Applying the Food-Energy-Water Nexus approach to urban agriculture: from FEW to FEWP (Food-Energy-Water-People)

Many studies examine the correlation between the use of resources such as water, energy and land, and the production of food. These nexus studies focus predominantly on large scale systems, often considering the social dimensions only in terms of access to resources and participation in the decision-making process, rather than individual attitudes and behaviours with respect to resource use. Such a concept of the nexus is relevant to urban agriculture (UA), but it requires customisation to the particular characteristics of growing food in cities, which is practiced mainly at a small scale and produces not only food but also considerable social, economic, and environmental co-benefits. To this end, this paper proposes a new concept for a UA Nexus, together with a methodology for its assessment, that explicitly includes social dimensions in addition to food, energy and water. The paper develops a new conceptual basis, introducing People, together with Food, Energy and Water, as factors of the UA Nexus. A methodological approach for its assessment is presented, aimed at measuring not only resource efficiency and food production but also motivations and health benefits, as well as the ecological awareness of urban farmers. The methodology is based on a combination of methods such as diaries of everyday UA practices, a database of UA activities, life cycle assessment (LCA), and material flow analysis to connect investigations developed at a garden scale to the city scale

Comparing the carbon footprints of urban and conventional agriculture

Urban agriculture (UA) is a widely proposed strategy to make cities and urban food systems more sustainable. Until now, we have lacked a comprehensive assessment of the environmental performance of UA relative to conventional agriculture, and results from earlier studies have been mixed. This is the first large-scale study to resolve this uncertainty across cities and types of UA, employing citizen science at 73 UA sites in Europe and the United States to compare UA products to food from conventional farms. Results reveal that the carbon footprint of food from UA is six times greater than conventional agriculture (420 gCO2e versus 70 gCO2e per serving). However, some UA crops (for example, tomatoes) and sites (for example, 25% of individually managed gardens) outperform conventional agriculture. These exceptions suggest that UA practitioners can reduce their climate impacts by cultivating crops that are typically greenhouse-grown or air-freighted, maintaining UA sites for many years, and leveraging circularity (waste as inputs)

Food production and resource use of urban farms and gardens: a five-country study

There is a lack of data on resources used and food produced at urban farms. This hampers attempts to quantify the environmental impacts of urban agriculture or craft policies for sustainable food production in cities. To address this gap, we used a citizen science approach to collect data from 72 urban agriculture sites, representing three types of spaces (urban farms, collective gardens, individual gardens), in five countries (France, Germany, Poland, United Kingdom, and United States). We answered three key questions about urban agriculture with this unprecedented dataset: (1) What are its land, water, nutrient, and energy demands? (2) How productive is it relative to conventional agriculture and across types of farms? and (3) What are its contributions to local biodiversity? We found that participant farms used dozens of inputs, most of which were organic (e.g., manure for fertilizers). Farms required on average 71.6 L of irrigation water, 5.5 L of compost, and 0.53 m2 of land per kilogram of harvested food. Irrigation was lower in individual gardens and higher in sites using drip irrigation. While extremely variable, yields at well-managed urban farms can exceed those of conventional counterparts. Although farm type did not predict yield, our cluster analysis demonstrated that individually managed leisure gardens had lower yields than other farms and gardens. Farms in our sample contributed significantly to local biodiversity, with an average of 20 different crops per farm not including ornamental plants. Aside from clarifying important trends in resource use at urban farms using a robust and open dataset, this study also raises numerous questions about how crop selection and growing practices influence the environmental impacts of growing food in cities. We conclude with a research agenda to tackle these and other pressing questions on resource use at urban farms

Productive Technosol made of urban waste : delivered ecosystem services and evolution

