Sachin G. Chavan (1,2,*) , Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1) , Christopher I. Cazzonelli (1) è David T. Tissue 1,2)
1. National Vegetable Protected Cropping Center, Hawkesbury Institute for the Environment, Western Sydney
Università, Locked Bag 1797, Penrith, NSW 2751, Australia; z.chen@westernsydney.edu.au (Z.-HC); o.ghannoum@westernsydney.edu.au (OG); c.cazzonelli@westernsydney.edu.au (CIC); d.tissue@westernsydney.edu.au (DTT)
2. Global Center for Land Based Innovation, Hawkesbury Campus, Western Sydney University,
Richmond, NSW 2753, Australia
3. Scola di Scienze, Western Sydney University, Penrith, NSW 2751, Australia
* Corrispondenza: s.chavan@westernsydney.edu.au; Tel.: +61-2-4570-1913
astrattu: A cultura prutetta offre una manera di rinfurzà a pruduzzione alimentaria di fronte à u cambiamentu climaticu
è furnisce alimenti sani in modu sustenibile cù menu risorse. Tuttavia, per fà stu modu di agricultura
economicamente viable, avemu bisognu di cunsiderà u statutu di a cultura prutetta in u cuntestu di dispunibilità
tecnulugii è i culturi orticultura di destinazione currispundenti. Questa rivista delinea l'opportunità esistenti
e sfide chì deve esse affruntate da a ricerca è l'innuvazione cuntinuu in questu eccitante ma
campu cumplessu in Australia. L'installazione di l'agricultori interni sò largamente categurizzati in i trè seguenti
Livelli di avanzamentu tecnologicu: bassa, media è alta tecnulugia cù sfide currispundenti
chì necessitanu soluzioni innovative. Inoltre, limitazioni nantu à a crescita di e piante indoor è prutetta
sistemi di colture (per esempiu, altu costu di energia) anu limitatu l'usu di l'agricultura indoor à relativamente
pochi, culturi di altu valore. Dunque, avemu bisognu di sviluppà novi cultivars adattati per l'agricultura indoor
chì ponu differisce da quelli chì sò necessarii per a produzzione in u campu apertu. Inoltre, a cultura prutetta
richiede alti costi di start-up, costosa manodopera qualificata, altu cunsumu d'energia è pesti significativi.
è gestione di malatie è cuntrollu di qualità. In generale, a cultura prutetta offre suluzioni promettenti
per a sicurità alimentaria, riducendu l'impronta di carbone di a produzzione alimentaria. Tuttavia, per interni
a produzzione di culturi per avè un impattu pusitivu sustanziale nantu à a sicurezza alimentaria è nutrizionale globale
sicurezza, a pruduzzione ecunomica di diversi culturi serà essenziale.
Segni: cultura prutetta ; splutazioni verticale; cultura senza terra; rendiment di i culturi; agricultura indoor;
sicurità alimentaria; sustenibilità di e risorse
1. I MUVRINI
A pupulazione glubale hè prevista per ghjunghje à quasi 10 miliardi in 2050, cù a maiò parte di a crescita prevista per esse in grandi centri urbani in u mondu [1,2]. Cume a pupulazione aumenta, a produzzione alimentaria deve aumentà è risponde à i bisogni di nutrimentu è di salute, mentre chì simultaneamente ghjunghje l'Obiettivi di Sviluppu Sostenibile di e Nazioni Unite (SDGs di l'ONU) [3,4]. A diminuzione di i terreni cultivabili è l'impatti avversi di u cambiamentu climaticu nantu à l'agricultura ponenu sfide supplementari chì obliganu l'innovazioni in i futuri sistemi di produzzione alimentaria per risponde à a crescente dumanda in i prossimi decennii. Per esempiu, l'agricultori australiani sò spessu esposti à a variabilità climatica è sò suscettibili à l'impatti di u cambiamentu climaticu à longu andà. E recenti secche in l'Australia orientale in 2018-19 è 2019-20 anu affettatu negativamente l'imprese agriculi, aghjunghjendu cusì à l'effetti emergenti di u cambiamentu climaticu nantu à l'agricultura australiana [5].
A coltura protetta, cunnisciuta ancu com'è agricultura indoor [6] - chì varieghja da politunnel low-tech à serre media-tech, parzialmente cuntrullate da l'ambiente, à serre "intelligenti" d'alta tecnulugia è splutazioni indoor-puderia aiutà à rinfurzà a sicurezza alimentaria globale in u 21u. seculu. Tuttavia, mentre chì a visione di una metropoli autosostenibile hè attraente cum'è un modu per affruntà e sfide cuntempuranee, l'adopru di l'agricultura indoor ùn hè micca currisponde à
eccitazione è ottimismu di i so proponenti. A coltura prutetta è l'agricultura indoor implicanu un usu più grande di a tecnulugia è l'automatizazione per ottimisà l'usu di a terra, offrendu cusì soluzioni eccitanti per migliurà a futura pruduzzione alimentaria [7]. In u mondu sanu, u sviluppu di l'agricultura urbana [8,9] hè spessu accadutu dopu à crisi cronica è / o aguda, cum'è limitazioni di luce è spaziu in l'Olanda; u colapsu di l'industria di u mutore in Detroit; u crash di u mercatu immubiliare nantu à a Costa Est di i Stati Uniti; è u bloccu di a crisa di i missili cubani. Altru
L'impetus sò ghjunti in forma di mercati dispunibuli, vale à dì, i culturi protetti proliferanu in Spagna [10] per via di l'accessu faciule di u paese à i mercati di l'Europa di u Nordu. Inseme à e sfide esistenti, a pandemia di COVID-19 in corso puderia furnisce l'impetu necessariu per trasfurmà l'agricultura urbana [11].
