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Development of an LCA-based approach for a regional assessment of the environmental impacts of nitrogen in crop production systems

Wowra, Karoline (2023)
Development of an LCA-based approach for a regional assessment of the environmental impacts of nitrogen in crop production systems.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023257
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

Abstract

Agricultural systems are dependent on nitrogen (N) inputs to achieve food security and, at the same time, put high pressure on environmental systems. Accordingly, global limits for N-cycles are already exceeded. However, the release of N compounds from agricultural cropping systems mainly impacts the regional level, for instance, by eutrophication or acidification of terrestrial systems. Therefore, avoiding the exceedance of regional boundaries is essential. Likewise, when assessing environmental impacts on agricultural cropping systems with Life Cycle Assessment (LCA), integration of regional N thresholds and, thus, regionalization plays a crucial role. This thesis aims to provide an LCA-based approach to comprehensively assess N on a regional level by integrating N thresholds as reference values and regionalization in LCA. This thesis is a cumulative dissertation consisting of three peer-reviewed publications. In the first publication, a comprehensive review following the LCA framework is presented by analyzing literature on regionalization approaches applied to agricultural cropping systems compared with general requirements of LCA and the scientific background of the N-cycle. Key factors are derived, formulating the basis for a targeted N assessment in LCA. The second publication presents the development of an approach for integrating regional N resilience as distance-to-target value in LCA. Therefore, regional carrying capacity based normalization references are derived for two N-related impact categories: terrestrial acidification and eutrophication. Additionally, regional background interventions comprising N-related emissions of non-crop production sectors are taken into account. Regional environmental interventions of cropping systems applying different yield scenarios are assessed for two regions. The newly developed approach is further developed within the third publication and applied to a case study including five NUTS-3 regions in Germany. The influence on regional N resilience is evaluated by assessing environmental interventions for four N management scenarios based on policy measures of the German Fertilizer Ordinance. The case study demonstrates that environmental interventions and exceedance of N resilience are lowest in N scenarios applying catch crops for both impact categories assessed. Furthermore, regional differences in the exceedance of N resilience were observed. Overall the analyses done within this thesis revealed that considering absolute sustainability references as regional N resilience in LCA is a valuable tool for agricultural decision-makers. This supports LCA practitioners by providing normalization references directly applicable for LCA and N-assessment of cropping systems. Additionally, it helps regional stakeholders to provide the possibility to evaluate and decide on the best options for N reduction strategies on the regional level and draw attention to vulnerable regions threatening N resilience. Finally, challenges, future research needs, and opportunities for application of the approach are outlined.

Item Type: Ph.D. Thesis
Erschienen: 2023
Creators: Wowra, Karoline
Type of entry: Primary publication
Title: Development of an LCA-based approach for a regional assessment of the environmental impacts of nitrogen in crop production systems
Language: English
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte ; Schmalz, Prof. Dr. Britta
Date: 2023
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 58, XVII Seiten
Refereed: 9 February 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023257
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23257
Abstract:

Agricultural systems are dependent on nitrogen (N) inputs to achieve food security and, at the same time, put high pressure on environmental systems. Accordingly, global limits for N-cycles are already exceeded. However, the release of N compounds from agricultural cropping systems mainly impacts the regional level, for instance, by eutrophication or acidification of terrestrial systems. Therefore, avoiding the exceedance of regional boundaries is essential. Likewise, when assessing environmental impacts on agricultural cropping systems with Life Cycle Assessment (LCA), integration of regional N thresholds and, thus, regionalization plays a crucial role. This thesis aims to provide an LCA-based approach to comprehensively assess N on a regional level by integrating N thresholds as reference values and regionalization in LCA. This thesis is a cumulative dissertation consisting of three peer-reviewed publications. In the first publication, a comprehensive review following the LCA framework is presented by analyzing literature on regionalization approaches applied to agricultural cropping systems compared with general requirements of LCA and the scientific background of the N-cycle. Key factors are derived, formulating the basis for a targeted N assessment in LCA. The second publication presents the development of an approach for integrating regional N resilience as distance-to-target value in LCA. Therefore, regional carrying capacity based normalization references are derived for two N-related impact categories: terrestrial acidification and eutrophication. Additionally, regional background interventions comprising N-related emissions of non-crop production sectors are taken into account. Regional environmental interventions of cropping systems applying different yield scenarios are assessed for two regions. The newly developed approach is further developed within the third publication and applied to a case study including five NUTS-3 regions in Germany. The influence on regional N resilience is evaluated by assessing environmental interventions for four N management scenarios based on policy measures of the German Fertilizer Ordinance. The case study demonstrates that environmental interventions and exceedance of N resilience are lowest in N scenarios applying catch crops for both impact categories assessed. Furthermore, regional differences in the exceedance of N resilience were observed. Overall the analyses done within this thesis revealed that considering absolute sustainability references as regional N resilience in LCA is a valuable tool for agricultural decision-makers. This supports LCA practitioners by providing normalization references directly applicable for LCA and N-assessment of cropping systems. Additionally, it helps regional stakeholders to provide the possibility to evaluate and decide on the best options for N reduction strategies on the regional level and draw attention to vulnerable regions threatening N resilience. Finally, challenges, future research needs, and opportunities for application of the approach are outlined.

