Sachin G. Chavan (1,2,*) , Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1), Christopher I. Cazzonelli (1) un David T. Tissue 1,2)
1. Nacionālais dārzeņu aizsardzības centrs, Hoksberijas vides institūts, Rietumsidneja
Universitāte, Locked Bag 1797, Penrith, NSW 2751, Austrālija; 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, Hawkesbury Campus, Western Sidney University,
Ričmonda, NSW 2753, Austrālija
3. Zinātņu skola, Rietumsidnejas universitāte, Penrith, NSW 2751, Austrālija
* Sarakste: s.chavan@westernsydney.edu.au; Tālr.: +61-2-4570-1913
Anotācija: aizsargāta augkopība piedāvā veidu, kā veicināt pārtikas ražošanu klimata pārmaiņu apstākļos
un ilgtspējīgi piegādāt veselīgu pārtiku ar mazākiem resursiem. Tomēr, lai padarītu šo lauksaimniecības veidu
ekonomiski dzīvotspējīgu, mums ir jāapsver aizsargājamo kultūraugu statuss pieejamo kontekstā
tehnoloģijas un atbilstošās dārzkopības mērķkultūras. Šajā pārskatā ir izklāstītas esošās iespējas
un izaicinājumi, kas jārisina, veicot pastāvīgu pētniecību un inovācijas šajā aizraujošajā, bet
sarežģīts lauks Austrālijā. Iekštelpu fermas telpas ir plaši iedalītas trīs šādās kategorijās
tehnoloģiskā progresa līmeņi: zemas, vidējas un augstas tehnoloģijas ar atbilstošiem izaicinājumiem
kam nepieciešami inovatīvi risinājumi. Turklāt ierobežojumi iekštelpu augu augšanai un aizsargāti
augkopības sistēmas (piemēram, augstas enerģijas izmaksas) ir ierobežojušas iekštelpu lauksaimniecības izmantošanu relatīvi
maz, augstvērtīgas kultūras. Tāpēc mums ir jāizstrādā jaunas kultūraugu šķirnes, kas piemērotas iekštelpu lauksaimniecībai
kas var atšķirties no tiem, kas nepieciešami ražošanai atklātā laukā. Turklāt aizsargāta apgriešana
prasa lielas sākuma izmaksas, dārgu kvalificētu darbaspēku, lielu enerģijas patēriņu un ievērojamu kaitēkli
slimību pārvaldība un kvalitātes kontrole. Kopumā aizsargātā apgriešana piedāvā daudzsološus risinājumus
nodrošinātībai ar pārtiku, vienlaikus samazinot pārtikas ražošanas oglekļa pēdas nospiedumu. Tomēr iekštelpām
augkopība būtiski pozitīvi ietekmētu globālo nodrošinātību ar pārtiku un uzturu
drošībā, būtiska būs dažādu kultūru ekonomiska ražošana.
Atslēgvārdi: aizsargāta augkopība; vertikālā saimniecība; kultūra bez augsnes; ražas veiktspēja; iekštelpu lauksaimniecība;
nodrošinātība ar pārtiku; resursu ilgtspējība
1. Ievads
Paredzams, ka 10. gadā pasaules iedzīvotāju skaits sasniegs gandrīz 2050 miljardus, un tiek prognozēts, ka lielākā daļa pieauguma notiks lielajos pilsētu centros visā pasaulē [1,2]. Palielinoties iedzīvotāju skaitam, pārtikas ražošanai ir jāpalielina un jāapmierina uztura un veselības vajadzības, vienlaikus sasniedzot Apvienoto Nāciju Organizācijas ilgtspējīgas attīstības mērķus (UN SDG) [3,4]. Aramzemes samazināšanās un klimata pārmaiņu nelabvēlīgā ietekme uz lauksaimniecību rada papildu problēmas, kas liek inovācijām nākotnes pārtikas ražošanas sistēmās apmierināt pieaugošo pieprasījumu nākamajās desmitgadēs. Piemēram, Austrālijas saimniecības bieži ir pakļautas klimata mainīgumam un ir jutīgas pret ilgtermiņa klimata pārmaiņu ietekmi. Nesenie sausuma periodi Austrālijas austrumos 2018.–19. gadā un 2019.–20. gadā nelabvēlīgi ietekmēja lauksaimniecības uzņēmumus, tādējādi palielinot klimata pārmaiņu ietekmi uz Austrālijas lauksaimniecību [5].
Aizsargāta augkopība, kas pazīstama arī kā iekštelpu lauksaimniecība [6] — no zemu tehnoloģiju polituneļiem līdz vidējas tehnoloģijas, daļēji ekoloģiski kontrolētām siltumnīcām līdz augsto tehnoloģiju “viedajām” siltumnīcām un iekštelpu fermām — varētu palīdzēt uzlabot globālo nodrošinātību ar pārtiku 21. gadsimtā. gadsimtā. Tomēr, lai gan pašpietiekamas metropoles vīzija ir pievilcīga kā mūsdienu izaicinājumu risināšanas veids, iekštelpu lauksaimniecības ieviešana nav bijusi līdzīga
tās atbalstītāju sajūsma un optimisms. Aizsargāta augkopība un lauksaimniecība iekštelpās ietver plašāku tehnoloģiju un automatizācijas izmantošanu, lai optimizētu zemes izmantošanu, tādējādi piedāvājot aizraujošus risinājumus pārtikas ražošanas uzlabošanai nākotnē [7]. Visā pasaulē pilsētu lauksaimniecības attīstība [8,9] bieži ir notikusi pēc hroniskām un/vai akūtām krīzēm, piemēram, gaismas un telpas ierobežojumiem Nīderlandē; automobiļu rūpniecības sabrukums Detroitā; nekustamā īpašuma tirgus sabrukums ASV austrumu krastā; un Kubas raķešu krīzes blokāde. Cits
stimuli ir bijuši pieejamie tirgi, ti, Spānijā izplatījās aizsargāta labība [10], jo valstij ir viegla piekļuve Ziemeļeiropas tirgiem. Kopā ar esošajām problēmām pašreizējā Covid-19 pandēmija varētu dot vajadzīgo stimulu, lai pārveidotu pilsētu lauksaimniecību [11].
Lai pilsētu lauksaimniecībai būtu nozīmīga loma pārtikas nodrošinājuma un cilvēku uztura uzlabošanā, tā ir jāmēro globāli, lai tā spētu audzēt plašu produktu klāstu energoefektīvākā, resursu un izmaksu ziņā efektīvākā veidā nekā šobrīd ir iespējams. Pastāv milzīgas iespējas uzlabot ražas ražību un kvalitāti, apvienojot sasniegumus vides kontroles, kaitēkļu apkarošanas, fenomena un automatizācijas jomā.
ar selekcijas centieniem, kas vērsti uz pazīmēm, kas uzlabo augu arhitektūru, ražas kvalitāti (garšu un uzturvērtību) un ražu. Videi kontrolētās saimniecībās var audzēt lielāku pašreizējo un jauno kultūru daudzveidību salīdzinājumā ar tradicionālajiem kultūraugu veidiem, kā arī ārstniecības augus [12,13].
Neatliekamo vajadzību uzlabot pilsētu nodrošinātību ar pārtiku un samazināt pārtikas radīto oglekļa dioksīda pēdu var risināt ar jauninājumiem lauksaimniecības pārtikas nozarēs, piemēram, aizsargātu kultūraugu audzēšanu un vertikālo lauksaimniecību iekštelpās. Tie svārstās no zemu tehnoloģiju polituneļiem ar minimālu vides kontroli, vidēju tehnoloģiju, daļēji vides kontrolētām siltumnīcām līdz augsto tehnoloģiju siltumnīcām un vertikālām lauksaimniecības iekārtām ar vismodernākajām tehnoloģijām. Aizsargāta augkopība ir visstraujāk augošā pārtikas ražošanas nozare Austrālijā ražošanas apjoma un ekonomiskās ietekmes ziņā [12]. Austrālijas aizsargājamo augkopības nozari veido augsto tehnoloģiju iekārtas (17%), siltumnīcas (20%) un hidroponiskas/substrātu bāzes augkopības sistēmas (52%), kas norāda uz nepieciešamību un iespēju attīstīt lauksaimniecības pārtikas nozari. Šajā pārskatā mēs apspriežam aizsargātās kultūraugu statusu pieejamo tehnoloģiju un atbilstošo mērķa dārzkopības kultūru kontekstā, iezīmējot iespējas un izaicinājumus, kas jārisina, veicot Austrālijā notiekošos pētījumus.
2. Pašreizējās aizsargājamās apgriešanas metodes un tehnoloģijas
2019. gadā kopējā zemes platība, kas atvēlēta aizsargājamai augkopībai, kas kopumā ietver
kultūraugu audzēšana zem visa veida seguma — tika lēsts 5,630,000 14 500,000 hektāru (ha) visā pasaulē [10]. Tiek lēsts, ka kopējā siltumnīcās (pastāvīgās struktūrās) audzēto dārzeņu un garšaugu platība ir aptuveni 90 15,16 ha visā pasaulē, 1300% no šīm kultūrām audzē siltumnīcās un 14% plastmasas siltumnīcās [5]. Tiek lēsts, ka Austrālijas siltumnīcu platība ir aptuveni 17 ha, un augsto tehnoloģiju siltumnīcas (apmēram 83 atsevišķi uzņēmumi, katrs aizņem mazāk par 17 ha) veido 80% no šīs platības, bet zemo tehnoloģiju/vidējo tehnoloģiju siltumnīcas veido 20% [16]. ]. Pasaulē plastmasas siltumnīcas un siltumnīcas veido attiecīgi aptuveni XNUMX % un XNUMX % no kopējā siltumnīcu apjoma [XNUMX].
