Sachin G. Chavan (1,2,*)、Zhong-Hua Chen (1,3)、Oula Ghannoum (1)、Christopher I. Cazzonelli (1) 和 David T. Tissue 1,2)
1. 西悉尼霍克斯伯里环境研究所国家蔬菜保护种植中心
大学, 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. 全球陆地创新中心,西悉尼大学霍克斯伯里校区,
澳大利亚新南威尔士州里士满 2753
3. 西悉尼大学理学院, Penrith, NSW 2751, 澳大利亚
* 通讯:s.chavan@westernsydney.edu.au; 电话:+61-2-4570-1913
抽象: 保护性种植为应对气候变化提供了一种促进粮食生产的方法
并以更少的资源可持续地提供健康食品。 然而,为了使这种耕作方式
经济上可行,我们需要在现有的背景下考虑受保护作物的状况
技术和相应的目标园艺作物。 本次审查概述了现有机会
以及必须通过持续研究和创新来解决的挑战,
澳大利亚的复杂领域。 室内农场设施大致分为以下三种
技术进步水平:具有相应挑战的低、中、高科技
这需要创新的解决方案。 此外,对室内植物生长的限制和保护
种植系统(例如,高能源成本)限制了室内农业的相对使用
少数高价值作物。 因此,我们需要开发适合室内农业的新作物品种
这可能与露天生产所需的不同。 此外,保护性种植
需要高昂的启动成本、昂贵的熟练劳动力、高能耗和严重的害虫
疾病管理和质量控制。 总体而言,保护性种植提供了有前景的解决方案
粮食安全,同时减少粮食生产的碳足迹。 但是,对于室内
作物生产对全球粮食安全和营养产生重大的积极影响
安全,各种作物的经济生产将是必不可少的。
关键词: 受保护的作物; 垂直农场; 无土栽培; 作物表现; 室内农业;
食品安全; 资源可持续性
1. 简介
到 10 年,全球人口预计将达到近 2050 亿,其中大部分增长预计将发生在世界各地的大型城市中心 [1,2]。 随着人口的增加,粮食生产必须增加并满足营养和健康需求,同时实现联合国可持续发展目标 (UN SDGs) [3,4]。 耕地减少和气候变化对农业的不利影响带来了额外的挑战,迫使未来粮食生产系统进行创新以满足未来几十年不断增长的需求。 例如,澳大利亚农场经常受到气候变化的影响,并且容易受到长期气候变化的影响。 2018-19 年和 2019-20 年澳大利亚东部最近发生的干旱对农业企业产生了不利影响,从而加剧了气候变化对澳大利亚农业的新影响 [5]。
受保护的种植,也称为室内农业 [6]——从低技术的多隧道到中等技术的、部分环境控制的温室,再到高科技的“智能”温室和室内农场——有助于加强 21 世纪的全球粮食安全世纪。 然而,虽然自我可持续发展的大都市的愿景作为应对当代挑战的一种方式很有吸引力,但室内农业的采用并没有与
其支持者的兴奋和乐观。 受保护的种植和室内农业涉及更多地使用技术和自动化来优化土地利用,从而为改善未来的粮食生产提供令人兴奋的解决方案 [7]。 在世界各地,都市农业 [8,9] 的发展通常发生在慢性和/或急性危机之后,例如荷兰的光照和空间限制; 底特律汽车工业的崩溃; 美国东海岸的房地产市场崩盘; 和古巴导弹危机封锁。 其他
动力以可用市场的形式出现,即由于该国很容易进入北欧市场,西班牙 [10] 保护性作物的普及。 与现有挑战一起,正在进行的 COVID-19 大流行可以提供改造都市农业所需的动力 [11]。