Se l'agricultura urbana hà da ghjucà un rolu significativu in a migliurà a sicurezza alimentaria è a nutrizione umana, deve esse scalata in u mondu per avè a capacità di cultivà una larga gamma di prudutti in una manera più efficiente in energia, risorse è costu. hè attualmente pussibule. Ci sò enormi opportunità per migliurà a produtividade è a qualità di i culturi cumminendu avanzamenti in cuntrolli ambientali, gestione di pesti, fenomeni è automatizazione.
cù sforzi di ripruduzzione chì miranu i tratti chì migliurà l'architettura di a pianta, a qualità di i culturi (gustu è nutrimentu) è u rendiment. Una più grande diversità di i culturi attuali è emergenti relative à i tipi di culturi tradiziunali, è ancu di e piante medicinali, ponu esse cultivati in splutazioni cuntrullate ambientalmente [12,13].
A necessità imminente di migliurà a sicurità alimentaria urbana è di riduce l'impronta di carbonu di l'alimentu pò esse affrontata da l'innovazioni in i settori agroalimentari, cum'è a coltura prutetta è l'agricultura verticale indoor. Quessi varianu da poli-tunnel low-tech cun cuntrollu ambientale minimu, serre media-tech, parzialmente cuntrullate da l'ambiente à serre d'alta tecnulugia è strutture agricole verticali cù tecnulugia di punta. A cultura prutetta hè u settore di a pruduzzioni alimentaria in più rapida crescita in Australia, in termini di scala di produzzione è impattu ecunomicu [12]. L'industria di a coltura protetta australiana hè custituita da strutture high-tech (17%), serre (20%) è sistemi di produzione di colture idroponiche / basati in substrati (52%), chì indicanu a necessità è l'opportunità di sviluppà u settore agroalimentari. In questa rivista, discutemu u statutu di a cultura prutetta in u cuntestu di e tecnulugii dispunibuli è i culturi di l'orticultura di destinazione currispundenti, delineendu l'opportunità è e sfide chì devenu esse affrontate da a ricerca in corso in Australia.
2. Tecniche è tecnulugii attuali in a cultura prutetta
En 2019, la superficie totale des terres consacrée aux cultures protégées, qui, en gros, implique
i culturi in crescita sottu tutti i tipi di coperture - era stimatu à 5,630,000 14 500,000 ettari (ha) in u mondu [10]. L'area tutale di ligumi è erbe cultivate in serra (strutturi permanenti) hè stata stimata à circa 90 15,16 ettari in u mondu, cù 1300% di sti culturi cultivati in serra è 14% in serre di plastica [5]. L'area di serra di l'Australia hè stimata à circa 17 ettari, cù serre d'alta tecnulugia (circa 83 imprese individuali, ognuna occupanu menu di 17 ettari) chì rapprisentanu u 80% di sta zona, è serre di bassa tecnulugia / media tecnulugia chì cuntanu 20% [16]. ]. In u mondu, i serre è i serre di plastica custituiscenu circa XNUMX% è XNUMX%, rispettivamente, di e serre totali prodotte [XNUMX].
A cultura prutetta hè u settore di a pruduzzioni alimentaria chì cresce in più veloce in Australia, valutatu à circa $ 1.5 miliardi annu à a porta di a splutazioni in 2017. Hè stimatu chì circa 30% di tutti i agricultori australiani crescenu i culturi in una forma di sistema di cultura prutetta, è chì i culturi cultivati sottu copre custituiscenu circa 20% di u valore tutale di a pruduzzioni vegetali è fiori [18]. In Australia, l'area di pruduzzione di verdura in serra hè a più alta per l'Australia Meridionale (580 ha), seguita da New South Wales (500 ha) è Victoria (200 ha), mentri Queensland, Western Australia è Tasmania cuntenenu <50 ettari ciascuna [17]. ].
Basatu annantu à l'Australian Horticulture Statistics Handbook (2014-2015) è discussioni cù l'industria, u valore grossu di a pruduzzione (GVP) di frutti, ligumi è fiori hè statu stimatu per 2017. Trà i sistemi di crescita implementati, i culturi cultivati in idroponia / substratu- I sistemi di produzzione basati (52%) sò stati valutati u più altu, seguitu da quelli cultivati sottu sistemi di fertirrigazione di terra (35%), cù una cumminazione di fertirrigazione di terra è sistemi idroponici / basati su substrati (11%), è utilizendu un idroponicu / nutriente. tecnica di film (NFT) (2%) (Figura 1A). In listessu modu, trà i tipi di prutezzione, i culturi cultivati sottu copre poli / vetru (63%) anu avutu u GVP più altu, seguitu da quelli cultivati sottu coperti poli (23%), coperture per grandine / ombra (8%) è poli / grandine / ombra cumminati. copre (6%) (Figura 1B) [17]. In l'Australia, e statistiche per i GVP di i prudutti specifici di l'orticultura in serra ùn sò micca dispunibili [15].
figura 1. Pruduzzione tutale di u valore grossu (GVP) di i culturi sottu a cultura prutetta (2017) per u sistema di crescita (A) è a prutezzione (B). A produzzione idroponica / basata nantu à u substratu implica a crescita di e piante senza terra cù un mediu inerte cum'è a lana di roccia. A produzzione basata nantu à a terra / fertigate implica a crescita di e piante cù a terra cù fertigazione (applicazione cumminata di fertilizante è acqua). A tecnica hydroponics / nutrient film technique (NFT) implica a circulazione di un flussu d'acqua pocu prufondu chì cuntene nutrienti dissoluti chì passa per e radiche di e piante in canali stagni. "Poly" si riferisce à u policarbonate.
I rivestimenti di grandine / ombra, generalmente di maglia o tela, pruteghjanu i culturi da a grandine è bluccà una proporzione di luce eccessiva. $ si riferisce à AUD.
Trà l'ambienti cuntrullati in i Stati Uniti, i serre di vetru o policarbonate (poli) (47%) sò più cumuni di e splutazioni verticali interni (30%), case di plastica low-tech (12%), splutazioni di cuntainer (7%). ) è sistemi di cultura in acque profonde indoor (4%). Tra i sistemi di coltivazione, l'idroponica (49%) è più comune dei sistemi a terra (24%), acquaponici (15%), aeroponici (6%) e ibridi (aeroponica, idroponica, terreno) (6%) [19,20].
