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澳大利亞作物設施栽培
 

中興大學 生物系統工程研究室 陳加忠

 
 

資料來源:

Acknowledgements

The CRC Program supports industry-led collaborations between industry, researchers and the community.

Further information about the CRC Program is available at

www.business.gov.au

Authors

S. G. Chavan, Z. H. Chen, O. Ghannoum,

C.I. Cazzonelli and, D. T. Tissue

National Vegetable Protected Cropping Centre,

Hawkesbury Institute for the Environment, Western Sydney

University, Locked Bag 1797, Penrith, NSW 2751, Australia.

Corresponding author email:

D.Tissue@westernsydney.edu.au

介紹

如果澳大利亞要在氣候變化面前,加強其糧食生產並以可持續的方式提供健康食品。它需要以更少的資源生產更多的產品。設施栽培種植提供了一種方法來達到這一點。但是要使這種方式農業在澳大利亞經濟上可行,我們需要考慮在現有技術與相應的背景。設施栽培的作物要以園藝作物為目標。本報告概述了現有的機會,以及在這個令人興奮但複雜的領域。

2050年,全球人口預計將達到近100億,其中大部分增長預計將發生在世界各地的中心大城市(聯合國, 2018, 2019)。為了養活這個預計城市人口,需要增加食物產量至少60%Valin, 2014),同時盡量減少這種生產對環境的影響。

儘管2019年澳大利亞長期乾旱與大範圍森林大火,但農業生產總值在2019-2020年超過590億美元,由於商品價格上漲。然而在此期間主要種植區的極端熱浪與缺水,澳大利亞夏季作物、水果與蔬菜產量減少(ABARES, 2020)。

ABARES在其202012月的季度報告中預測,農業生產總值將增長7%650億美元。在有利的增長條件的推動下, 2020-21年將達到10億美元。然而出口總值可能會下降約7%。同比增長至447億美元。

根據ABARES的說法,COVID-19遏制措施對農業市場的影響有限。部分是由於消費者從餐廳用餐轉向家庭消費。部分原因是園藝作物,每年價值超過120億美元。與其他農產品(特別是大田區作物與牲畜)相比,受大流行的影響較小,因為澳大利亞的大部分園藝產品都在國內消費。儘管如此,耕地減少與氣候變化對農業的不利影響仍然存在。這些因素將迫使創新未來糧食生產系統,以滿足未來幾十年當地與全球對糧食的需求。

設施栽培,也稱為室內農業(Rabbi, 2019),從低技術多隧道到中等技術有部分環境控制的溫室、到高科技的智慧溫室與室內農場,可以顯著提高全球糧食安全性。它涉及更多使用技術與自動化來最佳化土地與資源利用,它提供了令人興奮的改善糧食生產的解決方案(BenkeTomkins, 2017)。然而,雖然將自我可持續發展的大都市,作為應對當代挑戰的一種方式的願景,這很有吸引力。但室內農業的發展遠遠落後於其支持者的興奮與樂觀。

在世界範圍內,都市農業的發展(Mougeot, 2006Pearson, 2010)往往發生具有慢性與/或嚴重的危機之地區,例如荷蘭的光線與空間限制。底特律汽車工業的崩潰;美國東海岸的房地產市場崩盤。與古巴導彈危機封鎖。其他推動力以可用市場形式出現。例如設施栽培的作物在西班牙激增(Tout, 1990),因為該國很容易獲得北歐市場。

COVID-19大流行目前正在加速向設施栽培的趨勢。隨著各國專注於精簡作物與食品供應鍊與加強自給自足。也就是說,如果都市農業要在加強糧食安全與改善人類營養方面發揮重要作用。就需要在全球範圍內擴大規模,使其有能力以更節能、資源與成本效益更高的方式,發展各種比目前可能的產品。

