Sachin G. Chavan (1,2,*) , Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1) , Christopher I. Cazzonelli (1) ja David T. Tissue 1,2)
1. National Vegetable Protected Cropping Centre, Hawkesbury Institute for the Environment, Länsi-Sydney
University, Locked Bag 1797, Penrith, NSW 2751, Australia; z.chen@westernsydney.edu.au (Z.-HC); o.ghannoum@westernsydney.edu.au (OG); c.cazzonelli@westernsydney.edu.au (CIC); d.tissue@westernsydney.edu.au (DTT)
2. Global Center for Land Based Innovation, Hawkesburyn kampus, Länsi-Sydneyn yliopisto,
Richmond, NSW 2753, Australia
3. School of Science, Western Sydney University, Penrith, NSW 2751, Australia
* Kirjeenvaihto: s.chavan@westernsydney.edu.au; Puh.: +61-2-4570-1913
Abstrakti: Suojattu viljely tarjoaa tavan vahvistaa elintarviketuotantoa ilmastonmuutoksen vuoksi
ja toimittaa terveellistä ruokaa kestävästi vähemmillä resursseilla. Kuitenkin tehdä tällä tavalla viljelyä
taloudellisesti kannattavaa, meidän on harkittava suojeltujen viljelykasvien asemaa käytettävissä olevien viljelykasvien yhteydessä
teknologiat ja vastaavat puutarhaviljelykasvit. Tässä katsauksessa esitellään olemassa olevia mahdollisuuksia
ja haasteita, joihin on vastattava jatkuvalla tutkimuksella ja innovaatiolla tällä jännittävällä mutta
monimutkainen kenttä Australiassa. Maatilan sisätilat luokitellaan laajasti seuraaviin kolmeen
teknologisen edistyksen tasot: matala, keskitaso ja korkea teknologia ja vastaavat haasteet
jotka vaativat innovatiivisia ratkaisuja. Lisäksi rajoitukset sisäkasvien kasvulle ja suojattu
viljelyjärjestelmät (esim. korkeat energiakustannukset) ovat rajoittaneet sisäviljelyn käyttöä suhteellisesti
vähän arvokkaita satoja. Siksi meidän on kehitettävä uusia sisäviljelyyn sopivia viljelylajikkeita
jotka voivat poiketa avomaatuotantoon vaadituista. Lisäksi suojattu rajaus
vaatii korkeita käynnistyskustannuksia, kallista ammattitaitoista työvoimaa, suurta energiankulutusta ja merkittäviä tuholaisia
sekä tautien hallinta ja laadunvalvonta. Kaiken kaikkiaan suojattu viljely tarjoaa lupaavia ratkaisuja
elintarviketurvan edistämiseksi ja samalla vähentää elintarviketuotannon hiilijalanjälkeä. Kuitenkin sisäkäyttöön
viljelykasvien tuotannolla on merkittävä myönteinen vaikutus maailmanlaajuiseen elintarviketurvaan ja ravitsemukseen
turvallisuuden vuoksi erilaisten kasvien taloudellinen tuotanto on välttämätöntä.
Avainsanat: suojattu rajaus; pystysuora maatila; maaperän vähemmän kulttuuri; sadon suorituskyky; sisätiloissa maatalous;
ruokaturvallisuus; resurssien kestävyys
1. Esittely
Maailman väestön odotetaan saavuttavan lähes 10 miljardia vuonna 2050, ja suurimman osan kasvusta ennustetaan tapahtuvan suurissa kaupunkikeskuksissa eri puolilla maailmaa [1,2]. Väestön kasvaessa elintarviketuotannon on lisättävä ja täytettävä ravitsemus- ja terveystarpeet ja samalla saavutettava YK:n kestävän kehityksen tavoitteet (UN SDGs) [3,4]. Peltomaan väheneminen ja ilmastonmuutoksen haitalliset vaikutukset maataloudelle asettavat lisähaasteita, jotka pakottavat tulevaisuuden elintarviketuotantojärjestelmien innovaatiot vastaamaan kasvavaan kysyntään seuraavien vuosikymmenten aikana. Esimerkiksi australialaiset maatilat altistuvat usein ilmaston vaihteluille ja ovat alttiita pitkäaikaisille ilmastonmuutoksen vaikutuksille. Viimeaikaiset kuivuuskaudet Itä-Australiassa vuosina 2018–19 ja 2019–20 vaikuttivat haitallisesti maatalousyrityksiin, mikä lisäsi ilmastonmuutoksen uusia vaikutuksia Australian maatalouteen [5].
Suojattu viljely, joka tunnetaan myös nimellä sisäviljely [6] – matalan teknologian polytunneleista keskiteknisiin, osittain ympäristöohjattuihin kasvihuoneisiin, korkean teknologian "älykkäisiin" kasvihuoneisiin ja sisätiloihin – voisi auttaa parantamaan maailmanlaajuista elintarviketurvaa 21. vuosisadalla. Vaikka visio omavaraisesta metropolista on houkutteleva tapana vastata nykyajan haasteisiin, sisätilojen viljely ei ole vastannut
kannattajiensa jännitystä ja optimismia. Suojattu viljely ja sisäviljely edellyttävät teknologian ja automaation laajempaa käyttöä maankäytön optimoimiseksi, mikä tarjoaa jännittäviä ratkaisuja tulevaisuuden elintarviketuotannon parantamiseen [7]. Ympäri maailmaa kaupunkiviljelyn [8,9] kehitys on usein tapahtunut kroonisten ja/tai akuuttien kriisien, kuten Alankomaiden valo- ja tilarajoitusten, jälkeen; autoteollisuuden romahdus Detroitissa; kiinteistömarkkinoiden romahdus Yhdysvaltain itärannikolla; ja Kuuban ohjuskriisisaarto. Muut
sysäyksiä ovat tulleet käytettävissä olevien markkinoiden muodossa, eli suojeltu viljelykasvi on lisääntynyt Espanjassa [10], koska maan on helppo päästä Pohjois-Euroopan markkinoille. Yhdessä nykyisten haasteiden kanssa meneillään oleva COVID-19-pandemia voisi tarjota tarvittavan sysäyksen kaupunkien maatalouden muuttamiseen [11].
Jos kaupunkiviljelyllä halutaan olla merkittävä rooli elintarviketurvan ja ihmisten ravitsemuksen parantamisessa, sitä on skaalattava maailmanlaajuisesti, jotta se pystyy kasvattamaan laajaa valikoimaa tuotteita energia-, resurssi- ja kustannustehokkaammalla tavalla kuin on tällä hetkellä mahdollista. Valtavia mahdollisuuksia on parantaa sadon tuottavuutta ja laatua yhdistämällä edistysaskel ympäristön hallinnassa, tuholaistorjunnassa, ilmiöissä ja automaatiossa
jalostustyöt kohdistuvat ominaisuuksiin, jotka parantavat kasvien arkkitehtuuria, sadon laatua (maku ja ravitsemus) ja satoa. Ympäristövalvotuilla tiloilla voidaan kasvattaa enemmän nykyisiä ja nousevia viljelykasveja verrattuna perinteisiin viljelykasveihin sekä lääkekasveja [12,13].
Välittömään tarpeeseen parantaa kaupunkien ruokaturvaa ja vähentää ruoan hiilijalanjälkeä voidaan vastata elintarvikealan innovaatioilla, kuten suojatulla viljelyllä ja vertikaalisella sisäviljelyllä. Ne vaihtelevat matalan teknologian polytunneleista, joissa on minimaalinen ympäristönsuojelu, keskiteknologian, osittain ympäristönsuojelun valvonnassa olevista kasvihuoneista huipputeknisiin kasvihuoneisiin ja vertikaalisiin viljelytiloihin, joissa on uusinta teknologiaa. Suojattu viljely on nopeimmin kasvava elintarviketuotantoala Australiassa tuotannon laajuuden ja taloudellisten vaikutusten kannalta [12]. Australian suojattu viljelyteollisuus koostuu korkean teknologian laitoksista (17 %), kasvihuoneista (20 %) ja hydroponisista/substraattipohjaisista kasvintuotantojärjestelmistä (52 %), mikä osoittaa tarvetta ja mahdollisuuksia kehittää maatalouselintarvikealaa. Tässä katsauksessa käsittelemme suojeltujen viljelykasvien tilaa käytettävissä olevien tekniikoiden ja vastaavien kohdepuutarhakasvien kontekstissa ja hahmotellaan mahdollisuuksia ja haasteita, joihin Australiassa meneillään olevan tutkimuksen on vastattava.
2. Nykyiset suojatun rajauksen tekniikat ja tekniikat
Vuonna 2019 kokonaismaa-ala, joka on omistettu suojellulle viljelylle, joka sisältää laajasti
Kasvien viljely kaiken tyyppisessä katteessa – arvioitiin 5,630,000 14 500,000 hehtaaria (ha) maailmanlaajuisesti [10]. Kasvihuoneissa (pysyvät rakenteet) viljeltyjen vihannesten ja yrttien kokonaisalan on arvioitu olevan maailmanlaajuisesti noin 90 15,16 hehtaaria, josta 1300 % näistä viljelykasveista kasvatetaan kasvihuoneissa ja 14 % muovikasvihuoneissa [5]. Australian kasvihuonepinta-alan arvioidaan olevan noin 17 83 hehtaaria, ja korkean teknologian kasvihuoneiden (noin 17 yksittäistä yritystä, kukin alle 80 ha) osuus tästä pinta-alasta on 20 prosenttia ja matalan teknologian/keskiteknologian kasvihuoneiden osuus 16 prosenttia [XNUMX ]. Maailmanlaajuisesti muoviset kasvihuoneet muodostavat noin XNUMX prosenttia ja kasvihuoneet XNUMX prosenttia kaikista tuotetuista kasvihuoneista [XNUMX].
