Búza hozampotenciál az ellenőrzött környezetben vertikális gazdaságokban

Keresse meg ezt a szerzőt a Google Tudósban
Keresse meg ezt a szerzőt a PubMed oldalon
Keresse meg ezt a szerzőt ezen a webhelyen
ORCID-rekord Paul P. G. Gauthier számára
Levelezés céljából: [email protected]

Szerkesztette Dieter Gerten, Potsdami Klímahatáskutató Intézet, Potsdam, Németország, és elfogadta Hans J. Schellnhuber szerkesztőségi tag 2020. június 19-én (beérkezett felülvizsgálatra 2020. február 11-én)

Jelentőség

A búza világszerte a legfontosabb élelmiszer-növény, amelyet több millió hektáron teremnek. A szántóföldi búzahozamok általában alacsonyak, és az időjárástól, a talajtól és a növénygazdálkodási gyakorlattól függően változnak. Megmutatjuk, hogy az optimális termesztési körülmények között a beltéri vertikális gazdaságokban termesztett búza hozamai több százszor nagyobbak, mint a szántóföldi hozamok a magasabb hozamok, az évi több betakarítás és a függőlegesen egymásra rakott rétegek miatt. A beltérben termesztett búza kevesebb földterületet használna, mint a szántóföldi búza, független lenne az éghajlattól, a legtöbb vizet újrafelhasználná, kizárná a kártevőket és betegségeket, és nem okozna tápanyagveszteséget a környezet számára. Tekintettel azonban a mesterséges világítás magas energiaköltségeire és a tőkeköltségekre, nem valószínű, hogy gazdaságilag versenyképes lesz a jelenlegi piaci árakkal.

Absztrakt

A 2020-ban elért 7,8 milliárdos népesség 2050-re több mint 9 milliárdra nő, és a század végére valószínűleg 11 milliárdra tetőzik (1). Míg világszerte minden kilencedik ember éhezik (2), a népesség és az élelmiszer-kereslet ezen előrejelzett növekedése a gabonatermelés 60% -kal nagyobb növekedését igényli (3). Javasoljuk, hogy az útvonalak kombinációjával, ideértve az élelmiszerigény csökkentését, az élelmiszertermelés növelését, az élelmiszer-pazarlás csökkentését és a termelési kapacitás fenntartását, a 2050-re tervezett élelmiszerigény kielégíthető legyen (4, 5). Számos mezőgazdasági területet azonban már az erózió degradál, és nagy mennyiségű műtrágya és növényvédő szer szennyezi a talajvizet és a vízi rendszereket (6, 7). Új megközelítésekre van szükség a fenntarthatóbb élelmiszer-termeléshez a jövő növénytermesztésének környezeti hatásainak jelentős csökkentéséhez (8, 9). Míg ezek a tényezők óriási kihívások elé állítják a mezőgazdaságot, a nehézséget súlyosbítják az éghajlat megfigyelt és előre jelzett változásai, amelyek a terméshozam csökkenéséhez vezetnek a világ számos régiójában (10).

A termésmodell-szimulációk összehasonlítása a megfigyelt búza növekedéssel és 1 év alatt tapasztalt hozammal. (A) Megfigyelt (szimbólumok) és szimulált (vonalak) a teljes biomassza (körök, szaggatott vonalak) és a hozam (háromszögek, folytonos vonalak) értékei az ausztráliai Merredin mezején termesztett búza esetében (sárga); Wageningen, Hollandia (zöld); és Xiangride, Kína (lila) (15). (B) Megfigyelt (szimbólumok) és szimulált (vonalak) értékek a teljes biomassza (körök, szaggatott vonalak) és a hozam (háromszögek, folytonos vonalak) esetében egy beltéri kísérlet során, 20 órán át 1400 μmol/m 2/s fény mellett (50 MJ/m 2/d, 1 J = 1 W/s) 330 ppm légköri CO2 mellett és öt egymást követő ismétlődő betakarítással (13). A hozam és az összes biomassza (hozam és szalma) 11% szemnedvesség mellett jelenik meg. A szimulációkat a DSSAT-NWheat növénymodellel végeztük.

