《Sustainability》：Analysis of the Environmental Impact of Different Olive Grove Systems in Southern Portugal
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本文基于生命周期评估（LCA）方法，系统分析了葡萄牙阿连特茹地区传统、高密度及超高密度橄榄园系统的环境影响。研究发现，采用高投入、机械化采收和灌溉的超高密度系统环境负荷最高，而传统系统影响最低。施肥是主要环境影响源。研究为地中海地区橄榄产业向可持续集约化（SI）转型提供了关键数据支撑，对制定减污降碳的农业管理策略具有重要指导意义。
摘要
橄榄园生产系统在葡萄牙经历了重大变革，高密度和超高密度系统被广泛实施。尽管这些系统具有更高的生产力，但其环境影响引发了广泛关注。因此，本文旨在采用生命周期评估（LCA）方法，评估阿连特茹地区六种不同技术解决方案下的橄榄园系统的环境影响。研究选择了五个影响类别，并以公顷作为功能单位。结果显示，使用高投入、机械化采收和灌溉的超高密度系统在所有影响类别中具有最高的环境影响，而传统系统则显示出最低的环境影响结果。橄榄生产中最重大的环境影响发生在农业阶段，研究结果与文献一致，表明最大的损害源于施肥操作。此外，本研究为了解葡萄牙乃至地中海地区橄榄园生产的环境影响提供了更深入的认识，研究结果有助于识别最可持续的技术解决方案。这些解决方案与管理策略相关，旨在促进每种生产系统类型的影响均衡化，同时考虑必要的农业实践和减轻这些影响的行为方式。采用可持续的技术解决方案可以成为农业的一种战略，专注于环境恢复而非退化，确保未来世代的资源可用性。
1. 引言
全球橄榄油生产集中在地中海盆地，占总产量的95%。西班牙和意大利是主要生产国。葡萄牙自2014年起在橄榄油方面实现自给自足，目前是世界第四大橄榄油生产国，并由于其橄榄园的现代化，有潜力在十年内成为第三大生产国。高密度和超高密度系统的橄榄园主要位于阿连特茹地区，该地区占全国橄榄园面积的55%和全国橄榄油产量的82%。生产系统的现代化、农场效率以及获得的橄榄油优异品质（超过95%被归类为初榨和特级初榨顶级品质）使葡萄牙南部的阿连特茹地区成为国际标杆。
阿连特茹是一个地中海气候区，经历了快速的农业集约化过程，特别是橄榄园和其他灌溉作物。新的橄榄园种植园已以超高密度系统实施。然而，这种集约化过程与可能导致土壤退化加剧、温室气体排放和生物多样性丧失的生产实践相关，引发了关于这些农业系统可持续性的担忧。
因此，尽管橄榄供应链在阿连特茹地区和其他地中海地区具有重要意义，但由于过程的集约化，存在环境损害，特别是在农业生产阶段。缺乏可持续方法的橄榄种植集约化一直是影响欧盟地中海地区和阿连特茹地区农业环境问题的原因之一。另一方面，可持续集约化（SI）战略正在兴起，旨在以可用的资源喂养人口，且不产生不可逆的影响，实现平衡和更广泛的知识应用。
食品链和农业系统的可持续性是研究人员高度关注的话题。在过去十年中，许多研究使用生命周期评估（LCA）方法来识别环境影响并提出缓解措施。LCA已成为分析供应链中环境可持续性的参考方法，包括可持续性目标、农业以及改善食品生产和消费，以及更高效的能源转换和使用，支持识别应对全球食品挑战的可持续解决方案。