如果都市农业要在改善粮食安全和人类营养方面发挥重要作用,就需要在全球范围内扩大规模,使其有能力以比以往更具能源、资源和成本效益的方式种植广泛的产品。目前是可以的。 通过结合环境控制、害虫管理、表型组学和自动化方面的进步,存在着提高作物生产力和质量的巨大机会
育种工作针对改善植物结构、作物质量(味道和营养)和产量的性状。 相对于传统作物类型以及药用植物,可以在环境控制的农场中种植更多种类的当前和新兴作物 [12,13]。
改善城市粮食安全和减少食品碳足迹的迫切需求可以通过农业食品领域的创新来解决,例如保护性种植和垂直室内农业。 这些范围从具有最低环境控制的低技术多隧道、中等技术、部分环境控制的温室到高科技温室和采用最先进技术的垂直农业设施。 就生产规模和经济影响而言,保护性种植是澳大利亚增长最快的粮食生产部门 [12]。 澳大利亚受保护的种植业由高科技设施 (17%)、温室 (20%) 和基于水培/基质的作物生产系统 (52%) 组成,这表明发展农业食品行业的必要性和机遇。 在这篇综述中,我们在现有技术和相应的目标园艺作物的背景下讨论了受保护作物的现状,概述了澳大利亚正在进行的研究需要解决的机遇和挑战。
2. 保护性种植的现有技术和技术
2019 年,用于保护性种植的土地总面积——广义上涉及
在所有类型的覆盖物下种植作物——全球估计为 5,630,000 公顷 (ha) [14]。 据估计,全球温室(永久性结构)种植的蔬菜和药草总面积约为 500,000 公顷,其中 10% 的作物种植在温室中,90% 的作物种植在塑料温室中 [15,16]。 澳大利亚温室面积估计约为 1300 公顷,其中高科技温室(约 14 家个体企业,每家企业占地不到 5 公顷)占该面积的 17%,低科技/中科技温室占 83% [17 ]。 在全球范围内,塑料温室和温室分别占温室总产量的 80% 和 20% [16]。
保护性种植是澳大利亚增长最快的粮食生产部门,1.5 年在农场门口的价值约为每年 2017 亿美元。据估计,大约 30% 的澳大利亚农民以某种形式的保护性种植系统种植作物,以及覆盖种植的作物约占蔬菜和花卉总产值的 20% [18]。 在澳大利亚,估计温室蔬菜生产面积最高的是南澳大利亚(580 公顷),其次是新南威尔士州(500 公顷)和维多利亚州(200 公顷),而昆士兰州、西澳大利亚州和塔斯马尼亚州各占不到 50 公顷 [17 ]。
根据澳大利亚园艺统计手册(2014-2015)和与行业的讨论,估计了 2017 年水果、蔬菜和花卉的总产值(GVP)。在所部署的种植系统中,水培/基质种植的作物基于生产系统 (52%) 的价值最高,其次是在土壤施肥系统下种植的系统 (35%),结合土壤施肥和水培/基质系统 (11%),并使用水培/养分薄膜技术 (NFT) (2%) (图 1A)。 同样,在保护类型中,在聚乙烯/玻璃覆盖下种植的作物 (63%) 的 GVP 最高,其次是在聚乙烯覆盖下种植的作物 (23%)、冰雹/阴凉覆盖 (8%) 和复合/冰雹/阴凉组合覆盖 (6%) (图 1B) [17]。 在澳大利亚,特定温室园艺产品的 GVP 统计数据并不容易获得 [15]。
