Environmental footprint of beef production: integrated intensive and extensive systems

The environmental footprint of the food supply chain has emerged as one of the most important issues in public debate. Livestock systems have an important role in the food supply chain, contributing to nearly 40 percent of the global value of agricultural output. The livestock systems characteristics at regional level depend on the regional eco-climatic conditions and their interactions with the socio-economic features of the regional anthropic society. The output derived from the different livestock systems and its consequences on anthropic and natural systems depend on how all these elements interact. Focusing on beef production systems, the extensive grazing ruminant systems rely on fibrous and human-inedible feedstuffs and on low resource intensity and quality, providing various multi-functional valuable goods and services. At the same time, unbalances among productive systems, environment and society could emerge, leading to disruptive effects such as overgrazing, soil degradation, biodiversity losses due to natural ecosystems clearance as well as threats for food security and poverty level. Conversely, the intensive beef systems rely on great amount of energetic and protein feedstuffs, most of them imported through national and international trade, and on improved production efficiency to obtain the greatest amount of food output per one unit of input. The specialization, aggregation and decoupling from local eco-climatic conditions, while affording to cover the increasing demand of animal-derived food, have led to notable alterations in the biogeochemical cycles related to greenhouse gases (GHG) emissions and to nutrients such as nitrogen and phosphorus. Different indicators and methods were developed in order to cope with the increasing awareness about the livestock systems environmental footprint, and Life Cycle Assessment (LCA) has arisen as one the most suitable methodologies to evaluate the positive and negative outputs due to a product throughout its life cycle. The procedure is composed of goal and scope definition (definition of the aims and the structure of the LCA model), life cycle inventory (collection of all the inputs and outputs of the system, inventorying the resources used, the emissions produced and the wastes generated), life cycle impact assessment (classification and characterization of the impacts) and interpretation. An increasing number of studies has been published on the environmental footprint of livestock sector using a LCA procedure in the last decade, mainly concerning GHG emissions. The application of LCA method to livestock systems needs to take into account the peculiarities of each regional livestock system. This is the case of the integrated France-Italy beef production system, a particular system that integrates the suckler cow-calf system located in the Massif Central semi-mountainous area (central France), and based on extensive pasture system, with the intensive fattening system located in north-eastern Italy, where beef calves are imported and reared using total mixed rations based on maize silage and concentrates. The aim of this PhD thesis was the assessment of the environmental footprint of the north-eastern Italy beef production system through a multi-indicator approach based on LCA, considering also the whole supply chain obtained with the integration of the French suckler cow-calf system as well as investigating some sources of variation of the environmental footprint of the beef fattening phase. This PhD thesis is composed by three chapters. The first chapter aimed at evaluating the environmental impact of the north-eastern Italy beef fattening system through a partial LCA method. The study involved 342 fattening batches (i.e., a group of animals homogenous for genetic type, sex, origin, fattening farms and finishing period) reared in 16 fattening farms during 2013. Data on animal performance were recorded for each batch. Diet composition and feed intake were collected for each beef category (combination of genotype and sex) within farms. On- and off-farm feed production data and materials used were recorded for each farm. Impact categories regarded (mean values and standard deviation per kg BW gain are provided between brackets): global warming potential (GWP, 8.4±1.6 kg CO2-eq), acidification potential (AP, 197±32 g SO2-eq), eutrophication potential (EP, 65±12 g PO4-eq), cumulative energy demand (CED, 62±16 MJ), and land occupation (LO, 8.9±1.7 m2/year). The contribution to GWP, AP and EP was greater for the on-farm than off-farm stages, whereas the opposite pattern was found for CED and LO. This contribution gave a preliminary analysis of the north-eastern Italy beef production system, developing a