橄榄供应链自2000年代以来一直是分析最多的对象之一，这可能是因为其生命周期具有双重特征，包括农业阶段和工业阶段，这使其成为一个具有挑战性的研究对象。在此范围内，LCA是评估替代种植系统之间环境影响和辅助决策的基本工具。它已在橄榄部门中使用，无论是单独使用还是与其他工具结合使用，以在不同国家提供整体视角，如意大利和突尼斯。在葡萄牙，一些研究也使用LCA来确定橄榄园的环境可持续性。只有Sales等人通过查阅论文、农业林业清单和问卷，对葡萄牙的不同生产系统进行了详尽的比较分析。据我们所知，这是第一项基于通过生态模型实施农业生态实践来分析各种生产技术的研究。这些技术在真实生产场景和葡萄牙橄榄种植所有特征性种植模型中进行了测试。结果可以为科学界和商业部门提供参考，指导葡萄牙橄榄生产向可持续模型过渡，同时拥抱现代生产的技术创新。
本研究基于代表传统、集约化和超集约化生产场景的主要数据清单的编制。这为LCA从业者和农业企业家提供了一个有价值的工具，提供了关于已实施的农业生态技术及其结果的具体参考。
虽然Sales等人的研究提供了有关橄榄园生命周期主要环境影响的宝贵见解，但它没有提出或评估替代的可持续生产系统。我们的工作通过明确设计和测试此类替代系统，建立在研究基础上，从而能够对其环境性能进行比较评估。此外，我们的研究主要依赖于通过对葡萄牙橄榄农的有针对性样本进行结构化问卷收集的原始主要数据。这种方法与早期研究形成对比，早期研究主要依赖于二手数据和文献衍生信息。使用农场层面的主要数据更准确地反映了管理实践和区域特异性，从而增强了我们结果的稳健性和适用性。
因此，本文旨在使用LCA方法评估阿连特茹地区橄榄园在不同技术解决方案下的环境影响。考虑了三种生产系统，即传统系统、高密度系统和超高密度系统。每种系统都分析了常规业务和面向可持续性的种植技术，总共六种情景。鉴于高密度和超高密度橄榄园系统扩张导致的环境损害增加，评估这些环境影响对农民、研究人员、技术人员和政策制定者至关重要。
本文为文献提供了若干原创性贡献。首先，这是葡萄牙首项针对农场层面使用主要数据的橄榄园研究，数据通过详细调查收集，并随后由大学专家验证。类似的先前研究主要基于二手来源或通用清单数据库。其次，这是第一项基于农业生态原则设计并评估在农场层面条件下测试的替代可持续技术解决方案的研究。最后，我们的研究采用了一种创新的LCA方法，模拟了整个寿命期及其替换周期，从而考虑了以往研究中通常未包含的影响。
本文是在Sustainolive项目的框架内开发的，Sustainolive是一个Horizon PRIMA国际项目，旨在通过实施和推广基于农业生态概念的创新和可持续管理实践，促进橄榄部门的可持续性。通过创新、跨学科和多行为者方法，它结合了不同类型的知识（例如，科学、经验和传统）、学科（从工程学到人文学科）和方法论方法（例如，生命周期可持续性评估、社会农业代谢和多标准分析工具），以提供应对橄榄部门复杂性的实用解决方案。
除了引言，第2节介绍了案例研究和用于环境可持续性分析的LCA方法。第3节致力于结果的展示和讨论。最后，第4节给出了结论。
2. 方法论
2.1. 案例研究
考虑到阿连特茹农业生态特征和橄榄园生产系统的多样性，由埃武拉大学的专家选择了一组六个地块，这些地块涵盖了该地区广泛的技术解决方案。这些地块被分为标准和替代两类。前者是阿连特茹地区使用的标准技术，后者是基于农业生态方法的最新技术的替代方案。这些地块中有三个是雨养系统，三个是灌溉系统，一个是高密度系统，两个是超高密度系统。所选地块的主要特征考虑了品种、生产方法、生产系统、采收和灌溉。
为了表征橄榄园生产的技术解决方案，制定了一项调查并应用于所选地块的农场，通过访谈亲自收集数据。此外，还咨询了LCA、橄榄种植和灌溉方面的专家，以评估数据一致性并补充任何缺失的数据。
2.2. 目标与范围
如前所述，本研究的主要目的是识别橄榄油生产更可持续的替代方案，以便为生产者和公共决策者提供关于最佳土地利用、农艺实践以及与真实环境改善相关的潜在激励措施的指示。
