Sachin G. Chavan (1,2,*) , Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1), Christopher I. Cazzonelli (1) ir David T. Tissue 1,2)
1. Nacionalinis saugomų daržovių auginimo centras, Hawkesbury aplinkos institutas, Vakarų Sidnėjus
Universitetas, Užrakintas krepšys 1797, Penritas, NSW 2751, Australija; 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, Vakarų Sidnėjaus universitetas,
Ričmondas, NSW 2753, Australija
3. Mokslo mokykla, Vakarų Sidnėjaus universitetas, Penrith, NSW 2751, Australija
* Susirašinėjimas: s.chavan@westernsydney.edu.au; Tel.: +61-2-4570-1913
Abstraktus: Apsaugotas pasėlių auginimas yra būdas sustiprinti maisto gamybą klimato kaitos akivaizdoje
ir tvariai tiekti sveiką maistą naudojant mažiau išteklių. Tačiau, kad šis ūkininkavimo būdas
ekonomiškai perspektyvus, turime atsižvelgti į saugomų pasėlių statusą turimų pasėlių kontekste
technologijas ir atitinkamas tikslines sodo kultūras. Šioje apžvalgoje aprašomos esamos galimybės
ir iššūkius, kuriuos reikia spręsti vykdant nuolatinius tyrimus ir inovacijas šioje įdomioje, bet
sudėtingas laukas Australijoje. Vidaus ūkio patalpos iš esmės skirstomos į tris toliau nurodytas kategorijas
technologijų pažangos lygiai: žemų, vidutinių ir aukštųjų technologijų su atitinkamais iššūkiais
kuriems reikalingi novatoriški sprendimai. Be to, kambarinių augalų augimo apribojimai ir apsaugoti
pasėlių sistemos (pvz., didelės energijos sąnaudos) sąlyginai apribojo patalpų žemdirbystės naudojimą
nedaug, didelės vertės pasėlių. Todėl turime kurti naujas augalų veisles, tinkamas patalpų ūkiui
kurios gali skirtis nuo tų, kurios reikalingos gamybai atvirame lauke. Be to, apsaugotas pasėlis
reikalauja didelių pradinių sąnaudų, brangios kvalifikuotos darbo jėgos, didelio energijos suvartojimo ir didelio kenkėjo
ligų valdymas ir kokybės kontrolė. Apskritai, saugomas pasėlis siūlo daug žadančių sprendimų
maisto saugumui, kartu mažinant maisto gamybos anglies pėdsaką. Tačiau patalpoms
augalininkystė turės didelį teigiamą poveikį pasauliniam aprūpinimui maistu ir mityba
saugumui bus būtina ekonomiška įvairių kultūrų auginimas.
Raktiniai žodžiai: saugomas pasėlis; vertikalus ūkis; kultūra be dirvožemio; pasėlių našumas; patalpų žemdirbystė;
maisto apsauga; išteklių tvarumą
1. Įvadas
Manoma, kad 10 m. pasaulio gyventojų skaičius pasieks beveik 2050 milijardų, o didžioji dalis augimo įvyks dideliuose pasaulio miestų centruose [1,2]. Didėjant gyventojų skaičiui, maisto gamyba turi didėti ir tenkinti mitybos bei sveikatos poreikius, kartu siekiant Jungtinių Tautų tvaraus vystymosi tikslų (JT SDG) [3,4]. Ariamos žemės mažėjimas ir neigiamas klimato kaitos poveikis žemės ūkiui kelia papildomų iššūkių, verčiančių ateities maisto gamybos sistemų naujoves per ateinančius kelis dešimtmečius patenkinti didėjančią paklausą. Pavyzdžiui, Australijos ūkiai dažnai susiduria su klimato kaita ir yra jautrūs ilgalaikiam klimato kaitos poveikiui. Paskutinės sausros Rytų Australijoje 2018–19 m. ir 2019–20 m. neigiamai paveikė žemės ūkio verslą, taip padidindamos klimato kaitos poveikį Australijos žemės ūkiui [5].
Apsaugotas pasėlių auginimas, taip pat žinomas kaip ūkininkavimas patalpose [6] – nuo žemų technologijų politunelių iki vidutinių technologijų, iš dalies kontroliuojamų aplinkos šiltnamių, iki aukštųjų technologijų „išmaniųjų“ šiltnamių ir uždarų patalpų ūkių – galėtų padėti padidinti pasaulinį aprūpinimą maistu XXI amžiuje. amžiaus. Vis dėlto, nors savarankiško didmiesčio vizija yra patraukli kaip būdas spręsti šiuolaikinius iššūkius, patalpų ūkininkavimo įsisavinimas neprilygo
jos šalininkų susijaudinimas ir optimizmas. Apsaugotas pasėlių auginimas ir uždaras ūkininkavimas apima didesnį technologijų ir automatizavimo naudojimą, siekiant optimizuoti žemės naudojimą, ir taip pasiūlyti įdomių sprendimų, kaip pagerinti būsimą maisto gamybą [7]. Visame pasaulyje miestų žemės ūkio plėtra [8,9] dažnai įvyko po lėtinių ir (arba) ūmių krizių, tokių kaip šviesos ir erdvės apribojimai Nyderlanduose; automobilių pramonės žlugimas Detroite; nekilnojamojo turto rinkos žlugimas JAV rytinėje pakrantėje; ir Kubos raketų krizės blokada. Kita
postūmiai atsirado dėl laisvų rinkų, ty Ispanijoje paplito saugomų pasėlių auginimas [10], nes šaliai lengva patekti į Šiaurės Europos rinkas. Kartu su esamais iššūkiais besitęsianti COVID-19 pandemija galėtų suteikti reikiamą postūmį pertvarkyti miestų žemės ūkį [11].
Jei norima, kad miestų žemės ūkis atliktų svarbų vaidmenį gerinant aprūpinimą maistu ir žmonių mitybą, jis turi būti išplėtotas visame pasaulyje, kad jis galėtų auginti platų produktų asortimentą efektyviau naudojant energiją, išteklius ir ekonomiškiau nei šiuo metu yra įmanoma. Yra didžiulės galimybės pagerinti pasėlių produktyvumą ir kokybę derinant pažangą aplinkos kontrolės, kenkėjų valdymo, fenomenų ir automatizavimo srityse.
su veisimo pastangomis, nukreiptomis į požymius, gerinančius augalų architektūrą, derliaus kokybę (skonį ir mitybą) ir derlių. Ekologiškai kontroliuojamuose ūkiuose galima auginti didesnę esamų ir besiformuojančių kultūrų įvairovę, palyginti su tradicinėmis kultūrų rūšimis, taip pat vaistinius augalus [12,13].
Neatidėliotinas poreikis gerinti aprūpinimo maistu saugumą mieste ir sumažinti anglies pėdsaką iš maisto gali būti sprendžiamas naujovėmis žemės ūkio maisto produktų sektoriuose, pvz., apsaugotas pasėlių auginimas ir vertikalus ūkininkavimas patalpose. Tai svyruoja nuo žemų technologijų politunelių su minimalia aplinkos kontrole, vidutinių technologijų, iš dalies kontroliuojamų aplinkosaugos šiltnamių iki aukštųjų technologijų šiltnamių ir vertikalių ūkininkavimo įrenginių su naujausiomis technologijomis. Saugomi augalai yra sparčiausiai augantis maisto gamybos sektorius Australijoje pagal gamybos mastą ir ekonominį poveikį [12]. Australijos saugomų augalų auginimo pramonę sudaro aukštųjų technologijų įrenginiai (17 %), šiltnamiai (20 %) ir hidroponinės / substratinės augalininkystės sistemos (52 %), o tai rodo poreikį ir galimybę plėtoti žemės ūkio maisto produktų sektorių. Šioje apžvalgoje aptariame saugomų pasėlių būklę turimų technologijų ir atitinkamų tikslinių sodo kultūrų kontekste, apibūdindami galimybes ir iššūkius, kuriuos reikia spręsti atliekant Australijoje vykstančius tyrimus.
2. Dabartiniai saugomo apkarpymo būdai ir technologijos
2019 m. bendras žemės plotas, skirtas saugomiems augalams, kurie iš esmės apima
pasėlių auginimas po visų tipų danga – buvo įvertinta 5,630,000 14 500,000 hektarų (ha) visame pasaulyje [10]. Apskaičiuota, kad bendras šiltnamiuose (nuolatinėse konstrukcijose) auginamų daržovių ir prieskoninių žolelių plotas visame pasaulyje yra apie 90 15,16 ha, 1300% šių kultūrų auginami šiltnamiuose ir 14% plastikiniuose šiltnamiuose [5]. Apskaičiuota, kad Australijos šiltnamių plotas yra apie 17 ha, o aukštųjų technologijų šiltnamiai (apie 83 individualių įmonių, kurių kiekviena užima mažiau nei 17 ha) sudaro 80 % šio ploto, o žemų technologijų / vidutinių technologijų šiltnamiai sudaro 20 % [16]. ]. Pasaulyje plastikiniai šiltnamiai ir šiltnamiai sudaro atitinkamai apie XNUMX % ir XNUMX % visų pagamintų šiltnamių [XNUMX].
