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Capitolo 2 Acquaponica: chiusura del ciclo sulle risorse limitate di acqua, terra e nutrienti

1. 2.1 Introduzione

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Il termine «punto di ribaltamento» è attualmente utilizzato per descrivere i sistemi naturali che sono sull'orlo di cambiamenti significativi e potenzialmente catastrofici (Barnosky et al. 2012). I sistemi di produzione alimentare agricola sono considerati uno dei principali servizi ecologici che si stanno avvicinando a un punto di svolta, poiché il cambiamento climatico genera sempre più nuovi rischi di parassiti e malattie, fenomeni meteorologici estremi e temperature globali più elevate. Anche la cattiva gestione del territorio e le pratiche di conservazione del suolo, l'esaurimento dei nutrienti del suolo e il rischio di pandemie minacciano l'approvvigionamento alimentare mondiale.

   I seminativi disponibili per l'espansione agricola sono limitati e l'aumento della produttività agricola negli ultimi decenni è principalmente il risultato di una maggiore intensità di coltura e di una migliore resa delle colture rispetto all'espansione della massa agricola (ad esempio, il 90% dei guadagni nella produzione agricola è stato un risultato di aumento della produttività, ma solo il 10% a causa dell'espansione del territorio) (Alexandratos e Bruinsma 2012; Schmidhuber 2010). Si stima che la popolazione mondiale raggiunga gli 8,3-10,9 miliardi di persone entro il 2050 (Bringezu et al. 2014), e questa crescente popolazione mondiale, con un corrispondente aumento del consumo totale e pro capite, pone una vasta gamma di nuove sfide sociali. Il rapporto 2017 della Convenzione delle Nazioni Unite per combattere la desertificazione (UNCCD) Global Land Outlook Working Paper rileva tendenze preoccupanti che interessano la produzione alimentare (Thomas et al. 2017), tra cui il degrado del suolo, la perdita di biodiversità e di ecosistemi, e la diminuzione della resilienza in risposta alle sollecitazioni ambientali, come così come un crescente divario tra produzione alimentare e domanda. La distribuzione irregolare delle forniture alimentari comporta una quantità insufficiente di cibo, o una mancanza di cibo di qualità nutrizionale sufficiente per una parte della popolazione mondiale, mentre in altre parti del mondo l'eccesso di consumo e le malattie legate all'obesità sono diventate sempre più comuni. Questa contrapposizione squilibrata tra fame e malnutrizione in alcune parti del mondo, con lo spreco alimentare e il consumo eccessivo in altre, riflette complessi fattori correlati che includono la volontà politica, la scarsità di risorse, l'accessibilità dei terreni, i costi dell'energia e dei fertilizzanti, le infrastrutture di trasporto e una serie di altri fattori socioeconomici che influenzano la produzione e la distribuzione di alimenti.

   Recenti esami degli approcci alla sicurezza alimentare hanno determinato che è necessario un approccio «acqua-energia-cibo nesso» per comprendere, analizzare e gestire efficacemente le interazioni tra i sistemi globali di risorse (Scott et al. 2015). L'approccio del nexus riconosce l'interrelazione tra la base di risorse — terra, acqua, energia, capitale e manodopera — e incoraggia consultazioni e collaborazioni intersettoriali al fine di bilanciare i diversi obiettivi e interessi degli utenti delle risorse. Esso mira a massimizzare i benefici complessivi pur mantenendo l'integrità dell'ecosistema al fine di raggiungere la sicurezza alimentare. La produzione alimentare sostenibile richiede quindi un utilizzo ridotto delle risorse, in particolare dell'acqua, del suolo e dei combustibili fossili che sono limitati, costosi e spesso scarsamente distribuiti in relazione alla crescita della popolazione, nonché il riciclo delle risorse esistenti quali acqua e sostanze nutritive all'interno dei sistemi di produzione per minimizzare gli sprechi

   In questo capitolo, discutiamo una serie di sfide attuali in relazione alla sicurezza alimentare, concentrandosi sui limiti delle risorse e sui modi in cui le nuove tecnologie e approcci interdisciplinari come l'acquaponica possono aiutare ad affrontare il nesso acqua-alimentare in relazione agli obiettivi delle Nazioni Unite per lo sviluppo sostenibile. Ci concentriamo sulla necessità di un maggiore riciclo dei nutrienti, sulla riduzione del consumo di acqua e di energia non rinnovabile, nonché sull'aumento della produzione alimentare su terreni marginali o inadatti all'agricoltura.

