• Намерете този автор в Google Scholar
  • Намерете този автор в PubMed
  • Потърсете този автор на този сайт
  • Запис на ORCID за Пол П. Г. Готие
  • За кореспонденция: [email protected]

Редактирано от Дитер Гертен, Потсдамски институт за изследване на въздействието на климата, Потсдам, Германия, и прието от члена на редакционния съвет Ханс Дж. Шелнхубер на 19 юни 2020 г. (получено за преглед на 11 февруари 2020 г.)

ферми

Значимост

Пшеницата е най-важната хранителна култура в света, отглеждана на милиони хектари. Добивът на пшеница в полето обикновено е нисък и варира в зависимост от времето, почвата и практиките на управление на културите. Ние показваме, че добивите от пшеница, отглеждана в закрити вертикални ферми при оптимизирани условия на отглеждане, биха били няколкостотин пъти по-високи от добивите в полето поради по-високи добиви, няколко реколти годишно и вертикално подредени слоеве. Пшеницата, отглеждана на закрито, би използвала по-малко земя от полската пшеница, да бъде независима от климата, да използва повторно повечето вода, да изключва вредители и болести и да няма загуби на хранителни вещества за околната среда. Въпреки това, като се имат предвид високите енергийни разходи за изкуствено осветление и капиталовите разходи, е малко вероятно да бъдат икономически конкурентни на текущите пазарни цени.

Резюме

Световното население от 7,8 милиарда през 2020 г. ще се увеличи до над 9 милиарда до 2050 г. и вероятно ще достигне връх от около 11 милиарда до края на века (1). Докато един от девет души по света понастоящем се сблъсква с глад (2), това прогнозирано увеличение на населението и търсенето на храна ще изисква> 60% увеличение на световното производство на зърно (3). Предполага се, че чрез комбинация от пътища, включително намаляване на търсенето на храна, увеличаване на производството на храни, намаляване на разхищаването на храни и поддържане на производствения капацитет, прогнозираното търсене на храна през 2050 г. може да бъде задоволено (4, 5). Въпреки това много земеделски площи вече са деградирали от ерозия и големи количества торове и пестициди замърсяват подпочвените води и водните системи (6, 7). Необходими са нови подходи за по-устойчиво производство на храни, за да се намали значително въздействието върху околната среда на бъдещото земеделско производство (8, 9). Въпреки че всички тези фактори представляват огромни предизвикателства за селското стопанство, трудността се задълбочава от наблюдаваните и прогнозирани промени в климата, водещи до намаляване на добивите в много региони на света (10).

Сравнение на симулации на модели на култури с наблюдаван растеж на пшеница и добив за 1 година. (А) Наблюдавани (символи) и симулирани (линии) стойности за общата биомаса (кръгове, пунктирани линии) и добив (триъгълници, плътни линии) за пшеница, отглеждана в полета в Мередин, Австралия (жълто); Вагенинген, Холандия (зелено); и Ксиангрид, Китай (лилаво) (15). (B) Наблюдавани (символи) и симулирани (линии) стойности за обща биомаса (кръгове, пунктирани линии) и добив (триъгълници, плътни линии) за експеримент на закрито с 20 часа 1400 μmol/m 2/s светлина (50 MJ/m 2/d, с 1 J = 1 W/s) при 330 ppm атмосферен CO2 и пет последователни репликирани реколти (13). Добивът и общата биомаса (добив плюс слама) са показани при 11% влага на зърната. Симулациите бяха направени с модела DSSAT-NWheat.