Aizsargāta augkopība ir visstraujāk augošā pārtikas ražošanas nozare Austrālijā, kuras vērtība 1.5. gadā fermās ir aptuveni 2017 miljardi ASV dolāru gadā. Tiek lēsts, ka aptuveni 30% no visiem Austrālijas lauksaimniekiem audzē labības kādā aizsargātā augkopības sistēmā, un ka aizsegā audzētās kultūras veido aptuveni 20% no kopējās dārzeņu un ziedu produkcijas vērtības [18]. Austrālijā aplēstā siltumnīcas dārzeņu audzēšanas platība ir vislielākā Dienvidaustrālijā (580 ha), kam seko Jaundienvidvelsa (500 ha) un Viktorija (200 ha), savukārt Kvīnslendas, Rietumaustrālijas un Tasmānijas platība ir <50 ha katrai [17]. ].
Pamatojoties uz Austrālijas dārzkopības statistikas rokasgrāmatu (2014–2015) un diskusijām ar nozari, tika aprēķināta augļu, dārzeņu un ziedu produkcijas bruto vērtība (GVP) 2017. gadam. Starp izmantotajām audzēšanas sistēmām ir kultūras, kas audzētas hidroponiskā/substrātā. visaugstāk tika novērtētas ražošanas sistēmas (52%), kam sekoja tās, kas audzētas zem augsnes mēslošanas sistēmām (35%), ar augsnes mēslošanas un hidroponisko/substrātu sistēmu kombināciju (11%) un izmantojot hidroponiku/barības vielu. filmu tehnika (NFT) (2%) (1.A attēls). Līdzīgi starp aizsardzības veidiem visaugstākais GVP bija kultūrām, kas audzētas zem polistikla/stikla seguma (63%), kam sekoja zem poliureta seguma (23%), krusas/ēnoju segas (8%) un kombinētajā poli/stikla/ēnojumā. vāki (6%) (1.B attēls) [17]. Austrālijā statistika par konkrētu siltumnīcu dārzkopības produktu GVP nav viegli pieejama [15].
Skaitlis 1. Aizsargājamo kultūraugu kopējā bruto vērtības produkcija (GVP) (2017) pēc audzēšanas sistēmas (A) un aizsardzības (B). Ražošana uz hidroponikas/substrātu bāzes ietver augu augšanu bez augsnes, izmantojot inertu vidi, piemēram, akmens vati. Ražošana, kuras pamatā ir augsne/mēslojums, ietver augu audzēšanu, izmantojot augsni ar mēslojumu (kombinēta mēslojuma un ūdens izmantošana). Hidroponikas/uzturvielu plēves tehnika (NFT) ietver sekla ūdens straumes, kas satur izšķīdušas barības vielas, cirkulāciju, kas šķērso augu saknes ūdensnecaurlaidīgos kanālos. “Polis” attiecas uz polikarbonātu.
Krusas/ēnas segumi, parasti no sieta vai auduma, aizsargā labību no krusas un bloķē pārmērīgu gaismas daudzumu. $ attiecas uz AUD.
Starp kontrolētās vides iekārtām Amerikas Savienotajās Valstīs stikla vai polikarbonāta (poli) siltumnīcas (47%) ir biežāk sastopamas nekā iekštelpu vertikālās fermas (30%), zemu tehnoloģiju plastmasas loku mājas (12%), konteineru fermas (7%). ) un iekštelpu dziļūdens kultūras sistēmas (4%). Starp audzēšanas sistēmām hidroponika (49%) ir izplatītāka nekā augsnes bāzes (24%), akvaponikas (15%), aeroponikas (6%) un hibrīdās (aeroponika, hidroponika, augsne) sistēmas (6%) [19,20].
Austrālijā ir ļoti maz attīstītu vertikālu fermu, galvenokārt tāpēc, ka tajā ir maz blīvi apdzīvotu pilsētu. Tomēr Austrālijā ir aptuveni 1000 ha siltumnīcu platība [16,17], un no 2006. gada līdz 2016. gadam Austrālijas [16] svaigu dārzeņu un augļu eksports ievērojami palielinājās, palielinoties zemseguma augiem. Lai gan Austrālija ir lieliski sākusi iekštelpu lauksaimniecību un nozarei ir milzīgs izaugsmes potenciāls, tai ir vajadzīgs laiks, lai nobriest un turpinātu attīstīties, lai kļūtu par galveno spēlētāju globālā mērogā. Pašlaik komerciāli orientētas iekštelpu saimniecības var iedalīt šādos trīs tehnoloģiskās attīstības līmeņos: zemas, vidējas un augstas tehnoloģijas. Katrs no tiem ir sīkāk apskatīts nākamajās sadaļās.
2.1. Jaunas tehnoloģijas zemo tehnoloģiju polituneļiem
Zemo tehnoloģiju siltumnīcu iekārtām, kas visvairāk veicina aizsargātu kultūraugu audzēšanu, ir vairāki ierobežojumi, kas prasa tehnoloģiskus risinājumus, lai palīdzētu tām pāriet uz rentablu vidēja vai augsto tehnoloģiju iekārtām, kas ražo augstas kvalitātes kultūraugus ar minimāliem resursiem. Zemu tehnoloģiju polituneļi veido 80–90% no siltumnīcās saražotās kultūras pasaulē [20] un Austrālijā [17]. Ņemot vērā zemo tehnoloģiju polituneļu lielo īpatsvaru aizsargājamā kultūrā un to zemo klimata, mēslošanas un kaitēkļu kontroles līmeni, ir svarīgi risināt ar to saistītās problēmas, lai palielinātu ražošanas un ekonomisko atdevi audzētājiem.
Zemo tehnoloģiju līmenis ietver dažāda veida poli-tuneļus, kas var būt no pagaidu metāla konstrukcijām ar plastmasas pārsegumiem līdz pastāvīgām speciāli būvētām konstrukcijām. Parasti tos nevar kontrolēt, izņemot spēju pacelt plastmasas pārklājumu, kad ārā kļūst pārāk karsts vai duļķains. Šie plastmasas pārsegi aizsargā ražu no krusas, lietus un auksta laika un zināmā mērā pagarina augšanas sezonu. Šīs lētās struktūras piedāvā a
dzīvotspējīga atdeve no ieguldījumiem dārzeņu kultūrās, piemēram, salātos, pupās, tomātos, gurķos, kāpostos un cukini. Lauksaimniecība šajos polituneļos tiek veikta augsnē, savukārt progresīvākās darbībās var izmantot lielus podus un pilienveida apūdeņošanu tomātiem, mellenēm, baklažāniem vai pipariem. Tomēr, lai gan zemu tehnoloģiju aizsargāta augkopība ir jēga mazajiem audzētājiem, šādām metodēm ir vairāki trūkumi. Viņu vides kontroles trūkums ietekmē produkta izmēra un kvalitātes konsekvenci un tādējādi samazina
šo produktu tirgus pieejamība prasīgiem klientiem, piemēram, lielveikaliem un restorāniem. Ņemot vērā to, ka kultūraugus parasti stāda augsnē, šie lauksaimnieki saskaras arī ar daudzām kaitēkļiem un augsnes pārnēsātām slimībām (piemēram, pastāvīgu nematožu invāziju). Nozares un pētniecības partneriem ir nepieciešami jauninājumi, lai nodrošinātu risinājumus objektu projektēšanas un ražas pārvaldības sistēmās, kā arī viedās tirdzniecības sistēmas produkcijas eksportēšanai
un uzturēt pastāvīgu piegādes ķēdi. Stimuli un atbalsts no finansēšanas iestādēm un tehnoloģiskie jauninājumi (piemēram, bioloģiskā kontrole, daļēja automatizācija apūdeņošanā un temperatūras kontrole) no universitātēm un uzņēmumiem varētu palīdzēt audzētājiem pāriet uz progresīvākām tehnoloģiskām augkopības sistēmām.
2.2. Vidējas tehnoloģijas siltumnīcu modernizācija ar inovācijām un jaunām tehnoloģijām
Vidējas tehnoloģijas aizsargāta augkopība ir plaša kategorija, kas ietver kontrolētas vides siltumnīcas un siltumnīcas. Šai aizsargājamās augkopības nozares daļai ir nepieciešami būtiski tehnoloģiski uzlabojumi, ja tā vēlas konkurēt ar liela mēroga pārtikas ražošanu saimniecībās, kurās tiek izmantoti zemu tehnoloģiju polituneļi un augstas kvalitātes produkciju no augsto tehnoloģiju siltumnīcām. Vides tehnoloģiju siltumnīcās vides kontrole parasti ir daļēja vai intensīva, un dažās siltumnīcās temperatūru var kontrolēt, manuāli atverot jumtu.
modernākām iekārtām ir dzesēšanas un apkures iekārtas. Tiek pētīta saules paneļu un viedo plēvju izmantošana, lai samazinātu enerģijas izmaksas un oglekļa pēdas vidēju tehnoloģiju siltumnīcās [21–23].