Suojattu viljely on nopeimmin kasvava elintarviketuotantoala Australiassa, ja sen arvo oli noin 1.5 miljardia dollaria vuodessa tilan portilla vuonna 2017. On arvioitu, että noin 30 % kaikista australialaisista viljelijöistä kasvattaa satoa jossain suojatussa viljelyjärjestelmässä. että peitossa kasvatetut viljelykasvit muodostavat noin 20 prosenttia vihannesten ja kukkien tuotannon kokonaisarvosta [18]. Australiassa kasvihuonevihannesten tuotantopinta-ala on suurin Etelä-Australiassa (580 ha), jota seuraavat New South Wales (500 ha) ja Victoria (200 ha), kun taas Queenslandin, Länsi-Australian ja Tasmanian osuus on alle 50 ha [17 ].
Australian Horticulture Statistics Handbookin (2014–2015) ja teollisuuden kanssa käytyjen keskustelujen perusteella arvioitiin hedelmien, vihannesten ja kukkien tuotannon bruttoarvo (GVP) vuodelle 2017. Käytettyjen viljelyjärjestelmien joukossa kasvit, jotka on kasvatettu vesiviljelyssä/substraatti- eniten arvostettiin tuotantoon perustuvat tuotantojärjestelmät (52 %), ja sen jälkeen maaperän lannoitusjärjestelmillä kasvatetut (35 %), joissa on yhdistelmä maaperän lannoitusta ja hydroponisia/substraattipohjaisia järjestelmiä (11 %) ja joissa käytetään hydroponiikkaa/ravinnetta. filmitekniikka (NFT) (2 %) (kuva 1A). Samoin suojatyypeistä poly/lasipäällysteiden alla kasvatetuilla kasveilla (63 %) oli korkein GVP, jota seurasivat polypeitteiden alla kasvatetut (23 %), rakeet/varjopeitokset (8 %) ja yhdistetty poly/rae/varjostin. kattaa (6 %) (kuva 1B) [17]. Australiassa ei ole helposti saatavilla tilastoja tiettyjen kasvihuoneviljelytuotteiden GVP-arvoista [15].
Kuva 1. Suojattujen viljelykasvien (2017) kokonaisbruttoarvotuotanto (GVP) viljelyjärjestelmän (A) ja suojelun (B) mukaan. Hydroponiikka/substraattipohjaiseen tuotantoon kuuluu maaperän kasvien kasvu käyttämällä inerttiä väliainetta, kuten kivivillaa. Maaperä-/lannoitepohjainen tuotanto käsittää kasvien kasvattamisen käyttämällä maaperää lannoitteen kanssa (lannoitteen ja veden yhdistelmä). Hydroponiikka/ravintokalvotekniikka (NFT) tarkoittaa liuenneita ravinteita sisältävän matalan vesivirran kierrättämistä, joka kulkee kasvien juurien läpi vesitiiviissä kanavissa. "Poly" tarkoittaa polykarbonaattia.
Rae-/varjosuojukset, yleensä verkosta tai kankaasta, suojaavat satoa rakeilta ja estävät osan liiallisesta valosta. $ viittaa AUD:iin.
Yhdysvalloissa valvotuista ympäristölaitoksista lasi- tai polykarbonaatti (poly) kasvihuoneet (47 %) ovat yleisempiä kuin pystysuorat sisätilat (30 %), matalan teknologian muoviset vanteet (12 %) ja konttitilat (7 % ) ja sisätilojen syvänmeren viljelyjärjestelmät (4 %). Kasvujärjestelmistä hydroponiikka (49 %) on yleisempää kuin maaperäiset (24 %), akvaponiset (15 %), aeroponiset (6 %) ja hybridijärjestelmät (aeroponiikka, hydroponiikka, maaperä) (6 %) [19,20].
Australiassa on hyvin vähän kehittyneitä pystysuuntaisia tiloja, mikä johtuu suurelta osin siitä, että siellä on vähän tiheästi asuttuja kaupunkeja. Australiassa on kuitenkin noin 1000 16,17 hehtaarin kasvihuonealue [2006], ja tuoreiden vihannesten ja hedelmien vienti lisääntyi huomattavasti vuodesta 2016 vuoteen 16 Australiaan [XNUMX], kun peittoviljely lisääntyi. Vaikka Australia on saanut hyvän alun sisäviljelyssä ja alalla on valtava kasvupotentiaali, se vaatii aikaa kypsyä ja kehittyä, jotta siitä tulee avaintoimija maailmanlaajuisesti. Tällä hetkellä kaupallisesti suuntautuneet sisätilat voidaan luokitella kolmeen teknisen edistyksen tasoon: matala, keskitaso ja korkea teknologia. Jokaisesta niistä keskustellaan yksityiskohtaisemmin seuraavissa osioissa.
2.1. Uusia tekniikoita matalan teknologian polytunneleille
Matalan teknologian kasvihuonetiloilla, jotka edistävät eniten suojattua viljelyä, on useita rajoituksia, jotka edellyttävät teknisiä ratkaisuja, jotka auttavat niiden siirtymisessä kannattaviin keskitason tai korkean teknologian tiloihin, jotka tuottavat korkealaatuisia satoja minimaalisilla resursseilla. Low-tech poly-tunnelit kattavat 80–90 % kasvihuonekasvituotannosta maailmanlaajuisesti [20] ja Australiassa [17]. Ottaen huomioon matalan teknologian polytunneleiden suuri osuus suojelluista viljelykasveista ja niiden alhainen ilmasto-, lannoitus- ja tuholaistorjuntataso, on tärkeää puuttua niihin liittyviin haasteisiin, jotta viljelijöille voidaan lisätä tuotantoa ja taloudellista tuottoa.
Low-tech-taso kattaa erityyppiset polytunnelit, jotka voivat vaihdella väliaikaisista muovipäällysteisistä metallirakenteista pysyviin tarkoitukseen rakennettuihin rakenteisiin. Yleensä niitä ei ohjata yli kyvyn nostaa muovipäällystettä, kun ulkona on liian kuuma tai pilvinen. Nämä muovisuojat suojaavat satoa rakeelta, sateelta ja kylmältä säältä ja pidentävät kasvukautta jossain määrin. Nämä halvat rakenteet tarjoavat a
kannattavaa tuottoa investoinneille vihanneskasveissa, kuten salaatissa, papuissa, tomaateissa, kurkussa, kaalissa ja kesäkurpitsassa. Maatalous näissä polytunneleissa tapahtuu maaperässä, kun taas edistyneemmissä toiminnoissa voidaan käyttää suuria ruukkuja ja tippakastelua tomaateille, mustikille, munakoisoille tai paprikoille. Vaikka matalan teknologian suojattu viljely on järkevää pienille viljelijöille, tällaisissa tekniikoissa on kuitenkin useita puutteita. Niiden puute ympäristön hallinnassa vaikuttaa tuotteen koon ja laadun yhtenäisyyteen ja siten heikentää
näiden tuotteiden markkinoille pääsy vaativille asiakkaille, kuten supermarketeille ja ravintoloille. Koska viljelykasvi istutetaan yleensä maaperään, nämä viljelijät kohtaavat myös lukuisia tuholaisia ja maaperän leviämiä sairauksia (esim. jatkuva sukkulamatotartunta). Teollisuus- ja tutkimuskumppanit tarvitsevat innovaatioita tarjotakseen ratkaisuja tilojen suunnitteluun ja sadonhallintajärjestelmiin sekä älykkäitä kauppajärjestelmiä tuotteiden vientiin
ja ylläpitää jatkuvaa toimitusketjua. Kannustimet ja tuki rahoittajilta sekä teknologiset innovaatiot (esim. biologinen ohjaus, kastelun osittainen automatisointi ja lämpötilan säätö) yliopistoilta ja yrityksiltä voivat auttaa viljelijöitä siirtymään kehittyneempiin teknologisiin viljelyjärjestelmiin.
2.2. Keskiteknisten kasvihuoneiden päivittäminen innovaatioilla ja uusilla tekniikoilla
Keskiteknologian suojattu viljely on laaja luokka, joka kattaa valvotut kasvihuoneet ja kasvihuoneet. Tämä suojellun viljelyalan osa vaatii merkittäviä teknologisia parannuksia, jotta se kilpailee laajamittaisen elintarviketuotannon kanssa tiloilla, jotka käyttävät matalan teknologian polytunneleita ja korkealaatuisia tuotteita korkean teknologian kasvihuoneista. Keskiteknisten kasvihuoneiden ympäristönhallinta on yleensä osittaista tai intensiivistä ja joidenkin kasvihuoneiden lämpötilaa voidaan säätää manuaalisesti avaamalla katto.
kehittyneemmissä tiloissa on jäähdytys- ja lämmitysyksiköt. Aurinkopaneelien ja älykkäiden kalvojen käyttöä tutkitaan energiakustannusten ja hiilijalanjäljen vähentämiseksi keskiteknologian kasvihuoneissa [21–23].