Alternative Abstract:
Alternative abstract Language

Landwirtschaftliche Produktionssysteme sind auf Stickstoffeinträge angewiesen, um die Versorgung mit Nahrungs- und Futtermitteln und somit die Ernährungssicherheit zu gewährleisten. Gleichzeitig üben sie jedoch großen Druck auf ökologische Systeme aus. Folglich sind planetare Grenzwerte für Stickstoffkreisläufe bereits überschritten. Die Freisetzung von Stickstoffverbindungen aus landwirtschaftlichen Anbausystemen wirkt sich jedoch hauptsächlich auf regionaler Ebene aus, z. B. durch Eutrophierung oder Versauerung von terrestrischen Ökosystemen. Daher ist es erforderlich, die Überschreitung regionaler Grenzen zu vermeiden. Auch bei der Bewertung der Umweltauswirkungen landwirtschaftlicher Anbausysteme mit Hilfe des Life Cycle Assessment (LCA) spielen regionale Stickstoffgrenzwerte und somit die Regionalisierung der LCA eine entscheidende Rolle. Ziel der vorliegenden Arbeit ist daher, die Entwicklung eines LCA-basierten Ansatzes für eine umfassende Bewertung von Stickstoff (N) auf regionaler Ebene durch die Integration von Stickstoffgrenzwerten als Referenzwerte und Regionalisierung im LCA. Die vorliegende Arbeit ist eine kumulative Dissertation, die aus drei, von externen Experten (peer-reviewed), begutachteten Veröffentlichungen besteht. In der ersten Veröffentlichung wird ein umfassender Überblick über den LCA-Rahmen gegeben, indem Literatur zu Regionalisierungsansätzen für landwirtschaftliche Anbausysteme vergleichend zu allgemeinen Anforderungen der LCA und dem wissenschaftlichen Hintergrund des Stickstoffkreislaufs analysiert werden. Es werden Schlüsselfaktoren abgeleitet, die die Grundlage für eine gezielte Stickstoff-Bewertung in Ökobilanzen bilden. In der zweiten Veröffentlichung wird ein Ansatz zur Integration der regionalen N-Belastbarkeit als Distance-to-target-Wert in die LCA entwickelt. Hierzu werden für zwei N-bezogene Wirkungskategorien (terrestrische Versauerung und terrestrische Eutrophierung), regionale, auf der Tragfähigkeit basierende, Normierungsreferenzen abgeleitet. Zusätzlich werden regionale Hintergrundbelastungen berücksichtigt, die N-bezogene Emissionen aus nicht-ackerbaulichen Produktionssektoren umfassen. Regionale Umwelteinflüsse von Anbausystemen mit unterschiedlichen Ertragsszenarien werden für zwei Regionen bewertet. Der neu entwickelte Ansatz wird in der dritten Veröffentlichung weiterentwickelt und auf eine Fallstudie angewendet, die fünf NUTS-3-Regionen in Deutschland umfasst. Der Einfluss auf die regionale Stickstoffresilienz wird durch die Bewertung von Umweltinterventionen für vier Stickstoffmanagement-Szenarien auf Grundlage von Maßnahmen der deutschen Düngemittelverordnung bewertet. Die Fallstudie zeigt, dass die Umweltwirkungen und die Überschreitung der Stickstoff-Belastbarkeit in den Stickstoffszenarien mit Zwischenfruchtanbau für die untersuchten Wirkungskategorien am geringsten sind. Außerdem wurden regionale Unterschiede bei der Überschreitung der N-Belastbarkeit festgestellt. Insgesamt zeigt die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Analyse, dass die Berücksichtigung absoluter Nachhaltigkeitsreferenzen, wie der regionalen N-Resilienz, im Life Cycle Assessment ein wertvolles Instrument für landwirtschaftliche Entscheidungsträger zur Bewertung von Stickstoffmanagementstrategien für pflanzliche Produktionssysteme darstellt. Dies unterstützt LCA-Anwender durch die Bereitstellung von Normierungsreferenzen, die direkt zur Anwendung in der LCA zur Bewertung von Stickstoff in landwirtschaftlichen Anbausystemen anwendbar sind. Darüber hinaus wird regionalen Akteuren die Möglichkeit geboten, die für sie besten Optionen für Stickstoffreduktionsstrategien auf regionaler Ebene zu bewerten und die Aufmerksamkeit auf gefährdete Regionen zu richten, deren Stickstoffresilienz gefährdet ist. Abschließend werden Herausforderungen und Anwendungsmöglichkeiten des Ansatzes diskutiert sowie der künftige Forschungsbedarf und weitere Möglichkeiten zur Übertragbarkeit skizziert.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-232579
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 500 Science
600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
600 Technology, medicine, applied sciences > 630 Agriculture, veterinary medicine
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR > Material Flow Management and Resource Economy
Date Deposited: 01 Jun 2023 12:27
Last Modified: 02 Jun 2023 06:47
PPN:
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte ; Schmalz, Prof. Dr. Britta
Refereed / Verteidigung / mdl. Prüfung: 9 February 2023
Export:
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