Lai gan daudzas siltumnīcas joprojām ir izgatavotas no PVC vai stikla apšuvuma, šīm konstrukcijām var uzklāt viedās plēves vai tās var iekļaut siltumnīcu dizainā, lai palielinātu energoefektivitāti. Parasti augstākās klases siltumnīcās izmanto tādus audzēšanas substrātus kā Rockwool bloki ar rūpīgi kalibrētiem šķidrā mēslojuma papīriem dažādos augšanas posmos, lai palielinātu ražu. CO2 mēslojumu dažkārt izmanto vidēja tehnoloģiju siltumnīcās, lai palielinātu ražu un kvalitāti. Vidējo tehnoloģiju aizsargātā augkopības nozare gūs labumu no nozares un universitāšu partnerattiecībām, lai radītu progresīvus zinātniskus un tehnoloģiskus risinājumus, tostarp jaunus kultūraugu genotipus ar augstu ražu un kvalitāti, integrētu augu aizsardzību, pilnībā automatizētu mēslojumu un siltumnīcas klimata kontroli, kā arī robotizētu palīdzību kultūraugu pārvaldībā. un ražu.
2.3. Zinātnes un tehnoloģiju inovācijas augsto tehnoloģiju siltumnīcām
Augsto tehnoloģiju siltumnīcās var iekļaut jaunākos tehnoloģiskos sasniegumus kultūraugu fizioloģijā, barošanā, pārstrādē un apgaismojumā. Piemēram, liela mēroga komerciālās siltumnīcās, lai uzlabotu ražas kvalitāti un ražu, var izmantot “viedā stikla” tehnoloģiju, saules fotoelektriskās (PV) sistēmas un papildu apgaismojumu, piemēram, LED paneļus. Ražotāji arī arvien vairāk automatizē kritiskās un/vai darbietilpīgās jomas, piemēram, ražas uzraudzību, apputeksnēšanu un ražas novākšanu.
Mākslīgā intelekta (AI) un mašīnmācīšanās (MI) attīstība ir pavērusi jaunas dimensijas augsto tehnoloģiju siltumnīcām [24–28]. AI ir datorā kodētu noteikumu un statistikas modeļu kopums, kas apmācīts saskatīt lielo datu modeļus un veikt uzdevumus, kas parasti saistīti ar cilvēka intelektu. Attēlu atpazīšanā izmantotais mākslīgais intelekts tiek izmantots, lai uzraudzītu labības veselību un atpazītu slimības pazīmes, ļaujot ātrāk un labāk pieņemt lēmumus par kultūraugu apsaimniekošanu un ražas novākšanu, ko mūsdienās var paveikt.
ar robotu rokām, nevis cilvēku darbu. Lietu internets (IoT) piedāvā automatizācijas risinājumus, kurus var īpaši pielāgot siltumnīcas vajadzībām [29]. Tādējādi mākslīgais intelekts un IoT var sniegt būtisku ieguldījumu mūsdienu lauksaimniecības jomā, kontrolējot un automatizējot lauksaimniecības darbības [30].
Pētniecība un attīstība lauksaimniecības robotu jomā pēdējo desmit gadu laikā ir ievērojami pieaugusi [31–33]. Austrālijā tika demonstrēta autonoma ražas novākšanas sistēma paprika, kas tuvojas komerciālai dzīvotspējai, un ražas novākšanas panākumu līmenis bija 76.5 % [31]. Eiropā un Izraēlā ir izstrādāti robotu prototipi tomātu augu lapu noņemšanai, paprikas novākšanai un tomātu kultūru apputeksnēšanai [34,35, XNUMX], un tuvākajā nākotnē tos varētu tirgot.
Turklāt darbaspēka vadības programmatūras sistēmas liela mēroga augsto tehnoloģiju siltumnīcām ievērojami optimizēs darbinieku efektivitāti, uzlabojot šo uzņēmumu ekonomiskās izredzes. IT un inženierzinātņu revolūcija turpinās nodrošināt aizsargātu augkopību un iekštelpu lauksaimniecību, ļaujot audzētājiem uzraudzīt un pārvaldīt savus ražas no datoriem un mobilajām ierīcēm, ko var izmantot pat kritiskai lauksaimniecībai un
tirgus lēmumiem. Augsto tehnoloģiju siltumnīcām ir vislielākais potenciāls gūt labumu Austrālijas aizsargātajai augkopības nozarei, tāpēc pastāvīgā pētniecība un inovācija šajās iekārtās, visticamāk, nozīmēs labi ieguldītu laiku un naudu.
2.4. Vertikālu fermu attīstīšana nākotnes vajadzībām
Pēdējos gados visā pasaulē ir vērojama strauja iekštelpu "vertikālās lauksaimniecības" attīstība, īpaši valstīs ar lielu iedzīvotāju skaitu un nepietiekamu zemi [36,37, 6]. Vertikālās lauksaimniecības vērtība ir USD 38 miljardi, taču tā joprojām ir neliela daļa no vairāku triljonu dolāru vērtā globālā lauksaimniecības tirgus [39]. Ir dažādas vertikālās lauksaimniecības iterācijas, taču visās tajās tiek izmantoti vertikāli sakrauti bezaugsnes vai hidroponiski audzēšanas plaukti pilnībā slēgtā un kontrolētā vidē, kas nodrošina augstu automatizācijas, kontroles un konsekvences pakāpi [XNUMX]. Tomēr vertikālā lauksaimniecība joprojām ir ierobežota ar augstvērtīgām un īsa dzīves cikla kultūrām augsto enerģijas izmaksu dēļ, neskatoties uz to, ka tā piedāvā nepārspējamu produktivitāti uz kvadrātmetru un augstu ūdens un barības vielu efektivitātes līmeni.
Vertikālās lauksaimniecības tehnoloģiskā dimensija un jo īpaši “viedo” siltumnīcu parādīšanās, visticamāk, piesaistīs audzētājus, kuri vēlas strādāt ar jaunām datoru un lielo datu tehnoloģijām, piemēram, AI un lietisko internetu (IoT) [40]. Pašlaik visi iekštelpu lauksaimniecības veidi ir energoietilpīgi un darbietilpīgi, lai gan ir iespējas ievērojami uzlabot gan automatizācijas, gan energoefektivitātes tehnoloģijas. Jau tagad vismodernākās iekštelpu lauksaimniecības formas paši piegādā enerģiju uz vietas un ir neatkarīgas no vispārējā komunālā tīkla. Jumta dārzi var būt dažādi, sākot no vienkāršiem dizainparaugiem pilsētas ēkās līdz korporatīvajiem jumta uzņēmumiem uz pašvaldību ēkām Ņujorkā un Parīzē. Vertikālajai lauksaimniecībai iekštelpās ir gaiša nākotne, jo īpaši pēc COVID-19 pandēmijas, un tai ir labas pozīcijas, lai palielinātu savu daļu pasaules pārtikas tirgū.
ļoti efektīva ražošanas sistēma, piegādes ķēdes un loģistikas izmaksu samazinājums, automatizācijas potenciāls (minimizēta apstrāde) un viegla piekļuve gan darbaspēkam, gan patērētājiem.
3. Mērķa kultūraugi aizsargātajā kultūraugā
Pašlaik iekštelpu lauksaimniecībai piemēroto kultūru skaits ir ierobežots, jo ir ierobežoti ražas ierobežojumi iekštelpu augšanai, kā arī aizsargāti augkopības ierobežojumi, piemēram, augstās enerģijas izmaksas (apgaismošanai, apkurei, dzesēšanai un dažādu automatizētu sistēmu darbībai), kas ļauj audzēt īpašas augstvērtīgas kultūras [ 41–43]. Tomēr daudzveidīgu ēdamo kultūru ekonomiska ražošana ir būtiska, ja aizsargājamai kultūraugiem ir būtiska ietekme
globālā nodrošinātība ar pārtiku [12,13,44]. Aizsargājamo dārzeņu audzēšanai paredzētās kultūraugu šķirnes būtiski atšķiras no tām, kuras tiek audzētas atklātā laukā, lai nodrošinātu toleranci pret visdažādākajiem vides apstākļiem, kas nav obligāti nepieciešama aizsargājamai kultūrai. Piemērotu šķirņu attīstībai būs nepieciešams optimizēt vairākas pazīmes (piemēram, pašapputes, nenoteikta augšana, spēcīgas saknes), kas atšķiras no pazīmēm, kuras uzskata par
vēlams āra kultūrām (2. attēls) (Pieņemts no [13]).
Skaitlis 2. Vēlamās īpašības augļaugiem, ko audzē telpās kontrolētas vides apstākļos, salīdzinot ar kultūrām, ko audzē ārā lauka apstākļos.
Pašlaik iekštelpu lauksaimniecībai vislabāk piemērotie augļi un dārzeņi ir:
• Tie, kas aug uz vīnogulājiem vai krūmiem (tomāti, zemenes, avenes, mellenes, gurķi, paprika, vīnogas, kivi);
• Augstvērtīgas specializētās kultūras (apiņi, vaniļa, safrāns, kafija);
• Ārstnieciskās un kosmētiskās kultūras (jūraszāles, ehinaceja);
• Citas reālas iespējas ir mazi koki (ķirši, šokolāde, mango, mandeles) [13].