2. 2.2 Domanda e offerta alimentare

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   2.2.1 Previsioni

   Negli ultimi 50 anni, l'offerta alimentare totale è aumentata quasi triplicata, mentre la popolazione mondiale è aumentata solo di due volte, un cambiamento che è stato accompagnato da cambiamenti significativi nella dieta legati alla prosperità economica (Keating et al. 2014). Negli ultimi 25 anni, la popolazione mondiale è aumentata del 90% e dovrebbe raggiungere i 7,6 miliardi nella prima metà del 2018 (Worldometers). Le stime dell'aumento della domanda alimentare mondiale nel 2050 rispetto al 2010 variano tra il 45% e il 71% a seconda delle ipotesi relative ai biocarburanti e ai rifiuti, ma chiaramente c'è un divario di produzione che deve essere colmato. Al fine di evitare un'inversione delle recenti tendenze al ribasso della denutrizione, devono esserci riduzioni della domanda alimentare e/o minori perdite nella capacità di produzione alimentare (Keating et al. 2014). Un motivo sempre più importante per l'aumento della domanda alimentare è il consumo pro capite, dovuto all'aumento del reddito pro capite, caratterizzato da spostamenti verso alimenti ricchi di proteine, in particolare a base di carne (Ehrlich e Harte 2015b). Questa tendenza crea ulteriori pressioni sulla catena di approvvigionamento alimentare, dal momento che i sistemi di produzione basati sugli animali richiedono generalmente più risorse, sia nel consumo di acqua che nei mangimi (Rask and Rask 2011; Ridoutt et al. 2012; Xue e Landis 2010). Anche se il tasso di crescita della domanda alimentare è diminuito negli ultimi decenni, se le attuali traiettorie nella crescita della popolazione e nei cambiamenti alimentari sono realistiche, la domanda globale di prodotti agricoli crescerà all'1,1-1,5% all'anno fino al 2050 (Alexandratos e Bruinsma 2012).

   La crescita demografica nelle aree urbane ha esercitato pressioni sui terreni tradizionalmente utilizzati per le colture a base di suolo: le richieste di alloggi e servizi continuano ad invadere le prime terre agricole e ad aumentare il suo valore ben al di là di ciò che gli agricoltori potrebbero ricavare dalla coltivazione. Quasi il 54% della popolazione mondiale vive ora in aree urbane (Esch et al. 2017), e la tendenza verso l'urbanizzazione non mostra segni di riduzione. I sistemi di produzione in grado di fornire in modo affidabile alimenti freschi vicini ai centri urbani sono richiesti e aumenteranno con l'aumento dell'urbanizzazione. Ad esempio, l'aumento dell'agricoltura verticale in centri urbani come Singapore, dove la terra è a un premio, fornisce un forte suggerimento che i sistemi agricoli concentrati e altamente produttivi saranno parte integrante dello sviluppo urbano in futuro. I progressi tecnologici stanno rendendo sempre più economici i sistemi di coltivazione indoor, ad esempio lo sviluppo di luci a LED per orticoltura, estremamente durature ed efficienti dal punto di vista energetico, ha aumentato la competitività dell'agricoltura indoor e la produzione ad alte latitudini.

   L'analisi dell'agrobiodiversità mostra costantemente che i paesi ad alto e medio reddito ottengono alimenti diversificati attraverso il commercio nazionale o internazionale, ma ciò implica anche che la produzione e la diversità alimentare sono disaccoppiate e quindi più vulnerabili alle interruzioni delle linee di approvvigionamento rispetto ai paesi a basso reddito dove la maggior parte del cibo è prodotta a livello nazionale o regionale (Herrero et al. 2017). Inoltre, con l'aumento delle dimensioni delle aziende agricole, la diversità delle colture, soprattutto per le colture appartenenti a gruppi alimentari altamente nutrienti (ortaggi, frutta, carne), tende a diminuire a favore dei cereali e dei legumi, il che rischia di limitare la disponibilità locale e regionale di diversi gruppi alimentari (Herrero et al. 2017).

