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 Keskkonnainstituut, Lääne-Sydney
Ülikool, Lukustatud kott 1797, Penrith, NSW 2751, Austraalia; 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 ülikoolilinnak, Lääne-Sydney ülikool,
Richmond, NSW 2753, Austraalia
3. Teaduskool, Lääne-Sydney Ülikool, Penrith, NSW 2751, Austraalia
* Kirjavahetus: s.chavan@westernsydney.edu.au; Tel.: +61-2-4570-1913
Abstraktne: Kaitstud põllukultuuride kasvatamine pakub kliimamuutuste tingimustes toidutootmise tugevdamiseks
ja tarnida tervislikku toitu säästvalt vähemate ressurssidega. Küll aga teha seda põlluharimise viisi
majanduslikult elujõuline, peame arvestama kaitstud põllukultuuride staatust olemasolevate kontekstis
tehnoloogiad ja vastavad aiakultuurid. See ülevaade kirjeldab olemasolevaid võimalusi
ja väljakutsed, millega tuleb tegeleda käimasoleva uurimistöö ja innovatsiooniga selles põnevas, kuid
keeruline valdkond Austraalias. Sisetalu rajatised jagunevad laias laastus kolmeks järgmiseks
tehnoloogilise arengu tasemed: madal-, kesk- ja kõrgtehnoloogiline tase koos vastavate väljakutsetega
mis nõuavad uuenduslikke lahendusi. Lisaks piirangud toataimede kasvule ja kaitstud
põllukultuuride kasvatamise süsteemid (nt kõrged energiakulud) on piiranud sisepõllumajanduse kasutamist suhteliselt
vähe, kõrge väärtusega põllukultuure. Seetõttu peame välja töötama uusi siseruumides kasvatamiseks sobivaid põllukultuure
mis võivad erineda avamaal tootmiseks vajalikest. Lisaks kaitstud põllukultuur
nõuab suuri käivituskulusid, kallist kvalifitseeritud tööjõudu, suurt energiatarbimist ja märkimisväärset kahjurit
haiguste juhtimine ja kvaliteedikontroll. Üldiselt pakub kaitstud põllukultuur paljulubavaid lahendusi
toiduga kindlustatuse huvides, vähendades samal ajal toiduainete tootmise süsiniku jalajälge. Küll aga siseruumides
põllukultuuride tootmisel on oluline positiivne mõju ülemaailmsele toiduga kindlustatusele ja toitumisele
turvalisuse tagamiseks on mitmekesiste põllukultuuride säästlik tootmine hädavajalik.
Märksõnad: kaitstud põllukultuur; vertikaalne talu; mullavaba kultuur; põllukultuuride jõudlus; sisepõllumajandus;
toiduohutus; ressursside jätkusuutlikkus
1. Sissejuhatus
Maailma rahvaarv peaks 10. aastal jõudma peaaegu 2050 miljardini, kusjuures suurem osa kasvust leiab aset suurtes linnakeskustes üle kogu maailma [1,2]. Rahvaarvu suurenedes peab toidutootmine suurenema ning täitma toitumis- ja tervisevajadused, saavutades samal ajal ÜRO säästva arengu eesmärgid (UN SDG) [3,4]. Põllumaa vähenemine ja kliimamuutuste kahjulikud mõjud põllumajandusele kujutavad endast täiendavaid väljakutseid, mis sunnivad tulevaste toiduainete tootmissüsteemide uuendusi vastama järgmistel aastakümnetel kasvavale nõudlusele. Näiteks Austraalia talud puutuvad sageli kokku kliimamuutustega ja on vastuvõtlikud pikaajalistele kliimamuutuste mõjudele. Hiljutised põuad Ida-Austraalias aastatel 2018–19 ja 2019–20 mõjutasid põllumajandusettevõtteid negatiivselt, suurendades seeläbi kliimamuutuste esilekerkivat mõju Austraalia põllumajandusele [5].
Kaitstud põllukultuuride kasvatamine, mida tuntakse ka sisepõllundusena [6] – alates madaltehnoloogilistest polütunnelitest kuni kesktehnoloogiliste, osaliselt keskkonnakontrolliga kasvuhooneteni, lõpetades kõrgtehnoloogiliste „nutikate” kasvuhoonete ja sisetaludega – võib aidata suurendada ülemaailmset toiduga kindlustatust 21. sajandil. Kuigi visioon isemajandavast suurlinnast on tänapäevaste väljakutsetega toimetulemise viis ahvatlev, ei ole siseruumides viljelemise kasutuselevõtt vastanud
selle pooldajate põnevust ja optimismi. Kaitstud põllukultuuride kasvatamine ja siseruumides kasvatamine hõlmavad tehnoloogia ja automatiseerimise suuremat kasutamist maakasutuse optimeerimiseks, pakkudes seeläbi põnevaid lahendusi tulevase toidutootmise parandamiseks [7]. Kogu maailmas on linnapõllumajanduse areng [8,9] toimunud sageli pärast kroonilisi ja/või ägedaid kriise, nagu valgus- ja ruumipiirangud Hollandis; autotööstuse kokkuvarisemine Detroidis; kinnisvaraturu krahh USA idarannikul; ja Kuuba raketikriisi blokaad. muud
tõukejõud on tulnud vabade turgude näol, st kaitstud põllukultuuride kasvatamine levis Hispaanias [10], kuna riigil on lihtne juurdepääs Põhja-Euroopa turgudele. Koos olemasolevate väljakutsetega võib käimasolev COVID-19 pandeemia anda vajaliku tõuke linnapõllumajanduse ümberkujundamiseks [11].
Kui linnapõllumajandus peaks mängima olulist rolli toiduga kindlustatuse ja inimeste toitumise parandamisel, tuleb seda laiendada globaalselt, et see suudaks kasvatada laia valikut tooteid energia-, ressursisäästlikumal ja kulusäästlikumal viisil kui on praegu võimalik. Põllukultuuride tootlikkuse ja kvaliteedi parandamiseks on tohutuid võimalusi keskkonnakontrolli, kahjuritõrje, fenomeni ja automatiseerimise edusammude sidumise kaudu.
aretustööga, mis on suunatud tunnustele, mis parandavad taimede arhitektuuri, saagi kvaliteeti (maitset ja toitumist) ja saaki. Keskkonnakontrolli all olevates taludes saab kasvatada traditsiooniliste põllukultuuride tüüpidega võrreldes suuremat mitmekesisust praeguste ja tärkavate põllukultuuride ning ravimtaimede vahel [12,13].
Peatset vajadust parandada linnade toiduga kindlustatust ja vähendada toidu süsinikujalajälge saab lahendada põllumajandus- ja toiduainesektori uuendustega, nagu kaitstud põllukultuuride kasvatamine ja vertikaalne siseruumides kasvatamine. Need ulatuvad madala tehnoloogiaga polütunnelitest minimaalse keskkonnakontrolliga, kesktehnoloogilistest, osaliselt keskkonnakontrolliga kasvuhoonetest kuni kõrgtehnoloogiliste kasvuhoonete ja tipptehnoloogiaga vertikaalsete põllumajandusrajatisteni. Kaitstud põllukultuuride kasvatamine on Austraalias kõige kiiremini kasvav toiduainete tootmissektor nii tootmismahu kui ka majandusliku mõju poolest [12]. Austraalia kaitstud põllukultuuride tööstus koosneb kõrgtehnoloogilistest rajatistest (17%), kasvuhoonetest (20%) ja hüdropoonilistest/substraadipõhistest taimekasvatussüsteemidest (52%), mis viitab vajadusele ja võimalusele põllumajandus- ja toiduainesektori arendamiseks. Selles ülevaates käsitleme kaitstud põllukultuuride staatust olemasolevate tehnoloogiate ja vastavate aiakultuuride kontekstis, tuues välja võimalused ja väljakutsed, millega tuleb Austraalias käimasolevate teadusuuringutega tegeleda.
2. Kaitstud kärpimise praegused tehnikad ja tehnoloogiad
2019. aastal oli kaitstud põllukultuuride kogupindala, mis üldiselt hõlmab
põllukultuuride kasvatamine igat tüüpi katte all – hinnanguliselt 5,630,000 14 500,000 hektarit (ha) kogu maailmas [10]. Kasvuhoonetes (püsistruktuurides) kasvatatavate köögiviljade ja ürtide kogupindala on hinnanguliselt umbes 90 15,16 ha kogu maailmas, kusjuures 1300% nendest põllukultuuridest kasvatatakse kasvuhoonetes ja 14% plastkasvuhoonetes [5]. Austraalia kasvuhoonete pindala on hinnanguliselt umbes 17 ha, kusjuures kõrgtehnoloogilised kasvuhooned (umbes 83 üksikut ettevõtet, millest igaüks võtab enda alla 17 ha) moodustavad sellest pinnast 80% ja madala tehnoloogilised/kesktehnoloogilised kasvuhooned 20% [16]. ]. Ülemaailmselt moodustavad plastkasvuhooned ja kasvuhooned vastavalt ligikaudu XNUMX% ja XNUMX% kogu toodetud kasvuhoonetest [XNUMX].
