Sachin G. Chavan(1,2,*), Zhong-Hua Chen(1,3), Oula Ghannoum(1), Christopher I. Cazzonelli(1) 및 David T. Tissue 1,2)
1. 국립 채소 보호 작물 센터, 혹스베리 환경 연구소, 웨스턴 시드니
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. 토지 기반 혁신을 위한 글로벌 센터, 혹스베리 캠퍼스, 웨스턴 시드니 대학교,
리치몬드, NSW 2753, 호주
3. 호주 NSW 2751 펜리스 웨스턴 시드니 대학교 과학 대학
* 통신: s.chavan@westernsydney.edu.au; 전화: 61-2-4570
추상: 보호작물은 기후 변화에 직면하여 식량 생산을 강화하는 방법을 제공합니다.
더 적은 자원으로 지속 가능한 건강 식품을 제공합니다. 하지만 이런 농사를 짓기 위해서는
경제적으로 실행 가능한 상황에서 보호작물 상태를 고려해야 합니다.
기술 및 해당 대상 원예 작물. 이 검토에서는 기존 기회를 간략하게 설명합니다.
이 흥미진진하지만
호주의 복잡한 분야. 실내 농장 시설은 크게 다음 세 가지로 분류됩니다.
기술 발전 수준: 해당 과제가 있는 저, 중, 첨단 기술
혁신적인 솔루션이 필요합니다. 또한, 실내 식물 생장에 대한 제한 및 보호
경작 시스템(예: 높은 에너지 비용)은 실내 농업의 사용을 상대적으로 제한했습니다.
소수의 고부가가치 작물. 따라서 우리는 실내 농업에 적합한 새로운 작물 품종을 개발할 필요가 있습니다.
오픈 필드 생산에 필요한 것과 다를 수 있습니다. 또한 보호작물
높은 시작 비용, 값비싼 숙련 노동, 높은 에너지 소비 및 상당한 해충이 필요합니다.
및 질병 관리 및 품질 관리. 전반적으로 보호작물은 유망한 솔루션을 제공합니다.
식량 안보를 위해 식량 생산의 탄소 발자국을 줄입니다. 그러나 실내용
세계 식량 안보와 영양에 상당한 긍정적인 영향을 미치는 작물 생산
안보를 위해서는 다양한 작물의 경제적인 생산이 필수적입니다.
: 보호작물; 수직 농장; 토양이 없는 문화; 작물 실적; 실내 농업;
식량 안보; 자원 지속 가능성
1. 소개
세계 인구는 10년에 거의 2050억에 달할 것으로 예상되며, 대부분의 성장은 전 세계의 대도시 중심에서 발생할 것으로 예상됩니다[1,2]. 인구가 증가함에 따라 식량 생산이 증가하고 영양 및 건강 요구 사항을 충족하는 동시에 유엔 지속 가능한 개발 목표(UN SDG)를 달성해야 합니다[3,4]. 경작지 감소와 농업에 대한 기후 변화의 부정적인 영향은 향후 수십 년 동안 증가하는 수요를 충족하기 위해 미래 식량 생산 시스템의 혁신을 강요하는 추가적인 문제를 제기합니다. 예를 들어, 호주 농장은 기후 변동성에 자주 노출되고 장기적인 기후 변화 영향에 취약합니다. 2018~19년과 2019~20년에 호주 동부 전역의 최근 가뭄은 농장 사업에 부정적인 영향을 미쳤으며, 이에 따라 호주 농업에 대한 기후 변화의 새로운 영향이 추가되었습니다[5].
실내 농업[6]으로 알려진 보호작물은 첨단 기술의 '스마트' 온실 및 실내 농장에 이르기까지 중간 기술의 중간 기술, 부분적으로 환경적으로 통제되는 온실에 이르기까지 21세기에 세계 식량 안보를 강화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 세기. 그러나 자립 가능한 대도시의 비전은 현대의 도전 과제를 해결하는 방법으로 매력적이지만 실내 농업의 활용은 그에 못 미쳤습니다.
지지자들의 흥분과 낙관. 보호작물 및 실내 농업은 토지 이용을 최적화하기 위해 기술과 자동화를 더 많이 사용하여 미래 식량 생산을 개선할 수 있는 흥미로운 솔루션을 제공합니다[7]. 전 세계적으로 도시 농업의 발전[8,9]은 네덜란드의 빛과 공간 제한과 같은 만성 및/또는 급성 위기 이후에 자주 발생했습니다. 디트로이트에서 자동차 산업의 붕괴; 미국 동부 해안의 부동산 시장 붕괴; 쿠바 미사일 위기 봉쇄. 다른
추진력은 사용 가능한 시장의 형태로 나타났습니다. 즉, 북유럽 시장에 쉽게 접근할 수 있기 때문에 스페인에서 보호작물이 확산되었습니다[10]. 기존의 도전과 함께 진행 중인 COVID-19 전염병은 도시 농업을 변화시키는 데 필요한 추진력을 제공할 수 있습니다[11].
도시 농업이 식량 안보와 인간 영양을 개선하는 데 중요한 역할을 하려면 보다 에너지, 자원 및 비용 효율적인 방식으로 광범위한 제품을 재배할 수 있도록 전 세계적으로 규모를 확장해야 합니다. 현재 가능합니다. 환경 통제, 해충 관리, 현상학 및 자동화의 발전을 결합하여 작물 생산성과 품질을 개선할 수 있는 엄청난 기회가 있습니다.
식물 구조, 작물 품질(맛 및 영양) 및 수확량을 개선하는 특성을 목표로 하는 육종 노력과 함께. 약용 식물뿐만 아니라 전통적인 작물 유형에 비해 현재 및 신흥 작물의 더 큰 다양성은 환경적으로 통제된 농장에서 자랄 수 있습니다[12,13].