L'Australia hà assai pochi di splutazioni verticali avanzate stabilite, in gran parte per u fattu chì hà pocu cità densamente populate. Tuttavia, l'Australia hà circa 1000 ettari di area di serra [16,17] è l'esportazione di verdura fresca è frutti anu aumentatu significativamente da u 2006 à u 2016 per l'Australia [16] cù l'aumentu di a coltura sottu-coperta. Ancu l'Australia hà fattu un grande principiu in l'agricultura indoor è u settore hà un putenziale di crescita enormu, hè bisognu di tempu per maturà è più sviluppu per diventà un attore chjave à scala glubale. Attualmente, l'impianti agriculi interni orientati à u cummerciale ponu esse categurizzati in i seguenti trè livelli di avanzamentu tecnologicu: bassu, mediu è high-tech. Ciascunu hè discutitu in più dettagliu in e sezioni seguenti.
2.1. Nove Tecnulugie per i Poly-Tunnels Low-Tech
E strutture di serra di bassa tecnulugia chì cuntribuiscenu u più à a cultura prutetta anu parechje limitazioni chì necessitanu suluzioni tecnologiche per aiutà in a so transizione in strutture prufittuali di media o alta tecnulugia chì producenu culturi d'alta qualità cù risorse minime. I poli-tunnels di bassa tecnulugia cuntenenu 80-90% di a pruduzzioni di culturi in serra in u mondu [20] è in Australia [17]. In cunsiderà a grande proporzione di polytunnels low-tech in culturi protetti è i so bassi livelli di clima, fertirrigazione è cuntrollu di pesti, hè impurtante per affruntà i sfidi assuciati per aumentà a produzzione è i renditi ecunomichi à i vignaghjoli.
U livellu low-tech include diversi tipi di poli-tunnel chì ponu varià da strutture metalliche improvvisate cù rivestimenti plastichi à strutture permanenti custruite apposta. In generale, ùn sò micca cuntrullati fora di a capacità di alzà a cupertura plastica quandu diventa troppu calda o nuvola fora. Queste tappe di plastica prutegge a cultura da a grandine, a pioggia è u clima fretu è estendenu a stagione di crescita in una certa misura. Queste strutture economiche offrenu a
renditu viable per l'investimentu in i culturi vegetali, cum'è lettuce, fasgioli, pumati, pepino, col è zucchini. L'agricultura in questi poli-tunnel hè realizatu in a terra, mentri l'operazioni più avanzate ponu aduprà grandi vasi è irrigazione à goccia per i pumati, mirtilli, melanzane o pepite. In ogni casu, mentre chì a cultura prutetta di bassa tecnulugia hè sensu per i picculi cultivatori, tali tecniche soffrenu di parechje difetti. A so mancanza di cuntrollu ambientale affetta a cunsistenza di a dimensione è a qualità di u pruduttu è per quessa riduce
l'accessu à u mercatu di questi prudutti per i clienti esigenti cum'è supermercati è ristoranti. Dapoi chì a cultura hè generalmente piantata in a terra, questi agricultori sò ancu affruntati cù numerosi pesti è e malatie di a terra (per esempiu, infestazione persistente di nematodi). I partenarii di l'industria è di a ricerca necessitanu innovazioni in furnisce soluzioni à traversu i sistemi di cuncepimentu di facilità è di gestione di colture, è ancu sistemi di cummerciale intelligenti per esportà prudutti.
è mantene una catena di supply constante. L'incentivi è u sustegnu da i corpi di finanziamentu è l'innuvazioni tecnologiche (per esempiu, u cuntrollu biologicu, l'automatizazione parziale in l'irrigazione è u cuntrollu di a temperatura) da l'università è l'imprese puderanu aiutà i viticultori à a transizione à sistemi di coltura tecnologica più avanzati.
2.2. Upgrading Medium-Tech Serre cù Innuvazioni è Nove Tecnulugie
A cultura prutetta di tecnulugia media hè una categuria larga chì include serre è serre in ambienti cuntrullati. Questa parte di u settore di a coltura prutetta richiede l'aghjurnamenti tecnologichi significativi s'ellu hè di cumpete cù a pruduzzione alimentaria à grande scala in splutazioni chì implementanu poli-tunnel di bassa tecnulugia è prudutti d'alta qualità da serre d'alta tecnulugia. U cuntrollu ambientale in serre di media tecnulugia hè di solitu parziale o intensivu è a temperatura di certi serre pò esse cuntrullata aprendu manualmente u tettu, mentri
strutture più avanzate anu unità di rinfrescante è riscaldamentu. L'usu di pannelli solari è film intelligenti hè investigatu per riduce u costu di l'energia è l'impronte di carbonu in serre di media tecnulugia [21-23].
Mentre chì parechji serre sò sempre fatti di PVC o rivestimenti di vetru, i film intelligenti ponu esse appiicati à queste strutture o ponu esse incorporati in u disignu di serra per aumentà l'efficienza energetica. In generale, i serre high-end utilizanu medii di crescita cum'è i blocchi di Rockwool cù ricivuti di fertilizzanti liquidi calibrati currettamente in diverse tappe di crescita per maximizà i rendimenti di i culturi. A fertilizazione CO2 hè qualchì volta aduprata in serra di tecnulugia media per rinfurzà u rendiment è a qualità. U settore di i culturi protetti di media tecnulugia prufittà di partenarii industria-università per generà suluzioni scientifiche è tecnologiche avanzate, cumprese novi genotipi di culturi cù un rendimentu elevatu è di qualità, una gestione integrata di pesti, fertirrigazione cumpletamente automatizata è cuntrollu di u clima in serra, è assistenza robotica in a gestione di culturi. è cugliera.
2.3. Innuvazioni di Scienza è Tecnulugia per Serre High-Tech
I serre d'alta tecnulugia ponu incorpore l'ultimi avanzati tecnologichi in a fisiologia di i culturi, a fertirrigazione, u riciclamentu è l'illuminazione. In serre cummirciali à grande scala, per esempiu, a tecnulugia di "vetru intelligente", i sistemi solari fotovoltaici (PV) è l'illuminazione supplementaria, cum'è i pannelli LED, ponu esse aduprati per migliurà a qualità è i rendimenti di i culturi. I pruduttori automatizanu ancu di più e zone critiche è / o intensive di travagliu cum'è u monitoraghju di i culturi, a polinizazione è a cugliera.
