Sachin G. Chavan (1,2,*), Zhong-Hua Chen (1,3), Oula Ghannoum (1), Christopher I. Cazzonelli (1) y David T. Tissue 1,2)
1. Centro Nacional de Cultivos Vegetales Protegidos, Instituto Hawkesbury para el Medio Ambiente, Oeste de Sydney
Universidad, bolsa cerrada 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 (TDT)
2. Centro global para la innovación basada en la tierra, campus de Hawkesbury, Universidad de Western Sydney,
Richmond, Nueva Gales del Sur 2753, Australia
3. Facultad de Ciencias, Universidad de Western Sydney, Penrith, NSW 2751, Australia
* Correspondencia: s.chavan@westernsydney.edu.au; Teléfono: +61-2-4570-1913
Resumen: Los cultivos protegidos ofrecen una forma de impulsar la producción de alimentos ante el cambio climático
y entregar alimentos saludables de manera sostenible con menos recursos. Sin embargo, para hacer esta forma de cultivar
económicamente viable, debemos considerar el estado de los cultivos protegidos en el contexto de
tecnologías y cultivos hortícolas objetivo correspondientes. Esta revisión describe las oportunidades existentes
y desafíos que deben ser abordados por la investigación y la innovación en curso en este emocionante pero
campo complejo en Australia. Las instalaciones agrícolas interiores se clasifican en términos generales en los siguientes tres
niveles de avance tecnológico: tecnología baja, media y alta con los desafíos correspondientes
que requieren soluciones innovadoras. Además, las limitaciones en el crecimiento de plantas de interior y protegidas
sistemas de cultivo (por ejemplo, altos costos de energía) han restringido el uso de la agricultura de interior a relativamente
pocos cultivos de alto valor. Por lo tanto, necesitamos desarrollar nuevos cultivares adecuados para la agricultura de interior.
que pueden diferir de los requeridos para la producción en campo abierto. Además, los cultivos protegidos
requiere altos costos de puesta en marcha, mano de obra calificada costosa, alto consumo de energía y plagas significativas
y manejo de enfermedades y control de calidad. En general, los cultivos protegidos ofrecen soluciones prometedoras
para la seguridad alimentaria, al tiempo que reduce la huella de carbono de la producción de alimentos. Sin embargo, para interiores
la producción agrícola tenga un impacto positivo sustancial en la seguridad alimentaria mundial y la nutrición.
seguridad, la producción económica de cultivos diversos será fundamental.
Palabras clave: cultivos protegidos; granja vertical; cultivo sin suelo; rendimiento del cultivo; agricultura de interior;
seguridad alimentaria; sostenibilidad de los recursos
1. Introducción
Se espera que la población mundial alcance casi los 10 2050 millones en 1,2, y se prevé que la mayor parte del crecimiento se produzca en los grandes centros urbanos de todo el mundo [3,4]. A medida que aumenta la población, la producción de alimentos debe aumentar y satisfacer las necesidades de nutrición y salud al tiempo que se alcanzan los Objetivos de Desarrollo Sostenible de las Naciones Unidas (ODS de la ONU) [2018]. La disminución de la tierra cultivable y los impactos adversos del cambio climático en la agricultura plantean desafíos adicionales que obligan a innovar en los futuros sistemas de producción de alimentos para satisfacer la creciente demanda en las próximas décadas. Por ejemplo, las granjas australianas están frecuentemente expuestas a la variabilidad climática y son susceptibles a los impactos del cambio climático a largo plazo. Las sequías recientes en el este de Australia en 19-2019 y 20-5 afectaron negativamente a las empresas agrícolas, lo que se sumó a los efectos emergentes del cambio climático en la agricultura australiana [XNUMX].
Los cultivos protegidos, también conocidos como agricultura de interior [6], que van desde los túneles de polietileno de baja tecnología hasta los invernaderos de tecnología media con control ambiental parcial, los invernaderos "inteligentes" de alta tecnología y las granjas de interior, podrían ayudar a mejorar la seguridad alimentaria mundial en el siglo XXI. siglo. Sin embargo, si bien la visión de una metrópolis autosostenible es atractiva como una forma de abordar los desafíos contemporáneos, la adopción de la agricultura de interior no ha coincidido con la
el entusiasmo y el optimismo de sus defensores. Los cultivos protegidos y la agricultura de interior implican un mayor uso de la tecnología y la automatización para optimizar el uso de la tierra, ofreciendo así soluciones interesantes para mejorar la producción de alimentos en el futuro [7]. En todo el mundo, el desarrollo de la agricultura urbana [8,9] a menudo ha ocurrido después de crisis crónicas y/o agudas, como las limitaciones de luz y espacio en los Países Bajos; el colapso de la industria del motor en Detroit; el desplome del mercado inmobiliario en la costa este de Estados Unidos; y el bloqueo de la crisis de los misiles cubanos. Otro
Los impulsos han llegado en forma de mercados disponibles, es decir, los cultivos protegidos proliferaron en España [10] debido al fácil acceso del país a los mercados del norte de Europa. Junto con los desafíos existentes, la actual pandemia de COVID-19 podría proporcionar el impulso necesario para transformar la agricultura urbana [11].
Para que la agricultura urbana desempeñe un papel importante en la mejora de la seguridad alimentaria y la nutrición humana, debe escalarse a nivel mundial para que tenga la capacidad de cultivar una amplia gama de productos de una manera más eficiente en términos de energía, recursos y costos que actualmente es posible. Existen enormes oportunidades para mejorar la productividad y la calidad de los cultivos al combinar los avances en los controles ambientales, el manejo de plagas, la fenómica y la automatización.
con esfuerzos de mejoramiento dirigidos a rasgos que mejoran la arquitectura de la planta, la calidad del cultivo (sabor y nutrición) y el rendimiento. Una mayor diversidad de cultivos actuales y emergentes en relación con los tipos de cultivos tradicionales, así como plantas medicinales, se puede cultivar en fincas con control ambiental [12,13].
