Αποτίμηση ποιότητας αέρα με τη μέθοδο μοντελοποίησης πολλαπλών κλιμάκων προς αύξηση της αξιοπιστίας της περιοχικής ανάλυσης κύκλου ζωής σε εφαρμογές ευφυούς γεωργίας

Abstract

The purpose of the doctoral dissertation is the development and application of a comprehensive methodological approach for the reliable assessment of the environmental efficiency of Smart Farming (SF) systems. Research focuses on providing quantified data, emphasising the optimisation of agricultural inputs of fertilisation, crop protection and irrigation. To scientifically validate this approach, primary data from pilot fields within the framework of the LIFE GAIA Sense EU project are utilised. The methodological framework achieves the coupling of multi-scale air quality atmospheric modelling and Life Cycle Assessment (LCA). Within the context of atmospheric modelling, one-way nesting technique is applied using the meteorological model MEMO and the chemical model MARSaero. Research focuses on the dynamic behaviour, dispersion and chemical transformation of ammonia (NH3) and nitrogen oxides (NOx) emissions (as losses from nitrogen fertilisation), sulfur dioxide (SO2), and the subsequent formation of secondary fine particulate matter (PM2.5). A key innovation lies in the methodological improvement of the secondary particulate matter module of MARSaero through the integration of chemical transformation parameterisations and the development of an external emission pre-processor (s-PM pre-processor). Concurrently, the dissertation integrates the territorial approach of LCA, where through spatial differentiation, a clear distinction is achieved between In-Field environmental impacts (within the field) and Off-Field ones (upstream). This approach forms the basis for designing recommendations for Good Agricultural Practices. The core point of innovation is the methodological refinement and reliability enhancement of the fine particulate matter formation indicator (FPMF), based on the ReCiPe 2016 (H) method. This is achieved through the generation of local characterisation factors, which derive from the coupling of high-resolution atmospheric modelling results with spatially explicit population exposure data, mitigating the limitations of generalised emission-to-impact relationships. Examining air quality across three selected case studies, the rational management of nitrogen inputs significantly reduced the concentrations of the precursor gaseous pollutants of NH3 and NOx. The most significant finding lies in the subsequent drop of secondary PM2.5, which exhibited non-linear behaviour, demonstrating that agricultural ecosystems operate under ammonia-limited conditions, while maximum benefit is more pronounced in environments with higher emission intensity. Moreover, LCA methodology, based on the conventional global characterisation factors of ReCiPe 2016 (H), indicated an improvement across all examined indicators. At the Areas of Protection level, SF consistently reduced impacts on Human Health, Ecosystems and Resource Availability. The implementation of territorial approach enabled the spatial identification of environmental hotspots, proving that most critical impacts on Human Health and Ecosystems predominantly originate from nitrogen fertilisation processes within the fields, highlighting the significance of ammonia volatilisation. Additionally, the application of local characterisation factors revealed that the conventional global factors of ReCiPe 2016 (H) method systematically overestimate the FPMF indicator. The subsequent mathematical reduction of the relative weight of the indicator restructured the environmental priorities in the weighted analysis, establishing the impact of Global Warming on Human Health as the dominant indicator. Finally, while SF contributes substantially to optimised resource management and the mitigation of environmental impacts, its strategic focus must be custom-tailored to the specificities of each region, avoiding uncritical applications.