图1. 按种植系统 (A) 和保护 (B) 划分的保护性种植作物 (2017) 的总总产值 (GVP)。 基于水培/基质的生产涉及使用岩棉等惰性介质进行无土植物生长。 基于土壤/施肥的生产涉及使用施肥的土壤进行植物生长(肥料和水的联合施用)。 水培/营养膜技术 (NFT) 需要循环含有溶解养分的浅水流,该水流在不透水的通道中穿过植物的根部。 “聚”是指聚碳酸酯。
冰雹/遮荫覆盖物,通常是网状或布质,可保护农作物免受冰雹影响并阻挡部分过度光照。 $指澳元。
在美国的受控环境设施中,玻璃或聚碳酸酯 (poly) 温室 (47%) 比室内垂直农场 (30%)、技术含量低的塑料箍屋 (12%)、集装箱农场 (7%) 更常见) 和室内深水养殖系统 (4%)。 在生长系统中,水培(49%)比土壤(24%)、鱼菜系统(15%)、气培(6%)和混合(气培、水培、土壤)系统(6%)更常见[19,20]。
澳大利亚很少有成熟的先进垂直农场,这主要是因为它几乎没有人口稠密的城市。 然而,澳大利亚拥有约 1000 公顷的温室面积 [16,17],2006 年至 2016 年,澳大利亚 [16] 的新鲜蔬菜和水果出口大幅增加,并增加了覆盖种植。 尽管澳大利亚在室内农业方面取得了良好的开端,并且该行业具有巨大的增长潜力,但它需要时间来成熟和进一步发展,才能成为全球范围内的关键参与者。 目前,面向商业的室内农场设施可分为以下三个技术进步水平:低、中、高科技。 以下各节将更详细地讨论每一个。
2.1。 低技术多隧道新技术
对受保护作物贡献最大的低技术温室设施有几个限制,需要技术解决方案来帮助它们过渡到有利可图的中等或高科技设施,以最少的资源生产高质量的作物。 低技术多隧道占全球 [80] 和澳大利亚 [90] 温室作物产量的 20-17%。 考虑到保护性种植中技术含量低的多通道隧道占很大比例,以及它们的气候、灌溉施肥和害虫控制水平低,解决相关挑战以增加种植者的产量和经济回报非常重要。
低技术水平包括各种类型的多隧道,其范围从带有塑料覆盖物的临时金属结构到永久性专用结构。 通常,当外面变得太热或多云时,它们的控制超出了提起塑料覆盖物的能力。 这些塑料罩保护作物免受冰雹、雨水和寒冷天气的影响,并在一定程度上延长了生长季节。 这些便宜的结构提供了一个
对生菜、豆类、西红柿、黄瓜、卷心菜和西葫芦等蔬菜作物的投资获得可行的回报。 这些多隧道的耕作是在土壤中进行的,而更高级的操作可以使用大盆和滴灌来种植西红柿、蓝莓、茄子或辣椒。 然而,虽然技术含量低的保护性种植对小种植者来说是有意义的,但这种技术存在一些缺点。 他们缺乏环境控制会影响产品尺寸和质量的一致性,从而降低
这些产品对超市和餐馆等要求苛刻的客户的市场准入。 鉴于作物通常种植在土壤中,这些农民还面临许多害虫和土传疾病(例如,持续的线虫侵染)。 工业和研究合作伙伴需要创新,以提供跨设施设计和作物管理系统以及智能贸易系统的解决方案以出口农产品
并保持稳定的供应链。 资助机构的激励和支持以及大学和公司的技术创新(例如,生物控制、灌溉和温度控制的部分自动化)可以帮助种植者过渡到更先进的技术种植系统。
2.2. 用创新和新技术升级中等技术温室
中等技术保护种植是一个广泛的类别,包括受控环境温室和温室。 如果要与部署低技术多隧道和来自高科技温室的高质量产品的农场中的大规模粮食生产竞争,这部分受保护的作物部门需要进行重大的技术升级。 中等技术温室的环境控制通常是部分或集中的,有些温室的温度可以通过手动打开屋顶来控制,而
更先进的设施有冷却和加热装置。 正在研究使用太阳能电池板和智能薄膜来降低中等技术温室的能源成本和碳足迹[21-23]。
