Environmental Assessment in Agriculture: A Utilisation of Life Cycle Assessment in Horticulture and Livestock Industry

Abstract

The ever-growing population emphasizes the serious need for food sufficiency and drives the attention of research works toward sustainable agriculture to guarantee the production of sufficient food. This is, especially true in todays challenging environment where resources are scarce, and the challengen is to develop solutions that maintain human and nature co-existence without compromising each other. With this, alternative and new technologies for sufficient food production have become an intriguing research focus. However, such production systems are associated with unknown environmental impacts which are needed to be elucidated to come up with more objective measures to mitigate and manage. This is especially relevant because agriculture has been reported as one of the major contributors to greenhouse gas (GHG) emissions. In South Korea, greenhouse cultivation has increased significantly in the past few decades as indicated by domestic production reaching around 4.8 trillion won or 28% of the national horticulture production. Meanwhile, the livestock industry in South Korea has shown continuous growth reaching approximately 17 billion USD in 2020 or nearly 40.6% of the total agricultural production in the country (MAFR, 2021). Likewise, it shares 47.9% of the annual livestock production followed by the cattle industry (32.6%), and the chicken industry (13.1%). GHG emission is highest in livestock, especially those coming from enteric fermentation (48%) and manure application and management (22.4%). With the continuing growth of both horticulture and livestock industries, the resources for land, water, and energy has become scarce and contributed severe impacts on air, water, and soil quality, mainly because of the GHG emissions. From this alarming impact, it is important to conduct an environmental assessment of agriculture-related activities to assess and analyse emission and the influence it brings to the soil, water, and air. Study 1 focused on the impact assessment of the heating and cooling systems of agricultural buildings particularly greenhouses producing mango with the use of Life Cycle Assessment (LCA) integrated with building energy simulation (BES). Specifically, the study aimed to identify the current integration approaches used to combine BES and LCA results to assess the environmental impact of different heating systems, such as absorption heat pump (AHP) using energy from thermal effluent, electricity powered heat pump, and kerosene-powered boilers used in a conventional multi-span Korean greenhouse. Results revealed that the environmental impact of the kerosene-powered boiler is largest in terms of the acidification potential (AP), global warming potential (GWP), and Eutrophication Potential (EP) of 1.15 x 100 kg SO2-eq, 1.13 x 102 kg CO2-eq, and 1.62 x 10-1 kg PO4-eq, respectively. The main contributor for greenhouse gas emission was caused by the type, amount, and source of energy used to heat the greenhouse, which contributed to a maximum of 86.59% for energy from thermal effluent, 96.69% for electricity-powered heat pump, and a maximum of 96.47% for the kerosene powered heat pump, depending on the type of greenhouse gas being considered. Study 2 aimed to review and conduct an impact analysis of various odour and GHG mitigation techniques used for the production of pigs. The review showed that three major phases have the highest impact on livestock emissions that include feed management, housing management, and manure storage and processing. The result analysis showed no pattern for each mitigation method, but it was identified that the frequency and method of manure removal contributed to the highest GWP, AP, and EP considered in the analysis. Similarly, in the case of manure management, solid manure was found to emit higher GHG compared to liquid slurry. These findings match with the result of scenario analysis that showed that utilizing the manure as feedstock for an anaerobic digester has an average of 28.01 % lower acidification potential for all the considered livestock animals. Study 3 aimed to use field-measured olfactometric data in an LCA study. Traditionally, LCA usually excludes the analysis of livestock odour due to its complexity in terms of spatial and temporal scales. In this study, a pathway was developed to incorporate the odour concentration emitted from the pig facility

