Improving the life cycle assessment of agricultural products : focus on soil quality and nutrient footprint

Agriculture has been shown to contribute to many global environmental problems, such as climate change and eutrophication. In order to control and decrease these environmental pressures, their magnitude needs to be assessed. One possibility is the use of life cycle assessment (LCA), which is a widely used method to quantify the environmental efficiency of products and production systems. The most widely used LCA methods include a variety of environmental impact categories, for example climate change, stratospheric ozone depletion, acidification, eutrophication and ecotoxicity. However, most of the methods were originally developed for the assessment of environmental pressures caused by industrial processes. They may, therefore, not be sufficient to describe the environmental pressures caused by agricultural production, which is largely based on biological processes. This dissertation aims to identify the most relevant environmental indicators for LCA of agricultural products and develop the assessment methods for novel environmental indicators related to soil quality and nutrient use efficiency for agricultural products in the context of LCA. First, relevant environmental sustainability indicators for agricultural production were identified based on a literature review. Second, the most important impacts of agricultural land use on soil quality were identified, and the applicability of existing assessment methods were evaluated. The most potential available assessment methods were tested in a case study using actual production data from Finnish farms. Third, a recently introduced nutrient footprint method was developed to apply to an animal food product – beef. Based on the results, the most relevant environmental sustainability indicators in LCA studies of agricultural products included greenhouse gas (GHG) emissions, eutrophication, biodiversity loss, toxicity, acidification, air quality and resource use efficiency indicators for land, water and energy use. It can be concluded that, despite the high importance of GHG emissions, several other indicators are also needed to give a comprehensive view of the environmental sustainability of an agricultural production system. Environmental sustainability indicators related to soil quality, such as soil organic matter (SOM) loss and erosion, were found to be neither routinely used in LCA studies nor very clearly addressed by general LCA methods. Furthermore, many of the existing methods developed for soil quality indicators were found to not be very useful in situations in which the goal of the study is assessing the direct impacts of different agricultural management practices. Suitable methods do, however, exist for assessing the soil quality indicators of soil erosion, SOM loss and soil compaction. The use of nutrients, such as nitrogen (N) and phosphorus (P), was not among the most frequently used environmental sustainability indicators. It was found not to be addressed sufficiently in the general LCA methods. However, as an additional indicator, the nutrient footprint would bring added value in that it includes all nutrient flows related to the production chain under study, from various nutrient input sources to nutrient emissions. In summary, soil quality aspects and the nutrient footprint could be included as midpoint indicators in LCA methods. They would give a more comprehensive view of the environmental impacts and resource use efficiency of agricultural production chains than the currently used LCA impact categories such as GHG emissions and eutrophication.

Maatalouden on osoitettu vaikuttavan moniin globaaleihin ympäristöongelmiin, kuten ilmastonmuutokseen ja rehevöitymiseen. Ympäristövaikutusten suuruutta pitää voida arvioida, jotta niitä pystyttäisiin hallitsemaan ja pienentämään. Tähän tarkoitukseen soveltuu esimerkiksi elinkaariarviointi (LCA), joka on laajalti käytetty menetelmä tuotteiden ja tuotantojärjestelmien ympäristötehokkuuden määrällistämiseksi. Laajimmin käytössä olevat LCA-menetelmät sisältävät joukon erilaisia ympäristövaikutusluokkia, kuten kasvihuonekaasupäästöt, yläilmakehän otsonikato, sekä happamoittava, rehevöittävä ja ekotoksinen vaikutus. Suurin osa näistä menetelmistä on kuitenkin alun perin kehitetty teollisten prosessien aiheuttamien ympäristövaikutusten arvioimista varten, eivätkä ne välttämättä ole riittäviä kuvaamaan suurelta osin biologisiin prosesseihin perustuvan maataloustuotannon aiheuttamia ympäristövaikutuksia. Tämän väitöskirjan tarkoituksena on tunnistaa maataloustuotteiden elinkaariarvioinnin kannalta olennaisimmat ympäristövaikutusindikaattorit ja kehittää maaperän laatuun ja ravinteiden käytön tehokkuuteen liittyvien uusien ympäristövaikutusindikaattoreiden arviointimenetelmiä maataloustuotteille osana elinkaariarviointia. Ensiksi tunnistettiin maataloustuotannon ympäristövaikutusten kannalta olennaiset indikaattorit kirjallisuuskatsauksen perusteella. Toiseksi tunnistettiin maatalousmaankäytön tärkeimmät maaperän laatuun kohdistuvat vaikutukset ja arvioitiin olemassa olevien arviointimenetelmien sovellettavuutta. Olemassa olevista menetelmistä varteenotettavimpia testattiin tapaustutkimuksessa, jossa käytettiin todellisia tuotantotietoja suomalaisilta maatiloilta. Kolmanneksi kehitettiin äskettäin julkaistua ravinnejalanjälkimenetelmää soveltuvaksi eläintuotteille, kuten naudanlihalle. Tulosten perusteella maataloustuotteisiin liittyvien elinkaariarviointitutkimusten tärkeimpiä ekologisen kestävyyden indikaattoreita olivat kasvihuonekaasupäästöt, rehevöittävä vaikutus, biologisen monimuotoisuuden häviäminen, toksisuus, happamoittava vaikutus ja ilmanlaatu. Tärkeimpiä luonnonvarojen käytön tehokkuuden indikaattoreita olivat maan-, veden-, ja energiakäyttö. Kasvihuonekaasupäästöjen tärkeydestä huolimatta tarvitaan selkeästi myös useita muita indikaattoreita antamaan kattava kuva maatalouden tuotantojärjestelmien ekologisesta kestävyydestä. Maaperän laatuun liittyviä kestävyysindikaattoreita, kuten maaperän orgaanisen aineksen vähenemistä ja eroosiota, ei todettu käytettävän rutiininomaisesti LCA-tutkimuksissa, eikä niitä myöskään käsitelty kovin selkeästi yleisesti käytetyissä LCA-menetelmissä. Lisäksi monien olemassa olevien maaperän laatuindikaattoreille kehitettyjen menetelmien ei todettu olevan kovin hyödyllisiä tilanteissa, joissa tutkimuksen tavoitteena on arvioida erilaisten viljelytoimenpiteiden suoria vaikutuksia. Sopivia menetelmiä on kuitenkin olemassa maan eroosion, orgaanisen aineksen vähenemisen ja maan tiivistymisen arviointia varten. Ravinteiden, kuten typen ja fosforin, käyttö ei ollut kirjallisuudessa yleisimmin käytettyjen kestävyysindikaattoreiden joukossa. Havaittiin myös, ettei ravinteiden käyttöä ole eritelty riittävästi yleisissä LCA-menetelmissä. Erillisenä indikaattorina ravinnejalanjälki tuottaisi lisäarvoa, koska se huomioi kaikki tutkittavaan tuotantoketjuun liittyvät ravinnevirrat erilaisista ravinnesyötteistä ravinnepäästöihin. Yhteenvetona voidaan todeta, että maaperän laadun indikaattorit ja ravinnejalanjälki voitaisiin sisällyttää elinkaariarviointimenetelmiin midpoint-indikaattoreina antamaan kattavampi kuva maataloustuotteiden tuotantoketjujen ympäristövaikutuksista ja resurssien käytön tehokkuudesta kuin minkä nykyisin käytetyt elinkaariarvioinnin vaikutusluokat, kuten kasvihuonekaasupäästöt ja rehevöittävä vaikutus, antavat.

ei saavutettava