Kaitstud põllukultuuride kasvatamine on Austraalias kõige kiiremini kasvav toiduainete tootmissektor, mille väärtus oli 1.5. aastal põllumajandusettevõttes ligikaudu 2017 miljardit dollarit aastas. Hinnanguliselt kasvatab umbes 30% kõigist Austraalia põllumeestest põllukultuure mõnes kaitstud põllukultuurisüsteemis ja et katte all kasvatatavad põllukultuurid moodustavad umbes 20% köögivilja- ja lilletoodangu koguväärtusest [18]. Austraalias on kasvuhooneköögiviljade kasvuhoonegaaside tootmise ala suurim Lõuna-Austraalias (580 ha), millele järgnevad Uus-Lõuna-Wales (500 ha) ja Victoria (200 ha), samas kui Queensland, Lääne-Austraalia ja Tasmaania moodustavad kumbki <50 ha [17 ].
Austraalia aiandusstatistika käsiraamatu (2014–2015) ja tööstusega peetud arutelude põhjal hinnati puuviljade, köögiviljade ja lillede toodangu koguväärtust (GVP) 2017. aastal. Kasutatud kasvatussüsteemide hulgas on hüdropoonilises/substraadis kasvatatud põllukultuurid. enim hinnati tootmissüsteeme (52%), millele järgnesid mulla väetamise süsteemide all kasvatatud tootmissüsteemid (35%), kus on kombineeritud pinnase väetamine ja hüdropoonilised/substraadipõhised süsteemid (11%) ning kasutati hüdropoonikat/toitainet. filmitehnika (NFT) (2%) (joonis 1A). Sarnaselt oli kaitsetüüpidest kõrgeim GVP polü-/klaaskatete all kasvatatud põllukultuuridel (63%), millele järgnesid polükatte all (23%), rahe-/varjukatte all kasvatatud põllukultuurid (8%) ja kombineeritud polü/rahe/varjukate all. kaaned (6%) (joonis 1B) [17]. Austraalias ei ole konkreetsete kasvuhooneaiandustoodete GVP-de statistika kergesti kättesaadav [15].
Joonis 1. Kaitstud põllukultuuride koguväärtus (GVP) (2017) kasvatussüsteemi (A) ja kaitse (B) kaupa. Hüdropoonika/substraadipõhine tootmine hõlmab mullata taimekasvatust, kasutades inertset keskkonda, näiteks kivivilla. Mulla/väetisepõhine tootmine hõlmab taimede kasvatamist, kasutades mulda koos väetamisega (väetise ja vee kombineeritud kasutamine). Hüdropoonika/toitainete kile tehnika (NFT) hõlmab lahustunud toitaineid sisaldava madala veejoa tsirkuleerimist, mis läbib taimede juuri veekindlates kanalites. "Polü" viitab polükarbonaadile.
Rahe/varjukatted, tavaliselt võrgust või riidest, kaitsevad põllukultuure rahe eest ja blokeerivad osa liigsest valgusest. $ viitab AUD-le.
Ameerika Ühendriikide kontrollitud keskkonnaga rajatiste hulgas on klaasist või polükarbonaadist (polü) kasvuhooned (47%) levinumad kui vertikaalsed sisefarmid (30%), madala tehnoloogilised plastrõngasmajad (12%) ja konteinerfarmid (7%). ) ja siseruumide süvaveekultuurisüsteemid (4%). Kasvusüsteemidest on hüdropoonika (49%) levinum kui mullapõhised (24%), akvapoonilised (15%), aeropoonilised (6%) ja hübriidsed (aeropoonika, hüdropoonika, pinnas) süsteemid (6%) [19,20].
Austraalias on väga vähe arenenud vertikaalseid farme, peamiselt seetõttu, et seal on vähe tihedalt asustatud linnu. Austraalias on aga kasvuhoonegaaside pindala umbes 1000 hektarit [16,17, 2006] ning värskete köögiviljade ja puuviljade eksport suurenes 2016. aastast 16. aastani Austraalias [XNUMX] märkimisväärselt, kuna kasvas katmine. Kuigi Austraalia on siseruumides kasvatamises teinud suurepärase alguse ja sellel sektoril on tohutu kasvupotentsiaal, nõuab see küpseks ja edasiseks arenguks aega, et saada ülemaailmsel tasandil võtmeisikuks. Praegu saab kaubandusliku suunitlusega siseruumides olevad talurajatised liigitada järgmisele tehnoloogilise arengu tasemele: madal-, keskmine- ja kõrgtehnoloogiline. Igaüht neist käsitletakse üksikasjalikumalt järgmistes jaotistes.
2.1. Uued tehnoloogiad madaltehnoloogiliste polütunnelite jaoks
Madaltehnoloogilistel kasvuhoonerajatistel, mis panustavad kaitstud põllukultuuride kasvatamisse kõige rohkem, on mitmeid piiranguid, mis nõuavad tehnoloogilisi lahendusi, et aidata neil üle minna kasumlikeks kesk- või kõrgtehnoloogilisteks rajatisteks, mis toodavad kvaliteetseid põllukultuure minimaalsete ressurssidega. Madaltehnoloogilised polütunnelid moodustavad 80–90% kasvuhoonekultuuride toodangust kogu maailmas [20] ja Austraalias [17]. Arvestades madaltehnoloogiliste polütunnelite suurt osakaalu kaitstud põllukultuurides ning nende madalat kliima-, väetamis- ja kahjuritõrje taset, on oluline tegeleda sellega kaasnevate väljakutsetega, et suurendada kasvatajate tootmist ja majanduslikku tulu.
Madaltehnoloogiline tase hõlmab erinevat tüüpi polütunneleid, mis võivad ulatuda ajutiste plastkatetega metallkonstruktsioonidest kuni püsivate sihtotstarbeliste konstruktsioonideni. Üldjuhul ei juhita neid kaugemale kui võime tõsta plastkatet, kui väljas muutub liiga palavaks või häguseks. Need plastkatted kaitsevad saaki rahe, vihma ja külma ilma eest ning pikendavad kasvuperioodi teatud määral. Need odavad struktuurid pakuvad a
elujõuline tulu investeeringutelt köögiviljakultuuridesse, nagu salat, oad, tomatid, kurk, kapsas ja suvikõrvits. Põllumajandus nendes polütunnelites toimub mullas, samas kui keerukamate toimingutega saab tomatite, mustikate, baklažaanide või paprikate jaoks kasutada suuri potte ja tilguti niisutamist. Kuigi madala tehnoloogiaga kaitstud põllukultuuride kasvatamine on väikekasvatajate jaoks mõistlik, on sellistel tehnikatel mitmeid puudusi. Nende keskkonnakontrolli puudumine mõjutab toote suuruse ja kvaliteedi järjepidevust ning seetõttu väheneb
nende toodete turulepääs nõudlikele klientidele, nagu supermarketid ja restoranid. Arvestades, et põllukultuurid istutatakse tavaliselt mulda, seisavad need põllumajandustootjad silmitsi ka paljude kahjurite ja mulla kaudu levivate haigustega (nt püsiv nematoodidega nakatumine). Tööstus- ja teaduspartnerid vajavad uuendusi, et pakkuda lahendusi rajatiste projekteerimise ja põllukultuuride haldamise süsteemide ning nutikate kaubandussüsteemide jaoks toodangu eksportimiseks
ja säilitada pidev tarneahel. Rahastamisasutuste stiimulid ja toetus ning ülikoolide ja ettevõtete tehnoloogilised uuendused (nt bioloogiline kontroll, niisutamise osaline automatiseerimine ja temperatuuri reguleerimine) võivad aidata kasvatajatel üle minna arenenumatele tehnoloogilistele põllukultuuride süsteemidele.
2.2. Keskmise tehnoloogiaga kasvuhoonete uuendamine uuenduste ja uute tehnoloogiatega
Keskmise tehnoloogiaga kaitstud põllukultuuride kasvatamine on lai kategooria, mis hõlmab kontrollitud keskkonnaga kasvuhooneid ja kasvuhooneid. See kaitstud põllukultuuride sektori osa nõuab märkimisväärseid tehnoloogilisi uuendusi, et konkureerida suuremahulise toidutootmisega põllumajandusettevõtetes, kus kasutatakse madaltehnoloogilisi polütunneleid ja kõrgtehnoloogiliste kasvuhoonete kvaliteetset toodangut. Kesktehnoloogiliste kasvuhoonete keskkonnakontroll on tavaliselt osaline või intensiivne ning mõne kasvuhoone temperatuuri saab reguleerida katust käsitsi avades.
arenenumatel rajatistel on jahutus- ja kütteseadmed. Päikesepaneelide ja nutikate kilede kasutamist uuritakse, et vähendada energiakulusid ja süsiniku jalajälge kesktehnoloogilistes kasvuhoonetes [21–23].
