Ανάπτυξη συστήματος για την αξιολόγηση της περιβαλλοντικής αειφορίας πρακτικών ευφυούς γεωργίας

Abstract

Sustainability in the agricultural sector is emerging as critical for maintaining productivity and resilience within farming systems. The adoption of technological innovations can improve productivity while reducing the environmental footprint. Thus, integrating sustainable practices and embracing innovative technologies are pivotal steps for effective and sustainable food production, ensuring humanity's survival and development in a dynamically changing world. As smart agriculture technologies evolve, the need for tools to evaluate their environmental performance is becoming increasingly important. This dissertation aims to develop a computational tool for estimating greenhouse gas (GHG) emissions, focusing on calculating emissions from modern smart farming methods. The tool is integrated into a comprehensive farm management information system to automate data collection. The research begins with an extensive literature review of methods and indicators for assessing agricultural sustainability, focusing on environmental, economic, and social dimensions, highlighting the advantages and limitations of different methodologies. Tools for estimating GHG emissions in agriculture are analyzed, with distinctions made between emission sources and evaluations of existing tools. The theoretical framework supporting GHG emissions calculations includes an overview of farming activities, inputs, and outputs associated with agricultural production at the field level, as well as the emission categories considered in the computational tool. These calculations align with the GHG Protocol Agricultural Guidance standards. The dissertation details the development of the computational library underpinning the GHG emissions estimation tool. Designed for integration into a farm management information system, the tool’s structure facilitates data entry, flow calculations, emission estimations, and results presentation. It is applied to two case studies: assessing emissions during the establishment of a walnut grove and cultivating low-emission barley under ISO 14064-2 standards. Analysis of these case studies demonstrates that developing modern tools for data management and environmental impact analysis in agriculture offers significant benefits, enhancing decision-making efficiency and accuracy. The tool minimizes data input requirements, speeding up and streamlining the process. A user-friendly interface facilitates data entry, while advanced algorithms reduce the risk of errors. The tool’s ability to produce metadata compatible with external Life Cycle Analysis (LCA) tools ensures interoperability and extends analysis capabilities beyond the tool itself. Detailed results presentation enables the identification of critical points of high environmental impact. Comparing different scenarios supports informed decision-making and optimization of environmental performance. The case studies confirm the tool’s usefulness in reducing emissions and ensuring compliance with ISO standards. Its scalability allows adaptation to the evolving needs of the agricultural sector, contributing to environmental responsibility and economic efficiency.