Apsaugotas pasėlių auginimas yra greičiausiai augantis maisto gamybos sektorius Australijoje, kurio vertė 1.5 m. ūkyje buvo maždaug 2017 mlrd. kad po danga auginami augalai sudaro apie 30 % visos daržovių ir gėlių produkcijos vertės [20]. Australijoje didžiausias šiltnamio efektą sukeliančių daržovių auginimo plotas yra Pietų Australijoje (18 ha), po to seka Naujasis Pietų Velsas (580 ha) ir Viktorija (500 ha), o Kvinslandas, Vakarų Australija ir Tasmanija sudaro mažiau nei 200 ha [50] ].
Remiantis Australijos sodininkystės statistikos vadovu (2014–2015 m.) ir diskusijomis su pramone, buvo apskaičiuota 2017 m. vaisių, daržovių ir gėlių bendroji produkcijos vertė (GVP). labiausiai vertinamos gamybinės sistemos (52 %), antroje vietoje auginamos pagal dirvos tręšimo sistemas (35 %), derinant dirvožemio tręšimo ir hidroponines / substrato sistemas (11 %) ir naudojant hidroponiką / maistinę medžiagą. filmavimo technika (NFT) (2 %) (1A pav.). Panašiai tarp apsaugos rūšių didžiausią GVP turėjo pasėliai, auginami po polistiklo/stiklo danga (63 %), po to buvo auginami po polietileno danga (23 %), krušos/pavėsine (8 %) ir kombinuotame poli/stiklo/pavėsyje. viršeliai (6 %) (1B pav.) [17]. Australijoje konkrečių šiltnamio efektą sukeliančių sodininkystės produktų GVP statistiniai duomenys nėra lengvai prieinami [15].
1 pav. Bendra saugomų pasėlių (2017 m.) pagal auginimo sistemą (A) ir apsaugą (B) bendrosios vertės produkcija (GVP). Hidroponika ir (arba) substrato gamyba apima augalų auginimą be dirvožemio, naudojant inertišką terpę, pvz., akmens vatą. Dirvožemio / trąšų gamyba apima augalų auginimą naudojant dirvožemį su tręšimu (kombinuotas trąšų ir vandens naudojimas). Hidroponikos / maistinių medžiagų plėvelės technika (NFT) apima seklią vandens srovę, kurioje yra ištirpusių maistinių medžiagų, cirkuliuojančią per augalų šaknis vandeniui nepralaidžiais kanalais. „Polis“ reiškia polikarbonatą.
Krušos ir (arba) šešėlių dangos, dažniausiai iš tinklelio arba audinio, apsaugo pasėlius nuo krušos ir blokuoja per didelę šviesos dalį. $ reiškia AUD.
Tarp kontroliuojamos aplinkos įrenginių Jungtinėse Valstijose stikliniai arba polikarbonato (poli) šiltnamiai (47 %) yra labiau paplitę nei uždari vertikalūs ūkiai (30 %), žemų technologijų plastikiniai žiediniai namai (12 %), konteinerių fermos (7 proc. ) ir vidaus giliavandenių kultūros sistemų (4 proc.). Tarp auginimo sistemų hidroponinės (49%) yra labiau paplitusios nei dirvinės (24%), akvaponinės (15%), aeroponinės (6%) ir hibridinės (aeroponikos, hidroponikos, dirvožemio) sistemos (6%) [19,20].
Australija turi labai nedaug pažangių vertikalių ūkių, daugiausia dėl to, kad joje yra nedaug tankiai apgyvendintų miestų. Tačiau Australija turi apie 1000 ha šiltnamio ploto [16,17], o šviežių daržovių ir vaisių eksportas Australijoje nuo 2006 iki 2016 m. labai išaugo [16], didėjant pasėliams po danga. Nors Australija puikiai pradėjo ūkininkauti patalpose ir šis sektorius turi didžiulį augimo potencialą, jam reikia laiko subręsti ir tolesniam vystymuisi, kad jis taptų pagrindiniu žaidėju pasauliniu mastu. Šiuo metu komerciškai orientuoti patalpų ūkio įrenginiai gali būti suskirstyti į tris technologinės pažangos lygius: žemų, vidutinių ir aukštųjų technologijų. Kiekvienas iš jų yra išsamiau aptartas tolesniuose skyriuose.
2.1. Naujos technologijos žemųjų technologijų polituneliams
Žemųjų technologijų šiltnamių įrenginiai, kurie labiausiai prisideda prie saugomų pasėlių, turi keletą apribojimų, dėl kurių reikia technologinių sprendimų, kurie padėtų jiems pereiti į pelningus vidutinės ar aukštųjų technologijų įrenginius, auginančius aukštos kokybės pasėlius su minimaliais ištekliais. Žemų technologijų polituneliai sudaro 80–90 % šiltnamio efektą sukeliančių augalų produkcijos visame pasaulyje [20] ir Australijoje [17]. Atsižvelgiant į didelę žemų technologijų politunelių dalį saugomuose augaluose ir žemą klimato, tręšimo ir kenkėjų kontrolės lygį, svarbu spręsti su tuo susijusius iššūkius, siekiant padidinti augintojų produkciją ir ekonominę grąžą.
Žemųjų technologijų lygis apima įvairių tipų politunelius, kurie gali būti nuo laikinų metalinių konstrukcijų su plastikinėmis dangomis iki nuolatinių specialiai pastatytų konstrukcijų. Paprastai jie nekontroliuojami tik tuo, kad gali pakelti plastikinį dangą, kai lauke tampa per karšta arba debesuota. Šie plastikiniai dangteliai apsaugo pasėlius nuo krušos, lietaus ir šalto oro ir tam tikru mastu pailgina auginimo sezoną. Šios pigios konstrukcijos siūlo a
perspektyvi investicijų į daržovių kultūras, tokias kaip salotos, pupelės, pomidorai, agurkai, kopūstai ir cukinijos, grąža. Ūkininkavimas šiuose daugiasluoksniuose tuneliuose vykdomas dirvožemyje, o sudėtingesnės operacijos gali naudoti didelius vazonus ir lašelinį laistymą pomidorams, mėlynėms, baklažanams ar paprikoms. Tačiau, nors žemų technologijų apsaugotas pasėlių auginimas yra prasmingas smulkiesiems augintojams, tokie metodai turi keletą trūkumų. Jų aplinkos kontrolės trūkumas turi įtakos gaminio dydžio ir kokybės pastovumui, todėl sumažėja
šių produktų patekimas į rinką reikliems klientams, pavyzdžiui, prekybos centrams ir restoranams. Atsižvelgiant į tai, kad pasėliai paprastai sodinami į dirvą, šie ūkininkai taip pat susiduria su daugybe kenkėjų ir dirvožemio platinamų ligų (pvz., nuolatinis nematodų užkrėtimas). Pramonės ir mokslinių tyrimų partneriai reikalauja naujovių teikiant sprendimus įvairiose įrenginių projektavimo ir pasėlių valdymo sistemose, taip pat išmaniųjų prekybos sistemų, skirtų produkcijai eksportuoti.
ir palaikyti nuolatinę tiekimo grandinę. Finansavimo įstaigų paskatos ir parama bei technologinės naujovės (pvz., biologinė kontrolė, dalinis drėkinimo automatizavimas ir temperatūros kontrolė) iš universitetų ir įmonių galėtų padėti augintojams pereiti prie pažangesnių technologinių pasėlių auginimo sistemų.
2.2. Vidutinių technologijų šiltnamių atnaujinimas naujovėmis ir naujomis technologijomis
Vidutinių technologijų saugomas pasėlių auginimas yra plati kategorija, apimanti kontroliuojamos aplinkos šiltnamius ir šiltnamius. Šiai saugomų pasėlių sektoriaus daliai reikia didelių technologinių atnaujinimų, jei norima konkuruoti su didelio masto maisto gamyba ūkiuose, kuriuose įrengti žemų technologijų polituneliai ir aukštos kokybės produkcija iš aukštųjų technologijų šiltnamių. Vidutinių technologijų šiltnamiuose aplinkos kontrolė paprastai yra dalinė arba intensyvi, o kai kurių šiltnamių temperatūrą galima valdyti rankiniu būdu atidarant stogą, o
pažangesniuose įrenginiuose yra vėsinimo ir šildymo įrenginiai. Saulės baterijų ir išmaniųjų plėvelių naudojimas yra tiriamas siekiant sumažinti energijos sąnaudas ir anglies pėdsakus vidutinių technologijų šiltnamiuose [21–23].
