crops, in order to achieve a continuous soil coverage of the field throughout the year. The FU used was 1 kg output of dry biomass. Both case studies concerned Cradle to Gate studies, i.e., an assessment of a partial life cycle of a product,from the extraction of raw materials (cradle) up to the production of the product, “gate”. Inventory step was compiled by three data systems. Primary data were used in the foreground data system, while the background data concerned all the information about the inputs production stage from raw material. A third category of data was developed,the semi‐specific data, which concerned data coming from the background database adapted for the circumstances of the present study. The direct and indirect emissions for all three environmental compartments, water, air and soil, were calculated using specific models. Assumptions were made for both case studies. The main assumption about the pear study was that the analysis will include all the emissions and resource uses of the orchard’s lifetime and all the production phases and as a next step the average of the pear orchard would be calculated. A methodology was adopted for modelling individual year sand averaging over the orchards life time, rather than calculating the impact results for each year and then averaging. The main assumption in the biomass study was the comparison of the proposed crop rotations system with the monoculture crop system,which is the prevailing cropping practice in the irrigated areas of the region under study. In Impact Assessment step, the ReCiPe midpoint method was used, for both studies, as the default method. This choice was relied on the fact that impact categories at the midpoint have a stand‐alone value in a midpoint‐oriented LCIA method, which is also usable as anintermediate step in an endpoint‐oriented method.The experimental results in the pear study showed that VRA of N fertilizer, resulted in up to 56% savings in two successive cultivation years, 2012 and 2013, compared to homogeneous N application. After the first year of N VRA the low yielding areas increased the yield of the subsequent year by 51%, while there was no effect in the high yielding areas. For the same study, LCA analysis revealed that when high fruit yield was combined with reduced over all N fertilisation amounts, using VRA technique, there was a reduction of the important emissions to air coming from the fertilisation agricultural practice.Climate change, Water scarcity, Fossil fuels and Particulate matter formation were the most contributing impact categories to the overall environmental impact of the whole lifespan of the pear orchard under study. For the biomass production study, the LCA analysis showed that the most important impact categories contributing to the total environmental impact were: Fossil and Land transformation CO2 (Climate Change), Human toxicity, Particular matter formation, Agricultural land occupation, and Water, Metal and Fossil depletion. The emissions due to fertiliser application and diesel fuel consumption, as well as for their production, were the processes with the greater influence on the overall environmental burden. When the different tillage practices were compared, reduced tillage treatments had the best environmental performance compared to conventional tillage in all important impact categories. The environmental impacts of the proposed crop rotation were compared with a single cotton crop prevailing in the area. When a mass based FU was used (1kg dry matter biomass), the results