Technische duurzaamheid van biologische productiesystemen. Een modelgebaseerde levenscyclusanalyse van bemestingsbeheer

De globale evolutie naar duurzame ontwikkeling induceert ook een stijgende druk op de landbouw om zijn milieu-impact te verlagen. De huidige organisatie van onze voedselproductie leidt tot significante wijzigingen in de stikstofcyclus met toenemende stikstofemissies in ons ecosysteem als gevolg. Duurzame systemen vereisen rekening te houden met lange-termijn implicaties van landbouwpraktijken en de brede interacties en wisselwerking van biochemische landbouwprocessen. Het hoofddoel hierbij is de technische duurzaamheid na te streven door het landbouwsysteem te bekijken en begrijpen vanuit een biofysisch perspectief in termen van water en nutriënten dynamica en de interactie tussen plant en bodem onder wijzigende weersomstandigheden en verschillende beheersstrategieën. In deze studie werd een geïntegreerd dynamisch en procesgebaseerd gewas-bodem-klimaat-interactie model ontwikkeld dat gekoppeld werd aan een levenscyclusanalyse (LCA) om de technische duurzaamheid van een biologisch productiesysteem te evalueren. Het model simuleert de plantgroei en ontwikkeling en ook de water- en stikstofdynamica in de bodem onder wijzigende weersomstandigheden en verschillende stikstof bemestingstoepassingen. Met deze dynamische benadering om de stikstofemissies te voorspellen, kan een meer betrouwbare, realistische en procesgebaseerde beoordeling gemaakt worden ter verbetering van de standaard statische LCA output. Dit laat toe om implicaties van toekomstige beleidsscenario’s te evalueren met betrekking tot potentiële impactreductiestrategieën. Als casestudie werd het volledige onderzoek toegepast op een vollegrondsgroentenrotatie van bloemkool-prei in Vlaanderen, België. Het is een veelvoorkomende rotatiecyclus die gekenmerkt wordt door een overdadig gebruik van kunstmeststof.

Een levenscyclusanalyse, een alom erkende methode binnen de duurzaamheidsanalyse, kwantificeert de milieu-impact van een systeem in termen van impactcategorieën zoals klimaatsverandering, eutrofiëring, toxiciteit, etc. Een LCA omvat een uitgebreide en objectieve methode die de meest milieubelastende fase in de levenscyclus van een product identificeert en toelaat om alternatieve productie (sub)systemen te vergelijken naar hun milieu-impact toe. Een standaard LCA met algemeen toegepaste empirische modellen om stikstofemissies te schatten, toonde aan dat toenemende meststofdosissen onvoldoende resulteerde in een meeropbrengst om de bijkomende emissies te rechtvaardigen en milieugunstig te zijn. Toepassing van een lagere stikstofdosis zou het milieu ten goede komen, maar houdt wel een lagere commerciële opbrengst in. Dit impliceert een balans te vinden tussen opbrengst en potentiële milieukosten, gezien het landgebruik gunstiger is onder de hogere stikstofdosis. Dit geldt echter niet noodzakelijk in functie van enkel het eetbaar gedeelte van de gewassen in vergelijking met de commerciële oogst als functionele eenheid voor de LCA. In elk geval, naast potentiële hernieuwbare energiebronnen, dient er inspanning geleverd te worden om emissies van stikstof te reduceren aangezien zij een belangrijke impact hebben naar klimaatsverandering, verzuring en eutrofiëring toe. De empirische benadering is niet de optimale methode om het potentiële effect van mitigatiestrategieën na te gaan ten gevolge van het geaggregeerde schattingsniveau en het gebrek aan voorspellingskracht inzake implicaties voor gewasgroei en bodemcondities. Natuurlijke variabiliteit tengevolge van variërende biofysische condities, is inherent aan landbouwproductie waarbij toekomstige weers- en bodemomstandigheden de hele stikstofcyclus doorheen het gewas-bodem-atmosfeer-systeem kunnen wijzigen en het meest gunstige bemestingsbeheer doen verschuiven. Hoewel de LCA geloofd wordt om zijn holistische aanpak, is het steeds statisch en lineair van aard en enorm afhankelijk van de kwaliteit van input gegevens.