La necesidad inminente de mejorar la seguridad alimentaria urbana y reducir la huella de carbono de los alimentos puede abordarse mediante innovaciones en los sectores agroalimentarios, como los cultivos protegidos y la agricultura vertical en interiores. Estos van desde túneles de polietileno de baja tecnología con un control ambiental mínimo, invernaderos de tecnología media con control ambiental parcial hasta invernaderos de alta tecnología e instalaciones agrícolas verticales con tecnologías de punta. Los cultivos protegidos son el sector de producción de alimentos de más rápido crecimiento en Australia, en términos de escala de producción e impacto económico [12]. La industria australiana de cultivos protegidos consta de instalaciones de alta tecnología (17 %), invernaderos (20 %) y sistemas de producción de cultivos hidropónicos/basados en sustratos (52 %), lo que indica la necesidad y la oportunidad de desarrollar el sector agroalimentario. En esta revisión, discutimos el estado de los cultivos protegidos en el contexto de las tecnologías disponibles y los cultivos hortícolas objetivo correspondientes, describiendo las oportunidades y los desafíos que deben abordarse mediante la investigación en curso en Australia.
2. Técnicas y Tecnologías Actuales en Cultivos Protegidos
En 2019, la superficie total de tierra dedicada a cultivos protegidos, que, en términos generales, implica
cultivos bajo todo tipo de cobertura— se estimó en 5,630,000 hectáreas (ha) a nivel mundial [14]. Se ha estimado que el área total de hortalizas y hierbas cultivadas en invernaderos (estructuras permanentes) es de unas 500,000 10 ha en todo el mundo, con un 90 % de estos cultivos cultivados en invernaderos y un 15,16 % en invernaderos de plástico [1300]. Se estima que el área de invernaderos de Australia es de alrededor de 14 ha, con invernaderos de alta tecnología (alrededor de 5 negocios individuales, cada uno ocupando menos de 17 ha) que representan el 83 % de esta área, e invernaderos de tecnología baja/media que representan el 17 % [80 ]. A nivel mundial, los invernaderos de plástico y los invernaderos constituyen alrededor del 20 % y el 16 %, respectivamente, del total de invernaderos producidos [XNUMX].
El cultivo protegido es el sector de producción de alimentos de más rápido crecimiento en Australia, valorado en alrededor de $ 1.5 mil millones por año en la puerta de la granja en 2017. Se estima que alrededor del 30% de todos los agricultores australianos cultivan cultivos en alguna forma de sistema de cultivo protegido, y que los cultivos bajo cubierta representan alrededor del 20% del valor total de la producción de hortalizas y flores [18]. En Australia, el área estimada de producción de vegetales de invernadero es más alta para el sur de Australia (580 ha), seguido de Nueva Gales del Sur (500 ha) y Victoria (200 ha), mientras que Queensland, Australia Occidental y Tasmania representan menos de 50 ha cada uno [17 ].
Según el Manual de estadísticas de horticultura de Australia (2014-2015) y las discusiones con la industria, se estimó el valor bruto de producción (GVP) de frutas, verduras y flores para 2017. Entre los sistemas de cultivo implementados, cultivos cultivados en hidropónico/sustrato- Los sistemas de producción a base de suelo (52 %) fueron los más valorados, seguidos de los que se cultivan bajo sistemas de fertirrigación del suelo (35 %), con una combinación de fertirrigación del suelo y sistemas hidropónicos/basados en sustrato (11 %), y utilizando un sistema hidropónico/de nutrientes. técnica de película (NFT) (2%) (Figura 1A). De manera similar, entre los tipos de protección, los cultivos cultivados bajo cubiertas de poli/vidrio (63 %) tuvieron el mayor GVP, seguidos por los cultivados bajo cubiertas de poli (23 %), cubiertas contra granizo/sombra (8 %) y la combinación de poli/granizo/sombra. cubre (6%) (Figura 1B) [17]. Dentro de Australia, las estadísticas de GVP de productos hortícolas de invernadero específicos no están fácilmente disponibles [15].
Figura 1 y XNUMX. Producción de valor bruto total (PVB) de cultivos bajo cultivo protegido (2017) por sistema de cultivo (A) y protección (B). La producción hidropónica/basada en sustrato implica el crecimiento de plantas sin suelo utilizando un medio inerte como la lana de roca. La producción basada en suelo/fertirrigación implica el crecimiento de plantas utilizando suelo con fertirrigación (aplicación combinada de fertilizante y agua). La técnica hidropónica/película de nutrientes (NFT, por sus siglas en inglés) implica hacer circular una corriente poco profunda de agua que contiene nutrientes disueltos que pasa a través de las raíces de las plantas en canales herméticos. 'Poli' se refiere al policarbonato.
Las cubiertas para granizo/sombra, generalmente de malla o tela, protegen los cultivos del granizo y bloquean una parte de la luz excesiva. $ se refiere a AUD.
Entre las instalaciones de ambiente controlado en los Estados Unidos, los invernaderos de vidrio o policarbonato (poli) (47 %) son más comunes que las granjas verticales interiores (30 %), las casas de aro de plástico de baja tecnología (12 %), las granjas de contenedores (7 %). ) y sistemas de cultivo en aguas profundas bajo techo (4%). Entre los sistemas de cultivo, la hidroponía (49 %) es más común que los sistemas basados en suelo (24 %), acuapónicos (15 %), aeropónicos (6 %) e híbridos (aeroponía, hidroponía, suelo) (6 %) [19,20].