U sviluppu di l'intelligenza artificiale (AI) è l'apprendimentu automaticu (MI) hà apertu novi dimensioni per serre d'alta tecnulugia [24-28]. L'IA hè un inseme di regule codificate per computer è mudelli statistici furmati per discernisce mudelli in big data è eseguisce travaglii generalmente assuciati à l'intelligenza umana. L'IA aduprata in u ricunniscenza di l'imaghjini hè aduprata per monitorizà a salute di i culturi è ricunnosce i segni di malatie, chì permette una decisione più rapida è più informata per a gestione di i culturi è a cugliera - chì, in questi ghjorni, pò esse realizatu.
da i bracci robotici piuttostu cà u travagliu umanu. Internet-of-Things (IoT) offre soluzioni per l'automatizazione chì ponu esse persunalizate specificamente per l'applicazioni di serra [29]. Cusì, AI è IoT ponu cuntribuisce significativamente in l'area di l'agricultura muderna cuntrullendu è automatizà l'attività agricula [30].
A ricerca è u sviluppu in u campu di i robots agriculi hè cresciutu significativamente in l'ultimi decennii [31-33]. Un sistema autonomu di cugliera di capsicum chì si avvicina à a viabilità cummerciale hè statu dimustratu cù una rata di successu di cugliera di 76.5% [31] in Australia. Prototipi di robots per de-leafing plants di tomate, cugliera capsicum (bell peppers) è polinizazione di culturi di tomate [34,35] sò stati sviluppati in Europa è Israele, è puderanu esse cummercializati in un futuru vicinu.
Inoltre, i sistemi di software di gestione di u travagliu per serre d'alta tecnulugia à grande scala ottimisanu significativamente l'efficienza di i travagliadori, migliurà e prospettive ecunomiche di queste imprese. A rivoluzione di l'informatica è di l'ingegneria hà da cuntinuà à abilità à i culturi protetti è l'agricultura indoor, chì permettenu à i cultivatori di monitorà è di gestisce e so culturi da l'urdinatori è i dispositi mobili, chì ponu ancu esse aduprati per fà una agricultura critica è
decisioni di u mercatu. I serre d'alta tecnulugia anu u più altu potenziale per benefiziu u settore di i culturi protetti di l'Australia, per quessa, a ricerca è l'innuvazione in corso in queste strutture hè prubabile di traduce in tempu è soldi ben investiti.
2.4. Sviluppà Farms Verticali per i bisogni futuri
Nta l'ultimi anni, un rapidu sviluppu in l'"agricultura verticale" indoor in u mondu hè statu tistimuniatu, soprattuttu in paesi cù grande populazione è terra insufficiente [36,37]. L'agricultura verticale rapprisenta un valore di 6 miliardi di USD, ma resta una piccula frazione di u mercatu agriculu mundiale di multilioni di dollari [38]. Ci sò diverse iterazioni di l'agricoltura verticale, ma tutti usanu scaffali di crescita senza terra o idroponiche impilati verticalmente in un ambiente cumplettamente chjusu è cuntrullatu, chì permette un altu gradu di automatizazione, cuntrollu è coerenza [39]. Tuttavia, l'agricultura verticale resta limitata à i culturi di altu valore è di u ciclu di vita curtu per via di l'alti costi energetichi malgradu chì offre una produttività ineguagliata per metru quadru è un altu livellu di efficienza d'acqua è di nutrienti.
A dimensione tecnologica di l'agricultura verticale - è in particulare, l'avventu di serre "intelligenti" - hè prubabile di attruverà i cultivatori ansiosi di travaglià cù l'informatica emergente è e tecnulugia di big-data cum'è l'AI è l'Internet di e cose (IoT) [40]. Attualmente, tutte e forme di agricultura indoor sò intensivi di energia è di travagliu, ancu s'ellu ci hè un spaziu per un grande avanzamentu in e tecnulugia di l'automatizazione è di l'efficienza energetica. Dighjà, e forme più avanzate di l'agricultura interna furnisce a so propria energia in u situ è sò indipindenti di a rete di utilità generale. I giardini di u tettu pò varià da disinni simplici nantu à l'edificazioni di a cità à l'imprese di u tettu corporativu nantu à l'edificazioni municipali in New York è Parigi. L'agricultura verticale interna hà un futuru brillanti, soprattuttu in seguitu à a pandemia di COVID-19 è hè ben posizionata per aumentà a so parte di u mercatu globale di l'alimentariu, per via di a so
sistema di produzzione altamente efficiente, riduzioni in a catena di supply chain è i costi di logistica, potenziale per l'automatizazione (minimizing handling) è un accessu faciule à u travagliu è à i cunsumatori.
3. Target Culti in Cropping Protetti
Attualmente, i culturi adattati per l'agricultura interna sò limitati in numeru per via di e limitazioni di i culturi per a crescita indoor, è ancu di limitazioni di culturi protetti, cum'è u costu energeticu elevatu (per l'illuminazione, riscaldamentu, rinfrescante è gestisce diversi sistemi automatizati) chì permette à i culturi specifichi di altu valore. 41-43]. Tuttavia, a produzzione ecunomica di una varietà diversa di culturi comestibili hè essenziale per chì a cultura prutetta hà un impattu significativu
sicurezza alimentare globale [12,13,44]. Cultivati cultivati per u cultivo di verdura prutetti sò significativamente diffirenti da quelli di a pruduzzione di u campu apertu chì sò criati per a tolleranza di una larga gamma di cundizioni ambientali, chì ùn hè micca necessariamente necessariu in a cultura prutetta. U sviluppu di cultivars adattati necessitarà l'ottimisazione di parechje caratteristiche (cum'è l'autopolinizazione, crescita indeterminata, radichi robusti) chì differenu da e caratteristiche viste cum'è
desirabili in i culturi outdoor (Figura 2) (Adoptatu da [13]).