3. 2.3 Terreni seminativi e sostanze nutritive

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   2.3.1 Previsioni

   Anche se è necessario produrre più cibo, i terreni utilizzabili per le pratiche agricole sono intrinsecamente limitati a circa il 20 -30% della superficie terrestre mondiale. La disponibilità di terreni agricoli è in diminuzione e vi è una carenza di terreni adatti dove è più necessario, vale a dire in particolare nei pressi di centri abitati. Il degrado del suolo è uno dei principali fattori che contribuiscono a questo declino e può generalmente essere suddiviso in due modi: spostamento (erosione del vento e dell'acqua) e deterioramento chimico e fisico del suolo interno (perdita di sostanze nutritive e/o di sostanze organiche, salinizzazione, acidificazione, inquinamento, compattazione e ristagno). La stima del degrado totale del suolo naturale e indotto dall'uomo in tutto il mondo è irto di difficoltà data la variabilità delle definizioni, della gravità, della tempistica, della categorizzazione del suolo, ecc. Tuttavia, è generalmente concordato che le sue conseguenze hanno portato alla perdita della produzione primaria netta su vaste aree (Esch et al. 2017), limitando così gli aumenti dei seminativi e coltivati permanentemente al 13% nei quattro decenni dai primi anni '60 alla fine degli anni '90 (Bruinsma 2003). Ancora più importante in relazione alla crescita demografica in quel periodo di tempo, i terreni seminativi pro capite sono diminuiti di circa il 40% (Conforti 2011). Il termine «seminativi» implica la disponibilità di nutrienti adeguati per sostenere la produzione di colture. Per contrastare l'esaurimento dei nutrienti, il consumo mondiale di fertilizzanti è passato da 90 kg/ha nel 2002 a 135 kg nel 2013 (Pocketbook 2015). Tuttavia, l'aumento dell'uso di fertilizzanti spesso provoca eccessi di nitrati e fosfati che finiscono negli ecosistemi acquatici (Bennett et al. 2001), causando fioriture di alghe ed eutrofizzazione quando la biomassa algale decomposizione consuma ossigeno e limita la biodiversità della vita acquatica. I cambiamenti ambientali indotti da nitrati e fosfati sono particolarmente evidenti nei bacini idrici e nelle zone costiere.

   Azoto, potassio e fosforo sono i tre principali nutrienti essenziali per la crescita delle piante. Anche se la domanda di fertilizzanti al fosforo continua a crescere esponenzialmente, le riserve di fosfato di roccia sono limitate e le stime suggeriscono che saranno esaurite entro 50-100 anni (Cordell et al. 2011; Steen 1998; Van Vuuren et al. 2010). Inoltre, l'apporto di azoto antropogenico dovrebbe guidare gli ecosistemi terrestri verso maggiori limitazioni del fosforo, anche se una migliore comprensione dei processi è critica (Deng et al. 2017; Goll et al. 2012; Zhu et al. 2016). Attualmente, non ci sono sostituti del fosforo in agricoltura, ponendo così vincoli sulla futura produttività agricola che si basa sull'apporto di fertilizzanti chiave del fosfato estratto (Sverdrup e Ragnarsdottir 2011). Il «paradosso P», in altre parole, un eccesso di P che compromette la qualità dell'acqua, insieme alla sua carenza di risorse non rinnovabili, significa che ci devono essere aumenti sostanziali nel riciclaggio e nell'efficienza del suo utilizzo (Leinweber et al. 2018).

   Le moderne pratiche agricole intensive, come la frequenza e la tempistica della lavorazione o del no-till, l'applicazione di erbicidi e pesticidi e l'aggiunta non frequente di sostanze organiche contenenti micronutrienti, possono alterare la struttura del suolo e la sua biodiversità microbica in modo tale che l'aggiunta di fertilizzanti non più aumenta la produttività per ettaro. Dato che i cambiamenti nell'uso del suolo hanno provocato perdite di carbonio organico del suolo stimate intorno all'8%, e le perdite previste tra il 2010 e il 2050 sono 3,5 volte quella cifra, si presume che la capacità di ritenzione idrica del suolo e le perdite di nutrienti continueranno, soprattutto in vista del riscaldamento globale (Esch et al. 2017) . Ovviamente ci sono dei compromessi tra soddisfare i bisogni umani e non compromettere la capacità della biosfera di sostenere la vita (Foley et al. 2005). Tuttavia, quando si modellano i confini planetari in relazione alle attuali pratiche di uso del suolo, è chiaro che è necessario migliorare il ciclo N e P, principalmente riducendo le emissioni di azoto e fosforo e il deflusso dai terreni agricoli, ma anche migliorando la cattura e il riutilizzo (Conijn et al. 2018).

   2.3.2 Acquaponica e sostanze nutritive

   Uno dei principali vantaggi dell'acquaponica è che consente il riciclo delle risorse nutritive. L'apporto di nutrienti nella componente del pesce deriva dai mangimi, la cui composizione dipende dalla specie bersaglio, ma i mangimi in acquacoltura costituiscono tipicamente una parte significativa dei costi di produzione e possono essere superiori alla metà del costo totale annuo di produzione. In alcuni progetti di acquaponica, la biomassa batterica può anche essere sfruttata come mangime, ad esempio, dove la produzione di biofloc rende i sistemi acquaponici sempre più autonomi (Pinho et al. 2017).