A búzatermés ökofiziológiai kölcsönhatásait megörökítő termésszimulációs modellek - itt a DSSAT-NWheat modell - szorosan reprodukálhatják a megfigyelt biomassza növekedés és hozam széles skáláját különböző terepi körülmények között, mint például Ausztráliában, Hollandiában három helyszínen és Kína (15) (1A. Ábra). Itt megmutatjuk, hogy a DSSAT-NWheat szorosan szimulálja a gyorsan növekvő búzatermés növekedését és termését beltéri körülmények között is (1B. Ábra és SI függelék, S1A ábra). A modell bizonytalanságának figyelembevétele érdekében megismételtük a szimulációt egy másik, egyszerűbb termésmodellel, a SIMPLE-vel (16), és hasonló eredményeket találtunk (SI függelék, S1 B és C ábra). Így mindkét modell együtt használható a beltérben termesztett búza terméspotenciáljának további feltárására.

A Monje és Bugbee (13) által közölt beltéri kísérletben a búzát napi 20 óra alatt növelték, 1400 μmol/m 2/s intenzitással, összesen 50 MJ/m 2/d (1 J = 1 Ws), a légköri CO2-koncentráció pedig 330 ppm. A búza azonban naponta akár 24 órán keresztül felhasználhatja a fényt a fotoszintézishez és a növekedéshez (17, 18), majdnem lineáris termésnövekedési reakcióval, akár 2000 μmol/m 2/s-ig (19, 20). Az is ismert, hogy a búza pozitívan reagál a megemelkedett légköri CO2-koncentrációkra (13, 21), ha más növekedési tényezők, például tápanyagok, nem korlátozóak. A növényi modellek segítségével beltéri kísérletben szimuláltuk a fény (max. 2000 μmol/m 2/s) és a légköri CO2-koncentráció (1200 ppm) maximalizálásának hatását, tápanyag-korlátozás nélkül. A tápanyagigény kiszámításához a gabona csökkent tápanyag-koncentrációját is figyelembe vették a magas termőképességű növényekben és magasabb CO2-koncentráció mellett (SI függelék, S4 és S5 táblázat). A kumulált szimulált hozam öt betakarításnál évente 114 ± 13 t/ha/év volt (az együttes szimulációk 10. és 90. percentilisének ± átlagával) (2. ábra).

A vertikális gazdálkodás, amely során több tenyésztőtálcát vagy emelvényt rétegenként egymás fölé helyeznek, nagyon hatékonynak bizonyult a saláta és más leveles gyógynövények termesztésében (26). A búza esetében kb. 1 m magasságra lenne szükség 0,5 m terméskorona magasságának befogadásához, ha kettős félig törpe fajtát használnának, mint a Monje és Bugbee beltéri kísérletben (13), és további 0,5 m-re a mesterséges megvilágítás befogadására., a gyökérrendszer (hidroponikus vagy aeroponikus) és a szállítószalag szerkezete. Egy vertikális gazdaságként (27) vagy üzemgyárként (28) kifejlesztett 1 ha-os, 10 rétegű beltéri búzaüzem (SI-függelék) akár 1.940 ± 230 t/ha/év (194 t/ha/y × 10) termelésére képes. rétegek), a mező jelenlegi globális átlagos hozama hozzávetőlegesen 600-szorosa (2. ábra).

A beltéri búzatermesztés éves költsége és megtérülése. (A) Kördiagramok, amelyek 2019 (balra) és 2050-re (jobbra) mutatják a költségek százalékos arányát egy 1 ha, 10 rétegű beltéri búza termesztési forgatókönyvben, adaptált magas termésindex-fajtával (az elméleti forgatókönyv a 2. ábrán és az SI Melléklet, S4. Táblázat), valamint az évi 5% -kal finanszírozott tőke- és építési költségek. A szimuláció és a kísérleti forgatókönyvek költségeinek lebontását az SI függelék S2. B) A búza termelésének teljes éves költsége (sorok) és az éves hozam (halmozott rudak) egy 1 ha, 10 rétegű létesítményben elméleti (piros), szimulációs (zöld) és kísérleti (kék) beltéri búza termesztési forgatókönyvek esetén ( amint azt a 2. ábra és az SI függelék S4. táblázata mutatja), feltételezve, hogy a búza ára 2019-ben 200 dollár/t (2), 2050-ben 500 dollár/t és 2050-ben 800 dollár/t (a jövőbeni ár és prémium ár várható emelkedése alapján). növényvédőszer-mentes termelés). A 2050-es költség megegyezik az 500 dollár/t és a 800 dollár/t búza ár forgatókönyvek esetében. Az adatpont címkék az egyes forgatókönyvek költség/megtérülési arányai. A hibasávok azt mutatják, hogy a SEM nagyobb, mint a szimbólumok.