Kuigi paljud kasvuhooned on endiselt valmistatud PVC- või klaaskattega, saab nendele konstruktsioonidele rakendada nutikaid kilesid või lisada need kasvuhoonete kujundusse, et suurendada energiatõhusust. Üldiselt kasutavad tipptasemel kasvuhooned saagikuse maksimeerimiseks kasvusubstraati, näiteks Rockwooli plokke, mille erinevatel kasvuetappidel on hoolikalt kalibreeritud vedelväetisekviitungid. Keskmise tehnoloogiaga kasvuhoonetes kasutatakse mõnikord CO2-väetamist, et suurendada saagikust ja kvaliteeti. Keskmise tehnoloogiaga kaitstud põllukultuuride sektor saab kasu tööstuse ja ülikoolide partnerlusest, et luua arenenud teaduslikke ja tehnoloogilisi lahendusi, sealhulgas uusi kõrge saagikuse ja kvaliteediga põllukultuuride genotüüpe, integreeritud kahjuritõrjet, täielikult automatiseeritud väetamist ja kasvuhoonegaaside kliimakontrolli ning robotiabi põllukultuuride majandamisel. ja saagikoristus.
2.3. Teaduse ja tehnoloogia uuendused kõrgtehnoloogiliste kasvuhoonete jaoks
Kõrgtehnoloogilised kasvuhooned võivad hõlmata uusimaid tehnoloogilisi edusamme põllukultuuride füsioloogia, väetamise, ringlussevõtu ja valgustuse vallas. Suuremahulistes kaubanduslikes kasvuhoonetes saab saagi kvaliteedi ja saagikuse parandamiseks kasutada näiteks nutika klaasi tehnoloogiat, fotogalvaanilisi (PV) päikesesüsteeme ja lisavalgustust, nagu LED-paneelid. Samuti automatiseerivad tootjad üha enam kriitilisi ja/või töömahukaid valdkondi, nagu põllukultuuride jälgimine, tolmeldamine ja koristamine.
Tehisintellekti (AI) ja masinõppe (MI) areng on avanud kõrgtehnoloogiliste kasvuhoonete jaoks uued mõõtmed [24–28]. AI on arvutiga kodeeritud reeglite ja statistiliste mudelite kogum, mis on koolitatud suurandmete mustrite tuvastamiseks ja inimeste intelligentsusega üldiselt seotud ülesannete täitmiseks. Pildituvastuses kasutatavat tehisintellekti kasutatakse põllukultuuride tervise jälgimiseks ja haigusnähtude tuvastamiseks, mis võimaldab kiiremini ja paremini teadlikke otsuseid langetada põllukultuuride majandamise ja koristamise kohta – mida tänapäeval on võimalik saavutada
pigem robotkäte kui inimtööga. Asjade internet (IoT) pakub automatiseerimiseks lahendusi, mida saab kohandada spetsiaalselt kasvuhoonerakenduste jaoks [29]. Seega võivad tehisintellekt ja asjade internet kaasaegse põllumajanduse valdkonda oluliselt kaasa aidata, kontrollides ja automatiseerides põllumajandustegevust [30].
Põllumajandusrobotite valdkonna teadus- ja arendustegevus on viimasel kümnendil märkimisväärselt kasvanud [31–33]. Austraalias demonstreeriti paprika autonoomse saagikoristuse süsteemi, mis läheneb kaubanduslikule elujõulisusele, saagikoristuse edukuse määraga 76.5% [31]. Euroopas ja Iisraelis on välja töötatud robotite prototüübid tomatitaimede lehtede eemaldamiseks, paprika (paprika) koristamiseks ja tomatisaagi tolmeldamiseks [34,35] ning neid võidakse lähitulevikus turustada.
Lisaks optimeerivad suuremahuliste kõrgtehnoloogiliste kasvuhoonete tööjõujuhtimise tarkvarasüsteemid oluliselt töötajate tõhusust, parandades nende ettevõtete majanduslikke väljavaateid. IT ja inseneri revolutsioon jätkab kaitstud põllukultuuride ja siseruumides kasvatamise võimalusi, võimaldades kasvatajatel jälgida ja hallata oma saaki arvutitest ja mobiilseadmetest, mida saab kasutada isegi kriitilise tähtsusega põlluharimiseks ja
turuotsused. Kõrgtehnoloogilistel kasvuhoonetel on suurim potentsiaal tuua kasu Austraalia kaitstud põllukultuuride sektorile, mistõttu nende rajatiste käimasolev teadusuuringud ja innovatsioon tähendavad tõenäoliselt hästi investeeritud aega ja raha.
2.4. Vertikaalsete talude arendamine tulevaste vajaduste jaoks
Viimastel aastatel on kogu maailmas täheldatud siseruumides asuva vertikaalse põllumajanduse kiiret arengut, eriti suurte elanike arvu ja ebapiisava maaga riikides [36,37, 6]. Vertikaalse põllumajanduse väärtus on 38 miljardit USA dollarit, kuid see on endiselt väike osa mitme triljoni dollari suurusest ülemaailmsest põllumajandusturust [39]. Vertikaalsel põlluharimisel on erinevaid iteratsioone, kuid kõik need kasutavad vertikaalselt virnastatud mullavabasid või hüdropoonilisi kasvuriiuleid täielikult suletud ja kontrollitud keskkonnas, mis võimaldab kõrgel tasemel automatiseerimist, juhtimist ja järjepidevust [XNUMX]. Vertikaalne põllumajandus piirdub siiski kõrge väärtusega ja lühikese elutsükliga põllukultuuridega kõrgete energiakulude tõttu, hoolimata sellest, et ruutmeetri tootlikkus on võrreldamatu ning vee ja toitainete tõhusus on kõrge.
Vertikaalse põllumajanduse tehnoloogiline mõõde – ja eelkõige nutikate kasvuhoonete tulek – meelitab tõenäoliselt kasvatajaid, kes soovivad töötada uute arvuti- ja suurandmetehnoloogiatega, nagu AI ja asjade internet [40]. Praegu on kõik siseruumides kasvatamise vormid energia- ja töömahukad, kuigi nii automatiseerimise kui ka energiatõhususe tehnoloogiate osas on arenguruumi. Juba praegu varustavad sisepõllumajanduse kõige arenenumad vormid oma energiat kohapeal ja on sõltumatud üldisest kommunaalvõrgust. Katuseaiad võivad ulatuda lihtsatest linnahoonete konstruktsioonidest kuni New Yorgi ja Pariisi vallamajade korporatiivsete katuseettevõteteni. Siseruumides asuval vertikaalsel põllumajandusel on helge tulevik, eriti pärast COVID-19 pandeemiat, ning tänu omale on sellel hea positsioon suurendada oma osa ülemaailmsel toiduturul.
väga tõhus tootmissüsteem, tarneahela ja logistikakulude vähenemine, automatiseerimise potentsiaal (käitlemise minimeerimine) ja lihtne juurdepääs nii tööjõule kui ka tarbijatele.
3. Sihtkultuurid kaitstud põllukultuurides
Praegu on siseruumides kasvatamiseks sobivate põllukultuuride arv piiratud, kuna põllukultuurid on piiratud sisetingimustes kasvatamiseks ja kaitstud põllukultuuride piirangud, nagu kõrge energiakulu (valgustuse, kütmise, jahutamise ja erinevate automatiseeritud süsteemide käitamiseks), mis võimaldab kasvatada konkreetseid kõrge väärtusega põllukultuure. 41–43]. Erinevate söödavate põllukultuuride ökonoomne tootmine on aga oluline, kui kaitstud põllukultuurid avaldavad olulist mõju
ülemaailmne toiduga kindlustatus [12,13,44]. Kaitstud köögiviljakultuuride kultivarid erinevad oluliselt avamaal kasvatatavatest kultivaridest, mis on aretatud taluma mitmesuguseid keskkonnatingimusi, mis ei ole kaitstud põllukultuuride puhul tingimata vajalik. Sobivate kultivaride arendamiseks on vaja optimeerida mitmeid tunnuseid (nagu isetolmlemine, ebamäärane kasv, tugevad juured), mis erinevad nendest tunnustest, mida vaadeldakse
soovitav avamaal kasvatatavatel põllukultuuridel (joonis 2) (vastu võetud [13]).
Joonis 2. Toas kontrollitud keskkonnatingimustes kasvatatavate viljakultuuride soovitavad omadused võrreldes välitingimustes kasvatatavate põllukultuuridega.
Praegu on siseruumides kasvatamiseks kõige paremini kohandatud puu- ja köögiviljad:
• Need, mis kasvavad viinapuudel või põõsastel (tomat, maasikas, vaarikas, mustikas, kurk, paprika, viinamari, kiivi);
• Väärtuslikud erikultuurid (humal, vanill, safran, kohv);
• Ravi- ja kosmeetikakultuurid (merevetikad, ehhiaatsia);
• Väikesed puud (kirsid, šokolaad, mango, mandlid) on teised elujõulised võimalused [13].
