Sachin G. Chavan (1,2,*)、Zhong-Hua Chen (1,3)、Oula Ghannoum (1)、Christopher I. Cazzonelli (1)、David T. Tissue 1,2)
1. 国立野菜保護作物センター、ホークスベリー環境研究所、西シドニー
University, 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. 陸上イノベーションのグローバル センター、ホークスベリー キャンパス、西シドニー大学、
リッチモンド、NSW 2753、オーストラリア
3. 西シドニー大学理学部、ペンリス、NSW 2751、オーストラリア
* 対応: s.chavan@westernsydney.edu.au; 電話:+61-2-4570-1913
抽象: 保護された作物は、気候変動に直面して食糧生産を強化する方法を提供します
より少ないリソースで健康的な食品を持続的に提供します。 しかし、この農法を作るには
経済的に実行可能な場合、利用可能な状況の中で保護された作物の状況を考慮する必要があります。
技術と対応する対象園芸作物。 このレビューでは、既存の機会について概説します
この刺激的でありながら継続的な研究と革新によって対処しなければならない課題
オーストラリアの複雑なフィールド。 屋内農業施設は、大きく以下のXNUMXつに分類されます。
技術進歩のレベル: ローテク、ミディアム、ハイテク、および対応する課題
革新的なソリューションが必要です。 さらに、屋内植物の成長と保護の制限
作付けシステム(例えば、エネルギーコストが高い)は、屋内農業の使用を比較的制限しています。
少数の高価値作物。 したがって、屋内農業に適した新しい作物品種を開発する必要があります。
これは、オープンフィールド生産に必要なものとは異なる場合があります。 また、保護栽培
高い初期費用、高価な熟練労働者、高いエネルギー消費、重大な害虫を必要とする
病気の管理と品質管理。 全体として、保護された作物は有望な解決策を提供します
食糧生産の二酸化炭素排出量を削減しながら、食糧安全保障のために。 ただし、室内用
世界の食料安全保障と栄養に実質的なプラスの影響を与える作物生産
安全のためには、多様な作物を経済的に生産することが不可欠です。
キーワード: 保護されたクロッピング; 垂直農場; 土のない文化; 作物のパフォーマンス; 屋内農業;
食料安全保障; 資源の持続可能性
はじめに
世界の人口は、10 年にはほぼ 2050 億人に達すると予想されており、その増加の大部分は、世界中の大都市センターで発生すると予測されています [1,2]。 人口が増加するにつれて、食糧生産は増加し、栄養と健康のニーズを満たすと同時に、国連の持続可能な開発目標 (UN SDGs) を達成する必要があります [3,4]。 耕地の減少と気候変動の農業への悪影響は、今後数十年で増加する需要を満たすために、将来の食料生産システムの革新を強いる追加の課題をもたらします。 たとえば、オーストラリアの農場は頻繁に気候変動にさらされており、長期的な気候変動の影響を受けやすい. 2018 ~ 19 年および 2019 ~ 20 年にオーストラリア東部で発生した最近の干ばつは農業ビジネスに悪影響を及ぼし、それによってオーストラリアの農業に対する気候変動の新たな影響が追加されました [5]。
屋内農業 [6] としても知られる保護された作物栽培は、ローテクのポリトンネルからミディアム テクノロジーの部分的に環境制御された温室、ハイテクの「スマート」温室や屋内農場に至るまで、21 世紀の世界の食料安全保障を強化するのに役立つ可能性があります。世紀。 しかし、現代の課題に取り組む方法として、自立可能な大都市のビジョンは魅力的ですが、屋内農業の普及は、
その支持者の興奮と楽観主義。 保護された作物と屋内農業では、土地利用を最適化するためにテクノロジーと自動化をさらに活用する必要があり、それによって将来の食料生産を改善するためのエキサイティングなソリューションが提供されます [7]。 世界中で、都市農業の発展 [8,9] は、オランダの光とスペースの制限など、慢性的および/または深刻な危機の後にしばしば発生しています。 デトロイトの自動車産業の崩壊。 米国東海岸の不動産市場の暴落。 そしてキューバのミサイル危機の封鎖。 他の
推進力は利用可能な市場の形でもたらされました。つまり、スペインでは北ヨーロッパ市場へのアクセスが容易なため、保護された作物が急増しました [10]。 既存の課題とともに、進行中の COVID-19 パンデミックは、都市農業を変革するために必要な推進力を提供する可能性があります [11]。
都市農業が食料安全保障と人間の栄養を改善する上で重要な役割を果たすのであれば、よりエネルギー効率、資源効率、コスト効率の高い方法で幅広い製品を栽培できるように、世界的に規模を拡大する必要があります。現在可能です。 環境制御、害虫管理、フェノミクス、自動化の進歩を組み合わせることで、作物の生産性と品質を向上させる大きな機会が存在します
植物の構造、作物の品質(味と栄養)、収量を改善する形質を対象とした育種の取り組み。 薬用植物と同様に、伝統的な作物の種類と比較して、現在および新興の作物の多様性は、環境が管理された農場で栽培することができます[12,13]。
都市の食料安全保障を改善し、食料の二酸化炭素排出量を削減するという差し迫った必要性は、保護された作物や垂直屋内農業などの農業食品部門の革新によって対処できます。 これらは、最小限の環境制御を備えたローテクのポリトンネルから、中程度の技術で部分的に環境制御された温室から、最先端の技術を備えたハイテクガラスハウスや垂直農業施設にまで及びます。 保護された作物は、生産規模と経済的影響の点で、オーストラリアで最も急速に成長している食料生産部門です [12]。 オーストラリアの保護された作物産業は、ハイテク施設 (17%)、温室 (20%)、および水耕/基質ベースの作物生産システム (52%) で構成されており、農業食品部門を開発する必要性と機会を示しています。 このレビューでは、利用可能な技術と対応する対象園芸作物の文脈で保護された作付けの状況を議論し、オーストラリアで進行中の研究によって対処する必要がある機会と課題を概説します.
