12.5 Вертикальная аквапоника

12.5.1 Введение

В то время как аквапоника можно рассматривать как часть глобального решения для увеличения производства продовольствия более устойчивым и продуктивным образом и где увеличение производства продовольствия в городских районах в настоящее время признается как часть решения проблемы продовольственной безопасности и глобального продовольственного кризиса (Konig et al. 2016), системы аквапоники сами могут стать частью решения проблемы продовольственной безопасности и глобального продовольственного кризиса (Konig et al. 2016). более продуктивным и устойчивым путем внедрения альтернативных технологий выращивания и изучения новых технологий, таких как вертикальное земледелие и живые стены (Khandaker and Kotzen 2018). Кроме того, будучи экономичными в космосе, они могут быть лучше интегрированы в городские районы.

В развитых странах большинство аквапонных систем размещаются в теплицах для контроля температуры; например, в Северной Европе и Северной Америке зимние температуры слишком холодные зимой, а в средиземноморских районах, таких как Испания, Италия, Португалия, Греция и Израиль, летние температуры слишком теплые. Конечно, есть много дополнительных преимуществ в выращивании продуктов питания в контролируемых теплицах, таких как способность регулировать относительную влажность и контролировать движение воздуха, карантин рыбы, а также растений от болезней и вредителей и потенциально возможность добавления COSub2/Sub для содействия росту растений. Тем не менее, растущая продукция в теплице может легко повысить затраты за счет (а) капитальных затрат на теплицу (общая оценка в размере\ 350/msup2/sup Arnold 2017) и (б) сопутствующей инфраструктуры, такой как микроклимат контроль, который включает системы отопления и охлаждения и освещения. Помимо первоначальных затрат на инфраструктуру, существуют также конкретные затраты на производство тепличных теплиц, которые включают энергоснабжение для отопления и охлаждения, а также освещение.

Большинство аквапонных систем, таких как система Университета Виргинских островов (UVI) (Рис. 12.1), разработанная д-ром Джеймсом Ракочи и его коллегами, используют горизонтальные резервуары или кровати для выращивания овощей, имитируя традиционные методы земледелия на суше (Khandaker and Kotzen 2018). Другими словами, система опирается на горизонтальные ряды/массивы растений, которые обычно поднимаются до уровня талии, что позволяет легко выполнять задачи управления, связанные с заводом. Параллельное развитие технологий «живая стена» и вертикального земледелия произошло почти в то же время, когда развивалась аквапоника, которая также находится на подростковом этапе развития. Так же, как и в аквапонике, по мере того, как все больше людей вовлекаются, происходит сопутствующий рост систем и технологического развития в целях повышения производительности труда и снижения затрат. Соединение вертикальных систем выращивания (вертикальных сельскохозяйственных систем и живых стен) вместо горизонтальных пластов с рыбой и фильтрационными резервуарами потенциально является одним из ключевых способов повышения продуктивности, поскольку можно увеличить количество выращиваемых овощей по сравнению с количеством, производимым в типичных горизонтальная кровать аквапоника. Аквапонные системы UVI (рис. 12.2) производят около 32 растений на квадратный метр (Al-Hafedh et al. 2008), в зависимости от вида и сорта, которые выращиваются, но, как отмечают Khandaker и Kotzen (2018), примерно 96 растений можно выращивать на квадратный метр «с использованием элементов Terapia Urbana [1] Система LW, которая более чем в три раза превышает плотность

Рис. 12.2 Схематическая схема типичной системы UVI, иллюстрирующая соотношение емкостей для рыбы/фильтров/резервуаров для выращивания растений, которое составляет 2:1:5. Это свидетельствует о том, что наибольшую площадь занимают заводы, и именно в этой области можно считать экономией пространства. (Хандакер и Котцен 2018)

по сравнению с горизонтальной системой выращивания UVI». По консервативной оценке следует, по крайней мере, удвоить максимальное количество выращенных в горизонтальных клушах до 64 растений/msup2/sup. В эксперименте с салатом (Lactuca sativa L. cv. Touliatos et al. (2016) предполагают, что «Вертикальная система земледелия (VFS) представляет собой привлекательную альтернативу горизонтальным гидропонным системам роста (и), что дальнейшее повышение урожайности может быть достигнуто путем включения искусственное освещение в VFS'.

**Вертикальные сельскохозяйственные системы (VFS) **

Прежде чем мы обсудим специфические требования к вертикальным системам, мы должны обсудить типы систем, которые доступны. В VFS существует три основных типовых типа (рис. 12.3):

1. Складываемые горизонтальные кровати: вместо того, чтобы иметь только одну горизонтальную кровать, кровати укладываются как полки в ярусах. Это означает, что в теплице только верхняя кровать будет обращена к прямому естественному свету, и дополнительное освещение должно быть предусмотрено на всех уровнях. Это, как правило, обеспечивается прямо под растущей ложью выше. В принципе это может означать, что растущие клумбы могут быть уложены так высоко, как это позволяет теплица, но, конечно, растущие вещи на высоте означают большие трудности в управлении системой, включая посадку, обслуживание и сбор урожая, требующие ножничных подъемников и дополнительной энергии для накачки богатой питательными веществами воды на все уровни. По данным Bright Agrotech (Storey 2015), до четырех уровней выгодно и все, что выше этого невыгодно. Storey (2015) также отмечает, что на втором, третьем и четвертом уровнях трудозатраты увеличиваются на 25% при необходимости ножничного подъема (рис. 12.3, иллюстрация А).