Les villes ne cessent de se densifier au détriment des espaces de nature qui corrélativement se réduisent, tout comme les services écosystémiques qui leur sont associés. Face à ce constat, la végétalisation du bâti apparaît comme une alternative indispensable. Dans ce cadre, les toitures végétalisées font partie des outils d'aménagement des villes qui sont en pleine expansion. Ces toitures revêtent différentes formes, s'adaptant aux contraintes et enjeux urbains. Depuis quelques années, une nouvelle forme de toiture végétalisée a émergé : les toitures végétalisées productives (e.g. de biomasse alimentaire). Encore peu développée et mal connue, l'intérêt concernant cette forme de toiture ne cesse de croître. Leur conception, leur aménagement et surtout les services écosystémiques quelles peuvent rendre sont aujourd’hui encore mal connus et nécessitent d’être mieux appréhendés. Clé de voûte des toitures végétalisées, le sol en place influence directement et indirectement les services écosystémiques rendus par celles-ci. En dépit du rôle majeur de ces sols, peu d'études leur sont consacrés. Par ailleurs, des produits non renouvelables tels que la pouzzolane, l’argile expansée ou la tourbe sont aujourd’hui très majoritairement utilisés dans leur composition. Nous avons étudié des Technosols, c’est à dire des sols reconstitués, de toitures productives composés uniquement de produits issus de résidus du milieu urbain. Ce travail a eu une double ambition : (i) évaluer quantitativement les services écosystémiques rendus et (ii) comprendre les premières phases d’évolution des Technosols. Pour cela, trois dispositifs expérimentaux, installés sur la toiture « Bertrand Ney » de l’école AgroParisTech ont été utilisés. Il s’agit de bacs de cultures dans lesquels des sols sont construits, avec des agencements divers de cinq résidus urbains: un compost de déchet vert, du bois broyé, de la brique et de la tuile concassée, un résidu de champignonnière et un compost de biodéchet. Nous avons étudié l’effet des différents types de Technosols construits sur (i) les services écosystémiques rendus, (ii) la production alimentaire (quantitative et qualitative), (iii) la fertilité physico-chimique et (iv) leur évolution temporelle. Les Technosols construits sont fertiles et permettent une production alimentaire conséquente sur une à cinq années, caractérisée par de faibles teneurs en éléments traces métalliques équivalentes à celles de la moyenne des productions maraichères. L’évaluation quantitative de services écosystémiques (production alimentaire, recyclage de résidus urbain, rétention des eaux de pluies et qualité des eaux de percolations (C et N), a souligné le caractère multifonctionnel des systèmes étudiés et met en évidence un disservice, qui est une altération de la qualité des eaux de percolation par lixiviation du carbone, pouvant être liée à celle d’autres éléments. Une première phase de pédogénèse rapide et intense est observée, marquée par une forte biodégradation des matériaux et une forte lixiviation. Nos travaux ont mis en évidence l’existence d’un double compromis dans la conception d’un Technosol productif, entre (1) la biodégradation des matériaux (assurant la fourniture des nutriments minéraux aux plantes) et le maintien de la structure et porosité du matériau, donc de sa fertilité physique d’une part et entre (2) la fourniture d’élément nutritifs par biodégradation et la lixiviation, se traduisant par une perte de ces éléments et une altération de la qualité des eaux de percolation d’autre part. La connaissance des propriétés des matériaux utilisés et de ses liens avec les services écosystémiques attendus permet déjà de concevoir des toitures productives multifonctionnelles à partir de résidus urbains et de les gérer de manière durable.Cities are becoming denser at the expense of nature spaces that are correspondingly decreasing, as are the ecosystem services associated with them. Faced with this observation, the greening of buildings appears as a valuable alternative. Nowadays, green roofs have become a planning tool in urban planning. These roofs take different forms, adapting to urban constraints and challenges. In recent years, a new form of green roof has emerged: productive green roofs (i.e. of edible biomass). Despite a growing interest, rooftop farming is still poorly developed and known. Their design, their development and especially, the ecosystem services they could deliver are still poorly understood and need to be known. Keystone to green roofs, the soil in place directly and indirectly influences the provided ecosystem services. Despite, it’s key role, soil is still poorly studied. Furthermore, non-renewable products such as pozzolan or expanded clay or peat are today mostly used in their composition. In this work we have studied constructed soils, named Technosols, for productive roofs made only of urban wastes. The objectives of this thesis were: (i) to achieve a quantitative assessment of delivered ecosystem services (ii) analyze the first stages of Technosol pedogenesis. In order to do so, three experimental devices were implemented on the “Bertrand Ney” rooftop of the technical University AgroParisTech in Paris. The experimental devices consist of multiple plots filled with different disposal of five urban wastes: green waste compost, shredded woods, crushed tiles and bricks, spent coffee grounds used to grow mushroom and a biowaste compost. The impact of the different Technosols on (i) ecosystem services, (ii) food production (quality and quantity), (iii) fertility) and (iv) temporal evolution, were assessed. Constructed Technosol are fertile and allow a consistent food production over one to five years. The level of food production was equivalent to that of a professional producer and food quality regarding trace metal element was below existing norms. The quantitative assessment of ecosystem services (food production, urban waste recycling, rainwater retention and overflow quality (C and N)), highlighted the multifunctional nature of productive green roofs. However, we identified an ecosystem disservice which is an alteration in the quality of the leachates due to carbon leaching and presumably other elements. A first phase of rapid and strong pedogenesis was observed marked by an intense biodegradation and lixiviation of the Technosols. Our works identified two trade-offs in the design of a productive Technosol: between (i) the biodegradation or organic materials (ensuring the supply of mineral nutrient to plants) and the maintenance of the structure and porosity of the Technosol (i.e. its physical fertility) and (ii) the supply of nutrients by biodegradation and leaching, resulting in a loss of these elements and an alteration of the quality of percolation waters on the other hand. Knowledge of the properties of the materials used to build Technosols and on their link with the expected ecosystem services already makes it possible to design multifunctional productive rooftop based on urban waste and manage them sustainably