도시의 식량 안보를 개선하고 식량의 탄소 발자국을 줄여야 하는 절박한 요구는 보호 작물 및 수직 실내 농업과 같은 농식품 부문의 혁신을 통해 해결할 수 있습니다. 여기에는 최소한의 환경 제어가 가능한 저기술 폴리 터널, 중형 기술, 부분적으로 환경적으로 제어되는 온실에서 첨단 기술이 적용된 첨단 온실 및 수직 농업 시설에 이르기까지 다양합니다. 보호작물은 생산 규모와 경제적 영향 측면에서 호주에서 가장 빠르게 성장하는 식품 생산 부문입니다[12]. 호주의 보호작물 산업은 첨단 시설(17%), 온실(20%), 수경재배/기질 기반 작물 생산 시스템(52%)으로 구성되어 있어 농식품 부문을 개발할 필요성과 기회를 나타냅니다. 이 검토에서 우리는 호주에서 진행 중인 연구에 의해 해결되어야 하는 기회와 도전에 대해 설명하면서 사용 가능한 기술 및 해당 대상 원예 작물의 맥락에서 보호작물의 상태를 논의합니다.
2. 보호작물에 대한 현재 기술 및 기술
2019년에 보호작물에 할당된 총 토지 면적은 다음과 같습니다.
모든 유형의 덮개 아래에서 재배되는 작물은 전 세계적으로 5,630,000헥타르(ha)로 추산됩니다[14]. 온실(영구적 구조)에서 재배되는 채소와 허브의 총 면적은 전 세계적으로 약 500,000ha로 추정되며, 이들 작물의 10%는 온실에서, 90%는 플라스틱 온실에서 재배됩니다[15,16]. 호주의 온실 면적은 약 1300ha로 추정되며, 하이테크 온실(각각 14ha 미만을 차지하는 약 5개의 개별 기업)이 이 면적의 17%를 차지하고 저기술/중간기술 온실이 83%를 차지합니다[17 ]. 전 세계적으로 플라스틱 온실과 온실은 각각 생산되는 총 온실의 약 80%와 20%를 차지합니다[16].
보호작물은 호주에서 가장 빠르게 성장하는 식품 생산 부문으로, 1.5년 농장에서 연간 약 2017억 달러의 가치가 있습니다. 모든 호주 농부의 약 30%가 보호작물 시스템의 어떤 형태로든 작물을 재배하는 것으로 추산됩니다. 비밀리에 재배된 작물은 채소와 꽃 생산량의 총 가치의 약 20%를 차지합니다[18]. 호주에서 추정되는 온실 채소 생산 면적은 남호주(580ha)가 가장 높고 뉴사우스웨일스(500ha)와 빅토리아(200ha)가 그 뒤를 잇는 반면 퀸즐랜드, 서호주 및 태즈메이니아는 각각 <50ha를 차지합니다[17 ].
호주 원예 통계 핸드북(2014–2015) 및 업계와의 논의를 바탕으로 과일, 채소 및 꽃의 총생산가치(GVP)는 2017년으로 추산되었습니다. 기반 생산 시스템(52%)이 가장 높은 평가를 받았고, 토양 시비와 수경/기질 기반 시스템(35%)을 조합한 토양 관수 시스템(11%), 수경/영양소 사용 필름 기술(NFT)(2%)(그림 1A). 유사하게, 보호 유형 중에서 폴리/유리 덮개(63%) 아래에서 재배된 작물이 가장 높은 GVP를 보였고 폴리 덮개(23%), 우박/그늘 덮개(8%) 및 폴리/우박/그늘 결합으로 재배된 작물이 그 뒤를 이었습니다. 커버(6%)(그림 1B)[17]. 호주 내에서 특정 온실 원예 제품의 GVP에 대한 통계는 쉽게 구할 수 없습니다[15].
그림 1. 재배 시스템(A) 및 보호(B)에 의한 보호작물(2017) 하에 작물의 총 가치 생산(GVP). 수경재배/기질 기반 생산은 암면과 같은 불활성 매질을 사용하여 토양이 없는 식물 성장을 포함합니다. 토양/비료 기반 생산에는 비료와 함께 토양을 사용하는 식물 성장이 포함됩니다(비료와 물의 결합 적용). 수경재배/영양막 기술(NFT)은 수밀 채널에서 식물의 뿌리를 가로질러 통과하는 용해된 영양소를 포함하는 얕은 물의 순환을 수반합니다. 'Poly'는 폴리카보네이트를 의미합니다.
일반적으로 메쉬 또는 천으로 된 우박/그늘 덮개는 우박으로부터 작물을 보호하고 과도한 빛의 일부를 차단합니다. $는 AUD를 나타냅니다.
미국의 통제된 환경 시설 중 유리 또는 폴리카보네이트(폴리) 온실(47%)은 실내 수직 농장(30%), 저기술 플라스틱 후프 하우스(12%), 컨테이너 농장(7%)보다 더 일반적입니다. ) 및 실내 심해 양식 시스템(4%). 재배 시스템 중에서 수경법(49%)은 토양 기반(24%), 수경재배(15%), 수경재배(6%) 및 하이브리드(수경재배, 수경재배, 토양) 시스템(6%)보다 일반적입니다[19,20].