在提高作物生產力與品質方面,存在著巨大的機會。這可以通過配合進步來實現在環境控制、害蟲管理、表型組遺傳與自動化。通過針對改善植物性狀的育種工作結構、作物品質(味道與營養)與產量。

環境控制的農場可以種植更多種類的當前新興作物,以及藥用植物。(O'Sullivanetal., 2020, 2019

在這篇綜述中,在現有技術與相應目標的背景下,討論了設施栽培作物的現狀園藝作物,概述了需要通過正在進行的研究來解決的機遇與挑戰。

當前的技術與技術在設施栽培

設施栽培是澳大利亞增長最快的糧食生產部門,其中有巨大的增長潛力。但是,它需要科學與技術解決方案以成為全球重要的參與者。需要資金支持與實用技術創新,生物控制的新方法;部分自動化解決方案例如灌溉與溫度控制等任務,可以幫助種植者使用低技術系統,向生產力更高、利潤更高的中技術系統過渡。中等技術設施需要重大的技術升級,以與多隧道設施農場的大規模糧食生產競爭,以及來自高科技溫室的優質農產品。這部分行業需要產學研產生的科技解決方案合作。新基因型作物、綜合蟲害管理、自動化灌溉施肥、氣候控制與作物管理中的機器人輔助收成同時,高科技溫室將受益於納入作物生理學、灌溉施肥、與回收利用

目前,只有一些作物適合室內農業。這不僅是由於許多物種對室內生長的限制。而且設施栽培種植系統本身的局限性,例如高昂的能源成本(用於照明、加熱、冷卻與在澳大利亞運行各種自動化系統),這使得這種生產系統的成本高得令人望而卻步。

然而,如果保護性設施作物要產生重大影響,則必須經濟地生產各種可食用作物以配合全球糧食安全( FAO, 2013; O'Sullivan, 2019, 2020)。用於保護栽培的蔬菜作物品種與露地生產所需的作物品種顯著不同。後者培育出對各種環境條件的耐受性,其中許多在設施栽培設施中不是問題。

開發合適的品種需要最佳化幾個性狀(如自花授粉、不確定生長、健壯的根部)與戶外作物中被視為理想的性狀不同(圖2O'Sullivan, 2020)。

目前,最適合室內種植的水果與蔬菜包括:

在藤蔓或灌木上生長的植物(番茄、草莓、覆盆子、藍莓、黃瓜、辣椒、葡萄、獼猴桃);

高價值的專業作物(啤酒花、香草、藏紅花、咖啡);

藥用與美容作物(海藻、紫錐花);與

小樹(櫻桃、巧克力、芒果、杏仁)(O'Sullivan, 2020)。

在以下部分中,我們將更詳細地討論現有的作物與室內農業新品種的開發。

作物通常在低、中與高科技設施中種植。中低技術設施種植系統主要生產番茄、黃瓜、西葫蘆、辣椒、茄子、生菜、亞洲蔬菜與香草。從面積、水果產量與企業數量來看,番茄是溫室生產的最重要的園藝蔬菜作物,其次是辣椒與生菜(Hadley, 2017)。

在澳大利亞,大型環控設施的開發,主要限於那些已建的用於種植番茄(Hadley, 2017)。預計2017年水果、蔬菜與花卉在田間與設施栽培地區的GVP設施,展示了番茄在澳大利亞設施種植領域的主導地位。

2017年園藝作物當地與地下生產的總體GVP估計值最高的是番茄(24%),其次是草莓(17%)、夏季水果(13%)、花卉(9%)、藍莓(7%)、黃瓜(7%)與辣椒(6%),亞洲蔬菜、香草、茄子、櫻桃與漿果各佔不到6%(圖3a)。其中,GVP在設施栽培系統中種植的作物中,番茄最高(40%),相對於其他作物有顯著優勢作物包括花卉(11%)、草莓(10%)、夏季水果(8%)與漿果(8%),其餘作物佔不到5%(圖3b)。然而,澳大利亞溫室番茄國內市場已經被飽合,這使得設施種植業有兩種選擇:增加這些產品進入國際市場的銷售。與/或鼓勵一些該國現有溫室種植者的一部分轉向生產其他高價值作物。