   Le acque reflue provenienti da penne o piste a gabbia aperta vengono spesso scaricate nei corpi idrici, dove si traduce in inquinamento dei nutrienti e successiva eutrofizzazione. Al contrario, i sistemi acquaponici prendono i nutrienti disciolti dai mangimi per pesci e dalle feci non mangiati, e utilizzano microbi che possono abbattere la materia organica, convertire l'azoto e il fosforo in forme biodisponibili per l'uso da parte delle piante nell'unità idroponica. Al fine di raggiungere livelli di produzione vegetale economicamente accettabili, la presenza di opportuni assemblaggi microbici riduce la necessità di aggiungere gran parte dei nutrienti supplementari utilizzati abitualmente nelle unità idroponiche autonome. Pertanto l'acquaponica è un sistema di scarico vicino allo zero che offre non solo benefici economici da flussi di produzione ittica e vegetale, ma anche notevoli riduzioni degli scarichi nocivi per l'ambiente provenienti dai siti di acquacoltura. Elimina anche il problema del deflusso ricco di N e P dai fertilizzanti utilizzati nell'agricoltura basata sul suolo. Nei sistemi acquaponici disaccoppiati, i bioreattori aerobici o anaerobici possono essere usati anche per trattare i fanghi e recuperare macro e micronutrienti significativi in forme biodisponibili per il successivo utilizzo nella produzione idroponica (Goddek et al. 2018) (cfr. cap. 8)))). Nuovi sviluppi entusiasmanti come questi, molti dei quali sono ora in fase di realizzazione per la produzione commerciale, continuano a perfezionare il concetto di economia circolare consentendo sempre di più il recupero dei nutrienti.

4. 2.4 Controllo dei parassiti, delle erbacce e delle malattie

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   2.4.1 Previsioni

   È generalmente riconosciuto che il controllo di malattie, parassiti ed erbacce è una componente critica per frenare le perdite di produzione che minacciano la sicurezza alimentare (Keating et al. 2014). Infatti, l'aumento dell'uso di antibiotici, insetticidi, diserbanti e fungicidi per ridurre le perdite e migliorare la produttività ha consentito un aumento drammatico della produzione agricola nella seconda metà del XX secolo. Tuttavia, queste pratiche sono anche legate a una serie di problemi: inquinamento provocato da composti organici persistenti nei suoli e nelle acque di irrigazione, cambiamenti nell'attività rizobatterica e micorrizica nei suoli, contaminazione delle colture e del bestiame, sviluppo di ceppi resistenti, effetti dannosi sugli impollinatori e vasta gamma di rischi per la salute umana (Bringezu et al. 2014; Ehrlich e Harte 2015a; Esch et al. 2017; FAO 2015b). La lotta contro i parassiti, le erbacce e le malattie in modo da ridurre l'uso di queste sostanze è citata praticamente in ogni invito a fornire sicurezza alimentare a una popolazione mondiale in crescita.

   2.4.2 Controllo di parassiti, erbacce e malattie

   Essendo un sistema chiuso con misure di biosicurezza, i sistemi aquaponici richiedono molto meno applicazioni di pesticidi chimici nella componente vegetale. Se le scorte di sementi e trapianti sono accuratamente maneggiate e monitorate, i contaminanti infestanti, fungini e batterici/alghe possono essere controllati in unità idroponiche con misure mirate piuttosto che l'applicazione preventiva diffusa di erbicidi e fungicidi prevalenti nell'agricoltura del suolo. Man mano che la tecnologia continua a progredire, gli sviluppi come le serre a pressione positiva possono ridurre ulteriormente i problemi dei parassiti (Mears and Both 2001). Le caratteristiche progettuali per ridurre i rischi di parassiti possono ridurre i costi in termini di prodotti chimici, manodopera, tempi di applicazione e attrezzature, soprattutto perché l'impronta del terreno dei sistemi acquaponici su scala industriale è ridotta e i sistemi sono compatti e strettamente contenuti, rispetto all'equivalente area di produzione aperta di ortaggi e colture frutticole di aziende agricole convenzionali a base di suolo.

   L'uso della RAS nei sistemi acquaponici impedisce inoltre la trasmissione di malattie tra gli stock di allevamento e le popolazioni selvatiche, il che rappresenta una preoccupazione pressante per l'acquacoltura a penna a rete aperta e fluida (Read et al. 2001; Samuel-Fitwi et al. 2012). L'uso di antibiotici di routine non è generalmente richiesto nella componente RAS, poiché si tratta di un sistema chiuso con pochi vettori disponibili per l'introduzione della malattia. Inoltre, l'uso di antimicrobici e antiparassitari è generalmente scoraggiato, in quanto può essere dannoso per il microbiota che sono cruciali per convertire i rifiuti organici e inorganici in composti utilizzabili per la crescita delle piante nell'unità idroponica (Junge et al. 2017). Se la malattia dovesse emergere, il contenimento dei pesci e delle piante dall'ambiente circostante rende la decontaminazione e l'eradicazione più gestibili. Sebbene i sistemi chiusi chiaramente non alleviino completamente tutti i problemi di malattie e parassiti (Goddek et al. 2015), adeguate misure di biocontrollo già praticate nella RAS autonoma e nell'idroponica determinano riduzioni significative del rischio. Tali questioni sono discusse più dettagliatamente nei capitoli successivi (per i pesci, cfr. cap. 6; per le piante, ulteriori dettagli in cap. 14) .