虽然许多温室仍然由 PVC 或玻璃覆层制成,但智能薄膜可以应用于这些结构,或者可以纳入温室设计以提高能源效率。 通常,高端温室使用生长介质,例如岩棉块,在不同的生长阶段具有经过仔细校准的液体肥料收据,以最大限度地提高作物产量。 二氧化碳施肥有时用于中等技术温室以提高产量和质量。 中等技术的保护性种植部门将受益于产学合作,以产生先进的科技解决方案,包括高产和优质的新作物基因型、综合害虫管理、全自动灌溉施肥和温室气候控制,以及作物管理中的机器人辅助和收获。
2.3. 高科技温室的科技创新
高科技温室可以融合作物生理学、灌溉施肥、回收利用和照明方面的最新技术进步。 例如,在大型商业温室中,“智能玻璃”技术、太阳能光伏 (PV) 系统和 LED 面板等辅助照明可用于提高作物质量和产量。 生产者也越来越多地实现关键和/或劳动密集型领域的自动化,例如作物监测、授粉和收获。
人工智能 (AI) 和机器学习 (MI) 的发展为高科技温室开辟了新的维度 [24-28]。 人工智能是一组计算机编码的规则和统计模型,经过训练可以识别大数据中的模式并执行通常与人类智能相关的任务。 用于图像识别的人工智能被用于监测作物健康和识别疾病迹象,从而为作物管理和收割做出更快、更明智的决策——如今,这些都是可以实现的
由机械臂代替人工。 物联网 (IoT) 提供自动化解决方案,可专门针对温室应用进行定制 [29]。 因此,人工智能和物联网可以通过控制和自动化农业活动在现代农业领域做出重大贡献[30]。
在过去十年中,农业机器人领域的研究和开发取得了显着增长[31-33]。 一种接近商业可行性的辣椒自主作物收获系统在澳大利亚被证明,收获成功率为 76.5% [31]。 欧洲和以色列已经开发出用于番茄植物去叶、辣椒(甜椒)收获和番茄作物授粉的机器人原型 [34,35],并可能在不久的将来实现商业化。
此外,大型高科技温室的劳动力管理软件系统将显着优化工人的效率,改善这些企业的经济前景。 IT 和工程革命将继续为受保护的作物和室内农业提供支持,使种植者能够通过计算机和移动设备监控和管理他们的作物,甚至可以用来进行关键农业和
市场决策。 高科技温室最有可能使澳大利亚受保护的种植业受益,因此对这些设施的持续研究和创新可能会转化为时间和金钱的良好投资。
2.4. 为未来需求开发垂直农场
近年来,世界各地的室内“垂直农业”发展迅速,特别是在人口众多、土地不足的国家[36,37]。 垂直农业价值 6 亿美元,但在价值数万亿美元的全球农业市场中仍然只占一小部分 [38]。 垂直农业有多种迭代方式,但它们都在完全封闭和受控的环境中使用垂直堆叠的无土或水培生长架,从而实现高度的自动化、控制和一致性[39]。 然而,尽管提供无与伦比的每平方米生产力以及高水平的水和养分效率,但由于能源成本高,垂直农业仍然仅限于高价值和短生命周期的作物。
垂直农业的技术层面——尤其是“智能”温室的出现——可能会吸引渴望使用新兴计算机和大数据技术(如人工智能和物联网 (IoT) [40])的种植者。 目前,所有形式的室内农业都是能源和劳动力密集型的,尽管自动化和能源效率技术都有很大的进步空间。 最先进的室内农业形式已经在现场提供自己的能源,并且独立于通用公用电网。 屋顶花园的范围可以从城市建筑顶部的简单设计到纽约和巴黎市政建筑上的企业屋顶企业。 室内垂直农业有着光明的未来,尤其是在 COVID-19 大流行之后,并且由于其在全球食品市场中的份额增加了
