Environmental and social life cycle assessment of sugarcane in Brazil: comparing manual and mechanical harvesting

Abstract

Concerns about environmental and social sustainability of sugarcane production in Brazil have been raised, such as damage on health due to pre-harvest burning and poor working conditions of sugarcane field workers. Meanwhile, the landscape of sugarcane sector in Brazil is rapidly changing due to increasing adoption of mechanical harvesting. Few studies have researched the environmental and social impacts of sugarcane production changing from manual to mechanical harvesting, especially from a life cycle perspective. This thesis compares the life cycle environmental impacts (with a focus on health effects of particulate matter) and social impacts of sugarcane production in Brazil with manual and mechanical harvesting. An attributional life cycle assessment (LCA) of manual vs. mechanical sugarcane harvesting compared the environmental impacts of one tonne of sugarcane at the distillery. The ReCiPe life cycle impact assessment method was applied to characterize impacts on eight mid-point categories and three end-point categories. Impacts on climate change were assessed considering different soil carbon sequestration scenarios. Characterization factors of health effects of PM2.5 for Brazil were calculated differentiating emission sources, population densities and burdens of disease. According to mid-point impact indicators, manual harvesting has higher impacts on photochemical oxidant formation and particulate matter formation mainly due to pre-harvest burning. Mechanical harvesting may lead to higher impacts on fossil depletion, ozone depletion and terrestrial acidification resulting from higher use of fertilizers and diesel. Differences of impacts on climate change between two systems vary depending on the soil carbon sequestration scenario. At the end-point level, manual harvesting has higher impacts on human health but lower impacts on resources use. The health effects of PM2.5 vary considerably with population density. Changing from manual to mechanical harvesting close to urban areas leads to a 93% reduction of health effects, while for rural only 15% and for remote areas 5%. When considering average population density, the health effects of PM2.5 of manual harvesting are approximately six times higher than mechanical harvesting. Health effects of PM2.5 calculated with ReCiPe are much lower and may underestimate the effects of primary PM2.5 emissions. A screening social life cycle assessment (SLCA) was conducted to identify the social hotspots of sugarcane production in Brazil and compare the social impacts of manual and mechanical harvesting. A novel approach integrating Social Hotspots Database (SHDB) and content analysis was developed. First, life cycle social impacts of sugarcane in Brazil were modelled in SHDB. The results derived from SHDB were enhanced by results based on a systematic analysis of relevant literatures. Content analysis was applied to analyze 38 relevant publications including peer-reviewed articles, “grey literature”, non-governmental organization reports and conference presentations. Impacts of manual and mechanical harvesting were compared on eight social themes and visualized by a color scheme. The results suggest that sugarcane sector in Brazil contributes to most of the social impacts among all the country-sectors associated with sugarcane life cycle. Nine social themes are identified as social hotspots. Health & safety and labour rights & decent work are identified as the impact categories with higher negative impacts. Comparing manual and mechanical harvesting, mechanical harvesting performs better on social indicators, except local employment and access to material resources. Besides negative impacts, content analysis is capable of identifying several positive impacts of mechanical harvesting in Brazil, such as improving safe and healthy living conditions, promoting public commitment on sustainability of Brazil´s sugarcane sector, and increasing the average salaries of sugarcane field workers. To support the evaluation of the overall environmental and social impacts of manual and mechanical harvesting of sugarcane, an additive multi-criteria decision analysis (MCDA) model was developed to improve the robustness of weighting in LCA and SLCA. Brazilian LCA and SLCA experts were surveyed about the weights of relevant environmental and social indicators. The novel MCDA approach explores all the possible convex combinations of the weights provided by the surveyed group. The results of the MCDA model show that mechanical harvesting has lower overall environmental impacts at the end-point level and better social impacts. Decision-making based on the results of environmental impacts at the mid-point level is less robust. Manual harvesting is more likely to have lower negative impacts than mechanical harvesting; but the advantage of mechanical harvesting over manual harvesting can be greater than the reverse. The results obtained in this study are an incentive to accelerate mechanization of sugarcane harvesting in Brazil considering its health benefits and reduction on overall negative environmental and social impacts. Social hotspots identified can also inform policy-making aiming to improve social sustainability of sugarcane production in Brazil. In addition, this thesis contributes to various aspects of methodological developments of LCA and SLCA.