5. 2.5 Risorse idriche

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   2.5.1 Previsioni

   

   Fig. 2.1 Impronta d'acqua (L per kg). I pesci nei sistemi RAS utilizzano la minor quantità di acqua di qualsiasi sistema di produzione alimentare

   Oltre a richiedere applicazioni di fertilizzanti, le moderne pratiche agricole intensive pongono anche elevate esigenze di risorse idriche. Tra i flussi biochimici (Fig. 2.1), la scarsità idrica è ora considerata uno dei fattori più importanti che limitano la produzione alimentare (Hoekstra et al. 2012; Porkka et al. 2016). Gli aumenti della popolazione mondiale previsti e gli spostamenti nella disponibilità di acqua terrestre a causa dei cambiamenti climatici, richiedono un uso più efficiente dell'acqua in agricoltura. Come notato in precedenza, entro il 2050, la produzione agricola aggregata dovrà produrre il 60% in più di cibo a livello globale (Alexandratos e Bruinsma 2012), con una stima del 100% in più nei paesi in via di sviluppo, sulla base della crescita demografica e delle aspettative crescenti per gli standard di vita (Alexandratos e Bruinsma 2012; OMS 2015). La carestia in alcune regioni del mondo, così come la malnutrizione e la fame nascosta, indica che l'equilibrio tra domanda alimentare e disponibilità ha già raggiunto livelli critici e che la sicurezza alimentare e idrica sono direttamente collegate (McNeill et al. 2017). Le previsioni sui cambiamenti climatici suggeriscono una riduzione della disponibilità di acqua dolce e una corrispondente diminuzione delle rese agricole entro la fine del XXI secolo (Misra 2014).

   Il settore agricolo rappresenta attualmente circa il 70% del consumo di acqua dolce in tutto il mondo e il tasso di prelievo supera addirittura il 90% nella maggior parte dei paesi meno sviluppati del mondo. La scarsità idrica aumenterà nei prossimi 25 anni a causa della crescita demografica prevista (Connor et al. 2017; Esch et al. 2017), con le ultime previsioni di modellazione che diminuiranno la disponibilità idrica nel prossimo futuro per quasi tutti i paesi (Distefano e Kelly 2017). Le Nazioni Unite prevedono che il perseguimento di pratiche commerciali come al solito comporterà un deficit idrico globale del 40% entro il 2030 (Acqua 2015). A questo proposito, poiché le risorse idriche sotterranee per l'irrigazione sono esaurite o contaminate e le regioni aride subiscono una maggiore siccità e scarsità d'acqua dovute al cambiamento climatico, l'acqua destinata alla produzione agricola diventerà sempre più preziosa (Ehrlich e Harte 2015a). La crescente scarsità di risorse idriche compromette non solo la sicurezza idrica per il consumo umano, ma anche la produzione alimentare globale (McNeill et al. 2017). Dato che la scarsità idrica è prevista anche in aree che attualmente dispongono di risorse idriche relativamente sufficienti, è importante sviluppare tecniche agricole con un basso fabbisogno idrico e migliorare la gestione ecologica delle acque reflue attraverso un migliore riutilizzo (FAO 2015a).

   Il Rapporto sullo sviluppo idrico mondiale delle Nazioni Unite per il 2017 (Connor et al. 2017) si concentra sulle acque reflue come fonte non sfruttata di energia, sostanze nutritive e altri sottoprodotti utili, con implicazioni non solo per la salute umana e ambientale, ma anche per la sicurezza alimentare ed energetica, nonché per la mitigazione dei cambiamenti climatici. La relazione chiede tecnologie adeguate e convenienti, insieme a quadri giuridici e normativi, meccanismi di finanziamento e una maggiore accettabilità sociale del trattamento delle acque reflue, con l'obiettivo di raggiungere il riutilizzo delle acque nell'ambito di un'economia circolare. Il rapporto indica anche un rapporto del Forum Economico Mondiale del 2016 che elenca la crisi idrica come il rischio globale di massima preoccupazione nei prossimi 10 anni.

   Il concetto di «impronta idrica» come misura dell'uso delle risorse d'acqua dolce da parte degli esseri umani è stato formulato al fine di informare lo sviluppo delle politiche in materia di utilizzo dell'acqua. Un'impronta idrica ha tre componenti: (1) acqua blu, che comprende le acque superficiali e sotterranee consumate durante la produzione di prodotti o perse per evaporazione, (2) acqua verde che è l'acqua piovana utilizzata soprattutto nella produzione agricola e (3) l'acqua grigia, che è l'acqua inquinata ma ancora all'interno dell'acqua esistente standard di qualità (Hoekstra e Mekonnen 2012). Questi autori hanno mappato le impronte idriche dei paesi di tutto il mondo e hanno scoperto che la produzione agricola rappresenta il 92% del consumo globale di acqua dolce, e la produzione industriale utilizza il 4,4% del totale, mentre l'acqua domestica solo il 3,6%. Ciò solleva preoccupazioni circa la disponibilità di acqua e ha portato a sforzi di educazione pubblica volti a sensibilizzare le quantità di acqua necessarie per produrre vari tipi di cibo, nonché le vulnerabilità nazionali, soprattutto nei paesi scarsamente idrici del Nord Africa e del Medio Oriente.

