Nested Circularity – Localized Food in a Globalized World

The use of fossil fuels and external nutrient inputs in food production have created a need for systems which will produce enough food for a growing population while simultaneously reducing the environmental impacts from food production. In order to move towards sustainability, the relatively short history of fossil fuel use in food production needs to be left in the past and food production returned to a reliance on renewable energy without food-fuel competition. The aim of this thesis was to provide a design for circular food production which utilizes the synergies of the interconnected nexus of biomass-nutrients-energy. To do that, I studied the biophysical and economic impacts of such an integrated food and energy production design through case studies ranging from the farm scale to the regional food system scale in the context of Finnish food systems. This thesis provides a design for circular food production which relies on localized resources. In this design, biomass-energy-nutrients integration takes place at a feasible spatial scale that enables efficient nutrient recycling and integrated energy production. I propose the concept of Agroecological symbiosis (AES) as a design for circular food production. Multiple AES systems together form a Network of Agroecological symbiosis (NAES). These concepts represent a place-based food production network thereby providing an alternative to the current consolidated commodity chains. At the regional food system scale, I propose a novel concept of Nested Circularity to understand the circularity in the context of food system. Informed by the results of this thesis, I propose that a circular food production system design is built from the following elements 1) the integration of biomass-nutrient-energy, 2) the multifunctional use of perennial leys, and 3) the horizontal and vertical integration of actors and operations at the food systems scale which is functional both from the biophysical and physical perspective. Finally, I propose six steps that need to be taken simultaneously and to be implemented across all actors in the food system to transform the current food system towards circularity.Fossiilisten polttoaineiden ja mineraalilannoitteiden käytöstä johtuvat ympäristöongelmat ovat luoneet tarpeen uudenlaisille ruokajärjestelmille, jotka tuottavat riittävästi ruokaa kasvavalle väestölle ja samalla vähentävät tuotannon ympäristövaikutuksia. Fossiilisten polttoaineiden käytön historia ruoantuotannossa on suhteellisen lyhyt. Kestävyyden näkökulmasta fossiilisten polttoaineiden käytöstä tulisi päästä eroon ja siirtyä ruoantuotannossa uusiutuvaan energiaan niin, että energian tuottaminen ei kilpaile resursseista ruoantuotannon kanssa. Tämän väitöskirjan tavoitteena oli luoda malli kiertotalouden mukaiselle ruoantuotannolle, joka perustuu biomassan tuotannon, ravinteiden ja energian välisten vuorovaikutusten hyödyntämiseen. Tätä varten tutkittiin paikallisesti ja alueellisesti yhdistetyn ruoan- ja energiatuotannon biofysikaalisia ja taloudellisia vaikutuksia tapaustutkimuksissa, jotka vaihtelivat maatilamittakaavasta alueelliseen mittakaavaan Suomen ruokajärjestelmässä. Tulosten perusteella väitöskirja ehdottaa paikallisiin resursseihin nojautuvaa kiertotalouden mukaista ruoantuotantomallia. Biomassan tuotannon, ravinteiden kierrätyksen ja energian tuotannon integrointi tapahtuu mallissa mittakaavassa, joka mahdollistaa tehokkaan ravinteiden kierrätyksen ja energiantuotannon sivuvirroista. Agroekologisen symbioosien (AES) mallia ehdotetaan kiertotalouden mukaisen ruoantuotannon malliksi maatilamittakaavassa. Useat AES-järjestelmät muodostavat yhdessä agroekologisten symbioosien verkoston (NAES). Nämä konseptit edustavat paikkaperusteista ruoantuotantoverkostoa ja tarjoavat siten vaihtoehdon nykyisille keskittyneelle ruokajärjestelmälle. Kiertotalouden hahmottamiseen ruoantuotannossa ehdotetaan sisäkkäisten kiertojen (Nested Circularity) konseptia, joka auttaa ymmärtämään biomassan, ravinteiden ja energian väliset yhteydet kiertotalouden mukaisessa ruoantuotannossa yli maantieteellisten mittakaavojen. Väitöskirjan tulosten perusteella kiertotalouden mukainen ruokajärjestelmän koostuu seuraavista elementeistä: 1) biomassa-ravinne-energia-integraatio, 2) monivuotisten viljelykasvien käyttö biomassan tuottamiseen ja biologiseen typensidontaan, sekä 3) ruokajärjestelmän toimijoiden ja toimintojen alueellinen ja tuotantoketjujen ylikäyvä integrointi mittakaavassa, joka mahdollistaa ravinteiden kierrätyksen ja yhteistyön eri toimijoiden välillä. Lopuksi väitöskirjassa ehdotetaan kuusi toimenpidekokonaisuutta nykyisen järjestelmän muuttamiseksi kohti kiertotalouden mukaista ruokajärjestelmää

Aluskasvien vaikutus luonnonmukaisesti viljellyn ohran ja rikkakasvien kasvuun.