2. 施設栽培における現在の技術と技術
2019 年に、保護された作物に充てられた土地の総面積。
あらゆる種類の覆いの下で作物を栽培している — 世界で 5,630,000 ヘクタール (ha) と推定されている [14]。 温室 (恒久的な構造) で栽培されている野菜とハーブの総面積は、世界で約 500,000 ヘクタールと推定されており、これらの作物の 10% が温室で栽培され、90% がビニールハウスで栽培されています [15,16]。 オーストラリアの温室面積は約 1300 ヘクタールと推定され、ハイテク温室 (それぞれが 14 ヘクタール未満を占める約 5 の個々の企業) がこの面積の 17% を占め、ローテク/ミディアムテック温室が 83% を占めている [17 ]。 世界的に、生産された温室全体の約 80% と 20% を、それぞれプラスチック温室と温室が占めています [16]。
保護された作物は、オーストラリアで最も急速に成長している食料生産部門であり、1.5 年の農園出荷時点で年間約 2017 億ドルの価値があります。オーストラリアの全農家の約 30% が、何らかの保護された作物システムで作物を栽培していると推定されています。カバーの下で栽培された作物は、野菜と花の総生産額の約 20% を占める [18]。 オーストラリアでは、推定温室野菜生産面積は南オーストラリア州 (580 ヘクタール) で最も高く、ニューサウスウェールズ州 (500 ヘクタール) とビクトリア州 (200 ヘクタール) が続き、クイーンズランド州、西オーストラリア州、タスマニア州はそれぞれ 50 ヘクタール未満 [17 ]。
オーストラリアの園芸統計ハンドブック (2014–2015) と産業界との話し合いに基づいて、2017 年の果物、野菜、および花の総生産額 (GVP) が推定されました。ベースの生産システム (52%) が最も高く評価され、続いて土壌肥料システム (35%)、土壌肥料と水耕栽培/基質ベースのシステム (11%) の組み合わせ、および水耕栽培/栄養素を使用して栽培されたものでした。フィルム技術 (NFT) (2%) (図 1A)。 同様に、保護タイプの中で、ポリ/ガラス カバーの下で栽培された作物 (63%) の GVP が最も高く、ポリ カバー (23%)、雹/日よけカバー (8%)、およびポリ/ヘイル/日陰の組み合わせの下で栽培された作物がそれに続きます。 (6%) をカバーします (図 1B) [17]。 オーストラリア国内では、特定の温室園芸製品の GVP の統計はすぐには入手できません [15]。
図1. 栽培システム (A) と保護 (B) による、保護された作物 (2017 年) の下での作物の総生産額 (GVP)。 水耕栽培/基質ベースの生産には、ロックウールなどの不活性培地を使用した無土壌植物の成長が含まれます。 土・ファーチゲート生産とは、ファーティゲーション(肥料と水の併用)を施した土を用いて植物を生育させるものです。 水耕栽培/栄養膜技術 (NFT) では、水密チャネル内の植物の根を通過する、溶解した栄養素を含む水の浅い流れを循環させる必要があります。 「ポリ」はポリカーボネートを指します。
通常はメッシュまたは布製の雹/日除けカバーは、作物を雹から保護し、過剰な光の一部を遮断します. $ は AUD を表します。
米国の管理された環境施設の中で、ガラスまたはポリカーボネート (ポリ) 温室 (47%) は、屋内垂直農場 (30%)、ローテク プラスチック フープ ハウス (12%)、コンテナ農場 (7%) よりも一般的です。 ) および屋内深層水培養システム (4%)。 栽培システムの中で、水耕栽培 (49%) は、土壌ベース (24%)、水耕栽培 (15%)、エアロポニック (6%)、およびハイブリッド (エアロポニックス、水耕栽培、土壌) システム (6%) よりも一般的です [19,20]。
オーストラリアには、人口密度の高い都市がほとんどないという事実が主な理由で、確立された高度な垂直農場がほとんどありません。 しかし、オーストラリアには約 1000 ヘクタールの温室面積があり [16,17]、生鮮野菜と果物の輸出は、2006 年から 2016 年にかけてオーストラリア向けに大幅に増加し [16]、下層作物の増加に伴いました。 オーストラリアは屋内農業で素晴らしいスタートを切っており、この部門には大きな成長の可能性がありますが、世界規模で重要なプレーヤーになるには成熟し、さらなる発展を遂げるには時間が必要です. 現在、商業指向の屋内農業施設は、次の XNUMX つのレベルの技術進歩に分類できます。低技術、中技術、およびハイテクです。 それぞれについて、次のセクションで詳しく説明します。