Nors daugelis šiltnamių vis dar gaminami iš PVC arba stiklo dangos, išmaniosios plėvelės gali būti dedamos ant šių konstrukcijų arba gali būti įtrauktos į šiltnamių dizainą, siekiant padidinti energijos vartojimo efektyvumą. Paprastai aukščiausios klasės šiltnamiuose naudojamos auginimo terpės, pvz., Rockwool blokeliai su kruopščiai sukalibruotomis skystųjų trąšų įplaukomis skirtinguose augimo etapuose, siekiant maksimaliai padidinti pasėlių derlių. Tręšimas CO2 kartais naudojamas vidutinių technologijų šiltnamiuose, siekiant padidinti derlių ir kokybę. Vidutinių technologijų saugomų augalų auginimo sektoriui bus naudinga pramonės ir universitetų partnerystė, kuria siekiama sukurti pažangius mokslinius ir technologinius sprendimus, įskaitant naujus didelio derlingumo ir kokybės augalų genotipus, integruotą kenkėjų valdymą, visiškai automatizuotą tręšimą ir šiltnamių klimato kontrolę bei robotų pagalbą valdant pasėlius. ir derliaus nuėmimas.
2.3. Mokslo ir technologijų naujovės aukštųjų technologijų šiltnamiams
Aukštųjų technologijų šiltnamiuose galima panaudoti naujausius pasėlių fiziologijos, tręšimo, perdirbimo ir apšvietimo technologinius pasiekimus. Pavyzdžiui, didelio masto komerciniuose šiltnamiuose, siekiant pagerinti pasėlių kokybę ir derlių, gali būti naudojama „išmaniojo stiklo“ technologija, saulės fotovoltinės (PV) sistemos ir papildomas apšvietimas, pvz., LED plokštės. Gamintojai taip pat vis labiau automatizuoja svarbias ir (arba) daug darbo reikalaujančias sritis, tokias kaip pasėlių stebėjimas, apdulkinimas ir derliaus nuėmimas.
Dirbtinio intelekto (DI) ir mašininio mokymosi (MI) plėtra atvėrė naujas dimensijas aukštųjų technologijų šiltnamiams [24–28]. AI yra kompiuteriu užkoduotų taisyklių ir statistinių modelių rinkinys, išmokytas atskirti didelių duomenų modelius ir atlikti užduotis, paprastai susijusias su žmogaus intelektu. Vaizdams atpažinti naudojamas dirbtinis intelektas naudojamas pasėlių sveikatai stebėti ir ligų požymiams atpažinti, kad būtų galima greičiau priimti geriau informuotus sprendimus dėl pasėlių valdymo ir derliaus nuėmimo – o tai šiais laikais galima padaryti.
robotų rankomis, o ne žmogaus darbu. Daiktų internetas (IoT) siūlo automatizavimo sprendimus, kuriuos galima pritaikyti specialiai šiltnamio efektą sukeliančioms programoms [29]. Taigi dirbtinis intelektas ir daiktų internetas gali reikšmingai prisidėti prie šiuolaikinio žemės ūkio, kontroliuodami ir automatizuodami ūkininkavimo veiklą [30].
Per pastarąjį dešimtmetį žemės ūkio robotų srities moksliniai tyrimai ir plėtra labai išaugo [31–33]. Australijoje buvo įrodyta, kad autonominė paprikų derliaus nuėmimo sistema, kuri artėja prie komercinio gyvybingumo, buvo sėkminga 76.5 % [31]. Europoje ir Izraelyje buvo sukurti robotų prototipai, skirti pomidorų augalų lapams šalinti, paprika (paprika) nuimti ir pomidorų pasėliams apdulkinti [34,35], kurie artimiausiu metu galėtų būti komercializuoti.
Be to, didelio masto aukštųjų technologijų šiltnamiams skirtos darbo valdymo programinės įrangos sistemos žymiai optimizuos darbuotojų efektyvumą, pagerindamos šių įmonių ekonomines perspektyvas. IT ir inžinerijos revoliucija ir toliau suteiks galimybių apsaugoti pasėlius ir ūkininkavimą patalpose, leisdama augintojams stebėti ir tvarkyti savo pasėlius iš kompiuterių ir mobiliųjų įrenginių, kurie netgi gali būti naudojami svarbiam ūkininkavimui ir
rinkos sprendimai. Aukštųjų technologijų šiltnamiai turi didžiausią potencialą būti naudingi Australijos saugomam augalininkystės sektoriui, todėl vykstantys šių įrenginių moksliniai tyrimai ir inovacijos greičiausiai pareikalaus laiko ir pinigų investavimo.
2.4. Vertikalių ūkių kūrimas ateities poreikiams
Pastaraisiais metais visame pasaulyje buvo stebimas spartus „vertikalaus ūkininkavimo uždarose patalpose“ vystymasis, ypač šalyse, kuriose yra daug gyventojų ir nepakanka žemės [36,37, 6]. Vertikalusis ūkininkavimas sudaro 38 milijardus JAV dolerių vertės, tačiau tebėra nedidelė kelių trilijonų dolerių vertės pasaulinės žemės ūkio rinkos dalis [39]. Yra įvairių vertikalaus ūkininkavimo iteracijų, tačiau visose jose naudojamos vertikaliai sukrautos be dirvožemio arba hidroponinės auginimo lentynos visiškai uždaroje ir kontroliuojamoje aplinkoje, o tai leidžia užtikrinti aukštą automatizavimo, valdymo ir nuoseklumo laipsnį [XNUMX]. Tačiau vertikalus ūkininkavimas apsiriboja didelės vertės ir trumpo gyvavimo ciklo kultūromis dėl didelių energijos sąnaudų, nepaisant neprilygstamo produktyvumo vienam kvadratiniam metrui ir didelio vandens bei maistinių medžiagų naudojimo efektyvumo.
Vertikalaus ūkininkavimo technologinis aspektas, ypač „išmaniųjų“ šiltnamių atsiradimas, greičiausiai pritrauks augintojus, norinčius dirbti su naujomis kompiuterinėmis ir didelių duomenų technologijomis, tokiomis kaip AI ir daiktų internetas (IoT) [40]. Šiuo metu visos ūkininkavimo patalpose formos reikalauja daug energijos ir darbo, nors yra galimybių tobulėti tiek automatizavimo, tiek energijos vartojimo efektyvumo technologijų srityje. Jau dabar pažangiausios patalpų žemės ūkio formos tiekia savo energiją vietoje ir yra nepriklausomos nuo bendrojo komunalinio tinklo. Sodai ant stogo gali būti įvairūs: nuo paprasto dizaino miesto pastatų viršuje iki įmonių ant stogų esančių savivaldybių pastatų Niujorke ir Paryžiuje. Vertikalus ūkininkavimas patalpose turi šviesią ateitį, ypač po COVID-19 pandemijos, ir turi geras sąlygas padidinti savo dalį pasaulinėje maisto rinkoje
labai efektyvi gamybos sistema, tiekimo grandinės ir logistikos sąnaudų mažinimas, automatizavimo galimybės (mažinamas tvarkymas) ir lengva prieiga prie darbo ir vartotojų.
3. Tiksliniai augalai, esantys apsaugotoje kultūroje
Šiuo metu patalpų žemdirbystei tinkamų pasėlių skaičius yra ribotas dėl pasėlių augimui patalpoje apribojimų, taip pat dėl saugomų pasėlių apribojimų, tokių kaip didelės energijos sąnaudos (apšvietimui, šildymui, vėsinimui ir įvairių automatizuotų sistemų veikimui), leidžiančios auginti specifines didelės vertės kultūras. 41–43]. Tačiau ekonomiškas įvairių valgomųjų kultūrų auginimas yra būtinas, jei norima, kad saugomi pasėliai turėtų reikšmingą poveikį.
pasaulinis aprūpinimas maistu [12,13,44]. Saugomų daržovių auginimo kultūrų veislės labai skiriasi nuo atvirame lauke auginamų veislių, kurios išvestos taip, kad toleruotų įvairias aplinkos sąlygas, o tai nebūtinai reikalinga saugomiems augalams. Norint sukurti tinkamas veisles, reikės optimizuoti keletą savybių (pvz., savaiminis apdulkinimas, neapibrėžtas augimas, tvirtos šaknys), kurios skiriasi nuo savybių, kurios laikomos kaip
pageidautina lauko pasėliuose (2 pav.) (Priimta iš [13]).
2 pav. Pageidautinos vaisinių augalų, auginamų patalpose kontroliuojamos aplinkos sąlygomis, savybės, palyginti su pasėliais, auginamais lauke lauko sąlygomis.
Šiuo metu vaisiai ir daržovės, geriausiai pritaikyti auginti namuose, yra šie:
• Tie, kurie auga ant vynmedžių ar krūmų (pomidorų, braškių, aviečių, mėlynių, agurkų, paprikų, vynuogių, kivių);
• Aukštos vertės specializuotos kultūros (apyniai, vanilė, šafranas, kava);
• Vaistiniai ir kosmetiniai augalai (jūros dumbliai, ežiuolė);
• Maži medžiai (vyšnios, šokoladas, mangai, migdolai) yra kitos perspektyvios galimybės [13].
Tolesniuose skyriuose išsamiau aptariame esamas kultūras ir naujų veislių kūrimą patalpų žemdirbystei.
3.1. Esami augalai, auginami žemų, vidutinių ir aukštųjų technologijų įrenginiuose
Žemos ir vidutinės technologijos apsaugotos pasėlių sistemose daugiausia gaminami pomidorai, agurkai, cukinijos, paprika, baklažanai, salotos, azijietiški žalumynai ir prieskoninės žolės. Pagal plotą, užaugintų vaisių kiekį ir verslų skaičių pomidorai yra svarbiausia šiltnamiuose auginamų daržovių kultūra, po to seka paprika ir salotos [15,45].