A beltéri búza termesztésével kapcsolatos számos kutatási kérdés megválaszolatlan marad. Új, kontrollált beltéri búza kísérletekkel végzett kutatásnak meg kell próbálnia megerősíteni a maximális termelési potenciált és annak lehetséges hatását a tápértékre és a sütés minőségére. A beltéri kísérletek során meg kell vizsgálni az energiaköltségek csökkentésének, a betegségektől mentes növekedési körülmények kezelésének és az ilyen létesítmények teljes automatizálásának módjait. Ellenőrzött környezeti kutatásokat kell végezni annak megállapítására, hogy a különböző fényreceptek potenciálisan növelhetik-e a fotoszintézist (39); manipulálni a környezeti feltételeket, mint például a gyökérzónák vízpotenciálját a gabonatöltés során; valamint a búza betakarítási indexének javítása (22). A jövőbeni kutatások a növekedési-környezeti lehetőségek mennyiségi összehasonlítására és értékelésére irányulhatnak. A biomassza és a betakarítási index jellemzőinek stratégiai keresztezését alkalmazó tenyésztési programokat kell kidolgozni a beltéri búza növekedésének, a hozam és a gabona minőségének javítása érdekében az optimális beltéri termesztési körülmények között (40).

Érdemes megemlíteni, hogy a javasolt tízrétegű létesítmény tovább méretezhető és adaptálható. Például az itt modellezett tízrétegű egységek közül 10 egymásra rakható, hogy 100 búzatermesztő réteget biztosítson, amelyek különösen sűrű és szűkös városi környezetben használhatók. Mind a hozam, mind a termelési költségek arányosan, mintegy tízszeresére növekednének, némi további ráfordítással a megfelelő infrastruktúrára, de korlátozott többletköltségekkel a tetőre és a földre. A tervezett százrétegű búzaüzem 1 400 hektárnyi területen 19 400 ± 2300 t/ha/év búzaszemet termelhetne - ez a jelenlegi átlagos globális búzahozam 6000-szerese.

Különleges körülmények között, és ha az energiaköltséggel és a jövedelmezőséggel kapcsolatos kérdések megoldhatók, a beltéri függőleges búzatermesztés vonzó lehet; mindazonáltal az itt leírt eredmények a globális élelmezésbiztonságnak a közeljövőben való eléréséhez szükséges globális gabonatermelésnek csak egy viszonylag kis (még meghatározatlan) részét tehetik ki.

Anyagok és metódusok

Két termésszimulációs modellt, a DSSAT-NWheat (15) és a SIMPLE (16) tesztelték Monje és Bugbee (13) által közölt beltéri búza kísérlet részletes adataival. A kísérleti búzatermést 20 óra/nap fény alatt növesztették 1400 μmol/m 2/s intenzitással és 330 ppm légköri CO2-koncentrációval. A két növénymodellt a növekedés és a hozam szimulálására víz- vagy tápanyag-korlátozás nélkül, 1800, 1900 és 2000 μmol/m 2/s sebességgel 24 órán keresztül, ± 10% -os sugárfelhasználási hatékonysággal (RUE) modell létrehozásához együttes. A búza elméleti legmagasabb betakarítási indexét, amelyet a terepi megfigyelések során 0,64-nek igazoltak (23, 24), ezután alkalmaztunk a szimulált teljes biomasszára, hogy megbecsüljük a lehetséges maximális búzaszem-hozamot ellenőrzött beltéri körülmények között. Bemutatjuk a modell bizonytalansággal rendelkező szimulációs együttes átlagát, amelyet a 10. és a 90. percentilis átlagának ± formájában adunk meg.

Az építési és üzemeltetési költségeket, valamint a költség/megtérülési arányokat egy 1 ha-os, 10 rétegű beltéri függőleges búza termelő létesítményre számították, amely 100 rétegre bővíthető. A részleteket az SI függelék tartalmazza.

Adatok elérhetősége.

A lényeges adatokat az SI függelék tartalmazza. További adatok kérésre rendelkezésre állnak.