호주에는 인구 밀도가 높은 도시가 거의 없기 때문에 선진 수직 농장이 거의 없습니다. 그러나 호주에는 약 1000ha의 온실 면적이 있으며[16,17] 2006년부터 2016년까지 호주[16]에 대한 신선한 야채와 과일의 수출이 크게 증가했습니다. 호주는 실내 농업 분야에서 훌륭한 출발을 했고 이 분야의 성장 잠재력이 크지만, 세계 규모에서 핵심 플레이어가 되기 위해서는 성숙하고 추가 개발이 필요합니다. 현재 상업위주의 실내농장시설은 기술발전의 수준을 저, 중, 첨단의 XNUMX단계로 구분할 수 있다. 다음 섹션에서 각각에 대해 더 자세히 설명합니다.
2.1. 로우테크 폴리 터널을 위한 새로운 기술
보호작물에 가장 많은 기여를 하는 저기술 온실 시설은 최소한의 자원으로 고품질 작물을 생산하는 수익성 있는 중형 또는 첨단 기술 시설로 전환하는 데 도움이 되는 기술 솔루션이 필요한 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 로우테크 폴리 터널은 전 세계적으로[80] 그리고 호주[90]에서 온실 작물 생산량의 20-17%를 차지합니다. 보호작물에서 낮은 기술의 폴리터널이 차지하는 비중이 높고 기후, 비료 및 해충 방제가 낮은 수준을 고려할 때, 재배자에 대한 생산 및 경제적 수익을 증가시키기 위해서는 관련 문제를 해결하는 것이 중요합니다.
로우테크 레벨은 플라스틱 덮개가 있는 임시 금속 구조물부터 영구적으로 특수 제작된 구조물에 이르기까지 다양한 유형의 폴리 터널을 포함합니다. 일반적으로 외부가 너무 덥거나 흐려지면 플라스틱 덮개를 들어올릴 수 있는 능력 이상으로 제어되지 않습니다. 이 플라스틱 덮개는 우박, 비 및 추운 날씨로부터 작물을 보호하고 성장 시즌을 어느 정도 연장합니다. 이러한 저렴한 구조는
상추, 콩, 토마토, 오이, 양배추, 호박과 같은 채소 작물에 대한 투자에 대한 실행 가능한 수익. 이러한 다중 터널의 농업은 토양에서 수행되는 반면, 고급 작업에서는 토마토, 블루베리, 가지 또는 고추에 큰 화분과 물방울 관개를 사용할 수 있습니다. 그러나 낮은 기술로 보호된 작물은 소규모 재배자에게 적합하지만 이러한 기술에는 몇 가지 단점이 있습니다. 환경 통제의 부족은 제품의 크기와 품질의 일관성에 영향을 미치므로
슈퍼마켓 및 레스토랑과 같은 까다로운 고객을 위한 이러한 제품의 시장 접근. 작물이 일반적으로 토양에 심어진다는 점을 감안할 때, 이 농부들은 또한 수많은 해충 및 토양 매개 질병(예: 지속적인 선충류 침입)에 직면해 있습니다. 산업 및 연구 파트너는 생산물을 수출하기 위한 스마트 거래 시스템뿐만 아니라 시설 설계 및 작물 관리 시스템 전반에 걸쳐 솔루션을 제공하는 데 혁신이 필요합니다.
지속적인 공급망을 유지합니다. 자금 지원 기관의 인센티브 및 지원과 대학 및 기업의 기술 혁신(예: 생물학적 제어, 관개 및 온도 제어의 부분 자동화)은 재배자가 보다 발전된 기술 작물 시스템으로 전환하는 데 도움이 될 수 있습니다.
2.2. 혁신과 신기술로 중형 기술 온실 업그레이드
중형 기술 보호작물은 환경이 통제된 온실과 온실을 포함하는 광범위한 범주입니다. 보호작물 부문의 이 부분은 첨단 온실에서 생산되는 고품질 농산물과 저기술 폴리터널을 배치하는 농장의 대규모 식량 생산과 경쟁하려면 상당한 기술 업그레이드가 필요합니다. 중간 기술 온실의 환경 제어는 일반적으로 부분적이거나 집중적이며 일부 온실의 온도는 지붕을 수동으로 열어 제어할 수 있지만,
고급 시설에는 냉방 및 난방 장치가 있습니다. 중형 기술 온실에서 에너지 비용과 탄소 발자국을 줄이기 위해 태양 전지판과 스마트 필름의 사용이 조사되고 있습니다[21-23].
많은 온실이 여전히 PVC 또는 유리 클래딩으로 만들어지지만 스마트 필름을 이러한 구조에 적용하거나 온실 설계에 통합하여 에너지 효율성을 높일 수 있습니다. 일반적으로 고급 온실은 작물 수확량을 최대화하기 위해 다양한 성장 단계에서 신중하게 보정된 액체 비료 수령과 함께 Rockwool 블록과 같은 재배 매체를 사용합니다. CO2 비료는 때때로 수확량과 품질을 높이기 위해 중간 기술 온실에서 사용됩니다. 중형 기술 보호 작물 부문은 높은 수확량과 품질의 새로운 작물 유전자형, 통합된 해충 관리, 완전 자동화된 비료 및 온실 기후 제어, 작물 관리의 로봇 지원을 포함한 첨단 과학 및 기술 솔루션을 생성하기 위해 산학 협력의 혜택을 받을 것입니다. 그리고 수확.
2.3. 첨단 온실을 위한 과학 기술의 혁신
첨단 온실은 작물 생리학, 비료, 재활용 및 조명 분야의 최신 기술 발전을 통합할 수 있습니다. 예를 들어 대규모 상업용 온실에서는 '스마트 유리' 기술, 태양광 발전(PV) 시스템 및 LED 패널과 같은 보조 조명을 사용하여 작물 품질과 수확량을 향상시킬 수 있습니다. 생산자들은 또한 작물 모니터링, 수분 및 수확과 같은 중요 및/또는 노동 집약적 영역을 점점 더 자동화하고 있습니다.