高效的生产系统、供应链和物流成本的降低、自动化的潜力(最小化处理)以及轻松接触劳动力和消费者。
3. 保护作物中的目标作物
目前,由于室内生长的作物限制以及受保护的作物限制,例如高能源成本(用于照明、加热、冷却和运行各种自动化系统),适用于室内农业的作物数量有限,这使得特定的高价值作物成为可能。 41-43]。 然而,如果保护性种植要对
全球粮食安全 [12,13,44]。 用于保护性蔬菜种植的作物品种与那些为耐受广泛的环境条件而培育的露地生产的作物品种显着不同,这在保护性种植中并不一定需要。 开发合适的品种将需要优化与被视为的性状不同的几个性状(如自花授粉、不确定生长、健壮的根系)。
理想的户外作物(图 2)(摘自 [13])。
图2。 相对于在野外条件下在室外种植的作物,在受控环境条件下在室内种植的结果作物的理想性状。
目前,最适合室内种植的水果和蔬菜包括:
• 在藤蔓或灌木上生长的植物(番茄、草莓、覆盆子、蓝莓、黄瓜、辣椒、葡萄、猕猴桃);
• 高价值的专业作物(啤酒花、香草、藏红花、咖啡);
• 药用和化妆品作物(海藻、紫锥花);
• 小树(樱桃、巧克力、芒果、杏仁)是其他可行的选择[13]。
在以下部分中,我们将更详细地讨论现有的作物和室内农业新品种的开发。
3.1。 在低、中、高科技设施中种植的现有作物
中低技术保护种植系统主要生产番茄、黄瓜、西葫芦、辣椒、茄子、生菜、亚洲蔬菜和香草。 从面积、水果产量和企业数量来看,番茄是温室生产的最重要的园艺蔬菜作物,其次是辣椒和生菜[15,45]。
在澳大利亚,大型受控环境设施的开发主要限于为种植西红柿而建造的设施[15]。 2017 年水果、蔬菜和花卉在田间和受保护种植设施中的 GVP 估计值表明番茄在澳大利亚受保护种植领域的主导地位。
2017 年园艺作物大田和地下生产的总体估计 GVP 最高的是番茄(24%),其次是草莓(17%)、夏季水果(13%)、花卉(9%)、蓝莓(7%)、黄瓜(7%)和辣椒(6%),亚洲蔬菜、香草、茄子、樱桃和浆果各占不到6%(图3A)。
图3. 澳大利亚 2017 年(B)在保护作物下种植的作物的总产值(GVP)估算值(GVP)。
其中,在保护性种植系统中种植的作物的 GVP 最高的是番茄(40%),与花卉(11%)、草莓(10%)、夏季水果(8%)等其他作物相比,差距显着。 ) 和浆果 (8%),其余作物各占不到 5%(图 3B)。 然而,澳大利亚国内市场已经被温室番茄饱和,这使得种植业受到保护
有以下两种选择:增加这些作物在国际市场上的销售; 和/或鼓励该国一些现有的温室种植者转向生产其他高价值作物。 受保护栽培的单个作物的比例最高的是浆果(85%)和番茄(80%),其次是花卉(60%)、黄瓜(50%)、樱桃和亚洲蔬菜(各40%)、草莓和夏季
水果(各 30%)、蓝莓和香草(各 25%),最后是辣椒和茄子,各 20% [17]。 目前,能源和劳动密集型室内农业仅限于可以在短期内以低能源投入生产的高价值作物 [46,47]
在植物“工厂”中,目前种植的主要作物是绿叶蔬菜和草本植物,因为这些作物的生长期短(因为不需要果实和种子)和高价值 [7],事实上这些作物需要的光照相对较少用于光合作用 [48] 并且因为产生的大部分植物生物量都可以收获 [46,49]。 提高城市农场作物产量和质量的潜力巨大[12]。
3.2. 行业调查:参与者的利益在哪里?