Australijoje didelio masto kontroliuojamos aplinkos kūrimas visų pirma buvo skirtas pomidorams auginti [15]. Apskaičiuotas vaisių, daržovių ir gėlių GVP 2017 m. lauke ir saugomose auginimo patalpose rodo pomidorų dominavimą Australijos saugomų pasėlių sektoriuje.
Bendras įvertintas 2017 m. GVP, atsižvelgiant į sodo kultūrų auginimą lauke ir po danga, buvo didžiausias pomidorams (24 %), po to seka braškės (17 %), vasariniai vaisiai (13 %), gėlės (9 %), mėlynės. (7%), agurkai (7%) ir paprikos (6%), kurių azijietiškos daržovės, žolelės, baklažanai, vyšnios ir uogos sudaro mažiau nei 6% (3A pav.).
3 pav. Apskaičiuota bendroji produkcijos vertė (GVP) bendrai kombinuotai lauko ir saugomų pasėlių daržovių auginimui (A) ir priskirtoji GVP pagal saugomus augalus 2017 m. (B) Australijoje.
Tarp jų saugomų pasėlių sistemose auginamų kultūrų GVP buvo didžiausias pomidorams (40 %), o tai gerokai skiriasi nuo kitų kultūrų, įskaitant gėles (11 %), braškes (10 %), vasarinius vaisius (8 %). ) ir uogų (8 %), o kiekvienas iš likusių pasėlių sudaro mažiau nei 5 % (3B pav.). Tačiau Australijos vidaus rinka buvo prisotinta šiltnamio efektą sukeliančių pomidorų, kurie palieka saugomą augalininkystės pramonę
su šiomis dviem galimybėmis: padidinti šių kultūrų pardavimą tarptautinėse rinkose; ir (arba) paskatinti kai kuriuos esamus šalies šiltnamių augintojus pereiti prie kitų vertingų augalų auginimo. Didžiausia išaugintų atskirų pasėlių dalis buvo uogoms (85 proc.) ir pomidorams (80 proc.), toliau seka gėlės (60 proc.), agurkai (50 proc.), vyšnios ir azijietiškos daržovės (kiekviena po 40 proc.), braškės ir vasarinės daržovės.
vaisiai (kiekviena 30%), mėlynės ir žolelės (kiekviena 25%) ir galiausiai paprika ir baklažanai, po 20% [17]. Šiuo metu daug energijos ir darbo reikalaujantis ūkininkavimas uždarose patalpose apsiriboja didelės vertės augalais, kuriuos galima užauginti per trumpą laiką naudojant mažą energijos sąnaudą [46,47]
Augalų „fabrikuose“ šiuo metu vyrauja lapiniai žalumynai ir prieskoninės žolės, dėl trumpo šių kultūrų augimo periodo (nes vaisiai ir sėklos nebūtini) ir didelės vertės [7], dėl to, kad tokiems augalams reikia santykinai mažiau šviesos. fotosintezei [48] ir todėl, kad didžiąją dalį pagamintos augalų biomasės galima nuimti [46,49, 12]. Yra didelis potencialas pagerinti miesto ūkiuose auginamų pasėlių derlių ir kokybę [XNUMX].
3.2. Pramonės tyrimas: kur slypi dalyvių interesai?
Norint pagerinti viešųjų ir privačių finansuojamų mokslinių tyrimų, susijusių su saugomų pasėlių ateičiais, veiksmingumą, būtina nustatyti pagrindines mokslinių tyrimų temas. Pavyzdžiui, Future Food Systems Co-operative Research Center (FFSCRC), kurį inicijavo Naujojo Pietų Velso ūkininkų asociacija (NSW Farmers), Naujojo Pietų Velso universitetas (UNSW) ir Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), sudaro konsorciumas. daugiau nei 60 įkūrėjų
pramonės, vyriausybės ir mokslinių tyrimų dalyvių. Jos mokslinių tyrimų ir pajėgumų programomis siekiama padėti dalyviams optimizuoti regioninių ir priemiesčių maisto sistemų produktyvumą, iš prototipo pristatyti naujus produktus į rinką ir diegti greitas, nuo kilmės apsaugotas tiekimo grandines nuo ūkio iki vartotojo. Tuo tikslu FFSRC teikia bendradarbiavimo mokslinių tyrimų aplinką, kuria siekiama pagerinti saugomų pasėlių auginimą, kad padidintume mūsų gebėjimą eksportuoti aukščiausios kokybės sodininkystės produkciją ir padėti Australijai tapti saugomų pasėlių sektoriaus mokslo ir technologijų lydere.
Dalyviai buvo apklausti, siekiant nustatyti tikslines žemės ūkio paskirties kultūras. Tarp dalyvių, kurie nustatė tikslines kultūras, didžiausias susidomėjimas buvo šviežiomis daržovėmis (29 proc.), po to – vaisiniais augalais (22 proc.); vaistinės kanapės, kitos vaistažolės ir specializuoti augalai (13 proc.); vietinės/vietinės rūšys (10%); grybai/grybai (10%); ir lapiniai žalumynai (3%) (4 pav.).
4 pav. FFSCRC dalyvių šiuo metu saugomuose augalininkystės įrenginiuose auginamų pasėlių klasifikavimas, taigi ir dalyvių tikėtinas susidomėjimas ieškant sprendimų, kaip šiuos augalus auginti produktyviau po priedanga.
Apklausa buvo pagrįsta internete prieinama informacija apie dalyvius; Išsamesnės informacijos gavimas bus labai svarbus norint suprasti ir patenkinti konkrečius dalyvių reikalavimus.
3.3. Naujų veislių veisimas kontroliuojamos aplinkos objektams
Veisimo technologijos, skirtos daržovių ir kitų kultūrinių augalų gerinimui, sparčiai tobulėja [50]. Saugomuose augaluose, dinamiškame ekonomikos sektoriuje, kuriame sparčiai kinta rinkos tendencijos ir vartotojų pageidavimai, labai svarbu pasirinkti tinkamą veislę [44,51]. Yra daug tyrimų, kuriuose vertinamas didelės vertės pasėlių, tokių kaip pomidorai ir baklažanai, pritaikymas šiltnamių gamybai [52,53]. Naujos veisimo technologijos [50] palengvino naujų veislių su norimomis savybėmis kūrimą, o kai kurios įmonės pradėjo projektuoti augalus, skirtus augti kontroliuojamoje aplinkoje su LED lemputėmis [20]. Tačiau veislės buvo išvestos daugiausia siekiant maksimaliai padidinti derlių esant labai kintamoms lauko sąlygoms [46]. Tokie pasėlių bruožai, kaip atsparumas sausrai, karščiui ir šalčiui, kurie yra pageidautini laukuose auginamiems pasėliams, tačiau paprastai už juos skiriamos nuobaudos dėl derliaus, paprastai nereikalingi
patalpų žemdirbystė.
Pagrindiniai bruožai, kuriuos galima pritaikyti aukštesnės vertės pasėliams patalpų žemdirbystei, yra trumpi gyvavimo ciklai, nuolatinis žydėjimas, mažas šaknų ir ūglių santykis, geresnis našumas esant mažai fotosintezės energijos sąnaudoms ir pageidaujamos vartotojų savybės, įskaitant skonį, spalvą, tekstūra ir specifinis maistinių medžiagų kiekis [12,13]. Be to, veisiant specialiai aukštesnei kokybei, bus gauti labai pageidaujami produktai, turintys didelę rinkos vertę. Šviesos spektrą, temperatūrą, drėgmę ir maistinių medžiagų tiekimą galima valdyti taip, kad pasikeistų tikslinių junginių kaupimasis lapuose ir vaisiuose [54,55] ir padidėtų pasėlių maistinė vertė, įskaitant baltymus (kiekybę ir kokybę), vitaminus A, C. ir E, karotinoidai, flavonoidai, mineralai, glikozidai ir antocianinai [12]. Pavyzdžiui, natūraliai atsirandančios mutacijos (vynuogėse) ir genų redagavimas (kiviuose) buvo naudojamos augalų architektūrai modifikuoti, o tai bus naudinga auginant uždarose patalpose. Neseniai atliktame tyrime pomidorų ir vyšnių augalai buvo sukurti naudojant CRISPR-Cas9, siekiant sujungti šiuos tris pageidaujamus bruožus: nykštuko fenotipą, kompaktišką augimo įprotį ir ankstyvą žydėjimą. Gautų „redaguotų“ pomidorų veislių tinkamumas naudoti uždarose ūkininkavimo sistemose buvo patvirtintas naudojant lauko ir komercinius vertikaliojo ūkio bandymus [56].
Molekulinio veisimo, siekiant sukurti optimizuotus pasėlius, apžvalgoje buvo aptarta žemės ūkio produktų pridėtinė vertė plėtojant sveikatai naudingus žemės ūkio augalus ir kaip valgomuosius vaistus [46]. Pagrindiniai būdai, kaip auginti sveikatai naudingus žemės ūkio augalus, buvo nustatyti kaip didelio pageidaujamos maistinės medžiagos kiekio kaupimas arba nepageidaujamų junginių kiekio mažinimas ir vertingų junginių, kurie
paprastai nėra gaminami pasėliuose.