인공 지능(AI)과 기계 학습(MI)의 발전은 첨단 온실의 새로운 차원을 열었습니다[24-28]. AI는 빅 데이터의 패턴을 식별하고 일반적으로 인간 지능과 관련된 작업을 수행하도록 훈련된 일련의 컴퓨터 인코딩 규칙 및 통계 모델입니다. 이미지 인식에 사용되는 AI는 작물 상태를 모니터링하고 질병의 징후를 인식하는 데 사용되어 작물 관리 및 수확에 대한 보다 빠르고 정확한 의사 결정을 가능하게 합니다.
사람의 노동이 아닌 로봇팔로 사물 인터넷(IoT)은 온실 애플리케이션을 위해 특별히 맞춤화할 수 있는 자동화 솔루션을 제공합니다[29]. 따라서 AI와 IoT는 농업 활동을 제어하고 자동화함으로써 현대 농업 분야에 크게 기여할 수 있습니다[30].
농업 로봇 분야의 연구 개발은 지난 31년 동안 크게 성장했습니다[33-76.5]. 상업적 실행 가능성에 근접한 고추의 자율적 수확 시스템은 호주에서 31%의 수확 성공률로 시연되었습니다[34,35]. 토마토 식물 잎 제거, 고추(피망) 수확 및 토마토 작물 수분을 위한 로봇의 프로토타입[XNUMX]이 유럽과 이스라엘에서 개발되었으며 가까운 장래에 상용화될 수 있습니다.
또한, 대규모 하이테크 온실을 위한 노무 관리 소프트웨어 시스템은 근로자의 효율성을 크게 최적화하여 이들 기업의 경제적 전망을 개선할 것입니다. IT 및 엔지니어링 혁명은 보호작물 및 실내 농업을 계속 강화하여 재배자가 컴퓨터와 모바일 장치에서 작물을 모니터링하고 관리할 수 있게 하여 중요한 농업 및
시장 결정. 첨단 온실은 호주의 보호작물 부문에 가장 큰 혜택을 줄 수 있는 잠재력이 있으므로 이러한 시설에 대한 지속적인 연구와 혁신은 시간과 돈을 잘 투자한 것으로 해석될 수 있습니다.
2.4. 미래 수요를 위한 수직 농장 개발
최근 몇 년 동안 전 세계적으로 특히 인구가 많고 토지가 부족한 국가에서 실내 '수직 농업'의 급속한 발전이 목격되었습니다[36,37]. 수직 농업은 6억 달러의 가치를 나타내지만 수십조 달러 규모의 세계 농업 시장에서 작은 부분으로 남아 있습니다[38]. 수직 농업에는 다양한 반복이 있지만 모두 완전히 밀폐되고 통제된 환경에서 수직으로 쌓인 흙이 없는 또는 수경 재배 선반을 사용하여 높은 수준의 자동화, 통제 및 일관성을 허용합니다[39]. 그러나 수직 농업은 평방 미터당 비할 데 없는 생산성과 높은 수준의 물 및 양분 효율성을 제공함에도 불구하고 높은 에너지 비용으로 인해 고가치 및 짧은 수명 주기의 작물에 국한되어 있습니다.
수직 농업의 기술적 차원, 특히 '스마트' 온실의 도래는 AI 및 사물 인터넷(IoT)과 같은 새로운 컴퓨터 및 빅 데이터 기술과 함께 일하기를 열망하는 재배자들을 끌어들일 가능성이 높습니다[40]. 현재 모든 형태의 실내 농업은 에너지 집약적이며 노동 집약적이지만 자동화 및 에너지 효율 기술 모두에서 큰 발전의 여지가 있습니다. 이미 가장 발전된 형태의 실내 농업은 현장에서 자체 에너지를 공급하며 일반 전력망과 무관합니다. 옥상 정원은 도시 건물 위의 단순한 디자인부터 뉴욕과 파리의 시정촌 건물에 있는 기업 옥상 기업에 이르기까지 다양합니다. 실내 수직 농업은 특히 COVID-19 전염병의 여파로 밝은 미래를 가지고 있으며,
고효율 생산 시스템, 공급망 및 물류 비용 절감, 자동화 가능성(취급 최소화), 노동력과 소비자 모두에게 쉽게 접근할 수 있습니다.
3. 보호 작물의 대상 작물
현재 실내 농업에 적합한 작물은 특정 고부가가치 작물을 허용하는 높은 에너지 비용(조명, 난방, 냉방 및 다양한 자동화 시스템 운영)과 같은 보호작물 제한뿐만 아니라 실내 생육을 위한 작물 제한으로 인해 그 수가 제한되어 있습니다. 41-43]. 그러나 보호작물이 농업에 상당한 영향을 미치려면 다양한 식용 작물을 경제적으로 생산하는 것이 필수적입니다.
세계 식량 안보 [12,13,44]. 보호된 채소 재배를 위한 작물 품종은 보호 작물에 반드시 필요한 것은 아니지만 광범위한 환경 조건에 대한 내성을 위해 자란 노지 생산의 품종과 크게 다릅니다. 적합한 품종을 개발하려면 다음과 같이 간주되는 특성과 다른 여러 특성(예: 자가 수분, 불확정 성장, 튼튼한 뿌리)의 최적화가 필요합니다.
옥외 작물에서 바람직합니다(그림 2)([13]에서 채택).
그림 2. 야외에서 필드 조건에서 재배되는 작물에 비해 통제된 환경 조건에서 실내에서 자라는 결실 작물에 대한 바람직한 특성.
현재 실내 농업에 가장 적합한 과일과 채소는 다음과 같습니다.