Rikkakasvit ovat yksi suurimmista luomuviljelyn satoa rajoittavista tekijöistä. Tavallisesti luomutiloilla käytetyllä mekaanisella rikkakasvin torjunnalla on useita negatiivia ympäris-tövaikutuksia. Peitekasvien viljely on vaihtoehto mekaaniselle rikkakasvien hallinnalle ja samalla se tukee monia muita maataloudelle annettuja ympäristötavoitteita. Pohjoisissa oloissa yleisin tapa toteuttaa peitekasvien viljelyä on kylvää ne satokasvin aluskasviksi. Tässä tutkimuksessa selvitettiin aluskasvien vaikutusta ohran (Hordeum vulgare) ja rikkakasvien kasvuun Jokiosissa sijaitsevilla koekentillä. Lintupajussa oli kaksi erillistä koeasetelmaa, joista toinen oli lannoittamaton ja toinen naudan lietelannalla lannoitettu (50 N kg/ha) koeasetelma. Kokeessa oli neljä aluskasvikäsittelyä, joita verrattiin aluskas-vittomaan käsittelyyn. Lamminkylän lannoittamaton koeasetelma sisälsi viisi eri aluskas-vikäsittelyä ja aluskasvittoman käsittelyn. Lisärikkakasviksi koeruutujen päihin kylvettiin rypsiä (Brassica rapa subsp. Oleifera). Aluskasvien vaikutusta selvitettiin koeruuduilta heinä- ja elokuussa otetuista kasvustonäytteistä, joista mitattiin ohran, rikkakasvien ja aluskasvien peittävyyttä, maanpäällistä biomassaa sekä tiheyttä. Aluskasvit tuottivat melko suuren maanpäällisen biomassan, mutta niillä ei ollut vaiku-tusta rikkakasvien maanpäällisen biomassaan. Aluskasviksi kylvetty ruis vähensi ohran satoa kolmanneksella, mutta muilla aluskasveilla ei ollut vaikutusta ohran jyväsatoon. Tulosten perusteella palkokasvit soveltuvat suurillakin siemenmäärillä ohran aluskas-viksi luonnonmukaisessa viljelyssä. Tarvitaan kuitenkin monivuotisia kenttäkokeita, joista saadaan tuloksia erilaisista viljelykierroista, maalajeilta ja sääolosuhteista

Suojavyöhykkeiden yleissuunnitelma Isojärven, Saarenniitynojan ja Savijoen-Rapuojan valuma-alueilla

Porvoonjoen vesistöalueella sijaitsevien Isojärven, Saarenniitynojan ja Savijoen-Rapuojan valuma-alueille laadittiin maatalousalueiden suojavyöhykkeiden yleissuunnitelma kesällä 2009. Kartoituksessa löytyi yhteensä yli sata kohdetta, jossa suojavyöhyke olisi tarpeellinen. Näillä kohteilla on pituutta yhteensä noin 25 kilometriä. Suojavyöhykkeiden yleissuunnitelman tavoitteena on löytää kohteet, joissa suojavyöhykkeen perustaminen olisi vesiensuojelullisesti kaikkein kannattavinta. Yleissuunnitelman toteuttaminen on viljelijälle vapaaehtoista. Suojavyöhykkeen perustamiseen voi hakea maatalouden ympäristötuen erityistukea. Suojavyöhykkeiden avulla voidaan vähentää tehokkaasti pelloilta huuhtoutuvien ravinteiden ja kiintoaineksen määrää. Samalla suojavyöhykkeet elävöittävät maisemaa ja lisäävät peltoalueiden monimuotoisuutta. Suojavyöhykkeitä voidaan perustaa ympäristötukeen kuuluville peltolohkoille, jotka rajoittuvat vesistöön tai valtaojaan. Myös pohjavesialueille sekä tulvaherkille tai vettymishaitoista kärsiville pelloille voidaan perustaa suojavyöhyke

