Source material

Глава 1 Аквапоника и глобальные продовольственные проблемы

1. 1.1 Введение

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Производство продовольствия зависит от наличия таких ресурсов, как земля, пресная вода, ископаемые источники энергии и питательные вещества (Conijn et al. 2018), а текущее потребление или деградация этих ресурсов превышает их глобальные темпы регенерации (Van Vuuren et al. 2010). Концепция планетарных границ (рис. 1.1) направлена на определение экологических границ, в рамках которых человечество может безопасно действовать в отношении ограниченных ресурсов (Rockström et al. 2009). Биохимические границы потоков, ограничивающие поставки продовольствия, являются более жесткими, чем изменение климата (Steffen et al. 2015). Помимо переработки питательных веществ, для преобразования текущего производства необходимы изменения в рационе питания и предотвращение образования отходов (Conijn et al. 2018; Kahiluoto et al. 2014). Таким образом, главной глобальной задачей является переход экономической модели, основанной на росте, к сбалансированной экоэкономической парадигме, которая заменит бесконечный рост устойчивым развитием (Manelli 2016). Для сохранения сбалансированной парадигмы необходимы новаторские и более экологически безопасные системы возделывания культур, позволяющие сбалансировать компромисс между насущными потребностями человека при сохранении способности биосферы предоставлять необходимые товары и услуги (Ehrlich and Harte 2015).

   Схема недоступна в этой перенесённой копии; обратитесь к исходному изданию.

   Рис. 1.1 Текущее состояние управляющих переменных для семи планетарных границ, описанных Штеффеном и др. (2015). Зеленая зона — это безопасное рабочее пространство, желтый — зона неопределенности (увеличение риска), красный — зона высокого риска, а границы серой зоны — те, которые еще не были определены в количественном выражении. Переменные параметры, обозначенные синим цветом (т.е. изменение системы суши, использование пресной воды и биохимические потоки), указывают на границы планет, которые аквапоника может оказать положительное влияние на

   В этом контексте аквапоника была определена в качестве подхода к ведению сельского хозяйства, который благодаря рециркуляции питательных веществ и отходов может способствовать достижению как границ планеты (рис. 1.1), так и целей устойчивого развития, особенно в засушливых районах или районах с непахотными почвами (Goddek and Körner 2019; Appelbaum и Kotzen 2016; Котцен и Аппельбаум 2010). Аквапоника также предлагается в качестве решения для использования маргинальных земель в городских районах для производства продуктов питания ближе к рынкам. В свое время аквапоника (Bernstein 2011) стремительно развивается в промышленное производство, поскольку технические усовершенствования в конструкции и практике позволяют значительно увеличить производственные мощности и эффективность производства. Одной из таких областей эволюции является область связанных и развязанных систем аквапоники. Традиционные конструкции одноконтурных систем аквапоники включают как аквакультуры, так и гидропоники, между которыми происходит рециркуляция воды. В таких традиционных системах необходимо идти на компромисс с условиями обеих подсистем с точки зрения pH, температуры и концентраций питательных веществ (Goddek et al. 2015; Kloas et al. 2015) (см. главу 7). Однако развязанная система аквапоники может уменьшить потребность в компромиссах, разделяя компоненты, что позволяет оптимизировать условия в каждой подсистеме. Еще одним ключевым способом достижения максимальной эффективности за счет повторного использования твердых отходов является использование шламовых установок (Emerenciano et al. 2017; Goddek et al. 2018; Monsees et al. 2015). Хотя многие из крупнейших объектов в мире по-прежнему находятся в засушливых районах (например, Аравийский полуостров, Австралия и страны Африки к югу от Сахары), эта технология также внедряется и в других странах, поскольку достижения в области проектирования все чаще делают аквапонику не только водосберегающим предприятием, но и эффективным энергетическим и питательным веществам системы рециркуляции.

