Sustainability Assessment of Key European Dairy Cattle Production Systems: System Identification, Analysis, and Greenhouse Gas and Nitrogen Emission Mitigation

Abstract

[ES] Durante las últimas décadas, múltiples retos han puesto en riesgo la sostenibilidad medioambiental, económica y social de los sistemas de producción de vacuno lechero (SPL). Esta Tesis Doctoral aborda algunos de los principales retos del sector en materia de sostenibilidad mediante el desarrollo de conceptos, metodologías y estrategias adaptadas a las necesidades particulares de un amplio abanico de SPL en Europa. Las investigaciones se centran en la evaluación de las herramientas de análisis de la sostenibilidad, el análisis de la diversidad de sistemas de producción existentes, así como en la mitigación adaptada de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y pérdidas de nitrógeno (N) a escala de granja. Esta Tesis Doctoral presenta un marco cuantitativo que permite un análisis exhaustivo de las herramientas existentes para la determinación de la sostenibilidad a escala de granja. Los resultados muestran como las herramientas evaluadas presentan un mayor número de indicadores asociados con el pilar medioambiental que con el pilar económico y social. En adición, se facilita la identificación de vías para el desarrollo futuro de los modelos, permitiendo una más completa y detallada evaluación de la sostenibilidad. Asimismo, los resultados obtenidos en materia de análisis de la diversidad de SPL, permiten la identificación, descripción y agrupación de las regiones europeas de acuerdo con diferentes tipologías de sistemas productivos. Las 16 tipologías representativas identificadas, combinan las características estructurales, productivas, socioeconómicas y medioambientales de los SPL con la distribución de cultivos forrajeros más relevantes para la producción láctea a escala NUTS2. Al analizar y agrupar la diversidad de sistemas productivos y evaluar su nivel de integración, esta Tesis Doctoral facilita la toma de decisiones basadas en el conocimiento, el diseño y la aplicación de medidas de mitigación de emisiones específicas y adaptadas, así como la promoción de sinergias económicas y sociales positivas. En adición, esta Tesis Doctoral pone de manifiesto la gran influencia de las condiciones climáticas, las características estructurales y las prácticas de manejo sobre las emisiones de N y GEI asociadas a la fermentación entérica, los cultivos, así como a toda la cadena de gestión del estiércol. Al identificar la magnitud y fuentes de emisión de los SPL, se facilita la aplicación de medidas específicas a cada contexto. En términos de mitigación de las emisiones, la reducción de la proteína bruta en la fracción comprada de la dieta es una estrategia eficaz a la hora de mitigar tanto las emisiones de GEI como las pérdidas de N. Además, la implantación de una planta de digestión anaerobia es efectiva a la hora de reducir la intensidad de GEI en todos los SPL evaluados, aumentando únicamente las pérdidas de N en el sistema mediterráneo intensivo. El impacto del incremento de la productividad a través de un mayor uso piensos sobre las pérdidas de N y las emisiones de GEI es variable entre los sistemas examinados. A este respecto, el sistema semi-extensivo centroeuropeo muestra un mayor potencial de reducción de GEI, mientras que el semi-extensivo atlántico obtiene mejores resultados en la reducción de las pérdidas de N. Del mismo modo, el uso de la inyección de purines reduce las pérdidas de N en campo, incrementando las emisiones de GEI en el sistema mediterráneo. La sustitución de urea por nitrato amónico tiene diferentes efectos sobre los GEI y la intensidad de N, observándose un mayor potencial de mitigación en el sistema semi-extensivo atlántico. Por último, las cubiertas rígidas de purines mitigan eficazmente las pérdidas de N durante el almacenamiento, con un impacto mínimo en las emisiones totales de GEI. Así mismo, a lo largo de esta Tesis Doctoral se demuestra como la aplicación cumulativa de medidas de mitigación, deriva en sinergias positivas a la hora de reducir las emisiones globales de la explotación.