Aluskasvien vaikutus luonnonmukaisesti viljellyn ohran ja rikkakasvien kasvuun

Rikkakasvit ovat yksi suurimmista luomuviljelyn satoa rajoittavista tekijöistä. Tavallisesti luomutiloilla käytetyllä mekaanisella rikkakasvin torjunnalla on useita negatiivia ympäristövaikutuksia. Peitekasvien viljely on vaihtoehto mekaaniselle rikkakasvien hallinnalle ja samalla se tukee monia muita maataloudelle annettuja ympäristötavoitteita. Pohjoisissa oloissa yleisin tapa toteuttaa peitekasvien viljelyä on kylvää ne satokasvin aluskasviksi. Tässä tutkimuksessa selvitettiin aluskasvien vaikutusta ohran (Hordeum vulgare) ja rikkakasvien kasvuun Jokiosissa sijaitsevilla koekentillä. Lintupajussa oli kaksi erillistä koe-asetelmaa, joista toinen oli lannoittamaton ja toinen naudan lietelannalla lannoitettu (50 N kg/ha) koeasetelma. Kokeessa oli neljä aluskasvikäsittelyä, joita verrattiin aluskasvittomaan käsittelyyn. Lamminkylän lannoittamaton koeasetelma sisälsi viisi eri aluskasvikäsittelyä ja aluskasvittoman käsittelyn. Lisärikkakasviksi koeruutujen päihin kylvettiin rypsiä (Brassica rapa subsp. Oleifera). Aluskasvien vaikutusta selvitettiin koeruuduilta heinä- ja elokuussa otetuista kasvustonäytteistä, joista mitattiin ohran, rikkakasvien ja aluskasvien peittävyyttä, maanpäällistä biomassaa sekä tiheyttä. Aluskasvit tuottivat melko suuren maanpäällisen biomassan, mutta niillä ei ollut vaiku-tusta rikkakasvien maanpäällisen biomassaan. Aluskasviksi kylvetty ruis vähensi ohran sa-toa kolmanneksella, mutta muilla aluskasveilla ei ollut vaikutusta ohran jyväsatoon. Tulosten perusteella palkokasvit soveltuvat suurillakin siemenmäärillä ohran aluskasviksi luonnonmukaisessa viljelyssä. Tarvitaan kuitenkin monivuotisia kenttäkokeita, joista saa-daan tuloksia erilaisista viljelykierroista, maalajeilta ja sääolosuhteista

Suojavyöhykkeiden yleissuunnitelma Isojärven, Saarenniitynojan ja Savijoen-Rapuojan valuma-alueilla

Porvoonjoen vesistöalueella sijaitsevien Isojärven, Saarenniitynojan ja Savijoen-Rapuojan valuma-alueille laadittiin maatalousalueiden suojavyöhykkeiden yleissuunnitelma kesällä 2009. Kartoituksessa löytyi yhteensä yli sata kohdetta, jossa suojavyöhyke olisi tarpeellinen. Näillä kohteilla on pituutta yhteensä noin 25 kilometriä. Suojavyöhykkeiden yleissuunnitelman tavoitteena on löytää kohteet, joissa suojavyöhykkeen perustaminen olisi vesiensuojelullisesti kaikkein kannattavinta. Yleissuunnitelman toteuttaminen on viljelijälle vapaaehtoista. Suojavyöhykkeen perustamiseen voi hakea maatalouden ympäristötuen erityistukea. Suojavyöhykkeiden avulla voidaan vähentää tehokkaasti pelloilta huuhtoutuvien ravinteiden ja kiintoaineksen määrää. Samalla suojavyöhykkeet elävöittävät maisemaa ja lisäävät peltoalueiden monimuotoisuutta. Suojavyöhykkeitä voidaan perustaa ympäristötukeen kuuluville peltolohkoille, jotka rajoittuvat vesistöön tai valtaojaan. Myös pohjavesialueille sekä tulvaherkille tai vettymishaitoista kärsiville pelloille voidaan perustaa suojavyöhyke

Nested circularity in food systems: A Nordic case study on connecting biomass, nutrient and energy flows from field scale to continent

Correction Resources, Conservation and Recycling Volume 174 Article Number 105738 DOI10.1016/j.resconrec.2021.105738 Published NOV 2021Although a circular economy promotes economic and environmental benefits, knowledge gaps remain surrounding the application of these concepts to food systems. A better understanding of the connection between different flows of biomass and energy at different spatial scales is needed to facilitate effective transitions towards circular bioeconomies. This study provides a framework for assessing the circularity of food systems, which we exemplify by identifying key steps towards circularity for three contrasting farming regions in Finland. For each of the regions, we quantified the flows of biomass, nutrients and energy. We found large differences in circularity, depending on the chosen indicator. Most biomass and nutrient flows were related to livestock production, which implies that it plays a key role in circular food systems. Current livestock production was found to be connected to national and global food systems through the international feed trade. This trade generates imbalanced nutrient flows between regions and countries, resulting in excess accumulations of nutrients in regions with net imports. In terms of circularity in energy systems, we found that substantial amounts of energy could be produced from manure and plant-based biomasses without causing food-fuel competition in land use. We also observed that, the inclusion of human excreta would further improve recycling but this was significant only in the region with a high population density. Thus, in this study, we propose a concept of nested circularity in which nutrient, biomass and energy cycles are connected and closed across multiple spatial scales.Peer reviewe