• 덩굴이나 관목에서 자라는 것(토마토, 딸기, 라즈베리, 블루베리, 오이, 고추, 포도, 키위);
• 고가의 특수작물(홉, 바닐라, 사프란, 커피);
• 약용 및 미용 작물(해초, 에키네시아);
• 작은 나무(체리, 초콜릿, 망고, 아몬드)는 다른 실행 가능한 옵션입니다[13].
다음 섹션에서는 현재 존재하는 작물과 실내 농업을 위한 새로운 품종 개발에 대해 더 자세히 논의합니다.
3.1. 저, 중, 첨단 시설에서 재배되는 기존 작물
저기술 및 중간 기술의 보호작물 시스템은 주로 토마토, 오이, 호박, 고추, 가지, 상추, 아시아 채소 및 허브를 생산합니다. 면적, 과일 생산량, 사업체 수로 보면 토마토가 온실에서 생산되는 가장 중요한 원예용 채소 작물이며, 그 다음으로 고추, 상추 등이다[15,45].
호주에서 대규모 제어 환경 시설의 개발은 주로 토마토 재배를 위해 건설된 시설로 제한되었습니다[15]. 2017년 과일, 채소 및 꽃의 추정 GVP는 밭과 보호작물 시설에서 호주 보호작물 부문에서 토마토가 우세함을 보여줍니다.
2017년 원예작물의 밭 및 은폐 생산과 관련된 전체 추정 GVP는 토마토(24%)가 가장 높았고, 딸기(17%), 여름 과일(13%), 꽃(9%), 블루베리가 그 뒤를 이었습니다. (7%), 오이(7%), 고추(6%), 아시아 야채, 허브, 가지, 체리 및 베리가 각각 6% 미만을 차지합니다(그림 3A).
그림 3. 호주의 경우 2017년 보호작물 하에 재배된 작물의 전체 결합된 경작지 및 보호작물 채소 생산(A)에 대한 추정 총생산 가치(GVP) 및 귀속 GVP(B).
이 중 보호작물 시스템에서 재배된 작물의 GVP는 토마토(40%)가 가장 높았으며, 이는 꽃(11%), 딸기(10%), 여름 과일(8%)을 포함한 다른 작물에 비해 상당한 차이를 보였습니다. ) 및 열매(8%), 나머지 각 작물은 5% 미만을 차지합니다(그림 3B). 그러나 호주 국내 시장은 온실 토마토로 포화되어 보호 작물 산업을 떠나게 됩니다.
다음 두 가지 옵션이 있습니다. 국제 시장에서 이러한 작물의 판매를 늘리십시오. 및/또는 국가의 기존 온실 재배자 중 일부가 다른 고부가가치 작물 생산으로 전환하도록 장려합니다. 보호 하에 재배되는 개별 작물의 비율은 딸기(85%)와 토마토(80%)가 가장 높았고, 꽃(60%), 오이(50%), 체리 및 아시아 야채(각 40%), 딸기 및 여름이 그 뒤를 이었습니다.
과일(각 30%), 블루베리와 허브(각 25%), 마지막으로 고추와 가지(각 20%)[17]. 현재 에너지 집약적이고 노동 집약적인 실내 농업은 낮은 에너지 투입량으로 단기간에 생산할 수 있는 고부가가치 작물에 국한되어 있다[46,47].
식물 '공장'에서 현재 재배되는 주요 작물은 잎이 많은 채소와 허브인데, 이러한 작물의 짧은 성장 기간(과일과 씨앗이 필요하지 않기 때문에)과 높은 가치[7], 이러한 작물이 상대적으로 적은 빛을 필요로 한다는 사실 광합성을 위해 [48] 생산된 식물 바이오매스의 대부분을 수확할 수 있기 때문입니다[46,49]. 도시 농장에서 재배되는 작물의 수확량과 품질을 향상시킬 수 있는 큰 잠재력이 있습니다[12].
3.2. 산업 조사: 참가자의 이익은 어디에 있습니까?
주요 연구 주제의 식별은 보호작물의 미래를 위한 공공 및 민간 자금 지원 연구의 효율성을 개선하는 데 필수적입니다. 예를 들어, New South Wales Farmers Association(NSW Farmers), University of New South Wales(UNSW) 및 Food Innovation Australia Ltd.(FIAL)가 시작한 FFSCRC(Future Food Systems Co-operative Research Center)는 컨소시엄으로 구성되어 있습니다. 60 개 이상의 창립
업계, 정부 및 연구 참가자. 연구 및 역량 프로그램은 참가자들이 지역 및 도시 근교 식품 시스템의 생산성을 최적화하고 프로토타입에서 시장으로 신제품을 출시하고 농장에서 소비자까지 신속하고 출처가 보호된 공급망을 구현하도록 지원하는 것을 목표로 합니다. 이를 위해 FFSRC는 최고 품질의 원예 농산물 수출 능력을 강화하고 호주가 보호 작물 분야의 과학 및 기술 리더가 되도록 돕기 위해 보호작물 개선을 목표로 하는 공동 연구 환경을 제공합니다.
참가자들을 대상으로 실내농업 대상작물을 조사하였다. 대상작물을 파악한 참가자 중 신선채소(29%)에 대한 관심이 가장 높았고, 과일작물(22%)에 대한 관심이 그 뒤를 이었습니다. 약용 대마초, 기타 약초 및 특화 작물(13%); 토착종(10%); 버섯/곰팡이(10%); 및 잎이 많은 채소(3%)(그림 4).
그림 4. 보호작물 시설에서 현재 FFSCRC 참가자가 생산하는 작물의 분류 및 이에 따라 이러한 작물을 은폐 상태에서 보다 생산적으로 재배하기 위한 솔루션을 찾는 데 참가자가 관심을 가질 가능성이 있습니다.