漿果(85%)與番茄(80%)在設施下種植的單個作物的比例最高,其次是花卉(60%)、黃瓜(50%)、櫻桃與亞洲蔬菜(各40%)、草莓與夏季水果(各30%)、藍莓與草藥(各25%),最後是辣椒與茄子,各20%Smith, 2020)。

迄今為止,能源與勞動密集型室內農業,僅限於可以在短期內生產的價值作物低能量輸入術語(Hiwasa-TanaseEzura, 2016; Kozai, 2016)。在植物工廠中,種植的主要作物目前是綠葉蔬菜與草本植物,因為這些作物的生長期短,因為不需要水果與種子與高價值(BenkeTomkins, 2017),事實上此類作物需要相對較少的光照進行光合作用(KwonLim, 2011),並且因為生產的大部分植物生物質都可以收穫(Cocetta, 2017; Hiwasa-TanaseEzura, 2016)。對於

提高城市農場作物產量與品質的潛力巨大(O'Sullivan, 2019)。

行業調查:CRC參與者的興趣在哪裡?

由新南威爾士州農民協會(NSWFarmers)發起,未來糧食系統CRC(FFSCRC)新南威爾士州(UNSW)與澳大利亞食品創新有限公司(FIAL),由60多個創始行業組成,包括財團,政府與研究參與者。FFSCRC研究與能力計劃目的在支持參與者最佳化區域與城郊糧食系統的生產力,將新產品從原型推向市場,並實施從農場到消費者的快速、受原產地保護的供應鏈。為此FFSRC提供了一項合作研究目的在改善設施栽培作物的環境,以提高出口優質園藝產品,與幫助澳大利亞成為設施栽培領域科技的領導者。

對未來糧食系統CRC參與者進行了調查,以確定室內農業的目標作物。在參與者中在確定目標作物的人中,對新鮮蔬菜的興趣最大(29%),其次是對水果作物的興趣(22%);藥用大麻、其他藥草與特殊作物(13%);本地/本土物種(10%);蘑菇/真菌(10%);與綠葉蔬菜(3%)(圖4)。該調查基於在線提供的有關FFSCRC參與者的網路信息;獲取如果CRC要了解並滿足其參與者的具體要求,更詳細的信息將是至關重要的。

CRC參與者目前在設施栽培的種植設施中生產的作物分類,因此,參與者可能有興趣尋找在掩護下更高效地種植這些作物的解決方案為環控設施培育新品種可用於改良蔬菜與其他作物的育種技術正在迅速發展(Jones, 2016)。

在設施栽培領域,這一個充滿活力的經濟部門,市場趨勢與消費者偏好迅速變化,選擇正確的品種十分重要(FAO, 2013; Tüzel Leonardi, 2009)。

 有許多研究評估了番茄與茄子等高價值作物在溫室生產中的適應性(Bergougnoux, 2014; Taher, 2017)。新的育種技術(Jones, 2016)使新品種的開發成為可能具有所需性狀的品種,一些公司已經開始設計植物在環控LED生長燈(世界自然基金會, 2020)。

然而迄今為止,栽培品種主要是為了在高度可變的田間條件下,最大限度地提高產量(Hiwasa-Tanase Ezura, 2016)。作物性狀,例如耐旱、耐熱與耐霜凍,在田間種植的作物中是理想的。但通常限制產量,室內農業通常不需要。

使高價值作物適應室內農業的關鍵特徵包括生命週期短、持續開花、低根冠比,在低光合能量下提高性能,以及理想的消費者特徵,包括味道、顏色、質地與特定的營養成分(O'Sullivan, 2020, 2019)。此外專門為更高品質的育種,將生產具有高市場價值的非常受歡迎的產品。