   2.5.2 Acquaponica e conservazione dell'acqua

   Il concetto economico di produttività comparativa misura la quantità relativa di una risorsa necessaria per produrre un'unità di beni o servizi. L'efficienza è generalmente interpretata come maggiore quando il requisito per l'immissione di risorse è inferiore per unità di beni e servizi. Tuttavia, quando l'efficienza dell'uso dell'acqua viene esaminata in un contesto ambientale, occorre tenere conto anche della qualità dell'acqua, poiché il mantenimento o il miglioramento della qualità dell'acqua aumenta anche la produttività (Hamdy 2007).

   Il crescente problema della scarsità idrica richiede miglioramenti nell'efficienza dell'uso dell'acqua, soprattutto nelle regioni aride e semiaride, dove la disponibilità di acqua per l'agricoltura e la qualità delle acque di scarico sono fattori critici nella produzione alimentare. In queste regioni, il ricircolo dell'acqua nelle unità acquaponiche può raggiungere una notevole efficienza di riutilizzo dell'acqua del 95 -99% (Dalsgaard et al. 2013). Anche la domanda di acqua è inferiore a 100 L/kg di pesce raccolto, e la qualità dell'acqua viene mantenuta all'interno del sistema di produzione delle colture (Goddek et al. 2015). Ovviamente, tali sistemi devono essere costruiti e gestiti per ridurre al minimo le perdite d'acqua; devono anche ottimizzare il rapporto tra acqua di pesce e piante, poiché questo rapporto è molto importante per massimizzare l'efficienza del riutilizzo dell'acqua e garantire il massimo riciclo dei nutrienti. Algoritmi di modellazione e soluzioni tecniche sono in fase di sviluppo per integrare miglioramenti nelle singole unità e per capire meglio come gestire l'acqua in modo efficace ed efficiente (Vilbergsson et al. 2016). Ulteriori informazioni sono fornite in Chaps. 9 e 11.

   Alla luce del fabbisogno di suolo, acqua e nutrienti, l'impronta idrica dei sistemi acquaponici è notevolmente migliore dell'agricoltura tradizionale, dove la qualità e la domanda dell'acqua, insieme alla disponibilità di terreni coltivabili, i costi dei fertilizzanti e dell'irrigazione sono tutti vincoli all'espansione (Fig. 2.1).

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   Fig. 2.2 Rapporti di conversione dei mangimi (FCR) basati su kg di mangime per peso vivo e kg di mangime per porzione commestibile. Solo gli insetti, che vengono mangiati interi in alcune parti del mondo, hanno un FCR migliore dei pesci

6. 2.6 Utilizzazione del suolo

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   2.6.1 Previsioni

   A livello globale, le colture terrestri e i pascoli occupano circa il 33% del totale dei terreni disponibili e l'espansione per usi agricoli tra il 2000 e il 2050 dovrebbe aumentare del 7— 31% (350—1500 Mha, a seconda della fonte e delle ipotesi sottostanti), il più delle volte a scapito delle foreste e delle zone umide (Bringezu et al. 2014). Mentre attualmente vi sono ancora terreni classificati come «buoni» o «marginali» che sono disponibili per l'agricoltura alimentata a pioggia, parti significative di essi sono lontane dai mercati, mancano di infrastrutture o presentano malattie endemiche, terreni inadatti o altre condizioni che limitano il potenziale di sviluppo. In altri casi, le terre rimanenti sono già protette, boschive o sviluppate per altri usi (Alexandratos e Bruinsma 2012). Al contrario, gli ecosistemi delle zone aride, definiti nella commissione per lo sviluppo sostenibile delle Nazioni Unite come aree aride, semiaride e subumide aride che tipicamente hanno una bassa produttività, sono minacciati dalla desertificazione e sono quindi inadatti all'espansione agricola, ma hanno comunque molti milioni di persone che vivono nelle immediate vicinanze (Economic 2007). Questi fatti indicano la necessità di un'intensificazione più sostenibile della produzione alimentare più vicina ai mercati, preferibilmente su terreni in gran parte improduttivi che potrebbero non diventare mai adatti all'agricoltura basata sul suolo.