Luomupeltojen rikkakasvien hallinta peitekasvien avulla

Rikkakasvit aiheuttavat merkittävää satohaittaa luonnonmukaisessa peltoviljelyssä. Yleisesti rikka-kasvien hallinta perustuu luomutiloilla mekaaniseen maanmuokkaukseen, josta kuitenkin aiheutuu myös negatiivisia ympäristövaikutuksia kuten maan rakenteen heikkenemistä ja ravinteiden huuh-toutumista. Peitekasvien viljely on mielenkiintoinen vaihtoehto luomutiloilla rikkakasvien hallintaan mekaanisen maanmuokkauksen sijaan. Samalla toteutustavasta riippuen peitekasveja voidaan hyö-dyntää biologisessa typensidonnassa, ravinteiden huuhtoutumisen vähentämisessä, eroosion estossa ja maan kasvukunnon ylläpidossa. Peitekasvien käyttö rikkakasvien hallinnassa perustuu lisääntyvään kilpailuun valosta, ravinteista ja vedestä. Osalla kasveista on myös allelopatisia vaikutuksia. Suomessa yleisin tapa peitekasvin viljelyssä on kylvää heinä- tai palkokasvi pääkasvin aluskasviksi kylvön yhteydessä. Aluskasvi jätetään kasvamaan pääkasvin sadonkorjuun jälkeen. Pidemmän kasvuajan maissa peitekasvit kylvetään yleisesti sadonkorjuun jälkeen. Suomessa kasvukauden pituus kuitenkin rajoittaa sadonkorjuun jälkeen kylvettävien peitekasvien käyttöä. Aluskasvin tulisi tuottaa nopeasti rikkakasveja peittävä kasvusto, mutta ei kilpailla liikaa satokas-via vastaan. Sadonkorjuun jälkeen kasvun tulisi olla voimakasta. Peitekasvien vaikutuksia rikkakasvien hallinnassa luonnonmukaisessa viljelyssä on tutkittu melko vähän ja tutkimustulokset ovat olleet osittain ristiriitaisia. Aluskasvin viljely lisää kilpailua rikkakasveja vastaan, mutta toisaalta se estää mekaanisen rikkakasvien torjunnan. Lisäksi niiden viljely vaikuttaa satokasvin satoon aluskasvin viljelyvuonna sekä esikasvivaikutuksen johdosta seuraavana vuotena. Vaikutukset voivat olla joko positiivisia tai negatiivisia. Peitekasvien vaikutuksista rikkakasvien ja satokasvien kasvuun tarvittaisiin lisää tutkimusta. Eri aluskasvilajien ja lajikkeiden soveltuvuudesta eri pääkasveille tarvittaisiin lisätietoa erilaisilla maalajeilla. Tärkeää on saada lisätietoa siitä miten aluskasvien viljely sisällytetään viljelyjärjestelmään niin, että maksimoidaan kilpailu rikkakasveja vastaan mutta minimoidaan haitta satokasville. Aluskasvien viljelyä tuetaan maatalouden ympäristökorvausjärjestelmässä. Korvausten lisäksi peitekasvien viljelyn taloudellisuuteen vaikuttavat muun muassa käytettävän lajin siemenkustannukset, muutokset työkoneiden energiankulutuksessa, mahdollinen kilpailun aiheuttama sadonaleneminen, esikasvivaikutus seuraavalle vuodelle ja pitkäaikaiset vaikutukset rikkakasvien määrään

Co-creating Agroecological Symbioses (AES) for sustainable food system networks

Critics of modern food systems argue for the need to shift from a consolidated and concentrated, often monoculture based agro-industrial model toward diversified, post-fossil, and nutrient recycling food systems. The abundance of acute and obvious environmental problems in the agricultural sub-systems of the broader food system(s) have resulted in a focus on technological and natural scientific research into "solving" these point of production problems. Yet, there are many facets of food systems that are vital to sustainability which are not addressed even if the environmental problems were solved. In this article, we argue for agroecological symbiosis (AES) as a generic arrangement for re-configuring the primary production of food in agriculture, the processing of food, and development of a food community to work toward system-level sustainability. The guiding principle of this concept was the desire to base farming and food processing on renewable bioenergy, to close nutrient cycles, to break away from the consolidated food chain, to be more transparent and connected with consumers, and to revitalize the rural spaces where farms generally operate. Through a consistent and robust collaboration and co-creative process with transdisciplinary actors, ranging from food producers, and processers to policy actors, we designed a food system model based on networks of AES (NAES). The NAES would form place-based food networks, replacing the consolidated commodity chains. The NAES supports sustainable interactions from a biophysical and socio-cultural perspective. In this paper, we explain the AES concept, give an overview of the process of co-creating the pilot AES, and a proposal for the extension of the AES, as NAES, to create sustainable food systems. Overall, we conclude that the AES model holds potential for creating place-based food systems that further the sustainability agenda.Peer reviewe