Vaikka monet kasvihuoneet on edelleen valmistettu PVC- tai lasiverhoilusta, älykkäitä kalvoja voidaan käyttää näihin rakenteisiin tai ne voidaan sisällyttää kasvihuonesuunnitteluun energiatehokkuuden lisäämiseksi. Yleensä huippuluokan kasvihuoneissa käytetään kasvualustoja, kuten Rockwool-lohkoja, joissa on huolellisesti kalibroituja nestemäisiä lannoitteita eri kasvuvaiheissa sadon maksimoimiseksi. CO2-lannoitusta käytetään joskus keskiteknologian kasvihuoneissa sadon ja laadun parantamiseksi. Keskitason teknologian suojattu viljelyala hyötyy teollisuuden ja yliopistojen kumppanuuksista kehittyneiden tieteellisten ja teknisten ratkaisujen luomiseksi, mukaan lukien uudet viljelykasvien genotyypit, joilla on korkea tuotto ja laatu, integroitu tuholaistorjunta, täysin automatisoitu lannoitus ja kasvihuoneilmaston hallinta sekä robottiapu viljelykasvien hallinnassa. ja sadonkorjuu.
2.3. Tieteen ja teknologian innovaatiot korkean teknologian kasvihuoneisiin
Korkean teknologian kasvihuoneissa voidaan hyödyntää viimeisintä teknologista kehitystä sadon fysiologiassa, lannoituksen, kierrätyksen ja valaistuksen alalla. Esimerkiksi suurissa kaupallisissa kasvihuoneissa voidaan käyttää "älykäs lasi" -tekniikkaa, aurinkosähköjärjestelmiä ja lisävalaistusta, kuten LED-paneeleja, parantamaan sadon laatua ja satoa. Tuottajat myös automatisoivat yhä enemmän kriittisiä ja/tai työvoimavaltaisia alueita, kuten sadon seurantaa, pölytystä ja sadonkorjuuta.
Tekoälyn (AI) ja koneoppimisen (MI) kehitys on avannut uusia ulottuvuuksia korkean teknologian kasvihuoneille [24–28]. Tekoäly on joukko tietokoneella koodattuja sääntöjä ja tilastollisia malleja, jotka on koulutettu havaitsemaan suurdatan malleja ja suorittamaan tehtäviä, jotka yleensä liittyvät ihmisen älykkyyteen. Kuvantunnistuksessa käytettyä tekoälyä käytetään sadon terveyden seurantaan ja tautien oireiden tunnistamiseen, mikä mahdollistaa nopeamman ja tietoisemman päätöksenteon sadonhoidossa ja sadonkorjuussa – mikä nykyään on mahdollista.
enemmän robottiaseita kuin ihmistyötä. Internet-of-Things (IoT) tarjoaa automaatioratkaisuja, jotka voidaan räätälöidä erityisesti kasvihuonesovelluksiin [29]. Näin ollen tekoäly ja IoT voivat edistää merkittävästi nykyaikaista maataloutta hallitsemalla ja automatisoimalla maataloustoimintaa [30].
Maatalousrobottien alan tutkimus ja kehitys on kasvanut merkittävästi viimeisen vuosikymmenen aikana [31–33]. Paprikan autonominen sadonkorjuujärjestelmä, joka lähestyy kaupallista elinkelpoisuutta, osoitettiin Australiassa 76.5 prosentin [31] onnistumisprosentilla. Euroopassa ja Israelissa on kehitetty robottien prototyyppejä tomaattikasvien lehtien poistamiseen, paprikan korjuuseen ja tomaattisatojen [34,35] pölyttämiseen, ja ne voidaan kaupallistaa lähitulevaisuudessa.
Lisäksi suurten korkean teknologian kasvihuoneiden työvoimanhallintaohjelmistot optimoivat työntekijöiden tehokkuutta merkittävästi ja parantavat näiden yritysten taloudellisia näkymiä. Tietotekniikan ja tekniikan vallankumous vahvistaa edelleen suojattua viljelyä ja sisäviljelyä, jolloin viljelijät voivat seurata ja hallita satoaan tietokoneilla ja mobiililaitteilla, joita voidaan käyttää jopa kriittiseen viljelyyn ja viljelyyn.
markkinapäätökset. Korkean teknologian kasvihuoneilla on suurin potentiaali hyötyä Australian suojellulle viljelyalalle, joten jatkuva tutkimus ja innovaatio näihin tiloihin merkitsee todennäköisesti hyvin sijoitettua aikaa ja rahaa.
2.4. Pystysuuntaisten tilojen kehittäminen tulevia tarpeita varten
Viime vuosina on havaittu nopeaa kehitystä sisätiloissa "pystysuorassa maataloudessa" kaikkialla maailmassa, erityisesti maissa, joissa on suuri väestö ja joissa maata ei ole riittävästi [36,37]. Vertikaalisen viljelyn arvo on 6 miljardia Yhdysvaltain dollaria, mutta se on edelleen pieni murto-osa monen biljoonan dollarin globaaleista maatalousmarkkinoista [38]. Vertikaalisessa viljelyssä on useita iteraatioita, mutta niissä kaikissa käytetään pystysuoraan pinottuja mullattomia tai vesiviljelyhyllyjä täysin suljetussa ja valvotussa ympäristössä, mikä mahdollistaa korkean automaation, ohjauksen ja johdonmukaisuuden [39]. Vertikaalinen viljely rajoittuu kuitenkin arvokkaisiin ja lyhyen elinkaaren viljelykasveihin korkeiden energiakustannusten vuoksi huolimatta siitä, että se tarjoaa vertaansa vailla olevaa tuottavuutta neliömetriä kohden sekä korkeaa vesi- ja ravinnetehokkuutta.
Vertikaalisen viljelyn teknologinen ulottuvuus – ja erityisesti "älykkäiden" kasvihuoneiden tulo – houkuttelee todennäköisesti viljelijöitä, jotka haluavat työskennellä uusien tietokone- ja big data-tekniikoiden, kuten tekoälyn ja esineiden internetin (IoT) kanssa [40]. Tällä hetkellä kaikki sisäviljelyn muodot ovat energia- ja työvoimavaltaisia, vaikka sekä automaatiossa että energiatehokkuusteknologioissa on parantamisen varaa. Jo nyt kehittyneimmät sisämaatalouden muodot tuottavat omaa energiaa paikan päällä ja ovat riippumattomia yleisestä sähköverkosta. Kattopuutarhat voivat vaihdella yksinkertaisista kaupunkirakennusten päällä olevista yrityksistä New Yorkin ja Pariisin kuntien rakennuksiin. Vertikaalisella sisäviljelyllä on valoisa tulevaisuus varsinkin COVID-19-pandemian jälkeen, ja sillä on hyvät mahdollisuudet kasvattaa osuuttaan maailman elintarvikemarkkinoilla.
erittäin tehokas tuotantojärjestelmä, toimitusketjun ja logistiikkakustannusten aleneminen, automaatiomahdollisuudet (käsittelyn minimoiminen) ja helppo pääsy sekä työvoimalle että kuluttajille.
3. Kohdekasvit suojatussa rajauksessa
Tällä hetkellä sisäviljelyyn soveltuvien viljelykasvien määrä on rajallinen johtuen sisätilojen kasvuun liittyvistä rajoituksista sekä suojatuista viljelyrajoituksista, kuten korkeista energiakustannuksista (valaistukseen, lämmitykseen, jäähdytykseen ja erilaisten automatisoitujen järjestelmien käyttöön), mikä mahdollistaa tiettyjen arvokkaiden viljelykasvien. 41–43]. Erilaisten syötävien viljelykasvien taloudellinen tuotanto on kuitenkin välttämätöntä, jos suojatulla viljelyllä halutaan vaikuttaa merkittävästi
maailmanlaajuinen elintarviketurva [12,13,44]. Suojellun vihannesviljelyn lajikkeet poikkeavat merkittävästi avomaatuotannon lajikkeista, jotka on jalostettu kestämään monenlaisia ympäristöolosuhteita, mitä ei välttämättä vaadita suojatussa viljelyssä. Sopivien lajikkeiden kehittäminen edellyttää useiden ominaisuuksien optimointia (kuten itsepölytys, epämääräinen kasvu, vahvat juuret), jotka eroavat ominaisuuksista
toivottavaa ulkokasveilla (kuva 2) (Hyväksytty [13]).
Kuva 2. Halutut ominaisuudet sisätiloissa hallitun ympäristön olosuhteissa kasvatetuille hedelmäkasveille verrattuna ulkona pelto-olosuhteissa kasvatettuihin kasveihin.
Tällä hetkellä sisäviljelyyn parhaiten soveltuvia hedelmiä ja vihanneksia ovat:
• Ne, jotka kasvavat viiniköynnöksissä tai pensaissa (tomaatti, mansikka, vadelma, mustikka, kurkku, paprika, viinirypäle, kiivi);
• Arvokkaat erikoiskasvit (humala, vanilja, sahrami, kahvi);
• Lääke- ja kosmeettiset viljelykasvit (merilevä, echinacea);
• Pienet puut (kirsikat, suklaa, mango, mantelit) ovat muita toteuttamiskelpoisia vaihtoehtoja [13].
Seuraavissa osioissa käsittelemme tarkemmin nykyisiä olemassa olevia viljelykasveja ja uusien lajikkeiden kehittämistä sisäviljelyyn.