方法论方法包括四个主要阶段，如ISO 14040所要求。第一阶段涉及目标、范围、功能单位（FU）和系统边界的定义。第二阶段包括数据收集和构建生命周期清单（LCI）。生命周期影响评估（LCIA）代表第三阶段，在结果部分呈现，例如解释阶段（第四阶段），其中分析了所考虑情景的主要热点。
功能单位（FU）的定义是LCA的一项关键任务，必须与研究目标一致。在本研究中，FU是1公顷（ha）的种植橄榄园，以强调基于领土的结果的有用性。
系统边界应包括所有相关的生命周期阶段和过程，取决于目标和范围以及数据的可用性和质量。在本研究中，范围侧重于橄榄园生产或种植过程。系统边界范围从原材料提取到农场大门，橄榄采收之后（“从摇篮到农场大门”）。生产系统和技术解决方案的评估是在整个生命周期内进行的，考虑了所有必要的操作和投入。
传统生产系统的假定寿命为50年，高密度系统也是如此。对于超高密度系统，考虑了20年。为了包括整个农业生命周期，模拟了100年的时间限制。因此，对于传统雨养系统和高密度系统，考虑了2个50年的周期，而对于超高密度生产系统，考虑了5个周期。生命周期分为以下阶段：种植阶段、无生产阶段、增长阶段、全面生产阶段、下降阶段和处置。每个生命周期阶段进行的操作包括在LCA建模过程中。
所有橄榄生命周期阶段都有土壤耕作操作，除了果园处置。施肥也发生在生命周期的所有阶段，除了QSAS地块仅在种植阶段有施肥。具体来说，杂草控制和植物检疫处理发生在从无生产阶段到下降阶段的阶段，在所有地块中，除了QSAS地块。CVA地块不进行植物检疫处理。修剪和采收在增长、全面生产和下降阶段进行，除了标准地块QSAS和替代地块VDA，它们在增长阶段不进行这些操作。所有地块都有某种形式的机械化采收，而手动采收仅在CVA地块进行。使用灌溉的地块是MNA、P18S和P19S，显然，所有地块都有处置操作（挖掘、运输、挖掘）。
2.3. 生命周期清单（LCI）和影响评估（LCIA）
LCI是对一个FU的整个流程和过程的详细量化，考虑了标准和替代技术解决方案下橄榄园生产系统的输入和输出数据。输入数据用于每个橄榄园技术解决方案的每项操作。
农业操作包括地表犁耕、粉碎、修剪、施肥、杂草控制、植物检疫控制、灌溉、采收和果园处置（挖掘、运输和挖掘），这些操作也被分组为以下类别：施肥、土壤操作、植物检疫控制、修剪、采收、灌溉、挖掘、运输和挖掘。
Ecoinvent是主要用于背景数据的清单数据库。对于农业阶段使用的投入物制造的间接数据，使用了Ecoinvent v.3.8和World Food LCA v.3.5数据库。
使用SimaPro 9.4.0.2软件对不同技术解决方案下的生产系统进行建模，并评估其环境影响。ISO-14040作为实施LCA模型的一般结构、原则和基本需求的基础。
在本研究中，选择对输入和输出进行分类和表征的方法是ReCiPe 2016 v1.01，考虑了中等水平（中点）的影响类别指标，环境负荷根据其对环境影响的贡献进行分组。对于生命周期影响评估（LCIA），选择的影响类别包括气候变化（kg CO2eq）、水资源消耗（m3water eq）、陆地酸化（kg SO2eq）、淡水富营养化（kg P eq）和海洋富营养化（kg N eq）。这些类别已在最近橄榄部门的LCA研究中使用。
2.4. 局限性
本研究承认了一些方法论、数据和范围相关的局限性，尽管基于从葡萄牙橄榄农收集的全面主要数据清单。
首先，考虑到农业生产系统的多功能性，分析优先考虑了领土影响而非生产功能，与定义的目标和范围保持一致。