Des Technosols construits à partir de produits résiduaires urbains : services écosystémiques fournis et évolution

Cities are becoming denser at the expense of nature spaces that are correspondingly decreasing, as are the ecosystem services associated with them. Faced with this observation, the greening of buildings appears as a valuable alternative. Nowadays, green roofs have become a planning tool in urban planning. These roofs take different forms, adapting to urban constraints and challenges. In recent years, a new form of green roof has emerged: productive green roofs (i.e. of edible biomass). Despite a growing interest, rooftop farming is still poorly developed and known. Their design, their development and especially, the ecosystem services they could deliver are still poorly understood and need to be known. Keystone to green roofs, the soil in place directly and indirectly influences the provided ecosystem services. Despite, it’s key role, soil is still poorly studied. Furthermore, non-renewable products such as pozzolan or expanded clay or peat are today mostly used in their composition. In this work we have studied constructed soils, named Technosols, for productive roofs made only of urban wastes. The objectives of this thesis were: (i) to achieve a quantitative assessment of delivered ecosystem services (ii) analyze the first stages of Technosol pedogenesis. In order to do so, three experimental devices were implemented on the “Bertrand Ney” rooftop of the technical University AgroParisTech in Paris. The experimental devices consist of multiple plots filled with different disposal of five urban wastes: green waste compost, shredded woods, crushed tiles and bricks, spent coffee grounds used to grow mushroom and a biowaste compost. The impact of the different Technosols on (i) ecosystem services, (ii) food production (quality and quantity), (iii) fertility) and (iv) temporal evolution, were assessed. Constructed Technosol are fertile and allow a consistent food production over one to five years. The level of food production was equivalent to that of a professional producer and food quality regarding trace metal element was below existing norms. The quantitative assessment of ecosystem services (food production, urban waste recycling, rainwater retention and overflow quality (C and N)), highlighted the multifunctional nature of productive green roofs. However, we identified an ecosystem disservice which is an alteration in the quality of the leachates due to carbon leaching and presumably other elements. A first phase of rapid and strong pedogenesis was observed marked by an intense biodegradation and lixiviation of the Technosols. Our works identified two trade-offs in the design of a productive Technosol: between (i) the biodegradation or organic materials (ensuring the supply of mineral nutrient to plants) and the maintenance of the structure and porosity of the Technosol (i.e. its physical fertility) and (ii) the supply of nutrients by biodegradation and leaching, resulting in a loss of these elements and an alteration of the quality of percolation waters on the other hand. Knowledge of the properties of the materials used to build Technosols and on their link with the expected ecosystem services already makes it possible to design multifunctional productive rooftop based on urban waste and manage them sustainably.Les villes ne cessent de se densifier au détriment des espaces de nature qui corrélativement se réduisent, tout comme les services écosystémiques qui leur sont associés. Face à ce constat, la végétalisation du bâti apparaît comme une alternative indispensable. Dans ce cadre, les toitures végétalisées font partie des