Η βιωσιμότητα στον γεωργικό τομέα αναδεικνύεται ως κρίσιμης σημασίας για τη διατήρηση της παραγωγικότητας και της ανθεκτικότητας των γεωργικών συστημάτων. Επιπλέον, η εφαρμογή τεχνολογικών καινοτομιών μπορεί να συμβάλλει στη βελτίωση της παραγωγικότητας με ταυτόχρονη μείωση του περιβαλλοντικού αποτυπώματος. Συνεπώς, η ενσωμάτωση βιώσιμων πρακτικών και η υιοθέτηση καινοτόμων τεχνολογιών αποτελούν βασικά βήματα για την βιώσιμη παραγωγή τροφίμων, διασφαλίζοντας έτσι την επιβίωση και την ανάπτυξη της ανθρωπότητας σε έναν δυναμικά μεταβαλλόμενο κόσμο. Ενώ οι τεχνολογίες ευφυούς γεωργίας αναπτύσσονται συνεχώς δημιουργείται η ανάγκη ανάπτυξης και των κατάλληλων εργαλείων για την αξιολόγηση τους αναφορικά με την απόδοση τους ως προς την προστασία του περιβάλλοντος. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού εργαλείου εκτίμησης εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου με σκοπό τον υπολογισμό των εκπομπών σύγχρονων μεθόδων ευφυούς γεωργίας. Το εργαλείο ενσωματώνεται σε ένα ολοκληρωμένο πληροφοριακό σύστημα διαχείρισης αγροτεμαχίων με σκοπό την αυτοματοποίηση της συλλογής δεδομένων. Προς το σκοπό αυτό αρχικά διενεργείται εκτενής γίνεται βιβλιογραφική ανασκόπηση των μεθόδων και δεικτών για την αξιολόγηση της γεωργικής αειφορίας, εστιάζοντας στις περιβαλλοντικές, οικονομικές και κοινωνικές διαστάσεις ενώ παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί των διαφορετικών μεθοδολογιών. Στη συνέχεια αναλύονται τα εργαλεία εκτίμησης εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου στη γεωργία, με διάκριση στις πηγές εκπομπών ενώ επιχειρείται και αξιολόγηση τους. Το θεωρητικό υπόβαθρο επάνω στο οποίο στηρίζεται ο υπολογισμός των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου περιέχει την παρουσίαση των διαθέσιμων καλλιεργητικών εργασιών, ενώ αναλύονται όλες οι εισροές και εκροές που συνδέονται με την γεωργική παραγωγή σε επίπεδο αγροτεμαχίου αλλά και οι κατηγορίες εκπομπών που λαμβάνονται υπόψη στο υπολογιστικό εργαλείο, παρέχοντας και τους σχετικούς υπολογισμούς σύμφωνα με τα πρότυπα του GHG Protocol Agricultural Guidance. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ο τρόπος ανάπτυξης της βιβλιοθήκης υπολογισμών του εργαλείου εκτίμησης εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου Το εργαλείο αναπτύχθηκε με τέτοια δομή ώστε να επιτρέπει τη διασύνδεση του σε ένα πληροφοριακό σύστημα διαχείρισης αγροτεμαχίων με δομή που διευκολύνει την εισαγωγή δεδομένων, τον υπολογισμό ροών και εκπομπών, και την παρουσίαση αποτελεσμάτων. Το εργαλείο αυτό εφαρμόζεται σε 2 μελέτες περίπτωσης, που αφορούν την εκτίμηση εκπομπών κατά την εγκατάσταση ενός καρυδεώνα και την καλλιέργεια κριθαριού με μειωμένες εκπομπές στο πλαίσιο εφαρμογής του ISO 14064-2. Με βάση την ανάλυση των μελετών περίπτωσης, η ανάπτυξη ενός σύγχρονου εργαλείου για τη διαχείριση δεδομένων και την ανάλυση περιβαλλοντικών επιπτώσεων στον αγροτικό τομέα προσφέρει σημαντικά οφέλη, ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα και την ακρίβεια στη λήψη αποφάσεων. Το εργαλείο ελαχιστοποιεί τις απαιτήσεις εισόδου δεδομένων, καθιστώντας τη διαδικασία ταχύτερη και αποδοτικότερη. Παράλληλα, διευκολύνει την εισαγωγή δεδομένων μέσω φιλικής διεπαφής και ενσωματώνει προηγμένους αλγόριθμους, μειώνοντας τον κίνδυνο σφαλμάτων. Η δυνατότητα παραγωγής μετα-δεδομένων, κατάλληλων για εξωτερικά εργαλεία Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (LCA), εξασφαλίζει διαλειτουργικότητα και επεκτείνει την ανάλυση πέρα από το ίδιο το εργαλείο. Παρέχεται επίσης η δυνατότητα αναλυτικής παρουσίασης αποτελεσμάτων, επιτρέποντας την αναγνώριση κρίσιμων σημείων περιβαλλοντικής επιβάρυνσης. Η δυνατότητα σύγκρισης διαφορετικών σεναρίων συμβάλλει επίσης στη λήψη τεκμηριωμένων αποφάσεων και τη βελτιστοποίηση περιβαλλοντικών επιδόσεων. Μελέτες περίπτωσης απέδειξαν τη χρησιμότητά του στη μείωση εκπομπών και τη συμμόρφωση με πρότυπα ISO. Η επεκτασιμότητά του επιτρέπει την προσαρμογή στις εξελισσόμενες ανάγκες του αγροτικού τομέα, συνεισφέροντας στη διατήρηση της περιβαλλοντικής υπευθυνότητας και της οικονομικής αποδοτικότητας.