确定关键研究课题对于提高公共和私人资助的未来受保护作物研究的效率至关重要。 例如,由新南威尔士州农民协会 (NSW Farmers)、新南威尔士大学 (UNSW) 和澳大利亚食品创新有限公司 (FIAL) 发起的未来食品系统合作研究中心 (FFSCRC) 由一个财团组成60多个创始者
行业、政府和研究参与者。 其研究和能力计划旨在支持参与者优化区域和城郊食品系统的生产力,将新产品从原型推向市场,并实施从农场到消费者的快速、受原产地保护的供应链。 为此,FFSRC 提供了一个旨在改善受保护作物的合作研究环境,以提高我们出口优质园艺产品的能力,并帮助澳大利亚成为受保护作物领域科技的领导者。
对参与者进行了调查,以确定室内农业的目标作物。 在确定目标作物的参与者中,对新鲜蔬菜的兴趣最大(29%),其次是对水果作物的兴趣(22%); 药用大麻、其他药草和特殊作物(13%); 本地/本土物种(10%); 蘑菇/真菌(10%); 和绿叶蔬菜(3%)(图 4)。
图4. FFSCRC 参与者目前在受保护的种植设施中生产的作物分类,因此,参与者可能有兴趣寻找解决方案以在掩护下更高效地种植这些作物。
该调查基于在线提供的参与者信息; 获取更详细的信息对于理解和满足参与者的具体要求至关重要。
3.3. 为环境控制设施培育新品种
可用于改良蔬菜和其他作物的育种技术正在迅速发展 [50]。 在保护性种植这一充满活力的经济部门中,市场趋势和消费者偏好迅速变化,选择合适的品种至关重要 [44,51]。 有许多研究评估了番茄和茄子等高价值作物在温室生产中的适应性[52,53]。 新的育种技术 [50] 促进了具有所需性状的新品种的开发,一些公司已经开始设计在 LED 灯下在受控环境中生长的植物 [20]。 然而,栽培品种主要是为了在高度可变的田间条件下最大限度地提高产量[46]。 耐旱、耐高温和耐霜冻等作物性状在大田种植的作物中是可取的,但通常会带来产量损失
室内农业。
使高价值作物适应室内农业的关键性状包括生命周期短、持续开花、根茎比低、在低光合能量输入下的性能提高,以及理想的消费者特征,包括味道、颜色、质地和特定的营养成分[12,13]。 此外,专门为更高质量而育种将产生具有高市场价值的非常理想的产品。 可以对光谱、温度、湿度和营养供应进行管理,从而改变目标化合物在叶子和果实中的积累 [54,55] 并增加作物的营养价值,包括蛋白质(数量和质量)、维生素 A、C E、类胡萝卜素、类黄酮、矿物质、苷和花青素[12]。 例如,自然发生的突变(在葡萄藤中)和基因编辑(在猕猴桃中)已被用于修改植物结构,这将有助于在有限空间内进行室内生长。 在最近的一项研究中,使用 CRISPR-Cas9 对番茄和樱桃植物进行了工程改造,以结合以下三个理想特征:矮化表型、紧凑的生长习性和早熟开花。 使用田间和商业垂直农场试验验证了由此产生的“编辑”番茄品种在室内农业系统中的适用性[56]。
对分子育种以创造优化作物的回顾讨论了通过开发具有健康益处的农作物和食用药物来增加农产品的附加值 [46]。 开发具有健康益处的农作物的主要方法被确定为积累大量理想的内在营养素或减少不需要的化合物,以及积累有价值的化合物
通常不会在作物中产生。
4. 保护性种植和室内农业的挑战和机遇
先进的保护性种植和室内农业设施对环境的影响相对较小。 虽然种植作物比许多其他耕作方法更耗能,但减轻天气影响、确保可追溯性和种植更优质食品的能力促进了优质农产品的持续交付,吸引的回报远远超过额外的生产成本[18]。 保护性种植的主要挑战包括:
• 由于内城和城郊地区的地价高,资本成本高;
• 高能耗;
• 对熟练劳动力的需求;
• 没有化学控制的疾病管理; 和
• 为室内种植的作物制定营养质量指数——定义和证明产品的质量方面。
在下一节中,我们将讨论与受保护作物相关的一些挑战和机遇。
