Reducing the Environmental Impact of Food Production in Urban Agriculture by Optimizing Irrigation

Abstract

S’espera que el 75% de la població mundial viurà en ciutats en 2050. Aquesta situació genera una gran preocupació a tot el món degut a de l’augment dels impactes ambientals associats al consum de recursos com l’aigua i l’energia, especialment per a la producció d’aliments. L’agricultura urbana (AU) ha sorgit com una estratègia perquè les ciutats siguin més autosuficients. En el context del canvi climàtic i l’escassetat d’aigua, l’aplicació de les diferents solucions de l’AU ha d’estar alineada amb les estratègies circulars que optimitzen l’ús dels recursos. Els hivernacles sobre coberta permeten una producció sostinguda en el temps, juntament amb l’optimització de l’ús dels recursos, com l’aigua, la llum i els fertilitzants. El present treball aborda l’objectiu de reduir l’impacte ambiental dels AU mitjançant l’optimització de la gestió de l’aigua dels cultius en els hivernacles de coberta. Per a això en primer lloc, es desenvolupa un model de demanda hídrica, basat en dades experimentals generades en tres temporades de cultiu de tomàquet. En segon lloc, s’explora la substitució de substrats convencionals per substrats orgànics i renovables mitjançant diversos experiments amb enciams. Finalment, es determinen els impactes ambientals del cicle de vida del consum d’aigua sota diversos règims de reg per al cultiu de tomàquet. En el capítol 2 es presenten els materials i mètodes, incloent una anàlisi agronòmica, que proporciona una descripció detallada dels hivernacles així com dels seus sistemes de reg i una descripció de tots els manejos implementats dins de l’hivernacle. Per a determinar els impactes ambientals associats al maneig agronòmic, es va implementar una anàlisi de cicle de vida (ACV) a través de la construcció d’un inventari on es van quantificar tots els materials utilitzats tant en la infraestructura com en les etapes de producció, tenint en compte la necessitat d’optimitzar els recursos hídrics, es va realitzar una modelització estadística de la demanda d’aigua, en la qual es van recollir dades climàtiques de l’hivernacle i es van relacionar amb el consum d’aigua. En el capítol 3 es presenta el model de demanda d’aigua proposat, incloent una comparació amb altres models publicats anteriorment. També es detalla la interacció i predictibilitat de les variables climàtiques, sent la temperatura mitjana de l’hivernacle la més representativa. A continuació, en el capítol 4, es presenta una comparació de substrats orgànics sota diferents nivells d’estrès hídric. Els substrats van ser caracteritzats després de ser avaluats durant tres cicles d’enciam, i el compost i les seves mescles, mostren una bona resposta mostren una bona resposta a la deficiència d’aigua, mantenint la productivitat. El capítol 5 detalla els efectes agronòmics i ambientals avaluats en diferents estratègies de reg. l’estratègia de reg lineal presenta un alt impacte ambiental en termes del nitrogen i el fòsfor alliberats. D’altra banda, l’aplicació de sistemes de recirculació pot reduir el consum d’aigua i, al mateix temps, algunes categories d’impacte ambiental. Considerant l’optimització de l’aigua, es destaca el model de demanda hídrica, si bé no presenta una precisió similar a la dels models físics, pot ser utilitzat a diferents escales. En aquest sentit, la determinació de la quantitat d’aigua a aplicar és una eina útil per a poder controlar les aportacions d’aigua als sistemes alimentaris. Per a minimitzar l’efecte de l’escassetat d’aigua, la incorporació de compost, el benefici consisteix a mantenir el rendiment, sinó també a contribuir al cicle dels nutrients i al reciclatge dels residus. És necessari mantenir els estudis ambientals de la producció d’aliments per a garantir la seva eficiència. En el futur, s’ha d’aprofundir en estratègies de circularitat, com a complement d’aquesta dissertació La perspectiva mediambiental és essencial per a mantenir una visió crítica de la producció d’aliments.