Australia tiene muy pocas granjas verticales avanzadas establecidas, en gran parte debido al hecho de que tiene pocas ciudades densamente pobladas. Sin embargo, Australia tiene un área de invernadero de alrededor de 1000 ha [16,17] y la exportación de vegetales y frutas frescas aumentó sustancialmente de 2006 a 2016 para Australia [16] con el aumento de los cultivos bajo cubierta. Aunque Australia ha tenido un gran comienzo en la agricultura de interior y el sector tiene un enorme potencial de crecimiento, requiere tiempo para madurar y desarrollarse aún más para convertirse en un actor clave a escala mundial. Actualmente, las instalaciones agrícolas de interior orientadas comercialmente se pueden clasificar en los siguientes tres niveles de avance tecnológico: tecnología baja, media y alta. Cada uno se analiza con mayor detalle en las siguientes secciones.
2.1. Nuevas tecnologías para politúneles de baja tecnología
Los invernaderos de tecnología baja que más contribuyen a los cultivos protegidos tienen varias limitaciones que requieren soluciones tecnológicas para ayudar en su transición a instalaciones rentables de tecnología media o alta que produzcan cultivos de alta calidad con recursos mínimos. Los túneles de polietileno de baja tecnología representan del 80 al 90 % de la producción de cultivos de invernadero a nivel mundial [20] y en Australia [17]. Teniendo en cuenta la gran proporción de politúneles de baja tecnología en cultivos protegidos y sus bajos niveles de clima, fertirrigación y control de plagas, es importante abordar los desafíos asociados para aumentar la producción y los beneficios económicos para los productores.
El nivel de baja tecnología abarca varios tipos de poli-túneles que pueden ir desde estructuras metálicas improvisadas con cubiertas de plástico hasta estructuras permanentes construidas a propósito. Por lo general, no se controlan más allá de la capacidad de levantar la cubierta de plástico cuando afuera hace demasiado calor o está nublado. Estas cubiertas de plástico protegen el cultivo del granizo, la lluvia y el frío y prolongan en cierta medida la temporada de crecimiento. Estas estructuras baratas ofrecen una
retorno viable para la inversión en cultivos de hortalizas como lechuga, frijoles, tomates, pepino, repollo y calabacín. La agricultura en estos politúneles se realiza en el suelo, mientras que las operaciones más avanzadas pueden usar macetas grandes y riego por goteo para tomates, arándanos, berenjenas o pimientos. Sin embargo, mientras que los cultivos protegidos de baja tecnología tienen sentido para los pequeños productores, tales técnicas adolecen de varias deficiencias. Su falta de control ambiental afecta la consistencia del tamaño y la calidad del producto y por lo tanto reduce
el acceso al mercado de estos productos para clientes exigentes como supermercados y restaurantes. Dado que el cultivo generalmente se siembra en el suelo, estos agricultores también se enfrentan a numerosas plagas y enfermedades transmitidas por el suelo (p. ej., infestación persistente de nematodos). Los socios de la industria y la investigación requieren innovaciones para brindar soluciones en el diseño de instalaciones y sistemas de gestión de cultivos, así como sistemas comerciales inteligentes para exportar productos
y mantener una cadena de suministro constante. Los incentivos y el apoyo de los organismos de financiación y las innovaciones tecnológicas (p. ej., control biológico, automatización parcial del riego y control de la temperatura) de universidades y empresas podrían ayudar a los productores a hacer la transición a sistemas de cultivo tecnológicos más avanzados.
2.2. Actualización de invernaderos de tecnología media con innovaciones y nuevas tecnologías
El cultivo protegido de tecnología media es una categoría amplia que abarca invernaderos e invernaderos de ambiente controlado. Esta parte del sector de cultivos protegidos requiere mejoras tecnológicas significativas si quiere competir con la producción de alimentos a gran escala en granjas que implementan túneles de polietileno de baja tecnología y productos de alta calidad de invernaderos de alta tecnología. El control ambiental en los invernaderos de tecnología media suele ser parcial o intensivo y la temperatura de algunos invernaderos se puede controlar abriendo manualmente el techo, mientras que
las instalaciones más avanzadas tienen unidades de refrigeración y calefacción. Se está investigando el uso de paneles solares y películas inteligentes para reducir el costo de la energía y la huella de carbono en invernaderos de tecnología media [21–23].
Si bien muchos invernaderos todavía están hechos de PVC o revestimiento de vidrio, se pueden aplicar películas inteligentes a estas estructuras o se pueden incorporar al diseño del invernadero para aumentar la eficiencia energética. Por lo general, los invernaderos de alta gama utilizan medios de cultivo como bloques Rockwool con recibos de fertilizantes líquidos cuidadosamente calibrados en diferentes etapas de crecimiento para maximizar el rendimiento de los cultivos. La fertilización con CO2 a veces se usa en invernaderos de tecnología media para aumentar el rendimiento y la calidad. El sector de cultivos protegidos de tecnología media se beneficiará de las alianzas entre la industria y la universidad para generar soluciones científicas y tecnológicas avanzadas, incluidos nuevos genotipos de cultivos con alto rendimiento y calidad, manejo integrado de plagas, fertirrigación completamente automatizada y control climático de invernaderos, y asistencia robótica en el manejo de cultivos. y cosecha.