2.1. ローテク ポリトンネルの新技術
保護された作物に最も貢献するローテク温室施設にはいくつかの制限があり、最小限の資源で高品質の作物を生産する収益性の高い中またはハイテク施設への移行を支援する技術的ソリューションが必要です。 ローテクのポリトンネルは、世界の温室作物生産の 80 ~ 90% [20] およびオーストラリア [17] を占めています。 保護された作物におけるローテクのポリトンネルの大部分と、気候、施肥、害虫駆除のレベルが低いことを考えると、生産量と生産者への経済的利益を増やすために、関連する課題に対処することが重要です。
ローテクレベルには、プラスチックカバーを備えたその場しのぎの金属構造から恒久的な専用構造まで、さまざまなタイプのポリトンネルが含まれます。 一般に、プラスチック製のカバーが熱くなったり曇ったりしたときにプラスチック製のカバーを持ち上げる能力を超えて制御されることはありません。 これらのプラスチック製のカバーは、ひょう、雨、寒さから作物を保護し、生育期をある程度延長します。 これらの安価な構造は、
レタス、豆、トマト、キュウリ、キャベツ、ズッキーニなどの野菜作物への投資に対する実行可能な収益。 これらのポリトンネルでの農業は土壌で行われますが、より高度な操作では、トマト、ブルーベリー、ナス、またはピーマンに大きなポットと点滴灌漑を使用できます. しかし、ローテク保護栽培は小規模栽培者にとっては理にかなっていますが、そのような技術にはいくつかの欠点があります。 環境制御の欠如は、製品のサイズと品質の一貫性に影響を与えるため、
スーパーマーケットやレストランなどの要求の厳しい顧客向けのこれらの製品の市場アクセス。 作物は一般に土壌に植えられるため、これらの農家は、多数の害虫や土壌伝染病 (例えば、持続的な線虫の侵入) にも直面しています。 産業界や研究パートナーは、施設設計や作物管理システム、農産物を輸出するためのスマート トレーディング システムにまたがるソリューションを提供するためのイノベーションを必要としています。
一定のサプライチェーンを維持します。 資金提供団体からのインセンティブとサポート、および大学や企業からの技術革新 (生物学的制御、灌漑および温度制御の部分的自動化など) は、生産者がより高度な技術的作付システムに移行するのに役立つ可能性があります。
2.2. イノベーションと新技術によるミディアムテック温室のアップグレード
ミディアムテック保護栽培は、管理された環境の温室や温室を含む幅広いカテゴリーです。 保護された作物部門のこの部分は、ローテクのポリトンネルとハイテク温室からの高品質の農産物を展開する農場での大規模な食料生産と競合する場合、大幅な技術のアップグレードを必要とします。 中技術温室の環境制御は、通常、部分的または集中的であり、一部の温室の温度は、屋根を手動で開くことで制御できますが、
より高度な施設には、冷暖房ユニットがあります。 ソーラー パネルとスマート フィルムの使用は、中技術温室でのエネルギー コストと二酸化炭素排出量を削減するために調査されています [21–23]。
多くの温室はいまだに PVC またはガラス被覆で作られていますが、スマート フィルムをこれらの構造に適用したり、温室の設計に組み込んでエネルギー効率を高めることができます。 一般に、ハイエンドの温室では、収穫量を最大化するために、さまざまな成長段階で慎重に調整された液体肥料のレシートを備えたロックウール ブロックなどの成長培地を使用します。 CO2施肥は、収量と品質を向上させるために、中技術温室で使用されることがあります。 中技術の保護された作物セクターは、産学連携の恩恵を受けて、高収量と高品質を備えた新しい作物遺伝子型、統合された害虫管理、完全に自動化された施肥と温室気候制御、作物管理におけるロボット支援など、高度な科学的および技術的ソリューションを生み出すことができます。そして収穫。
2.3. ハイテク温室のための科学技術の革新