Figura 2. Caratteri desiderabili per i culturi di frutti cultivati in casa in cundizzioni di l'ambienti cuntrullati in quantu à i culturi cultivati à l'esternu in cundizioni di campu.
Attualmente, i frutti è ligumi più adattati per l'agricultura indoor includenu:
• Quelli chì crescenu nantu à vignaghjoli o arbusti (tomate, fragole, raspberry, blueberry, cucumber, capsicum, uva, kiwi);
• Cultivi specializati d'altu valore (lupulu, vaniglia, ziferanu, caffè);
• Cultivi medicinali è cusmetichi (alga, Echinacea);
• Arburi chjuchi (cherries, chocolate, mango, amanduli) sò altre opzioni viable [13].
In i seguenti sezzioni, discutemu di i culturi esistenti attuali è u sviluppu di novi cultivati per l'agricultura indoor in più detail.
3.1. Cultivi esistenti cultivati in impianti di bassa, media è alta tecnulugia
I sistemi di cultura protetti di tecnulugia bassa è media pruducia principarmenti tomate, cucumber, zucchini, capsicum, melanzane, lettuce, greens asiatichi è erbe. In quantu à l'area, a quantità di fruttu pruduciutu è u numeru di l'imprese, u pumadoru hè u più impurtante cultu di verdura orticultura prodotta in serra, seguita da capsicum è lattuga [15,45].
In l'Australia, u sviluppu di facilità di l'ambienti cuntrullati à grande scala hè stata limitata principarmenti à quelli custruiti per u pumadoru crescente [15]. U GVP stimatu di frutti, ligumi è fiori per 2017, in u campu è in strutture di colti protetti, dimustra a dominanza di u pumadoru in u settore australianu di culti protetti.
U GVP generale stimatu per 2017 in quantu à u campu è a pruduzzione sottu-coperta di i culturi di l'orticultura era più altu per u tomate (24%), seguita da fragole (17%), frutti d'estate (13%), fiori (9%), mirtilli. (7%), cucumber (7%) è capsicum (6%), cù ligumi asiatichi, erbe, melanzane, ciliegia è bachi chì cuntenenu per menu di 6% (Figura 3A).
figura 3. U valore grossu stimatu di a pruduzzione (GVP) per u campu cumminatu generale è a produzzione vegetale di coltura protetta (A) è u GVP imputatu di i culturi cultivati su culturi protetti in 2017 (B) per l'Australia.
Trà questi, u GVP di i culturi cultivati in sistemi di colti protetti era più altu per u pumadoru (40%), chì hà guidatu da un marghjenu significativu in quantu à l'altri culturi cumpresi fiori (11%), fragole (10%), frutti d'estiu (8%). ) è baga (8%), cù ognuna di i culturi rimanenti chì cuntenenu menu di 5% (Figura 3B). In ogni casu, u mercatu domesticu australianu hè statu saturatu da i pumati di serra, chì abbanduneghja a industria di culturi protetti
cù e seguenti dui opzioni: aumentà a vendita di sti culturi in i mercati internaziunali; è/o per incuragisce alcuni di i viticultori di serra esistenti di u paese à a transizione à a pruduzzione d'altri culturi di altu valore. A proporzione di i culturi individuali cultivati sottu prutezzione era più altu per bacchi (85%) è tomate (80%), seguita da fiori (60%), pepino (50%), ciliegia è verdura asiatica (ognuna 40%), fragole è veranu.
frutti (ognuna 30%), mirtilli è erbe (ognuna 25%), è infine, capsicum è melanzane, à 20% ognunu [17]. Attualmente, l'agricoltura indoor intensiva in energia è in manodopera hè limitata à i culturi d'altu valore chì ponu esse pruduciutu in u cortu termini cù un input d'energia bassu [46,47]
In "fabbriche" di e piante, i culturi predominanti cultivati attualmente sò foglie è erbe, per via di i brevi periodi di crescita di sti culturi (perchè frutti è sementi ùn sò micca necessariu) è di altu valore [7], u fattu chì tali culturi necessitanu relativamente menu luce. per a fotosintesi [48] è perchè a maiò parte di a biomassa vegetale prodotta pò esse cugliera [46,49]. Ci hè un grande potenziale per migliurà i rendimenti è a qualità di i culturi cultivati in splutazioni urbane [12].
3.2. Sonda di l'industria: induve si trovanu l'interessi di i participanti?
L'identificazione di temi di ricerca chjave hè essenziale per migliurà l'efficienza di a ricerca publica è privata per u futuru di a cultura prutetta. Per esempiu, u Future Food Systems Co-operative Research Center (FFSCRC), iniziatu da New South Wales Farmers Association (NSW Farmers), Università di New South Wales (UNSW) è Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), hè custituitu da un consorziu. di più di 60 fundatori
i participanti di l'industria, u guvernu è a ricerca. I so prugrammi di ricerca è capacità miranu à sustene i participanti in l'ottimisazione di a produttività di i sistemi alimentari regiunale è periurbanu, pigliendu novi prudutti da u prototipu à u mercatu è implementendu catene di fornitura rapida, prutette da a provenienza, da a splutazioni à u cunsumadore. A tal fine, u FFSRC furnisce un ambiente di ricerca in cullaburazione destinatu à migliurà a cultura prutetta per rinfurzà a nostra capacità di esportà prudutti di l'orticultura di alta qualità è aiutà l'Australia à diventà un capu in a scienza è a tecnulugia per u settore di i culturi protetti.
I participanti sò stati indagati per identificà i culturi di destinazione per l'agricultura indoor. Trà i participanti chì identificanu i culturi di destinazione, l'interessu in i vegetali freschi (29%) era più grande, seguitu da l'interessu in i culturi di frutti (22%); cannabis medicinali, altre erbe medicinali è culturi specializate (13%); spezie native / indigene (10%); funghi / funghi (10%); è verdi foglie (3%) (Figura 4).
figura 4. Classificazione di e culturi prudutte attualmente da i participanti di FFSCRC in strutture di colture protette è dunque, di l'interessu prubabile di i participanti à truvà suluzioni per cultivà sti culturi in modu più produttivu sottu.