2.3. Innovaciones de la ciencia y la tecnología para invernaderos de alta tecnología
Los invernaderos de alta tecnología pueden incorporar los últimos avances tecnológicos en fisiología de cultivos, fertirrigación, reciclaje e iluminación. En invernaderos comerciales a gran escala, por ejemplo, la tecnología de 'vidrio inteligente', los sistemas solares fotovoltaicos (PV) y la iluminación complementaria, como los paneles LED, se pueden utilizar para mejorar la calidad y el rendimiento de los cultivos. Los productores también están automatizando cada vez más áreas críticas y/o intensivas en mano de obra, como el monitoreo de cultivos, la polinización y la cosecha.
El desarrollo de la inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (MI) ha abierto nuevas dimensiones para los invernaderos de alta tecnología [24–28]. La IA es un conjunto de reglas codificadas por computadora y modelos estadísticos entrenados para discernir patrones en big data y realizar tareas generalmente asociadas con la inteligencia humana. La IA utilizada en el reconocimiento de imágenes se utiliza para monitorear la salud de los cultivos y reconocer signos de enfermedades, lo que permite una toma de decisiones más rápida y mejor informada para el manejo y la cosecha de cultivos, lo que, en estos días, se puede lograr.
por brazos robóticos en lugar de mano de obra humana. Internet de las cosas (IoT) ofrece soluciones para la automatización que se pueden personalizar específicamente para aplicaciones de invernadero [29]. Por lo tanto, AI e IoT pueden contribuir significativamente en el área de la agricultura moderna al controlar y automatizar las actividades agrícolas [30].
La investigación y el desarrollo en el campo de los robots agrícolas ha crecido significativamente en la última década [31–33]. Se demostró un sistema autónomo de cosecha de pimientos que se acerca a la viabilidad comercial con una tasa de éxito de cosecha del 76.5 % [31] en Australia. En Europa e Israel se han desarrollado prototipos de robots para deshojar plantas de tomate, cosechar capsicum (pimientos morrones) y polinizar cultivos de tomate [34,35], y podrían comercializarse en un futuro próximo.
Además, los sistemas de software de gestión laboral para invernaderos de alta tecnología a gran escala optimizarán significativamente la eficiencia de los trabajadores, mejorando las perspectivas económicas de estos negocios. La revolución de la tecnología de la información y la ingeniería continuará fortaleciendo los cultivos protegidos y la agricultura de interior, lo que permitirá a los productores monitorear y administrar sus cultivos desde computadoras y dispositivos móviles, que incluso se pueden usar para hacer cultivos críticos y
decisiones de mercado. Los invernaderos de alta tecnología tienen el mayor potencial para beneficiar al sector de cultivos protegidos de Australia, por lo que es probable que la investigación y la innovación en curso en estas instalaciones se traduzcan en tiempo y dinero bien invertidos.
2.4. Desarrollo de granjas verticales para necesidades futuras
En los últimos años, se ha observado un rápido desarrollo de la "agricultura vertical" de interior en todo el mundo, especialmente en países con grandes poblaciones y tierra insuficiente [36,37]. La agricultura vertical representa un valor de 6 38 millones de USD, pero sigue siendo una pequeña fracción del mercado agrícola mundial multimillonario [39]. Hay varias iteraciones de agricultura vertical, pero todas ellas utilizan estantes de cultivo hidropónico o sin suelo apilados verticalmente en un entorno completamente cerrado y controlado, lo que permite un alto grado de automatización, control y consistencia [XNUMX]. Sin embargo, la agricultura vertical sigue estando limitada a cultivos de alto valor y ciclo de vida corto debido a los altos costos de energía a pesar de ofrecer una productividad por metro cuadrado sin igual y altos niveles de eficiencia de agua y nutrientes.
Es probable que la dimensión tecnológica de la agricultura vertical, y en particular, el advenimiento de los invernaderos "inteligentes", atraiga a los productores ansiosos por trabajar con tecnologías informáticas y de datos masivos emergentes, como la IA y el Internet de las cosas (IoT) [40]. Actualmente, todas las formas de agricultura de interior requieren mucha energía y mano de obra, aunque hay margen para un gran avance tanto en la automatización como en las tecnologías de eficiencia energética. Las formas más avanzadas de agricultura de interior ya suministran su propia energía en el sitio y son independientes de la red pública general. Los jardines en las azoteas pueden variar desde diseños simples en la parte superior de los edificios de la ciudad hasta empresas corporativas en las azoteas de los edificios municipales de Nueva York y París. La agricultura vertical de interior tiene un futuro brillante, especialmente a raíz de la pandemia de COVID-19 y está bien posicionada para aumentar su participación en el mercado mundial de alimentos, debido a su
sistema de producción altamente eficiente, reducciones en la cadena de suministro y costos logísticos, potencial para la automatización (minimizando el manejo) y fácil acceso tanto a la mano de obra como a los consumidores.
3. Cultivos Objetivo en Cultivos Protegidos
Actualmente, los cultivos adecuados para la agricultura de interior están limitados en número debido a las limitaciones de los cultivos para el crecimiento de interiores, así como a las limitaciones de los cultivos protegidos, como el alto costo de la energía (para iluminación, calefacción, refrigeración y funcionamiento de varios sistemas automatizados) que permite cultivos específicos de alto valor [ 41–43]. Sin embargo, la producción económica de una amplia gama de cultivos comestibles es esencial para que los cultivos protegidos tengan un impacto significativo en
seguridad alimentaria mundial [12,13,44]. Los cultivares de cultivos para el cultivo de vegetales protegidos difieren significativamente de los de la producción de campo abierto que se mejoran para tolerar una amplia gama de condiciones ambientales, lo que no se requiere necesariamente en los cultivos protegidos. El desarrollo de cultivares adecuados requerirá la optimización de varias características (como la autopolinización, el crecimiento indeterminado, raíces robustas) que difieren de las características vistas como
deseable en cultivos al aire libre (Figura 2) (Adoptado de [13]).