ハイテク温室は、作物の生理学、肥料、リサイクル、および照明における最新の技術的進歩を組み込むことができます。 たとえば、大規模な商業用温室では、「スマート グラス」技術、太陽光発電 (PV) システム、および LED パネルなどの補助照明を使用して、作物の品質と収量を改善できます。 生産者はまた、作物の監視、受粉、収穫など、重要かつ/または労働集約的な分野の自動化を進めています。
人工知能 (AI) と機械学習 (MI) の開発により、ハイテク温室の新しい次元が開かれました [24–28]。 AI は、ビッグ データのパターンを識別し、一般的に人間の知性に関連するタスクを実行するようにトレーニングされた、コンピューターでエンコードされたルールと統計モデルのセットです。 画像認識で使用される AI は、作物の健康状態を監視し、病気の兆候を認識するために使用されており、作物の管理と収穫について、より迅速でより多くの情報に基づいた意思決定を可能にしています。
人間の労働ではなく、ロボットアームによって。 モノのインターネット (IoT) は、温室用途向けに特別にカスタマイズできる自動化ソリューションを提供します [29]。 したがって、AI と IoT は、農業活動を制御および自動化することにより、現代農業の分野で大きく貢献することができます [30]。
農業用ロボットの分野における研究開発は、過去 31 年間で大幅に成長しました [33–76.5]。 オーストラリアでは、商業的な実行可能性に近づくトウガラシの自律的な作物収穫システムが実証され、31% の収穫成功率 [34,35] が得られました。 トマトの葉を取り除き、トウガラシ (ピーマン) を収穫し、トマト作物の受粉を行うロボットのプロトタイプ [XNUMX] がヨーロッパとイスラエルで開発されており、近い将来に商品化される可能性があります。
さらに、大規模なハイテク温室用の労務管理ソフトウェア システムは、労働者の効率を大幅に最適化し、これらのビジネスの経済的見通しを改善します。 ITとエンジニアリングの革命は、保護された作物と屋内農業を引き続き強化し、生産者がコンピューターやモバイルデバイスから作物を監視および管理できるようにします。
市場の決定。 ハイテク温室は、オーストラリアの保護された作物部門に利益をもたらす可能性が最も高いため、これらの施設への継続的な研究と革新は、十分に投資された時間とお金につながる可能性があります。
2.4. 将来のニーズに向けた垂直農場の開発
近年、特に人口が多く、土地が不十分な国では、世界中で屋内の「垂直農業」の急速な発展が見られます [36,37]。 垂直農業は 6 億米ドルの価値がありますが、数兆ドル規模の世界の農業市場のごく一部にとどまっています [38]。 垂直農業にはさまざまな反復がありますが、それらはすべて、完全に密閉された制御された環境で、垂直に積み重ねられた無土壌または水耕栽培の棚を使用しており、高度な自動化、制御、および一貫性を可能にします [39]。 しかし、垂直農業は、平方メートルあたりの比類のない生産性と高レベルの水と栄養効率を提供するにもかかわらず、エネルギーコストが高いため、依然として高価値でライフサイクルの短い作物に限定されています.
垂直農業の技術的側面、特に「スマート」グラスハウスの出現は、AI やモノのインターネット (IoT) などの新興のコンピューターおよびビッグデータ技術との連携に熱心な生産者を引き付ける可能性があります [40]。 現在、屋内農業のすべての形態は、エネルギーと労力を大量に消費しますが、自動化とエネルギー効率の技術の両方に大きな進歩の余地があります。 すでに最先端の屋内農業は、現場で独自のエネルギーを供給しており、一般的な電力網から独立しています。 屋上庭園は、都市の建物の上にあるシンプルなデザインから、ニューヨークやパリの自治体の建物にある企業の屋上企業までさまざまです。 屋内垂直農業は、特に COVID-19 のパンデミックをきっかけに明るい未来があり、その理由により、世界の食品市場でのシェアを拡大するのに適した位置にあります。
非常に効率的な生産システム、サプライ チェーンと物流コストの削減、自動化の可能性 (取り扱いの最小化)、労働者と消費者の両方への容易なアクセス。
3. 施設栽培の対象作物