Nākamajās sadaļās mēs sīkāk aplūkojam pašreizējās esošās kultūras un jaunu šķirņu izstrādi iekštelpu lauksaimniecībai.
3.1. Esošās kultūras, ko audzē zemu, vidēju un augsto tehnoloģiju iekārtās
Zemas un vidējas tehnoloģijas aizsargātās augkopības sistēmas ražo galvenokārt tomātus, gurķus, cukini, piparus, baklažānus, salātus, Āzijas zaļumus un garšaugus. Pēc platības, saražoto augļu daudzuma un uzņēmumu skaita nozīmīgākā siltumnīcās audzētā dārza dārzeņu kultūra ir tomāts, kam seko paprika un salāti [15,45].
Austrālijā liela mēroga kontrolētas vides iekārtu attīstība galvenokārt ir ierobežota ar tām, kas paredzētas tomātu audzēšanai [15]. Aprēķinātais augļu, dārzeņu un ziedu GVP 2017. gadam uz lauka un aizsargājamās augkopības iekārtās parāda tomātu dominējošo stāvokli Austrālijas aizsargājamās augkopības nozarē.
Kopējais aprēķinātais GVP 2017. gadā attiecībā uz dārzkopības kultūru audzēšanu laukā un zemsegumā bija visaugstākais tomātiem (24%), kam sekoja zemenes (17%), vasaras augļi (13%), ziedi (9%), melleņu. (7%), gurķi (7%) un paprika (6%), un Āzijas dārzeņi, garšaugi, baklažāni, ķirši un ogas katrs veido mazāk nekā 6% (3.A attēls).
Skaitlis 3. Aplēstā produkcijas bruto vērtība (GVP) kopējai kombinētajai lauka un aizsargājamo augu dārzeņu audzēšanai (A) un aprēķinātā GVP kultūrām, kuras 2017. gadā audzē aizsargājamās kultūrās (B) Austrālijai.
Tostarp aizsargātās kultūraugu sistēmās audzēto kultūru GVP bija visaugstākais tomātiem (40 %), kas ir ievērojami mazāks salīdzinājumā ar citām kultūrām, tostarp ziediem (11 %), zemenēm (10 %), vasaras augļiem (8 %). ) un ogas (8%), un katra no pārējām kultūrām veido mazāk nekā 5% (3.B attēls). Tomēr Austrālijas iekšējais tirgus ir piesātināts ar siltumnīcas tomātiem, kas atstāj aizsargāto augkopības nozari
ar šādām divām iespējām: palielināt šo kultūru pārdošanas apjomu starptautiskajos tirgos; un/vai mudināt dažus valstī esošos siltumnīcu audzētājus pāriet uz citu augstvērtīgu kultūru audzēšanu. Atsevišķo aizsargājamo kultūru īpatsvars bija vislielākais ogām (85%) un tomātiem (80%), kam seko puķes (60%), gurķi (50%), ķirši un Āzijas dārzeņi (katrs 40%), zemenes un vasara.
augļi (katra 30%), mellenes un garšaugi (katra 25%) un, visbeidzot, paprika un baklažāni, katrs pa 20% [17]. Pašlaik energoietilpīga un darbietilpīga iekštelpu lauksaimniecība ir ierobežota ar augstvērtīgām kultūrām, kuras var ražot īstermiņā ar zemu enerģijas patēriņu [46,47]
Augu “rūpnīcās” šobrīd dominē lapu zaļumi un garšaugi, jo šīm kultūrām ir īss veģetācijas periods (jo augļi un sēklas nav nepieciešami) un augsta vērtība [7], tāpēc, ka šādām kultūrām nepieciešams salīdzinoši mazāk gaismas. fotosintēzei [48] un tāpēc, ka lielāko daļu saražotās augu biomasas var novākt [46,49, 12]. Ir liels potenciāls uzlabot pilsētu saimniecībās audzēto kultūru ražu un kvalitāti [XNUMX].
3.2. Nozares apsekojums: kur slēpjas dalībnieku intereses?
Galveno pētniecības tēmu noteikšana ir būtiska, lai uzlabotu valsts un privāti finansētu pētījumu efektivitāti aizsargājamās augkopības nākotnei. Piemēram, Future Food Systems Co-operative Research Center (FFSCRC), ko ierosināja Jaundienvidvelsas lauksaimnieku asociācija (NSW Farmers), Jaundienvidvelsas Universitāte (UNSW) un Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), sastāv no konsorcija. no vairāk nekā 60 dibinātājiem
nozares, valdības un pētniecības dalībniekiem. Tās pētniecības un spēju programmu mērķis ir atbalstīt dalībniekus reģionālo un piepilsētu pārtikas sistēmu produktivitātes optimizēšanā, jaunu produktu pārņemšanā no prototipa līdz tirgum un ātras, ar izcelsmi aizsargātas piegādes ķēdes ieviešanā no saimniecības līdz patērētājam. Šim nolūkam FFSRC nodrošina sadarbības pētniecības vidi, kuras mērķis ir uzlabot aizsargājamo augkopību, lai palielinātu mūsu spēju eksportēt augstākās kvalitātes dārzkopības produkciju un palīdzētu Austrālijai kļūt par zinātnes un tehnoloģiju līderi aizsargātās augkopības nozarē.
Dalībnieki tika aptaujāti, lai noteiktu mērķkultūras iekštelpu lauksaimniecībai. Dalībnieku vidū, kuri identificēja mērķa kultūras, interese par svaigiem dārzeņiem bija vislielākā (29%), kam sekoja interese par augļu kultūrām (22%); ārstniecības kaņepes, citi ārstniecības augi un specializētās kultūras (13%); vietējās/vietējās sugas (10%); sēnes/sēnes (10%); un lapu zaļumi (3%) (4. attēls).
Skaitlis 4. To kultūru klasifikācija, kuras pašlaik ražo FFSCRC dalībnieki aizsargājamās augkopības iekārtās, un līdz ar to dalībnieku iespējamā interese rast risinājumus šo kultūru produktīvākai audzēšanai zem segas.
Aptaujas pamatā bija tiešsaistē pieejamā informācija par dalībniekiem; Detalizētākas informācijas iegūšana būs ļoti svarīga, lai izprastu un izpildītu dalībnieku īpašās prasības.
3.3. Jaunu šķirņu audzēšana kontrolētas vides iekārtām
Dārzeņu un citu kultūraugu uzlabošanai pieejamās selekcijas tehnoloģijas strauji attīstās [50]. Aizsargātajā kultūraugā, dinamiskā ekonomikas sektorā ar straujām izmaiņām tirgus tendencēs un patērētāju vēlmēs, ir ļoti svarīgi izvēlēties pareizo šķirni [44,51]. Ir daudz pētījumu, kas novērtē augstvērtīgu kultūru, piemēram, tomātu un baklažānu, pielāgošanu siltumnīcas ražošanai [52,53]. Jaunas selekcijas tehnoloģijas [50] ir veicinājušas jaunu šķirņu izstrādi ar vēlamām īpašībām, un daži uzņēmumi ir sākuši projektēt augus augšanai kontrolētā vidē ar LED apgaismojumu [20]. Tomēr šķirnes galvenokārt ir audzētas, lai maksimāli palielinātu ražu ļoti mainīgos lauka apstākļos [46]. Tādas kultūraugu īpašības kā tolerance pret sausumu, karstumu un salu, kas ir vēlamas laukā audzētām kultūrām, bet parasti ir saistītas ar ražas sodu, parasti nav vajadzīgas
iekštelpu lauksaimniecība.
Galvenās iezīmes, kuras var izmantot augstvērtīgāku kultūraugu pielāgošanai iekštelpu lauksaimniecībai, ir īsi dzīves cikli, nepārtraukta ziedēšana, zema sakņu un dzinumu attiecība, uzlabota veiktspēja ar zemu fotosintētiskās enerģijas ievadi un vēlamās patērētāja īpašības, tostarp garša, krāsa, tekstūra un specifiskais uzturvielu saturs [12,13]. Turklāt, audzējot īpaši augstākas kvalitātes iegūšanai, tiks iegūti ļoti vēlami produkti ar augstu tirgus vērtību. Gaismas spektru, temperatūru, mitrumu un barības vielu piegādi var pārvaldīt tā, lai mainītu mērķa savienojumu uzkrāšanos lapās un augļos [54,55] un palielinātu kultūraugu uzturvērtību, tostarp proteīnus (daudzums un kvalitāte), A, C vitamīnus. un E, karotinoīdi, flavonoīdi, minerāli, glikozīdi un antocianīni [12]. Piemēram, dabā sastopamas mutācijas (vīnogu augļos) un gēnu rediģēšana (kivi) ir izmantotas, lai modificētu augu arhitektūru, kas būs noderīga audzēšanai telpās ierobežotās telpās. Nesenā pētījumā tomātu un ķiršu augi tika izstrādāti, izmantojot CRISPR-Cas9, lai apvienotu šādas trīs vēlamās iezīmes: pundura fenotipu, kompaktu augšanas ieradumu un priekšlaicīgu ziedēšanu. Iegūto “rediģēto” tomātu šķirņu piemērotība izmantošanai iekštelpu lauksaimniecības sistēmās tika apstiprināta, izmantojot lauka un komerciālos vertikālās saimniecības izmēģinājumus [56].