Figura 2. Rasgos deseables para cultivos fructíferos cultivados en interiores bajo condiciones de ambiente controlado en relación con cultivos cultivados al aire libre bajo condiciones de campo.
Actualmente, las frutas y verduras mejor adaptadas para la agricultura de interior incluyen:
• Los que crecen en vides o arbustos (tomate, fresa, frambuesa, arándano, pepino, pimiento, uva, kiwi);
• Cultivos especializados de alto valor (lúpulo, vainilla, azafrán, café);
• Cultivos medicinales y cosméticos (algas, Echinacea);
• Los árboles pequeños (cerezos, chocolate, mango, almendras) son otras opciones viables [13].
En las siguientes secciones, discutimos los cultivos existentes actuales y el desarrollo de nuevos cultivares para la agricultura de interior con más detalle.
3.1. Cultivos existentes cultivados en instalaciones de baja, media y alta tecnología
Los sistemas de cultivos protegidos de baja y media tecnología producen principalmente tomates, pepinos, calabacines, pimientos, berenjenas, lechugas, verduras asiáticas y hierbas aromáticas. En términos de superficie, cantidad de fruta producida y número de empresas, el tomate es el cultivo hortícola más importante producido en invernadero, seguido del pimiento y la lechuga [15,45].
En Australia, el desarrollo de instalaciones de ambiente controlado a gran escala se ha limitado principalmente a aquellas construidas para el cultivo de tomates [15]. El GVP estimado de frutas, verduras y flores para 2017, en el campo y en instalaciones de cultivos protegidos, demuestra el predominio del tomate en el sector de cultivos protegidos de Australia.
El VAB general estimado para 2017 con respecto a la producción de cultivos hortícolas en el campo y bajo cubierta fue más alto para el tomate (24 %), seguido de la fresa (17 %), las frutas de verano (13 %), las flores (9 %), el arándano (7 %), pepino (7 %) y pimiento (6 %), y las verduras, hierbas, berenjenas, cerezas y bayas asiáticas representan cada una menos del 6 % (Figura 3A).
Figura 3 y XNUMX. Valor bruto estimado de producción (GVP) para la producción total combinada de hortalizas de campo y cultivos protegidos (A) y GVP imputado de cultivos cultivados bajo cultivos protegidos en 2017 (B) para Australia.
Entre estos, el VBG de los cultivos cultivados en sistemas de cultivos protegidos fue más alto para el tomate (40 %), que superó por un margen significativo a otros cultivos como las flores (11 %), la fresa (10 %), las frutas de verano (8 % ) y bayas (8%), y cada uno de los cultivos restantes representa menos del 5% (Figura 3B). Sin embargo, el mercado interno australiano se ha saturado con tomates de invernadero, lo que deja a la industria de cultivos protegidos
con las siguientes dos opciones: aumentar las ventas de estos cultivos en los mercados internacionales; y/o alentar a algunos de los productores de invernadero existentes en el país a hacer la transición a la producción de otros cultivos de alto valor. La proporción de cultivos individuales bajo protección fue más alta para las bayas (85 %) y el tomate (80 %), seguidas de las flores (60 %), el pepino (50 %), la cereza y las hortalizas asiáticas (40 % cada una), la fresa y el verano.
frutas (30% cada una), arándanos y hierbas (25% cada una), y finalmente, pimiento y berenjena, al 20% cada una [17]. Actualmente, la agricultura de interior intensiva en energía y mano de obra está restringida a cultivos de alto valor que se pueden producir a corto plazo con un bajo consumo de energía [46,47]
En las 'fábricas' de plantas, los cultivos predominantes que se cultivan actualmente son las verduras de hoja verde y las hierbas, debido a los cortos períodos de crecimiento de estos cultivos (porque no se requieren frutos ni semillas) y su alto valor [7], el hecho de que tales cultivos requieren relativamente menos luz para la fotosíntesis [48] y porque la mayor parte de la biomasa vegetal producida puede ser cosechada [46,49]. Existe un gran potencial para mejorar los rendimientos y la calidad de los cultivos cultivados en granjas urbanas [12].
3.2. Encuesta de la industria: ¿Dónde están los intereses de los participantes?
La identificación de temas de investigación clave es esencial para mejorar la eficiencia de la investigación financiada con fondos públicos y privados para el futuro de los cultivos protegidos. Por ejemplo, el Centro de Investigación Cooperativa de Sistemas Alimentarios del Futuro (FFSCRC), iniciado por la Asociación de Agricultores de Nueva Gales del Sur (NSW Farmers), la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) y Food Innovation Australia Ltd. (FIAL), está formado por un consorcio de más de 60 fundaciones
participantes de la industria, el gobierno y la investigación. Sus programas de investigación y capacidad tienen como objetivo ayudar a los participantes a optimizar la productividad de los sistemas alimentarios regionales y periurbanos, llevar nuevos productos desde el prototipo al mercado e implementar cadenas de suministro rápidas y protegidas desde la granja hasta el consumidor. Con ese fin, el FFSRC proporciona un entorno de investigación colaborativo destinado a mejorar los cultivos protegidos para aumentar nuestra capacidad de exportar productos hortícolas de alta calidad y ayudar a Australia a convertirse en un líder en ciencia y tecnología para el sector de cultivos protegidos.
Los participantes fueron encuestados para identificar cultivos objetivo para la agricultura de interior. Entre los participantes que identificaron cultivos objetivo, el interés por las hortalizas frescas (29 %) fue mayor, seguido del interés por los cultivos de frutas (22 %); cannabis medicinal, otras hierbas medicinales y cultivos especializados (13%); especies nativas/indígenas (10%); setas/hongos (10%); y verduras de hoja verde (3%) (Figura 4).