Järgmistes osades käsitleme põhjalikumalt praegusi olemasolevaid põllukultuure ja uute kultivaride väljatöötamist siseruumides.
3.1. Olemasolevad põllukultuurid, mida kasvatatakse madalates, keskmistes ja kõrgtehnoloogilistes rajatistes
Madala ja keskmise tehnoloogiaga kaitstud põllukultuuride süsteemid toodavad peamiselt tomatit, kurki, suvikõrvitsat, paprikat, baklažaani, salatit, Aasia rohelisi ja ürte. Pindalalt, toodetud puuviljakoguse ja ettevõtete arvu poolest on kasvuhoonetes kasvatatavatest köögiviljadest kõige olulisem tomat, millele järgnevad paprika ja salat [15,45].
Austraalias on suuremahuliste kontrollitud keskkonnarajatiste väljatöötamine piirdunud peamiselt tomatite kasvatamiseks mõeldud rajatistega [15]. Puu-, köögiviljade ja lillede hinnanguline GVP 2017. aastal põllul ja kaitstud põllukultuuride rajatistes näitab tomati domineerimist Austraalia kaitstud põllukultuuride sektoris.
2017. aasta üldine hinnanguline GVP aiakultuuride põld- ja katmikutootmise osas oli kõrgeim tomatil (24%), järgnesid maasikas (17%), suvivili (13%), lilled (9%), mustikas. (7%), kurk (7%) ja paprika (6%), millest Aasia köögiviljad, ürdid, baklažaanid, kirsid ja marjad moodustavad alla 6% (joonis 3A).
Joonis 3. Toodangu hinnanguline brutoväärtus (GVP) üldise kombineeritud põld- ja kaitstud köögiviljakasvatuse (A) puhul ning 2017. aastal kaitstud põllukultuuride arvestuslik GVP (B) Austraalias.
Nende hulgas oli kaitstud põllukultuuride GVP kõrgeim tomatil (40%), mis oli märkimisväärne marginaal võrreldes teiste kultuuridega, sealhulgas lillede (11%), maasika (10%) ja suviviljadega (8%). ) ja marjad (8%), kusjuures kõik ülejäänud põllukultuurid moodustavad alla 5% (joonis 3B). Austraalia siseturg on aga kasvuhoonetomatist küllastunud, mis jätab kaitstud põllukultuuritööstuse
kahe järgmise võimalusega: suurendada nende põllukultuuride müüki rahvusvahelistel turgudel; ja/või julgustada mõningaid riigi olemasolevaid kasvuhoonekasvatajaid üle minema muude kõrge väärtusega põllukultuuride tootmisele. Kaitstavatest üksikkultuuridest oli suurim osakaal marjadel (85%) ja tomatil (80%), järgnesid lilled (60%), kurk (50%), kirss ja Aasia köögivili (mõlemad 40%), maasikas ja suvi.
puuviljad (kumbki 30%), mustikas ja ürdid (igaüks 25%) ning lõpuks paprika ja baklažaan, kumbki 20% [17]. Praegu piirdub energia- ja töömahukas siseruumides kasvatamine kõrge väärtusega põllukultuuridega, mida saab lühikese aja jooksul toota väikese energiasisendiga [46,47]
Taimetehastes kasvatatakse praegu valdavalt lehtköögivilju ja ürte, kuna nende põllukultuuride kasvuperiood on lühike (kuna vilju ja seemneid pole vaja) ja kõrge väärtus [7] ning asjaolu, et sellised kultuurid vajavad suhteliselt vähem valgust. fotosünteesi jaoks [48] ja kuna suuremat osa toodetud taime biomassist saab koristada [46,49, 12]. Linnafarmides kasvatatavate põllukultuuride saagikuse ja kvaliteedi parandamiseks on suur potentsiaal [XNUMX].
3.2. Tööstusuuring: kus on osalejate huvid?
Peamiste uurimisteemade kindlaksmääramine on oluline, et parandada avaliku ja erarahastatavate teadusuuringute tõhusust kaitstud põllukultuuride tuleviku jaoks. Näiteks Future Food Systems Co-operative Research Center (FFSCRC), mille algatasid New South Wales Farmers Association (NSW Farmers), New South Walesi ülikool (UNSW) ja Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), koosneb konsortsiumist. üle 60 asutaja
tööstuse, valitsuse ja teadustöös osalejad. Selle teadusuuringute ja võimekuse programmide eesmärk on toetada osalejaid piirkondlike ja linnalähedaste toidusüsteemide tootlikkuse optimeerimisel, uute toodete prototüübilt turule viimisel ja kiirete päritoluga kaitstud tarneahelate rakendamisel talust tarbijani. Sel eesmärgil pakub FFSRC koostööl põhinevat uurimiskeskkonda, mille eesmärk on parandada kaitstud põllukultuuride kasvatamist, et suurendada meie suutlikkust eksportida tippkvaliteediga aiasaadusi ja aidata Austraalial saada kaitstud põllukultuuride sektori teaduse ja tehnoloogia liidriks.
Osalejaid küsitleti, et teha kindlaks siseruumides kasutatavad põllukultuurid. Sihtkultuure tuvastanud osalejate seas oli suurim huvi värske köögivilja vastu (29%), millele järgnes huvi puuviljakultuuride vastu (22%); ravimkanep, muud ravimtaimed ja erikultuurid (13%); kohalikud/põlisliigid (10%); seened/seened (10%); ja lehtköögiviljad (3%) (joonis 4).
Joonis 4. FFSCRC osalejate poolt praegu kaitstud põllukultuuride rajatistes toodetud põllukultuuride klassifitseerimine ja seega osalejate tõenäoline huvi leida lahendusi nende põllukultuuride produktiivsemaks kasvatamiseks katte all.
Küsitlus põhines osalejate kohta Internetis kättesaadaval teabel; üksikasjalikuma teabe hankimine on osalejate erinõuete mõistmiseks ja täitmiseks ülioluline.
3.3. Uute kultivaride aretamine kontrollitud keskkonnaga rajatistes
Köögiviljade ja muude põllukultuuride parandamiseks saadaolevad aretustehnoloogiad arenevad kiiresti [50]. Kaitstud põllukultuuride puhul, dünaamilises majandussektoris, kus turusuundumused ja tarbijate eelistused muutuvad kiiresti, on õige kultivari valimine kriitilise tähtsusega [44,51]. On palju uuringuid, mis hindavad väärtuslike põllukultuuride, näiteks tomatite ja baklažaanide kohandamist kasvuhoonetootmiseks [52,53]. Uued aretustehnoloogiad [50] on hõlbustanud soovitud omadustega uute kultivaride väljatöötamist ja mõned ettevõtted on hakanud projekteerima taimi, mis kasvavad kontrollitud keskkonnas LED-valgustite all [20]. Kultivarid on aga aretatud enamasti saagikuse maksimeerimiseks väga muutlikes põllutingimustes [46]. Kultuuriomadused, nagu põua-, kuumuse- ja külmataluvus – mis on soovitavad põllul kasvatatavate põllukultuuride puhul, kuid millega kaasnevad tavaliselt saagikaristused – ei ole üldiselt vajalikud
sisepõllumajandus.
Peamised tunnused, mida saab kasutada kõrgema väärtusega põllukultuuride kohandamisel siseruumides põllumajandusega, hõlmavad lühikest elutsüklit, pidevat õitsemist, madalat juurte ja võrsete suhet, paremat jõudlust vähese fotosünteesienergia sisendi korral ja soovitavaid tarbijaomadusi, sealhulgas maitset, värvi, tekstuur ja spetsiifiline toitainete sisaldus [12,13]. Lisaks saab spetsiaalselt kõrgema kvaliteedi nimel aretades väga ihaldusväärseid kõrge turuväärtusega tooteid. Valgusspektrit, temperatuuri, niiskust ja toitainetega varustatust saab hallata nii, et muuta sihtühendite kogunemist lehtedesse ja viljadesse [54,55] ning suurendada põllukultuuride toiteväärtust, sealhulgas valke (kogus ja kvaliteet), A- ja C-vitamiini. ja E, karotenoidid, flavonoidid, mineraalid, glükosiidid ja antotsüaniinid [12]. Näiteks on taimede arhitektuuri muutmiseks kasutatud looduslikult esinevaid mutatsioone (viinamarjades) ja geenide redigeerimist (kiivides), mis on kasulikud piiratud ruumides siseruumides kasvatamiseks. Hiljutises uuringus konstrueeriti tomati- ja kirsitaimed CRISPR-Cas9 abil, et ühendada järgmised kolm soovitavat tunnust: kääbusfenotüüp, kompaktne kasvuharjumus ja enneaegne õitsemine. Saadud "redigeeritud" tomatisortide sobivust sisekasvatussüsteemides kinnitati põld- ja kaubanduslike vertikaalsete põllumajanduskatsete abil [56].