Pārskatā par molekulāro selekciju, lai radītu optimizētas kultūras, tika apspriesta lauksaimniecības produktu pievienotā vērtība, attīstot lauksaimniecības kultūras ar labvēlīgu ietekmi uz veselību un kā pārtikā lietojamas zāles [46]. Galvenās pieejas, lai attīstītu lauksaimniecības kultūraugus ar labvēlīgu ietekmi uz veselību, tika identificētas kā liela daudzuma vēlamo raksturīgo barības vielu uzkrāšanās vai nevēlamo savienojumu samazināšana, kā arī vērtīgu savienojumu uzkrāšanās.
parasti netiek ražoti kultūrā.
4. Izaicinājumi un iespējas aizsargātā augkopībā un iekštelpu lauksaimniecībā
Uzlabotas aizsargātas augkopības un iekštelpu lauksaimniecībai ir salīdzinoši neliela ietekme uz vidi. Lai gan kultūraugu audzēšana zem seguma ir energoietilpīgāka nekā daudzas citas lauksaimniecības metodes, spēja mazināt laikapstākļu ietekmi, nodrošināt izsekojamību un audzēt labākas kvalitātes pārtiku veicina konsekventu kvalitatīvas produkcijas piegādi, piesaistot atdevi, kas ievērojami pārsniedz papildu ražošanas izmaksas. [18]. Galvenie izaicinājumi aizsargātajā augkopībā ir:
• Augstas kapitāla izmaksas sakarā ar augstām zemes cenām iekšpilsētās un piepilsētās;
• Augsts enerģijas patēriņš;
• Pieprasījums pēc kvalificēta darbaspēka;
• Slimību pārvaldība bez ķīmiskās kontroles; un
• Uztura kvalitātes indeksu izstrāde — lai definētu un sertificētu produkcijas kvalitātes aspektus — iekštelpās audzētām kultūrām.
Nākamajā sadaļā mēs apspriedīsim dažus izaicinājumus un iespējas, kas saistītas ar aizsargājamo kultūraugu audzēšanu.
4.1. Optimāli apstākļi augstai produktivitātei un efektīvai resursu izmantošanai
Labāka izpratne par kultūraugu prasībām dažādos augšanas posmos un dažādos apgaismojuma apstākļos ir būtiska, ja audzētāji vēlas uzturēt rentablu augkopību kontrolētā vidē. Efektīva siltumnīcas vides, tostarp tās klimatisko un uztura elementu, kā arī strukturālo, kā arī mehānisko apstākļu pārvaldība var ievērojami uzlabot augļu kvalitāti un ražu [57]. Augšanas vides faktori var ietekmēt augu augšanu, iztvaikošanas ātrumu un fizioloģiskos ciklus. No klimatiskajiem faktoriem saules starojums ir vissvarīgākais, jo fotosintēzei ir nepieciešama gaisma, un raža ir tieši proporcionāla saules gaismas līmenim līdz fotosintēzes gaismas piesātinājuma punktiem. Bieži vien precīza vides kontrole prasa lielus enerģijas izdevumus, samazinot kontrolētas vides lauksaimniecības rentabilitāti. Siltumnīcu apkurei un dzesēšanai nepieciešamā enerģija joprojām ir liela problēma un mērķis tiem, kas vēlas samazināt enerģijas izmaksas [6]. Stiklojuma materiāli un novatoriskas stikla tehnoloģijas, piemēram, Smart Glass [58], piedāvā daudzsološas iespējas samazināt izmaksas, kas saistītas ar siltumnīcas temperatūras uzturēšanu un vides mainīgo lielumu kontroli. Mūsdienās inovatīvas stikla tehnoloģijas un efektīvas dzesēšanas sistēmas tiek iestrādātas aizsargātā augkopībā siltumnīcu iekārtās. Stiklojuma materiāliem ir iespēja samazināties
elektroenerģijas patēriņš, absorbējot lieko saules starojumu un novirzot gaismas enerģiju elektroenerģijas ražošanai, izmantojot fotoelementus [59,60].
Tomēr pārklājuma materiāli ietekmē siltumnīcas mikroklimatus [61,62, 63], tostarp gaismu [2], un tāpēc ir svarīgi novērtēt jauno stiklojuma materiālu ietekmi uz augu augšanu un fizioloģiju, resursu izmantošanu, ražu un kvalitāti vidēs, kurās faktori ietekmē. piemēram, CO3, temperatūra, barības vielas un apūdeņošana tiek stingri kontrolētas. Piemēram, tika pārbaudīti daļēji caurspīdīgi organiskie fotoelementi (OPV), kuru pamatā ir regioregulāra poli(3-heksiltiofēna) (P61HT) un fenil-C20.2-sviestskābes metilestera (PCBM) maisījums, lai kultivētu piparu augus (Capsicum annuum). OPV ēnā piparu augi veģetācijas sezonas beigās saražoja par 21.8% vairāk augļu masas, un ēnotie augi bija par 64% garāki [65]. Citā pētījumā elastīgo fotoelektrisko paneļu radītais PAR samazinājums uz jumta neietekmēja ražu, augu morfoloģiju, ziedu skaitu vienā zarā, augļu krāsu, stingrību un pH [XNUMX].
Īpaši zemu atstarojošo “viedā stikla” plēve Solar Gard™ ULR-80 [58] pašlaik tiek testēta siltumnīcu ražošanā. Mērķis ir realizēt stiklojuma materiālu ar regulējamu gaismas caurlaidību potenciālu un samazināt augstās enerģijas izmaksas, kas saistītas ar darbību augsto tehnoloģiju siltumnīcu dārzkopības iekārtās. Viedā stikla (SG) plēve tiek uzklāta uz atsevišķu siltumnīcu līču standarta stikliem iekārtās, kurās audzē dārzeņu kultūras, izmantojot komerciālas vertikālās audzēšanas un apsaimniekošanas metodes [66,67]. Baklažānu izmēģinājumi saskaņā ar SG uzrādīja augstāku enerģijas un mēslošanas efektivitāti [42], bet arī samazināja baklažānu ražu, jo ierobežotas gaismas fotosintēzes rezultātā ir augsts ziedu un/vai augļu abortu līmenis [58]. Izmantotā SG plēve var būt jāpārveido, lai radītu optimālus gaismas apstākļus un samazinātu gaismas ierobežojumus augļiem ar augstu oglekļa saturu, piemēram, baklažāniem.
Jaunu enerģiju taupošu stiklojuma materiālu, piemēram, viedā stikla, izmantošana sniedz lielisku iespēju samazināt siltumnīcas darbības enerģijas izmaksas un optimizēt gaismas apstākļus mērķa kultūru audzēšanai. Viedām pārklājošām plēvēm, piemēram, luminiscences gaismu izstarojošām lauksaimniecības plēvēm (LLEAF), ir potenciāls uzlabot, kā arī kontrolēt veģetatīvo augšanu un reproduktīvo attīstību vidēju tehnoloģiju aizsargātā augkopībā. LLEAF
paneļus varētu pārbaudīt ar dažādām ziedošām un neziedošām kultūrām, lai noteiktu, vai tie palīdz palielināt veģetatīvo un reproduktīvo augšanu (izmainot fizioloģiskos procesus, kas ir pamatā augu augšanai un ražas produktivitātei un kvalitātei).
4.2. Kaitēkļu un slimību pārvaldība
Lai gan kontrolētas aizsargātas augkopības iekārtas var samazināt kaitēkļu un slimību skaitu, ja tās ir ieviestas, tās ir ārkārtīgi grūti un dārgi kontrolēt, neizmantojot toksiskas sintētiskas ķīmiskas vielas. Vertikālā lauksaimniecība iekštelpās ļauj manuāli un/vai automātiski (izmantojot sensoru tehnoloģijas) rūpīgi uzraudzīt kultūraugus, lai atklātu kaitēkļu vai slimību pazīmes, un jauno robotu tehnoloģiju un/vai attālās uzrādes procedūru pieņemšana atvieglos.
uzliesmojumu agrīna atklāšana un slimu un/vai invadētu augu likvidēšana [7].
Lai efektīvi apkarotu kaitēkļus siltumnīcās, būs vajadzīgas jaunas integrētās augu aizsardzības (IPM) metodes [68]. Atbilstošas pārvaldības stratēģijas (kultūras, fizikālās, mehāniskās, bioloģiskās un ķīmiskās), kā arī laba kultūras prakse, uzlabotas uzraudzības metodes un precīza identifikācija var uzlabot dārzeņu ražošanu, vienlaikus samazinot atkarību no pesticīdu lietošanas. Integrēta pieeja slimību pārvaldībai ietver rezistentu šķirņu izmantošanu, sanitāriju, pareizu kultūras praksi un atbilstošu pesticīdu lietošanu [44]. Jaunu IPM stratēģiju izstrāde var samazināt darbaspēka izmaksas un nepieciešamību lietot ķīmiskos pesticīdus. Ņemiet, piemēram, jaunu, komerciāli audzētu, dabiski labvēlīgu kukaiņu (piem., laputu, zaļo mežģīņu u.c.) izmantošanu, lai pārvaldītu labības kaitēkļus un samazinātu paļaušanos uz ķīmisko kontroli. Dažādu jaunu IPM testēšana
stratēģijas gan atsevišķi, gan kombinācijās palīdzēs izstrādāt kultūraugiem un iekārtām raksturīgus ieteikumus audzētājiem.