可以管理光譜、溫度、濕度與營養供應,從而改變目標化合物的積累在葉子與果實(Hasan, 2017; Piovene, 2015)。增加作物的營養價值,包括蛋白質(數量與品質)、維生素ACE、類胡蘿蔔素、類黃酮、礦物質、糖苷與花青素(O'Sullivan, 2019)。例如自然發生的突變(在葡萄藤中)與基因編輯(在獼猴桃中)已被用於修飾植物結構,這將有助於在有限空間內進行室內生長。

在最近的一項研究中,番茄與櫻桃植物使用CRISPR–Cas9進行基因工程改造,以結合三個理想的特徵:矮化表型,緊湊的生長習性與早熟的開花。由此產生的編輯番茄品種的適用性,通過田間與商業垂直農場試驗驗證了在室內農業系統中的使用(Kwon, 2020)

在設施栽培與室內農業中的挑戰與機遇

雖然先進的設施栽培設施通常具有最小的環境影響。也就是說,室內種植減輕天氣與害蟲的有害影響,確保可追溯性並能改進品質控制。這代表著種植者可以全年交付始終如一地的優質產品,帶來的回報抵消超過額外的生產成本。但也存在挑戰:高啟動成本;昂貴的熟練勞動力;高能耗;與問題圍繞病蟲害管理與品質控制。在下面的部分,挑戰與機遇都進行了討論。

先進的設施栽培與室內農業設施對環境的影響相對較小。在種植莊稼的同時與許多其他耕作方法相比,設施下的能源密集度更高,能夠減輕天氣影響,確保可追溯性與種植更優質的食品能夠始終如一地提供優質農產品,吸引的回報遠遠超過額外的生產成本(設施栽培的作物澳大利亞, 2020)。

設施栽培的主要挑戰包括:

1.高昂的資本啟動成本,主要是由於內城地區的高地價;

2.高能耗;

3.對熟練勞動力的需求;

4.需要在沒有化學藥劑的情況下進行病蟲管理;

5.需要為種植的作物製定營養品質指數,定義與證明在室內產品的品質。

實現高生產力與高效資源利用的最佳條件,在於種植者需要更好地了解,不同生長階段與不同光照條件下的作物需求。這是在環控中保持具有成本效益的作物生產。溫室環境的有效管理,包括其氣候與營養元素,以及結構與機械條件,可以顯著提高水果品質與產量(Shamshiri, 2018)。

影響溫室作物生產的關鍵環境因素包括空氣與根區溫度、相對濕度(RH)、光質與光量、二氧化碳(CO2)可用性以及防治植物病蟲害的措施。

所有這些參數都會影響植物的生長、蒸散速率與生理週期。

在氣候因素中,太陽光是最重要的,因為光合作用需要光,而作物產量直接與陽光水準成正比,一直到光合作用的光飽與點。光合作用也取決於溫度,並且所有作物都有最佳溫度範圍(例如,番茄的生長是白天在20–22°C的溫度下,夜間17–19°C。然而溫室操作的最具成本效益的溫度範圍是白天23–27°C與夜間13–16°CRabbi, 2019; Shamshiri, 2018)。溫室中理想的相對濕度範圍介於60%80%,取決於作物(Hadley, 2017; Rabbi, 2019)。為了找到最大化生產力與品質的最佳組合,需使用一套環境生長條件(溫度、光照、二氧化碳、濕度與諸如此類。

通常,精確的環境控制需要高能量消耗,從而降低了環控農業的盈利能力。溫室加熱與冷卻所需的能源,仍然是人們關注的主要問題與降低能源成本目標(Rabbi, 2019)

玻璃材料與創新的玻璃技術為降低與維護相關的成本提供了溫室溫度與控制環境,令人興奮的機會。如今創新的玻璃技術與有效的冷卻系統正在在溫室設施被納入。主要研究目標包括評估新型玻璃材料對植物生長的影響環境中的生理影響、作物產量與品質,其中CO2、溫度、養分與灌溉等因素受到嚴格控制。