2. 1.2 Спрос и предложение

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В Повестке дня в области устойчивого развития на период до 2030 года подчеркивается необходимость решения глобальных проблем, начиная от изменения климата и заканчивая нищетой, при этом устойчивое производство продовольствия является одним из приоритетов (Brandi 2017; UN 2017). Как отражено в Цели 2 ООН в области устойчивого развития (ООН 2017), одна из самых серьезных проблем, стоящих перед миром, заключается в том, как обеспечить, чтобы растущее население планеты, которое, согласно прогнозам, достигнет порядка 10 миллиардов человек к 2050 году, могло удовлетворить свои потребности в питании. Чтобы прокормить еще два миллиарда человек к 2050 году, производство продовольствия должно увеличиться на 50% во всем мире (FAO 2017). Несмотря на то, что необходимо будет производить больше продовольствия, в сельских районах из-за растущей урбанизации наблюдается сокращение рабочей силы (dos Santos 2016). Численность сельского населения в мире сократилась с 66,4% до 46,1% в период с 1960 по 2015 год (FAO 2017). В то время как в 2017 году городское население составляло более 54% от общей численности населения мира, почти весь будущий прирост мирового населения будет происходить в городских районах, так что к 2050 году 66% мирового населения будет жить в городах (UN 2014). Эта растущая урбанизация городов сопровождается одновременно растущей сетью инфраструктурных систем, включая транспортные сети.

   Для обеспечения глобальной продовольственной безопасности в ближайшие десятилетия общий объем производства продовольствия должен увеличиться более чем на 70% для достижения целей в области развития, сформулированных в Декларации тысячелетия (ФАО 2009), которые включают «искоренение крайней нищеты и голода», а также «обеспечение экологической устойчивости». В то же время производство продовольствия неизбежно столкнется с другими проблемами, такими, как изменение климата, загрязнение окружающей среды, утрата биоразнообразия, потеря опылителей и деградация пахотных земель. Эти условия требуют принятия быстрых технологических достижений, более эффективных и устойчивых методов производства, а также более эффективных и устойчивых производственно-сбытовых цепочек с учетом того, что примерно миллиард человек уже хронически недоедают, в то время как сельскохозяйственные системы продолжают деградировать землю, водные ресурсы и биоразнообразие в глобальном масштабе (Foley et al. 2011; Godfray et al. 2010).

   Недавние исследования показывают, что нынешние тенденции в повышении урожайности сельского хозяйства будут недостаточными для удовлетворения прогнозируемого глобального спроса на продовольствие к 2050 году, и это также свидетельствует о необходимости расширения сельскохозяйственных площадей (Bajželj et al. 2014). Однако повсеместная деградация земель в сочетании с другими экологическими проблемами, как представляется, делает это невозможным. Сельскохозяйственные угодья в настоящее время занимают более одной трети общей площади земли в мире, но менее трети ее площади являются пахотными (примерно 10%) (Всемирный банк 2018). За последние три десятилетия доступность сельскохозяйственных угодий медленно снижалась, о чем свидетельствует более чем на 50% сокращение в период с 1970 по 2013 год. Последствия утраты пахотных земель не могут быть устранены путем преобразования природных районов в сельскохозяйственные угодья, поскольку это очень часто приводит к эрозии, а также к утрате среды обитания. Вспашка приводит к потере верхнего слоя почвы в результате ветровой и водной эрозии, что приводит к снижению плодородия почвы, увеличению использования удобрений и, в конечном итоге, к деградации земель. Потери почвы с земли могут в конечном итоге оказаться в прудах, плотинах, озерах и реках, нанося ущерб этим местам обитания.

   Короче говоря, население мира быстро растет, урбанизируется и становится более богатым. В связи с этим меняется также рацион питания, что приводит к увеличению спроса на интенсивные пищевые продукты с парниковыми газами (ПГ), такие, как мясные и молочные продукты, с соответственно более высокими потребностями в земле и ресурсах (Garnett 2011). Но в то время как глобальное потребление растет, имеющиеся в мире ресурсы, т.е. земля, вода и минеральные ресурсы, остаются конечными (Garnett 2011). Однако, рассматривая полный анализ жизненного цикла различных продуктов питания, как Вебер и Мэтьюс (2008), так и Энгельхаупт (2008) предполагают, что изменения в рационе питания могут быть более эффективным средством снижения связанного с пищевыми продуктами воздействия среднего домашнего хозяйства на климат, чем «покупка местного». Поэтому вместо рассмотрения вопроса о сокращении производственно-сбытовых цепочек выдвигается аргумент о том, что переход от мясных и молочных продуктов к сельскому хозяйству, ориентированному на питание, может быть более эффективным с точки зрения сокращения энергии и воздействия (Engelhaupt 2008; Garnett 2011).