4. Saugomų pasėlių ir uždarų patalpų ūkininkavimo iššūkiai ir galimybės
Pažangūs saugomų pasėlių ir patalpų ūkininkavimo įrenginiai turi palyginti nedidelį poveikį aplinkai. Nors pasėlių auginimas po danga sunaudoja daugiau energijos nei daugelis kitų ūkininkavimo būdų, galimybė sušvelninti oro poveikį, užtikrinti atsekamumą ir auginti geresnės kokybės maistą skatina nuoseklų kokybiškos produkcijos tiekimą, pritraukiančią grąžą, kuri gerokai viršija papildomas gamybos sąnaudas. [18]. Pagrindiniai saugomų pasėlių iššūkiai yra šie:
• Didelės kapitalo sąnaudos dėl aukštų žemės kainų miesto viduje ir priemiesčiuose;
• Didelis energijos suvartojimas;
• Kvalifikuotos darbo jėgos paklausa;
• Ligos valdymas be cheminės kontrolės; ir
• Viduje auginamų augalų maistinių kokybės indeksų kūrimas – siekiant apibrėžti ir patvirtinti produkcijos kokybės aspektus.
Kitame skyriuje aptariame kai kuriuos iššūkius ir galimybes, susijusius su saugomu pasėliu.
4.1. Optimalios sąlygos dideliam našumui ir efektyviam išteklių naudojimui
Jei augintojai nori išlaikyti ekonomišką augalininkystę kontroliuojamoje aplinkoje, būtina geriau suprasti pasėlių poreikius įvairiais augimo etapais ir įvairiomis apšvietimo sąlygomis. Veiksmingas šiltnamio aplinkos tvarkymas, įskaitant klimato ir mitybos elementus bei struktūrines ir mechanines sąlygas, gali žymiai pagerinti vaisių kokybę ir derlių [57]. Augimo aplinkos veiksniai gali turėti įtakos augalų augimui, garavimo greičiui ir fiziologiniams ciklams. Tarp klimato veiksnių saulės spinduliuotė yra svarbiausia, nes fotosintezei reikalinga šviesa, o pasėlių derlius yra tiesiogiai proporcingas saulės šviesos lygiui iki fotosintezės šviesos prisotinimo taškų. Dažnai tiksli aplinkos kontrolė reikalauja didelių energijos sąnaudų, mažinančių kontroliuojamos aplinkos žemės ūkio pelningumą. Šiltnamio šildymui ir vėsinimui reikalinga energija tebėra pagrindinis rūpestis ir tikslas tiems, kurie siekia sumažinti energijos sąnaudas [6]. Stiklinimo medžiagos ir naujoviškos stiklo technologijos, tokios kaip Smart Glass [58], suteikia daug žadančių galimybių sumažinti išlaidas, susijusias su šiltnamio temperatūros palaikymu ir aplinkos kintamųjų valdymu. Šiais laikais inovatyvios stiklo technologijos ir veiksmingos aušinimo sistemos yra įtraukiamos į apsaugotą pasėlių auginimą šiltnamiuose. Stiklinimo medžiagos turi galimybę sumažinti
elektros energijos suvartojimas, sugeriant saulės spinduliuotės perteklių ir nukreipiant šviesos energiją gaminti elektros energiją naudojant fotovoltinius elementus [59,60].
Tačiau dengiančios medžiagos veikia šiltnamio mikroklimatą [61,62], įskaitant šviesą [63], todėl svarbu įvertinti naujų glazūravimo medžiagų poveikį augalų augimui ir fiziologijai, išteklių naudojimui, pasėlių derliui ir kokybei aplinkoje, kurioje veiksniai pvz., CO2, temperatūra, maistinės medžiagos ir drėkinimas yra griežtai kontroliuojami. Pavyzdžiui, pusiau permatomos organinės fotovoltinės medžiagos (OPV), pagrįstos regioreguliaraus poli(3-heksiltiofeno) (P3HT) ir fenil-C61-sviesto rūgšties metilo esterio (PCBM) mišiniu, buvo išbandytos siekiant auginti pipirų augalus (Capsicum annuum). OPV pavėsyje paprikų augalai užaugino 20.2% daugiau vaisių masės, o pavėsyje esantys augalai vegetacijos sezono pabaigoje buvo 21.8% aukštesni [64]. Kito tyrimo metu lanksčių fotovoltinių plokščių ant stogo sukeltas PAR sumažėjimas neturėjo įtakos derliui, augalų morfologijai, žiedų skaičiui šakoje, vaisių spalvai, tvirtumui ir pH [65].
Itin mažai atspindinti „išmaniojo stiklo“ plėvelė „Solar Gard™ ULR-80“ [58] šiuo metu yra bandoma šiltnamyje. Siekiama išnaudoti stiklinimo medžiagų su reguliuojamu šviesos pralaidumu potencialą ir sumažinti dideles energijos sąnaudas, susijusias su veikla aukštųjų technologijų šiltnamių sodininkystės įrenginiuose. Išmaniojo stiklo (SG) plėvelė dedama ant standartinio stiklo atskirų šiltnamio zonų patalpose, kuriose auginami daržovių augalai, taikant komercinę vertikalaus auginimo ir valdymo praktiką [66,67]. Bandymai su baklažanais pagal SG parodė didesnį energijos ir tręšimo efektyvumą [42], bet taip pat sumažino baklažanų derlių dėl didelio gėlių ir (arba) vaisių abortų skaičiaus dėl ribotos šviesos fotosintezės [58]. Naudojamą SG plėvelę gali prireikti modifikuoti, kad būtų sukurtos optimalios šviesos sąlygos ir būtų sumažinti šviesos apribojimai daug anglies turintiems vaisiams, tokiems kaip baklažanai.
Naujų energiją taupančių stiklinimo medžiagų, tokių kaip išmanusis stiklas, naudojimas suteikia puikią galimybę sumažinti šiltnamio energijos sąnaudas ir optimizuoti apšvietimo sąlygas tikslinių augalų auginimui. Išmaniosios dengiančios plėvelės, pvz., liuminescencinę šviesą skleidžiančios žemės ūkio plėvelės (LLEAF), gali sustiprinti ir kontroliuoti vegetatyvinį augimą ir reprodukcinį vystymąsi naudojant vidutinių technologijų saugomus pasėlius. LLEAF
plokštes būtų galima išbandyti su įvairiais žydinčiais ir nežydinčiais augalais, siekiant nustatyti, ar jos padeda padidinti vegetatyvinį ir reprodukcinį augimą (keičiant fiziologinius procesus, kuriais grindžiamas augalų augimas ir pasėlių produktyvumas bei kokybė).
4.2. Kenkėjų ir ligų valdymas
Nors kontroliuojamos saugomos auginimo patalpos gali sumažinti kenkėjų ir ligų skaičių, jas įvežus labai sunku ir brangu kontroliuoti nenaudojant toksiškų sintetinių cheminių medžiagų. Vertikalus ūkininkavimas patalpose leidžia rankiniu būdu ir (arba) automatiškai (naudojant jutimo technologijas) atidžiai stebėti pasėlius, ar neatsiranda kenkėjų ar ligų požymių, o naujų robotų technologijų ir (arba) nuotolinio stebėjimo procedūrų pritaikymas palengvins.
anksti nustatyti protrūkius ir pašalinti sergančius ir (arba) užkrėstus augalus [7].
Norint veiksmingai valdyti kenkėjus šiltnamiuose, reikės naujų integruoto kenkėjų valdymo (IPM) metodų [68]. Tinkamos valdymo strategijos (kultūrinės, fizinės, mechaninės, biologinės ir cheminės), taip pat gera kultūrinė praktika, pažangūs stebėjimo metodai ir tikslus identifikavimas gali pagerinti daržovių auginimą ir sumažinti priklausomybę nuo pesticidų naudojimo. Integruotas požiūris į ligų valdymą apima atsparių veislių naudojimą, sanitariją, tinkamą kultūros praktiką ir tinkamą pesticidų naudojimą [44]. Naujų IPM strategijų kūrimas gali sumažinti darbo sąnaudas ir būtinybę naudoti cheminius pesticidus. Paimkime, pavyzdžiui, naujų, komerciniais tikslais auginamų, natūraliai naudingų vabzdžių (pvz., amarų, žaliųjų raištelių ir kt.) naudojimą, siekiant suvaldyti pasėlių kenkėjus ir sumažinti priklausomybę nuo cheminės kontrolės. Įvairių naujų IPM testavimas
strategijos, atskirai ir kartu, padės parengti augintojams skirtas rekomendacijas, skirtas pasėliams ir įrenginiams.