現在、室内栽培に適した作物の数は限られており、これは屋内栽培の作物の制限と、特定の高価値作物を可能にする高エネルギーコスト (照明、暖房、冷却、およびさまざまな自動システムの実行のため) などの保護された作物の制限のためです [ 41–43]。 しかし、保護された作物が世界に大きな影響を与えるためには、多様な食用作物の経済的な生産が不可欠です。
世界の食料安全保障[12,13,44]。 保護された野菜栽培用の作物品種は、保護された作物では必ずしも必要とされない、幅広い環境条件に耐えるように育種された露地生産のものとは大きく異なります。 適切な栽培品種の開発には、一般に見られる形質とは異なるいくつかの形質 (自家受粉、不確定な成長、丈夫な根など) の最適化が必要になります。
露地作物で望ましい (図 2) ([13] から採用)。
図2。 野外条件下で屋外で栽培された作物と比較して、管理された環境条件下で屋内で栽培された結実作物に望ましい形質。
現在、室内栽培に最適な果物と野菜は次のとおりです。
• つるや茂みで育つもの (トマト、イチゴ、ラズベリー、ブルーベリー、キュウリ、トウガラシ、ブドウ、キウイ フルーツ)。
• 高価値の専門作物 (ホップ、バニラ、サフラン、コーヒー)。
• 薬用および美容作物(海藻、エキナセア)。
• 小さな木 (サクランボ、チョコレート、マンゴー、アーモンド) も実行可能なオプションです [13]。
次のセクションでは、現在の既存の作物と屋内農業用の新しい品種の開発について詳しく説明します。
3.1. 低技術、中技術、およびハイテク施設で栽培されている既存の作物
低技術および中技術の保護栽培システムでは、主にトマト、キュウリ、ズッキーニ、トウガラシ、ナス、レタス、アジア野菜、ハーブが生産されます。 面積、生産される果物の量、およびビジネスの数に関して、トマトは温室で生産される最も重要な園芸野菜作物であり、トウガラシとレタスがそれに続きます[15,45]。
オーストラリアでは、大規模な環境制御施設の開発は、主にトマトの栽培用に建設されたものに限定されています [15]。 2017 年の果物、野菜、花の推定 GVP は、畑と保護作物施設で、オーストラリアの保護作物部門におけるトマトの優位性を示しています。
2017 年の園芸作物の畑と下層部の生産に関する推定 GVP 全体は、トマト (24%) が最も高く、イチゴ (17%)、夏の果物 (13%)、花 (9%)、ブルーベリーが続きます。 (7%)、キュウリ (7%)、トウガラシ (6%) で、アジアの野菜、ハーブ、ナス、サクランボ、ベリー類はそれぞれ 6% 未満です (図 3A)。
図3. オーストラリアの2017年に保護された作物で栽培された作物の総生産額(GVP)(A)と、XNUMX年に保護された作物で栽培された作物の推定GVP(GVP)。
これらの中で、保護栽培システムで栽培された作物の GVP は、トマト (40%) が最も高く、花 (11%)、イチゴ (10%)、夏の果物 (8%) を含む他の作物と比較して大幅な差をつけました。 ) とベリー (8%) で、残りの作物はそれぞれ 5% 未満を占めています (図 3B)。 しかし、オーストラリアの国内市場は温室トマトで飽和状態にあり、保護された作物産業から離れています。
次の 85 つの選択肢があります。これらの作物の国際市場での販売を増やす。 および/または国内の既存の温室栽培者の一部が他の高価値作物の生産に移行するよう奨励する. 保護下で栽培されている個々の作物の割合は、ベリー (80%) とトマト (60%) で最も高く、次に花 (50%)、キュウリ (40%)、サクランボとアジアの野菜 (それぞれ XNUMX%)、イチゴと夏です。
果物 (それぞれ 30%)、ブルーベリーとハーブ (それぞれ 25%)、そして最後にトウガラシとナスがそれぞれ 20% です [17]。 現在、エネルギーと労働集約的な屋内農業は、低エネルギー入力で短期間に生産できる高価値の作物に限定されています[46,47]。
植物の「工場」では、現在栽培されている主な作物は葉物野菜とハーブであり、これらの作物は生育期間が短く(果物や種子が必要ないため)、価値が高く[7]、そのような作物は比較的少ない光を必要とするという事実があります。光合成のため[48]、生産された植物バイオマスのほとんどは収穫できる[46,49]。 都市農場で栽培された作物の収量と品質を改善する大きな可能性があります [12]。
3.2. 業界調査: 参加者の関心はどこにあるのか?