Рис. 12.3 Вертикальные системы земледелия и их осветительные устройства

2. Вертикальные башенные системы (СДС): Вертикальные башенные системы состоят из систем, которые выращивают растения в вертикальных массивах внутри контейнера или серии штабелированных модулей. В зависимости от системы растения выращиваются в одном направлении, или если, например, они высаживаются в трубчатой форме, то они могут быть расположены в любом направлении. Примером вертикальной системы массивов, где растения выращиваются в одном направлении, является ZipGrowSuptM/SUP, которые либо подвешены, либо поддерживаются рядами (рис. 12.3, иллюстрация B1). Ряды между ними примерно 0,5 метра (20 дюймов). Выращивание в более трехмерном виде происходит с помощью уложенных систем или трубчатых систем, которые позволяют выращивать больше растений, но освещение является более сложным (рис. 12.3, иллюстрация B2).

3. Ступенчатые ярусы: Эти системы содержат жесткие или подвижные желоба. SkyGreens VFS в Сингапуре использует вращающуюся систему корыта, которая перемещает впадины вверх и в свет. Дополнительное естественное освещение более значимо по направлению к вершине и меньше внизу (рис. 12.3, иллюстрация C1). Другие системы уровней ступенчаты так, что каждый уровень имеет беспрепятственный интерфейс со светом сверху, будь то естественный свет из крыши теплицы или искусственный свет. Но эти системы должны быть достаточно низкими для того, чтобы люди могли достичь растений (рис. 12.3, иллюстрация C2).

Живые стены

Живые стены еще не используются в аквапонике, за исключением ряда испытательных систем, таких как Гринвичский университет, Лондон (Khandaker and Kotzen 2018). В то время как большинство VFS используют метод выращивания питательных пленок (NFT) каналов или инкапсулированных блоков минеральной ваты, LW иногда также используют почвенные субстраты в горшках или впадинах, которые обеспечивают корневую среду. Хотя это хорошо для выращивания декоративных растений, а также овощей и трав, в сочетании с емкостями для рыбы любое добавление почвы в систему может осложнить микробный характер системы и нанести ущерб рыбе. Однако это неизвестно и требует исследований. Эксперименты, проведенные в Гринвичском университете (Khandaker and Kotzen 2018), показывают, что из ряда отдельных инертных субстратов, испытанных (включая гидролейку, перлит, солому, Sphagnum мх, минеральную вату и кококосовое волокно), кококосовое волокно, а затем минеральную вату были выше с точки зрения проникновения корней. и рост корнеплодов в салате (Lactuca sativa).

**Вертикальная против горизонтальной: факторы, подлежащие рассмотрению

Существует четыре ключевых аспекта, которые необходимо учитывать при сопоставлении выгод (производительность и устойчивость) вертикального выращивания по сравнению с горизонтальным выращиванием. Это (1) пространство, (2) освещение, (3) энергия и (4) затраты на жизненный цикл.

1. Пространство_

Преимущества возможности выращивания продукции вертикально, обратно к спине, должны быть сбалансированы с количеством пространства, которое требуется для обеспечения равномерного распространения освещения, а также пространство ряда, необходимое для управления и обслуживания. Ширина ряда в гидропонных системах варьируется. Как отмечалось, стандартная система ZipGrowSuptM/SUP составляет приблизительно 0,5 метра, в то время как обычная ширина ряда для выращивания томатов и огурцов гидропонически колеблется от 0,9 до 1,2 метра (Badgery-Parker and James 2010). Выращивание мелких растений, таких как салат и травы, такие как базилик, может позволить более узкие ряды, но, конечно, ширина ряда должна гарантировать, что продукция не будет скомпрометирована путем перемещения таких предметов, как тележки и ножничные подъемники. Ключевой проблемой вертикального роста является конфликт между фиксированными рядами и фиксированным освещением, которое необходимо размещать в рядах между посадочными фасадами. Эти огни будут препятствовать перемещению людей и, таким образом, либо огни должны быть (i) частью растущей конструкции, либо (ii) выдвижными или подвижными, с тем чтобы рабочие могли легко выполнять задачи, либо (iii) посадочные сооружения являются подвижными и огни остаются статичными.

2. _Освещение _

Теплическое производство овощей и других растений опирается на конкретные пространственные механизмы, которые позволяют сеять, управлять за счет роста, а затем собирать урожай. Пространственное расположение будет зависеть от типов установок и видов механизации, которые устанавливаются. Кроме того, рост эффективно опирается на дополнение дополнительного света различных типов, которые имеют свои плюсы и минусы. В целом эти огни обеспечивают определенную длину волн для роста растений и для производства фруктов или цветов. В то время как равномерно освещать растения, выращенные горизонтально, относительно просто и чаще, более сложно равномерно освещать вертикальную поверхность.