Модели за симулация на култури, които улавят екофизиологичните взаимодействия на реколтата от пшеница - тук моделът DSSAT-NWheat - могат да възпроизведат отблизо широк спектър от наблюдавания растеж и добив на биомаса при различни полеви условия като тези на три обекта в Австралия, Холандия и Китай (15) (фиг. 1А). Тук показваме, че DSSAT-NWheat също симулира отблизо растежа и добива на бързо растяща реколта от пшеница при закрити условия (фиг. 1B и приложение SI, фиг. S1A). За да разгледаме несигурността на модела, повторихме симулацията с друг, по-прост модел на реколта, SIMPLE (16) и намерихме подобни резултати (SI Приложение, Фиг. S1 B и C). По този начин и двата модела могат да се използват заедно за допълнително изследване на потенциала за добив на пшеница, отглеждана на закрито.

В експеримента на закрито, докладван от Monje и Bugbee (13), пшеницата е отглеждана под 20 часа на ден на светлина с интензитет от 1400 μmol/m 2/s, общо 50 MJ/m 2/d (с 1 J = 1 Ws) и концентрация на CO2 в атмосферата от 330 ppm. Въпреки това, пшеницата може да използва светлината за фотосинтеза и растеж до 24 часа на ден (17, 18) с почти линейна реакция на растежа на културите до 2000 μmol/m 2/s (19, 20). Известно е също, че пшеницата реагира положително на повишени концентрации на CO2 в атмосферата (13, 21), ако други фактори на растеж, като хранителни вещества, не са ограничаващи. Използвайки моделите на културите, ние симулирахме ефекта от максимизиране на светлината (до 2000 μmol/m 2/s) и атмосферните концентрации на CO2 (1200 ppm) в експеримент на закрито, не предполагайки никакви хранителни ограничения. Намалената концентрация на хранителни вещества в зърното при високопродуктивни култури и при повишена концентрация на CO2 също беше взета предвид за изчисляване на хранителните нужди (приложение SI, таблици S4 и S5). Кумулативният симулиран добив за пет реколти годишно е бил 114 ± 13 t/ha/y (с ± средната стойност на 10-ия и 90-ия процентил от симулациите на ансамбъл) (Фиг. 2).

Вертикалното земеделие, включващо позициониране на няколко табла за растеж или платформи една върху друга на слоеве, се оказа високо ефективно за отглеждане на маруля и други листни билки (26). За пшеницата ще е необходим приблизително 1 m височина на слой, за да се побере 0,5 m височина на навеса на културата, ако се използва сорт с двойно полуджудже, както в експеримента на закрито Monje и Bugbee (13), с още 0,5 m за изкуствено осветление, кореновата система (хидропонна или аеропонна) и конвейерна структура. 1-ха, 10-слойно закрито пшенично съоръжение, разработено като вертикална ферма (27) или завод за растения (28) (приложение SI), може да произведе до 1 940 ± 230 t/ha/y (194 t/ha/y × 10 слоеве), приблизително 600 пъти текущия среден глобален добив в полето (фиг. 2).

Годишни разходи и възвръщаемост за отглеждане на пшеница на закрито. (А) Кругови диаграми, показващи разбивка на разходите за 2019 г. (вляво) и 2050 г. (вдясно) като процент за 1-ха, 10-слоен сценарий на отглеждане на закрита пшеница с адаптиран сорт с висок индекс на реколтата (теоретичния сценарий на фиг. 2 и SI Приложение, таблица S4) и капиталовите и строителните разходи, финансирани на 5% годишно. Разбивка на разходите за симулационни и експериментални сценарии е предоставена в приложение SI, фиг. S2. (Б) Общи годишни разходи за производство на пшеница (линии) и годишни доходи (подредени барове) за 1-ха, 10-слойно съоръжение за теоретичен (червен), симулационен (зелен) и експериментален (син) сценарий на отглеждане на пшеница на закрито ( както е показано на фиг. 2 и допълнение SI, таблица S4), приемайки цените на пшеницата от $ 200/t през 2019 г. (2) и $ 500/t и $ 800/t през 2050 г. (въз основа на вероятно увеличение на бъдещата цена и цената на премията за производство без пестициди). Разходите за 2050 г. са еднакви за сценариите за цените на пшеница от 500 $/t и 800 $/t. Етикетите на точките за данни са съотношения цена/възвръщаемост за всеки сценарий. Лентите за грешки показват SEM, когато са по-големи от символите.