Figura 4 y XNUMX. Clasificación de los cultivos producidos actualmente por los participantes de FFSCRC en instalaciones de cultivos protegidos y, por lo tanto, del probable interés de los participantes en encontrar soluciones para cultivar estos cultivos de manera más productiva bajo techo.
La encuesta se basó en información sobre los participantes disponible en línea; adquirir información más detallada será crucial para comprender y cumplir con los requisitos específicos de los participantes.
3.3. Mejoramiento de nuevos cultivares para instalaciones de ambiente controlado
Las tecnologías de mejoramiento disponibles para la mejora de vegetales y otras plantas de cultivo están avanzando rápidamente [50]. En los cultivos protegidos, un sector económico dinámico con cambios rápidos en las tendencias del mercado y las preferencias de los consumidores, es fundamental elegir el cultivo adecuado [44,51]. Hay muchos estudios que evalúan la adaptación de cultivos de alto valor como el tomate y la berenjena para la producción en invernadero [52,53]. Las nuevas tecnologías de mejoramiento [50] han facilitado el desarrollo de nuevos cultivares con las características deseadas, y algunas empresas han comenzado a diseñar plantas para crecer en ambientes controlados bajo luces LED [20]. Sin embargo, los cultivares se han mejorado principalmente para maximizar el rendimiento en condiciones de campo altamente variables [46]. Las características de los cultivos, como la tolerancia a la sequía, el calor y las heladas, que son deseables en los cultivos de campo, pero que normalmente conllevan penalizaciones en el rendimiento, generalmente no son necesarias en
agricultura de interior.
Los rasgos clave a los que se puede apuntar para adaptar cultivos de mayor valor a la agricultura de interior incluyen ciclos de vida cortos, floración continua, una proporción baja de raíces a brotes, rendimiento mejorado con un bajo aporte de energía fotosintética y rasgos deseables para el consumidor, como sabor, color, textura y contenido de nutrientes específicos [12,13]. Además, la mejora específica para una mayor calidad producirá productos muy deseables con un alto valor de mercado. El espectro de luz, la temperatura, la humedad y el suministro de nutrientes se pueden gestionar para alterar la acumulación de compuestos objetivo en hojas y frutos [54,55] y aumentar el valor nutricional de los cultivos, incluidas las proteínas (cantidad y calidad), vitaminas A, C y E, carotenoides, flavonoides, minerales, glucósidos y antocianinas [12]. Por ejemplo, se han utilizado mutaciones naturales (en la vid) y la edición de genes (en el kiwi) para modificar la arquitectura de la planta, lo que será útil para el cultivo en interiores en espacios restringidos. En un estudio reciente, se diseñaron plantas de tomate y cereza utilizando CRISPR-Cas9 para combinar los siguientes tres rasgos deseables: un fenotipo enano, un hábito de crecimiento compacto y una floración precoz. La idoneidad de las variedades de tomate 'editadas' resultantes para su uso en sistemas de cultivo en interiores se validó mediante ensayos de campo y en granjas verticales comerciales [56].
Una revisión del mejoramiento molecular para crear cultivos optimizados discutió el valor agregado de los productos agrícolas mediante el desarrollo de cultivos agrícolas con beneficios para la salud y como medicamentos comestibles [46]. Los principales enfoques para desarrollar cultivos agrícolas con beneficios para la salud se identificaron como la acumulación de grandes cantidades de un nutriente intrínseco deseable o la reducción de compuestos indeseables, y la acumulación de compuestos valiosos que
normalmente no se producen en el cultivo.
4. Desafíos y Oportunidades en Cultivos Protegidos y Cultivos de Interior
Las instalaciones avanzadas de cultivos protegidos y cultivos de interior tienen un impacto ambiental relativamente pequeño. Si bien los cultivos bajo cubierta consumen más energía que muchos otros métodos agrícolas, la capacidad de mitigar los impactos del clima, garantizar la trazabilidad y cultivar alimentos de mejor calidad promueve la entrega constante de productos de calidad, atrayendo ganancias que superan con creces los costos de producción adicionales. [18]. Los desafíos clave en los cultivos protegidos incluyen:
• Altos costos de capital, debido a los altos precios de la tierra en áreas urbanas y periurbanas;
• Alto consumo de energía;
• Demanda de mano de obra calificada;
• Manejo de enfermedades sin controles químicos; y
• Desarrollo de índices de calidad nutricional—para definir y certificar aspectos de calidad del producto—para cultivos de interior.
En la siguiente sección, discutimos algunos de los desafíos y oportunidades asociados con los cultivos protegidos.
4.1. Condiciones óptimas para una alta productividad y un uso eficiente de los recursos
Una mayor comprensión de los requisitos de los cultivos en las diferentes etapas de crecimiento y bajo diversas condiciones de luz es esencial si los productores quieren mantener una producción de cultivos rentable en entornos controlados. El manejo eficiente del entorno del invernadero, incluidos sus elementos climáticos y nutricionales, y las condiciones estructurales y mecánicas, puede aumentar significativamente la calidad de la fruta y los rendimientos [57]. Los factores ambientales de crecimiento pueden influir en el crecimiento de las plantas, las tasas de evapotranspiración y los ciclos fisiológicos. Entre los factores climáticos, la radiación solar es el más importante ya que la fotosíntesis requiere luz y el rendimiento de los cultivos es directamente proporcional a los niveles de luz solar hasta los puntos de saturación de luz para la fotosíntesis. A menudo, el control ambiental preciso requiere un alto gasto de energía, lo que reduce la rentabilidad de la agricultura de ambiente controlado. La energía requerida para la calefacción y refrigeración de invernaderos sigue siendo una preocupación importante y un objetivo para aquellos que buscan reducir los costos de energía [6]. Los materiales de acristalamiento y las tecnologías de vidrio innovadoras como Smart Glass [58] ofrecen oportunidades prometedoras para reducir el costo asociado con el mantenimiento de la temperatura del invernadero y el control de las variables ambientales. Hoy en día, se están incorporando tecnologías de vidrio innovadoras y sistemas de enfriamiento efectivos en cultivos protegidos en instalaciones de invernadero. Los materiales de acristalamiento tienen el potencial de reducir
consumo de electricidad, al absorber el exceso de radiación solar y redirigir la energía de la luz para generar electricidad utilizando células fotovoltaicas [59,60].