Daarom werd, voorzien van meteorologische data, bodemeigenschappen en landbouwbeheer, een gewas-bodemmodel ontwikkeld dat op veldschaal en dagelijkse basis de bodemtemperatuur simuleert, de gewasgroei en ontwikkeling, het watertransport en de organische koolstof- en stikstofdynamica met inbegrip van verontreinigende emissies naar de lucht en het grondwater. Indien de bodemvoorraad van water en/of stikstof niet voldoet aan de vraag van de plant zal een deficiëntiefactor de gewasgroei en effectieve water- en stikstofopname beperken. Volgens de visuele evaluatie met bijhorende statistische performantie-indicatoren stemden de modelvoorspellingen voldoende tot zeer goed overeen met de observaties tijdens de kalibratie en validatie voor het driejarige experiment onder verschillende stikstofdosissen. Gezien de grote variabiliteit en strikte performantiedrempelwaarden werden de simulaties van biomassa aangroei, de bijhorende stikstofopname, het bodemwatergehalte en de bodemtemperatuur zeer goed voorspeld. De resultaten voor de bodemstikstofgehaltes echter leden onder de beperkte staalnames, het gebrek aan gedetailleerde kennis en de complexe interactie van verschillende processen die simultaan de stikstofvoorraad beïnvloeden. In de kalibratiestap werd bovendien een lokale gevoeligheidsanalyse uitgevoerd van de model output op een verandering in model parameters gebaseerd op de verhouding van hun variatiecoëfficiënten. Bepaalde bodemprocessen, zoals oppervlaktewaterafvloeiing, water percolatie en stikstofuitloging en de emissie van distikstofoxide, werden sensitief bevonden voor een 10% wijziging in hoofdzakelijk de afvloeiingcoëfficiënt (‘runoff curve number’) en het watergehalte op veldcapaciteit in de toplaag.

Vervolgens werden de LCA resultaten vergeleken met betrekking tot de stikstofemissies enerzijds geschat met de empirische benadering en anderzijds met het ontwikkelde model. Algeheel vertoonde de modelgebaseerde LCA consequent een lagere impact dan de standaard LCA resultaten voor dezelfde gewasrotatie en bemestingsbeheer. De enige uitzondering gold voor de eutrofiëring onder de hoge stikstofdosissen voor de opeenvolgende jaren. Verschillen tussen de impacts volgens beide benaderingen vertonen een toename met stijgende stikstofdosis buiten de impact op zich. Beide benaderingen voorspellen een gelijkaardige impact over de jaren heen. De empirische benadering mag dan wel rechtuit zijn met betrekking tot alternatieve oplossingen, ze zijn dan eerder beperkt en potentieel ondoeltreffend. Als de LCA toekomstige beheersbeslissingen moet ondersteunen, is een geschikte keuze voor de schattingsmethode van stikstofemissies vereist. De meest milieugunstige optie kan immers verschoven worden naar een betere en onderbouwde oplossing, in het bijzonder met betrekking tot de timing van reductiestrategien. Een dagelijkse tijdstap en het opnemen van verschillende processen en storingsfactoren stelt het model in staat meer accurate en efficiëntere aanpassingen aan te geven met het oog op een duurzaam systeem. Bovendien kan de standaard empirische LCA op basis van gestandaardiseerde opname curves en het gebrek aan neerslag- en vochtgehaltefactoren, geen rekening houden met implicaties van beheersaanpassingen of extreme weersveranderingen op de gewasgroei en stikstofdynamica. In een dynamisch systeem van water- en stikstofstromen in een gewas-bodemomgeving, zou de impactanalyse bovenop de potentiële reductiestrategieën zelf ook diens timing moeten bepalen.

Finaal werd de model gebaseerde LCA toegepast voor een scenarioanalyse met betrekking tot gefractioneerde bemesting en het aanbrengen van een soort kunststofdoek tijdens de winter braakperiode als potentiële reductiestrategie. Een gespreide bemesting beter afgestemd op de vraag van het gewas, zou de stikstofstress kunnen reduceren en de oogst verhogen, terwijl de kunststofdoek overtallige drainage in de winter zou voorkomen en bijgevolg de stikstofuitloging verminderen. Hoewel dit tot op zekere hoogte werd voorspeld door de model simulatie, werd de gemitigeerde milieu-impact teniet gedaan door de bijkomende schade van bemestingsmateriaal en –energieverbruik en/of voornamelijk door de schade wegens kunststofproductie en diens afvalverwerking. Enkel de eutrofiëring zou gereduceerd worden bij het implementeren van de reductiestrategie. Het toont aan dat toekomstig beleid een holistisch perspectief vereist dat de dynamische modelvoorspellingen combineert met de geaggregeerde LCA resultaten, hetgeen nog steeds een afweging inhoudt van de verschillende impactcategorieën, maar wel een probleemverschuiving voorkomt. Dergelijke scenarioanalyses op basis van de standaard empirische LCA worden beschouwd als minder betrouwbaar en zelfs misleidend met betrekking tot dynamische landbouwsystemen.

De huidige implementatie van de modelgebaseerde LCA heeft de sterkte en het belang van een systeemanalytische aanpak aangetoond om (i) een verbeterd, procesgebaseerd inzicht in het landbouwproductiesysteem bij te brengen met meer betrouwbare voorspellingen, (ii) om de technische duurzaamheid van een product te vatten, te kwantificeren en te optimaliseren en (iii) om meer complexe kwesties inzake duurzame productie en gerelateerde toekomstige beslissingen te onderzoeken.