4.3. Pasėlių kokybė ir maistinės vertės
Apsaugotas pasėlis suteikia augintojams ir pramonės partneriams didelį derlių ir aukštos kokybės produkciją ištisus metus [69]. Tačiau norint auginti aukščiausios kokybės vaisius ir daržoves, reikalingas didelio našumo mitybos ir kokybės parametrų tyrimas [70]. Pagrindiniai vaisių kokybės parametrai apima drėgmę, pH, bendrą tirpių kietųjų medžiagų kiekį, pelenus, vaisių spalvą, askorbo rūgštį ir titruojamą rūgštingumą bei pažangius mitybos parametrus, įskaitant cukrų, riebalus, baltymus, vitaminus ir antioksidantus; kietumo ir vandens nuostolių matavimai taip pat yra labai svarbūs nustatant kokybės indeksus [66]. Be to, didelio našumo pasėlių produkcijos kokybės tikrinimas galėtų būti įtrauktas į automatizuotą šiltnamių operacijų sistemą. Atlikus turimų pasėlių genotipų kokybės parametrų patikrą, augintojams ir vartotojams bus pateiktos naujos vertingos, maistinių medžiagų turinčios vaisių ir daržovių veislės. Agronominės strategijos, įskaitant augimo aplinką ir pasėlių valdymo praktiką, turės būti optimizuotos, kad būtų padidinta šių vertingų kultūrų gamyba ir augalų maistinių medžiagų tankis.
4.4. Užimtumas ir kvalifikuotos darbo jėgos prieinamumas
Darbo poreikiai saugomų pasėlių pramonei plečiasi (> 5% per metus), ir manoma, kad šiuo metu pramonėje tiesiogiai dirba daugiau nei 10,000 XNUMX žmonių visoje Australijoje. Nepaisant didelio automatizavimo lygio, didelio masto saugomiems pasėliams reikia daug darbo jėgos, ypač pasėlių auginimui, pasėlių priežiūrai, mechaniniam apdulkinimui ir derliaus nuėmimui. Didėjant paklausai
aukštos kvalifikacijos augintojams tinkamos kvalifikacijos darbuotojų pasiūla išlieka maža [18,71]. Kvalifikuotos darbo jėgos taip pat reikės plėtojant vertikalųjį miesto ūkininkavimą, kuris sukurs naują karjerą technologams, projektų vadovams, techninės priežiūros darbuotojams ir rinkodaros bei mažmeninės prekybos darbuotojams [7]. Daugiafunkcinių komercinio masto pažangių įrenginių sukūrimas suteiktų galimybę spręsti mokslinių tyrimų klausimus ir taip būtų skatinamas siekis maksimaliai padidinti įvairių kultūrų produktyvumą, kartu suteiktų švietimą ir mokymą įgūdžių, kurių gali prireikti būsimame saugomų augalų sektoriuje.
5. Išvados
Aukštųjų technologijų šiltnamiuose su išmaniosiomis technologijomis yra didelis potencialas padidinti pelningumą automatizuojant tokias svarbias ir (arba) daug darbo reikalaujančias sritis, kaip pasėlių stebėjimas, apdulkinimas ir derliaus nuėmimas. AI, robotikos ir ML plėtra atveria naujus apsaugoto apkarpymo aspektus. Vertikalūs ūkiai sudaro nedidelę pasaulinės žemės ūkio rinkos dalį ir, nepaisant didelio energijos vartojimo, vertikalus ūkininkavimas siūlo neprilygstamą produktyvumą ir aukštą vandens ir maistinių medžiagų naudojimo efektyvumą. Ekonomiška įvairių kultūrų auginimas yra labai svarbus, jei norima, kad apsaugota augalininkystė padarytų didelį teigiamą poveikį pasauliniam aprūpinimui maistu. Žemos ir vidutinės technologijos apsaugotos auginimo sistemos daugiausia išaugina pomidorų, agurkų, cukinijų, paprikų, baklažanų ir salotų pasėlius, taip pat azijietiškus žalumynus ir žoleles.
Didelio masto kontroliuojamos aplinkos įrenginių kūrimas Australijoje visų pirma apsiribojo pomidorų auginimu. Norint sukurti tinkamas veisles, reikės optimizuoti keletą pagrindinių savybių, kurios skiriasi nuo tų, kurios laikomos pageidaujamomis lauko kultūroms. Pagrindiniai bruožai, kuriuos galima pritaikyti patalpų žemdirbystei, yra sutrumpėjęs pasėlių gyvavimo ciklas, nuolatinis žydėjimas, mažas šaknų ir ūglių santykis, geresnis našumas esant žemai fotosintezei.
energijos sąnaudos ir pageidaujamos vartotojo savybės, pvz., skonis, spalva, tekstūra ir specifinis maistinių medžiagų kiekis.
Be to, veisiant specialiai aukštesnės kokybės, maistingiu požiūriu tankesnius augalus, bus gauti pageidaujami sodininkystės (ir galbūt vaistiniai) produktai, turintys puikią rinkos vertę. Saugomų pasėlių pelningumas ir tvarumas priklauso nuo sprendimų, susijusių su pagrindiniais iššūkiais, įskaitant pradines išlaidas, energijos suvartojimą, kvalifikuotą darbo jėgą, kenkėjų valdymą ir kokybės indekso kūrimą.
Šiuo metu tiriamos ar bandomos naujos stiklinimo medžiagos ir technologijų pažanga siūlo sprendimus, kaip išspręsti vieną iš aktualiausių saugomų augalų auginimo problemų. Ši pažanga galėtų suteikti reikiamą postūmį, padedantį saugomam augalininkystės sektoriui pereiti prie tvaraus ir ekonomiškai efektyvaus energijos vartojimo efektyvumo lygio ir patenkinti augančius aprūpinimo maistu poreikius, kartu išlaikant pasėlių kokybę ir maistines savybes.
turinį ir sumažinti žalingą poveikį aplinkai.
Autoriaus indėlis: SGC parašė apžvalgą su DTT, Z.-HC, OG ir CIC pateiktu įnašu ir pataisymu. Visi autoriai perskaitė ir sutiko su paskelbta rankraščio versija.
Finansavimas: Apžvalga buvo pagrįsta ataskaita, kurią užsakė ir finansavo „Future Food Systems Cooperative Research Center“, kuri remia pramonės vadovaujamą pramonės, mokslininkų ir bendruomenės bendradarbiavimą. Taip pat gavome finansinę paramą iš Horticulture Innovation Australia projektų (dotacijos numeris VG16070 DTT, Z.-HC, OG, CIC; dotacijos numeris VG17003 DTT, Z.-HC; dotacijos numeris LP18000 į Z.-HC) ir CRC projekto P2. -013 (DTT, Z.-HC, OG, CIC).
Institucinės peržiūros tarybos pareiškimas: Netaikoma.
Informuoto sutikimo pareiškimas: Netaikoma.
Duomenų prieinamumo pareiškimas: Netaikoma.
Interesų konfliktai: Autoriai pareiškia, kad nėra interesų konflikto.
Nuorodos
1. Jungtinių Tautų Ekonomikos ir socialinių reikalų departamentas. Prieiga per internetą: https://www.un.org/development/desa/en/ news/population/2018-revision-of-world-urbanization-prospects.html (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).
2. Jungtinių Tautų Ekonomikos ir socialinių reikalų departamentas. Prieiga per internetą: https://www.un.org/development/desa/publications/world-population-prospects-2019-highlights.html (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).
3. Binnsas, CW; Lee, MK; Maycock, B.; Torheimas, LE; Nanishi, K.; Duong, DTT Klimato kaita, maisto tiekimas ir mitybos gairės. Annu. Rev. Visuomenės sveikata 2021, 42, 233–255. [CrossRef] [PubMed] 4. Valin, H.; Sands, RD; Van Der Mensbrugghe, D.; Nelsonas, GC; Ahammadas, H.; Blanc, E.; Bodirskis, B.; Fujimori, S.; Hasegawa, T.; Havlikas, P.; ir kt. Maisto paklausos ateitis: pasaulinių ekonominių modelių skirtumų supratimas. Agric. Ekonom. 2014, 45, 51–67. [CrossRef] 5. Hughes, N.; Lu, M.; Ying Soh, W.; Lawson, K. Klimato kaitos poveikio Australijos ūkių pelningumui modeliavimas. ABARES darbo dokumente; Australijos vyriausybė: Kanbera, Australija, 2021 m. [CrossRef] 6. Rabbi, B.; Chen, Z.-H.; Sethuvenkatraman, S. Apsaugotas auginimas šiltame klimate: drėgmės kontrolės ir vėsinimo METODŲ apžvalga. Energijos 2019, 12, 2737. [CrossRef] 7. Benke, K.; Tomkins, B. Ateities maisto gamybos sistemos: vertikalus ūkininkavimas ir kontroliuojamos aplinkos žemdirbystė. Išlaikyti. Sci. Praktika. Politika 2017, 13, 13–26. [CrossRef] 8. Mougeot, LJA Augantys geresni miestai: miestų žemės ūkis darniam vystymuisi; IDRC: Otava, ON, Kanada, 2006 m.; ISBN 978-1-55250-226-6.