methodological framework that was used in the following chapters for assessing the environmental footprint of the whole beef supply chain (chapter 2) and for evaluating some factors affecting the environmental footprint of the Italian beef fattening system (chapter 3). The second chapter considered the whole beef production supply chain, with a cradle-to-farm-gate LCA approach. The aim of this chapter was to evaluate the environmental footprint of the integrated France-Italy beef system (extensive grassland-based suckler cow-calf farms in France with intensive cereal-based fattening farms in north-eastern Italy) using a multi-indicator approach, which combines environmental impact categories computed with a cradle-to-farm gate LCA, and food-related indicators based on the conversion of gross energy and protein of feedstuffs into raw boneless beef. The study involved 73 Charolais batches kept at 14 Italian farms. Data from 40 farms originating from the Charolais Network database (INRA) were used to characterize the French farm types, which were matched to the fattening batches according to the results of a cluster analysis. The impact categories assessed were as follows (mean ± SD per kg BW): GWP (13.0±0.7 kg CO2-eq, reduced to 9.9±0.7 kg CO2-eq when considering the carbon sequestration due to French permanent grassland), AP (193±13 g SO2-eq), EP (57±4 g PO4-eq), CED (36±5 MJ) and LO (18.7±0.8 m2/year). The on-farm impacts outweighed those of the off-farm stages, except in the case of CED. On average, 41 MJ and 16.7 kg of dietary feed gross energy and protein were required to provide 1 MJ or 1 kg of protein of raw boneless beef, respectively, but nearly 85% and 80%, respectively, were derived from feedstuffs not suitable for human consumption. Emission-related (GWP, AP, EP) and resource utilization categories (CED, LO) were positively correlated. Food-related indicators showed positive correlations with emission-related categories when the overall feedstuffs of the diet were considered but were negatively correlated when only the human-edible portions of the beef diets were considered. The third chapter aimed at investigating the effect of some diet-related factors and of the beef category (genotype x sex) on the environmental impact of the north-eastern Italy beef fattening system computed according to a partial LCA method. The study involved 245 batches reared in 17 fattening farms in 2014. Data on animal performance and farm input were collected for each batch and farm, respectively. Data on feed allowance, ingredients composition of the diets as well as diet sample for the chemical analysis were monthly collected for each batch. Impact categories assessed (mean ± SD per kg BW gain into brackets) were: GWP (8.8±1.6 kg CO2-eq), AP (142±22 g SO2-eq), EP (55±8 g PO4-eq), CED (53±18 MJ) and LO (7.9±1.2 m2/year). Impact values were analysed with a linear mixed model including farm (random effect) and the fixed effect of beef category, season of arrival and classes of initial BW, self-sufficiency rate diet (SELF), crude protein (CPI) and phosphorus (PI) daily intake. Beef category and classes of SELF, CPI and PI significantly affected the impact categories values. Impact mitigation was observed with enhancing SELF and reducing CPI and PI values, with no detrimental effects on farm economic profitability expressed as income over feeds cost. The results of this PhD thesis give interesting insights about the environmental footprint of the France-Italy beef production system. The assessment at the batch level allowed to investigate the factors, such as beef category and diet characteristics, that may influence the environmental footprint of the beef fattening phase, allowing the implementation of mitigation strategies. Moreover, the necessity to use indicators related to different issues not only regarding to the environmental impact, in a multi-indicator approach within LCA, should be considered in order to obtain a more consistent and accurate evaluation of the environmental footprint of livestock systems.

L'impronta ambientale dei prodotti agroalimentari, in particolare quelli di origine animale, è una tematica di grande rilievo e interesse per l’opinione pubblica. I sistemi zootecnici hanno un ruolo importante nel settore della produzione alimentare, contribuendo a quasi il 40 per cento del suo valore globale. Le caratteristiche dei sistemi zootecnici a livello regionale dipendono dalle condizioni eco-climatiche regionali e dalle loro interazioni con le caratteristiche socio-economiche delle comunità locali. Gli output derivanti dai diversi sistemi zootecnici e le loro conseguenze sui sistemi antropici e naturali dipendono da come tutti questi elementi interagiscono. Concentrandosi sui sistemi di produzione della carne bovina, i sistemi estensivi con bovini