Редица изследователски въпроси относно отглеждането на пшеница на закрито остават без отговор. Ново проучване с контролирани експерименти с пшеница на закрито трябва да се опита да потвърди максималния производствен потенциал и възможното му въздействие върху хранителната стойност и качеството на печене. Експериментите на закрито трябва да изследват начини за намаляване на енергийните разходи, управление на условията за отглеждане без болести и напълно автоматизиране на такива съоръжения. Трябва да се проведат изследвания на контролирана околна среда, за да се определи дали различни рецепти за светлина могат потенциално да увеличат фотосинтезата (39); за манипулиране на условията на околната среда, като воден потенциал на коренната зона по време на пълнене на зърно; и за подобряване на индекса на реколтата на пшеница (22). Бъдещите изследвания могат да бъдат насочени към количествено сравнение и оценка на различни варианти на среда за растеж. Трябва да бъдат разработени програми за разплод, използващи стратегическо кръстосване за биомаса и индекси на реколтата, за да се подобри растежът на пшеницата, добивът и качеството на зърното при оптимални условия на отглеждане на закрито (40).

Струва си да се спомене, че предложеното 10-слойно съоръжение е допълнително мащабируемо и адаптивно. Например, 10 от 10-слоевите единици, моделирани тук, могат да бъдат подредени, за да осигурят 100 слоя за отглеждане на пшеница за използване в особено гъста и оскъдна градска среда. Доходността и производствените разходи ще се увеличат пропорционално приблизително 10 пъти, с някои допълнителни разходи за подходяща инфраструктура, но с ограничени допълнителни капиталови разходи за покрив и земя. Предвиденото съоръжение за 100 слоя пшеница може да произведе 19 400 ± 2300 т/ха/г пшенично зърно на 1 ха земя - 6000 пъти повече от сегашния среден световен добив на пшеница.

При специфични обстоятелства и ако проблемите с енергийните разходи и рентабилността могат да бъдат разрешени, вертикалното отглеждане на пшеница на закрито може да бъде привлекателно; въпреки това описаните тук резултати могат да допринесат само за относително малка част (все още предстои да се определи) от световното производство на зърно, необходимо за постигане на глобална продоволствена сигурност в близко бъдеще.

Материали и методи

Два модела за симулация на култури, DSSAT-NWheat (15) и SIMPLE (16), бяха тествани с подробни данни от експеримент с вътрешна пшеница, докладван от Monje и Bugbee (13). Реколтата от пшеница в този експеримент се отглежда под 20 h/d светлина при интензитет от 1400 μmol/m 2/s и атмосферна концентрация на CO2 от 330 ppm. Двата модела на реколтата бяха използвани за симулиране на растеж и добив без ограничения на вода или хранителни вещества с 1800, 1900 и 2000 μmol/m 2/s за 24 h/d и с ± 10% ефективност на използване на радиация (RUE) за създаване на модел ансамбъл. След това към симулираната обща биомаса се прилага теоретично най-високият индекс на реколтата за пшеница, потвърден за 0,64 в полеви наблюдения (23, 24), за да се оцени възможният максимален добив на пшенично зърно при контролирани условия на закрито. Представена е средната стойност на симулационния ансамбъл с неопределеност на модела, изразена като ± средната стойност на 10-ия и 90-ия персентил.

Разходите за изграждане и експлоатация и съотношението разходи/възвръщаемост бяха изчислени за 1-ха, 10-слойно закрито вертикално съоръжение за производство на пшеница, разширяемо до 100 слоя. Подробности са дадени в приложение SI.

Наличност на данни.

Съответните данни са предоставени в приложението SI. Допълнителни данни са на разположение при поискване.