3.1. Nykyiset viljelykasvit, joita kasvatetaan matalan, keskitason ja korkean teknologian tiloissa
Matalan ja keskitason teknologian suojatut viljelyjärjestelmät tuottavat pääasiassa tomaattia, kurkkua, kesäkurpitsaa, paprikaa, munakoisoa, salaattia, aasialaisia vihanneksia ja yrttejä. Pinta-alalla, tuotettujen hedelmien määrällä ja yritysten lukumäärällä mitattuna tomaatti on tärkein kasvihuoneissa tuotettu puutarhakasvikasvi, jota seuraavat paprika ja salaatti [15,45].
Australiassa suuren mittakaavan valvotun ympäristön tilojen kehittäminen on rajoittunut pääasiassa tomaattien viljelyyn tarkoitettuihin tiloihin [15]. Hedelmien, vihannesten ja kukkien arvioitu GVP vuodelle 2017 pellolla ja suojelluissa viljelylaitoksissa osoittaa tomaattien hallitsevan aseman Australian suojatulla viljelyalalla.
Kokonaisarvioitu GVP vuodelle 2017 puutarhakasvien pelto- ja peitetuotannon osalta oli korkein tomaateilla (24 %), jota seurasivat mansikka (17 %), kesähedelmät (13 %), kukat (9 %), mustikka. (7 %), kurkku (7 %) ja paprika (6 %), joista aasialaisia vihanneksia, yrttejä, munakoisoa, kirsikoita ja marjoja on alle 6 % (Kuva 3A).
Kuva 3. Arvioitu kokonaistuotannon bruttoarvo (GVP) koko yhdistettyyn pelto- ja suojeltujen vihannesten tuotantoon (A) ja laskennallinen GVP suojelluilla viljelykasveilla vuonna 2017 (B) Australiassa.
Näistä suojatuissa viljelykasveissa kasvatettujen kasvien GVP oli korkein tomaateilla (40 %), mikä johti merkittävästi muihin viljelykasveihin, mukaan lukien kukat (11 %), mansikka (10 %) ja kesähedelmät (8 %). ) ja marjoja (8 %), ja kunkin jäljellä olevan kasvin osuus on alle 5 % (kuva 3B). Australian kotimarkkinat ovat kuitenkin kyllästyneet kasvihuonetomaateista, jotka jättävät suojatun viljelyteollisuuden
seuraavilla kahdella vaihtoehdolla: lisätä näiden viljelykasvien myyntiä kansainvälisillä markkinoilla; ja/tai rohkaista joitain maan nykyisistä kasvihuoneviljelijöistä siirtymään muiden arvokkaiden kasvien tuotantoon. Yksittäisten suojeltujen viljelykasvien osuus oli korkein marjoilla (85 %) ja tomaateilla (80 %), joita seurasivat kukat (60 %), kurkku (50 %), kirsikka ja aasialaiset vihannekset (kumpikin 40 %), mansikka ja kesä.
hedelmät (kumpikin 30 %), mustikka ja yrtit (kukin 25 %) ja lopuksi paprika ja munakoiso, kutakin 20 % [17]. Tällä hetkellä energia- ja työvoimavaltainen sisäviljely rajoittuu arvokasveihin, joita voidaan tuottaa lyhyellä aikavälillä pienellä energiapanoksella [46,47]
Kasvien "tehtaissa" tällä hetkellä viljellään pääasiassa lehtivihanneksia ja yrttejä, mikä johtuu näiden kasvien lyhyestä kasvukaudesta (koska hedelmiä ja siemeniä ei vaadita) ja korkeasta arvosta [7], koska tällaiset kasvit vaativat suhteellisen vähemmän valoa. fotosynteesiin [48] ja koska suurin osa tuotetusta kasvibiomassasta voidaan korjata [46,49]. Kaupunkitiloilla viljeltyjen viljelykasvien satoa ja laatua voidaan parantaa paljon [12].
3.2. Toimialatutkimus: Missä ovat osallistujien kiinnostuksen kohteet?
Keskeisten tutkimusaiheiden tunnistaminen on olennaista julkisen ja yksityisesti rahoitetun tutkimuksen tehostamiseksi suojellun viljelyn tulevaisuuden kannalta. Esimerkiksi Future Food Systems Co-operative Research Center (FFSCRC), jonka aloitteesta ovat New South Wales Farmers Association (NSW Farmers), University of New South Wales (UNSW) ja Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), koostuu konsortiosta. yli 60 perustajalla
teollisuuden, hallituksen ja tutkimuksen osallistujat. Sen tutkimus- ja osaamisohjelmien tavoitteena on tukea osallistujia alueellisten ja kaupunkien lähialueiden elintarvikejärjestelmien tuottavuuden optimoinnissa, uusien tuotteiden tuomisessa prototyypeistä markkinoille ja nopeiden, alkuperäsuojattujen toimitusketjujen toteuttamisessa maatilalta kuluttajalle. Tätä tarkoitusta varten FFSRC tarjoaa yhteistyön tutkimusympäristön, jonka tavoitteena on parantaa suojeltuja viljelykasveja, jotta voimme parantaa kykyämme viedä huippulaatuisia puutarhatuotteita ja auttaa Australiaa nousemaan tieteen ja teknologian johtajaksi suojellun viljelyalan alalla.
Osallistujia tutkittiin sisämaatalouden kohdekasvien tunnistamiseksi. Kohdekasveja tunnistaneiden osallistujien joukossa kiinnostus tuoreita vihanneksia kohtaan oli suurin (29 %), jota seurasi kiinnostus hedelmäkasveja kohtaan (22 %). lääkekannabis, muut lääkeyrtit ja erikoiskasvit (13 %); kotoperäiset/alkuperäiset lajit (10 %); sienet/sienet (10 %); ja lehtivihannekset (3 %) (kuva 4).
Kuva 4. FFSCRC:n osallistujien tällä hetkellä suojelluissa viljelytiloissa tuottamien viljelykasvien luokittelu ja siten osallistujien todennäköinen kiinnostus löytää ratkaisuja näiden kasvien tuottamiseen peiton alla.
Kysely perustui verkossa saatavilla oleviin osallistujien tietoihin; yksityiskohtaisemman tiedon hankkiminen on ratkaisevan tärkeää osallistujien erityisvaatimusten ymmärtämisen ja täyttämisen kannalta.
3.3. Uusien lajikkeiden kasvattaminen valvotun ympäristön tiloihin
Kasvikasvien ja muiden viljelykasvien parantamiseen käytettävissä olevat jalostusteknologiat kehittyvät nopeasti [50]. Suojellussa viljelyssä, dynaamisessa talouden alalla, jossa markkinatrendit ja kuluttajien mieltymykset muuttuvat nopeasti, oikean lajikkeen valinta on kriittinen [44,51]. On olemassa monia tutkimuksia, joissa arvioidaan arvokkaiden kasvien, kuten tomaattien ja munakoison, sopeuttamista kasvihuonetuotantoon [52,53]. Uudet jalostustekniikat [50] ovat helpottaneet uusien lajikkeiden kehittämistä, joilla on halutut ominaisuudet, ja jotkut yritykset ovat alkaneet suunnitella kasveja kasvamaan kontrolloiduissa ympäristöissä LED-valojen alla [20]. Lajikkeita on kuitenkin jalostettu pääasiassa sadon maksimoimiseksi erittäin vaihtelevissa kenttäolosuhteissa [46]. Kasvin ominaisuuksia, kuten kuivuuden, lämmön ja pakkasen sietokykyä, jotka ovat toivottavia peltokasveissa, mutta joihin liittyy tyypillisesti satomaksuja, ei yleensä tarvita
sisämaatalous.
Keskeisiä ominaisuuksia, joita voidaan kohdistaa arvokkaiden kasvien sopeuttamiseen sisämaatalouteen, ovat lyhyet elinkaarit, jatkuva kukinta, alhainen juurien ja versojen välinen suhde, parantunut suorituskyky alhaisella fotosynteettisen energian panoksella ja toivottavat kuluttajaominaisuudet, kuten maku, väri, rakenne ja spesifinen ravintoainepitoisuus [12,13]. Lisäksi erityisesti korkeamman laadun jalostus tuottaa erittäin haluttuja tuotteita, joilla on korkea markkina-arvo. Valospektriä, lämpötilaa, kosteutta ja ravinteiden saantia voidaan hallita siten, että kohdeyhdisteiden kertymistä lehtiin ja hedelmiin voidaan muuttaa [54,55] ja lisätä sadon ravintoarvoa, mukaan lukien proteiinit (määrä ja laatu), A- ja C-vitamiinit. ja E, karotenoidit, flavonoidit, mineraalit, glykosidit ja antosyaanit [12]. Esimerkiksi luonnossa esiintyviä mutaatioita (rypäleissä) ja geenien muokkausta (kiiveissä) on käytetty kasvien arkkitehtuurin muokkaamiseen, mikä on hyödyllistä sisäviljelyssä rajoitetuissa tiloissa. Äskettäisessä tutkimuksessa tomaatti- ja kirsikkakasveja kehitettiin käyttämällä CRISPR-Cas9:ää yhdistämään seuraavat kolme toivottavaa ominaisuutta: kääpiöfenotyyppi, kompakti kasvutapa ja varhainen kukinta. Tuloksena saatujen "muokattujen" tomaattilajikkeiden soveltuvuus sisäviljelyjärjestelmiin validoitiin käyttämällä pelto- ja kaupallisia vertikaalisia maatilakokeita [56].
