Modelling location-dependent environmental impacts in life cycle assessment: water use, desertification and soil erosion. Application to energy crops grown in Spain

Abstract

Soil and freshwater are two absolutely essential resources for ecosystems and humanity. Agriculture depends very much on these resources, and so, without their correct management, farmland practices can trigger many adverse impacts on the environment and jeopardise the availability of soil and water for future agricultural activities. Agricultural lands represent only 12% of the world’s land area. However, roughly 70% of water withdrawals from nature are for irrigated agriculture and 30-40% of the agricultural land is affected by soil degradation. Desertification, irreversible soil degradation, is one of the main problems for sustainability in drylands, areas that cover 40% of the earth’s surface. For these reasons, the environmental impacts of the use of water and land by agricultural activities should be measured. Life cycle assessment (LCA) is a method to construct the environmental profile of production systems. It was initially developed for industrial production, but a considerable amount of research has been undertaken in recent years to adapt LCA to agricultural systems as well. Conventional LCA methodology does not determine the environmental impacts of water and land use, which is a very significant shortcoming when evaluating the environmental performance of agricultural systems. Furthermore, contrary to other global environmental impact categories such as global warming, the environmental impacts of water and land use vary in every location of the globe, depending on the spatio-temporal conditions of the location, requiring therefore an extension of current LCA methodology. This thesis focuses on the development of the LCA methodology to incorporate the environmental impacts arising from the use of water and land. The spatio-temporal variability of these resources is taken into account in the proposed methods using the complementary tool of geographic information systems (GIS). For water use, two screening frameworks are built to capture the impacts of soil-water consumption by plants, when, until now, efforts have been directed towards evaluating the environmental impacts of irrigation water consumption. For land use, a multi-indicator approach for a new impact category, desertification, until now never modelled in the LCA context, is provided, as well as a methodology for including soil erosion impacts, in which the soil loss has been related to the loss of organic carbon, as a measure of the soil quality, and finally, to the loss of biomass productivity of ecosystems. The methods developed deal with the life cycle inventory (LCI) and the life cycle impact assessment (LCIA) phases. In addition, to verify the applicability of the developed location-dependent methods and characterisation factors, these are applied to agricultural crop rotations with energy crops growing in Spain, with the aim of quantifying the side effects of producing bioenergy on the disputed water and land resources in the country. The outcomes indicate that there is no best solution of a single crop rotation grown in a specific location capable of minimising water and land use environmental impacts simultaneously. This is because, firstly, rainfed crop rotations exhibit higher land use related impacts but, in contrast, they are not irrigated. And secondly, locations with more surface, ground and soil water reserves are subjected to more intensive and erosive rainfalls, thus, to higher land use damages. Among other important follow-up lines of research, future work should focus on the study of suitable functional units for agricultural LCA, calculate the uncertainties of the developed methods as well as try to identify a feasible and relevant geographical scale at which to address the spatial differentiation of the characterisation factors for water and land use impacts, and in general, for any location-dependent impact category.

Suelo y agua dulce son dos recursos imprescindibles para los ecosistemas y la humanidad. La agricultura depende de la disponibilidad de estos recursos, que por tanto, debe gestionar correctamente. En caso contrario, las prácticas agrícolas pueden provocar impactos adversos en el medio ambiente y poner en peligro la disponibilidad de suelo y agua para futuras actividades agrícolas. Los suelos agrícolas representan sólo el 12% de la superficie terrestre mundial. Sin embargo, aproximadamente el 70% de las extracciones de agua de la naturaleza se utilizan en la agricultura de irrigación y el 30-40% de los suelos destinados a la agricultura están degradados. La desertificación, entendida como la degradación irreversible del suelo, es uno de los mayores problemas para la sostenibilidad de las tierras áridas, áreas que cubren el 40% de la superficie terrestre. Por estos motivos, deben evaluarse los impactos ambientales debidos al uso del suelo y del agua en la agricultura. El análisis de ciclo de vida (ACV) es un método para evaluar el perfil ambiental de sistemas productivos. El ACV se desarrolló inicialmente para estudiar la producción industrial, pero en los últimos años la investigación se ha dirigido a la adaptación del método para poder aplicarlo también en los sistemas agrícolas. La metodología convencional de ACV no determina los impactos ambientales debidos al uso del suelo y del agua, siendo ésta una importante deficiencia para evaluar el perfil ambiental de los sistemas agrícolas. Además, al contrario de otras categorías de impacto ambiental global, como el calentamiento global, los impactos ambientales derivados del uso del suelo y del agua son distintos en cada lugar del planeta, en función de las condiciones espacio-temporales del sitio. Por tanto, es necesario extender la metodología actual de ACV. Esta tesis se centra en el desarrollo de la metodología de ACV para incorporar los impactos ambientales resultantes del uso del suelo y del agua. La variabilidad espacio-temporal de estos recursos se tiene en cuenta en los métodos propuestos utilizando la herramienta complementaria de los sistemas de información geográfica (SIG). Para el uso del agua, se presentan dos métodos de aproximación para medir los impactos debidos al consumo de agua de las reservas del suelo, cuando, hasta la fecha, los estudios han intentado evaluar los impactos ambientales debidos al consumo de agua para la irrigación. Para el uso del suelo, se propone una aproximación multi-indicador para modelar el impacto de la desertificación, una categoría nunca antes incluida en ACV, así como una metodología para incluir los impactos de la erosión del suelo, donde la pérdida de suelo se relaciona con la pérdida de carbono orgánico, como medida de la calidad del suelo, y finalmente, con la disminución de producción de biomasa de los ecosistemas. Los métodos desarrollados comprenden las fases de inventario de ciclo de vida (ICV) y de evaluación de impacto de ciclo de vida (EICV). Además, para comprobar la aplicabilidad de los métodos regionalizados de ACV y de los factores de caracterización desarrollados, estos se aplican en rotaciones de cultivos con cultivos energéticos en España, con el objetivo de cuantificar los efectos colaterales de producir bioenergía sobre los recursos suelo y agua, muy disputados en el país. Los resultados revelan que no hay una solución idónea, con una rotación de cultivos sembrados en una zona específica del país, que sea capaz de reducir, simultáneamente, los impactos ambientales debidos al uso de suelo y agua. Esto se debe, en primer lugar, a que los cultivos de secano muestran mayores impactos relacionados con el uso del suelo, pero, al contrario, no utilizan agua de irrigación. Y en segundo lugar, a que las zonas con más reservas de agua en superficie, acuíferos y suelos están también sometidas a lluvias más intensas y erosivas, y en consecuencia, a un mayor deterioro del suelo. Entre otras importantes líneas de investigación a seguir, próximos trabajos deben centrarse en el estudio de unidades funcionales adecuadas para el ACV de sistemas agrícolas, el cálculo de las incertidumbres de los métodos desarrollados en la tesis, así como en la identificación de una escala geográfica significativa y de aplicación factible que aborde la diferenciación espacial de los factores de caracterización para los impactos del uso del suelo y del agua, y, en general, para cualquier categoría de impacto ambiental regional.