al pascolo si basano su alimenti fibrosi e non edibili da parte dell’uomo e su una bassa intensità e qualità delle risorse utilizzate, fornendo vari prodotti e servizi multifunzionali. Allo stesso tempo, squilibri tra i sistemi produttivi, l'ambiente e la società potrebbero emergere, portando ad effetti negativi come il sovra-pascolamento, degradazione del suolo, perdita di biodiversità, oltreché generare minacce per la sicurezza alimentare e la ripartizione delle risorse. Al contrario, i sistemi intensivi si basano sulla somministrazione agli animali di razioni ricche in alimenti energetici e proteici, la maggior parte dei quali importati attraverso il commercio nazionale e internazionale, e sul miglioramento dell'efficienza produttiva al fine di ottenere la maggior quantità di produzione possibile per una unità di input. La specializzazione, l’aggregazione e il disaccoppiamento dalle condizioni eco-climatiche locali, se permettono di coprire la crescente domanda di prodotti alimentari di origine animale, hanno portato a cambiamenti notevoli nei cicli biogeochimici relativi ai gas serra (GHG) e ai nutrienti come azoto e fosforo. Differenti indicatori e metodi sono stati sviluppati al fine di far fronte alla crescente consapevolezza circa l'impatto ambientale dei sistemi di allevamento, e il metodo Life Cycle Assessment (LCA) si è caratterizzato come una delle metodologie più idonee per valutare gli output positivi e negativi dovuti a un determinato prodotto lungo il suo ciclo di vita. La procedura si compone di ”goal and scope definition” (definizione degli obiettivi e della struttura del modello LCA), l'inventario del ciclo di vita (raccolta di tutti gli input e gli output del sistema, l'inventario delle risorse utilizzate, delle emissioni prodotte e dei rifiuti generati), valutazione dell'impatto del ciclo di vita (classificazione e caratterizzazione degli impatti) e l'interpretazione. Negli ultimi dieci anni, un numero crescente di studi è stato pubblicato sull'impatto ambientale del settore zootecnico utilizzando la procedura LCA, soprattutto per quanto riguarda le emissioni di gas serra. L'applicazione del metodo LCA ai sistemi zootecnici deve tener conto delle peculiarità che caratterizzano le filiere zootecniche a scala regionale. Questo è il caso del sistema di produzione del vitellone da carne che prevede l’integrazione tra gli allevamenti di vacche nutrici (linea vacca-vitello) situati nella zona semi-montagnosa del Massiccio Centrale (Francia centrale), e basati su un sistema estensivo al pascolo, con l'ingrasso intensivo dei vitelloni nel nord-est italiano, in cui i vitelli da carne vengono importati e allevati con razioni unifeed basate sull’insilato di mais e sui concentrati. Lo scopo di questa tesi di dottorato è stata la valutazione dell'impatto ambientale del sistema di produzione di carne bovina del nord-est Italia attraverso un approccio multi-indicatore basato sul metodo LCA, considerando anche l'intera catena di approvvigionamento ottenuta con l'integrazione della linea vacca-vitello francese, così come la valutazione di alcune fonti di variazione dell'impatto ambientale della fase di ingrasso dei vitelloni. La tesi si compone di tre capitoli. Il primo capitolo è finalizzato a valutare l'impatto ambientale del sistema di ingrasso del vitellone nel nord-est Italia attraverso un modello “partial LCA”. Lo studio ha coinvolto 342 partite di animali (un gruppo di animali omogeneo per tipo genetico, sesso, origine, azienda di ingrasso e periodo di finissaggio) allevate in 16 allevamenti nel corso del 2013. I dati sulle prestazioni degli animali sono stati registrati per ciascuna partita. La composizione della dieta e l’ingestione di sostanza secca sono stati raccolti per ogni categoria animale (combinazione di genotipo e sesso) entro azienda. I dati di produzione degli alimenti autoprodotti e quelli comprati sul mercato e dei materiali utilizzati sono stati registrati per ciascuna azienda. Le categorie d'impatto considerate sono (valori medi e deviazione standard per kg di incremento di peso vivo sono forniti tra parentesi): potenziale di riscaldamento globale (GWP, 8.4 ± 1.6 kg di CO2-eq), potenziale di acidificazione (AP, 197 ± 32 g SO2-eq), potenziale di eutrofizzazione (EP, 65 ± 12 g PO4-eq), domanda cumulata di energia (CED, 62 ± 16 MJ), ed estensione dell’area occupata (LO, 8,9 ± 1,7 m2 / anno). Il contributo per GWP, AP e EP è stato maggiore per la fase intra-aziendale rispetto a quella extra-aziendale, mentre il trend opposto è stato trovato per CED e LO. Questo contributo ha fornito una prima analisi del sistema di produzione di carne bovina dell’Italia nord-orientale e ha permesso lo sviluppo di un quadro metodologico che è stato utilizzato nei capitoli seguenti per valutare l'impatto ambientale di tutta la filiera