Sin embargo, los materiales de cobertura afectan los microclimas del invernadero [61,62] incluida la luz [63] y, por lo tanto, es importante evaluar el impacto de los nuevos materiales de vidriado en el crecimiento y la fisiología de las plantas, el uso de recursos, el rendimiento y la calidad de los cultivos en entornos en los que los factores como el CO2, la temperatura, los nutrientes y el riego están rigurosamente controlados. Por ejemplo, se probaron fotovoltaicos orgánicos semitransparentes (OPV) basados en la mezcla de poli (3-hexiltiofeno) (P3HT) regioregular y éster metílico del ácido fenil-C61-butírico (PCBM) para cultivar plantas de pimiento (Capsicum annuum). Bajo la sombra de OPV, las plantas de pimiento produjeron un 20.2 % más de masa frutal y las plantas bajo sombra eran un 21.8 % más altas al final de la temporada de crecimiento [64]. En otro estudio, la reducción de PAR causada por paneles fotovoltaicos flexibles en el techo no afectó el rendimiento, la morfología de la planta, el número de flores por rama, el color de la fruta, la firmeza y el pH [65].
Una película de "vidrio inteligente" de reflexión ultrabaja, Solar Gard™ ULR-80 [58], se está probando actualmente en la producción de invernaderos. El objetivo es aprovechar el potencial de los materiales de acristalamiento con transmisión de luz ajustable y reducir el alto costo de energía asociado con las operaciones en instalaciones de horticultura de invernadero de alta tecnología. La película de vidrio inteligente (SG) se está aplicando al vidrio estándar de las bahías de invernaderos individuales en instalaciones que cultivan vegetales utilizando prácticas comerciales de manejo y cultivo vertical [66,67]. Los ensayos de berenjena bajo SG demostraron una mayor eficiencia energética y de fertirrigación [42], pero también redujeron el rendimiento de la berenjena, debido a las altas tasas de aborto de flores y/o frutos como consecuencia de la fotosíntesis limitada por la luz [58]. La película SG utilizada puede necesitar modificaciones para generar condiciones de luz óptimas y minimizar las limitaciones de luz para frutas con alto contenido de carbono, como la berenjena.
El uso de nuevos materiales de acristalamiento que ahorran energía, como el vidrio inteligente, brinda una excelente oportunidad para reducir el costo de energía de las operaciones de invernadero y optimizar las condiciones de luz para el cultivo de cultivos objetivo. Las películas de cubierta inteligente, como las películas agrícolas emisoras de luz luminiscente (LLEAF), tienen el potencial de mejorar y controlar el crecimiento vegetativo y el desarrollo reproductivo en cultivos protegidos de tecnología media. HOJA
los paneles podrían probarse en una variedad de cultivos con y sin flores para determinar si ayudan a aumentar el crecimiento vegetativo y reproductivo (al alterar los procesos fisiológicos que sustentan el crecimiento de las plantas y la productividad y calidad de los cultivos).
4.2. Manejo de Plagas y Enfermedades
Aunque las instalaciones de cultivos protegidos controlados pueden minimizar las plagas y enfermedades, una vez introducidas, son extremadamente difíciles y costosas de controlar sin usar químicos sintéticos tóxicos. La agricultura vertical en interiores permite el monitoreo cercano de los cultivos en busca de signos de plagas o enfermedades, de forma manual y/o automática (usando tecnologías de detección) y la adopción de tecnologías robóticas emergentes y/o procedimientos de detección remota facilitará
la detección temprana de brotes y la eliminación de plantas enfermas y/o infestadas [7].
Se requerirán nuevos métodos de manejo integrado de plagas (MIP) [68] para el manejo efectivo de plagas en invernaderos. Las estrategias de manejo apropiadas (culturales, físicas, mecánicas, biológicas y químicas), junto con buenas prácticas culturales, técnicas avanzadas de monitoreo e identificación precisa pueden mejorar la producción de vegetales y minimizar la dependencia de las aplicaciones de pesticidas. Un enfoque integrado para el manejo de enfermedades involucra el uso de cultivares resistentes, sanidad, buenas prácticas culturales y el uso apropiado de pesticidas [44]. El desarrollo de nuevas estrategias de MIP puede minimizar los costos de mano de obra y la necesidad de aplicar pesticidas químicos. Tomemos, por ejemplo, el uso de insectos nuevos, criados comercialmente y naturalmente beneficiosos (p. ej., pulgón, crisopa verde, etc.) para controlar las plagas de los cultivos y reducir la dependencia del control químico. Probando varios IPM nuevos
Las estrategias, por sí solas y en combinación, ayudarán a desarrollar recomendaciones específicas para los cultivos y las instalaciones para los productores.