超低反射智慧玻璃薄膜ULR-80目前正在溫室生產中進行測試。目標是實現具有可調節透光率的玻璃材料的潛力,並降低與操作相關的高能源成本。智慧玻璃(SG)膜正在應用於個體溫室的標準玻璃使用商業。SG下的茄子試驗證明了更高的能源與資源利用效率,但也降低了茄子的產量。因為高光限制光合作用導致的花與/或果實流產率(Chavan, 2020)。使用的SG薄膜可需要修改以產生最佳光照條件,並最大限度地減少茄子等高碳匯水果的光照限制。

目前,SG正在用辣椒作物進行測試。初步結果顯示,顯著節能且無負面影響對植物光合作用、生長、產量與果實品質。生菜等葉類蔬菜將SG下進行測試。智慧玻璃等新型節能玻璃材料的使用,為降低能源成本提供了絕佳機會,以溫室操作與最佳化目標作物種植的光照條件。發光農業薄膜(LLEAF)等智慧覆蓋薄膜,具有增強與控制植物生長與繁殖的潛力。LLEAF面板可以在各種開花與不開花的作物確定它們是否有助於增加營養與生殖生長,以通過改變支撐植物生長與作物生產力與品質。

病蟲害管理

環控的設施栽培設施可以最大限度地減少病蟲害,但如果這些是通過工人或其他人引入的代表著,如果不使用有毒的合成化學品,控制它們非常困難且成本高昂。嚴格的衛生習慣對於最大限度地減少將病原體與生物污染引入生長空間的風險十分重要。

從好的方面來說,室內農業允許手動與/或密切監測作物的病蟲害跡象自動。採用新興的機器人技術與/或遙感程序有助於這些複雜的栽培模式,能夠及早發現疫情並清除患病與/或受侵染的植物(Benke and Tomkims, 2017)。

溫室中的害蟲,有效的管理需要新的綜合蟲害管理(IPM)方法(Pilkington, 2010)。適當的管理策略,以及良好的栽培作業、先進的監測技術精確識別可以提高蔬菜產量,同時最大限度地減少對農藥應用的依賴。

疾病管理的綜合方法包括使用抗性品種、衛生設施、良好的作業習慣以及適當使用殺蟲劑(FAO, 2013)。開發新的IPM策略可以最大限度地減少勞動力成本與使用化學殺蟲劑的需要。舉個例子,使用新的、商業化飼養的、天然有益的蟲子來管理作物害蟲並減少對化學控制的依賴。測試各種新的IPM策略,單獨與結合起來,將有助於為種植者制定針對作物與設施的建議。

作物品質與營養價值

設施栽培的作物全年為種植者與行業合作夥伴提供高產與優質產品(Sonneveld與 沃格特, 2009)。因此越來越多的種植者開始在高科技溫室中生產高品質。

種植優質水果與蔬菜(Treftz Omaye, 2015)需要對營養進行高通量測試與品質參數。基本水果品質參數包括水分含量、pH、總可溶性固形物、灰分、果實顏色、抗壞血酸與可滴定酸度,以及先進的營養參數,包括糖、脂肪、蛋白質、維生素與抗氧化劑。硬度與失水量測量對於定義品質指標也很重要。此外,高吞吐量品質測試農作物產品可以納入自動化溫室系統。

篩選可用的作物基因型的品質參數,將對於種植者與消費者提供新的高價值、營養豐富的水果與蔬菜品種。需要最佳化農藝策略以提高這些高價值作物產量與植物養分密度。

熟練勞動力的就業與可用性

設施栽培業的勞動力需求正在擴大(每年>5%)。估計,澳大利亞有超過10,000人直接受僱於該行業。儘管自動化程度很高,大規模設施栽培需要大量勞動力,尤其是在作物種植、作物維護、機械授粉與收穫產品。隨著對高技能種植者的需求不斷增加,適當技能的供應工人仍然很低。還需要熟練的勞動力發展城市垂直農業。這將需要技術人員、項目經理、維護工人、營銷與零售人員(Benke Tomkins, 2017)

