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Bonaguro, Jaco Emanuele (2017) Environmental analysis of sustainable production practices applied to floriculture crops in Veneto region. [Ph.D. thesis]

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Abstract (english)

The widespread use of protected cultivation plays a decisive role in the economic panorama of European and Mediterranean agriculture, both under a social, by number of employed, and an economic point of view, by total GSP (Gross Selling Production) and number of satellite activities. In recent years, growers are facing a continuous downward pressure on their profit margins because of stagnant prices and rising costs. One option for small-sized companies to maintain competitiveness is to focus on specialty products, typical local flowers and plants, and seasonal products. The good responsiveness and significant WTP shown for organic and sustainable flowers and plants that emerged in recent works on consumers behavior, and a higher demand for such products especially in Northern European countries, can also represent strategic tools for the sector. Sustainable production is an holistic approach to goods and services that needs proper tools for its evaluation. Life cycle assessment is a widespread and internationally recognized methodology for the analysis of environmental impacts of all goods and services.
The first objective of this research has been the characterization of some productive chains of Veneto floriculture under an environmental point of view through the application of LCA methodology, with the aim of identifying critical points and determining a carbon footprint for the final products. A preliminary data collection, addressing three species of container-grown plants, poinsettia (Euphorbia pulcherrima Willd.), zonal geranium (Pelargonium ×hortorum) and cyclamen (Cyclamen persicum Mill.), was conducted during FloSo project. The selected crops were chosen for their economic relevance, since they cover a significant share (17%, 20% and 22% respectively) of Italian flower plants market (ISMEA, 2010), and in order to analyze an ideal crop sequence for the average floriculture farm.
The first acquired data came from two ornamental plant growers involved in the experimental trials. The project focused on the experimentation of alternative production inputs, such as biodegradable containers, which were tested in order to evaluate their feasibility during cultivation of the above mentioned species,. Furthermore, different amounts of rice hulls were introduced as a substrate component, substituting expanded perlite and increasing amounts of peat . Agronomic trials were conducted their suitability for plant growth. Our first goal was to define and carry out a first life cycle inventory (LCI) of selected crops, also trying to define average production practices and a common data capture methodology. General production practices (foreground data) for the studied species were gathered during the trials, and through a series of telephone, e-mail and personal interviews with the production managers,. These communications were used to produce and validate a general questionnaire that could be submitted to a larger sample of enterprises. With the collected data, a Carbon Footprint was performed, comparing crops grown in the compostable rice hulls container and in a traditional polypropylene pot.
System boundaries were set from seedling arrival at the greenhouse to fully grown, marketable plants (plant is in flower and above-ground growth, sufficiently filling the container). Values for Global Warming Potential (GWP) category results from the characterization of raw material production, transport and use of cultivation inputs. Emissions associated with the production of capital goods (greenhouses facilities and mechanized equipment) were not considered. This first analysis showed the relative size of certain factors on the production phase, in particular the materials used for the production pots and growing media components. Fuel burned to heat the greenhouse environment turned out to be one of the major contributor to the environmental impact of Poinsettia and Pelargonium, and our results were comparable with previous studies carried out for Poinsettia plant production. Impact assessment results showed some limitations of the software databases and calculation methods, highlighting the need for more specific data. A specific and more thorough assessment was conducted for Cyclamen plants grown in four growing