Molekulaarse aretuse ülevaates optimeeritud põllukultuuride loomiseks arutati põllumajandustoodete lisandväärtust, arendades tervisele kasulikke ja söödavaid ravimeid [46]. Peamised lähenemisviisid tervisele kasulike põllukultuuride arendamiseks on soovitava sisemise toitaine suurte koguste kogunemine või soovimatute ühendite vähendamine ja väärtuslike ühendite kogunemine, mis
neid tavaliselt põllukultuuris ei toodeta.
4. Väljakutsed ja võimalused kaitstud põllukultuuride ja sisetingimustes kasvatamise valdkonnas
Täiustatud kaitstud põllukultuuride ja siseruumides kasutatavate põlluharimisrajatiste keskkonnamõju on suhteliselt väike. Kuigi põllukultuuride kasvatamine katte all on energiamahukam kui paljud teised põlluharimisviisid, aitab ilmastikumõjude leevendamine, jälgitavuse tagamine ja kvaliteetsema toidu kasvatamine kaasa kvaliteetsete toodete järjepidevat tarnimist, mis toob kaasa kasumi, mis kaalub üles täiendavad tootmiskulud. [18]. Kaitstud põllukultuuride peamised väljakutsed on järgmised:
• Kõrged kapitalikulud, mis on tingitud kõrgetest maahindadest linnasiseses ja linnalähedastes piirkondades;
• Suur energiatarbimine;
• Nõudlus kvalifitseeritud tööjõu järele;
• haiguste juhtimine ilma keemilise tõrjeta; ja
• Toiteväärtuse kvaliteediindeksite väljatöötamine – toodangu kvaliteediaspektide määratlemiseks ja sertifitseerimiseks – siseruumides kasvatatavate põllukultuuride jaoks.
Järgmises osas käsitleme mõningaid kaitstud põllukultuuridega seotud väljakutseid ja võimalusi.
4.1. Optimaalsed tingimused kõrge tootlikkuse ja tõhusa ressursikasutuse jaoks
Kui kasvatajad soovivad säilitada kulutõhusat põllukultuuride tootmist kontrollitud keskkondades, on oluline paremini mõista põllukultuuride nõudeid erinevatel kasvuetappidel ja erinevates valgustingimustes. Kasvuhoonekeskkonna, sealhulgas selle kliima- ja toiteelementide ning struktuuriliste ja mehaaniliste tingimuste tõhus haldamine võib märkimisväärselt tõsta puuviljade kvaliteeti ja saaki [57]. Kasvukeskkonna tegurid võivad mõjutada taimede kasvu, aurustumiskiirust ja füsioloogilisi tsükleid. Kliimateguritest on kõige olulisem päikesekiirgus, kuna fotosüntees nõuab valgust ja saagikus on otseselt võrdeline päikesevalguse tasemega kuni fotosünteesi valgusküllastuspunktideni. Sageli nõuab täpne keskkonnakontroll suuri energiakulusid, mis vähendab kontrollitud keskkonnaga põllumajanduse kasumlikkust. Kasvuhoonete kütmiseks ja jahutamiseks vajalik energia on endiselt suur probleem ja eesmärk nende jaoks, kes soovivad energiakulusid vähendada [6]. Klaasimismaterjalid ja uuenduslikud klaasitehnoloogiad, nagu Smart Glass [58], pakuvad paljulubavaid võimalusi kasvuhoone temperatuuri säilitamise ja keskkonnamuutujate kontrollimisega seotud kulude vähendamiseks. Tänapäeval lisatakse kasvuhoonete kaitstud põllukultuuride hulka uuenduslikud klaasitehnoloogiad ja tõhusad jahutussüsteemid. Klaasmaterjalidel on potentsiaali vähendada
elektritarbimine, neelates liigset päikesekiirgust ja suunates valgusenergia ümber elektri tootmiseks, kasutades fotogalvaanilisi elemente [59,60].
Kuid kattematerjalid mõjutavad kasvuhoonete mikrokliimat [61,62], sealhulgas valgust [63] ning seetõttu on oluline hinnata uudsete klaasmaterjalide mõju taimede kasvule ja füsioloogiale, ressursikasutusele, saagikusele ja kvaliteedile keskkonnas, milles tegurid on nagu CO2, temperatuuri, toitaineid ja niisutamist kontrollitakse rangelt. Näiteks katsetati piprataimede (Capsicum annuum) kasvatamiseks poolläbipaistvaid orgaanilisi fotogalvaanilisi elemente (OPV), mis põhinesid regioregulaarse polü(3-heksüültiofeeni) (P3HT) ja fenüül-C61-võihappe metüülestri (PCBM) segul. OPV-de varjus andsid paprikataimed kasvuperioodi lõpus 20.2% rohkem viljamassi ja varjutatud taimed olid kasvuperioodi lõpus 21.8% kõrgemad [64]. Teises uuringus ei mõjutanud katuse elastsete fotogalvaaniliste paneelide põhjustatud PAR vähenemine saagikust, taimede morfoloogiat, õite arvu oksa kohta, vilja värvi, tugevust ja pH-d [65].
Kasvuhoonete tootmises katsetatakse praegu ülimadala peegeldusvõimega nn nutikat klaaskilet Solar Gard™ ULR-80 [58]. Eesmärk on realiseerida reguleeritava valguse läbilaskvusega klaasmaterjalide potentsiaal ja vähendada kõrgtehnoloogilistes kasvuhooneaiandusrajatistes tööga seotud kõrgeid energiakulusid. Nutikas klaaskilet (SG) kantakse üksikute kasvuhoonete lahtrite standardklaasidele juurviljakasvatusettevõtetes, kasutades kaubanduslikke vertikaalseid kultiveerimis- ja majandamisvõtteid [66,67, 42]. SG alusel tehtud baklažaanikatsed näitasid kõrgemat energia- ja väetamise efektiivsust [58], aga ka baklažaanisaagi vähenemist, kuna valgusepiiranguga fotosünteesi tõttu katkes palju lilli ja/või vilja [XNUMX]. Kasutatav SG-kile võib vajada muutmist, et luua optimaalsed valgustingimused ja minimeerida valguse piiranguid suure süsinikusisaldusega puuviljade (nt baklažaan) puhul.
Uudsete energiasäästlike klaasmaterjalide, nagu nutikas klaas, kasutamine annab suurepärase võimaluse vähendada kasvuhoonegaaside energiakulusid ja optimeerida valgustingimusi sihtkultuuride kasvatamiseks. Nutikad kattekiled, nagu luminestsentsvalgust kiirgavad põllumajanduskiled (LLEAF), võivad suurendada ja kontrollida vegetatiivset kasvu ja paljunemisarengut keskmise tehnoloogiaga kaitstud põllukultuuride puhul. LLEAF
paneele võiks katsetada mitmesuguste õitsvate ja mitteõitsevate kultuuridega, et teha kindlaks, kas need aitavad suurendada vegetatiivset ja paljunemisvõimet (muutes füsioloogilisi protsesse, mis toetavad taimede kasvu ning saagi tootlikkust ja kvaliteeti).
4.2. Kahjurite ja haiguste juhtimine
Kuigi kontrollitud kaitstud põllukultuuride rajatised võivad kahjureid ja haigusi minimeerida, on neid pärast sissetoomist äärmiselt raske ja kulukas tõrjuda ilma mürgiseid sünteetilisi kemikaale kasutamata. Vertikaalne siseruumides kasvatamine võimaldab käsitsi ja/või automaatselt (anduritehnoloogiaid kasutades) hoolikalt jälgida põllukultuure kahjurite või haiguste tunnuste suhtes ning uute robottehnoloogiate ja/või kaugseireprotseduuride kasutuselevõtt hõlbustab
haiguspuhangute varajane avastamine ning haigete ja/või nakatunud taimede eemaldamine [7].
Kahjurite tõhusaks tõrjeks kasvuhoonetes on vaja uudseid integreeritud kahjuritõrje (IPM) meetodeid [68]. Asjakohased juhtimisstrateegiad (kultuurilised, füüsikalised, mehaanilised, bioloogilised ja keemilised) koos heade kultuuritavade, täiustatud seiremeetodite ja täpse identifitseerimisega võivad parandada köögiviljade tootmist, vähendades samas sõltuvust pestitsiidide kasutamisest. Integreeritud lähenemisviis haiguste ohjamisele hõlmab resistentsete kultivaride kasutamist, kanalisatsiooni, häid kultuuritavasid ja pestitsiidide asjakohast kasutamist [44]. Uute IPM-strateegiate väljatöötamine võib minimeerida tööjõukulusid ja vajadust kasutada keemilisi pestitsiide. Võtke näiteks uute, kaubanduslikult kasvatatud looduslikult kasulike putukate (nt lehetäide, roheline pits jne) kasutamine põllukultuuride kahjurite ohjamiseks ja sõltuvuse vähendamiseks keemilisest tõrjest. Erinevate uute IPM-ide testimine
strateegiad, eraldi ja kombineerituna, aitavad välja töötada põllukultuuride ja rajatiste spetsiifilisi soovitusi kasvatajatele.