Molekyylijalostuksen katsauksessa optimoitujen viljelykasvien luomiseksi käsiteltiin maataloustuotteiden lisäarvoa kehittämällä viljelykasveja, joilla on terveyshyötyjä ja syötäviä lääkkeitä [46]. Tärkeimmät lähestymistavat terveydellisiä viljelykasveja tuottavien viljelykasvien kehittämiseksi tunnistettiin suurten määrien toivotun luontaisen ravinteen kerääntymiseksi tai ei-toivottujen yhdisteiden vähentämiseksi ja arvokkaiden yhdisteiden kerääntymiseksi,
niitä ei tavallisesti tuoteta viljelyssä.
4. Haasteet ja mahdollisuudet suojatussa viljelyssä ja sisätiloissa
Kehittyneillä suojatuilla viljelylaitoksilla ja sisätiloilla on suhteellisen pieni ympäristövaikutus. Vaikka kasvien kasvatus peiton alla on energiaintensiivisempaa kuin monet muut viljelymenetelmät, kyky lieventää sään vaikutuksia, varmistaa jäljitettävyys ja kasvattaa laadukkaampaa ruokaa edistävät laadukkaiden tuotteiden jatkuvaa toimitusta, mikä houkuttelee tuottoa, joka on huomattavasti suurempi kuin lisätuotantokustannukset. [18]. Suojatun viljelyn tärkeimpiä haasteita ovat:
• Korkeat pääomakustannukset kaupunkien sisä- ja esikaupunkialueiden korkeiden maahintojen vuoksi;
• Korkea energiankulutus;
• Ammattitaitoisen työvoiman kysyntä;
• Taudinhallinta ilman kemiallisia torjuntatoimia; ja
• Ravitsemuksellisten laatuindeksien kehittäminen – tuotteiden laatunäkökohtien määrittelemiseksi ja sertifioimiseksi – sisätiloissa kasvatetuille viljelykasveille.
Seuraavassa osiossa käsittelemme joitain suojattuun viljelyyn liittyviä haasteita ja mahdollisuuksia.
4.1. Optimaaliset olosuhteet korkealle tuottavuudelle ja tehokkaalle resurssien käytölle
Kasvien tarpeiden parempi ymmärtäminen eri kasvuvaiheissa ja erilaisissa valaistusolosuhteissa on välttämätöntä, jos viljelijät haluavat ylläpitää kustannustehokasta kasvintuotantoa kontrolloiduissa ympäristöissä. Kasvihuoneympäristön tehokas hoito, mukaan lukien sen ilmastolliset ja ravitsemukselliset osatekijät, sekä rakenteelliset ja mekaaniset olosuhteet voivat parantaa hedelmien laatua ja satoa merkittävästi [57]. Kasvuympäristön tekijät voivat vaikuttaa kasvien kasvuun, haihtumisnopeuksiin ja fysiologisiin sykleihin. Ilmastotekijöistä auringon säteily on tärkein, sillä fotosynteesi vaatii valoa ja sato on suoraan verrannollinen auringonvalon tasoon fotosynteesin valokyllästyspisteisiin saakka. Usein tarkka ympäristönhallinta vaatii suuria energiakustannuksia, mikä heikentää valvotun ympäristön maatalouden kannattavuutta. Kasvihuoneiden lämmitykseen ja jäähdytykseen tarvittava energia on edelleen suuri huolenaihe ja tavoite niille, jotka haluavat vähentää energiakustannuksia [6]. Lasitusmateriaalit ja innovatiiviset lasiteknologiat, kuten Smart Glass [58], tarjoavat lupaavia mahdollisuuksia vähentää kasvihuoneen lämpötilan ylläpitämiseen ja ympäristömuuttujien hallintaan liittyviä kustannuksia. Nykyään kasvihuonetilojen suojattuun viljelyyn sisällytetään innovatiivisia lasitekniikoita ja tehokkaita jäähdytysjärjestelmiä. Lasitusmateriaaleissa on potentiaalia vähentää
sähkönkulutus absorboimalla ylimääräistä auringonsäteilyä ja ohjaamalla valoenergiaa sähkön tuottamiseen aurinkokennoilla [59,60].
Peitemateriaalit kuitenkin vaikuttavat kasvihuoneiden mikroilmastoon [61,62], mukaan lukien valo [63], ja siksi on tärkeää arvioida uusien lasitusmateriaalien vaikutusta kasvien kasvuun ja fysiologiaan, resurssien käyttöön, sadon saantoon ja laatuun ympäristöissä, joissa tekijät vaikuttavat. kuten CO2, lämpötilaa, ravinteita ja kastelua valvotaan tarkasti. Esimerkiksi osittain läpinäkyviä orgaanisia aurinkosähköjä (OPV), jotka perustuivat regioregulaarisen poly(3-heksyylitiofeenin) (P3HT) ja fenyyli-C61-voihappometyyliesterin (PCBM) sekoitukseen, testattiin pippurikasvien (Capsicum annuum) viljelyyn. OPV:n varjossa paprikat tuottivat 20.2 % enemmän hedelmämassaa ja varjostetut kasvit olivat 21.8 % korkeampia kasvukauden lopussa [64]. Eräässä toisessa tutkimuksessa katolla olevien joustavien aurinkosähköpaneelien aiheuttama PAR-arvon väheneminen ei vaikuttanut satoon, kasvin morfologiaan, kukkien lukumäärään oksaa kohti, hedelmän väriin, kiinteyteen ja pH-arvoon [65].
Erittäin vähän heijastavaa "älylasilasikalvoa", Solar Gard™ ULR-80 [58], testataan parhaillaan kasvihuonetuotannossa. Tavoitteena on realisoida säädettävän valonläpäisykyvyn omaavien lasitusmateriaalien potentiaali ja vähentää korkean teknologian kasvihuoneviljelytilojen toimintaan liittyviä korkeita energiakustannuksia. Smart glass (SG) -kalvoa levitetään yksittäisten kasvihuonetilojen standardilasiin laitoksissa, joissa kasvatetaan vihanneskasveja käyttämällä kaupallisia vertikaalisia viljely- ja hoitokäytäntöjä [66,67]. SG:n mukaiset munakoisokokeet osoittivat korkeamman energia- ja hedelmöitystehokkuuden [42], mutta myös pienensivät munakoisosatoa, koska kukkien ja/tai hedelmien keskeytys on suuri valorajallisen fotosynteesin seurauksena [58]. Käytettyä SG-kalvoa voidaan joutua muokkaamaan optimaalisten valo-olosuhteiden luomiseksi ja valorajoitusten minimoimiseksi runsaasti hiiltä sisältäville hedelmille, kuten munakoisolle.
Uusien energiaa säästävien lasitusmateriaalien, kuten älylasin, käyttö tarjoaa erinomaisen mahdollisuuden vähentää kasvihuonetoimintojen energiakustannuksia ja optimoida valo-olosuhteet kohdekasvien viljelyyn. Älykkäät peitekalvot, kuten luminescent-light emitting maatalouskalvot (LLEAF), voivat tehostaa ja hallita vegetatiivista kasvua ja lisääntymiskehitystä keskiteknologian suojatussa viljelyssä. LLEAF
paneeleja voitaisiin testata useilla kukkivilla ja ei-kukkivilla kasveilla sen määrittämiseksi, auttavatko ne lisäämään vegetatiivista ja lisääntymiskasvua (muuttamalla fysiologisia prosesseja, jotka tukevat kasvien kasvua ja sadon tuottavuutta ja laatua).
4.2. Tuholaisten ja tautien hallinta
Vaikka valvotut suojatut viljelylaitokset voivat minimoida tuholaiset ja sairaudet, niiden torjunta on äärimmäisen vaikeaa ja kallista ilman myrkyllisiä synteettisiä kemikaaleja. Pystysuora sisäviljely mahdollistaa viljelykasvien tarkan seurannan tuholaisten tai taudin merkkien varalta manuaalisesti ja/tai automaattisesti (anturitekniikoita käyttämällä) ja uusien robottitekniikoiden ja/tai kaukokartoitusmenetelmien käyttöönotto helpottaa
tautipesäkkeiden varhainen havaitseminen ja sairaiden ja/tai saastuneiden kasvien poistaminen [7].
Kasvihuoneiden tuholaisten tehokas hallinta edellyttää uusia integroituja tuholaistorjuntamenetelmiä [68]. Asianmukaiset hallintastrategiat (kulttuuriset, fyysiset, mekaaniset, biologiset ja kemialliset) sekä hyvät viljelykäytännöt, edistyneet seurantatekniikat ja tarkka tunnistaminen voivat parantaa vihannesten tuotantoa ja minimoimalla torjunta-aineiden käytön. Integroitu lähestymistapa taudin hallintaan sisältää vastustuskykyisten lajikkeiden käytön, sanitaatiota, järkeviä viljelykäytäntöjä ja torjunta-aineiden asianmukaista käyttöä [44]. Uusien IPM-strategioiden kehittäminen voi minimoida työvoimakustannukset ja tarpeen käyttää kemiallisia torjunta-aineita. Otetaan esimerkiksi uusien, kaupallisesti kasvatettujen, luonnollisesti hyödyllisten hyönteisten käyttö (esim. kirvakääpiö, vihreä nauha jne.) viljelykasvien tuholaisten hallitsemiseksi ja riippuvuuden vähentämiseksi kemialliseen torjuntaan. Erilaisten uusien IPM:ien testaus
strategiat, erikseen ja yhdessä, auttavat kehittämään viljelijöille sato- ja laitoskohtaisia suosituksia.