설문 조사는 온라인에서 제공되는 참가자에 대한 정보를 기반으로 했습니다. 더 자세한 정보를 얻는 것은 참가자의 특정 요구 사항을 이해하고 충족하는 데 중요합니다.
3.3. 통제된 환경 시설을 위한 새로운 품종 육종
채소 및 기타 작물의 개량을 위한 육종 기술이 빠르게 발전하고 있습니다[50]. 보호작물인 보호작물에서는 시장 동향과 소비자 선호도가 급격히 변화하는 역동적인 경제 부문에서 올바른 품종을 선택하는 것이 중요합니다[44,51]. 토마토와 가지와 같은 고부가가치 작물을 온실 생산에 적용하는 것을 평가하는 많은 연구가 있습니다[52,53]. 새로운 육종 기술[50]은 원하는 특성을 가진 새로운 품종의 개발을 촉진했으며 일부 회사는 LED 조명 아래 통제된 환경에서 성장하기 위한 식물을 설계하기 시작했습니다[20]. 그러나 품종은 주로 매우 다양한 현장 조건에서 수확량을 최대화하기 위해 사육되었습니다[46]. 가뭄, 더위 및 서리에 대한 내성과 같은 작물 특성은 밭에서 재배되는 작물에서 바람직하지만 일반적으로 수확량 불이익을 수반합니다.
실내 농업.
고부가가치 작물을 실내 농업에 적응시키는 데 목표로 삼을 수 있는 주요 특성에는 짧은 수명 주기, 지속적인 개화, 낮은 뿌리 대 싹 비율, 낮은 광합성 에너지 투입에서 향상된 성능, 맛, 색상, 질감 및 특정 영양소 함량 [12,13]. 또한 고품질을 위해 특별히 번식하면 높은 시장 가치를 지닌 매우 바람직한 제품을 생산할 수 있습니다. 빛의 스펙트럼, 온도, 습도 및 영양 공급을 관리하여 잎과 과일에 목표 화합물의 축적을 변경하고 [54,55] 단백질(양 및 품질), 비타민 A, C를 포함한 작물의 영양가를 높일 수 있습니다. 및 E, 카로티노이드, 플라보노이드, 미네랄, 배당체 및 안토시아닌 [12]. 예를 들어, 자연적으로 발생하는 돌연변이(포도나무에서)와 유전자 편집(키위에서)이 식물 구조를 수정하는 데 사용되어 제한된 공간에서 실내에서 자라는 데 유용합니다. 최근 연구에서 토마토와 체리 식물은 CRISPR–Cas9를 사용하여 다음 세 가지 바람직한 특성을 결합하도록 설계되었습니다: 왜소한 표현형, 조밀한 성장 습관 및 조숙한 개화. 실내 농업 시스템에 사용하기 위한 결과 '편집된' 토마토 품종의 적합성은 현장 및 상업용 수직 농장 시험을 사용하여 검증되었습니다[56].
최적화된 작물을 만들기 위한 분자 육종에 대한 고찰에서는 건강에 유익한 농작물과 식용 의약품을 개발함으로써 농산물의 부가가치를 논의하였다[46]. 건강상의 이점이 있는 농작물을 개발하기 위한 주요 접근법은 바람직한 고유 영양소의 대량 축적 또는 바람직하지 않은 화합물의 감소 및
일반적으로 작물에서 생산되지 않습니다.
4. 보호작물 및 실내 농업의 도전과 기회
고급 보호작물 및 실내 농업 시설은 환경에 미치는 영향이 상대적으로 적습니다. 은폐 작물을 재배하는 것은 다른 많은 농업 방법보다 에너지 집약적이지만 날씨의 영향을 완화하고 추적 가능성을 보장하며 더 나은 품질의 식품을 재배하는 능력은 고품질 농산물의 일관된 전달을 촉진하여 추가 생산 비용을 훨씬 능가하는 수익을 창출합니다. [18]. 보호 작물의 주요 과제는 다음과 같습니다.
• 도심 및 교외 지역의 높은 토지 가격으로 인한 높은 자본 비용;
• 높은 에너지 소비;
• 숙련된 노동력에 대한 수요;
• 화학적 통제가 없는 질병 관리; 그리고
• 실내에서 재배되는 작물에 대한 영양 품질 지수 개발 - 농산물의 품질 측면을 정의하고 인증합니다.
다음 섹션에서는 보호작물과 관련된 몇 가지 도전과 기회에 대해 논의합니다.
4.1. 높은 생산성과 효율적인 자원 사용을 위한 최적의 조건
재배자가 통제된 환경에서 비용 효율적인 작물 생산을 유지하려면 다양한 성장 단계와 다양한 조명 조건에서 작물 요구 사항을 더 잘 이해하는 것이 필수적입니다. 기후 및 영양 요소, 구조적 및 기계적 조건을 포함한 온실 환경을 효율적으로 관리하면 과일 품질과 수확량이 크게 증가할 수 있습니다[57]. 성장 환경 요인은 식물 성장, 증발산 속도 및 생리적 주기에 영향을 줄 수 있습니다. 기후 요인 중 광합성에는 빛이 필요하기 때문에 일사량이 가장 중요하며, 작물 수확량은 광합성을 위한 광포화점까지의 일조량에 정비례합니다. 종종 정밀한 환경 제어는 높은 에너지 소비를 요구하여 제어된 환경 농업의 수익성을 감소시킵니다. 온실 난방 및 냉방에 필요한 에너지는 에너지 비용을 줄이려는 사람들의 주요 관심사이자 목표로 남아 있습니다[6]. Smart Glass[58]와 같은 글레이징 재료와 혁신적인 유리 기술은 온실 온도 유지 및 환경 변수 제어와 관련된 비용을 절감할 수 있는 유망한 기회를 제공합니다. 오늘날, 혁신적인 유리 기술과 효과적인 냉각 시스템이 온실 시설의 보호 작물에 통합되고 있습니다. 글레이징 재료는
과도한 태양 복사를 흡수하고 광전지를 사용하여 전기를 생성하기 위해 빛 에너지를 리디렉션하여 전기 소비 [59,60].