鍵となる研究テーマの特定は、将来の施設栽培に向けた公的資金および民間資金による研究の効率を改善するために不可欠です。 たとえば、ニューサウスウェールズ州農民協会 (NSW Farmers)、ニューサウスウェールズ大学 (UNSW)、フード イノベーション オーストラリア (FIAL) によって開始されたフューチャー フード システム共同研究センター (FFSCRC) は、コンソーシアムで構成されています。 60社以上の創業
業界、政府、および研究参加者。 その研究および能力プログラムは、参加者が地域および都市周辺の食品システムの生産性を最適化し、新製品をプロトタイプから市場に投入し、農場から消費者までの迅速で原産地が保護されたサプライチェーンを実装することを支援することを目的としています。 そのために、FFSRC は、最高品質の園芸作物を輸出する能力を高め、オーストラリアが保護作物部門の科学技術のリーダーになるのを助けるために、保護作物の改善を目的とした共同研究環境を提供しています。
参加者は、屋内農業の対象作物を特定するために調査されました。 対象作物を特定した参加者の中で、生鮮野菜 (29%) への関心が最も高く、次に果物作物 (22%) への関心が続きました。 薬用大麻、その他の薬用ハーブ、特殊作物 (13%)。 在来種/在来種 (10%); きのこ/菌類 (10%); および葉物野菜 (3%) (図 4)。
図4. 保護された作物施設で FFSCRC 参加者によって現在生産されている作物の分類、したがって、カバーの下でこれらの作物をより生産的に栽培するための解決策を見つけることに参加者が関心を持っている可能性があります。
この調査は、オンラインで入手可能な参加者に関する情報に基づいています。 より詳細な情報を取得することは、参加者の特定の要件を理解し、満たすために不可欠です。
3.3. 環境管理施設向けの新品種育種
野菜や他の作物の改良に利用できる育種技術は急速に進歩している[50]。 市場動向と消費者の嗜好が急速に変化するダイナミックな経済部門である施設栽培では、適切な品種を選択することが重要です [44,51]。 トマトやナスなどの高価値作物を温室生産に適応させることを評価する多くの研究があります [52,53]。 新しい育種技術 [50] により、望ましい形質を持つ新しい品種の開発が容易になり、一部の企業は、LED ライトの下で制御された環境で成長するための植物の設計を開始しました [20]。 しかし、品種は主に、非常に変化しやすい圃場条件下で収量を最大化するために育種されてきました [46]。 干ばつ、暑さ、霜に対する耐性などの作物の特性は、畑で栽培された作物には望ましいものですが、通常は収量に不利になります。
屋内農業。
より価値の高い作物を屋内農業に適応させるために目標とすることができる主要な形質には、短いライフサイクル、継続的な開花、低い根と芽の比率、低い光合成エネルギー入力下でのパフォーマンスの向上、および味、色、食感と特定の栄養素含有量[12,13]。 さらに、特に高品質の育種は、市場価値の高い非常に望ましい製品を生産します。 光スペクトル、温度、湿度、栄養素の供給を管理して、葉や果実の標的化合物の蓄積を変化させ [54,55]、タンパク質 (量と質)、ビタミン A、C などの作物の栄養価を高めることができます。 E、カロテノイド、フラボノイド、ミネラル、配糖体、アントシアニン [12]。 たとえば、自然に発生する突然変異 (ブドウのつる) と遺伝子編集 (キウイフルーツ) は、植物の構造を変更するために使用されており、限られたスペースでの屋内栽培に役立ちます。 最近の研究では、CRISPR–Cas9 を使用してトマトとサクランボの植物を操作し、次の 56 つの望ましい形質を組み合わせました。 得られた「編集された」トマト品種の屋内農業システムでの使用への適合性は、野外および商用の垂直農場試験を使用して検証されました [XNUMX]。
最適化された作物を作成するための分子育種のレビューでは、健康上の利点と食用薬としての農作物を開発することによる農産物の付加価値が議論されました [46]。 健康に有益な農作物を開発するための主なアプローチは、望ましい内因性栄養素を大量に蓄積するか、望ましくない化合物を減少させること、および有益な化合物を蓄積することであると特定されました。
作物では通常生産されません。
4. 施設栽培と屋内農業における課題と機会
高度な施設栽培や屋内農業施設は、環境への影響が比較的小さい。 屋根の下で作物を栽培することは、他の多くの農業方法よりもエネルギー集約型ですが、天候の影響を緩和し、トレーサビリティを確保し、より高品質の食品を栽培する能力により、高品質の農産物の一貫した配送が促進され、追加の生産コストをはるかに上回る収益が得られます。 [18]。 保護栽培における主な課題は次のとおりです。
• 都心部および都市周辺地域の地価が高いため、資本コストが高い。
• 高エネルギー消費。
• 熟練労働者の需要。
• 化学物質の管理を必要としない疾病管理。 と
• 屋内で栽培された作物の栄養品質指標の開発 — 農産物の品質面を定義および認証するため — 。
次のセクションでは、保護された作物に関連するいくつかの課題と機会について説明します。
4.1. 高い生産性と効率的な資源利用のための最適条件