4.3. Sadon laatu ja ravintoarvot
Suojattu viljely tarjoaa viljelijöille ja teollisuuskumppaneille korkeat sadot ja korkealaatuiset tuotteet ympäri vuoden [69]. Ensiluokkaisten hedelmien ja vihannesten viljely vaatii kuitenkin ravitsemus- ja laatuparametrien tehokkaan testauksen [70]. Hedelmien peruslaatuparametreja ovat kosteuspitoisuus, pH, liukoisten kiintoaineiden kokonaismäärä, tuhka, hedelmän väri, askorbiinihappo ja titrattava happamuus sekä edistyneet ravitsemukselliset parametrit, mukaan lukien sokerit, rasvat, proteiinit, vitamiinit ja antioksidantit; kiinteyden ja vesihäviön mittaukset ovat myös ratkaisevan tärkeitä laatuindeksien määrittelyssä [66]. Lisäksi korkean suorituskyvyn viljelykasvien laadun testaus voitaisiin sisällyttää automatisoituun kasvihuonetoimintajärjestelmään. Käytettävissä olevien viljelykasvien genotyyppien laatuparametrien seulonnalla saadaan viljelijöille ja kuluttajille uusia arvokkaita, runsaasti ravinteita sisältäviä hedelmä- ja vihanneslajikkeita. Agronomiset strategiat, mukaan lukien kasvuympäristö ja sadonhoitokäytännöt, on optimoitava, jotta voidaan parantaa näiden arvokkaiden viljelykasvien tuotantoa ja kasvien ravinnetiheyttä.
4.4 Työllisyys ja ammattitaitoisen työvoiman saatavuus
Suojellun viljelyteollisuuden työvoimatarve kasvaa (> 5 % vuodessa), ja alan työllistää tällä hetkellä suoraan yli 10,000 XNUMX ihmistä kaikkialla Australiassa. Korkeasta automaatiosta huolimatta laajamittainen suojattu viljely vaatii huomattavaa työvoimaa erityisesti viljelyyn, kasvien ylläpitoon, mekaaniseen pölytykseen ja sadonkorjuuseen. Kasvavan kysynnän myötä
korkeasti koulutetuille viljelijöille sopivasti koulutettujen työntekijöiden tarjonta on edelleen vähäistä [18,71]. Ammattitaitoista työvoimaa tarvitaan myös kaupunkien vertikaalisen maatalouden kehittämiseen, mikä luo uusia urapaikkoja teknikolle, projektipäällikölle, kunnossapitotyöntekijöille sekä markkinoinnin ja vähittäiskaupan henkilökunnalle [7]. Monikäyttöisten kaupallisen mittakaavan kehittyneiden laitosten perustaminen antaisi mahdollisuuden käsitellä tutkimuskysymyksiä, mikä edistäisi tavoitetta maksimoida erilaisten viljelykasvien tuottavuus samalla kun tarjotaan koulutusta ja koulutusta taidoissa, joilla on todennäköisesti suurta kysyntää tulevaisuuden suojellun viljelyn alalla.
5. johtopäätökset
Älykkäällä teknologialla varustetuissa korkean teknologian kasvihuoneissa on hyvät mahdollisuudet parantaa kannattavuutta automatisoimalla kriittisiä ja/tai työvoimavaltaisia alueita, kuten sadon seurantaa, pölytystä ja sadonkorjuuta. Tekoälyn, robotiikan ja ML:n kehitys avaa uusia ulottuvuuksia suojatulle rajaukselle. Vertikaaliset maatilat muodostavat pienen osan maailmanlaajuisista maatalousmarkkinoista, ja huolimatta siitä, että se kuluttaa paljon energiaa, vertikaalinen viljely tarjoaa vertaansa vailla olevaa tuottavuutta korkealla vesi- ja ravinnetehokkuudella. Monipuolisten viljelykasvien taloudellinen tuotanto on välttämätöntä, jos suojatulla viljelykasvituotannolla halutaan vaikuttaa merkittävästi maailmanlaajuiseen elintarviketurvaan. Matalan ja keskitason teknologian suojatut viljelyjärjestelmät tuottavat pääasiassa tomaattia, kurkkua, kesäkurpitsaa, paprikaa, munakoisoa ja salaattia sekä aasialaisia vihreitä ja yrttejä.
Laajamittaisten valvottujen ympäristölaitosten kehittäminen Australiassa on rajoittunut ensisijaisesti tomaattien viljelyyn. Sopivien lajikkeiden kehittäminen edellyttää useiden keskeisten ominaisuuksien optimointia, jotka eroavat niistä, joita pidetään suotavina avokasveissa. Keskeisiä ominaisuuksia, joita voidaan kohdistaa sisämaatalouteen, ovat sadon lyhentynyt elinkaari, jatkuva kukinta, alhainen juurien ja versojen välinen suhde, parantunut suorituskyky alhaisessa fotosynteesissä
energiapanos ja toivottavat kuluttajaominaisuudet, kuten maku, väri, rakenne ja tietyt ravintoainepitoisuudet.
Lisäksi jalostus erityisesti laadukkaampia, ravitsemuksellisesti tiheämpiä satoja varten tuottaa haluttuja puutarha- (ja mahdollisesti lääke)tuotteita, joilla on erinomainen markkina-arvo. Suojatun viljelyn kannattavuus ja kestävyys riippuvat ratkaisujen kehittämisestä ensisijaisiin haasteisiin, mukaan lukien käynnistyskustannukset, energiankulutus, ammattitaitoinen työvoima, tuholaistorjunta ja laatuindeksien kehittäminen.
Uudet lasitusmateriaalit ja teknologiset edistysaskeleet, joita parhaillaan tutkitaan tai kokeillaan, tarjoavat ratkaisuja yhteen kiireellisimmistä suojatun rajauksen haasteista. Nämä edistysaskeleet voisivat mahdollisesti tarjota tarvittavan sysäyksen, joka auttaa suojeltua viljelyalaa siirtymään kestävälle ja kustannustehokkaalle energiatehokkuuden tasolle ja täyttämään kasvavat elintarviketurvan vaatimukset säilyttäen samalla sadon laadun ja ravintoarvot.
sisältöä ja haitallisten ympäristövaikutusten minimoimista.
Tekijän panokset: SGC kirjoitti arvostelun DTT:n, Z.-HC:n, OG:n ja CIC:n toimittamilla panoksilla. Kaikki kirjoittajat ovat lukeneet käsikirjoituksen julkaistun version ja hyväksyneet sen.
Rahoitus: Katsaus perustui Future Food Systems Cooperative Research Centren tilaamaan ja rahoittamaan raporttiin, joka tukee teollisuusvetoista yhteistyötä teollisuuden, tutkijoiden ja yhteisön välillä. Saimme myös taloudellista tukea Horticulture Innovation Australia -hankkeista (apurahanumero VG16070 DTT:lle, Z.-HC, OG, CIC; apurahanumero VG17003 DTT:lle, Z.-HC; apurahanumero LP18000 Z.-HC:lle) ja CRC-hankkeelta P2 -013 (DTT, Z.-HC, OG, CIC).
Institutionaalisen tarkastuslautakunnan lausunto: Ei sovellettavissa.
Ilmoitettu suostumus: Ei sovellettavissa.
Tietojen saatavuusilmoitus: Ei sovellettavissa.
Eturistiriidat: Tekijät eivät ilmoita eturistiriitoja.
Viitteet
1. Yhdistyneiden kansakuntien talous- ja sosiaaliministeriö. Saatavilla verkossa: https://www.un.org/development/desa/en/ news/population/2018-revision-of-world-urbanization-prospects.html (käytetty 13. huhtikuuta 2022).
2. Yhdistyneiden kansakuntien talous- ja sosiaaliministeriö. Saatavilla verkossa: https://www.un.org/development/desa/ publications/world-population-prospects-2019-highlights.html (käytetty 13. huhtikuuta 2022).
3. Binns, CW; Lee, MK; Maycock, B.; Torheim, LE; Nanishi, K.; Duong, DTT Ilmastonmuutos, elintarvikehuolto ja ruokavalioohjeet. Annu. Rev. Public Health 2021, 42, 233–255. [CrossRef] [PubMed] 4. Valin, H.; Sands, RD; Van Der Mensbrugghe, D.; Nelson, GC; Ahammad, H.; Blanc, E.; Bodirsky, B.; Fujimori, S.; Hasegawa, T.; Havlik, P.; et ai. Ruoan kysynnän tulevaisuus: Maailmantalouden mallien erojen ymmärtäminen. Agric. Econ. 2014, 45, 51–67. [CrossRef] 5. Hughes, N.; Lu, M.; Ying Soh, W.; Lawson, K. Simuloidaan ilmastonmuutoksen vaikutuksia australialaisten maatilojen kannattavuuteen. ABARES Working Paperissa; Australian hallitus: Canberra, Australia, 2021. [CrossRef] 6. Rabbi, B.; Chen, Z.-H.; Sethuvenkatraman, S. Suojattu viljely lämpimissä ilmastoissa: Katsaus kosteuden hallinta- ja jäähdytysmenetelmiin. Energies 2019, 12, 2737. [CrossRef] 7. Benke, K.; Tomkins, B. Future Food-production Systems: Vertical maatalous ja valvotun ympäristön maatalous. Kestää. Sci. Harjoittele. Käytäntö 2017, 13, 13–26. [CrossRef] 8. Mougeot, LJA Growing Better Cities: Urban Agriculture for Sustainable Development; IDRC: Ottawa, ON, Kanada, 2006; ISBN 978-1-55250-226-6.