showed that cotton monoculture had higher environmental impacts. If an area based FU was used (1 ha), however, the results were reversed, except the total CO2 emission, where No‐tillage treatment had the best environmental performance. Using hectare as the functional unit does not take the productivity into account. In this case, yield is no more the key driver of the comparison but the amounts of inputs used, which comes in contrast with the concept of LCA methodology (LCA is a product oriented methodology).Generally, when the LCA analysis is combined with a long series of primary field data,it can be a valuable tool for assessing and analysing the environmental impact of different cropping systems and cultivation practices. The results from both experimental and LCA analysis of the first case study revealed that N VRA can be both a profitable practice for the farmer, due to fertilizer use reduction, and an environmentally sound technique due to improved N utilization; as N use efficiency increases, the environmental footprint of the orchard will decrease. As for the second case study, when crop rotation system is combined with reduced cultivation tillage practices, it can result in the lowest emissions per kg biomass produced. Thus, new technologies, VRA and conservation tillage, can be characterised as friendly to the environment agricultural practices that could be promoted by agricultural policy and adopted by the farmers.

Η αειφορική γεωργία έχει ως στόχο την ορθολογική χρήση των εισροών, την αύξηση των κερδών και την μείωση των δυσμενών περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Η μελέτη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, που προέρχονται από ανθροπωγενείς δραστηριότητες έχουν αποτελέσει αντικείμενο πολλών ερευνητικών μελετών. Η Ανάλυση Κύκλου Ζωής(ΑΚΖ) ( (Life Cycle Assessment, LCA) είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται για την αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προέρχονται από προϊόντα ή διαδικασίες καθ’ όλη την διάρκεια ζωής τους. Κάθε προϊόν έχει ένα κύκλο ζωής, ο οποίος ξεκινά από τη σύλληψη και το σχεδιασμό του προϊόντος, ακολουθεί η εξόρυξη των πρώτων υλών, η κατασκευή του προϊόντος, η χρήση του και τέλος η πορεία προς την τελική απόρριψη του. Κάθε δραστηριότητα ή διεργασία κατά τη διάρκεια της ζωής ενός προϊόντος έχει περιβαλλοντικές επιπτώσεις, οι οποίες προέρχονται από την κατανάλωση πρώτων υλών και ενέργειας όσο και από τις εκπομπές ανεπιθύμητων ρύπων προς την ατμόσφαιρα, την υδρόσφαιρα και το έδαφος. Η προσέγγιση που λαμβάνει υπόψη της ολόκληρο τον κύκλο ζωής των προϊόντων έχει καθιερωθεί από τη διεθνή βιβλιογραφία να λέγεται «από την κούνια στον τάφο» (from cradle to crave). Η ΑΚΖ αποτελεί διαγνωστικό εργαλείο περιβαλλοντικής διαχείρισης και λήψης αποφάσεων, που ποσοτικοποιεί και συγκρίνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των προϊόντων από την «κούνια στον τάφο». Χαρακτηριστικές κατηγορίες επιπτώσεων είναι η αλλαγή κλίματος, η μείωση του στρατοσφαιρικού όζοντος, η δημιουργία τροποσφαιρικού όζοντος (αιθαλομίχλη), ο ευτροφισμός, η οξίνιση, οι τοξικολογικές επιπτώσεις στην ανθρώπινη υγεία και τα οικοσυστήματα, η μείωση των μη ανανεώσιμων ορυκτών πόρων, η χρήση ύδατος, η χρήση εδάφους, και η δημιουργία θορύβου. Σύμφωνα με το Διεθνή Οργανισμό για τηνΠροτυποποίηση (ISO), η μεθοδολογία για την ΑΚΖ των προϊόντων (αγαθών και υπηρεσιών) αποτελείται από τέσσερα στάδια. 