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και η εφαρμογή μιας ολοκληρωμένης μεθοδολογικής προσέγγισης για την αξιόπιστη εκτίμηση της περιβαλλοντικής αποδοτικότητας εφαρμογής συστημάτων Ευφυούς Γεωργίας (ΕΓ). Η έρευνα επικεντρώνεται στην παροχή ποσοτικοποιημένων δεδομένων, εστιάζοντας στη βελτιστοποίηση των γεωργικών εισροών λίπανσης, φυτοπροστασίας και άρδευσης. Για την επιστημονική τεκμηρίωση χρησιμοποιούνται πρωτογενή δεδομένα από πιλοτικά αγροτεμάχια στο πλαίσιο του ευρωπαϊκού ερευνητικού έργου LIFE GAIA Sense. Το μεθοδολογικό πλαίσιο επιτυγχάνει τη σύζευξη της ατμοσφαιρικής μοντελοποίησης ποιότητας αέρα πολλαπλών κλιμάκων και της Ανάλυσης Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ). Στο πλαίσιο της ατμοσφαιρικής μοντελοποίησης εφαρμόζεται η τεχνική της μονόδρομης εμφώλευσης μέσω του μετεωρολογικού μοντέλου MEMO και του χημικού μοντέλου MARSaero. Η έρευνα εστιάζει στη δυναμική συμπεριφορά, τη διασπορά και τον χημικό μετασχηματισμό εκπομπών αμμωνίας (NH3) και οξειδίων του αζώτου (NOx) (ως απώλειες της αζωτούχου λίπανσης), διοξειδίου του θείου (SO2), και στον συνεπακόλουθο σχηματισμό δευτερογενών λεπτών αιωρούμενων σωματιδίων (PM2.5). Ιδιαίτερη καινοτομία αποτελεί η μεθοδολογική βελτίωση του μοντέλου δευτερογενών σωματιδίων του MARSaero μέσω ενσωμάτωσης παραμετροποιήσεων χημικού μετασχηματισμού και ανάπτυξης εξωτερικού προεπεξεργαστή εκπομπών (s-PM pre-processor). Παράλληλα, η διατριβή ενσωματώνει την περιοχική (territorial) προσέγγιση της μεθοδολογίας ΑΚΖ, όπου μέσω χωρικής διακριτοποίησης επιτυγχάνεται ο σαφής διαχωρισμός των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε In-Field (διεργασίες εντός αγροτεμαχίου) και Off-Field (δραστηριότητες αλλού). Η προσέγγιση αυτή αποτελεί τη βάση για τη διαμόρφωση στοχευμένων προτάσεων Καλών Γεωργικών Πρακτικών. Το κεντρικότερο σημείο πρωτοτυπίας αποτελεί η μεθοδολογική ενίσχυση της αξιοπιστίας του δείκτη σχηματισμού λεπτών αιωρούμενων σωματιδίων (FPMF), αναφορικά της μεθόδου ReCiPe 2016 (H). Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της παραγωγής τοπικών συντελεστών χαρακτηρισμού, οι οποίοι προκύπτουν από τη σύζευξη των αποτελεσμάτων της ατμοσφαιρικής μοντελοποίησης υψηλής ανάλυσης με χωρικά προσδιορισμένα δεδομένα έκθεσης πληθυσμού, αμβλύνοντας τους περιορισμούς γενικευμένων σχέσεων εκπομπών-επίπτωσης. Εξετάζοντας την ποιότητα του αέρα σε τρεις επιλεγμένες μελέτες περίπτωσης, η ορθολογική διαχείριση των αζωτούχων εισροών μείωσε σημαντικά τις συγκεντρώσεις των πρόδρομων αέριων ρύπων NH3 και NOx. Το σημαντικότερο εύρημα εντοπίζεται στην πτώση των δευτερογενών PM2.5, η οποία κινήθηκε μη γραμμικά, καταδεικνύοντας ότι τα αγροτικά οικοσυστήματα λειτουργούν υπό συνθήκες περιορισμού αμμωνίας, ενώ το μέγιστο σχετικό όφελος εκδηλώνεται εντονότερα σε περιβάλλοντα με υψηλότερο ρυπαντικό φορτίο. Παράλληλα, η εφαρμογή της μεθοδολογίας της ΑΚΖ, βάσει των συμβατικών παγκόσμιων συντελεστών χαρακτηρισμού της ReCiPe 2016 (H), υπέδειξε βελτίωση στο σύνολο των εξεταζόμενων δεικτών. Σε επίπεδο Τομέων Προστασίας, η ΕΓ μείωσε συνεκτικά τις επιπτώσεις στην Ανθρώπινη Υγεία, στα Οικοσυστήματα και στη Διαθεσιμότητα Πόρων. Η εφαρμογή της περιοχικής προσέγγισης επέτρεψε τον χωρικό προσδιορισμό κρίσιμων περιβαλλοντικών σημείων, αποδεικνύοντας ότι οι πλέον κρίσιμες επιπτώσεις για την Ανθρώπινη Υγεία και τα Οικοσυστήματα πηγάζουν κυρίαρχα από τις διεργασίες αζωτούχου λίπανσης εντός των αγροτεμαχίων, και αναδεικνύοντας τη σημαντικότητα της πτητικοποίησης της αμμωνίας. Επίσης, η εφαρμογή των τοπικών συντελεστών χαρακτηρισμού, φανέρωσε ότι οι συμβατικοί παγκόσμιοι συντελεστές υπερεκτιμούν συστηματικά την επίπτωση FPMF. Η επακόλουθη μαθηματική απομείωση της σχετικής βαρύτητας του εν λόγω δείκτη αναδιάρθρωσε τις περιβαλλοντικές προτεραιότητες στη σταθμισμένη ανάλυση, τοποθετώντας την επίπτωση της Παγκόσμιας Θέρμανσης στην Ανθρώπινη Υγεία ως την κυρίαρχη επίπτωση. Τέλος, ενώ η ΕΓ συνεισφέρει ουσιαστικά στη βέλτιστη διαχείριση των πόρων και στον περιορισμό των περιβαλλοντικών επιπτώσεων, η στρατηγική εστίαση της πρέπει να προσαρμόζεται στοχευμένα στις ιδιαιτερότητες κάθε περιοχής, αποφεύγοντας άκριτες εφαρμογές.