   Сложность дисбаланса спроса и предложения усугубляется ухудшением экологических условий, что делает производство продовольствия все более сложным и/или непредсказуемым во многих регионах мира. Сельскохозяйственная практика не только подрывает планетарные границы (рис. 1.1), но и усиливает сохранение и распространение зоонозных заболеваний и других рисков для здоровья (Garnett 2011). Все эти факторы приводят к тому, что глобальная продовольственная система теряет свою устойчивость и становится все более нестабильной (Suweis et al. 2015).

   Достигнутый в 2015 году амбициозный срок достижения целей в области развития, сформулированных в Декларации тысячелетия (ЦРТ) ВОЗ по искоренению голода и нищеты, улучшению здоровья населения и обеспечению экологической устойчивости уже прошел, и стало ясно, что предоставление питательной пищи не является простая задача. Резюмируя вышесказанное, можно сказать, что изменения климата, потеря земель и снижение качества земли, все более сложные пищевые цепи, рост городов, загрязнение окружающей среды и другие неблагоприятные экологические условия диктуют настоятельную необходимость не только изыскивать новые пути экономического роста питательных продуктов питания, но и изыскивать пути производства продовольствия объекты ближе к потребителям. Достижение целей в области развития, сформулированных в Декларации тысячелетия, потребует изменений в практике, таких, как сокращение отходов, углеродного и экологического следа, и аквапоника является одним из решений, способных достичь этих целей.

3. 1.3 Научно-технические проблемы в аквапонике

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   В то время как аквапоника считается одной из ключевых технологий производства продуктов питания, которые «могут изменить нашу жизнь» (van Woensel et al. 2015), с точки зрения устойчивого и эффективного производства продуктов питания аквапоника можно рационализировать и стать еще более эффективной. Одна из ключевых проблем традиционных систем аквапоники заключается в том, что питательные вещества в сточных водах, производимых рыбой, отличаются от оптимального питательного раствора для растений. Развязанные системы аквапоники (DAPS), которые используют воду из рыбы, но не возвращают воду в рыбу после растений, могут улучшаться на традиционных конструкциях путем внедрения минерализационных компонентов и иловых биореакторов, содержащих микробы, которые превращают органическое вещество в биологически доступные формы ключевых минералов, особенно фосфор, магний, железо, марганец и сера, которые испытывают нехватку типичных рыбных стоков. В отличие от компонентов минерализации в одноконтурных системах, стоки биореактора в DAPS подаются только в компонент завода, а не разбавляются во всей системе. Таким образом, развязанные системы, использующие шламовые дигесты, позволяют оптимизировать утилизацию органических отходов рыб в качестве питательных веществ для роста растений (Goddek 2017; Goddek et al. 2018). Отходы в таких системах включают главным образом рыбный шлам (т.е. фекалии и несъеденные корма, которые не находятся в растворе) и поэтому не могут быть доставлены непосредственно в систему гидропоники. Таким образом, биореакторы (см. главу 10 являются важным компонентом, который может превращать непригодный в противном случае ил в гидропонные удобрения или повторно использовать органические отходы, такие как стебли и корни растений производственный компонент в биогаз для производства тепла и электроэнергии или DAPS конструкции, которые также обеспечивают независимое управление циклом воды для каждой установки, что позволяет разделить системы (RAS, гидропоники и диджесты), необходимые для управления потоками питательных веществ. Вода перемещается между компонентами в контуре экономии энергии и питательных веществ, так что нагрузки и потоки питательных веществ в каждой подсистеме можно контролировать и регулировать, чтобы лучше соответствовать требованиям, предъявляемым ниже по течению. Например, фосфор (П) является важным, но исчерпаемым ископаемым ресурсом, который добывается для внесения удобрений, однако мировые запасы в настоящее время истощаются тревожными темпами. Использование дигестов в развязанных системах аквапоники позволяет микробам конвертировать фосфор в рыбных отходах в ортофосфаты, которые могут быть использованы растениями, с высокой скоростью восстановления (Goddek et al. 2016, 2018).