franco-italiana della carne bovina (Capitolo 2) e per valutare alcuni fattori che possono influenzare l'impatto ambientale del sistema di ingrasso della carne bovina del Nord Est italiano (Capitolo 3). Il secondo capitolo ha considerato l'intera filiera di produzione della carne bovina, con un approccio LCA dalla culla al cancello aziendale (dalla nascita dei vitelli in Francia alla vendita dei capi ingrassati al macello). L'obiettivo di questo capitolo è stato quello di valutare l'impatto ambientale del sistema di produzione integrato Francia-Italia (sistema vacca-vitello al pascolo di tipo estensivo localizzato in Francia integrato con il sistema intensivo dell’ingrasso di vitelloni in Italia nord-orientale) utilizzando un approccio multi-indicatore, che combina alcune categorie di impatto computate con un modello LCA, e la conversione dell'energia lorda e della proteina della dieta animale in carne disossata. Lo studio ha coinvolto 73 partite di Charolais allevate in 14 aziende italiane. I dati provenienti da 40 allevamenti provenienti dal database Charolais Network (INRA) sono stati usati per caratterizzare le tipologie di aziende francesi, che sono state abbinate alle partite all’ingrasso in base ai risultati di un'analisi cluster. Le categorie di impatto valutate sono state le seguenti (media ± DS per kg di peso corporeo venduto): GWP (13,0 ± 0,7 kg di CO2-eq, ridotto a 9,9 ± 0,7 kg di CO2-eq se si considera il sequestro del carbonio caratterizzante i prati permanenti francesi), AP (193 ± 13 g SO2-eq), EP (57 ± 4 g PO4-eq), CED (36 ± 5 MJ) e LO (18,7 ± 0,8 m2 / anno). L'impatto delle fasi produttive intra-aziendali ha superato quello dovuto alla fasi extra-aziendali, tranne nel caso di CED. In media, 41 MJ e 16,7 kg di energia lorda e di proteina derivanti della dieta sono stati necessari per fornire 1 MJ o 1 kg di proteine contenuti nella carne disossata, rispettivamente, ma quasi il 85% e 80%, rispettivamente, sono derivati da alimenti non adatti al consumo umano. Le categorie di impatto legate alle emissioni (GWP, AP, EP) e quelle legate all’uso delle risorse (CED, LO) sono risultate correlate positivamente. Gli indicatori di efficienza della conversione alimentare hanno mostrato correlazioni positive con le categorie relative alle emissioni, quando è stato considerato l’insieme degli alimenti componenti la dieta bovina, ma sono risultati correlati negativamente quando si è considerata solo la parte di alimenti della dieta bovina edibili da parte dell’uomo. Il terzo capitolo è volto ad indagare l'effetto di alcuni fattori legati alla dieta bovina e della categoria animale (genotipo x sesso) sull'impatto ambientale del sistema di ingrasso del vitellone tipico dell’Italia nord-orientale, calcolato secondo un metodo LCA parziale. Lo studio ha coinvolto 245 partite allevate in 17 aziende di ingrasso nel 2014. I dati sulle prestazioni degli animali e gli input aziendali sono stati raccolti rispettivamente per ogni partita e per ogni azienda. I dati sull’ingestione alimentare, gli ingredienti componenti le razioni nonché i campioni delle razioni per l'analisi chimica sono stati raccolti mensilmente per ciascun partita. Le categorie di impatto valutate (media ± DS per kg di peso corporeo guadagnato tra parentesi) sono: GWP (8.8 ± 1.6 kg di CO2-eq), AP (142 ± 22 g SO2-eq), EP (55 ± 8 g PO4-eq), CED (53 ± 18 MJ) e LO (7,9 ± 1,2 m2 / anno). I valori di impatto sono stati analizzati con un modello misto lineare, nel quale è stato testato l’effetto casuale dell’azienda e l'effetto fisso della categoria animale, della stagione di arrivo e delle classi di peso vivo d’arrivo, del tasso di autoapprovvigionamento della razione animale (SELF), e dell’assunzione giornaliera di proteina grezza (CPI) e fosforo (PI). La categoria animale e le classi di SELF, CPI e PI hanno influenzato in modo significativo i valori delle categorie di impatto. Una mitigazione dell'impatto è stata osservata con l’aumento del tasso di autoapprovvigionamento e la riduzione dei valori di CPI e PI, senza effetti negativi sulla redditività economica aziendale espressa come ricavo al netto dei costi della dieta. I risultati di questa tesi di dottorato forniscono spunti interessanti circa l'impatto ambientale del sistema Francia-Italia di produzione di carna bovina. La valutazione a livello di partita ha permesso di indagare i fattori, come la categoria animale e le caratteristiche della dieta bovina, che potrebbero influenzare l'impatto ambientale della fase di ingrasso, consentendo l'attuazione di strategie di mitigazione. Infine, l’approccio multi-indicatore utilizzato in questa tesi ha consentito di avere una valutazione più completa dell’impronta ecologica della produzione del vitellone da carne, e l’approccio proposto potrebbe essere applicato con successo ad altri sistemi zootecnici.