9. Pearsonas, LJ; Pearsonas, L.; Pearson, CJ Tvarus miesto žemės ūkis: apžvalga ir galimybės. Tarpt. J. Agrič. Išlaikyti. 2010, 8, 7–19. [CrossRef] 10. Tout, D. Almerijos provincijos sodininkystės pramonė, Ispanija. Geografinė sąvoka J. 1990, 156, 304–312. [CrossRef] 11. Henry, R. Žemės ūkio ir maisto tiekimo naujovės reaguojant į COVID-19 pandemiją. Mol. Augalas 2020, 13, 1095–1097. [CrossRef] 12. O'Sullivan, C.; Bonnett, G.; McIntyre, C.; Hochmanas, Z.; Wasson, A. Miestų žemės ūkio produktyvumo, produktų įvairovės ir pelningumo gerinimo strategijos. Agric. Syst. 2019, 174, 133–144. [CrossRef] 13. O'Sulivanas, Kalifornija; McIntyre, CL; Sausas, IB; Hani, SM; Hochmanas, Z.; Bonnett, GD Vertikalūs ūkiai duoda vaisių. Nat. Biotechnol. 2020, 38, 160–162. [CrossRef] 14. Cuesta Roble Releases. Pasaulinė šiltnamių statistika. 2019. Prieiga per internetą: https://www.producerower.com/article/cuestaroble-2019-global-greenhouse-statistics/ (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).
15. Hadley, D. Kontroliuojamos aplinkos sodininkystės pramonės potencialas NSW; Naujosios Anglijos universitetas: Armidale, Australija, 2017 m.; p. 25.
16. Pasaulio daržovių žemėlapis. 2018. Prieiga per internetą: https://research.rabobank.com/far/en/sectors/regional-food-agri/world_ vegetable_map_2018.html (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).
17. Graeme Smith Consulting – bendroji pramonės informacija. Prieiga internete: https://www.graemesmithconsulting.com/index. php/information/general-industry-information (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).
18. Davis, J. Saugomų pasėlių auginimas Australijoje iki 2030 m.; Apsaugotas auginimas Australijoje: Pertas, Australija, 2020 m.; p. 15.
19. Agrilyst. Vidaus ūkininkavimo būklė; Agrilyst: Bruklinas, NY, JAV, 2017 m.
20. Ūkininkavimas be dirvožemio: I etapas: kontroliuojamos aplinkos žemės ūkio pramonės ir poveikio tyrimas | Publikacijos | WWF.
Prieiga per internetą: https://www.worldwildlife.org/publications/indoor-soilless-farming-phase-i-examining-the-industry-andimpacts-of-controlled-environment-agriculture (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.). Pasėliai 2022, 2 184
21. Emmott, CJM; Röhr, JA; Campoy-Quiles, M.; Kirchartz, T.; Urbina, A.; Ekins-Daukes, NJ; Nelsonas, J. Organinė fotovoltinė
šiltnamiai: unikali pusiau permatomo PV programa? Energijos aplinka. Sci. 2015, 8, 1317–1328. [CrossRef] 22. Marucci, A.; Zambonas, I.; Colantoni, A.; Monarca, D. Žemės ūkio ir energetikos tikslų derinys: fotovoltinio šiltnamio tunelio prototipo įvertinimas. Atnaujinti. Išlaikyti. Energy Rev. 2018, 82, 1178–1186. [CrossRef] 23. Torrellas, M.; Antonas, A.; López, JC; Baeza, EJ; Parra, JP; Muñoz, P.; Montero, JI LCA pomidorų pasėliui kelių tunelių šiltnamyje Almerijoje. Tarpt. J. Gyvavimo ciklo įvertinimas. 2012, 17, 863–875. [CrossRef] 24. Caponetto, R.; Fortūna, L.; Nunnari, G.; Occhipinti, L.; Xibilia, MG Soft kompiuteris šiltnamio klimato kontrolei. IEEE Trans. Fuzzy Syst. 2000, 8, 753–760. [CrossRef] 25. Guo, D.; Chuanas, J.; Changas, L.; Zhang, J.; Huang, D. Augalų šaknų zonos vandens būklės diskriminacija šiltnamių gamyboje, remiantis fenotipų nustatymu ir mašininio mokymosi metodais. Sci. Rep. 2017, 7, 8303. [CrossRef] 26. Hassabis, D. Dirbtinis intelektas: šimtmečio šachmatų rungtynės. Gamta 2017, 544, 413–414. [CrossRef] 27. Hemmingas, S.; de Zwart, F.; Elingas, A.; Righini, I.; Petropoulou, A. Nuotolinis šiltnamio efektą sukeliančių daržovių auginimo valdymas dirbtiniu intelektu – šiltnamio klimatas, drėkinimas ir augalininkystė. Sensors 2019, 19, 1807. [CrossRef] [PubMed] 28. Taki, M.; Abdananas Mehdizadehas, S.; Rohani, A.; Rahnama, M.; Rahmati-Joneidabad, M. Taikomasis mašininis mokymasis šiltnamio modeliavime; naujas pritaikymas ir analizė. Inf. Žemės ūkio perdirbimas. 2018, 5, 253–268. [CrossRef] 29. Shamshiri, RR; Hameed, IA; Torpas, KR; Balasundram, SK; Šafianas, S.; Fatemieh, M.; Sultonas, M.; Mahnsas, B.; Samiei, S. Šiltnamių automatizavimas naudojant belaidžius jutiklius ir daiktų interneto instrumentus, integruotus su dirbtiniu intelektu; „IntechOpen“: Rijeka, Kroatija, 2021 m.; ISBN 978-1-83968-076-2.
30. Subeeshas, A.; Mehta, CR Žemės ūkio automatizavimas ir skaitmeninimas naudojant dirbtinį intelektą ir daiktų internetą. Artif. Intell. Agric. 2021, 5, 278–291. [CrossRef] 31. Lehnert, C.; McCool, C.; Sa, I.; Perez, T. Saldžiųjų pipirų derliaus nuėmimo robotas apsaugotoms pasėlių aplinkoms. arXiv 2018, arXiv:1810.11920.
32. Lehnert, C.; McCool, C.; Corke, P.; Sa, I.; Stachniss, C.; Hentenas, EJV; Nieto, J. Specialusis leidimas apie žemės ūkio robotiką. J. Lauko robotas. 2020, 37, 5–6. [CrossRef] 33. Shamshiri, R.; Weltzien, C.; Hameed, IA; Yule, IJ; Griftas, TE; Balasundram, SK; Pitonakova, L.; Ahmadas, D.; Chowdhary, G. Žemės ūkio robotikos tyrimai ir plėtra: skaitmeninio ūkininkavimo perspektyva. Tarpt. J. Agrič. Biol. inž. 2018, 11, 1–14. [CrossRef] 34. Balendonck, J. Sweeper robotas skina pirmuosius pipirus. Greenh. Tarpt. Mag. Greenh. Augti. 2017, 6, 37.
35. Juanas, T.; Zhang, S.; Sheng, X.; Wang, D.; Gongas, Y.; Li, W. Autonominis apdulkinimo robotas, skirtas pomidorų žiedams šiltnamyje gydyti hormonais. In Proceedings of the 2016 3rd International Conference on Systems and Informatics (ICSAI), Šanchajus, Kinija, 19 m. lapkričio 21–2016 d.; 108–113 p.
36. Meharg, AA Perspektyva: miesto ūkininkavimą reikia stebėti. Gamta 2016, 531, S60. [CrossRef] [PubMed] 37. Thomaier, S.; Specht, K.; Henkelis, D.; Dierichas, A.; Siebertas, R.; Freisingeris, UB; Sawicka, M. Ūkininkavimas miesto pastatuose ir ant jų: dabartinė nulinio ploto ūkininkavimo (ZFarming) praktika ir specifinės naujovės. Atnaujinti. Agric. Maisto sistema. 2015, 30, 43–54. [CrossRef] 38. Ghannoum, O. Žalieji atsigavimo ūgliai. Openforum. 2020. Prieiga per internetą: https://www.openforum.com.au/the-greenshoots-of-recovery/ (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).
39. Despommier, D. Ūkininkavimas mieste: miesto vertikalių ūkių augimas. Tendencijos Biotechnol. 2013, 31, 388–389. [CrossRef] 40. Yang, J.; Liu, M.; Lu, J.; Miao, Y.; Hossain, MA; Alhamid, MF Botaninis daiktų internetas: pažangaus ūkininkavimo patalpose link
jungiantis žmones, augalus, duomenis ir debesis. Mob. Tinklas Appl. 2018, 23, 188–202. [CrossRef] 41. Samaranayake, P.; Liang, W.; Chen, Z.-H.; Audinys, D.; Lan, Y.-C. Tvarus saugomas pasėlių auginimas: sezoninio poveikio šiltnamio efektą sukeliančios energijos suvartojimui auginant pipirus. Energijos 2020, 13, 4468. [CrossRef] 42. Lin, T.; Goldsworthy, M.; Chavanas, S.; Liang, W.; Maier, C.; Ghannoum, O.; Cazzonelli, CI; Audinys, DT; Lan, Y.-C.;
Sethuvenkatraman, S.; ir kt. Nauja dangos medžiaga pagerina aušinimo energiją ir gerina tręšimo efektyvumą auginant baklažanus šiltnamyje. Energy 2022, 251, 123871. [CrossRef] 43. Samaranayake, P.; Maier, C.; Chavanas, S.; Liang, W.; Chen, Z.-H.; Audinys, DT; Lan, Y.-C. Energijos sumažinimas saugomoje pasėlių įstaigoje naudojant kelių temperatūrų matavimo taškus ir vėdinimo nustatymų valdymą. Energijos 2021, 14, 6014. [CrossRef] 44. FAO. Gera žemdirbystės praktika šiltnamio efektą sukeliančių daržovių pasėliams: Viduržemio jūros klimato zonų principai; FAO augalų gamybos ir apsaugos dokumentas; FAO: Roma, Italija, 2013 m.; ISBN 978-92-5-107649-1.