   I due fattori più importanti che contribuiscono all'efficienza degli input agricoli sono considerati da alcuni esperti: i) l'ubicazione della produzione alimentare in aree in cui le condizioni climatiche (e del suolo) aumentano naturalmente l'efficienza e ii) la riduzione degli impatti ambientali della produzione agricola (Michael e David 2017). L'offerta di biomassa coltivata deve essere aumentata grazie all'intensificazione della produzione per ettaro, accompagnata da una diminuzione dell'onere ambientale (ad esempio degradazione della struttura del suolo, perdite di nutrienti, inquinamento tossico). In altre parole, l'impronta di una produzione alimentare efficiente deve ridursi, riducendo al minimo gli impatti ambientali negativi.

   2.6.2 Acquaponica e utilizzo del suolo

   I sistemi di produzione Aquaponic sono privi di suolo e cercano di riciclare i nutrienti essenziali per la coltivazione di pesci e piante, utilizzando in tal modo sostanze organiche provenienti da mangimi e rifiuti per ridurre al minimo o eliminare la necessità di fertilizzanti vegetali. Ad esempio, in tali sistemi, l'uso del terreno per estrarre, processare, immagazzinare e trasportare fertilizzanti fosfati o ricchi di potassio diventa inutile, eliminando così il costo intrinseco e il costo di applicazione per questi fertilizzanti.

   La produzione acquaponica contribuisce non solo all'efficienza dell'utilizzo dell'acqua (Sez. 2.5.2), ma anche all'efficienza dell'input agricolo riducendo l'impronta del terreno necessaria per la produzione. Le strutture, ad esempio, possono essere situate su terreni non arabili e in aree suburbane o urbane più vicine ai mercati, riducendo così l'impronta di carbonio associata alle fattorie rurali e il trasporto di prodotti verso i mercati urbani. Con un ingombro ridotto, la capacità di produzione può essere localizzata in aree altrimenti improduttive come tetti o vecchi siti di fabbrica, il che può anche ridurre i costi di acquisto di terreni se tali aree sono ritenute inadatte per abitazioni o attività commerciali al dettaglio. Un ingombro ridotto per la produzione di proteine e verdure di alta qualità in acquaponica può anche eliminare la pressione dalla rimozione di aree naturali e semi-naturali di valore ecologico per l'agricoltura convenzionale.

7. 2.7 Risorse energetiche

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   2.7.1 Previsioni

   Man mano che la meccanizzazione si diffonde a livello globale, l'agricoltura intensiva in campo aperto si affida sempre più fortemente ai combustibili fossili per alimentare le macchine agricole e per il trasporto di fertilizzanti e prodotti agricoli, nonché per gestire le attrezzature per la lavorazione, l'imballaggio e lo stoccaggio. Nel 2010, l'Agenzia Internazionale dell'Energia dell'OCSE ha previsto che il consumo energetico globale sarebbe cresciuto fino al 50% entro il 2035; la FAO ha anche stimato che il 30% del consumo energetico globale è dedicato alla produzione alimentare e alla sua catena di approvvigionamento (FAO 2011). Le emissioni di gas serra (GHG) associate ai combustibili fossili (circa il 14% nell'analisi del ciclo di vita) aggiunte a quelle derivanti dalla produzione di fertilizzanti (16%) e protossido di azoto da terreni medi (44%) (Camargo et al. 2013), contribuiscono in modo sostanziale agli impatti ambientali dell'agricoltura. Una tendenza nel XXI secolo a produrre biocarburanti a base di colture (ad esempio il mais per l'etanolo) per sostituire i combustibili fossili ha accresciuto la pressione sull'eliminazione delle foreste pluviali, delle torbiere, delle savane e dei prati destinati alla produzione agricola. Tuttavia, gli studi indicano la creazione di un «debito di carbonio» da tali pratiche, poiché il rilascio complessivo di COSub2/sub supera le riduzioni dei gas a effetto serra che essi forniscono spostando i combustibili fossili (Fargione et al. 2008). Probabilmente un simile debito di carbonio esiste quando si sgombra terreni per coltivare colture alimentari attraverso un'agricoltura convenzionale che si basa su combustibili fossili.

   In un'analisi comparativa dei sistemi di produzione agricola, è stato riscontrato che i sistemi di pesca con reti a strascico e di acquacoltura a ricircolo (RAS) emettono gas GHG 2—2,5 volte quello della pesca non con reti a strascico e dell'acquacoltura non RAS (penna, pista). In RAS, questi requisiti energetici riguardano principalmente il funzionamento di pompe e filtri (Michael e David 2017). Allo stesso modo, i sistemi di produzione in serra possono emettere gas serra fino a tre volte di più rispetto alla produzione di colture in campo aperto se è necessaria energia per mantenere il calore e la luce entro intervalli ottimali (ibid.). Tuttavia, questi dati sui gas a effetto serra non tengono conto di altri impatti ambientali dei sistemi non RAS, come l'eutrofizzazione o i potenziali trasferimenti di agenti patogeni verso gli stock selvatici. Non considerano neppure i gas a effetto serra derivanti dalla produzione, dal trasporto e dall'applicazione di erbicidi e pesticidi utilizzati nella coltivazione in campo aperto, né il metano e il protossido di azoto provenienti dalla produzione animale associata, entrambi con un potenziale di riscaldamento serra (GWP) di 100 anni 25 e 298 volte quello di COsub2/sub, rispettivamente (Camargo et al. 2013; Eggleston et al. 2006).