栽培者が管理された環境で費用対効果の高い作物生産を維持するには、さまざまな生育段階やさまざまな光条件下での作物の要件をより深く理解することが不可欠です。 温室環境の効率的な管理は、気候や栄養要素、構造的および機械的条件を含めて、果実の品質と収量を大幅に向上させることができます[57]。 成長環境要因は、植物の成長、蒸発散速度、および生理学的サイクルに影響を与える可能性があります。 気候要因の中で、光合成には光が必要であるため、太陽放射が最も重要であり、作物の収量は、光合成の光飽和点までの太陽光レベルに正比例します。 多くの場合、正確な環境制御には大量のエネルギー消費が必要であり、環境制御農業の収益性が低下します。 温室の暖房と冷房に必要なエネルギーは依然として大きな懸念事項であり、エネルギー コストの削減を求める人々の目標となっています [6]。 スマートガラス [58] などのグレージング材料と革新的なガラス技術は、温室温度の維持と環境変数の制御に関連するコストを削減する有望な機会を提供します。 今日では、革新的なガラス技術と効果的な冷却システムが温室施設での保護された作物に組み込まれています。 グレージング材料は削減する可能性があります
過剰な日射を吸収し、光エネルギーをリダイレクトして光電池を使用して電気を生成することによる電力消費 [59,60]。
しかし、被覆材料は、光 [61,62] を含む温室の微気候 [63] に影響を与えるため、新しいグレージング材料が植物の成長と生理学、資源の使用、作物の収量、および品質に及ぼす影響を評価することが重要です。 CO2、温度、栄養素、灌漑など、厳密に管理されています。 たとえば、レジオレギュラー ポリ (3-ヘキシルチオフェン) (P3HT) とフェニル-C61-酪酸メチル エステル (PCBM) のブレンドに基づく半透明の有機太陽電池 (OPV) は、トウガラシ (Capsicum annuum) を栽培するためにテストされました。 OPV の陰では、コショウの木は 20.2% 多くの果実を生産し、陰になった植物は生育期の終わりに 21.8% 背が高かった [64]。 別の研究では、屋根の柔軟な太陽光発電パネルによって引き起こされた PAR の減少は、収量、植物の形態、枝あたりの花の数、果実の色、硬さ、および pH に影響を与えませんでした [65]。
超低反射の「スマート ガラス」フィルムである Solar Gard™ ULR-80 [58] は、現在、温室生産でテストされています。 その目的は、光透過率を調整できるグレージング材料の可能性を実現し、ハイテク温室園芸施設での運用に伴う高いエネルギー コストを削減することです。 スマート ガラス (SG) フィルムは、商業的な垂直栽培および管理慣行を使用して野菜作物を栽培する施設の個々の温室ベイの標準ガラスに適用されています [66,67]。 SG下でのナスの試験では、より高いエネルギー効率と受精効率が示されましたが[42]、光制限された光合成の結果として花や果実の流産率が高いため、ナスの収量も減少しました[58]。 使用される SG フィルムは、最適な光条件を生成し、ナスなどの高炭素吸収果実の光制限を最小限に抑えるために変更が必要な場合があります。
スマート ガラスなどの新しい省エネ グレージング材料の使用は、温室操作のエネルギー コストを削減し、対象作物の栽培のための光条件を最適化する絶好の機会を提供します。 発光農業用フィルム (LLEAF) などのスマート カバー フィルムは、ミディアムテック保護作物における栄養成長と生殖発生を強化および制御する可能性を秘めています。 LLEAF
パネルは、さまざまな開花作物と非開花作物でテストして、植物の成長と作物の生産性と品質を支える生理学的プロセスを変更することにより、栄養と生殖の成長を促進するかどうかを判断できます。
4.2. 害虫と病気の管理
管理された保護栽培施設は害虫や病気を最小限に抑えることができますが、いったん導入されると、有毒な合成化学物質を使用せずに管理することは非常に困難で費用がかかります. 垂直屋内農業では、害虫や病気の兆候がないか、手動および/または自動で (センシング技術を使用して) 作物を綿密に監視でき、新しいロボット技術やリモートセンシング手順を採用することで容易になります
発生の早期発見と、病気の植物および/または感染した植物の除去[7]。
温室内の害虫を効果的に管理するには、新しい統合害虫管理 (IPM) 方法 [68] が必要になります。 適切な管理戦略 (文化的、物理的、機械的、生物学的、化学的) と、優れた文化的実践、高度な監視技術、正確な識別により、農薬散布への依存を最小限に抑えながら野菜生産を改善できます。 疾病管理への統合的アプローチには、抵抗性品種の使用、衛生、健全な文化的慣行、および農薬の適切な使用が含まれます [44]。 新しい IPM 戦略の開発は、人件費と化学農薬を適用する必要性を最小限に抑えることができます。 たとえば、新しい、商業的に飼育された、自然に有益な昆虫 (たとえば、アブラムシ、クサカゲロウなど) を使用して、作物の害虫を管理し、化学的防除への依存を減らします。 さまざまな新しい IPM をテストする
戦略は、個別に、または組み合わせて、栽培者向けの作物および施設固有の推奨事項の作成に役立ちます。
4.3. 作物の品質と栄養価