   Хотя развязанные системы очень эффективны для утилизации питательных веществ с почти нулевыми потерями питательных веществ, масштабы производства в каждой из установок имеют важное значение, учитывая, что потоки питательных веществ из одной части системы должны соответствовать производственному потенциалу других компонентов. Таким образом, программное обеспечение для моделирования и системы контроля и сбора данных (SCADAS) приобретают важное значение для анализа и представления данных о потоке, размерах, балансах масс и допусках по каждой единице, что позволяет прогнозировать физические и экономические параметры (например, нагрузки питательных веществ, оптимальные рыбо- соединения установок, скорости потока и затрат для поддержания определенных параметров окружающей среды). В главе 11 мы более подробно рассмотрим теорию систем, применяемую к системам аквапоники, и продемонстрируем, как моделирование может решить некоторые из проблем масштаба, в то время как инновационные технологические решения могут повысить эффективность и, следовательно, рентабельность таких систем. Масштабирование важно не только для прогнозирования экономической жизнеспособности, но и для прогнозирования производства на основе имеющихся соотношений питательных веществ.

   Еще одним важным вопросом, требующим дальнейшего развития, является использование и повторное использование энергии. Системы аквапоники являются энергоемкими и инфраструктурными. В зависимости от полученного солнечного излучения использование солнечной фотоэлектрической энергии, солнечных тепловых источников и (солнечной) опреснения может быть экономически нецелесообразным, но все они могут быть потенциально интегрированы в системы аквапоники. В главе 1 представлена информация об инновационных технических и эксплуатационных возможностях, которые способны преодолеть присущие таким системам ограничения, включая захватывающие новые возможности для внедрения систем аквапоники в засушливых районах.

   В [главе 2 мы также более подробно обсуждаем ряд экологических проблем, которые могут помочь в решении аквапоники. Например, контроль патогенов очень важен, и изолированные системы РАС имеют ряд экологических преимуществ для производства рыбы, и одним из преимуществ развязанных аквапоник систем является способность циркулировать воду между компонентами и использовать независимые средства управления, в которых легче обнаруживать, изолировать и обеззараживать отдельные единицы при наличии патогенной угрозы. Пробиотики, которые полезны в рыбной культуре, также являются полезными для растениеводства и могут повысить эффективность производства при обращении в закрытой системе (Sirakov et al. 2016). Эти проблемы более подробно рассматриваются в главе 5, где мы более подробно обсуждаем вопрос о том, как инновации в аквапонике могут привести к а) повышению эффективности использования космического пространства (сокращение затрат и материалов, максимальное использование земельных ресурсов); b) сокращению вводимых ресурсов, например рыбная мука и сокращение отрицательных выбросов, например сброса отходов; и с) сокращение использования антибиотиков и пестицидов в автономных системах.

   Есть еще несколько аквапонических тематических областей, которые требуют дополнительных исследований, чтобы в полной мере использовать потенциал этих систем. С научной точки зрения, такие темы, как циклическое движение азота (глава 9), аэробная и анаэробная реминерализация (глава 10)) вода и питательные вещества эффективность (глава 8), оптимизированные аквапонные рыбные диеты (глава 13) и патогенные организмы растений и стратегии борьбы с ними (глава 14) все высокие приоритеты.

   Таким образом, необходимо решить следующие научно-технические задачи:

   1. Nutrients: Как мы уже говорили, системы, использующие шламовые дигесты, позволяют оптимизировать переработку органических отходов из рыбы в питательные вещества для роста растений, такие конструкции позволяют оптимизировать рекультивацию и рециркуляцию питательных веществ для создания практически нулевой потери питательных веществ из системы.

   2. Water: Повторное использование истощенной питательными веществами воды из теплиц также может быть оптимизировано для повторного использования в рыбном компоненте с использованием конденсаторов.

   3. Энерги: Конструкции, работающие на солнечной энергии, также улучшают экономию энергии, особенно если предварительно подогретая вода из солнечных нагревателей в теплицах может быть возвращена обратно в аквариумы для повторного использования.

   Способность рециркулировать воду, питательные вещества и энергию делает аквапоника потенциально уникальным решением ряда экологических проблем, стоящих перед традиционным сельским хозяйством. Этот вопрос обсуждается в главе 2.