   Queste stime sobrie del consumo energetico attuale e futuro e delle emissioni di gas serra associate alla produzione alimentare hanno spinto nuovi modelli e approcci, ad esempio l'approccio del nesso acqua-alimentare-energia dell'ONU menzionato nella Sez. 2.1. Gli Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni Unite hanno individuato la vulnerabilità della produzione alimentare alle fluttuazioni dei prezzi dell'energia come fattore chiave dell'insicurezza alimentare. Ciò ha spinto gli sforzi per rendere i sistemi agroalimentari «intelligenti», ponendo l'accento sul miglioramento dell'efficienza energetica, sull'aumento dell'uso delle fonti energetiche rinnovabili e sull'incoraggiamento dell'integrazione della produzione alimentare ed energetica (FAO 2011).

   2.7.2 Acquaponica e Risparmio energetico

   I progressi tecnologici nelle operazioni dei sistemi acquaponici si stanno muovendo verso una sempre più «smart energetica» e riducendo il debito di carbonio derivante da pompe, filtri e dispositivi di riscaldamento/raffreddamento mediante l'utilizzo di energia elettrica generata da fonti rinnovabili. Anche a latitudini temperate, molti nuovi progetti consentono di reintegrare completamente l'energia necessaria per il riscaldamento e il raffreddamento di vasche per pesci e serre, in modo che questi sistemi non richiedano ingressi oltre gli array solari o l'elettricità/calore generato dalla produzione di biogas batterica di fanghi derivati dall'acquacoltura (Ezebuiro e Körner 2017; Goddek e Keesman 2018; Kloas et al. 2015; Yogev et al. 2016). Inoltre, i sistemi acquaponici possono utilizzare la denitrificazione microbica per convertire il protossido di azoto in gas di azoto se sono disponibili sufficienti fonti di carbonio provenienti dai rifiuti, in modo tale che i batteri anaerobici eterotrofici e facoltativi possano convertire i nitrati in eccesso in gas azoto (Van Rijn et al. 2006). Come osservato nella [Sez. 2.7.1](#271 -previsioni), il protossido di azoto è un potente gas serra e i microbi già presenti nei sistemi acquaponici chiusi possono facilitarne la conversione in azoto gas.

8. 2.8 Sommario

   Original publication 2019 · Pubblicato per la prima volta su FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Mentre la popolazione umana continua ad aumentare, c'è una crescente domanda di proteine di alta qualità in tutto il mondo. Rispetto alle fonti di carne, il pesce è ampiamente riconosciuto come fonte di proteine particolarmente sana. In relazione all'approvvigionamento alimentare mondiale, l'acquacoltura ora fornisce più proteine di pesce rispetto alla pesca di cattura (FAO 2016). A livello globale, il consumo di pesce umano pro capite continua ad aumentare a un tasso medio annuo del 3,2% (1961-2013), che è il doppio del tasso di crescita della popolazione. Nel periodo 1974-2013, il «sovrasfruttamento» biologicamente insostenibile è aumentato del 22%. Nello stesso periodo, le catture provenienti da quelle che sono considerate attività di pesca «pienamente sfruttate» sono diminuite del 26%. L'acquacoltura rappresenta quindi l'unica soluzione possibile per soddisfare l'aumento della domanda del mercato. Oggi è il settore alimentare in più rapida crescita e quindi una componente importante della sicurezza alimentare (ibid.)

   Con la popolazione globale stimata a 8,3-10,9 miliardi di persone entro il 2050 (Bringezu et al. 2014), lo sviluppo sostenibile dei settori dell'acquacoltura e dell'agricoltura richiede un'ottimizzazione in termini di efficienza produttiva, ma anche una riduzione dell'utilizzo di risorse limitate, in particolare acqua, terra e fertilizzanti. I vantaggi dell'acquaponica non riguardano solo l'uso efficiente del suolo, dell'acqua e delle risorse nutritive, ma consentono anche una maggiore integrazione di opportunità energetiche intelligenti come il biogas e l'energia solare. A questo proposito, l'acquaponica è una tecnologia promettente per produrre proteine di pesce di alta qualità e verdure in modi che possono utilizzare sostanzialmente meno terra, meno energia e meno acqua riducendo al minimo gli input chimici e fertilizzanti utilizzati nella produzione alimentare convenzionale.