4.3. Põllukultuuride kvaliteet ja toiteväärtused
Kaitstud põllukultuuride kasvatamine tagab kasvatajatele ja tööstuspartneritele aastaringselt kõrge saagikuse ja kvaliteetse toodangu [69]. Kvaliteetsete puu- ja köögiviljade kasvatamine nõuab aga toiteväärtuse ja kvaliteedi parameetrite suure läbilaskevõimega testimist [70]. Puuviljade põhilised kvaliteediparameetrid hõlmavad niiskusesisaldust, pH-d, lahustuvate tahkete ainete kogusummat, tuhka, puuviljade värvust, askorbiinhapet ja tiitritavat happesust ning täiustatud toiteväärtust, sealhulgas suhkruid, rasvu, valke, vitamiine ja antioksüdante; tugevuse ja veekao mõõtmised on samuti olulised kvaliteediindeksite määratlemisel [66]. Lisaks võiks põllukultuuride suure läbilaskevõimega kvaliteedikontrolli integreerida automatiseeritud kasvuhoonegaaside süsteemi. Olemasolevate põllukultuuride genotüüpide kvaliteediparameetrite sõelumine annab kasvatajatele ja tarbijatele uusi kõrge väärtusega ja toitainerikkaid puu- ja köögiviljasorte. Agronoomilisi strateegiaid, sealhulgas kasvukeskkonda ja põllukultuuride majandamise tavasid, tuleb optimeerida, et suurendada nende väärtuslike põllukultuuride tootmist ja taimede toitainete tihedust.
4.4. Tööhõive ja oskustööjõu olemasolu
Kaitstud põllukultuuride tööstuse tööjõuvajadused suurenevad (> 5% aastas) ja hinnanguliselt töötab kogu Austraalias praegu rohkem kui 10,000 XNUMX inimest. Hoolimata kõrgest automatiseerituse tasemest nõuab suuremahuline kaitstud põllukultuuride kasvatamine märkimisväärset tööjõudu, eriti põllukultuuride rajamiseks, põllukultuuride hooldamiseks, mehaaniliseks tolmeldamiseks ja saagikoristuseks. Kasvava nõudlusega
kõrgelt kvalifitseeritud kasvatajate jaoks on sobiva kvalifikatsiooniga töötajate pakkumine endiselt madal [18,71]. Kvalifitseeritud tööjõudu on vaja ka linna vertikaalse põllumajanduse arendamiseks, mis loob uue karjääri tehnoloogidele, projektijuhtidele, hooldustöötajatele ning turundus- ja jaemüügipersonalile [7]. Mitmeotstarbeliste kaubanduslike täiustatud rajatiste loomine annaks võimaluse tegeleda uurimisküsimustega, aidates seeläbi kaasa erinevate põllukultuuride tootlikkuse maksimeerimisele, pakkudes samal ajal haridust ja koolitust oskuste osas, mille järele on tulevases kaitstud põllukultuuride sektoris tõenäoliselt suur nõudlus.
5. Järeldused
Nutika tehnoloogiaga kõrgtehnoloogilistes kasvuhoonetes on suur potentsiaal tõsta kasumlikkust, automatiseerides kriitilisi ja/või töömahukaid alasid, nagu põllukultuuride jälgimine, tolmeldamine ja koristamine. Tehisintellekti, robootika ja ML areng avab kaitstud kärpimise jaoks uued mõõtmed. Vertikaalsed põllumajandusettevõtted moodustavad väikese osa ülemaailmsest põllumajandusturust ja vaatamata sellele, et vertikaalne põllumajandus on väga energiamahukas, pakub see võrreldamatut tootlikkust koos kõrge vee- ja toitainetetõhususega. Mitmekesiste põllukultuuride säästlik tootmine on oluline, kui kaitstud põllukultuuride tootmine avaldab olulist positiivset mõju ülemaailmsele toiduga kindlustatusele. Madala ja keskmise tehnoloogiaga kaitstud põllukultuuride süsteemid toodavad peamiselt tomati-, kurgi-, suvikõrvits-, paprika-, baklažaani- ja salatikultuure ning Aasia rohelisi ja ürte.
Suuremahuliste kontrollitud keskkonnarajatiste arendamine Austraalias on piirdunud peamiselt tomatite kasvatamisega. Sobivate kultivaride väljatöötamiseks on vaja optimeerida mitmeid põhiomadusi, mis erinevad avamaal kasvatatavatest põllukultuuridest soovitavatest. Peamised tunnused, mida saab kasutada siseruumides põllumajanduses, on põllukultuuride vähenenud elutsükkel, pidev õitsemine, madal juurte ja võrsete suhe, suurenenud jõudlus madala fotosünteesi korral.
energiasisend ja soovitud tarbijaomadused, nagu maitse, värvus, tekstuur ja spetsiifiline toitainete sisaldus.
Lisaks annab aretus spetsiaalselt kõrgema kvaliteediga ja toitainetihedamate põllukultuuride jaoks ihaldusväärseid aiandustooteid (ja potentsiaalselt ka ravimeid), millel on suurepärane turuväärtus. Kaitstud põllukultuuride tasuvus ja jätkusuutlikkus sõltuvad lahenduste väljatöötamisest esmastele väljakutsetele, sealhulgas käivituskulud, energiatarbimine, kvalifitseeritud tööjõud, kahjuritõrje ja kvaliteediindeksi arendamine.
Uudsed klaasimismaterjalid ja tehnoloogilised edusammud, mida praegu uuritakse või katsetatakse, pakuvad lahendusi ühe pakilisema kaitstud põllukultuuri probleemi lahendamiseks. Need edusammud võivad potentsiaalselt anda vajaliku tõuke, et aidata kaitstud põllukultuuride sektoril üle minna säästvale ja kulutõhusale energiatõhususe tasemele ning täita kasvavaid toiduga kindlustatuse nõudeid, säilitades samal ajal põllukultuuride kvaliteedi ja toiteväärtuse.
sisu ja kahjulike keskkonnamõjude minimeerimine.
Autori kaastööd: SGC kirjutas arvustuse DTT, Z.-HC, OG ja CIC sisendi ja redaktsiooniga. Kõik autorid on käsikirja avaldatud versiooni läbi lugenud ja sellega nõustunud.
Rahastamine: ülevaade põhines Future Food Systems Cooperative Research Centeri tellitud ja rahastatud aruandel, mis toetab tööstusharu juhitud koostööd tööstuse, teadlaste ja kogukonna vahel. Samuti saime rahalist toetust Horticulture Innovation Australia projektidest (grandi number VG16070 DTT-le, Z.-HC, OG, CIC; toetusnumber VG17003 DTT-le, Z.-HC; toetus number LP18000 ettevõttele Z.-HC) ja CRC projektist P2 -013 (DTT, Z.-HC, OG, CIC).
Institutsioonilise ülevaatenõukogu avaldus: Ei ole kohaldatav.
Teadliku nõusoleku avaldus: Ei ole kohaldatav.
Andmete kättesaadavuse avaldus: Ei ole kohaldatav.
Huvide konflikt: Autorid ei kuulu huvide konflikti.
viited
1. ÜRO majandus- ja sotsiaalministeerium. Saadaval Internetis: https://www.un.org/development/desa/en/ news/population/2018-revision-of-world-urbanization-prospects.html (juurdepääs 13. aprillil 2022).
2. ÜRO majandus- ja sotsiaalministeerium. Saadaval võrgus: https://www.un.org/development/desa/publications/world-population-prospects-2019-highlights.html (kasutatud 13. aprillil 2022).
3. Binns, CW; Lee, MK; Maycock, B.; Torheim, LE; Nanishi, K.; Duong, DTT Kliimamuutused, toiduga varustamine ja toitumisjuhised. Annu. Rev. Rahvatervis 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 al. Toidunõudluse tulevik: globaalsete majandusmudelite erinevuste mõistmine. Põllumajandus. Econ. 2014, 45, 51–67. [CrossRef] 5. Hughes, N.; Lu, M.; Ying Soh, W.; Lawson, K. Kliimamuutuste mõju simuleerimine Austraalia farmide kasumlikkusele. In ABARES Working Paper; Austraalia valitsus: Canberra, Austraalia, 2021. [CrossRef] 6. Rabbi, B.; Chen, Z.-H.; Sethuvenkatraman, S. Kaitstud põllukultuuride kasvatamine soojas kliimas: niiskuse reguleerimise ja jahutusmeetodite ülevaade. Energiad 2019, 12, 2737. [CrossRef] 7. Benke, K.; Tomkins, B. Tuleviku toidutootmissüsteemid: vertikaalne põllumajandus ja kontrollitud keskkonnaga põllumajandus. Jätkata. Sci. Harjuta. Poliitika 2017, 13, 13–26. [CrossRef] 8. Mougeot, LJA Kasvavad paremad linnad: linnapõllumajandus säästva arengu nimel; IDRC: Ottawa, ON, Kanada, 2006; ISBN 978-1-55250-226-6.