4.1。 高生产力和高效资源利用的最佳条件
如果种植者要在受控环境中维持具有成本效益的作物生产,则必须更好地了解不同生长阶段和各种光照条件下的作物需求。 温室环境的有效管理,包括其气候和营养元素,以及结构和机械条件,可以显着提高水果质量和产量[57]。 生长环境因素会影响植物的生长、蒸散速率和生理周期。 在气候因素中,太阳辐射是最重要的,因为光合作用需要光,而作物产量与直到光合作用光饱和点的阳光水平成正比。 通常,精确的环境控制需要高能源消耗,从而降低了受控环境农业的盈利能力。 温室加热和冷却所需的能源仍然是那些寻求降低能源成本的主要关注点和目标[6]。 玻璃材料和智能玻璃等创新玻璃技术 [58] 为降低与保持温室温度和控制环境变量相关的成本提供了有希望的机会。 如今,创新的玻璃技术和有效的冷却系统正在被纳入温室设施的保护性种植中。 玻璃材料有可能减少
电力消耗,通过吸收多余的太阳辐射并将光能重定向以使用光伏电池发电 [59,60]。
然而,覆盖材料会影响温室小气候 [61,62],包括光 [63],因此评估新型玻璃材料对植物生长和生理、资源利用、作物产量和环境质量的影响非常重要。例如二氧化碳、温度、养分和灌溉都受到严格控制。 例如,基于区域规则聚 (2-己基噻吩) (P3HT) 和苯基-C3-丁酸甲酯 (PCBM) 的混合物的半透明有机光伏 (OPV) 已被测试用于种植辣椒植物 (Capsicum annuum)。 在 OPV 的遮荫下,辣椒植株的果实质量增加了 61%,而在生长季节结束时,遮荫植株的高度增加了 20.2%[21.8]。 在另一项研究中,屋顶上的柔性光伏电池板导致的 PAR 降低不会影响产量、植物形态、每枝花数、果实颜色、硬度和 pH 值[64]。
一种超低反射“智能玻璃”薄膜 Solar Gard™ ULR-80 [58] 目前正在温室生产中进行测试。 其目的是发挥可调节透光率的玻璃材料的潜力,并降低与高科技温室园艺设施运营相关的高能源成本。 智能玻璃 (SG) 薄膜正被应用于使用商业垂直种植和管理实践种植蔬菜作物的设施中单个温室隔间的标准玻璃 [66,67]。 SG 下的茄子试验证明了更高的能量和施肥效率 [42],但也降低了茄子的产量,这是由于光限制光合作用导致的高开花和/或果实流产率 [58]。 所使用的 SG 薄膜可能需要修改以产生最佳光照条件并最大限度地减少对茄子等高碳汇水果的光照限制。
使用智能玻璃等新型节能玻璃材料为降低温室运营的能源成本和优化目标作物种植的光照条件提供了绝佳机会。 发光农用薄膜 (LLEAF) 等智能覆盖薄膜具有增强和控制中等技术保护作物的营养生长和生殖发育的潜力。 LLEAF
面板可以在各种开花和非开花作物上进行测试,以确定它们是否有助于增加营养和生殖生长(通过改变支撑植物生长和作物生产力和质量的生理过程)。
4.2. 病虫害管理
尽管受控的保护性种植设施可以最大限度地减少病虫害,但一旦引入,如果不使用有毒的合成化学品,控制它们将非常困难且成本高昂。 垂直室内农业允许手动和/或自动(使用传感技术)密切监测作物的病虫害迹象,采用新兴的机器人技术和/或遥感程序将有助于
及早发现暴发并清除患病和/或受侵染的植物 [7]。
有效管理温室中的害虫需要新的综合害虫管理(IPM)方法[68]。 适当的管理策略(文化、物理、机械、生物和化学),以及良好的文化实践、先进的监测技术和精确识别,可以提高蔬菜产量,同时最大限度地减少对农药施用的依赖。 疾病管理的综合方法包括使用抗性栽培品种、环境卫生、良好的文化实践和适当使用杀虫剂 [44]。 开发新的 IPM 策略可以最大限度地降低劳动力成本和使用化学农药的需要。 例如,使用新的、商业饲养的、天然有益的虫子(例如蚜虫、绿草蛉等)来管理作物害虫并减少对化学防治的依赖。 测试各种新的 IPM
单独和组合的策略将有助于为种植者制定针对作物和设施的建议。