그러나 덮개 재료는 빛[61,62]을 포함한 온실 미기후[63]에 영향을 미치므로 식물 성장 및 생리학, 자원 사용, 작물 수확량 및 품질에 대한 새로운 글레이징 재료의 영향을 평가하는 것이 중요합니다. CO2, 온도, 양분 및 관개와 같은 엄격하게 통제됩니다. 예를 들어, 위치 규칙적인 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)과 페닐-C61-부티르산 메틸 에스테르(PCBM)의 혼합물을 기반으로 하는 반투명 유기 광전지(OPV)를 고추 식물(Capsicum annuum)을 재배하기 위해 테스트했습니다. OPV의 그늘 아래에서 고추 식물은 20.2% 더 많은 과일 덩어리를 생산하고 그늘진 식물은 성장 시즌이 끝날 때 21.8% 더 키가 커졌습니다[64]. 또 다른 연구에서 지붕의 유연한 태양광 패널로 인한 PAR 감소는 수확량, 식물 형태, 가지당 꽃 수, 과일 색상, 견고성 및 pH에 영향을 미치지 않았습니다[65].
반사율이 매우 낮은 '스마트 유리' 필름인 Solar Gard™ ULR-80[58]은 현재 온실 생산에서 테스트 중입니다. 목표는 조정 가능한 빛 투과율을 가진 글레이징 재료의 잠재력을 실현하고 첨단 온실 원예 시설의 운영과 관련된 높은 에너지 비용을 줄이는 것입니다. 스마트 유리(SG) 필름은 상업용 수직 재배 및 관리 방식을 사용하여 채소 작물을 재배하는 시설에서 개별 온실 베이의 표준 유리에 적용되고 있습니다[66,67]. SG 하에서의 가지 실험은 더 높은 에너지와 비료 효율을 보여주었지만[42], 또한 빛이 제한된 광합성의 결과로 꽃 및/또는 과일 낙태 비율이 높기 때문에 가지 수확량도 감소했습니다[58]. 사용된 SG 필름은 최적의 조명 조건을 생성하고 가지와 같은 탄소 흡수율이 높은 과일에 대한 조명 제한을 최소화하기 위해 수정이 필요할 수 있습니다.
스마트 유리와 같은 새로운 에너지 절약 글레이징 재료의 사용은 온실 운영의 에너지 비용을 줄이고 대상 작물 재배를 위한 조명 조건을 최적화할 수 있는 훌륭한 기회를 제공합니다. LLEAF(발광 발광 농업용 필름)와 같은 스마트 커버 필름은 중형 기술 보호 작물에서 식물 성장 및 생식 발달을 향상시키고 제어할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 잎사귀
패널은 식물 성장과 작물 생산성 및 품질을 뒷받침하는 생리학적 과정을 변경함으로써 식물 및 생식 성장을 증가시키는 데 도움이 되는지 여부를 결정하기 위해 다양한 개화 및 비 개화 작물에 대해 테스트할 수 있습니다.
4.2. 해충 및 질병 관리
통제된 보호작물 시설은 해충과 질병을 최소화할 수 있지만 일단 도입되면 독성 합성 화학물질을 사용하지 않고 통제하기가 매우 어렵고 비용이 많이 듭니다. 수직 실내 농업을 통해 수동 및/또는 자동(감지 기술 사용)으로 작물의 해충 또는 질병 징후를 면밀히 모니터링하고 새로운 로봇 기술 및/또는 원격 감지 절차를 채택하면
발병의 조기 발견 및 질병 및/또는 감염된 식물의 제거 [7].
온실에서 효과적인 해충 관리를 위해서는 새로운 통합 해충 관리(IPM) 방법[68]이 필요할 것입니다. 적절한 관리 전략(문화적, 물리적, 기계적, 생물학적, 화학적)과 좋은 문화 관행, 고급 모니터링 기술 및 정확한 식별은 살충제 사용에 대한 의존도를 최소화하면서 채소 생산을 개선할 수 있습니다. 질병 관리에 대한 통합 접근 방식에는 저항성 품종의 사용, 위생, 건전한 문화 관행 및 적절한 살충제 사용이 포함됩니다[44]. 새로운 IPM 전략의 개발은 인건비와 화학 살충제 적용의 필요성을 최소화할 수 있습니다. 예를 들어, 상업적으로 사육되고 자연적으로 유익한 새로운 해충(예: 진딧물, 풀잠자리 등)을 사용하여 작물 해충을 관리하고 화학 물질 방제에 대한 의존도를 줄이는 경우를 생각해 보십시오. 다양한 새로운 IPM 테스트
전략은 단독으로 또는 조합하여 재배자를 위한 작물 및 시설별 권장 사항을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.