Что касается типов освещения, то многие производители перешли или испытывают соблазн установить светодиоды (светоизлучающие диоды) из-за их длительного срока службы, до 50 000 часов или более (Gupta 2017), низкого энергопотребления и недавнего снижения стоимости. Virsile et al. в Gupta (2017) отмечают, что большинство применений светодиодного освещения в теплицах выбирают комбинации длин волн красного и синего с высокой фотонной эффективностью, но зеленый и белый свет, содержащий значительное количество зеленых волн, оказывает положительное физиологическое воздействие на растения. Однако сочетание синего и красного света создает фиолетово-серый образ, что затрудняет визуальную оценку состояния растений. Выбранный тип длин волн является сложным и может иметь преимущества на различных этапах жизни растения и даже в соответствии с сортами, например, салата. Красные листья салата, например, реагируют на синее светодиодное освещение, увеличивая их пигментацию (Virsile et al. in Gupta 2017). Кроме того, синее светодиодное освещение может улучшить пищевое качество зеленых овощей, снижая содержание нитратов, увеличивая антиоксиданты и фенольные и другие полезные соединения. Спектры света также влияют на вкус, форму и текстуру (Virsile и др. в Gupta 2017). Затраты на светодиоды значительно снизились, и по мере повышения эффективности светодиодов сокращалось время возврата инвестиций (Bugbee in Gupta 2017).

Другое освещение, конечно, существует, и это включает в себя люминесцентное освещение, металлогалогенное (MH) освещение и натриевое (HPS) освещение высокого давления. Тип освещения, который используется в вертикальном земледелии и с живыми стенами, значительно варьируется в зависимости от масштаба и местоположения. Компактные люминесцентные лампы являются относительно тонкими и могут легко вписываться в небольшие пространства, но для регулирования тока через трубки требуется индуктивный балласт. КФЛ используют только 20— 30% ламп накаливания и длится от шести до восьми раз дольше, но они почти на 50% менее эффективны, чем светодиоды. Они являются, безусловно, самым дешевым из трех основных типов растущих огней. Технология HPS выращивает свет уже более 75 лет и хорошо зарекомендована для выращивания под стеклом, но они производят много тепла и, следовательно, не подходят для вертикального земледелия и жилых стен, где свет нужно доставлять довольно близко к растениям. Тепло, вырабатываемое светодиодами, с другой стороны, минимально. Стоимость, однако, выше, чем другие два типа, и защита глаз необходима для долгосрочного воздействия светодиодов, так как долгосрочное воздействие световых спектров может повредить глаза. Расположение блоков VFS будет диктовать расположение освещения, но в целом они освещаются светодиодами. Способ освещения живых стен будет зависеть от высоты стены. Чем выше стена, тем сложнее применять равномерное распределение по поверхности, хотя следует отметить, что количество используемых огней не должно отличаться от тех, которые используются в горизонтальных ростовых кроватях, и если стена высока, то свет может потребоваться в шахматном порядке. Поскольку большинство жилых стен расположены в эстетических целях, освещение должно быть сохранено, насколько это возможно, вне дороги, и освещение должно не только обеспечивать адекватный свет для роста и здоровья растений, но и обеспечивать хорошее качество растений (рис. 12.4).

Рис. 12.4 4-метровая живая стена длиной 5 метров может быть надлежащим образом освещена шестью высокоэффективными разрядными лампами. Обратите внимание, что они были выбраны не только для обеспечения достаточного света для роста, но и для того, чтобы растения в живой стене выглядели хорошо. (Университет Гринвича Живая стена. Источник: Бенц Котцен)

Достижения в области светодиодной технологии, где частоты и интенсивность освещения могут быть сконструированы в соответствии с индивидуальными видами и сортами, а также их различными жизненными циклами, означают, что светодиоды станут технологией выбора в ближайшем будущем. Это будет дополнительно усилено за счет сокращения расходов.

3. Энерги

Для VFS, а также LW, вероятно, потребуется больше энергии для освещения, поскольку даже естественное освещение невозможно достичь над вертикальными поверхностями. Кроме того, для орошения потребуется больше мощности накачки, и это будет относительно высоты VFS или LW.

4. Сравнительный анализ жизненного цикла (LCA) _

Несмотря на многочисленные исследования по анализу аквапоники и различных аспектов аквапонических систем, сравнительных исследований, сравнивающих вертикальную и горизонтальную аквапонику, проведено не было. Это еще предстоит сделать. Мы приближаемся к такой точке, когда вертикальная аквапоника, вероятно, потребует дальнейших испытаний и исследований, и со временем вертикальная аквапоника, которая объединяет вертикальные системы земледелия или системы живых стенок с рыбными резервуарами и фильтрационными установками, скорее всего, станет более масштабной, если это может быть выгодно и выгодно. устойчивого развития.