4.3. 作物质量和营养价值
受保护的作物全年为种植者和行业合作伙伴提供高产和优质产品 [69]。 然而,种植优质水果和蔬菜需要对营养和质量参数进行高通量测试 [70]。 基本水果品质参数包括水分含量、pH、总可溶性固形物、灰分、果实颜色、抗坏血酸和可滴定酸度,以及包括糖、脂肪、蛋白质、维生素和抗氧化剂在内的高级营养参数; 硬度和失水量测量对于定义质量指标也很重要[66]。 此外,可以将作物产品的高通量质量测试纳入自动化温室运营系统。 筛选可用的作物基因型的质量参数将为种植者和消费者提供新的高价值、营养丰富的水果和蔬菜品种。 需要优化包括生长环境和作物管理实践在内的农艺策略,以提高这些高价值作物的产量和植物养分密度。
4.4. 就业和熟练劳动力的可用性
保护性种植业的劳动力需求正在扩大(每年>5%),据估计,澳大利亚目前有超过 10,000 人直接受雇于该行业。 尽管自动化程度很高,但大规模保护性种植需要大量劳动力,尤其是在作物种植、作物维护、机械授粉和收获农产品方面。 随着需求的增加
对于高技能的种植者来说,具有适当技能的工人的供应仍然很低[18,71]。 城市垂直农业的发展也需要熟练的劳动力,这将为技术人员、项目经理、维护人员以及营销和零售人员带来新的职业[7]。 建立多用途商业规模的先进设施将为解决研究问题提供机会,从而进一步实现最大化多种作物生产力的目标,同时提供未来受保护的种植业可能需要的技能方面的教育和培训。
5。 结论
在采用智能技术的高科技温室中,通过自动化关键和/或劳动密集型领域(如作物监测、授粉和收割)来提高盈利能力的潜力巨大。 人工智能、机器人技术和机器学习的发展为保护性作物开辟了新的领域。 垂直农场仅占全球农业市场的一小部分,尽管是高度能源密集型的,但垂直农业提供了无与伦比的生产力以及高水平的水和养分效率。 如果受保护的作物生产要对全球粮食安全产生重大的积极影响,多样化作物的经济生产至关重要。 中低技术保护种植系统主要生产番茄、黄瓜、西葫芦、辣椒、茄子和莴苣作物,以及亚洲蔬菜和香草。
澳大利亚大规模受控环境设施的发展主要限于种植西红柿。 开发合适的品种需要优化几个与户外作物所需的不同的关键性状。 可针对室内农业的关键性状包括作物生命周期缩短、持续开花、根茎比低、在低光合条件下的性能提高
能量输入和理想的消费者特征,例如味道、颜色、质地和特定的营养成分。
此外,专门为更高质量、营养更密集的作物进行育种将生产出具有卓越市场价值的理想园艺(以及潜在的药用)产品。 保护性种植的盈利能力和可持续性取决于开发解决主要挑战的解决方案,包括启动成本、能源消耗、熟练劳动力、害虫管理和质量指数开发。
目前正在研究或试验的新型玻璃材料和技术进步为解决最紧迫的保护性种植挑战之一提供了解决方案。 这些进步可能会提供必要的推动力,帮助受保护的种植业过渡到可持续和具有成本效益的能源效率水平,满足对粮食安全日益增长的需求,同时保持作物质量和营养
内容,并尽量减少有害的环境影响。
作者贡献:SGC 撰写了由 DTT、Z.-HC、OG 和 CIC 提供的输入和修订的评论所有作者已阅读并同意手稿的已发表版本。
资金:审查基于未来粮食系统合作研究中心委托和资助的一份报告,该中心支持行业、研究人员和社区之间以行业为主导的合作。 我们还获得了澳大利亚园艺创新项目(DTT、Z.-HC、OG、CIC 的授权号 VG16070;DTT、Z.-HC 的授权号 VG17003;Z.-HC 的授权号 LP18000)和 CRC 项目 P2 的资金支持-013(DTT、Z.-HC、OG、CIC)。
机构审查委员会声明: 不适用。
知情同意声明: 不适用。
数据可用性声明: 不适用。
利益冲突: 作者宣称没有利益冲突。
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