4. 1.4 Экономические и социальные проблемы

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   С экономической точки зрения существует ряд ограничений, присущих системам аквапоники, которые делают конкретные коммерческие проекты более или менее жизнеспособными (Goddek et al. 2015; Vermeulen and Kamstra 2013). Один из ключевых вопросов заключается в том, что автономные, независимые гидропоники и системы аквакультуры являются более продуктивными, чем традиционные одноконтурные системы аквапоники (Graber and Junge 2009), поскольку они не требуют компромиссов между рыбными и растительными компонентами. Традиционная классическая одноконтурная аквапоника требует компромисса между рыбными и растительными компонентами при попытке оптимизировать качество воды и уровни питательных веществ, которые по своей сути различаются для двух частей (например, желаемые диапазоны рН и требования и концентрации питательных веществ). В традиционных системах аквапоники экономия в требованиях к удобрениям растений не компенсирует дефицит урожая, вызванный неоптимальными условиями в соответствующих подсистемах (Delaide et al. 2016).

   Оптимизация условий роста как для растений (Delaide et al. 2016; Goddek and Vermeulen 2018), так и для рыб является самой большой проблемой для рентабельности, и текущие результаты показывают, что это может быть лучше достигнуто в многоконтурных развязанных аквапониках, поскольку они основаны на независимых рециркулирующих петлях, которые (1) рыба, (2) растения и (3) биореакторы (анаэробные или аэробные) для сбраживания ила и однонаправленного потока воды (питательных веществ), что может улучшить восстановление макро- и микропитательных веществ и биодоступность, а также оптимизировать потребление воды (Goddek and Keesman 2018). Текущие исследования показывают, что этот тип системы позволяет поддерживать конкретные популяции микроорганизмов в каждом отсеке для более эффективного лечения заболеваний, и они являются более экономически эффективными в той мере, в которой системы не только сокращают отток отходов, но и повторно используют непригодный для использования шлам, преобразование его в ценные продукты (например, биогаз и удобрения).

   

   Рис. 1.2 Система аквапоники рассматривается как схема черного ящика. Мы не видим внутри коробки, но мы знаем входы, выходы (т.е. рыба и растения) и отходы

   Независимые системы РАН и гидропоники также сталкиваются с широким кругом оперативных задач, которые подробно обсуждаются в главах 3 и 4. Технологические достижения все чаще позволяют повысить производительность (рис. 1.2), которую можно определить как часть продукции системы (например, рыбы и растения) по отношению к входным данным системы (т.е. корма для рыбы и/или дополнительное удобрение, энергопотребление для освещения, нагрева и перекачивания CO2 sub2/sub дозирования и биоконтроля).

   При рассмотрении многочисленных проблем, с которыми сталкивается аквапоника, производственные проблемы можно в целом разбить на три конкретные темы: 1) производительность системы, 2) эффективные производственно-сбытовые цепочки и 3) эффективное управление производственно-сбытовыми цепочками.

   ** Производительность системы** Производительность сельского хозяйства измеряется как отношение объема сельскохозяйственной продукции к сельскохозяйственным ресурсам. Традиционные мелкомасштабные системы аквапоники были разработаны главным образом для решения экологических проблем, таких, как сброс воды, поступление воды и рециркуляция питательных веществ, однако в последние годы акцент все больше смещается в сторону экономической целесообразности, с тем чтобы повысить производительность крупномасштабного земледелия. приложений. Однако для этого потребуется производительность систем аквапоники, с тем чтобы они могли экономически конкурировать с независимыми, современными системами гидропоники и аквакультуры. Для того чтобы концепция аквапоники успешно применялась в широких масштабах, необходимо оптимизировать повторное использование питательных веществ и энергии, однако необходимо также учитывать и конечные рынки.

   ** Эффективные производственно-сбытовые цепочки (добавленная стоимость) сельскохозяйственных продуктов главным образом возникают в результате переработки таких продуктов, как заготовленные овощи, фрукты и рыба. Например, цена продажи песто (т.е. красного и зеленого) может быть более чем в десять раз выше цены на помидоры, базилик, оливковое масло и кедровые орехи. Кроме того, большинство переработанных пищевых продуктов имеют более длительный срок хранения, что снижает порчу. Очевидно, что свежие продукты имеют важное значение, поскольку питательная ценность в основном выше, чем в переработанных продуктах. Однако производство свежей и высококачественной продукции является реальной проблемой и, следовательно, роскошью во многих регионах мира. Потери питательных веществ при хранении фруктов и овощей являются значительными, если они не быстро консервированы или заморожены (Barrett 2007; Rickman et al. 2007). Поэтому для крупномасштабных систем необходимо, по крайней мере, рассмотреть вопрос о переработке пищевых продуктов, с тем чтобы сбалансировать любые колебания между предложением и спросом и сократить пищевые отходы. Что касается сокращения пищевых отходов, то овощи, которые не отвечают стандартам свежих продуктов, но по-прежнему имеют рыночное качество, следует перерабатывать, с тем чтобы уменьшить потери послепродажного производства.