Se prevé que el 75% de la población mundial vivirá en ciudades en 2050. Esta situación genera una gran preocupación en todo el mundo debido al aumento de impactos ambientales asociados al consumo de recursos como el agua y la energía, especialmente la producción de alimentos. La agricultura urbana (AU) surge como una estrategia para que las ciudades sean más autosuficientes. En el contexto del cambio climático y la escasez de agua, la aplicación de las diferentes soluciones de la AU se alinea con estrategias circulares para optimizar el uso de los recursos. Los invernaderos sobre cubierta permiten una producción sostenida en el tiempo, optimizando el uso de recursos, como el agua, luz y fertilizantes. El presente trabajo aborda el objetivo general de reducir el impacto ambiental de la AU mediante la optimización de la gestión del agua en cultivos dentro de invernaderos en cubierta. Para ello, se desarrolla un modelo de demanda hídrica, basado en datos experimentales generados en tres temporadas de cultivo de tomate. En segundo lugar, se explora la sustitución de sustratos convencionales por sustratos orgánicos y renovables mediante varios experimentos con lechugas. Por último, se determinan los impactos ambientales del ciclo de vida del consumo de agua bajo varios regímenes de riego para el cultivo de tomate. En el capítulo 2 se presentan los materiales y métodos, incluyendo un análisis agronómico, que proporciona una descripción detallada de los invernaderos así como de sus sistemas de riego y una descripción de los manejos implementados. Para determinar los impactos ambientales asociados al manejo agronómico, se implementó un análisis de ciclo de vida (ACV) donde se cuantificaron todos los materiales utilizados tanto en la infraestructura como en las etapas de producción. Finalmente, se realizó una modelización estadística de la demanda de agua, en la que se recogieron datos climáticos del invernadero y se relacionaron con el consumo de agua. En el capítulo 3 se presenta el modelo de demanda de agua propuesto, incluyendo una comparación con otros modelos publicados anteriormente. También se detalla la interacción y predictibilidad de las variables climáticas, siendo la temperatura media del invernadero la más representativa. A continuación, en el capítulo 4, se presenta una comparación de sustratos orgánicos bajo diferentes niveles de estrés-hídrico. Los sustratos fueron caracterizados después de ser evaluados durante tres ciclos de lechuga, el compost y sus mezclas, muestran una buena respuesta a la deficiencia de agua, manteniendo la productividad, e incluso mejorándola. El capítulo 5 detalla los efectos agronómicos y ambientales evaluados en diferentes estrategias de riego. La estrategia lineal presenta un alto impacto ambiental debido al nitrógeno y al fósforo liberados al medio. Por otra parte, la aplicación de estrategias con recirculación reduce el consumo de agua y, al mismo tiempo, algunas categorías de impacto ambiental. Considerando la optimización del agua, se destaca el modelo de demanda hídrica, si bien no plantea una precisión similar a la de los modelos físicos, puede ser utilizado a diferentes escalas. La determinación de la cantidad de agua a aplicar es una herramienta útil para controlar los inputs de agua dentro de sistemas alimentarios. Para minimizar el efecto de la escasez de agua, la incorporación de compost presentó beneficios no sólo a nivel de rendimiento del cultivo, sino también en contribuir al reciclaje de nutrientes. Por último, se destaca en la necesidad de mantener los estudios ambientales de la producción de alimentos para garantizar su eficiencia. En el futuro, será necesario profundizar en estas estrategias de circularidad, que son complementarias a las presentadas en esta disertación. La perspectiva medioambiental es esencial para mantener una visión crítica en la producción de alimentos.

It is expected that 75% of the global population will live in cities by 2050. This situation has generated great concern worldwide due to the increased environmental impacts associated with the consumption of resources such as water and energy, particularly for food production. Urban agriculture (UA) has emerged as a strategy to make cities more self-sufficient. Under the context of climate change and water scarcity, the implementation of different UA solutions needs to be aligned with circular strategies that optimise the use of resources. Rooftop greenhouses allow for sustained production over time, together with the optimisation of the use of resources, such as water, light and fertilisers. The present work addresses the general objective of reducing the environmental impact of UA by optimising crop water management in rooftop greenhouses. To achieve this, a water demand model is developed based on experimental data generated in three tomato growing seasons. Second, the replacement of conventional substrates with organic, renewable substrates is explored via various experiments with lettuce. Finally, the life cycle environmental impacts of water consumption under various irrigation regimes for tomato crops are determined. Chapter 2 presents materials and methods, including an agronomic analysis, which provides a detailed description of the greenhouses as well as their irrigation systems and a description of all the management implemented within the greenhouse. To determine the environmental impacts associated with agronomic management, a life cycle analysis (LCA) was implemented considering all the materials used in both the infrastructure and production stages. Lastly, bearing in mind the need to optimise water resources, a statistic modelling of water demand was carried out, where climatic data was collected from the greenhouse and related to water consumption. Chapter 3 outlines the proposed water demand model, including a comparison with other previously published models. It also details the interaction and predictability of the climatic variables the average greenhouse temperature being the most representative. It also delves into the applicability of the proposed model, presenting its scope and requirements. Next, in Chapter 4, a comparison of organic substrates under different levels of water stress is presented. The substrates were characterized after being evaluated during three cycles of lettuce cultivation, and compost and its derivatives show a good response to water deficiency, maintaining productivity, and even improving it under specific stress conditions. Chapter 5 details the agronomic and environmental effects evaluated in different irrigation strategies, seeking an optimisation of water resources in UA. In this sense, the lineal irrigation systems present a high environmental impact in terms of eutrophication due to the nitrogen and phosphorus released into the environment. It is also possible to show that the implementation of recirculation systems can reduce water consumption while at the same time reducing some categories of environmental impact. Considering the optimisation of resources and water as a central axis, the water demand model is highlighted, despite not exhibiting precision similar to that of physical models and can be used on different scales. In this sense, determining how much water to apply is a very useful tool to be able to better control the water inputs to food production systems. To minimise the effect of water scarcity, the incorporation of compost from municipal the benefit is not only in maintaining yields but also in contributing to nutrient cycling. Finally, emphasis is placed on the need to maintain environmental studies of food production to ensure its efficiency In the future, it will be necessary to deepen these circularity strategies, which are complementary to those presented in this dissertation. It should be emphasized that an environmental perspective is essential to maintain a critical view of food production.