9. Pearson, LJ; Pearson, L.; Pearson, CJ Kestävä kaupunkiviljely: tilannekatsaus ja mahdollisuudet. Int. J. Agric. Kestää. 2010, 8, 7–19. [CrossRef] 10. Tout, D. Almerían maakunnan puutarhaviljelyala, Espanja. Maantieteellinen J. 1990, 156, 304-312. [CrossRef] 11. Henry, R. Maatalouden ja elintarvikehuollon innovaatiot vastauksena COVID-19-pandemiaan. Mol. Kasvi 2020, 13, 1095–1097. [CrossRef] 12. O'Sullivan, C.; Bonnett, G.; McIntyre, C.; Hochman, Z.; Wasson, A. Strategioita kaupunkien maatalouden tuottavuuden, tuotevalikoiman ja kannattavuuden parantamiseksi. Agric. Syst. 2019, 174, 133–144. [CrossRef] 13. O'Sullivan, CA; McIntyre, CL; Kuiva, IB; Hani, SM; Hochman, Z.; Bonnett, GD Vertical maatilat kantavat hedelmää. Nat. Biotechnol. 2020, 38, 160–162. [CrossRef] 14. Cuesta Roble -julkaisut. Globaali kasvihuonetilasto. 2019. Saatavilla verkossa: https://www.producegrower.com/article/cuestaroble-2019-global-greenhouse-statistics/ (käytetty 13).
15. Hadley, D. Controlled Environment -puutarhateollisuuden potentiaali NSW:ssä; University of New England: Armidale, Australia, 2017; s. 25.
16. Maailman vihanneskartta. 2018. Saatavilla verkossa: https://research.rabobank.com/far/en/sectors/regional-food-agri/world_ vegetable_map_2018.html (käytetty 13. huhtikuuta 2022).
17. Graeme Smith Consulting – yleistä alan tietoa. Saatavilla verkossa: https://www.graemesmithconsulting.com/index. php/information/general-industry-information (käytetty 13. huhtikuuta 2022).
18. Davis, J. Kasvava suojattu viljely Australiassa vuoteen 2030; Protected Cropping Australia: Perth, Australia, 2020; s. 15.
19. Agrilyst. Sisäviljelyn tila; Agrilyst: Brooklyn, NY, USA, 2017.
20. Maaperätön sisäviljely: Vaihe I: Valvotun ympäristön maatalouden teollisuuden ja vaikutusten tutkiminen | Julkaisut | WWF.
Saatavilla verkossa: https://www.worldwildlife.org/publications/indoor-soilless-farming-phase-i-examining-the-industry-andimpacts-of-controlled-environment-agriculture (käytetty 13. huhtikuuta 2022). Viljelyt 2022, 2 184
21. Emmott, CJM; Röhr, JA; Campoy-Quiles, M.; Kirchartz, T.; Urbina, A.; Ekins-Daukes, NJ; Nelson, J. Orgaaninen aurinkosähkö
kasvihuoneet: ainutlaatuinen sovellus puoliläpinäkyvälle PV:lle? Energiaympäristö. Sci. 2015, 8, 1317–1328. [CrossRef] 22. Marucci, A.; Zambon, I.; Colantoni, A.; Monarca, D. Yhdistelmä maatalous- ja energiatarkoituksiin: Aurinkosähköisen kasvihuonetunnelin prototyypin arviointi. Uusi. Kestää. Energy Rev. 2018, 82, 1178–1186. [CrossRef] 23. Torrellas, M.; Antón, A.; López, JC; Baeza, EJ; Parra, JP; Muñoz, P.; Montero, JI LCA tomaattisadosta monitunnelikasvihuoneessa Almeriassa. Int. J. Life Cycle Assess. 2012, 17, 863–875. [CrossRef] 24. Caponetto, R.; Fortuna, L.; Nunnari, G.; Occhipinti, L.; Xibilia, MG Pehmeä tietokone kasvihuoneilmastointiin. IEEE Trans. Fuzzy Syst. 2000, 8, 753–760. [CrossRef] 25. Guo, D.; Juan, J.; Chang, L.; Zhang, J.; Huang, D. Kasvien juurivyöhykkeen veden tilan erottelu kasvihuonetuotannossa fenotyyppien ja koneoppimistekniikoiden perusteella. Sci. Rep. 2017, 7, 8303. [CrossRef] 26. Hassabis, D. Tekoäly: Vuosisadan shakkiottelu. Luonto 2017, 544, 413–414. [CrossRef] 27. Hemming, S.; de Zwart, F.; Elings, A.; Righini, I.; Petropoulou, A. Kasvihuonevihannestuotannon kauko-ohjaus tekoälyllä – kasvihuoneilmasto, kastelu ja kasvintuotanto. Sensors 2019, 19, 1807. [CrossRef] [PubMed] 28. Taki, M.; Abdanan Mehdizadeh, S.; Rohani, A.; Rahnama, M.; Rahmati-Joneidabad, M. Sovellettu koneoppiminen kasvihuonesimulaatiossa; uusi sovellus ja analyysi. Inf. Jalostus Agric. 2018, 5, 253–268. [CrossRef] 29. Shamshiri, RR; Hameed, IA; Thorp, KR; Balasundram, SK; Shafian, S.; Fatemieh, M.; Sultan, M.; Mahns, B.; Samiei, S. Kasvihuoneautomaatio käyttämällä langattomia antureita ja tekoälyn kanssa integroituja IoT-instrumentteja; IntechOpen: Rijeka, Kroatia, 2021; ISBN 978-1-83968-076-2.
30. Subeesh, A.; Mehta, CR Maatalouden automatisointi ja digitalisointi tekoälyn ja esineiden internetin avulla. Artif. Intell. Agric. 2021, 5, 278–291. [CrossRef] 31. Lehnert, C.; McCool, C.; Sa, I.; Perez, T. Paprikankorjuurobotti suojattuihin viljelyympäristöihin. arXiv 2018, arXiv:1810.11920.
32. Lehnert, C.; McCool, C.; Corke, P.; Sa, I.; Stachniss, C.; Henten, EJV; Nieto, J. Maatalousrobotiikan erikoisnumero. J. Kenttärobotti. 2020, 37, 5–6. [CrossRef] 33. Shamshiri, R.; Weltzien, C.; Hameed, IA; Yule, IJ; Grift, TE; Balasundram, SK; Pitonakova, L.; Ahmad, D.; Chowdhary, G. Maatalouden robotiikan tutkimus ja kehitys: Digitaalisen viljelyn näkökulma. Int. J. Agric. Biol. Eng. 2018, 11, 1–14. [CrossRef] 34. Balendonck, J. Sweeper robotti poimii ensimmäiset paprikat. Greenh. Int. Mag. Greenh. Kasvaa. 2017, 6, 37.
35. Yuan, T.; Zhang, S.; Sheng, X.; Wang, D.; Gong, Y.; Li, W. Itsenäinen pölytysrobotti tomaatin kukkien hormonihoitoon kasvihuoneessa. Proceedings of the 2016 3rd International Conference on Systems and Informatics (ICSAI), Shanghai, Kiina, 19.–21; s. 2016–108.
36. Meharg, AA Näkökulma: Kaupunkiviljely tarvitsee seurantaa. Luonto 2016, 531, S60. [CrossRef] [PubMed] 37. Thomaier, S.; Specht, K.; Henckel, D.; Dierich, A.; Siebert, R.; Freisinger, UB; Sawicka, M. Maatalous kaupunkirakennuksissa ja niiden päällä: nykyinen käytäntö ja erityiset uutuudet nollapinta-alaviljelystä (ZFarming). Uusi. Agric. Food Syst. 2015, 30, 43–54. [CrossRef] 38. Ghannoum, O. Toipumisen vihreät versot. Openforum. 2020. Saatavilla verkossa: https://www.openforum.com.au/the-greenshoots-of-recovery/ (käytetty 13. huhtikuuta 2022).
39. Despommier, D. Kaupungin viljely: kaupunkien vertikaalisten maatilojen nousu. Trends Biotechnol. 2013, 31, 388–389. [CrossRef] 40. Yang, J.; Liu, M.; Lu, J.; Miao, Y.; Hossain, MA; Alhamid, MF Kasvitieteellinen internet: Kohti älykästä sisäviljelyä by
yhdistää ihmisiä, kasveja, dataa ja pilviä. Väkijoukko. Netw. Appl. 2018, 23, 188–202. [CrossRef] 41. Samaranayake, P.; Liang, W.; Chen, Z.-H.; Tissue, D.; Lan, Y.-C. Kestävä suojattu viljely: Tapaustutkimus kausiluonteisista vaikutuksista kasvihuoneen energiankulutukseen paprikan tuotannon aikana. Energies 2020, 13, 4468. [CrossRef] 42. Lin, T.; Goldsworthy, M.; Chavan, S.; Liang, W.; Maier, C.; Ghannoum, O.; Cazzonelli, CI; Kudos, DT; Lan, Y.-C.;
Sethuvenkatraman, S.; et ai. Uusi päällysmateriaali parantaa jäähdytysenergiaa ja lannoitustehokkuutta kasvihuonemunakoisotuotannossa. Energy 2022, 251, 123871. [CrossRef] 43. Samaranayake, P.; Maier, C.; Chavan, S.; Liang, W.; Chen, Z.-H.; Kudos, DT; Lan, Y.-C. Energian minimointi suojatussa viljelylaitoksessa useiden lämpötilojen keräyspisteillä ja ilmanvaihtoasetusten ohjauksella. Energies 2021, 14, 6014. [CrossRef] 44. FAO. Hyvät maatalouskäytännöt kasvihuonevihanneskasveille: Välimeren ilmastoalueiden periaatteet; FAO:n kasvintuotanto- ja suojelupaperi; FAO: Rooma, Italia, 2013; ISBN 978-92-5-107649-1.