保護された作付けは、生産者や業界パートナーに年間を通じて高収量と高品質の農産物を提供します [69]。 ただし、高級な果物や野菜を栽培するには、栄養および品質パラメータのハイスループット試験が必要です [70]。 基本的な果実の品質パラメーターには、水分含有量、pH、総可溶性固形分、灰分、果実の色、アスコルビン酸、滴定可能な酸度、および糖、脂肪、タンパク質、ビタミン、抗酸化物質などの高度な栄養パラメーターが含まれます。 硬度と水分損失の測定も、品質指標を定義するために重要です [66]。 さらに、農作物のハイスループット品質検査は、自動化された温室操作システムに組み込むことができます。 利用可能な作物の遺伝子型を品質パラメータでスクリーニングすることで、生産者と消費者に高価値で栄養豊富な新しい品種の果物と野菜を提供できます。 これらの価値の高い作物の生産と植物の栄養密度を高めるには、生育環境や作物管理慣行などの農業戦略を最適化する必要があります。
4.4. 雇用と熟練労働者の利用可能性
施設栽培産業の労働要件は拡大しており (年間 5% 以上)、現在オーストラリア全体で 10,000 人以上がこの産業に直接雇用されていると推定されています。 自動化のレベルが高いにもかかわらず、大規模な保護された作物は、特に作物の確立、作物の維持、機械的受粉、および農産物の収穫のために、かなりの労働力を必要とします。 需要の高まりとともに
高度に熟練した栽培者にとって、適切な熟練労働者の供給は依然として少ない[18,71]。 また、技術者、プロジェクト マネージャー、メンテナンス ワーカー、マーケティングおよび小売スタッフに新しいキャリアを生み出す都市の垂直農業の開発には、熟練した労働力が必要になります [7]。 多目的商業規模の高度な施設を設立することは、研究課題に取り組む機会を提供し、それによって多様な作物の生産性を最大化するという目的を促進すると同時に、将来の保護された作物部門で高い需要がある可能性が高いスキルの教育と訓練を提供します。
結論
スマート テクノロジーを備えたハイテク温室では、作物の監視、受粉、収穫などの重要な分野や労働集約的な分野を自動化することで、収益性を向上させる大きな可能性があります。 AI、ロボティクス、ML の開発により、保護された作物の新しい次元が開かれています。 垂直農場は、世界の農業市場のごく一部を構成しており、エネルギー集約型であるにもかかわらず、垂直農業は、高いレベルの水と栄養素の効率を備えた比類のない生産性を提供します。 保護された作物生産が世界の食料安全保障に大きなプラスの影響を与えるためには、多様な作物の経済的な生産が不可欠です。 低技術および中技術の保護栽培システムは、主にトマト、キュウリ、ズッキーニ、トウガラシ、ナス、レタスのほか、アジアの野菜やハーブを生産しています。
オーストラリアにおける大規模な環境制御施設の開発は、主にトマトの栽培に限定されています。 適切な栽培品種を開発するには、野外作物で望ましいと考えられているものとは異なるいくつかの重要な形質を最適化する必要があります. 屋内農業の対象となる主要な形質には、作物のライフサイクルの短縮、継続的な開花、低い根とシュートの比率、低い光合成下でのパフォーマンスの向上が含まれます
エネルギー入力、および味、色、食感、特定の栄養素含有量などの望ましい消費者特性。
さらに、より高品質で栄養密度の高い作物に特化した育種は、優れた市場価値を持つ望ましい園芸 (および潜在的には薬用) 製品を生産します。 施設栽培の収益性と持続可能性は、初期費用、エネルギー消費、熟練した労働力、害虫管理、品質指数の開発などの主要な課題に対する解決策の開発にかかっています。
現在研究または試行されている新しいグレージング材料と技術の進歩は、最も差し迫った保護された作物の課題の XNUMX つに対処するソリューションを提供します。 これらの進歩は、作物の品質と栄養を維持しながら、保護された作物部門が持続可能で費用対効果の高いレベルのエネルギー効率に移行し、食料安全保障に対する高まる要求を満たすのに必要な後押しを提供する可能性があります。
コンテンツ、および有害な環境への影響を最小限に抑えます。
著者の貢献: SGC DTT、Z.-HC、OG、および CIC から提供された情報と改訂を基にレビューを書きました。
資金調達: このレビューは、業界、研究者、およびコミュニティの間の業界主導のコラボレーションをサポートする未来フード システム共同研究センターによって委託され、資金提供されたレポートに基づいています。 また、Horticulture Innovation Australia プロジェクト (DTT、Z.-HC、OG、CIC に対する認可番号 VG16070、DTT、Z.-HC に対する認可番号 VG17003、Z.-HC に対する認可番号 LP18000) および CRC プロジェクト P2 からも財政的支援を受けました。 -013 (DTT、Z.-HC、OG、CIC)。
治験審査委員会の声明: 適用できません。
インフォームド コンセント ステートメント: 適用できません。
データ利用可能性に関する声明: 適用できません。
利益相反: 著者らは、利害の対立を宣言していない。
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