A produção de cana-de-açúcar no Brasil está associada a diversas questões ambientais e sociais, incluindo impactes na saúde associados à queima pré-colheita e às condições precárias de trabalho nos campos. Actualmente, o sector está a sofrer uma rápida transformação associada à introdução de colheita mecanizada. Poucos estudos abordaram os impactes ambientais e sociais associados a esta transição, de colheita manual para mecanizada, em particular numa perspectiva de ciclo de vida. Esta tese compara os impactes ambientais (com foco nos impactes na saúde associados à emissão de material particulado) e os impactes sociais da produção de cana-de-açúcar no Brasil, com colheita manual e com colheita mecanizada, numa perspectiva de ciclo de vida. Um estudo de avaliação de ciclo de vida (ACV) atribucional foi desenvolvido para comparar a produção de uma tonelada cana-de-açúcar (até à destilaria) com colheita manual e com colheita mecanizada. Impactes para oito categorias mid-point e três end-point foram calculados com o método ReCiPe. Relativamente às alterações climáticas, os impactes foram avaliados considerando diferentes cenários de sequestro de carbono pelo solo. Para avaliar os efeitos na saúde associados à exposição material particulado (PM2.5), calcularam-se factores de caracterização considerando diferentes fontes de emissão, densidades populacionais e causas de doenças, no Brasil. Relativamente aos indicadores mid-point, a colheita manual está associada a maiores impactes na formação de oxidação fotoquímica e de partículas, devido à queima pré-colheita. A colheita mecanizada está associada a maiores impactes nas categorias de depleção fóssil, depleção da camada do ozono e acidificação terrestre, resultantes do uso de fertilizantes e gasóleo. As diferenças nos resultados para alterações climáticas entre os dois sistemas de colheita depende do cenário de sequestro de carbono pelo solo. Relativamente aos resultados end-point, a colheita manual está associada a maiores impactes na saúde humana, mas menores impactes a nível do uso de recursos. Os efeitos na saúde associados a PM2.5 variam significativamente com a densidade populacional. A transição para uma colheita mecanizada pode reduzir os impactes na saúde em 93% em zonas próximas de áreas urbanas, enquanto em zonas rurais e remotas esta redução é de 15% e 5%, respectivamente. Considerando uma densidade populacional média, os efeitos na saúde associados à emissão de PM2.5 na colheita manual são cerca de seis vezes maiores do que na colheita mecanizada. Os efeitos na saúde associados a PM2.5 calculados com o método ReCiPe são muito inferiores aos resultados obtidos, e podem subestimar os efeitos associados a emissões primárias. Em relação aos impactes sociais, foi desenvolvida uma avaliação social de ciclo de vida (ASCV) para identificar os aspectos críticos na produção de cana-de-açúcar no Brasil, que compara os impactes com colheita manual e com colheita mecanizada. Foi desenvolvida uma nova abordagem que integra a Social Hotspots Database (SHBD) e análise de conteúdo. Primeiro, modelaram-se os impactes sociais da produção de cana-de-açúcar no Brasil em SHDB. Os resultados foram depois refinados com base numa análise sistemática da literatura relevante: fez-se uma análise de conteúdo para 38 publicações relevantes, incluindo artigos com revisão por pares, literatura publicada informalmente (“grey literature”), relatórios de organizações não-governamentais e apresentações em conferências. Impactes associados à colheita manual e à colheita mecanizada foram comparados em oito temas sociais e visualizados através de um esquema de cores. Os resultados sugerem que o sector de produção de cana-de-açúcar é o que contribui mais para os impactes sociais no país. Nove aspectos sociais são identificados como críticos. Entre estes, “saúde e segurança” e “direitos e trabalho digno” estão associados aos impactes negativos mais significativos. Comparando a colheita manual e a mecanizada, a segunda tem melhores resultados do ponto de vista social, excepto nas categorias de “emprego local” e “acesso a recursos materiais”. Além dos impactes negativos, a análise de conteúdo permite identificar vários impactes positivos da colheita mecanizada no Brasil, como é o caso da contribuição de acabar com a prática da queima pré-colheita que contribui para a melhoria das condições de segurança e saúde, para a promoção do compromisso e empenho da comunidade na sustentabilidade do sector da cana-de açúcar no Brasil e para o aumento da média salarial dos trabalhadores dos campos de cana-de-açúcar. Para apoiar a avaliação dos impactes ambientais e sociais da produção de cana-de-açúcar com colheita manual e com colheita mecanizada, desenvolveu-se um modelo aditivo de análise de decisão multicritério (ADM) que permite analisar a robustez de conclusões obtidas a partir da ponderação de impactes em ACV e em ASCV. Fez-se um questionário a peritos em ACV e ASCV no Brasil no sentido de recolher opiniões sobre o peso de diversos indicadores ambientais e sociais relevantes. O modelo de ADM explora todas as combinações convexas possíveis dos pesos sugeridos pelo grupo de peritos. De acordo com os resultados do modelo de ADM, a colheita mecanizada está associada a impactes mais baixos na avaliação ambiental end-point, bem como melhores impactes na avaliação social. Os resultados para impactes ambientais a nível mid-point são menos robustos para o apoio à decisão: a colheita manual estará com maior probabilidade associada a menores impactes do que a mecanizada; no entanto, a mecanizada pode superiorizar-se à manual por uma diferença maior do que o contrário. Os resultados obtidos nesta tese são, antes de mais, um incentivo para acelerar a transição para a colheita mecanizada de cana-de-açúcar no Brasil, tendo em conta os benefícios evidentes na saúde e a redução geral de impactes ambientais e sociais. A identificação e avaliação de aspectos sociais críticos pode também informar e apoiar a tomada de decisão e o desenvolvimento de políticas com vista à melhoria da sustentabilidade social da produção de cana-de-açúcar. Esta tese contribui ainda em vários aspetos de desenvolvimento metodológico da ACV e da ASCV.