[CA] Durant les últimes dècades, múltiples reptes n'han posat en risc la sostenibilitat mediambiental, econòmica i social dels sistemes de producció de boví de llet (SPL). Aquesta Tesi Doctoral aborda alguns dels principals reptes del sector en termes de sostenibilitat mitjançant el desenvolupament de conceptes, metodologies i estratègies adaptades a les necessitats particulars d'un ampli ventall de SPL a Europa. Les investigacions se centren en l'avaluació de les eines per a la seua quantificació, l'anàlisi de la diversitat de sistemes de producció existents, així com en la mitigació adaptada de les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle (GEH) i pèrdues de nitrogen (N) a escala de granja. Aquesta Tesi Doctoral presenta un marc quantitatiu que permet una anàlisi exhaustiu de les eines existents per a la determinació de la sostenibilitat a escala de granja. Els resultats obtinguts mostren com les eines avaluades presenten un major nombre d'indicadors associats amb el pilar mediambiental que amb el pilar econòmic i social. A més, aquest treball facilita la identificació de vies per al desenvolupament futur dels models i facilita una avaluació de la sostenibilitat més completa i detallada. Els resultats obtinguts en matèria d'anàlisi de la diversitat de SPL permeten la identificació, descripció i agrupació de les regions europees d'acord amb diferents tipologies de sistemes productius. Les 16 tipologies representatives identificades combinen les característiques estructurals, productives, socioeconòmiques i mediambientals dels SPL amb la distribució de conreus farratgers més rellevants per a la producció làctia a escala NUTS2. En addició, en analitzar i agrupar la diversitat de sistemes productius i avaluar el seu nivell d'integració, aquesta Tesi Doctoral facilita la presa de decisions basada en el coneixement, el disseny i l'aplicació de mesures de mitigació d'emissions específiques i adaptades, així com la promoció de sinergies econòmiques i socials positives. Així mateix, aquesta Tesi Doctoral indica la gran influència de les condicions climàtiques, les característiques estructurals i les pràctiques de maneig sobre les emissions de N i GEH associades a la fermentació entèrica, els conreus, així com tota la cadena de gestió del fem. A més, en identificar la magnitud i fonts d'emissió dels SPL, es facilita l'aplicació de mesures específiques a cada context. En aquest sentit, la reducció de la proteina bruta en la porció comprada de la dieta és una estratègia eficaç per a mitigar tant les emissions de GEH com les de N. A més, la implantació d'una planta de digestió anaeròbia va reduir la intensitat de GEH en totes les SPL avaluades, augmentant únicament les emissions de N en el sistema mediterrani intensiu. L'impacte de l'increment de la productivitat a través d'un major use pinsos sobre les pèrdues de N i les emissions de GEH va variar entre els sistemes d'explotació examinats. Referent a això, el sistema semi-extensiu centreeuropeu va mostrar un major potencial de reducció de GEH, mentre que el semi-extensiu atlàntic va obtindre millors resultats en la reducció de les pèrdues de N. De la mateixa manera, l'ús de la injecció de purins va reduir les emissions de N a nivell de camp, incrementant les emissions de GEH en el sistema mediterrani. La substitució d'urea per nitrat d'amoni va tindre diferents efectes sobre els GEH i la intensitat de N, observant-se un major potencial de mitigació en el sistema semi-extensiu atlàntic. Finalment, les cobertes rígides de purins van reduir eficaçment les pèrdues de N durant l'emmagatzematge amb un impacte mínim en les emissions totals de GEH. Així mateix, al llarg d'aquesta Tesi Doctoral es demostra com l'aplicació cumulativa de mesures de mitigació deriva en sinergies positives a l'hora de reduir les emissions globals de l'explotació.

[EN] During the last decades, multiple challenges have put the environmental, economic, and social sustainability of dairy cattle production systems (DPS) at risk. This Ph.D. Thesis tackles some of the sector's main challenges in terms of sustainability by developing concepts, methodologies, and strategies adapted to the particular needs of a wide range of European DPS. In particular, special emphasis is placed on evaluating the tools for sustainability assessments, the analysis and clustering of the diversity of existing production systems, and the adapted mitigation of greenhouse gas (GHG) emissions and nitrogen (N) losses at the farm scale. This Ph.D. Thesis presents a quantitative framework that comprehensively evaluates whole-farm tools and models. The obtained results show how the models considered incorporate more indicators from the environmental pillar than those related to the economic or social sphere. In addition, this work facilitates the identification of avenues for future model developments, allowing for a more complete and detailed assessment of sustainability. Furthermore, the results obtained allow for the identification, description, and clustering of European regions according to different typologies of production systems. The 16 representative typologies identified combine DPS's structural, productive, socio-economic, and environmental characteristics with the level of overlap with the most relevant fodder crops for dairy production at the NUTS2 scale. Furthermore, by analyzing and clustering the diversity of production systems and assessing their level of integration, this Ph.D. Thesis facilitates knowledge-based decision-making, the design and implementation of targeted and adapted emission mitigation measures, as well as the promotion of positive economic and social synergies. Moreover, this Ph.D. Thesis highlights the strong influence of climatic conditions, structural characteristics, and management practices on N and GHG emissions associated with enteric fermentation, fields, and manure management. In terms of emission mitigation, reducing the amount of crude protein in the purchased fraction of the diet is an effective strategy to mitigate both GHG and N emissions. Additionally, implementing an anaerobic digestion plant reduces GHG emissions in all assessed DPS but increases N losses only in the intensive Mediterranean DPS. The impact of increased productivity through larger use of concentrates on N losses and GHG emissions varied depending on the farming systems examined. In this sense, the Central European semi-extensive system shows a higher potential for GHG reduction, while the Atlantic semi-extensive system accounts for better results when lowering the N losses. Similarly, shallow slurry injection effectively decreases N losses at the field level, although it increases GHG emissions in the Mediterranean DPS. Substituting urea with ammonium nitrate has different effects on GHG and N emission intensity, with greater potential for mitigation in the Atlantic semi-extensive system. Lastly, rigid slurry covers effectively reduces N losses during storage with minimal impact on GHG emissions. Furthermore, this Ph.D. Thesis shows how the cumulative application of mitigation measures leads to positive synergies in reducing the overall emissions of the farm.