   Хотя такие критерии применимы ко всем сельскохозяйственным и рыбным продуктам, добавленная стоимость может существенно повысить рентабельность ферм аквапоники, особенно если продукция может выйти на нишевые рынки.

   Эффективное управление цепочками поставки В странах с хорошо развитыми транспортными и холодильными сетями фрукты и овощи могут быть импортированы со всего мира для удовлетворения спроса потребителей на свежие продукты. Однако, как уже упоминалось ранее, высококачественная и свежая продукция является дефицитным товаром во многих частях мира, и перемещение товаров на большие расстояния — т.е. управление цепочками поставок — для удовлетворения высокого потребительского спроса часто подвергается критике и оправданной критике. Большинство городских жителей во всем мире полагаются на перевозку продуктов питания на большие расстояния для удовлетворения повседневных потребностей (Grewal and Grewal 2012). Таким образом, одним из основных критических замечаний является использование ископаемых видов топлива, необходимых для транспортировки продукции на большие расстояния (Barrett 2007). Проблема пищевых миль ориентирует внимание на расстояние, которое продукты питания транспортируются от момента производства до покупки конечным потребителем (Mundler and Criner 2016). Однако с точки зрения выбросов COSub2/sub на тонну/км (ткм) одна продовольственная миля для железнодорожного транспорта (13,9 г COSub2/Sub/TKM) не равна одной продовольственной миле грузового автомобиля/автомобильного транспорта, поскольку грузовые перевозки оказывают более чем в 15 раз большее воздействие на окружающую среду (McKinnon 2007). Поэтому расстояние транспортировки не обязательно является единственным соображением, поскольку экологический след овощей, выращиваемых на фермах в сельских районах, потенциально меньше ресурсов, необходимых для выращивания продуктов питания в теплицах, расположенных ближе к городским центрам.

   Таким образом, продовольственные мили являются лишь частью картины. Продовольствие транспортируется на большие расстояния, однако выбросы парниковых газов, связанные с производством продуктов питания, преобладают на этапе производства (т.е. воздействие энергии на отопление, охлаждение и освещение) (Engelhaupt 2008; Weber and Matthews 2008). Например, документ Carlsson (1997) показал, что в зимний период томаты, импортируемые из Испании в Швецию, имеют гораздо меньший углеродный след, чем те, которые выращиваются на местном уровне в Швеции, поскольку энергопотребление в теплицах в Швеции значительно перевешивает углеродный след при транспортировке из Испании. При поиске продуктов питания транспортировка товаров не является единственным фактором, который следует учитывать, так как свежесть продуктов определяет их питательную ценность, вкус и общую привлекательность для потребителей. Выращивая свежие продукты на местном уровне, многие ученые сходятся во мнении, что городское сельское хозяйство может помочь обеспечить поставки высококачественной продукции для городского населения в будущем, а также сократить продовольственные мили (Bon et al. 2010; dos Santos 2016; Hui 2011). Обе области будут более подробно рассмотрены в разделе 1.5.

   С точки зрения потребителя городская аквапоника, таким образом, имеет свои преимущества благодаря своим экологическим преимуществам, обусловленным короткими цепочками поставок, и поскольку она отвечает предпочтениям потребителей в отношении высококачественных свежих продуктов местного производства (Miličić et al. 2017). Однако, несмотря на эти преимущества, существует ряд социально-экономических проблем: основной вопрос связан с ценами на городскую собственность, поскольку земля является дорогостоящей и зачастую считается слишком ценной для производства продовольствия. Таким образом, покупка городских земель, скорее всего, делает невозможным достижение реальной ожидаемой отдачи от инвестиций. Однако в сокращающихся городах, где численность населения сокращается, неиспользованные площади могут использоваться для сельскохозяйственных целей (Bontje and Latten 2005; Schilling and Logan 2008), как это имеет место в Детройте в Соединенных Штатах (Mogk et al. 2010).