4.3. 작물의 품질과 영양가
보호작물은 재배자 및 업계 파트너에게 일년 내내 높은 수확량과 고품질 농산물을 제공합니다[69]. 그러나 고급 과일과 채소를 재배하려면 영양 및 품질 매개변수에 대한 높은 처리량 테스트가 필요합니다[70]. 기본 과일 품질 매개변수에는 수분 함량, pH, 총 용해성 고형분, 회분, 과일 색상, 아스코르브산 및 적정 산도, 설탕, 지방, 단백질, 비타민 및 항산화제를 포함한 고급 영양 매개변수가 포함됩니다. 견고함과 수분 손실 측정도 품질 지수를 정의하는 데 중요합니다[66]. 게다가, 작물 생산의 고처리량 품질 테스트는 자동화된 온실 운영 시스템에 통합될 수 있습니다. 품질 매개변수에 대해 사용 가능한 작물 유전자형을 스크리닝하면 재배자와 소비자에게 새로운 고가치의 영양가 높은 과일 및 채소 품종을 제공할 수 있습니다. 성장 환경 및 작물 관리 관행을 포함한 농업 전략은 이러한 고부가가치 작물의 생산 및 식물 영양소 밀도를 향상시키기 위해 최적화되어야 합니다.
4.4. 고용 및 숙련된 노동력 가용성
보호작물 산업에 대한 노동 요구 사항이 확대되고 있으며(연간 >5%) 현재 호주 전역에서 10,000명 이상의 사람들이 해당 산업에 직접 고용된 것으로 추정됩니다. 높은 수준의 자동화에도 불구하고 대규모 보호작물에는 특히 작물 재배, 작물 관리, 기계적 수분 및 수확물에 상당한 노동력이 필요합니다. 수요가 증가함에 따라
고도로 숙련된 재배자의 경우 적절하게 숙련된 근로자의 공급이 여전히 낮습니다[18,71]. 기술자, 프로젝트 관리자, 유지 보수 작업자, 마케팅 및 소매 직원[7]을 위한 새로운 경력을 창출할 도시 수직 농업의 개발을 위해서는 숙련된 인력도 필요합니다[XNUMX]. 다목적 상업 규모의 첨단 시설을 구축하면 연구 문제를 해결할 수 있는 기회가 제공되어 다양한 작물에서 생산성을 극대화하는 동시에 미래의 보호작물 부문에서 수요가 높을 것으로 예상되는 기술에 대한 교육과 훈련을 제공할 수 있습니다.
5. 결론
스마트 기술이 적용된 첨단 온실에서는 작물 모니터링, 수분 및 수확과 같은 중요 및/또는 노동 집약적 영역을 자동화하여 수익성을 개선할 수 있는 큰 잠재력이 있습니다. AI, 로봇 공학 및 ML의 개발은 보호작물을 위한 새로운 차원을 열고 있습니다. 수직 농장은 세계 농업 시장의 작은 부분을 차지하며 에너지 집약적임에도 불구하고 수직 농업은 높은 수준의 물과 영양소 효율성으로 비할 데 없는 생산성을 제공합니다. 보호작물 생산이 세계 식량 안보에 긍정적인 영향을 미치려면 다양한 작물의 경제적인 생산이 필수적입니다. 저기술 및 중기술 보호작물 시스템은 아시아 채소 및 허브와 함께 주로 토마토, 오이, 호박, 고추, 가지 및 상추 작물을 생산합니다.
호주에서 대규모 제어 환경 시설의 개발은 주로 토마토 재배에 국한되었습니다. 적합한 품종을 개발하려면 옥외 작물에서 바람직한 것으로 간주되는 것과는 다른 몇 가지 주요 특성을 최적화해야 합니다. 실내 농업의 대상이 될 수 있는 주요 특성에는 작물 수명 주기 감소, 지속적인 개화, 낮은 뿌리 대 싹 비율, 낮은 광합성 환경에서 향상된 성능 등이 있습니다.
에너지 입력, 맛, 색상, 질감 및 특정 영양소 함량과 같은 바람직한 소비자 특성.
또한, 특히 고품질의 영양 밀도가 높은 작물을 위한 육종은 우수한 시장 가치를 지닌 바람직한 원예(및 잠재적으로 의약품) 제품을 생산할 것입니다. 보호작물의 수익성과 지속가능성은 시작 비용, 에너지 소비, 숙련된 노동, 해충 관리 및 품질 지수 개발을 포함한 주요 문제에 대한 솔루션 개발에 달려 있습니다.
현재 연구 또는 시험 중인 새로운 글레이징 재료와 기술 발전은 가장 시급한 보호 작물 문제 중 하나를 해결하는 솔루션을 제공합니다. 이러한 발전은 잠재적으로 보호 작물 부문이 지속 가능하고 비용 효율적인 수준의 에너지 효율성으로 전환하는 데 도움이 되고 작물 품질과 영양을 유지하면서 식량 안보에 대한 증가하는 요구를 충족하는 데 필요한 향상을 제공할 수 있습니다.
유해한 환경 영향을 최소화합니다.
저자 기여: SGC DTT, Z.-HC, OG 및 CIC가 제공한 입력 및 수정으로 리뷰를 작성했습니다. 모든 저자는 원고의 출판된 버전을 읽고 동의했습니다.
기금: 이 검토는 업계, 연구자 및 커뮤니티 간의 업계 주도 협력을 지원하는 Future Food Systems Cooperative Research Centre에서 의뢰하고 자금을 지원한 보고서를 기반으로 합니다. 또한 Horticulture Innovation Australia 프로젝트(DTT, Z.-HC, OG, CIC에 보조금 번호 VG16070, DTT, Z.-HC에 보조금 번호 VG17003, Z.-HC에 보조금 번호 LP18000) 및 CRC 프로젝트 P2로부터 재정 지원을 받았습니다. -013(DTT, Z.-HC, OG, CIC).
기관 검토 위원회 성명서: 해당 사항 없음.
사전 동의 진술: 해당 사항 없음.
데이터 가용성 설명: 해당 사항 없음.
이해 상충 : 저자는 아무런 이해 상충을 선언하지 않습니다.
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기사/추가 교육 기회 제공-채식 산업 회원/ (13년 2022월 XNUMX일 액세스).