media amended with different rates of expanded perlite or fresh rice hulls. The analysis included all inputs from transplant to market-ready flowering plants, also considering greenhouse structures and equipment. Data on water and fertilizer sourced from the growth trials. Data on specific processes (peat and fresh rice hulls production and transport) sourcing from Ecoinvent database (ver 2.2) were modified using information collected directly via questionnaires and interviews from different Italian enterprises, and from previous literature and studies. Impact assessment was conducted using CML 2001 method. In order to increase the knowledge of this floriculture sector in our region to confirm (or deny) the validity of the environmental analysis conducted so far, we expanded the data collection process to a sample of 20 greenhouse farms belonging to Florveneto organisation (province of Treviso). The average floriculture farm from which we collected our data has small acreage (average productive area < 1.5 hectares); most farms has a garden center for retail, and is mainly family-run. The sample also included a small number of more specialized wholesale farms. The collected data describe the production stage that concerns the final grower (system boundaries are set from seedling arrival at the greenhouse to the sale of 70% of marketable plants). During the data collection process we noticed how farms with similar size and production would differ, sometimes significantly, with regard to structure types, technological level of growing equipment, management decisions, and cultivation practices adopted for the same crops. These differences extended to the view, and consequently to the willingness to adopt, sustainable production practices. Some growers felt their enterprises should take steps to progress toward sustainable production, while other growers felt they already took care of the environment, and openly criticized the restrictive policies imposed at the national level or by the European Union, in particular regarding the use of plant protection products. Growers were also concerned about the consumer’s perception of sustainable floriculture, and most of them question the benefits they would receive when adopting sustainable practices. Among the most environmentally concerned growers, different choices were made in the management practices of the studied species, according to their view of sustainability, which is intended both under an environmental and an economic point of view. Starting from these observations, a final frame of questions was formulated. The answers regarded the most important alternatives for energy conservation measures, systems to deliver heat and energy sources. Theoretical and actual performances of alternative heating systems, a wood chip boiler and an air-water heat pump powered by photovoltaic panels were compared to a conventional air heater. The impacts results were expressed for mid-point and end-point categories, in order to provide a complete set of values addressing different environmental compartments. Finally, while trying to define average impact results for of cyclamen and zonal geranium production, we investigated how different management choices and production practices affect final results. The scenarios we investigated concern typical environmental bottlenecks of protected cultivation, such as plant protection, waste management and reuse of biomass, and mineral fertilizers.

Abstract (italian)

Le colture protette svolgono un ruolo decisivo nel panorama economico dell'agricoltura europea e mediterranea, sia sotto il profilo sociale, per numero di occupati, sia dal punto di vista economico, per PLV (Produzione Lorda Vendibile) e per il numero di attività correlate. Negli ultimi anni gli agricoltori si trovano ad affrontare una continua pressione al ribasso sui loro margini di profitto, a causa dei prezzi stagnanti e dei costi crescenti. Per le piccolo-medie imprese del settore, un'opzione per mantenere la competitività è concentrarsi su produzioni di nicchia, fiori e piante locali e prodotti stagionali. Un ulteriore strumento a disposizione dei produttori potrebbe derivare dalla crescente attenzione, e dalla disponibilità a pagare un prezzo maggiore, per fiori e piante con certificazioni sostenibili, come evidenziato da recenti lavori sul comportamento dei consumatori. La produzione sostenibile è un approccio olistico all'analisi ambientale di beni e servizi, che necessita di strumenti adeguati. La valutazione del ciclo di vita (LCA, Life