霍克斯伯里的國家蔬菜保護種植中心(NVPCC)西雪梨大學(WSU)校區提供了一個機會來解決研究問題,從而進一步提高各種作物的生產力。,同時提供未來設施栽培部門可能需要大量技能的教育與訓練。

這些課程包括設施栽培作物的第三級途徑、設施栽培作物的研究生文憑、研究生課程包括在設施栽培作物,理學碩士(溫室園藝專業)與設施栽培作物大班。

總結與結論

設施栽培與垂直農業的創新有助於加強食品安全,同時縮小食品生產的碳足跡。在採用智慧技術的高科技溫室中,巨大有潛力來提高盈利能力,尤其是在勞動密集型領域。然而,對於室內種植生產對全球糧食安全的影響,有實質性的積極影響。多種作物的經濟生產將是必不可少的。這將需要開發針對各種關鍵品種進行最佳化的品種特徵,並為包括啟動在內的主要挑戰,找到具有成本效益的解決方案還有能源消耗、熟練勞動力、害蟲管理與品質指數發展。

改善城市食品安全與減少食品碳足跡的迫切需求,可以通過創新來解決在農業食品領域,例如設施栽培與垂直室內農業。這些範圍從技術含量低的多隧道栽培與最低環境控制到中等技術,部分環境控制溫室到高科技溫室以及採用最先進技術的垂直農業設施。

就生產規模與經濟影響而言,設施栽培是澳大利亞增長最快的糧食生產部門。澳大利亞設施栽培業由高科技設施(17%)、溫室(20%)與基於水耕/介質的作物生產系統(52%),表明發展農業食品部門的需求與機會。

在採用智慧技術的高科技溫室中,通過自動化關鍵與/或農作物等勞動密集型領域監測、授粉與收穫。人工智慧、機器人技術與機器學習的發展正在開啟設施栽培的新維度。

垂直農場仍然是全球農業市場的一小部分,儘管是高度能源密集型的,垂直農業提供無與倫比的生產力以及高水準的水與養分效率。如果設施栽培的作物生產要產生重大的積極影響,那麼經濟地生產各種作物關於全球糧食安全是必不可少的。

中低技術保護種植系統主要生產番茄、黃瓜、西葫蘆、辣椒、茄子與生菜作物,以及亞洲蔬菜與香草。迄今為止,大型環控設施的發展在澳大利亞,主要限於種植番茄。

開發合適的品種,將需要最佳化幾個不同的關鍵性狀。

可針對室內農業的關鍵特徵包括:

作物生命週期縮短;

連續開花;

低根冠比;

在低光合能量輸入下提高性能;與

理想的消費者特徵,例如味道、顏色、質地與特定的營養成分。

此外專門為更高品質、營養更密集的作物進行育種,將產生理想的園藝(並且可能,藥用)具有卓越市場價值的產品。

設施栽培的盈利能力與可持續性,取決於開發解決主要挑戰的解決方案,包括啟動成本、能源消耗、熟練勞動力、害蟲管理與品質指數開發。目前正在研究或試驗的新型玻璃材料與技術,為解決最緊迫的設施栽培挑戰,這一問題提供了解決方案。這些進步可能會提供必要的推動力,以幫助設施栽培的作物部門,向可持續與具有成本效益的能源效率水平過渡。並滿足不斷增長的需求糧食安全,同時保持作物品質與營養成分,並儘量減少對環境的有害影響。

希望通過FFSRC的三個合作研究相互關聯的研究計劃將有助於鞏固澳大利亞在世界舞台上作為優質園藝(包括潛在的藥用)產品主要出口國的地位,並提升其在設施栽培與室內農業領域作為科技創新者的聲譽。