L'indagine hè stata basatu annantu à l'infurmazioni nantu à i participanti dispunibili in linea; L'acquistu di informazioni più dettagliate serà cruciale per capiscenu è risponde à i bisogni specifichi di i participanti.
3.3. Cultivazione di novi cultivati per l'ambienti cuntrullati
I tecnulugii di ripruduzzione dispunibuli per a migliione di i vegetali è di altre piante di culturi avanzanu rapidamente [50]. In a cultura prutetta, un settore ecunomicu dinamicu cù cambiamenti rapidi in i tendenzi di u mercatu è e preferenze di i cunsumatori, a scelta di u cultivatu ghjustu hè critica [44,51]. Ci hè parechje studii chì valutanu l'adattazione di culturi d'altu valore cum'è u pumadoru è l'albergine per a produzzione in serra [52,53]. Novi tecnulugii di ripruduzzione [50] anu facilitatu u sviluppu di novi cultivars cù caratteristiche desiderate, è alcune cumpagnie anu cuminciatu à disignà e piante per a crescita in ambienti cuntrullati sottu luci LED [20]. Tuttavia, i cultivars sò stati cultivati soprattuttu per maximizà u rendiment in cundizioni di campu assai variabili [46]. I caratteristiche di i culturi, cum'è a tolleranza à a siccità, u calore è u gelu, chì sò desiderate in i culturi cultivati in u campu, ma chì generalmente portanu penalità di rendiment, sò generalmente micca necessarii
agricultura indoor.
E caratteristiche chjave chì ponu esse destinate à adattà i culturi di valore più altu à l'agricultura interna includenu ciculi di vita brevi, fioritura cuntinua, un bassu rapportu di radica à sparta, un rendimentu migliuratu sottu un input d'energia fotosintetica bassa, è e caratteristiche di u cunsumadore desiderate cumpresi u gustu, u culore, struttura è cuntenutu di nutrienti specifichi [12,13]. Inoltre, l'allevamentu specificamente per una qualità più alta pruducerà prudutti assai desiderati cù un altu valore di u mercatu. U spettru di luce, a temperatura, l'umidità è l'approvvigionamentu di nutrienti pò esse gestionatu per cambià l'accumulazione di cumposti di destinazione in foglie è frutti [54,55] è aumentà u valore nutrizionale di i culturi, cumprese i proteini (quantità è qualità), vitamini A, C. è E, carotenoids, flavonoids, minerali, glycosides è antociani [12]. Per esempiu, mutazioni naturali (in uva) è l'editazione di geni (in kiwi) sò stati utilizati per mudificà l'architettura di a pianta, chì serà utile per u crescente indoor in spazii ristretti. In un studiu recente, i pianti di tomate è di ciliegia sò stati ingegneriati cù CRISPR-Cas9 per cumminà i seguenti trè caratteristiche desiderate: un fenotipu nanu, un abitudine di crescita compacta è fioritura precoce. L'idoneità di e varietà di tomate "editate" risultanti per l'usu in i sistemi agriculi interni hè stata validata utilizendu prove di campu è cummerciale in splutazioni verticali [56].
Una rivista di ripruduzzione moleculare per creà culturi ottimizzati hà discututu u valore aghjuntu di i prudutti agriculi sviluppendu culturi agriculi cù benefici per a salute è cum'è medicine comestibili [46]. L'approcciu principali per sviluppà i culturi agriculi cù benefici per a salute sò stati identificati cum'è l'accumulazione di grande quantità di un nutriente intrinsicu desideratu o a riduzzione di composti indeserate, è l'accumulazione di composti preziosi chì
Normalmente ùn sò micca prudutte in a cultura.
4. Sfide è Opportunità in Culture Protette è Agriculture Indoor
L'installazione avanzata di coltura protetta è di l'agricoltura indoor anu un impattu ambientale relativamente chjucu. Mentre chì a crescita di i culturi sottu coperta hè più intensiva in energia cà parechji altri metudi agriculi, a capacità di mitigà l'impatti di u clima, assicurà a tracciabilità è cultivà un alimentu di megliu qualità prumove a consegna coherente di prudutti di qualità, attraendu ritorni chì superanu assai i costi di produzzione supplementari. [18]. I sfidi chjave in a cultura prutetta includenu:
• Alti costi di capitali, per via di i prezzi elevati di a terra in i zoni internu è periurbani;
• Altu cunsumu d'energia;
• A dumanda di travagliu qualificatu;
• Gestione di e malatie senza cuntrolli chimichi; è
• Sviluppu di indici di qualità nutrizionale - per definisce è certificà aspetti di qualità di i prudutti - per i culturi cultivati in casa.
In a sezione seguente, discutemu alcune di e sfide è opportunità assuciate à a cultura prutetta.
4.1. Cundizioni ottimali per una alta produttività è un usu efficiente di e risorse
Una cunniscenza più grande di i bisogni di i culturi in diverse tappe di crescita è in diverse cundizioni di luce hè essenziale se i vignaghjoli anu da mantene a produzzione di culturi di u costu in ambienti cuntrullati. A gestione efficiente di l'ambienti di serra, cumpresi i so elementi climatichi è nutrizionali, è e cundizioni strutturali è meccaniche, ponu aumentà a qualità di u fruttu è i renditi significativamente [57]. I fatturi di l'ambienti di crescita ponu influenzà a crescita di e piante, i tassi di evapotraspirazione è i ciculi fisiologichi. Trà i fatturi climatichi, a radiazione solare hè a più impurtante cum'è a fotosintesi precisa luce, è u rendiment di i culturi hè direttamente proporzionale à i livelli di u sole finu à i punti di saturazione di luce per a fotosintesi. Spessu, u cuntrollu di l'ambiente precisu richiede un altu spesa energeticu, riducendu a prufittuità di l'agricultura di l'ambiente cuntrullatu. L'energia necessaria per u riscaldamentu è u raffreddamentu di a serra resta una preoccupazione maiò è un scopu per quelli chì cercanu di riduce i costi energetichi [6]. I materiali di vetru è i tecnulugii di vetru innovatori cum'è Smart Glass [58] offrenu opportunità promettenti per riduce u costu assuciatu à mantene a temperatura di a serra è cuntrullà e variabili ambientali. Oghje, tecnulugii di vetru innovatori è sistemi di raffreddamentu efficaci sò stati incorporati in a coltura prutetta in e strutture di serra. I materiali di glazing anu u putenziale di riduce
u cunsumu di l'electricità, assorbendu l'eccessu di radiazione solare è reindirizzendu l'energia luminosa per generà elettricità utilizendu cellule fotovoltaiche [59,60].