Cycle Assessment) è una metodologia diffusa e riconosciuta a livello internazionale per l'analisi degli impatti ambientali di tutti i beni e servizi. Il primo obiettivo di questo lavoro di ricerca è stato la caratterizzazione di alcune catene produttive della floricoltura veneta sotto un punto di vista ambientale, attraverso l'applicazione della metodologia LCA, al fine di individuare punti critici e determinare l'impronta di carbonio (Carbon Footprint) per i prodotti finali. Nel corso del progetto FloSo è stata condotta una raccolta preliminare di dati relativi a tre specie ornamentali allevate in vaso, poinsettia (Euphorbia pulcherrima Willd.), geranio zonale (Pelargonium ×hortorum Bailey) e ciclamino (Cyclamen persicum Mill.). Le colture selezionate sono state scelte per la loro importanza economica, in quanto coprono una quota significativa (17%, 20% e 22%, rispettivamente) del mercato italiano di piante fiorite, e per analizzare una tipica sequenza colturale di un'azienda floricola. I primi dati sono stati acquisiti da due aziende pilota ospitanti alcune prove sulla sperimentazione di materiali alternativi, come i contenitori biodegradabili, che sono stati testati per la coltivazione delle specie sopracitate. Sono state inoltre utilizzate diverse quantità di lolla di riso come componente dei substrati di crescita, in sostituzione di perlite e torba. Delle prove di coltivazione hanno permesso di testare l'idoneità dei substrati formulati per la coltivazione in vaso. Il nostro primo obiettivo è stato la definizione di un primo inventario del ciclo di vita (Life Cycle Inventory, LCI) delle colture selezionate, cercando anche di identificare un set di pratiche rappresentativo e una comune metodologia di acquisizione dati. Le pratiche generali di coltivazione per le specie studiate sono state raccolte durante le prove e attraverso una serie di interviste telefoniche, di e-mail e di comunicazioni personali con i responsabili della produzione. Queste comunicazioni sono state utilizzate per produrre e convalidare un questionario generale che è stato poi inviato ad un campione più ampio di aziende. Con i dati raccolti, è stata calcolata l'impronta di carbonio, confrontando le colture coltivate nel contenitore compostabile in lolla di riso e in vaso plastico tradizionale (capitolo II). I confini del sistema definiti per questa prima analisi vanno dall'arrivo delle giovani piante alla pianta commercializzabile (pianta fiorita e sufficientemente sviluppata). I valori per la categoria Global Warming Potential (GWP) comprendono l'elaborazione dei dati su produzione e trasporto dei materiali, e loro utilizzo durante la fase di coltivazione. Le emissioni associate alla produzione di strutture protettive e attrezzature non sono state incluse nell'analisi. In questa prima analisi abbiamo stabilito la dimensione relativa ad alcuni fattori nella fase di produzione, in particolare i materiali utilizzati per i vasi di produzione e per i componenti del substrato. Il combustibile utilizzato negli impianti di riscaldamento si è rivelato uno dei maggiori responsabili dell'impatto ambientale di poinsettia e geranio zonale. I risultati di questo studio sono paragonabili a quelli di studi precedentemente condotti per la produzione di piante di poinsettia. Abbiamo in seguito condotto un'analisi più specifica e approfondita su piante di ciclamino allevate in quattro differenti substrati contenenti quantità crescenti di lolla di riso (capitolo III). I confini del sistema includono la coltivazione dall'arrivo delle giovani piante al trapianto, includendo strutture e materiali di copertura della serra e attrezzature utilizzate. I dati sull'utilizzo d'acqua e fertilizzanti fanno riferimento a esperimenti specifici condotti per la prova sui substrati. I dati su materiali quali torba e lolla di riso provengono da Ecoinvent (ver. 2.2), e sono stati modificati in base a informazioni raccolte tramite questionari e interviste dirette con aziende e produttori, oltre che da dati pubblicati in letteratura. L'analisi degli impatti (LCIA) è stata condotta con il metodo CML 2001. In seguito, allo scopo di testare la validità delle analisi, si è deciso di sottoporre il questionario precedentemente sviluppato a un campione di 20 aziende appartenenti all'associazione Florveneto (Provincia di Treviso). Le aziende intervistate sono, in genere, a conduzione familiare, con una superficie media inferiore a 1,5 ettari. La maggior parte ha un garden center per la vendita diretta, mentre alcune sono specializzate per la vendita