4.3. Kultūraugu kvalitāte un uzturvērtības
Aizsargāta augkopība nodrošina audzētājiem un nozares partneriem augstu ražu un augstas kvalitātes produkciju visu gadu [69]. Tomēr augstākās kvalitātes augļu un dārzeņu audzēšanai ir nepieciešama uzturvērtības un kvalitātes parametru augsta caurlaidspēja [70]. Augļu kvalitātes pamatparametri ietver mitruma saturu, pH, kopējo šķīstošo cietvielu, pelnu, augļu krāsu, askorbīnskābi un titrējamo skābumu, kā arī uzlabotos uzturvērtības parametrus, tostarp cukurus, taukus, olbaltumvielas, vitamīnus un antioksidantus; stingrības un ūdens zudumu mērījumi arī ir ļoti svarīgi kvalitātes indeksu noteikšanai [66]. Turklāt augkopības produkcijas augstas caurlaidības kvalitātes pārbaudi varētu iekļaut automatizētā siltumnīcu operāciju sistēmā. Pieejamo kultūraugu genotipu skrīnings pēc kvalitātes parametriem nodrošinās jaunas augstvērtīgas, barības vielām bagātas augļu un dārzeņu šķirnes audzētājiem un patērētājiem. Agronomiskās stratēģijas, tostarp augšanas vide un kultūraugu pārvaldības prakse, būs jāoptimizē, lai palielinātu šo augstvērtīgo kultūru ražošanu un augu barības vielu blīvumu.
4.4. Nodarbinātība un kvalificēta darbaspēka pieejamība
Aizsargājamās augkopības nozarei palielinās darbaspēka prasības (> 5% gadā), un tiek lēsts, ka pašlaik šajā nozarē ir nodarbināti vairāk nekā 10,000 XNUMX cilvēku visā Austrālijā. Neskatoties uz augsto automatizācijas līmeni, liela mēroga aizsargājamai kultūraugu audzēšanai ir nepieciešams ievērojams darbaspēks, jo īpaši kultūraugu audzēšanai, kultūraugu uzturēšanai, mehāniskai apputeksnēšanai un ražas novākšanai. Pieaugot pieprasījumam
augsti kvalificētiem audzētājiem atbilstoši kvalificētu darbinieku piedāvājums joprojām ir zems [18,71]. Kvalificēts darbaspēks būs nepieciešams arī pilsētu vertikālās lauksaimniecības attīstībai, kas radīs jaunas karjeras tehnologiem, projektu vadītājiem, apkopes darbiniekiem un mārketinga un mazumtirdzniecības darbiniekiem [7]. Daudzfunkcionālu komerciāla mēroga modernu iekārtu izveide sniegtu iespēju risināt pētniecības jautājumus, tādējādi veicinot mērķi palielināt dažādu kultūraugu produktivitāti, vienlaikus nodrošinot izglītību un apmācību prasmju apguvē, kas nākotnē varētu būt ļoti pieprasītas aizsargājamās augkopības nozarē.
5. Secinājumi
Augsto tehnoloģiju siltumnīcās ar viedajām tehnoloģijām ir liels potenciāls uzlabot rentabilitāti, automatizējot kritiskās un/vai darbietilpīgās jomas, piemēram, ražas uzraudzību, apputeksnēšanu un ražas novākšanu. AI, robotikas un ML attīstība paver jaunas dimensijas aizsargātai apgriešanai. Vertikālās saimniecības veido nelielu daļu no pasaules lauksaimniecības tirgus, un, neskatoties uz to, ka vertikālā lauksaimniecība ir ļoti energoietilpīga, tā piedāvā nepārspējamu produktivitāti ar augstu ūdens un barības vielu efektivitātes līmeni. Ekonomiska daudzveidīgu kultūru ražošana ir būtiska, lai aizsargāta augkopība būtiski pozitīvi ietekmētu globālo nodrošinātību ar pārtiku. Zemas un vidējas tehnoloģijas aizsargātās augkopības sistēmas ražo galvenokārt tomātu, gurķu, cukini, paprikas, baklažānu un salātu kultūras, kā arī Āzijas zaļumus un garšaugus.
Liela mēroga kontrolētas vides iekārtu attīstība Austrālijā galvenokārt ir ierobežota ar tomātu audzēšanu. Lai izstrādātu piemērotas šķirnes, būs jāoptimizē vairākas galvenās iezīmes, kas atšķiras no tām, kuras tiek uzskatītas par vēlamām āra kultūrām. Galvenās iezīmes, kuras var izmantot iekštelpu lauksaimniecībā, ir samazināts ražas dzīves cikls, nepārtraukta ziedēšana, zema sakņu un dzinumu attiecība, paaugstināta veiktspēja zemas fotosintēzes apstākļos.
enerģijas ievade un vēlamās patērētāja īpašības, piemēram, garša, krāsa, tekstūra un īpašs uzturvielu saturs.
Turklāt, audzējot īpaši augstākas kvalitātes, uzturvērtības ziņā blīvākas kultūras, tiks iegūti vēlami dārzkopības (un, iespējams, arī ārstniecības) produkti ar izcilu tirgus vērtību. Aizsargātas augkopības rentabilitāte un ilgtspējība ir atkarīga no risinājumu izstrādes primārajām problēmām, tostarp sākuma izmaksām, enerģijas patēriņam, kvalificētam darbaspēkam, kaitēkļu apkarošanai un kvalitātes indeksa izstrādei.
Jauni stiklojuma materiāli un tehnoloģiskie sasniegumi, kas pašlaik tiek pētīti vai izmēģināti, piedāvā risinājumus, lai risinātu vienu no aktuālākajām aizsargātās augkopības problēmām. Šie sasniegumi, iespējams, varētu sniegt nepieciešamo stimulu, lai palīdzētu aizsargātajai augkopības nozarei pāriet uz ilgtspējīgu un rentablu energoefektivitātes līmeni un apmierināt pieaugošās prasības pēc pārtikas nodrošinājuma, vienlaikus saglabājot ražas kvalitāti un uzturvērtību.
saturu un līdz minimumam samazinot kaitīgo ietekmi uz vidi.
Autora ieguldījums: SGC uzrakstīja pārskatu, izmantojot DTT, Z.-HC, OG un CIC sniegto ieguldījumu un pārskatīšanu. Visi autori ir izlasījuši manuskripta publicēto versiju un piekrituši tai.
Finansējums: Pārskats tika balstīts uz ziņojumu, ko pasūtīja un finansēja Future Food Systems Cooperative Research Centre, kas atbalsta nozares virzītu sadarbību starp nozari, pētniekiem un sabiedrību. Mēs saņēmām arī finansiālu atbalstu no Horticulture Innovation Australia projektiem (Dotācijas numurs VG16070 DTT, Z.-HC, OG, CIC; Granta numurs VG17003 DTT, Z.-HC; Granta numurs LP18000 Z.-HC) un CRC projekta P2. -013 (DTT, Z.-HC, OG, CIC).
Institucionālās pārbaudes padomes paziņojums: Nav piemērojams.
Informētas piekrišanas paziņojums: Nav piemērojams.
Paziņojums par datu pieejamību: Nav piemērojams.
Konflikti objekti: Autori paziņo, ka nav interešu konflikta.
Atsauces
1. Apvienoto Nāciju Organizācijas Ekonomikas un sociālo lietu departaments. Pieejams tiešsaistē: https://www.un.org/development/desa/en/ news/population/2018-revision-of-world-urbanization-prospects.html (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).
2. Apvienoto Nāciju Organizācijas Ekonomikas un sociālo lietu departaments. Pieejams tiešsaistē: https://www.un.org/development/desa/publications/world-population-prospects-2019-highlights.html (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).
3. Binns, CW; Lī, MK; Maycock, B.; Torheima, LE; Naniši, K.; Duong, DTT Klimata pārmaiņas, pārtikas piegāde un uztura vadlīnijas. Annu. Rev. Sabiedrības veselība, 2021, 42, 233–255. [CrossRef] [PubMed] 4. Valin, H.; Sands, RD; Van Der Mensbrughe, D.; Nelsons, GC; Ahammads, H.; Blāns, E.; Bodirskis, B.; Fujimori, S.; Hasegava, T.; Havļiks, P.; un citi. Pārtikas pieprasījuma nākotne: izpratne par atšķirībām globālajos ekonomikas modeļos. Lauksaimniecības. Ekonom. 2014, 45, 51–67. [CrossRef] 5. Hjūzs, N.; Lu, M.; Ying Soh, W.; Lawson, K. Klimata pārmaiņu ietekmes simulēšana uz Austrālijas saimniecību rentabilitāti. ABARES darba dokumentā; Austrālijas valdība: Kanbera, Austrālija, 2021. [CrossRef] 6. Rabbi, B.; Čens, Z.-H.; Sethuvenkatraman, S. Aizsargāta augkopība siltā klimatā: mitruma kontroles un dzesēšanas metožu pārskats. Enerģijas 2019, 12, 2737. [CrossRef] 7. Benke, K.; Tomkins, B. Nākotnes pārtikas ražošanas sistēmas: Vertikālā lauksaimniecība un kontrolētas vides lauksaimniecība. Uzturēt. Sci. Prakse. Politika 2017, 13., 13.–26. [CrossRef] 8. Mougeot, LJA Growing Better Cities: Urban Agriculture for Sustainable Development; IDRC: Otava, ON, Kanāda, 2006; ISBN 978-1-55250-226-6.