인구의 끊임없는 증가로 인해 식량에 대한 수요가 증가하면서 식량 부족에 대한 심각성이 대두되고 있다. 뿐만 아니라, 현재 자원 부족의 문제를 동시에 당면하고 있기 때문에 인간과 자연이 공존하며 충분한 식량을 생산하기 위한 지속 가능한 농업을 목표로 한 연구가 수행되고 있다. 또한, 충분한 식량 생산을 위한 대안과 새로운 기술에 대한 연구도 새로운 연구 초점이 되었다. 하지만, 이러한 생산 시스템은 보다 객관적인 조치 및 관리 방안을 마련하기 위해 고려해야 하는 다양한 환경 영향과 관련되어있다. 특히 농업 분야가 온실가스(GHG, Greenhouse Gas)의 배출의 상당 부분을 차지하고 있기 때문에 더욱 불가피한 실정이다. 한국 온실의 생산량은 국내 원예 생산량의 28%인 약 4 조 8 천억 원에 달할 정도로 지난 수십 년 동안 크게 증가했다. 또한, 한국의 축산 생산액은 2020 년 기준 약 22 조원으로, 국내 전체 농업 생산량의 거의 40.6%에 달하는 지속적인 성장을 보여왔다 (MAFRA 2021). 그중 연간 돼지 생산량은 47.9%를 차지하여 소(32.6%)와 가금(13.1%) 보다 큰 비중을 차지하고 있다. GHG 배출량은 가축 생산 시 가장 많이 발생하는데, 특히 장내 발효(48%)와 분뇨 살포 및 관리(22.4%)에서 가장 높다. 원예 및 축산 산업의 지속적인 성장으로 토지, 물 및 에너지 자원은 고갈되고 있고, 온실가스 배출로 인해 대기, 수질 및 토양에 심각한 영향을 미쳤다. 따라서 온실가스의 배출량과 그것이 토양, 물 및 공기에 미치는 영향을 평가하고 분석하기 위해 농업에 대한 환경 평가를 수행하는 것이 중요하다. 연구 1 은 건물 에너지 시뮬레이션(BES, Building Energy Simulation)과 통합된 환경 영향 평가(LCA, Life Cycle Assessment)를 활용한 농업용 건물인 망고 온실의 난방 시스템 영향 평가에 중점을 두었다. 특히, 현재의 BES 와 LCA 의 통합적 접근 방식을 분석하기 위해 열 배출수 에너지를 사용하는 흡수 열 펌프(AHP, Absorption heat pump), 전기 구동 열 펌프 및 기존의 다연동 온실에서 사용되는 등유 보일러와 같은 다양한 난방 시스템의 환경적 영향을 평가하였다. 연구 결과, 등유 보일러의 환경 영향이 1.15 x 100 kg SO2-eq, 1.13 x 102 kg C O2-eq, 1.62 x 10-1 kg PO4-eq 의 산성화 지수(AP, Acidification Potential), 지구 온난화 지수(GWP, Greenhouse Warming Potential) 및 부영양화 지수(EP, Eutrophication Potential) 측면에서 모두 가장 큰 것으로 나타났다. 온실가스 배출의 주요 원인은 온실의 온도를 높이기 위해 사용되는 에너지의 종류, 양, 에너지원에 따라 발생했다. 고려된 온실 가스의 유형에 따라 흡수 열 펌프가 최대 86.59%, 전력 히트펌프가 96.69%, 등유로 작동하는 열 펌프 보일러의 경우 최대 96.47% 기여했다. 연구 2 는 3 대 축산업인 소, 돼지 및 가금류와 같은 가축 생산에 사용되는 다양한 악취 및 온실가스 저감 기술에 대한 영향 분석을 검토하고 수행하는 것을 목표로 했다. 검토 결과, 사료 관리, 축사 관리, 분뇨 저장 및 처리를 포함하는 세 가지 주요 단계가 축산 배출량에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 저감 방법에 따른 뚜렷한 경향성은 나타나지 않았으나 분뇨 제거의 빈도 및 방법이 GWP, AP, EP 에 기여하는 것으로 확인되었다. 3 대 축산업 중 지구온난화 지수는 소가 돼지와 가금류에 비해 각각 35.12%, 21.75% 높았다. 또한, 분뇨 관리의 경우 고형 분뇨는 액비에 비해 더 많은 온실가스를 배출하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 분뇨를 혐기성 소화조의 공급 원료로 활용하는 것이 모든 가축에 대해 평균 28.01% 낮은 산성화 가능성이 있음을 보여주는 분석과 일치한다. 연구 3 은 LCA 연구에서 현장에서 측정한 악취 데이터를 사용하는 것을 목표로 했다. 전통적으로, LCA 는 복잡성으로 인해 시간, 공간적 규모 측면에서 가축 악취 분석을 제외한다. 이 연구에서는 돼지 시설에서 방출되는 악취 농도를 통합하기 위한 경로를 개발했다.