Model basis van life cycle assessment van de uitstoot van stikstof in tomaten telen in Colombia

Deze thesis ontwikkelde innovatieve methodologie voor de evaluatie van de technische duurzaamheid van tuinbouwsystemen door integratie van bodem-gewas interactiemodellen met standaard levenscyclus analyse (LCA). De methodologie wordt toegepast op serre- en vollegronds tomatenteelt in twee concentratiezones in de Colombiaanse Andes, waarbij de focus vooral ligt op de verschillende strategieën voor stikstofbemesting.

De thesis gaat van start met een gedetailleerde beschrijving van beide systemen, gezien er zo goed als geen data beschikbaar zijn met betrekking tot de kleinschalige tuinbouw in de Colombiaanse Andes. Beide systemen werden biofysisch gekarakteriseerd door een gedetailleerde beschrijving van het klimaat, de bodemcondities en de cultuurtechnische beheersstrategie.  Dit resulteerde in een volledige boekhouding van alle biofysische in- en outputs van de systemen. Voor de datacollectie werden enerzijds gestructureerde enquêtes en anderzijds tweewekelijkse, directe metingen op bedrijfs- en veldniveau uitgevoerd. Als belangrijkste resultaat werd gevonden dat in beide systemen de Colombiaanse tomatenteler extreem hoge bemestingsdosissen gebruikt zonder dat dit resulteert in hogere producties.  Tevens werd een bijzonder grote heterogeniteit vastgested voor managementpraktijken, vooral in de vollegrondsteelt.

In het tweede deel werd een vergelijkende LCA tussen beide systemen uitgevoerd voor de volgende subsystemen: infrastructuur, mechanisatie, ziekte- en plaagbeheersing en bemesting. De veldemissies veroorzaakt door de stikstofbemesting werden met de standaard, empirische modellen, gebaseerd op meta-data regressie-analyse, berekend. De serresystemen vertoonden een lager eutrofierings- en verzuringspotentieel, terwijl ze duidelijk hoger scoorden dan de vollegrondsteelt voor klimaatsopwarming en menselijke toxiciteit.  In dit deel werd ‘Stochastic Multi-attribute Analysis’ (SMAA) geïntroduceerd als method om een geïntegreerde milieu-impactindex te berekenen, waarmee de serre- en vollegrondsteelt kunnen vergeleken worden, rekening houdend met de variantie- en correlatiestructuur tussen de verschillende LCA impactcategorieën. Deze structuur werd berekend met de copula methode, die de gemeenschappelijke kansdistributie van alle milieu-indicatoren schat op basis van de geschatte marginale distributies van de individuele impactcategorieën. De SMAA methode toonde aan dat de vollegrondsteelt aanzienlijk minder milieu-impact genereerde dan de serreteelt. Er kan geconcludeerd worden dat intensifiëren van de tomatenteelt, door gebruik te maken van serres, niet de verhoopte productieverhoging, nodig om de milieu-impact te reduceren per ton tomaten, heeft veroorzaakt. Dus het blijft hoogstnoodzakelijk om de serretelers de nodige kennis en expertise bij te brengen zodat hun productie beter aansluit bij de potentieel mogelijke productie in hun regio.  

Voor de procesgebaseerde evaluatie van strategieën die de milieu-impact van de stikstofbemesting in de tomatenteelt kunnen reduceren werd een gewasgroei- en ontwikkelingsmodel voor tomaat gecalibreerd en gevalideerd voor serre- en vollegrondsteelt.  Dit gewasmodel werd uitgebreid met modules die de wortelgroei en stikstofvraag van het gewas kunnen simuleren. Tevens werd dit gewasmodel gekoppeld aan een bodemmodel dat transport van stikstof, water en warmte samen met de stikstof-koolstof processen kan simuleren. Dit bodemmodel werd voordien gecalibreerd onder Belgische condities.  Het bodem-gewasmodel werd gevalideerd onder Colombiaanse condities op basis van potentiële productie-experimenten, uitgevoerd bij verschillende telers zowel in serre als in volle grond.  Dit model vertrekt van metereologische-, bodem- en gewas-data en kan het effect van verschillende bemestingsscenario’s voor stikstof simuleren op groei en ontwikkleing van de plant, op verschillende toestandsvariabelen van de bodem, zoals water, stikstof en koolstof concentraties in de verschillende bodemlagen en op de verschillende stikstofemissies naar water en lucht.  

Tenslotte werden met dit bodem-gewas interactiemodel de volgende bemestingscenario’s voor stikstof gesimuleerd: de standaard bemesting van een commerciële teler,  twee scenario’s gebaseerd op de stikstofvraag van het gewas.  Ieder bemestingsscenario werd geëvalueerd bij 52 verschillende planttijdstippen , namelijk iedere week van het jaar, met als doel de klimaatseffecten op de teelt te onderzoeken.  Voor iedere simulatie werd de totale biomassa, de productie en de fenologie gesimuleerd, alsook de bodemvariabelen en de emissies van ammoniak, lachgas en nitraat.  Deze emissies werden ingevoerd in een vergelijkende LCA zodanig dat de empirische functies van deel twee nu vervangen kunnen worden door dynamische, procesgebaseerde modelresultaten. De SMAA methode, gebaseerd op een copula schatting van de gemeenschappelijke kansdistributie van all impactcategorieën, berekende voor alle scenario’s één geïntegreerde milieu-indicator om beide productiesytemen op een objectieve wijze te vergelijken. Uit de resultaten blijkt dat een serreteelt onder optimale bemesting, gestuurd door de vraag van het gewas, een aanzienlijk kleinere milieubelasting veroorzaakt dan de vollegrondsteelt.

De voorgestelde methode breidt de klassieke statische LCA uit met dynamische, procesgebaseerde kennis op vlak van de predictie van stikstofemissies door de koppeling van LCA met een bodem-gewas interactiemodel. Additioneel ontwikkelde deze thesis een methode om de verschillende impactcategorieën te integreren naar één globale milieu-indicator op basis van de copula- en SMAA methode.