45. Hort Innovation Protected Croping. Prieiga per internetą: https://www.horticulture.com.au/growers/help-your-business-grow/research-reports-publications-factsheets-and-more/project-reports/vg16083-16083/vg1/ (prieiga 16083 m. balandžio 13 d.).
46. Hiwasa-Tanase, K.; Ezura, H. Molekulinis veisimas siekiant sukurti optimizuotus pasėlius: nuo genetinės manipuliacijos iki galimo pritaikymo augalų gamyklose. Priekyje. Plant Sci. 2016, 7, 539. [CrossRef] 47. Kozai, T. Kodėl LED apšvietimas miesto žemės ūkiui? LED apšvietime miesto žemės ūkiui; Kozai, T., Fujiwara, K., Runkle, ES, Eds.; Springeris: Singapūras, 2016 m.; 3–18 p. ISBN 978-981-10-1848-0.
48. Kwon, S.; Lim, J. Energijos efektyvumo didinimas augalų gamyklose, matuojant augalų bioelektrinį potencialą. Valdymo, automatikos ir robotikos informatikos srityje; Tan, H., Red.; Springeris: Berlynas/Heidelbergas, Vokietija, 2011 m.; 641–648 p.
49. Cocetta, G.; Casciani, D.; Bulgari, R.; Musantė, F.; Koltonas, A.; Rossi, M.; Ferrante, A. Lengvo naudojimo efektyvumas daržovių gamybai
saugomoje ir uždaroje aplinkoje. Euras. Fizik. J. Plus 2017, 132, 43. [CrossRef] Crops 2022, 2 185
50. Jones, M. Naujos veisimo technologijos ir galimybės Australijos daržovių pramonei; Horticulture Innovation Australia Limited: Sidnėjus, Australija, 2016 m.
51. Tuzel, Y.; Leonardi, C. Saugomas auginimas Viduržemio jūros regione: tendencijos ir poreikiai. Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Derg. 2009, 46, 215–223.
52. Bergougnoux, V. Pomidorų istorija: nuo prijaukinimo iki biofarmavimo. Biotechnol. Adv. 2014, 32, 170-189. [CrossRef] [PubMed] 53. Taheris, D.; Solberg, S.Ø.; Prohens, J.; Chou, Y.; Rakha, M.; Wu, T. Pasaulio daržovių centro baklažanų kolekcija: kilmė, sudėtis, sėklų sklaida ir panaudojimas veisimui. Priekis. Plant Sci. 2017, 8, 1484. [CrossRef] [PubMed] 54. Hasanas, MM; Baširas, T.; Ghošas, R.; Lee, SK; Bae, H. Šviesos diodų poveikio bioaktyvių junginių gamybai ir derliaus kokybei apžvalga. Molekulės 2017, 22, 1420. [CrossRef] 55. Piovene, C.; Orsini, F.; Bosi, S.; Sanoubaras, R.; Bregola, V.; Dinelli, G.; Gianquinto, G. Optimalus raudonos ir mėlynos spalvos santykis LED apšvietime, skirtoje maistinei sodininkystei. Sci. Hortic. 2015, 193, 202-208. [CrossRef] 56. Kwon, C.-T.; Heo, J.; Citrina, ZH; Capua, Y.; Hutton, SF; Van Eck, J.; Parkas, SJ; Lipmanas, ZB Greitas solanaceae vaisių pasėlių pritaikymas miesto žemės ūkiui. Nat. Biotechnol. 2020, 38, 182-188. [CrossRef] 57. Shamshiri, RR; Jonesas, JW; Torpas, KR; Ahmadas, D.; Vyras, HC; Taheris, S. Optimalios temperatūros, drėgmės ir garų slėgio deficito apžvalga mikroklimato įvertinimui ir kontrolei auginant pomidorus šiltnamiuose: apžvalga. Žiniasklaida. Agrophys. 2018, 32, 287-302. [CrossRef] 58. Chavanas, SG; Maier, C.; Alagozas, Y.; Filipe, JC; Warren, CR; Linas, H.; Jia, B.; Loik, AŠ; Cazzonelli, CI; Chen, ZH; ir kt. Apribota šviesa fotosintezė po energiją taupančia plėvele sumažina baklažanų derlių. Maisto energijos sauga. 2020, 9, e245. [CrossRef] 59. Timmermansas, GH; Douma, RF; Linas, J.; Debije, MG Dvigubas šilumą / elektrą reaguojantis liuminescencinis „išmanusis“ langas. Taikyti Sci. 2020, 10, 1421. [CrossRef] 60. Yin, R.; Xu, P.; Shenas, P. Atvejo analizė: Energijos taupymas naudojant saulės langų plėvelę dviejuose komerciniuose pastatuose Šanchajuje. Energijos statyba. 2012, 45, 132-140. [CrossRef] 61. Kimas, H.-K.; Lee, S.-Y.; Kwon, J.-K.; Kim, Y.-H. Dengiamųjų medžiagų poveikio šiltnamio mikroklimatui ir šiluminėms savybėms įvertinimas. Agronomija 2022, 12, 143. [CrossRef] 62. Jis, X.; Maier, C.; Chavanas, SG; Zhao, C.-C.; Alagozas, Y.; Cazzonelli, C.; Ghannoum, O.; Audinys, DT; Chen, Z.-H. Šviesą keičiančios dangos medžiagos ir tvari daržovių auginimas šiltnamiuose: apžvalga. Augalų augimo Regul. 2021, 95, 1-17. [CrossRef] 63. Timmermansas, GH; Hemmingas, S.; Baeza, E.; Thoor, EAJV; Šeningas, APHJ; Debije, MG Pažangios optinės medžiagos, skirtos saulės šviesos kontrolei šiltnamiuose. Adv. Opt. Mater. 2020, 8, 2000738. [CrossRef] 64. Zisis, C.; Pechlivani, EM; Tsimiklis, S.; Mekeridis, E.; Laskarakis, A.; Logothedis, S. Organinė fotoelektra ant šiltnamių stogų: poveikis augalų augimui. Mater. Šiandien Proc. 2019, 19, 65-72. [CrossRef] 65. Aroca-Delgado, R.; Pérez-Alonso, J.; Callejón-Ferre, Á.-J.; Díaz-Pérez, M. Pomidorų auginimo šiltnamyje su lanksčiomis fotovoltinėmis stogo plokštėmis morfologija, derlius ir kokybė (Almería-Ispanija). Sci. Hortic. 2019, 257, 108768. [CrossRef] 66. Jis, X.; Chavanas, SG; Hamoui, Z.; Maier, C.; Ghannoum, O.; Chen, Z.-H.; Audinys, DT; Cazzonelli, CI Išmanioji stiklo plėvelė sumažino askorbo rūgštį raudonųjų ir oranžinių pipirų vaisių veislėse, nepakenkiant galiojimo laikui. Augalai 2022, 11, 985. [CrossRef] 67. Zhao, C.; Chavanas, S.; Jis, X.; Džou, M.; Cazzonelli, CI; Chen, Z.-H.; Audinys, DT; Ganumas, O. Išmanusis stiklas keičia šiltnamio efektą sukeliančių pipirų dantų jautrumą dėl pakitusios šviesos. J. Exp. Botas. 2021, 72, 3235-3248. [CrossRef] 68. Pilkington, LJ; Messelink, G.; van Lenteren, JC; Le Mottee, K. „Apsaugota biologinė kontrolė“ – biologinis kenkėjų valdymas šiltnamių pramonėje. Biol. Kontrolė 2010, 52, 216–220. [CrossRef] 69. Sonneveld, C.; Voogtas, W. Augalų mityba ateityje šiltnamiuose. Šiltnamio efektą sukeliančių kultūrų augalų mityboje; Sonneveld, C., Voogt, W., red.; Springer: Dordrecht, Nyderlandai, 2009; p. 393 403.
70. Treftz, C.; Omaye, ST Šiltnamyje auginamų žemuogių ir žemuogių bei aviečių maistinių medžiagų analizė. Maistas Nutr. Sci. 2015, 6, 805–815. [CrossRef] 71. Tolimesnio mokymosi galimybių siūlymas daržovių pramonės nariams. AUSVEG. 2020 m. Prieiga internete: https://ausveg.com.au/
straipsniai/siūlo-tolimesnio išsilavinimo-galimybes-veg-industry-members/ (prieiga 13 m. balandžio 2022 d.).