1) Καθορισμός σκοπού και αντικειμένου της μελέτης – Goal and Scope Definition (ISO 14040, 2006), 2) Απογραφή δεδομένων – Life Cycle Inventory (ISO 14044, 2006), 3) Εκτίμηση επιπτώσεων – Life Cycle Impact Assessment (ISO 14044, 2006) και 4) Ερμηνεία των αποτελεσμάτων – Life Cycle Interpretation (14044, 2006). Η παρούσα εργασία είναι μια εφαρμογή της μεθοδολογίας της ΑΚΖ στην αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων γεωργικών πρακτικών νέας τεχνολογίας με τη μελέτη δύο διαφορετικών περιπτώσεων: α) Eφαρμογή της διαφορετικής δόσης αζωτούχου λιπάσματος σε οπωρώνα αχλαδιάς, στο πλαίσιο της εφαρμογής της Γεωργίας Ακριβείας και β) Παραγωγή βιομάζας με εφαρμογή συμβατικών και μειωμένων συστημάτων κατεργασίας εδάφους. Η Γεωργία Ακριβείας (ΓΑ) είναι μια νέα μέθοδος αειφορικής διαχείρισης των αγρών που βασίζεται στην εφαρμογή σύγχρονων τεχνολογιών πληροφορικής και επικοινωνιών. Στοχεύει στη διαχείριση των αγρών με βάση τη χωρική και χρονική παραλλακτικότητα, ώστε οι εισροές (φυτοφάρμακα, λιπάσματα, σπόρος, νερό άρδευσης) και οι καλλιεργητικές πρακτικές να εφαρμόζονται ανάλογα με τις ανάγκες του εδάφους και των καλλιεργειών καθώς αυτές διαφοροποιούνται στο χώρο και στο χρόνο. Ταυτόχρονα στοχεύει στην αύξηση του κέρδους, με τη βελτίωση της ποιότητας των αγροτικών προϊόντων, αλλά και στη μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των γεωργικών πρακτικών. Παρόλο που πολλές μελέτες έχουν αναλύσει τις επιδράσεις της εφαρμογής της ΓΑ στην παραγωγή και στο κέρδος των αγροτικών προϊόντων, υπάρχουν περιορισμένες πληροφορίες για την επίδραση της στο περιβάλλον. Η παρούσα εργασία έρχεται να συμβάλλει στη συμπλήρωση του κενού με την εκτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων αειφόρων πρακτικών και τεχνολογιών γεωργίας ακριβείας τόσο μέσα από πειραματικές μετρήσεις όσο και υπολογιστικά με την εφαρμογή της μεθοδολογίας της ΑΚΖ. Η παραγωγή βιομάζας και η χρήση της για τη δημιουργία δεύτερης γενιάς βιοκαύσιμων, όπως η βιο‐αιθανόλη, θα οδηγήσει στην ολική απομάκρυνση του υπέργειου φυτικού υλικού από το χωράφι. Αυτή η αλλαγή στη χρήση γης μπορεί να προκαλέσει υποβάθμιση των εδαφών. Ως συστήματα κατεργασίας του εδάφους που συμβάλουν στην αειφορική διαχείριση, χαρακτηρίζονται όλες οι εναλλακτικές μέθοδοι κατεργασίας οι οποίες είτε χρησιμοποιούν λιγότερη ενέργεια από την συμβατική κατεργασία, είτε είναι λιγότερο εντατικές ή και τα δύο ταυτόχρονα. Με την εφαρμογή μειωμένης κατεργασία του εδάφους, μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας, ενώ παράλληλα επιτυγχάνεται η διατήρηση της γονιμότητας του εδάφους, συμβάλλοντας στην αύξηση της οργανικής ουσίας, στην βελτίωση της δομής του εδάφους αλλά και στην καλύτερη διαχείριση του νερού και της εδαφικής υγρασίας. Στην παρούσα διατριβή διερευνώνται οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της εγκατάστασης ενός πρωτότυπου συστήματος αμειψισποράς με διπλή καλλιέργεια ανά χρόνο και μειωμένη ή καθόλου κατεργασία εδάφους, χρησιμοποιώντας την μεθοδολογία της ΑΚΖ. Ο σκοπός και το αντικείμενο της ΑΚΖ, τα όρια του κάθε συστήματος και η λειτουργική μονάδα (Functional Unit, FU) που τα αντιπροσωπεύει προσδιορίστηκαν για κάθε μελέτη ξεχωριστά. Ο απώτερος σκοπός της μελέτης για τον οπωρώνα αχλαδιάς ήταν η μέτρηση και σύγκριση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων προερχόμενων από διαφορετικές τεχνικές λίπανσης του αζώτου (ομοιόμορφη και διαφορετικής δόσης). Η λειτουργική μονάδα καθορίστηκε ως η παραγωγή ενός κιλού φρέσκων αχλαδιών. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις από τη χρήση διαφορετικής κατεργασίας εδάφους (συμβατική και μειωμένη κατεργασία: Reduced tillage RT I, RT II, RT III and no‐till tillage) για την προετοιμασία της σποροκλίνης, αποτέλεσε τον σκοπό της δεύτερης μελέτης, της παραγωγής της βιομάζας. Η λειτουργική μονάδα και πάλι ήταν το ένα κιλό παραγόμενης ξηρής βιομάζας. Και οι δυο μελέτες αφορούσαν αναλύσεις «από την κούνια στην πύλη του αγροκτήματος», δηλαδή, πραγματοποιήθηκε εκτίμηση μέρους του κύκλου ζωής του προϊόντος, από την εξόρυξη των πρώτων υλών (κούνια) έως και την παραγωγή του προϊόντος στο χωράφι (πύλη). Η απογραφή των δεδομένων πραγματοποιήθηκε με την ανάπτυξη τριών κατηγοριών δεδομένων. Τα πρωτογενή δεδομένα (συλλογή δεδομένων από πειραματικές διαδικασίες) που χρησιμοποιούνται στις διεργασίες προσκηνίου (foreground system), τα δευτερογενή δεδομένα (δεδομένα που βρίσκονται σε βάσεις δεδομένων, ή στη βιβλιογραφία) που χρησιμοποιούνται σε διεργασίες παρασκηνίου και τα προσαρμοσμένα δεδομένα, δηλαδή δευτερογενή δεδομένα που έχουν προσαρμοσθεί στις συνθήκες της παρούσας μελέτης. Υπολογίστηκαν οι άμεσες και έμμεσες εκπομπές και για τα τρία περιβαλλοντικά τμήματα, νερό, αέρα και έδαφος χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα μοντέλα. Και για τις δύο μελέτες πραγματοποιήθηκαν κάποιες υποθέσεις. Κύρια υπόθεσηστη μελέτη της αχλαδιάς ήταν η μεθοδολογία που υιοθετήθηκε για την ανάλυση των δεδομένων. Συγκεκριμένα η ανάλυση των δεδομένων συμπεριέλαβε όλες τις εισροές και τις εκπομπές καθ’ όλη τη διάρκεια ζωής του οπωρώνα, καθώς και τις παραγωγικές διαδικασίες και ως επόμενο βήμα υπολογίστηκε ο μέσος όρος για τον οπωρώνα για όλη τη διάρκεια ζωής του. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε αφορούσε αρχικά τη δημιουργία ανεξάρτητων χρόνων καλλιέργειας (καλλιεργητική περίοδος), τον υπολογισμό του μέσου όρου των χρόνων αυτών και έπειτα τον υπολογισμό της επίπτωσης του μέσου όρου του οπωρώνα, αντί να υπολογιστούν οι επιπτώσεις για κάθε χρόνο καλλιέργειας χωριστά του οπωρώνα και να υπολογιστεί ο μέσος όρος των επιπτώσεων. Η κύρια υπόθεση στη μελέτη της βιομάζας ήταν η σύγκριση του προτεινόμενου συστήματος αμειψισποράς με το σύστημα της μονοκαλλιέργειας που επικρατεί στην αρδευόμενη περιοχή. Στο στάδιο της εκτίμησης των επιπτώσεων η μέθοδος ReCiPe (ReCiPe midpoint method) επιλέχθηκε για την ανάλυση των δεδομένων που συγκεντρώθηκαν στο στάδιο της απογραφής. Ταυτόχρονα με τον καθορισμό των κατηγοριών των επιπτώσεων που θα αναλυθούν επιλέγονται και οι αντίστοιχοι δείκτες. Συχνά η επιλογή αυτή γίνεται στο ενδιάμεσο επίπεδο του περιβαλλοντικού μηχανισμού (midpoint level), αλλά άλλες φορές κάποιοι δείκτες επιλέγονται στο τελικό επίπεδο (endpoint level). Στην παρούσα διατριβήη επιλογή της ενδιάμεσης προσέγγιση στηρίχθηκε στο γεγονός ότι οι κατηγορίες των επιπτώσεων στο ενδιάμεσο επίπεδο μπορούν να δώσουν σαφή αποτελέσματα, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενδιάμεσο βήμα για την ερμηνεία των αποτελεσμάτων των προσανατολισμένων μεθόδων στο τελικό επίπεδο (endpoint‐oriented method). Τα πειραματικά αποτελέσματα για την μελέτη της αχλαδιάς έδειξαν ότι η διαφοροποιημένη λίπανση του αζώτου μπορεί να επιφέρει μείωση της εφαρμοζόμενης ποσότητας αζώτου έως και 56% σε δυο συνεχείς καλλιεργητικές χρονιές, 2012 και 2013, σε σύγκριση με την ομοιόμορφη εφαρμογή. Μετά την πρώτη εφαρμογή της διαφοροποιημένης λίπανσης, οι χαμηλής παραγωγικότητας περιοχές παρουσίασαν αυξημένη παραγωγή την επόμενη χρονιά κατά 51%, ενώ δεν υπήρξε ανάλογη επίδραση στις υψηλής παραγωγικότητας περιοχές. Για την ίδια μελέτη η ΑΚΖ αποκάλυψε ότι όταν η υψηλή παραγωγή καρπών συνδυαστεί με μειωμένες συνολικά εισροές αζωτούχας λίπανσης, χρησιμοποιώντας την τεχνική της διαφοροποιημένης λίπανσης, τότε παρατηρείται μείωση