outils d'aménagement des villes qui sont en pleine expansion. Ces toitures revêtent différentes formes, s'adaptant aux contraintes et enjeux urbains. Depuis quelques années, une nouvelle forme de toiture végétalisée a émergé : les toitures végétalisées productives (e.g. de biomasse alimentaire). Encore peu développée et mal connue, l'intérêt concernant cette forme de toiture ne cesse de croître. Leur conception, leur aménagement et surtout les services écosystémiques quelles peuvent rendre sont aujourd’hui encore mal connus et nécessitent d’être mieux appréhendés. Clé de voûte des toitures végétalisées, le sol en place influence directement et indirectement les services écosystémiques rendus par celles-ci. En dépit du rôle majeur de ces sols, peu d'études leur sont consacrés. Par ailleurs, des produits non renouvelables tels que la pouzzolane, l’argile expansée ou la tourbe sont aujourd’hui très majoritairement utilisés dans leur composition. Nous avons étudié des Technosols, c’est à dire des sols reconstitués, de toitures productives composés uniquement de produits issus de résidus du milieu urbain. Ce travail a eu une double ambition : (i) évaluer quantitativement les services écosystémiques rendus et (ii) comprendre les premières phases d’évolution des Technosols. Pour cela, trois dispositifs expérimentaux, installés sur la toiture « Bertrand Ney » de l’école AgroParisTech ont été utilisés. Il s’agit de bacs de cultures dans lesquels des sols sont construits, avec des agencements divers de cinq résidus urbains: un compost de déchet vert, du bois broyé, de la brique et de la tuile concassée, un résidu de champignonnière et un compost de biodéchet. Nous avons étudié l’effet des différents types de Technosols construits sur (i) les services écosystémiques rendus, (ii) la production alimentaire (quantitative et qualitative), (iii) la fertilité physico-chimique et (iv) leur évolution temporelle. Les Technosols construits sont fertiles et permettent une production alimentaire conséquente sur une à cinq années, caractérisée par de faibles teneurs en éléments traces métalliques équivalentes à celles de la moyenne des productions maraichères. L’évaluation quantitative de services écosystémiques (production alimentaire, recyclage de résidus urbain, rétention des eaux de pluies et qualité des eaux de percolations (C et N), a souligné le caractère multifonctionnel des systèmes étudiés et met en évidence un disservice, qui est une altération de la qualité des eaux de percolation par lixiviation du carbone, pouvant être liée à celle d’autres éléments. Une première phase de pédogénèse rapide et intense est observée, marquée par une forte biodégradation des matériaux et une forte lixiviation. Nos travaux ont mis en évidence l’existence d’un double compromis dans la conception d’un Technosol productif, entre (1) la biodégradation des matériaux (assurant la fourniture des nutriments minéraux aux plantes) et le maintien de la structure et porosité du matériau, donc de sa fertilité physique d’une part et entre (2) la fourniture d’élément nutritifs par biodégradation et la lixiviation, se traduisant par une perte de ces éléments et une altération de la qualité des eaux de percolation d’autre part. La connaissance des propriétés des matériaux utilisés et de ses liens avec les services écosystémiques attendus permet déjà de concevoir des toitures productives multifonctionnelles à partir de résidus urbains et de les gérer de manière durable

Ecosystem services provided by rooftop farms

Ecosystem services provided by rooftop farms. International Symposium on Ecosystem services: their contributions and relevance in urban environment

Des PRO sur les toits ?

