Environmental and nutritional analysis of hidroponic tomato crops in Spain, a life cycle assessment approach

Abstract

Currently, the increase in the global population entails growing food production needs. In Spain, the agri-food industry has a turnover of close to 140 million euros, making it the fourth largest agri-food industry in Europe and tenth in the world. Within this sector at national level, tomato cultivation stands out with a production of 4.75 million metric tons in 2021. In this context, the objective of this study was to evaluate the environmental impacts of hydroponic tomatoes cultivated in northern Spain using a waste product as biomass to heat the greenhouses and solar energy for powering the irrigation system, to identify their main environmental hotspots and improvement measures. For this purpose, Life Cycle Assessment (LCA) has been used together with the Nutrient-Rich Food 9.3 (NRF9.3) index. The functional unit (FU) chosen was 1 kg of tomatoes and another FU based on nutrition, 1 NRF9.3. The primary data were obtained from information provided by a tomato production company located in the region of Cantabria. For the modelling of the inventory data, SimaPro 9.3 software was used to analyze different impact categories of the Environmental Footprint 3.0 Method and the Cumulative Energy Demand Method. Complementarily, the influence of including biogenic CO2 emissions has been considered, using a "-1/+1" approach to assess the uptake and release of biogenic carbon throughout the whole life cycle. The main results showed that annual global warming values varied between 1.4 kg CO2 eq. per kg tomato and 2.5 kg CO2 eq. per kg tomato considering biogenic carbon, while total energy demand of the production of hydroponic tomato was 9.7 MJ. Fertilization and the greenhouse structure were identified as the main contributors to environmental burdens; hence, improvement opportunities were focused on these critical points. Possible improvement measures would be to change chemical fertilizers for organic fertilizers, or to reduce the dose used, adjust the water balance of the fertilizers or implement a closed-loop irrigation system in the case of using chemical fertilizers; as well as increasing the lifespan of infrastructure materials. Complementarily, the influence of including the distribution to Spain of tomatoes from crops studied by other authors for regions with more suitable climatic conditions or greater technological advances was studied, observing that adding distribution to Spain significantly increases their carbon footprint, which makes these crops environmentally uncompetitive with local tomato cultivation. Finally, the results have been expressed considering a FU based on the nutritional quality indicator NRF9.3 to compare the environmental impacts of different types of food considering not only environmental sustainability, but also the impact on health. The overall results of the comparison showed that tomato production (2.64 kg CO2 eq./NRF9.3) is not competitive in terms of emissions compared to other similar foods, such as carrots or products like chicken or sardines using the NRF9.3 score as FU, in view of their higher values in the nutritional indicator. In summary, the NRF score is a useful tool for assessing the relative nutritional quality of foods, but it has limitations that need to be taken into account and complemented by other approaches. In conclusion, it has been observed that hydroponic tomato production in Spain is environmentally viable considering a mass-based UF, but when a nutritional UF is included, it is not competitive in terms of CO2 emissions compared to other more nutritious foods.

En la actualidad el aumento de la población mundial conlleva crecientes necesidades de producción de alimentos. En España, la industria agroalimentaria presenta un volumen de negocios cercano a los 140 millones de euros, convirtiéndose en la cuarta potencia agroalimentaria dentro de Europa y décima en el mundo. Dentro de este sector a nivel nacional, destaca el cultivo de tomate con una producción de 4.75 millones de toneladas en 2021. En este contexto, el objetivo del presente estudio fue evaluar los impactos medioambientales de la producción de tomate hidropónico en el norte de España usando un residuo como biomasa para calentar el invernadero y energía solar para alimentar el sistema de riego, con el fin de identificar los principales puntos críticos desde el punto de vista medioambiental. Para ello, se ha empleado la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV), junto con el índice de calidad nutricional Nutrient-Rich Food 9.3 (NRF9.3). Se seleccionó como unidad funcional (UF) 1 kg de tomates y otra UF basada en la nutrición, 1 NRF9.3. Los datos primarios se obtuvieron a partir de información proporcionada por una empresa de producción de tomate situada en la región de Cantabria. Para el modelado de los datos de inventario se empleó el software SimaPro 9.3 analizando diferentes categorías de impacto del método “Environmental Footprint 3.0 Method” y del método “Cumulative Energy Demand”. Complementariamente, se ha analizado la influencia de incluir las emisiones de CO2 biogénico, utilizando un enfoque “-1/+1” para evaluar la absorción y liberación de carbono biogénico a lo largo de todo el ciclo de vida. Los principales resultados mostraron que los valores anuales de calentamiento global variaron entre 1.4 kg de CO2 eq. por kg tomate cuando no se consideran las emisiones biogénicas y 2.5 kg de CO2 eq. por kg tomate considerando el carbono biogénico. Las etapas de fertilización y de infraestructura del invernadero se identificaron como los principales contribuyentes a las cargas medioambientales; de ahí que las oportunidades de mejora se deberían centrar en estos puntos críticos. Ejemplos de medidas de mejora son el cambio de fertilizantes químicos por fertilizantes orgánicos, o la reducción de la dosis empleada y el ajuste del balance hídrico en caso de emplear fertilizantes químicos; así como el incremento de la vida útil de los materiales. Adicionalmente, se estudió la influencia de incluir la distribución a España de tomates procedentes de cultivos estudiados por otros autores para regiones con condiciones climáticas más adecuadas o mayores avances tecnológicos, observando que añadir la distribución a España incrementa significativamente su huella de carbono, lo cual hace que estos cultivos no sean competitivos ambientalmente con el cultivo de tomates local. Finalmente, se han expresado los resultados considerando una UF basada en el indicador de calidad nutricional NRF9.3 para comparar los impactos ambientales de diferentes tipos de alimentos considerando no solo la sostenibilidad ambiental, sino también el impacto en la salud. Los resultados globales de esta comparación mostraron que la producción de tomate (2.64 kg de CO2 eq. /NRF9.3) no es competitiva en términos de emisiones de CO2 eq. en comparación con otros alimentos similares, como las zanahorias o productos como el pollo o las sardinas utilizando la puntuación NRF9.3 como UF, en vista de sus valores más altos en el indicador nutricional. En resumen, se ha observada que la producción de tomate hidropónico en España es ambientalmente viable teniendo en cuenta una UF basada en masa en comparación con otros estudios de cultivo de tomate, pero cuando se incluye una UF nutricional no es competitiva en términos de emisiones de CO2 en comparación con otros alimentos más nutritivos.