9. Pearson, LJ; Pearson, L.; Pearson, CJ Säästev linnapõllumajandus: ülevaade ja võimalused. Int. J. Agric. Jätkata. 2010, 8, 7–19. [CrossRef] 10. Tout, D. Hispaania Almería provintsi aiandustööstus. Geograafiline märksõna J. 1990, 156, 304–312. [CrossRef] 11. Henry, R. Põllumajanduse ja toiduga varustamise uuendused vastuseks COVID-19 pandeemiale. Mol. Taim 2020, 13, 1095–1097. [CrossRef] 12. O'Sullivan, C.; Bonnett, G.; McIntyre, C.; Hochman, Z.; Wasson, A. Strateegiad linnapõllumajanduse tootlikkuse, toodete mitmekesisuse ja tasuvuse parandamiseks. Põllumajandus. Syst. 2019, 174, 133–144. [CrossRef] 13. O'Sullivan, CA; McIntyre, CL; Kuiv, IB; Hani, SM; Hochman, Z.; Bonnett, GD Vertikaalsed talud kannavad vilja. Nat. Biotehnoloogia. 2020, 38, 160–162. [CrossRef] 14. Cuesta Roble'i väljalasked. Globaalne kasvuhoonestatistika. 2019. Internetis saadaval: https://www.producerower.com/article/cuestaroble-2019-global-greenhouse-statistics/ (vaadatud 13. aprillil 2022).
15. Hadley, D. Kontrollitud keskkonna aiandustööstuse potentsiaal NSW-s; Uus-Inglismaa Ülikool: Armidale, Austraalia, 2017; lk. 25.
16. Maailma köögiviljakaart. 2018. Internetis kättesaadav: https://research.rabobank.com/far/en/sectors/regional-food-agri/world_ vegetable_map_2018.html (vaadatud 13. aprillil 2022).
17. Graeme Smith Consulting – üldine tööstusteave. Saadaval Internetis: https://www.graemesmithconsulting.com/index. php/information/general-industry-information (vaadatud 13. aprillil 2022).
18. Davis, J. Kaitstud põllukultuuride kasvatamine Austraalias kuni 2030. aastani; Kaitstud põllukultuuride Austraalia: Perth, Austraalia, 2020; lk. 15.
19. Agrilyst. Sisepõllumajanduse olukord; Agrilyst: Brooklyn, NY, USA, 2017.
20. Mullata sisepõllumajandus: I etapp: kontrollitud keskkonnaga põllumajanduse tööstuse ja mõjude uurimine | Publikatsioonid | WWF.
Saadaval võrgus: https://www.worldwildlife.org/publications/indoor-soilless-farming-phase-i-examining-the-industry-andimpacts-of-controlled-environment-agriculture (juurdepääs 13. aprillil 2022). Põllukultuurid 2022, 2 184
21. Emmott, CJM; Röhr, JA; Campoy-Quiles, M.; Kirchartz, T.; Urbina, A.; Ekins-Daukes, NJ; Nelson, J. Orgaaniline fotogalvaanika
kasvuhooned: ainulaadne rakendus poolläbipaistvatele PV-dele? Energiakeskkond. Sci. 2015, 8, 1317–1328. [CrossRef] 22. Marucci, A.; Zambon, I.; Colantoni, A.; Monarca, D. Põllumajanduse ja energia eesmärkide kombinatsioon: fotogalvaanilise kasvuhoonetunneli prototüübi hindamine. Uuenda. Jätkata. Energy Rev. 2018, 82, 1178–1186. [CrossRef] 23. Torrellas, M.; Anton, A.; López, JC; Baeza, EJ; Parra, JP; Muñoz, P.; Montero, JI LCA tomatisaagist mitme tunneliga kasvuhoones Almerias. Int. J. Olelusringi hindamine. 2012, 17, 863–875. [CrossRef] 24. Caponetto, R.; Fortuna, L.; Nunnari, G.; Occhipinti, L.; Xibilia, MG Pehme arvuti kasvuhoone kliimaseadme jaoks. IEEE Trans. Hägune süsteem. 2000, 8, 753–760. [CrossRef] 25. Guo, D.; Juan, J.; Chang, L.; Zhang, J.; Huang, D. Taimejuureala veeseisundi diskrimineerimine kasvuhoonetootmises fenotüüpimise ja masinõppe tehnikate alusel. Sci. Rep. 2017, 7, 8303. [CrossRef] 26. Hassabis, D. Tehisintellekt: sajandi malematš. Loodus 2017, 544, 413–414. [CrossRef] 27. Hemming, S.; de Zwart, F.; Elings, A.; Righini, I.; Petropoulou, A. Kasvuhooneköögiviljade tootmise kaugjuhtimine tehisintellektiga – kasvuhoonekliima, niisutamine ja taimekasvatus. Andurid 2019, 19, 1807. [CrossRef] [PubMed] 28. Taki, M.; Abdanan Mehdizadeh, S.; Rohani, A.; Rahnama, M.; Rahmati-Joneidabad, M. Rakenduslik masinõpe kasvuhoonesimulatsioonis; uus rakendus ja analüüs. Info Põllumajanduse töötlemine. 2018, 5, 253–268. [CrossRef] 29. Shamshiri, RR; Hameed, IA; Thorp, KR; Balasundram, SK; Shafian, S.; Fatemieh, M.; Sultan, M.; Mahns, B.; Samiei, S. Kasvuhoonete automatiseerimine tehisintellektiga integreeritud juhtmevabade andurite ja IoT instrumentide abil; IntechOpen: Rijeka, Horvaatia, 2021; ISBN 978-1-83968-076-2.
30. Subeesh, A.; Mehta, CR Põllumajanduse automatiseerimine ja digitaliseerimine tehisintellekti ja asjade interneti abil. Artif. Intell. Põllumajandus. 2021, 5, 278–291. [CrossRef] 31. Lehnert, C.; McCool, C.; Sa, I.; Perez, T. Paprika koristusrobot kaitstud põllukultuuride keskkonnas. arXiv 2018, arXiv:1810.11920.
32. Lehnert, C.; McCool, C.; Corke, P.; Sa, I.; Stachniss, C.; Henten, EJV; Nieto, J. Põllumajandusrobootika erinumber. J. välirobot. 2020, 37, 5–6. [CrossRef] 33. Shamshiri, R.; Weltzien, C.; Hameed, IA; Yule, IJ; Grift, TE; Balasundram, SK; Pitonakova, L.; Ahmad, D.; Chowdhary, G. Põllumajandusrobootika uurimine ja arendus: digitaalse põllumajanduse perspektiiv. Int. J. Agric. Biol. Eng. 2018, 11, 1.–14. [CrossRef] 34. Balendonck, J. Pühkimisrobot korjab esimesed paprikad. Greenh. Int. Mag. Greenh. Kasvama. 2017, 6, 37.
35. Yuan, T.; Zhang, S.; Sheng, X.; Wang, D.; Gong, Y.; Li, W. Autonoomne tolmeldamisrobot tomatilillede hormoonraviks kasvuhoones. In Proceedings of the 2016 3rd International Conference on Systems and Informatics (ICSAI), Shanghai, Hiina, 19.–21; lk 2016–108.
36. Meharg, AA Perspektiiv: Linnapõllumajandus vajab seiret. Loodus 2016, 531, S60. [CrossRef] [PubMed] 37. Thomaier, S.; Specht, K.; Henckel, D.; Dierich, A.; Siebert, R.; Freisinger, UB; Sawicka, M. Põllumajandus linnahoonetes ja nende peal: praegune tava ja konkreetsed uudsed nullpindalaga põllumajanduse (ZFarming). Uuenda. Põllumajandus. Food Syst. 2015, 30, 43–54. [CrossRef] 38. Ghannoum, O. Taastumise rohelised võrsed. Avatud foorum. 2020. Internetis saadaval: https://www.openforum.com.au/the-greenshoots-of-recovery/ (kasutatud 13. aprillil 2022).