Tuttavia, i materiali di copertura affettanu i microclimi di serra [61,62] cumpresa a luce [63] è hè dunque impurtante di valutà l'impattu di novi materiali di vetru nantu à a crescita è a fisiologia di e piante, l'usu di risorse, u rendiment di i culturi è a qualità in ambienti in quale fattori. cum'è CO2, temperatura, nutrienti è irrigazione sò rigurosamente cuntrullati. Per esempiu, fotovoltaici organici semi-trasparenti (OPV) basati nantu à a mistura di poli (3-hexylthiophene) regioregular (P3HT), è l'estere metilico di l'acidu phenyl-C61-butyric (PCBM) sò stati pruvati per cultivà e piante di pepite (Capsicum annuum). Sottu à l'ombra di l'OPV, i pianti di pepite pruducianu 20.2% più di massa di fruttu è i pianti ombreggiati eranu 21.8% più altu à a fine di a stagione di crescita [64]. In un altru studiu, a riduzzione di PAR causata da pannelli fotovoltaici flessibili nantu à u tettu ùn hà micca affettatu u rendiment, a morfologia di a pianta, u numeru di fiori per ramu, u culore di fruttu, a fermezza è u pH [65].
Un film di "vetru intelligente" ultra-bassu riflettente, Solar Gard™ ULR-80 [58], hè attualmente in prova in a produzzione in serra. L'obiettivu hè di rializà u putenziale di i materiali di vetru cù trasmittanza di luce regulabile è di riduce l'altu costu di l'energia assuciatu à l'operazioni in strutture d'orticultura di serra high-tech. A film di vetru intelligente (SG) hè appiicata à u vetru standard di baie di serra individuali in strutture chì crescenu i culturi vegetali aduprendu pratiche di cultivazioni verticali è di gestione cummerciale [66,67]. I prucessi di melanzane sottu SG anu dimustratu una più alta efficienza energetica è di fertirrigazione [42], ma ancu ridutta u rendimentu di l'albergine, per via di alti tassi d'abortu di fiori è / o frutti in cunsequenza di a fotosintesi limitata di luce [58]. U filmu SG utilizatu pò avè bisognu di mudificazione per generà cundizioni di luce ottimali è minimizzà e limitazioni di luce per i frutti d'altu carbonu cum'è l'albergine.
L'usu di novi materiali di vetru à risparmiu d'energia, cum'è u vetru intelligente, furnisce un'eccellente opportunità per riduce u costu energeticu di l'operazioni di serra è ottimisà e cundizioni di luce per u cultivo di culturi di destinazione. I filmi di copertura intelligenti, cum'è i filmi agriculi chì emettenu luce luminescente (LLEAF) anu u putenziale di rinfurzà è di cuntrullà a crescita vegetativa è u sviluppu riproduttivu in a cultura media-tecnologica prutetta. LLEAF
I pannelli puderanu esse pruvati nantu à una varietà di culturi fioriti è senza fiori per determinà s'ellu aiutanu à aumentà a crescita vegetativa è riproduttiva (alterendu i prucessi fisiologichi chì sustenenu a crescita di e piante è a produtividade è a qualità di i culturi).
4.2. Gestione di Pesti è Malattie
Ancu s'ellu hè stallatu cuntrullati cuntrullati, ponu minimizzà e pesti è e malatie, una volta introdutte, sò estremamente difficiuli è costosi di cuntrullà senza l'usu di sustanzi chimichi sintetici tossichi. L'agricoltura verticale di l'internu permette un monitoraghju strettu di i culturi per i segni di pesti o malatie, manualmente è / o automaticamente (usando tecnulugii di rilevazione) è l'adopru di tecnulugii robotiche emergenti è / o prucedure di telerilevazione facilità.
a rilevazione precoce di i focu è a rimozione di e piante malate è/o infestate [7].
I metudi novi di gestione integrata di pesti (IPM) [68] seranu richiesti per a gestione efficace di e pesti in serra. Strategie di gestione adattate (culturali, fisiche, meccaniche, biologiche è chimiche), inseme cù boni pratiche culturali, tecniche di monitoraghju avanzate è identificazione precisa ponu migliurà a produzzione vegetale minimizendu a fiducia in l'applicazioni di pesticidi. Un approcciu integratu à a gestione di e malatie implica l'usu di cultivars resistenti, sanità, pratiche culturali sana è l'usu adattatu di pesticidi [44]. U sviluppu di novi strategie IPM pò minimizzà i costi di u travagliu è a necessità di applicà pesticidi chimichi. Pigliate, per esempiu, l'usu di bugs novi, allevati in modu cummerciale, naturali benefizièvuli (per esempiu, afide midge, lacewing verde, etc.) per gestisce e pesti di culturi è riduce a fiducia in u cuntrollu chimicu. Pruvate diverse novi IPM
strategie, in isolamentu è in cumminazione, aiuterà à sviluppà raccomandazioni specifiche per i culturi è e facilità per i cultivatori.