9. Pīrsons, LJ; Pīrsons, L.; Pearson, CJ Ilgtspējīga pilsētu lauksaimniecība: pārskats un iespējas. Int. J. Agric. Uzturēt. 2010, 8, 7–19. [CrossRef] 10. Tout, D. Almería provinces dārzkopības nozare, Spānija. Ģeogrāfisks J. 1990, 156, 304–312. [CrossRef] 11. Henrijs, R. Inovācijas lauksaimniecībā un pārtikas apgādē, reaģējot uz Covid-19 pandēmiju. Mol. Augs 2020, 13, 1095–1097. [CrossRef] 12. O'Salivans, C.; Bonets, G.; Makintairs, C.; Hočmanis, Z.; Wasson, A. Stratēģijas pilsētu lauksaimniecības produktivitātes, produktu daudzveidības un rentabilitātes uzlabošanai. Lauksaimniecības. Sist. 2019, 174., 133.–144. [CrossRef] 13. O'Salivana, Kalifornija; Makintairs, CL; Sauss, IB; Hani, SM; Hočmanis, Z.; Bonnett, GD Vertikālās fermas nes augļus. Nat. Biotehnoloģija. 2020, 38., 160.–162. [CrossRef] 14. Cuesta Roble izlaidumi. Globālā siltumnīcu statistika. 2019. Pieejams tiešsaistē: https://www.producerower.com/article/cuestaroble-2019-global-greenhouse-statistics/ (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).
15. Hadley, D. Kontrolētas vides dārzkopības nozares potenciāls NSW; Jaunanglijas Universitāte: Armidale, Austrālija, 2017; lpp. 25.
16. Pasaules dārzeņu karte. 2018. Pieejams tiešsaistē: https://research.rabobank.com/far/en/sectors/regional-food-agri/world_ vegetable_map_2018.html (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).
17. Graeme Smith Consulting — vispārīga informācija par nozari. Pieejams tiešsaistē: https://www.graemesmithconsulting.com/index. php/information/general-industry-information (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).
18. Davis, J. Growing Protected Cropping Austrālijā līdz 2030. gadam; Protected Croppping Australia: Pērta, Austrālija, 2020; lpp. 15.
19.Agrilyst. Iekštelpu lauksaimniecības stāvoklis; Agrilyst: Bruklina, Ņujorka, ASV, 2017.
20. Iekštelpu bezaugsnes lauksaimniecība: I fāze: kontrolētas vides lauksaimniecības nozares un ietekmes izpēte | Publikācijas | WWF.
Pieejams tiešsaistē: https://www.worldwildlife.org/publications/indoor-soilless-farming-phase-i-examining-the-industry-andimpacts-of-controlled-environment-agriculture (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī). Crops 2022, 2 184
21. Emmott, CJM; Rērs, JA; Campoy-Quiles, M.; Kirchartz, T.; Urbiņa, A.; Ekins-Daukes, Ņūdžersija; Nelsons, J. Organiskā fotoelektriskā enerģija
siltumnīcas: unikāls pielietojums daļēji caurspīdīgam PV? Enerģijas vide. Sci. 2015, 8, 1317–1328. [CrossRef] 22. Marucci, A.; Zambons, I.; Kolantoni, A.; Monarca, D. Lauksaimniecības un enerģētikas mērķu kombinācija: fotoelementu siltumnīcas tuneļa prototipa novērtējums. Atjaunot. Uzturēt. Energy Rev. 2018, 82, 1178–1186. [CrossRef] 23. Torrellas, M.; Antons, A.; Lopess, JC; Baeza, EJ; Parra, JP; Munozs, P.; Montero, JI LCA tomātu ražai vairāku tuneļu siltumnīcā Almerijā. Int. J. Dzīves cikla novērtējums. 2012, 17, 863–875. [CrossRef] 24. Caponetto, R.; Fortuna, L.; Nunnari, G.; Okčipinti, L.; Xibilia, MG Mīksta skaitļošana siltumnīcu klimata kontrolei. IEEE Trans. Izplūdušā sistēma. 2000, 8, 753–760. [CrossRef] 25. Guo, D.; Huans, Dž.; Čangs, L.; Džans, Dž.; Huang, D. Augu sakņu zonas ūdens stāvokļa diskriminācija siltumnīcu ražošanā, pamatojoties uz fenotipēšanu un mašīnmācīšanās metodēm. Sci. Rep. 2017, 7, 8303. [CrossRef] 26. Hassabis, D. Mākslīgais intelekts: gadsimta šaha mačs. Daba 2017, 544, 413–414. [CrossRef] 27. Hemings, S.; de Zwart, F.; Elings, A.; Rigīni, I.; Petropoulou, A. Siltumnīcas dārzeņu ražošanas tālvadība ar mākslīgo intelektu — siltumnīcas klimats, apūdeņošana un augkopība. Sensori 2019, 19, 1807. [CrossRef] [PubMed] 28. Taki, M.; Abdanans Mehdizadehs, S.; Rohani, A.; Rahnama, M.; Rahmati-Joneidabad, M. Lietišķā mašīnmācība siltumnīcas simulācijā; jauns lietojums un analīze. Inf. Lauksaimniecības pārstrāde. 2018, 5, 253–268. [CrossRef] 29. Šamsīri, RR; Hameed, IA; Torps, KR; Balasundram, SK; Šafians, S.; Fatemijs, M.; Sultāns, M.; Māns, B.; Samiei, S. Siltumnīcu automatizācija, izmantojot bezvadu sensorus un IoT instrumentus, kas integrēti ar mākslīgo intelektu; IntechOpen: Rijeka, Horvātija, 2021; ISBN 978-1-83968-076-2.
30. Subēšs, A.; Mehta, CR Lauksaimniecības automatizācija un digitalizācija, izmantojot mākslīgo intelektu un lietu internetu. Artif. Intell. Lauksaimniecības. 2021, 5, 278–291. [CrossRef] 31. Lehnert, C.; McCool, C.; Sa, I.; Perez, T. Saldo piparu novākšanas robots aizsargātām apgriešanas vidēm. arXiv 2018, arXiv:1810.11920.
32. Lēnerts, C.; McCool, C.; Korke, P.; Sa, I.; Stahniss, C.; Hentens, EJV; Nieto, J. Īpašizdevums par lauksaimniecības robotiku. J. Lauka robots. 2020, 37, 5.–6. [CrossRef] 33. Šamsīri, R.; Velciens, C.; Hameed, IA; Yule, IJ; Grifts, TE; Balasundram, SK; Pitonakova, L.; Ahmads, D.; Chowdhary, G. Lauksaimniecības robotikas izpēte un attīstība: digitālās lauksaimniecības perspektīva. Int. J. Agric. Biol. Inž. 2018, 11, 1.–14. [CrossRef] 34. Balendonck, J. Sweeper robots novāc pirmos piparus. Greenh. Int. Mag. Greenh. Augt. 2017, 6., 37.
35. Juaņs, T.; Džans, S.; Sheng, X.; Vangs, D.; Gongs, Y.; Li, W. Autonomais apputeksnēšanas robots tomātu ziedu apstrādei ar hormoniem siltumnīcā. In Proceedings of the 2016 3rd International Conference on Systems and Informatics (ICSAI), Šanhaja, Ķīna, 19. gada 21.–2016. novembris; 108.–113.lpp.
36. Meharg, AA Perspektīva: Pilsētas lauksaimniecībai ir nepieciešama uzraudzība. Daba 2016, 531, S60. [CrossRef] [PubMed] 37. Thomaier, S.; Spehts, K.; Henkels, D.; Dīrihs, A.; Zīberts, R.; Freizingers, UB; Sawicka, M. Lauksaimniecība pilsētas ēkās un uz tām: pašreizējā prakse un specifiskas novitātes nulles platību lauksaimniecībā (ZFarming). Atjaunot. Lauksaimniecības. Pārtikas sistēma. 2015, 30., 43.–54. [CrossRef] 38. Ghannoum, O. Atveseļošanās zaļie dzinumi. Openforum. 2020. Pieejams tiešsaistē: https://www.openforum.com.au/the-greenshoots-of-recovery/ (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).
39. Despommier, D. Farming up the city: urbānā vertikālo saimniecību pieaugums. Trends Biotechnol. 2013, 31, 388–389. [CrossRef] 40. Yang, J.; Liu, M.; Lu, J.; Miao, Y.; Hossain, MA; Alhamid, MF Botāniskais lietu internets: ceļā uz viedo lauksaimniecību iekštelpās
savieno cilvēkus, augus, datus un mākoņus. Mob. Tīkls Appl. 2018, 23, 188–202. [CrossRef] 41. Samaranayake, P.; Liangs, V.; Čens, Z.-H.; Audi, D.; Lan, Y.-C. Ilgtspējīga aizsargāta augkopība: gadījuma izpēte par sezonālo ietekmi uz siltumnīcas enerģijas patēriņu paprika audzēšanas laikā. Enerģijas 2020, 13, 4468. [CrossRef] 42. Lin, T.; Goldsvortijs, M.; Čavans, S.; Liangs, V.; Maiers, C.; Gannums, O.; Cazzonelli, CI; audi, DT; Lan, Y.-C.;
Sethuvenkatraman, S.; un citi. Jauns seguma materiāls uzlabo dzesēšanas enerģiju un barošanas efektivitāti siltumnīcas baklažānu ražošanā. Energy 2022, 251, 123871. [CrossRef] 43. Samaranayake, P.; Maiers, C.; Čavans, S.; Liangs, V.; Čens, Z.-H.; audi, DT; Lan, Y.-C. Enerģijas samazināšana aizsargātā augkopības iekārtā, izmantojot vairāku temperatūru uztveršanas punktus un ventilācijas iestatījumu kontroli. Enerģijas 2021, 14, 6014. [CrossRef] 44. FAO. Laba lauksaimniecības prakse siltumnīcu dārzeņu kultūrām: Vidusjūras klimata apgabalu principi; FAO augu ražošanas un aizsardzības papīrs; FAO: Roma, Itālija, 2013; ISBN 978-92-5-107649-1.