39. Despommier, D. Linna kasvatamine: vertikaalsete linnatalude tõus. Trends Biotechnol. 2013, 31, 388–389. [CrossRef] 40. Yang, J.; Liu, M.; Lu, J.; Miao, Y.; Hossain, MA; Alhamid, MF Asjade botaaniline internet: nutika sisepõllumajanduse poole
inimeste, taimede, andmete ja pilvede ühendamine. Mob. Võrk Rakendus 2018, 23, 188–202. [CrossRef] 41. Samaranayake, P.; Liang, W.; Chen, Z.-H.; Tissue, D.; Lan, Y.-C. Säästev kaitstud põllukultuuride kasvatamine: juhtumiuuring hooajalisest mõjust kasvuhooneenergia tarbimisele paprika tootmise ajal. Energiad 2020, 13, 4468. [CrossRef] 42. Lin, T.; Goldsworthy, M.; Chavan, S.; Liang, W.; Maier, C.; Ghannoum, O.; Cazzonelli, CI; Kude, DT; Lan, Y.-C.;
Sethuvenkatraman, S.; et al. Uudne kattematerjal parandab jahutusenergiat ja väetamise efektiivsust kasvuhoone baklažaanide tootmisel. Energy 2022, 251, 123871. [CrossRef] 43. Samaranayake, P.; Maier, C.; Chavan, S.; Liang, W.; Chen, Z.-H.; Kude, DT; Lan, Y.-C. Energia minimeerimine kaitstud põllukultuuride rajatises, kasutades mitmetemperatuurilisi kogumispunkte ja ventilatsiooniseadete kontrolli. Energiad 2021, 14, 6014. [CrossRef] 44. FAO. Kasvuhooneköögiviljakultuuride head põllumajandustavad: Vahemere kliimapiirkondade põhimõtted; FAO taimetootmise ja -kaitse paber; FAO: Rooma, Itaalia, 2013; ISBN 978-92-5-107649-1.
45. Hort Innovation Protected Cropping – levitatud köögiviljade uurimis- ja arendustegevuse lünkade läbivaatamine ja tuvastamine (VG16083). Saadaval võrgus: https://www.horticulture.com.au/growers/help-your-business-grow/research-reports-publications-factsheets-and-more/project-reports/vg16083-1/vg16083/ (juurdepääs 13. aprill 2022).
46. Hiwasa-Tanase, K.; Ezura, H. Molekulaararetus optimeeritud põllukultuuride loomiseks: alates geneetilisest manipuleerimisest kuni potentsiaalsete rakendusteni taimetehastes. Ees. Plant Sci. 2016, 7, 539. [CrossRef] 47. Kozai, T. Miks LED-valgustid linnapõllumajanduses? Linnapõllumajanduse LED-valgustuses; Kozai, T., Fujiwara, K., Runkle, ES, toim.; Springer: Singapur, 2016; lk 3–18. ISBN 978-981-10-1848-0.
48. Kwon, S.; Lim, J. Energiatõhususe parandamine taimetehastes taimede bioelektrilise potentsiaali mõõtmise kaudu. Informaatikas juhtimises, automatiseerimises ja robootikas; Tan, H., toim.; Springer: Berliin/Heidelberg, Saksamaa, 2011; lk 641–648.
49. Cocetta, G.; Casciani, D.; Bulgari, R.; Musante, F.; Kołton, A.; Rossi, M.; Ferrante, A. Kerge kasutamise efektiivsus köögiviljade tootmisel
kaitstud ja siseruumides. Eur. Phys. J. Plus 2017, 132, 43. [CrossRef] Crops 2022, 2 185
50. Jones, M. Austraalia köögiviljatööstuse uued aretustehnoloogiad ja võimalused; Horticulture Innovation Australia Limited: Sydney, Austraalia, 2016.
51. Tüzel, Y.; Leonardi, C. Kaitstud viljelus Vahemere piirkonnas: suundumused ja vajadused. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg. 2009, 46, 215–223.
52. Bergougnoux, V. Tomatite ajalugu: kodustamisest biofarmeerimiseni. Biotehnoloogia. Adv. 2014, 32, 170-189. [CrossRef] [PubMed] 53. Taher, D.; Solberg, S.Ø.; Prohens, J.; Chou, Y.; Rakha, M.; Wu, T. Maailma köögiviljakeskuse baklažaanikollektsioon: päritolu, koostis, seemnete levitamine ja kasutamine aretuses. Esiosa. Plant Sci. 2017, 8, 1484. [CrossRef] [PubMed] 54. Hasan, MM; Bashir, T.; Ghosh, R.; Lee, SK; Bae, H. Ülevaade LED-ide mõjust bioaktiivsete ühendite tootmisele ja saagi kvaliteedile. Molekulid 2017, 22, 1420. [CrossRef] 55. Piovene, C.; Orsini, F.; Bosi, S.; Sanoubar, R.; Bregola, V.; Dinelli, G.; Gianquinto, G. Optimaalne punase:sinise suhe LED-valgustuses siseruumides toitva aianduse jaoks. Sci. 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 puuviljakultuuride kiire kohandamine linnapõllumajanduse jaoks. Nat. Biotehnoloogia. 2020, 38, 182-188. [CrossRef] 57. Shamshiri, RR; Jones, JW; Thorp, KR; Ahmad, D.; mees, HC; Taheri, S. Optimaalse temperatuuri, niiskuse ja aururõhu puudujäägi ülevaade tomatite kasvuhoones kasvatamise mikrokliima hindamiseks ja kontrollimiseks: ülevaade. Int. Agrophys. 2018, 32, 287-302. [CrossRef] 58. Chavan, SG; Maier, C.; Alagoz, Y.; Filipe, JC; Warren, CR; Lin, H.; Jia, B.; Loik, MINA; Cazzonelli, CI; Chen, ZH; et al. Valguspiiranguga fotosüntees energiasäästukile all vähendab baklažaani saaki. Food Energy Secur. 2020, 9, e245. [CrossRef] 59. Timmermans, GH; Douma, RF; Lin, J.; Debije, MG Kahekordne termo-/elektritundlik helendav "nutikas" aken. Appi. Sci. 2020, 10, 1421. [CrossRef] 60. Yin, R.; Xu, P.; Shen, P. Juhtumiuuring: energiasääst päikeseaknakilest kahes Shanghai ärihoones. Energia ehitamine. 2012, 45, 132-140. [CrossRef] 61. Kim, H.-K.; Lee, S.-Y.; Kwon, J.-K.; Kim, Y.-H. Kattematerjalide mõju hindamine kasvuhoonete mikrokliimale ja soojusnäitajale. Agronoomia 2022, 12, 143. [CrossRef] 62. Tema, X.; Maier, C.; Chavan, SG; Zhao, C.-C.; Alagoz, Y.; Cazzonelli, C.; Ghannoum, O.; Kude, DT; Chen, Z.-H. Valgust muutvad kattematerjalid ja jätkusuutlik köögiviljade kasvuhoonetootmine: ülevaade. Taimekasvu Regul. 2021, 95, 1-17. [CrossRef] 63. Timmermans, GH; Hemming, S.; Baeza, E.; Thoor, EAJV; Schenning, APHJ; Debije, MG Täiustatud optilised materjalid päikesevalguse kontrollimiseks kasvuhoonetes. Adv. Vali Mater. 2020, 8, 2000738. [CrossRef] 64. Zisis, C.; Pechlivani, EM; Tsimikli, S.; Mekeridis, E.; Laskarakis, A.; Logothetidis, S. Orgaaniline fotogalvaanika kasvuhoonete katustel: mõju taimede kasvule. Mater. Täna Proc. 2019, 19, 65-72. [CrossRef] 65. Aroca-Delgado, R.; Pérez-Alonso, J.; Callejón-Ferre, Á.-J.; Díaz-Pérez, M. Kasvuhoone tomatite kasvatamise morfoloogia, saagikus ja kvaliteet elastsete fotogalvaaniliste katusepaneelidega (Almería-Hispaania). Sci. Hortic. 2019, 257, 108768. [CrossRef] 66. Tema, X.; Chavan, SG; Hamoui, Z.; Maier, C.; Ghannoum, O.; Chen, Z.-H.; Kude, DT; Cazzonelli, CI Nutikas klaaskile vähendas askorbiinhapet punaste ja oranžide paprikamarjade kultivarides, ilma et see mõjutaks säilivusaega. Taimed 2022, 11, 985. [CrossRef] 67. Zhao, C.; Chavan, S.; Tema, X.; Zhou, M.; Cazzonelli, CI; Chen, Z.-H.; Kude, DT; Ghannoum, O. Nutikas klaas mõjutab muutunud valguse kaudu kasvuhoone paprika stomaatset tundlikkust. J. Exp. Bot. 2021, 72, 3235-3248. [CrossRef] 68. Pilkington, LJ; Messelink, G.; van Lenteren, JC; Le Mottee, K. "Kaitstud bioloogiline tõrje" – bioloogiline kahjuritõrje kasvuhoonetööstuses. Biol. Kontroll 2010, 52, 216–220. [CrossRef] 69. Sonneveld, C.; Voogt, W. Taimede toitumine tulevases kasvuhoonetootmises. In Plant Nutrition of Greenhouse Crops; Sonneveld, C., Voogt, W., toim.; Springer: Dordrecht, Holland, 2009; lk. 393-403.
70. Treftz, C.; Omaye, ST Kasvuhoones kasvatatud mulla ja mullata maasikate ja vaarikate toitainete analüüs. Toit Nutr. Sci. 2015, 6, 805–815. [CrossRef] 71. Köögiviljatööstuse liikmetele täiendõppe võimaluste pakkumine. AUSVEG. 2020. Internetis saadaval: https://ausveg.com.au/
artiklid/täiendushariduse-võimaluste pakkumine-veg-tööstuse-liikmetele/ (vaadatud 13. aprillil 2022).