45. Hort Innovation Protected Cropping – Levied Vegetables -tutkimuksen katsaus ja tutkimus- ja kehityspuutteiden tunnistaminen (VG16083). Saatavilla verkossa: https://www.horticulture.com.au/growers/help-your-business-grow/research-reports-publications-factsheets-and-more/project-reports/vg16083-1/vg16083/ (saatava osoitteessa 13. huhtikuuta 2022).
46. Hiwasa-Tanase, K.; Ezura, H. Molekyylijalostus optimoitujen viljelykasvien luomiseksi: geenimanipulaatiosta mahdollisiin sovelluksiin kasvitehtaissa. Edessä. Plant Sci. 2016, 7, 539. [CrossRef] 47. Kozai, T. Miksi LED-valaistus kaupunkimaatalouteen? LED-valaistuksessa kaupunkien maataloudelle; Kozai, T., Fujiwara, K., Runkle, ES, toim.; Springer: Singapore, 2016; s. 3–18. ISBN 978-981-10-1848-0.
48. Kwon, S.; Lim, J. Energiatehokkuuden parantaminen kasvitehtaissa mittaamalla kasvien biosähköpotentiaalia. Informatiikka ohjaus-, automaatio- ja robotiikassa; Tan, H., toim.; Springer: Berliini/Heidelberg, Saksa, 2011; s. 641–648.
49. Cocetta, G.; Casciani, D.; Bulgari, R.; Musante, F.; Kołton, A.; Rossi, M.; Ferrante, A. Kevyen käytön tehokkuus vihannesten tuotannossa
suojatuissa ja sisätiloissa. euroa Phys. J. Plus 2017, 132, 43. [CrossRef] Crops 2022, 2 185
50. Jones, M. Australian vihannesteollisuuden uudet kasvatustekniikat ja mahdollisuudet; Horticulture Innovation Australia Limited: Sydney, Australia, 2016.
51. Tüzel, Y.; Leonardi, C. Suojattu viljely Välimeren alueella: Trendit ja tarpeet. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg. 2009, 46, 215–223.
52. Bergougnoux, V. Tomaattien historia: kesyttämisestä biofarmingiin. Biotechnol. Adv. 2014, 32, 170-189. [CrossRef] [PubMed] 53. Taher, D.; Solberg, S.Ø.; Prohens, J.; Chou, Y.; Rakha, M.; Täh. Maailman vihanneskeskuksen munakoisokokoelma: Alkuperä, koostumus, siementen levitys ja käyttö jalostuksessa. Edessä. Plant Sci. 2017, 8, 1484. [CrossRef] [PubMed] 54. Hasan, MM; Bashir, T.; Ghosh, R.; Lee, SK; Bae, H. Yleiskatsaus LEDien vaikutuksista bioaktiivisten yhdisteiden tuotantoon ja sadon laatuun. Molekyylit 2017, 22, 1420. [CrossRef] 55. Piovene, C.; Orsini, F.; Bosi, S.; Sanoubar, R.; Bregola, V.; Dinelli, G.; Gianquinto, G. Optimaalinen punainen:sininen suhde led-valaistuksessa ravitsemushoitoon sisätiloissa. Sei. Hortic. 2015, 193, 202-208. [CrossRef] 56. Kwon, C.-T.; Heo, J.; Lemmon, ZH; Capua, Y.; Hutton, SF; Van Eck, J.; Park, SJ; Lippman, ZB Solanaceae-hedelmäsatojen nopea räätälöinti kaupunkiviljelyyn. Nat. Biotechnol. 2020, 38, 182-188. [CrossRef] 57. Shamshiri, RR; Jones, JW; Thorp, KR; Ahmad, D.; mies, HC; Taheri, S. Katsaus optimaaliseen lämpötilaan, kosteuteen ja höyrynpainevajeeseen mikroilmaston arvioimiseksi ja ohjaamiseksi tomaatin kasvihuoneviljelyssä: Katsaus. Int. Agrophys. 2018, 32, 287-302. [CrossRef] 58. Chavan, SG; Maier, C.; Alagoz, Y.; Filipe, JC; Warren, CR; Lin, H.; Jia, B.; Loik, MINÄ; Cazzonelli, CI; Chen, ZH; et ai. Valorajoitettu fotosynteesi energiaa säästävän kalvon alla vähentää munakoison satoa. Food Energy Secur. 2020, 9, e245. [CrossRef] 59. Timmermans, GH; Douma, RF; Lin, J.; Debije, MG Kaksoislämpö/sähköherkkä luminesoiva "älykäs" ikkuna. Appi. Sei. 2020, 10, 1421. [CrossRef] 60. Yin, R.; Xu, P.; Shen, P. Tapaustutkimus: Energiansäästö aurinkopaneelikalvolla kahdessa kaupallisessa rakennuksessa Shanghaissa. Energia rakentaa. 2012, 45, 132-140. [CrossRef] 61. Kim, H.-K.; Lee, S.-Y.; Kwon, J.-K.; Kim, Y.-H. Peitemateriaalien vaikutuksen arviointi kasvihuoneiden mikroilmastoon ja lämpösuorituskykyyn. Agronomia 2022, 12, 143. [CrossRef] 62. Hän, X.; Maier, C.; Chavan, SG; Zhao, C.-C.; Alagoz, Y.; Cazzonelli, C.; Ghannoum, O.; Kudos, DT; Chen, Z.-H. Valoa muuttavat peitemateriaalit ja kasvisten kestävä kasvihuonetuotanto: Katsaus. Plant Growth Regul. 2021, 95, 1-17. [CrossRef] 63. Timmermans, GH; Hemming, S.; Baeza, E.; Thoor, EAJV; Schenning, APHJ; Debije, MG Edistykselliset optiset materiaalit auringonvalon hallintaan kasvihuoneissa. Adv. Opt. Mater. 2020, 8, 2000738. [CrossRef] 64. Zisis, C.; Pechlivani, EM; Tsimikli, S.; Mekeridis, E.; Laskarakis, A.; Logothetidis, S. Orgaaninen aurinkosähkö kasvihuoneiden katoilla: Vaikutukset kasvien kasvuun. Mater. Tänään Proc. 2019, 19, 65-72. [CrossRef] 65. Aroca-Delgado, R.; Pérez-Alonso, J.; Callejón-Ferre, Á.-J.; Díaz-Pérez, M. Kasvihuonetomaattien viljelyn morfologia, sato ja laatu joustavilla aurinkosähköpaneeleilla (Almería-Espanja). Sei. Hortic. 2019, 257, 108768. [CrossRef] 66. Hän, X.; Chavan, SG; Hamoui, Z.; Maier, C.; Ghannoum, O.; Chen, Z.-H.; Kudos, DT; Cazzonelli, CI Älykäs lasikalvo vähentää askorbiinihappoa punaisissa ja oransseissa paprikalajikkeissa ilman, että se vaikuta säilyvyyteen. Kasvit 2022, 11, 985. [CrossRef] 67. Zhao, C.; Chavan, S.; Hän, X.; Zhou, M.; Cazzonelli, CI; Chen, Z.-H.; Kudos, DT; Ghannoum, O. Älykäs lasi vaikuttaa kasvihuonepaprikan suuherkkyyteen muuttuneen valon kautta. J. Exp. Bot. 2021, 72, 3235-3248. [CrossRef] 68. Pilkington, LJ; Messelink, G.; van Lenteren, JC; Le Mottee, K. "Suojattu biologinen torjunta" – Biologinen tuholaistorjunta kasvihuoneteollisuudessa. Biol. Control 2010, 52, 216–220. [CrossRef] 69. Sonneveld, C.; Voogt, W. Kasvien ravinto tulevassa kasvihuonetuotannossa. Kasvihuonekasvien kasvien ravitsemuksessa; Sonneveld, C., Voogt, W., toim.; Springer: Dordrecht, Alankomaat, 2009; s. 393-403.
70. Treftz, C.; Omaye, ST Kasvihuoneessa kasvatettujen maaperän ja mullattomien mansikoiden ja vadelmien ravinneanalyysi. Ruoka Nutr. Sci. 2015, 6, 805–815. [CrossRef] 71. Täydennyskoulutusmahdollisuuksien tarjoaminen kasvisteollisuuden jäsenille. AUSVEG. 2020. Saatavilla verkossa: https://ausveg.com.au/
artikkelit/tarjoaa-lisäkoulutusmahdollisuuksia-veg-industry-members/ (käytetty 13).