一个关键约束来自清单数据，这些数据来自六家公司在种植技术和管理实践（包括常规、综合、有机和生物动力系统）方面表现出显著异质性的公司。对如此不同的情景进行不确定性统计评估可能产生意义有限的结果。此外，个别公司提供的主要数据由汇总平均值组成，这甚至不足以进行基本的公司内统计评估。
关于时间维度，研究评估了整个生命周期的生产系统，而不是将分析限制在生产阶段。这种方法反映了非生产阶段和农业系统的变化可能对环境产生相当大的影响的认识。为了最小化与模拟的100年时间范围相关的失真，影响始终表示为每公顷的平均年值，而不是整个橄榄园周期的累积数字。
最关键的局限性涉及生物碳核算和碳吸收。由于排除了橄榄生物量（树干、树枝、树叶、根）和土壤中生物源CO2的封存和储存，气候变化影响的评估仍然不完整。橄榄树是多年生和长寿的，通过光合作用封存大量大气CO2。通过仅模拟排放相关过程（例如，肥料生产、柴油燃烧、灌溉能源），研究报告了温室气体（GHG）总排放量，而不是净生命周期平衡。这种遗漏可能高估了所有系统的气候负担，特别是传统和雨养橄榄园，其中长期碳封存可能抵消相当大份额的排放。CO2吸收的排除是故意的，因为这方面在Sustainolive项目内的专门实验中得到解决，其结果待发表。如果不纳入多年生作物固有的这一关键碳汇过程，研究不能声称提供了气候性能或所分析系统环境可持续性的全面评估。
最后，生命周期评估（LCA）框架在捕捉农业生产的某些维度方面表现出固有的局限性。为了实现真正的整体可持续性评估，未来的研究应整合经济指标——例如生命周期成本计算（LCC）——并纳入与橄榄园管理相关的社会维度。
3. 结果与讨论
本研究评估了葡萄牙南部阿连特茹地区六个橄榄园地块的生命周期，代表了三种生产系统和两种不同的技术解决方案：三个地块被归类为标准，三个为替代。
首先，分析了每公顷和每年的主要影响类别结果。正如预期，超高密度系统显示出最高的环境影响负荷，其次是高密度和传统系统。这些结果也得到了Rallo等人、Romero-Gámez等人和Sales等人的研究的证实。采用常规技术超高密度系统的P18S地块使用高水平的施肥、土壤操作和灌溉。这个系统，具有所谓标准技术，具有最高的橄榄生产力，但在所有类别中显示出最强的环境影响。Romero-Gámez等人和Sales等人也取得了类似的结果。高密度P19S系统在所有类别中显示出中等负荷值，除了海洋富营养化。标准QSAS地块是一个传统生产系统，使用低水平投入和机械化，因此在所有类别中具有最低的环境负荷。
与使用基于农业生态概念的技术解决方案的替代传统VDA和CVA地块相比，传统标准QSAS地块在所有类别中呈现出最低的影响，每公顷橄榄产量为2吨。VDA地块产量最高（2.39吨），而CVA地块在三个地块中产量最低，每公顷产量为1.07吨。QSAS地块与其他传统地块相比需要最少的干预。肥料仅在种植阶段使用，而VDA地块在种植阶段和其他阶段都使用有机肥料。
比较超高密度系统，在标准和替代技术下，常规P18S地块在所有类别中显示出更高的负荷。在海洋富营养化类别中，由于使用了更多的农药，其值是有机MNA地块的四倍。P18S地块在气候变化、陆地酸化和淡水富营养化类别中也显示出两倍高的结果。气候变化影响类别与肥料制造和施用过程中排放到大气中的CO2和NO2有关，而陆地酸化与肥料生产有关。富营养化通常受磷肥的影响。两个地块都是灌溉的，并在水资源消耗方面显示出最高的影响，但替代地块的影响低30%。
正如预期，在所考虑的三种标准技术解决方案中，QSAS在所有影响类别中呈现出最低的负荷。对应于综合高密度生产系统的P19S地块是一个灌溉系统，比QSAS地块的传统系统使用更高水平的投入，因此导致更大的环境影响。这些影响在气候变化、陆地酸化、淡水富营养化、海洋富营养化