4.3. Calidad de los cultivos y valores nutricionales
Los cultivos protegidos brindan a los productores y socios de la industria altos rendimientos y productos de alta calidad durante todo el año [69]. Sin embargo, el cultivo de frutas y verduras de primera calidad requiere pruebas de alto rendimiento de los parámetros nutricionales y de calidad [70]. Los parámetros básicos de calidad de la fruta incluyen contenido de humedad, pH, sólidos solubles totales, cenizas, color de la fruta, ácido ascórbico y acidez titulable, y parámetros nutricionales avanzados que incluyen azúcares, grasas, proteínas, vitaminas y antioxidantes; Las medidas de firmeza y pérdida de agua también son cruciales para definir los índices de calidad [66]. Además, las pruebas de calidad de alto rendimiento de los productos agrícolas podrían incorporarse en un sistema automatizado de operaciones de invernadero. La selección de los genotipos de cultivos disponibles para los parámetros de calidad proporcionará nuevas variedades de frutas y verduras de alto valor y ricas en nutrientes para los productores y consumidores. Las estrategias agronómicas, incluido el entorno de crecimiento y las prácticas de manejo de cultivos, deberán optimizarse para mejorar la producción y la densidad de nutrientes de las plantas de estos cultivos de alto valor.
4.4. Empleo y disponibilidad de mano de obra calificada
Los requisitos de mano de obra para la industria de cultivos protegidos se están expandiendo (> 5% anual) y se estima que más de 10,000 personas en toda Australia están actualmente empleadas directamente por la industria. A pesar de sus altos niveles de automatización, los cultivos protegidos a gran escala requieren una mano de obra significativa, especialmente para el establecimiento y mantenimiento de cultivos, la polinización mecánica y la cosecha de productos. Con la creciente demanda
para los productores altamente calificados, la oferta de trabajadores adecuadamente calificados sigue siendo baja [18,71]. También se requerirá una mano de obra calificada para el desarrollo de la agricultura vertical urbana, que generará nuevas carreras para tecnólogos, gerentes de proyectos, trabajadores de mantenimiento y personal de marketing y venta al por menor [7]. El establecimiento de instalaciones avanzadas multipropósito a escala comercial brindaría la oportunidad de abordar preguntas de investigación, fomentando así el objetivo de maximizar la productividad en una diversidad de cultivos al tiempo que brinda educación y capacitación en habilidades que probablemente tendrán una gran demanda en el futuro sector de cultivos protegidos.
5. Conclusiones
En los invernaderos de alta tecnología con tecnología inteligente, existe un gran potencial para mejorar la rentabilidad mediante la automatización de áreas críticas y/o que requieren mucha mano de obra, como el control de cultivos, la polinización y la cosecha. El desarrollo de IA, robótica y ML está abriendo nuevas dimensiones para los cultivos protegidos. Las granjas verticales constituyen una pequeña fracción del mercado agrícola mundial y, a pesar de ser muy intensivas en energía, la agricultura vertical ofrece una productividad inigualable con altos niveles de eficiencia de agua y nutrientes. La producción económica de diversos cultivos es esencial para que la producción de cultivos protegidos tenga un impacto positivo significativo en la seguridad alimentaria mundial. Los sistemas de cultivo protegido de baja y media tecnología producen principalmente cultivos de tomate, pepino, calabacín, pimiento, berenjena y lechuga, junto con verduras y hierbas asiáticas.
El desarrollo de instalaciones de ambiente controlado a gran escala en Australia se ha limitado principalmente al cultivo de tomates. El desarrollo de cultivares adecuados requerirá la optimización de varios rasgos clave que difieren de los que se consideran deseables en los cultivos al aire libre. Los rasgos clave a los que se puede apuntar para la agricultura de interior incluyen un ciclo de vida de cultivo reducido, floración continua, una proporción baja de raíz a brote, mayor rendimiento bajo condiciones fotosintéticas bajas.
aporte de energía y características deseables para el consumidor, como el sabor, el color, la textura y el contenido de nutrientes específicos.
Además, el mejoramiento específicamente para cultivos de mayor calidad y más densos desde el punto de vista nutricional producirá productos hortícolas deseables (y potencialmente medicinales) con un valor de mercado excelente. La rentabilidad y sostenibilidad de los cultivos protegidos depende del desarrollo de soluciones a los principales desafíos, incluidos los costos iniciales, el consumo de energía, la mano de obra calificada, el manejo de plagas y el desarrollo del índice de calidad.
Los nuevos materiales de vidriado y los avances tecnológicos que se están investigando o probando actualmente ofrecen soluciones para abordar uno de los desafíos más apremiantes de los cultivos protegidos. Estos avances podrían, potencialmente, proporcionar el impulso necesario para ayudar al sector de cultivos protegidos en la transición a un nivel sostenible y rentable de eficiencia energética y satisfacer las crecientes demandas de seguridad alimentaria, manteniendo la calidad de los cultivos y la nutrición.
y minimizar los impactos ambientales dañinos.
Contribuciones de los autores: SGC escribió la revisión con aportes y revisión proporcionados por DTT, Z.-HC, OG y CIC Todos los autores leyeron y aceptaron la versión publicada del manuscrito.
Oportunidades: La revisión se basó en un informe encargado y financiado por el Future Food Systems Cooperative Research Centre, que apoya las colaboraciones lideradas por la industria entre la industria, los investigadores y la comunidad. También recibimos apoyo financiero de proyectos de Horticulture Innovation Australia (Grant number VG16070 to DTT, Z.-HC, OG, CIC; Grant number VG17003 to DTT, Z.-HC; Grant number LP18000 to Z.-HC) and CRC project P2 -013 (TDT, Z.-HC, OG, CIC).
Declaración de la Junta de Revisión Institucional: No aplica.
Declaración de consentimiento informado: No aplica.
Declaración de disponibilidad de datos: No aplica.
Conflictos de interés: Los autores declaran no tener conflicto de intereses.
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