all'ingrosso. I dati raccolti descrivono la fase finale di coltivazione delle piante in vaso (dall'arrivo delle giovani piante alla pianta commercializzabile; il termine stabilito è la vendita del 70% della produzione). Durante la raccolta dati si notato come aziende con dimensioni e produzione simili differiscano, a volte significativamente, per tipologia di strutture, livello tecnologico degli impianti e pratiche di coltivazione adottate. Queste differenze si riflettono in un diverso approccio al tema della sostenibilità ambientale e, conseguentemente, in una diversa propensione ad adottare pratiche a minor impatto ambientale. Alcuni produttori ritengono che le loro imprese dovrebbero adottare ulteriori misure per migliorare la sostenibilità delle coltivazioni. Altri valutano sufficienti le misure già adottate per la tutela dell'ambiente, criticando apertamente le politiche restrittive imposte a livello nazionale o dall'Unione europea, in particolare per quanto riguarda l'impiego di prodotti fitosanitari. Una delle barriere all'adozione di pratiche sostenibili è la mancanza di informazioni circa l'attitudine dei consumatori verso queste produzioni e sui possibili vantaggi da esse derivanti. Fra i produttori con maggiore sensibilità verso la questione ambientale, abbiamo osservato alcune pratiche alternative che rispecchiano le diverse visioni della sostenibilità economica ed ambientale. Partendo da queste osservazioni, si sono valutate alcune alternative riguardanti le misure di conservazione del calore e le fonti energetiche utilizzate nei sistemi di riscaldamento. Sono state messe a confronto le performance effettive e teoriche di tre diversi impianti: bruciatore ad aria calda alimentato a gasolio; caldaia a biomasse (cippato) alimentante un sistema di distribuzione ad acqua; pompa di calore aria-acqua collegata a un impianto fotovoltaico (capitolo IV). Il calore necessario per assicurare la temperatura ottimale durante un ciclo di coltivazione di poinsettia (piante allevate in vaso 14) è stato utilizzato come unità funzionale. I risultati LCIA sono stati espressi per categorie mid-point e end-point, allo scopo di descrivere gli impatti per diversi comparti ambientali ed aree di protezione. Per le categorie d'impatto del metodo CML 2015, i potenziali benefici conseguibili dai sistemi alternativi si limitano a determinati indicatori (cambiamento climatico, consumo delle risorse, potenziale di acidificazione). Nelle aree di protezione calcolate con il metodo ReCiPe il sistema a biomasse ha performance migliori in due delle tre categorie (consumo delle risorse e salute umana). Infine, si è studiato come alcune scelte di gestione influenzino gli impatti nella coltivazione di geranio zonale e ciclamino, valutando anche le variazioni intorno ai valori medi ottenuti dal campione in analisi (capitolo V). Gli scenari valutati riguardano la gestione e il riutilizzo delle biomasse di scarto, la riduzione nell'uso di fertilizzanti e prodotti fitosanitari. I risultati evidenziano una maggiore uniformità delle pratiche colturali e del livello tecnologico nella coltivazione del geranio, che si traducono in una minore variabilità rispetto a quanto osservato per ciclamino. Per la prima specie i valori d'impatto sono considerevolmente superiori per tutte le categorie valutate, a causa del consumo di combustibili fossili per il riscaldamento delle serre. Per ciclamino, l'adozione di tecniche di controllo integrato e biologico e la sostituzione di una quota di fertilizzanti minerali attraverso l'utilizzo di compost nel substrato di crescita ha come risultato una significativa diminuzione nelle categorie di acidificazione potenziale, eutrofizzazione e tossicità per l'uomo. I benefici osservabili per il geranio si limitano al potenziale di eutrofizzazione, dato il contributo molto rilevante dell'energia necessaria per il riscaldamento nelle restanti categorie.

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EPrint type:Ph.D. thesis
Tutor:Zanin, Giampaolo
Supervisor:Zanin, Giampaolo
Ph.D. course:Ciclo 29 > Corsi 29 > SCIENZE DELLE PRODUZIONI VEGETALI
Data di deposito della tesi:31 July 2017
Anno di Pubblicazione:31 July 2017
Key Words:life cycle assessment, floriculture, environmental impact, protected crops
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/04 Orticoltura e floricoltura
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Agronomia Animali Alimenti Risorse Naturali e Ambiente
Codice ID:10463
Depositato il:09 Nov 2018 10:07
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