45. Hort Innovation Protected Croping — Pārskats par pētniecību un P&A nepilnību identificēšanu attiecībā uz dārzeņiem, uz kuriem attiecas nodoklis (VG16083). Pieejams tiešsaistē: https://www.horticulture.com.au/growers/help-your-business-grow/research-reports-publications-factsheets-and-more/project-reports/vg16083-1/vg16083/ (piekļuve 13. gada 2022. aprīlis).
46. Hivasa-Tanase, K.; Ezura, H. Molekulārā selekcija optimizētu kultūraugu radīšanai: no ģenētiskām manipulācijām līdz potenciālajiem lietojumiem augu rūpnīcās. Priekšpuse. Augu Sci. 2016, 7, 539. [CrossRef] 47. Kozai, T. Kāpēc LED apgaismojums pilsētu lauksaimniecībai? LED apgaismojumā pilsētu lauksaimniecībai; Kozai, T., Fujiwara, K., Runkle, ES, Eds.; Springer: Singapūra, 2016; 3.–18.lpp. ISBN 978-981-10-1848-0.
48. Kvons, S.; Lim, J. Energoefektivitātes uzlabošana augu rūpnīcās, mērot augu bioelektrisko potenciālu. Informātikā vadības, automatizācijas un robotikas jomā; Tan, H., Ed.; Springer: Berlīne/Heidelberga, Vācija, 2011; 641.–648.lpp.
49. Cocetta, G.; Kasčāni, D.; Bulgari, R.; Musante, F.; Koltons, A.; Rosi, M.; Ferrante, A. Vieglas izmantošanas efektivitāte dārzeņu ražošanā
aizsargātā un iekštelpu vidē. Eiro. Fizik. J. Plus 2017, 132, 43. [CrossRef] Crops 2022, 2 185
50. Džonss, M. Jaunas selekcijas tehnoloģijas un iespējas Austrālijas dārzeņu rūpniecībai; Horticulture Innovation Australia Limited: Sidneja, Austrālija, 2016. gads.
51. Tīzels, Y.; Leonardi, C. Aizsargāta audzēšana Vidusjūras reģionā: tendences un vajadzības. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg. 2009, 46, 215–223.
52. Bergugno, V. Tomātu vēsture: no pieradināšanas līdz biofarmēšanai. Biotehnoloģija. Adv. 2014, 32, 170-189. [CrossRef] [PubMed] 53. Tahers, D.; Solbergs, S.Ø.; Prohens, J.; Čou, Y.; Rakha, M.; Vu, T. Pasaules dārzeņu centra baklažānu kolekcija: izcelsme, sastāvs, sēklu izplatīšana un izmantošana selekcijā. Priekšpusē. Augu Sci. 2017, 8, 1484. [CrossRef] [PubMed] 54. Hasans, MM; Baširs, T.; Gošs, R.; Lī, SK; Bē, H. Pārskats par gaismas diožu ietekmi uz bioaktīvo savienojumu ražošanu un ražas kvalitāti. Molekulas 2017, 22, 1420. [CrossRef] 55. Piovene, C.; Orsini, F.; Bosi, S.; Sanubars, R.; Bregola, V.; Dinelli, G.; Džankvinto, G. Optimāla sarkanās un zilās krāsas attiecība LED apgaismojumā uzturam iekštelpu dārzkopībā. Sci. Hortic. 2015, 193, 202-208. [CrossRef] 56. Kvons, K.-T.; Heo, J.; Citrons, ZH; Capua, Y.; Hatona, SF; Van Eks, Dž.; Parks, SJ; Lipmans, ZB Solanaceae augļu kultūru ātra pielāgošana pilsētu lauksaimniecībai. Nat. Biotehnoloģija. 2020, 38, 182-188. [CrossRef] 57. Šamširi, RR; Džounss, Dž. Torps, KR; Ahmads, D.; Vīrietis, HC; Taheri, S. Optimālās temperatūras, mitruma un tvaika spiediena deficīta pārskats mikroklimata novērtēšanai un kontrolei tomātu audzēšanā siltumnīcā: pārskats. Int. Agrophys. 2018, 32, 287-302. [CrossRef] 58. Čavans, SG; Maiers, C.; Alagozs, Y.; Filipe, JC; Vorens, CR; Līns, H.; Jia, B.; Loik, ME; Cazzonelli, CI; Čens, ZH; un citi. Ierobežota gaismas fotosintēze zem enerģijas taupīšanas plēves samazina baklažānu ražu. Pārtikas enerģijas drošība. 2020, 9, e245. [CrossRef] 59. Timmermans, GH; Douma, RF; Lin, J.; Debijs, MG Dubults termiski/elektriski reaģējošs luminiscējošais "gudrais" logs. App. Sci. 2020, 10, 1421. [CrossRef] 60. Iņ, R.; Sju, P.; Šens, P. Gadījuma izpēte: enerģijas ietaupījums no saules logu plēves divās komerciālās ēkās Šanhajā. Enerģijas celtniecība. 2012, 45, 132-140. [CrossRef] 61. Kims, H.-K.; Lī, S.-Y.; Kvons, J.-K.; Kima, Y.-H. Segmateriālu ietekmes uz siltumnīcu mikroklimatu un siltuma veiktspēju novērtēšana. Agronomija 2022, 12, 143. [CrossRef] 62. Viņš, X.; Maiers, C.; Čavans, SG; Zhao, C.-C.; Alagozs, Y.; Kazonelli, C.; Gannums, O.; audi, DT; Čens, Z.-H. Gaismas mainīgie seguma materiāli un ilgtspējīga dārzeņu audzēšana siltumnīcā: pārskats. Augu augšanas Regul. 2021, 95, 1-17. [CrossRef] 63. Timmermans, GH; Hemings, S.; Baeza, E.; Thoor, EAJV; Šenings, APHJ; Debijs, MG Uzlaboti optiskie materiāli saules gaismas kontrolei siltumnīcās. Adv. Opt. Mater. 2020, 8, 2000738. [CrossRef] 64. Zisis, C.; Pečlivani, EM; Cimikli, S.; Mekeridis, E.; Laskaraķis, A.; Logotidis, S. Organiskie fotoelementi uz siltumnīcu jumtiem: ietekme uz augu augšanu. Mater. Šodien Proc. 2019, 19, 65-72. [CrossRef] 65. Aroca-Delgado, R.; Peress-Alonso, Dž.; Callejón-Ferre, Á.-J.; Diass-Peress, M. Morfoloģija, raža un siltumnīcas tomātu audzēšanas kvalitāte ar elastīgiem fotoelementu jumta paneļiem (Almeria-Spānija). Sci. Hortic. 2019, 257, 108768. [CrossRef] 66. Viņš, X.; Čavans, SG; Hamoui, Z.; Maiers, C.; Gannums, O.; Čens, Z.-H.; audi, DT; Kazonelli, CI Viedā stikla plēve samazina askorbīnskābi sarkano un oranžo papriku augļu šķirnēs, neietekmējot glabāšanas laiku. Augi 2022, 11, 985. [CrossRef] 67. Džao, C.; Čavans, S.; Viņš, X.; Džou, M.; Cazzonelli, CI; Čens, Z.-H.; audi, DT; Gannums, O. Viedais stikls ietekmē siltumnīcas piparu stomatālo jutību ar izmainītu gaismu. J. Exp. Bots. 2021, 72, 3235-3248. [CrossRef] 68. Pilkington, LJ; Meselink, G.; van Lenterens, JC; Le Motte, K. “Aizsargāta bioloģiskā kontrole” — bioloģiskā kaitēkļu apkarošana siltumnīcu nozarē. Biol. Kontrole 2010, 52, 216–220. [CrossRef] 69. Sonnevelds, C.; Voogts, V. Augu uzturs turpmākajā siltumnīcu ražošanā. Siltumnīcu kultūru augu uzturā; Sonneveld, C., Voogt, W., Eds.; Springer: Dordrehta, Nīderlande, 2009; lpp. 393-403.
70. Treftz, C.; Omaye, ST Siltumnīcā audzētu augsnes un bezaugsnes zemeņu un aveņu barības vielu analīze. Pārtika Nutr. Sci. 2015, 6, 805–815. [CrossRef] 71. Piedāvājam tālākizglītības iespējas dārzeņu nozares dalībniekiem. AUSVEG. 2020. Pieejams tiešsaistē: https://ausveg.com.au/
raksti/piedāvājot-tālākizglītības-iespējas-veg-industry-members/ (aplūkots 13. gada 2022. aprīlī).