Le développement du milieu urbain présente de nombreux défis environnementaux : approvisionnement alimentaire, imperméabilisation des sols, fragmentation du paysage, ruissellement, dégradation de la qualité des eaux de surfaces etc. Face à ces enjeux, le développement de toiture végétalisée apparait comme l’une des solutions pour réintroduire des espaces de nature en ville et les services écosystémiques qui y sont associés. Un nouveau modèle de toiture émerge et se développe dans de nombreuses capitales (Berlin, Paris, New-York, Bangkok, Le Caire) : la toiture végétalisée productive (Thomaier et al. 2014) basée sur support de culture ou technosol (i.e : sol construit par l’homme à partir de matériaux anthropique) . Concernant ce mode de végétalisation, l’un des enjeux majeurs porte sur le choix du technosol productif. De ce dernier dépondront la majorité des services écosystémiques engendrés, notamment celui de production alimentaire.Dans un objectif d’efficacité environnementale, le choix du ou des substrats et de leurs agencements qui constituera le technosol devient une problématique majeure.Le milieu urbain produit un volume très important de déchets fermentescibles actuellement peu valorisés. L’utilisation de tel résidu ou produit dans le cadre de potager en toiture apparait comme une alternative intéressante. C’est pourquoi, depuis 2012, le projet de recherche T4P (Toit Parisien Productif, Projet Pilote) s’attache à répondre à ces questions de recherche en testant l’utilisation de produit résiduaire issu du milieu urbain en tant que technosol en toiture.Dans le cadre de cette étude différents dispositifs expérimentaux ont été mis en place avec le test de divers produits issus des déchets de la ville : compost de déchet vert, bois broyé, résidu de champignonnière, brique concassée et compost de biodéchet. Ces derniers présentent des caractéristiques physico-chimiques différenciées. Leurs associations engendrent un certain nombre de services écosystémiques. Parmi les résultats, une production alimentaire conséquente ainsi qu’un abattement important de la quantité d’eau pluviale ont pu être constatés. Toutefois, la dégradation potentielle des eaux gravitaires et l’évolution des technosols notamment en lien avec leurs biodégradations reste l’un des axes d’amélioration de la durabilité de tel système

The Urban Agriculture Nexus

This paper presents a new interpretation of the Food-Energy-Water Nexus, capable of identifying links between the environmental, economic and social factors of urban agriculture in the Global North. The Nexus is a concept advocating the optimisation of resource usage in relationship to food production. This optimisation has been researched from many perspectives, including resource security (i.e. ensuring that usage does not compromise availability - Al-Saidi and Elagib, 2017) and inter-sectorial management (i.e. a systems approach to identify feedback loops when planning interventions in each one of the three sectors – Allouche et al., 2015). These perspectives mainly focus on the macro and meso scale of intervention (Biggs et al., 2015), in which, for example, decisions concerning the construction of hydroelectric plants have an impact on the availability of water for agricultural purposes. At these scales, people are considered in terms of access to resources and participation in the decision-making processes. Instead, behaviours and cultures of resource use to grow food at a micro scale are rarely considered. Urban agriculture is practiced mainly at an individual and community level, and utilises resources to produce not only food but also social benefits. Hence, in the nexus for urban agriculture presented here, the social aspects that this practice embeds in the food growing activities play a major role. Following a brief overview of the different perspectives of the nexus, one is derived which is fit for urban agriculture, together with relevant factors necessary to design a framework of analysis. This framework aims at developing an understanding of the nexus that connects people, horticultural practices, urban resource usage and food

Non, tout ce qui pousse en ville n’est pas pollué

revue en ligne 26 novembre 2018National audienc