στις εκπομπές προς τον αέρα προερχόμενες από την διεργασία τηςλίπανσης. Η κλιματική αλλαγή (Climate change), η έλλειψη νερού (Water scarcity), τα ορυκτά καύσιμα (Fossil fuels) και ο σχηματισμός σωματιδίων (Particulate matter formation) είναι οι πιο σημαντικές κατηγορίες επιπτώσεων που συμβάλουν στηνπεριβαλλοντική επίπτωση του οπωρώνα αχλαδιάς κατά τη διάρκεια της ζωής του. Τα αποτελέσματα της ΑΚΖ για τη δεύτερη μελέτη, την παραγωγή της βιομάζας, έδειξαν ότι οι κατηγορίες επιπτώσεων που συνέβαλαν περισσότερο στο περιβαλλοντικό αποτύπωμα ήταν: η κλιματική αλλαγή (Fossil and Land transformation CO2‐Climate Change), η τοξικότητα στον άνθρωπο (Human toxicity), ο σχηματισμός σωματιδίων (Particular matter formation), η χρήση γης (Agricultural land occupation), και η εξάντληση νερού, μετάλλων και ορυκτών (Water, Metal and Fossil depletion). Οι εκπομπές προερχόμενες τόσο από την παραγωγική διαδικασία του λιπάσματος και του καυσίμου όσο και από την χρήση τους (εφαρμογή του λιπάσματος και κατανάλωση καυσίμου) αποτέλεσαν τις διαδικασίες με την μεγαλύτερη επίδραση στη διαμόρφωση της περιβαλλοντικής επίπτωσης κατά τη παραγωγή της βιομάζας. Όταν διαφορετικές πρακτικές κατεργασίας εδάφους συγκρίθηκαν μεταξύ τους, η μειωμένη κατεργασία παρουσίασε την καλύτερη περιβαλλοντική συμπεριφορά σε σχέση με τη συμβατική κατεργασία σε όλες τις σημαντικές κατηγορίες επιπτώσεων. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της προτεινόμενης αμειψισποράς συγκρίθηκαν με τη μονοκαλλιέργεια βαμβακιού που επικρατεί στη περιοχή. Όταν χρησιμοποιήθηκε ως λειτουργική μονάδα το ένα κιλό παραγόμενης ξηρής βιομάζας, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μονοκαλλιέργεια του βαμβακιού συνεισφέρει κατά πολύ περισσότερο στις περιβαλλοντικό επιπτώσεις. Ωστόσο, όταν χρησιμοποιήθηκε ως λειτουργική μονάδα το ένα εκτάριο, τα αποτελέσματα έδειξαν την μονοκαλλιέργεια να έχει καλύτερη περιβαλλοντική συμπεριφορά στις περισσότερες κατηγορίες επιπτώσεων, εκτός από τις εκπομπές CO2 όπου η ακαλλιέργεια παρουσίασε την μικρότερη τιμή. Στην περίπτωση αυτή όμως η παραγωγικότητα δεν αποτελούσε πλέον τον κύριο παράγοντα σύγκρισης, αλλά η ποσότητα των εισροών στο σύστημα, το οποίο και έρχεται σε αντίθεση με τη ιδέα την μεθοδολογίας της ΑΚΖ (η ΑΚΖ αποτελεί μέθοδο προσανατολισμένη στο προϊόν). Γενικά, όταν η ΑΚΖ συνδυάζεται με μια σειρά από πρωτογενή δεδομένα πεδίου μπορεί να αποτελέσει πολύτιμο διαγνωστικό εργαλείο αξιολόγησης και ανάλυσης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των διάφορων συστημάτων καλλιέργειας, καθώς και των καλλιεργητικών πρακτικών. Τα αποτελέσματα τόσο από την πειραματική ανάλυση αλλά και την ΑΚΖ της πρώτης μελέτης έδειξαν ότι η διαφορετική εφαρμογή του αζώτου μπορεί να αποτελέσει ταυτόχρονα μια επικερδή για τον παραγωγό πρακτική, λόγω μείωσης του λιπάσματος, αλλά και μια περιβαλλοντικά φιλική πρακτική λόγω καλύτερης αξιοποίησης του αζώτου‐καθώς η αποτελεσματικότητα του αζώτου αυξάνεται, το περιβαλλοντικό αποτύπωμα του οπωρώνα μειώνεται. Σχετικά με τη δεύτερη μελέτη, όταν ένα σύστημα αμειψισποράς συνδυάζεται με μειωμένη κατεργασία εδάφους, μπορεί να οδηγήσει σε μειωμένες εκπομπές ανά κιλό παραγόμενης βιομάζας. Επομένως οι νέες τεχνολογίες, η διαφοροποιημένη λίπανση και η μειωμένη κατεργασία και η κατάλληλη αμειψισπορά, μπορούν να χαρακτηριστούν ως φιλικές προς το περιβάλλον γεωργικές πρακτικές που μπορούν να προωθηθούν από την ελληνική γεωργική πολιτική και να υιοθετηθούν από τους αγρότες στο πλαίσιο μιας φιλο‐περιβαλλοντικής αειφορικής γεωργικής παραγωγής με μειωμένες εισροές και ικανοποιητικές αποδόσεις.