4.3. Qualità di Culture è Valori Nutrizionale
A cultura prutetta furnisce à i pruduttori è i partenarii di l'industria alti rendimenti è prudutti di alta qualità in tuttu l'annu [69]. Cultivazione di frutti è ligumi di prima qualità, in ogni modu, esige a prova d'alta produzzione di parametri nutrizionali è di qualità [70]. I paràmetri basi di a qualità di frutti includenu u cuntenutu di umidità, u pH, i solidi solubili totali, a cendra, u culore di u fruttu, l'acidu ascorbicu è l'acidità titratabile, è i parametri nutrizionali avanzati cumpresi zuccheri, grassi, proteini, vitamini è antioxidanti; E misure di fermezza è di perdita d'acqua sò ancu cruciali per definisce l'indici di qualità [66]. Inoltre, a prova di qualità d'alta produzzione di i prudutti di culturi puderia esse incorporata in un sistema automatizatu di operazioni di serra. U screening di i genotipi di culturi dispunibili per i parametri di qualità furnisce novi varietà di frutti è ligumi d'altu valore è ricche di nutrienti per i pruduttori è i cunsumatori. E strategie agronomiche cumpresi l'ambienti di crescita è e pratiche di gestione di i culturi anu da esse ottimisate per rinfurzà a produzzione è a densità di nutrienti vegetali di sti culturi d'altu valore.
4.4. Impiegazione è Disponibilità di travagliu qualificatu
I bisogni di u travagliu per l'industria di i culturi protetti sò in espansione (> 5% annu) è hè stimatu chì più di 10,000 persone in tutta l'Australia sò attualmente impiegati direttamente da l'industria. Malgradu i so alti livelli d'automatizazione, a coltura prutetta à grande scala richiede una forza di travagliu significativa, soprattuttu per u stabilimentu di culturi, u mantenimentu di i culturi, a polinizazione meccanica è a cugliera di i prudutti. Cù a dumanda crescente
per i cultivatori altamente qualificati, l'offerta di travagliadori qualificati adattati resta bassu [18,71]. Una forza di travagliu qualificata serà ancu necessaria per u sviluppu di l'agricultura verticale urbana, chì generà novi carriere per i tecnulugichi, i prughjetti di prughjetti, i travagliadori di mantenimentu è u persunale di marketing è di vendita [7]. Stabbilimentu di strutture avanzate multipurpose à scala cummerciale furnisce l'uppurtunità di affruntà e dumande di ricerca, incrementendu cusì l'obiettivu di maximizà a produtividade in una diversità di culturi mentre furnisce educazione è furmazione in e cumpetenze chì anu da esse in alta dumanda in u futuru settore di colture protette.
5. Conclusioni
In serre d'alta tecnulugia cù tecnulugia intelligente, ci hè un grande potenziale per migliurà a prufittuità automatizendu e zone critiche è / o intensive di travagliu cum'è u monitoraghju di i culturi, a polinizazione è a cugliera. U sviluppu di l'IA, a robotica è u ML aprenu novi dimensioni per a cultura prutetta. L'agricoltura verticale custituiscenu una piccula frazione di u mercatu agriculu glubale è, malgradu esse altamente intensiva in energia, l'agricultura verticale offre una produttività senza pari cù alti livelli di efficienza d'acqua è di nutrienti. A pruduzzione ecunomica di diverse culturi hè essenziale se a produzzione di culturi protetti hè di fà un impattu pusitivu significativu nantu à a sicurezza alimentaria globale. I sistemi di coltura protetti di tecnulugia bassa è media pruducia principarmenti u pumadoru, cucumber, zucchini, capsicum, melanzane è lettuce, inseme cù greens asiatichi è erbe.
U sviluppu di facilità di l'ambienti cuntrullati à grande scala in Australia hè stata limitata principalmente à u pumadoru crescente. U sviluppu di cultivars adattati necessitarà ottimisazione di parechji tratti chjave chì differenu da quelli cunsiderati desiderati in i culturi outdoor. I tratti chjave chì ponu esse destinati à l'agricultura indoor includenu un ciculu di vita ridutta di i culturi, una fioritura cuntinua, un bassu rapportu di radica à sparta, un rendimentu aumentatu sottu bassa fotosintesi.
input di energia, è tratti di cunsumatori desiderate, cum'è u gustu, u culore, a struttura è u cuntenutu di nutrienti specifichi.
Inoltre, a ripruduzzione specificamente per i culturi più densi nutriziunali di qualità più alta pruducerà prudutti orticulturali desiderati (è potenzalmentu, medicinali) cù un valore di mercatu eccellente. A prufittuità è a sustenibilità di a cultura prutetta dipende da u sviluppu di suluzioni à e sfide primarie cumpresi i costi di start-up, u cunsumu d'energia, u travagliu qualificatu, a gestione di pesti è u sviluppu di l'indice di qualità.
Nuvelli materiali di vetru è avanzamenti tecnologichi attualmente in ricerca o pruvati offrenu suluzioni per affruntà una di e sfide più pressanti di coltura protetta. Questi avanzamenti puderanu, potenzalmentu, furnisce l'impulsu necessariu per aiutà u settore di i culturi protetti à a transizione à un livellu sustenibile è efficiente di u costu di efficienza energetica è risponde à e crescenti richieste di sicurezza alimentaria, mantenendu a qualità di i culturi è a nutrizione.
cuntenutu, è minimizzà l'impatti ambientali dannosi.
Cuntribuzioni di l'autore: SGC hà scrittu a rivista cù input è rivisione furnita da DTT, Z.-HC, OG è CIC Tutti l'autori anu lettu è accunsentutu à a versione publicata di u manuscrittu.
Funding: A rivista hè stata basatu annantu à un rapportu cumandatu è finanziatu da u Future Food Systems Cooperative Research Center, chì sustene e cullaburazioni guidate da l'industria trà l'industria, i circadori è a cumunità. Avemu ancu ricevutu supportu finanziariu da i prughjetti di Horticulture Innovation Australia (Grant number VG16070 à DTT, Z.-HC, OG, CIC; Grant number VG17003 à DTT, Z.-HC; Grant number LP18000 à Z.-HC) è u prughjettu CRC P2 -013 (DTT, Z.-HC, OG, CIC).
Dichjarazione di u Cunsigliu di Revisione Istituziunale: Inapplichevule.
Dichjarazione di cunsensu infurmatu: Inapplichevule.
Dichjarazione di a dispunibilità di dati: Inapplichevule.
Cuncetti di Interesse: L'autori di dichjaranu micca cunflittu di interessu.
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