   Кроме того, существует серьезная проблема контроля за городским планированием, когда во многих городах городские земли не предназначены для сельскохозяйственного производства продовольствия, а аквапоника считается частью сельского хозяйства. Таким образом, в некоторых городах аквапоническое земледелие запрещено. Настало время взаимодействовать с градостроителями, которые нуждаются в убеждении в преимуществах городских ферм, которые являются высокопродуктивными и производят свежие, здоровые местные продукты питания в условиях развития городов и пригородных районов.

5. 1.5 Будущее аквапоники

   Original publication 2019 · Впервые опубликовано в FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   Технология позволила увеличить производительность сельского хозяйства в прошлом столетии экспоненциально, что также способствовало значительному росту численности населения. Однако эти изменения также потенциально подрывают способность экосистем поддерживать производство продовольствия, поддерживать пресноводные и лесные ресурсы и содействовать регулированию климата и качества воздуха (Foley et al. 2005).

   Одной из наиболее актуальных задач в области инновационного производства продуктов питания и, следовательно, аквапоники является решение вопросов регулирования, сдерживающих расширение интегрированных технологий. Широкий круг различных ведомств обладает юрисдикцией в отношении водных ресурсов, здоровья животных, охраны окружающей среды и безопасности пищевых продуктов, и их правила в некоторых случаях противоречат друг другу или плохо подходят для сложных интегрированных систем (Joly et al. 2015). Нормативные акты и законодательство в настоящее время являются одной из наиболее запутанных областей для производителей и потенциальных предпринимателей. Производственные предприятия и инвесторы нуждаются в стандартах и руководящих принципах для получения разрешений, займов и налоговых льгот, однако запутанное дублирование обязанностей между регулирующими учреждениями подчеркивает настоятельную необходимость улучшения согласования и последовательных определений. Нормативная база часто путает, и во многих странах вопросы лицензирования фермерских хозяйств, а также сертификации потребителей остаются проблематичными. ФАО (в 2015 году), ВОЗ (в 2017 году) и ЕС (в 2016 году) недавно приступили к согласованию положений о здоровье/благополучии животных и безопасности пищевых продуктов в рамках систем аквапоники и экспортно-импортной торговли продуктами аквапоники. Например, несколько стран, участвующих в аквапонике, лоббируют четкие формулировки в рамках Codex Alimentarius, и основной упор в ЕС, определенный спонсируемым ЕС ACT FA1305, «Центром аквапоники ЕС», в настоящее время делается на определение аквапоники как ясного и самостоятельного объекта. В настоящее время нормативные акты определяют производство как для аквакультуры, так и для гидропоники, но не содержат положений о слиянии этих двух видов продукции. Такая ситуация часто создает чрезмерную бюрократию для производителей, которые обязаны лицензировать две отдельные операции или чье национальное законодательство не допускает совместного культивирования (Joly et al. 2015). Центр аквапоники ЕС, который поддержал эту публикацию (COST FA1305), определяет аквапонику как «производственную систему водных организмов и растений, в которой большинство (\ > 50%) питательных веществ, поддерживающих оптимальный рост растений, получают из отходов, образующихся из кормления водных организмов» (см. главу 7).

   Схемы сертификации потребителей также остаются сложной областью для производителей аквапоники во многих частях мира. Например, в Соединенных Штатах и Австралии продукты аквапоники могут быть сертифицированы как органические, но не в Европейском Союзе.

   С экономической точки зрения аквапоника теоретически способна повысить общую ценность рыбоводства или традиционной гидропоники, одновременно закрывая цикл производства продовольствия и воды в рамках круговой биоэкономики. Для того чтобы сделать маломасштабные системы аквапоники экономически жизнеспособными, фермеры, занимающиеся аквапоникой, как правило, вынуждены работать на нишевых рынках для получения более высоких цен на продукцию, поэтому сертификация приобретает очень важное значение.

   Наиболее насущными вопросами являются вопрос о том, может ли аквапоника стать приемлемой на политическом уровне. Безопасность пищевых продуктов является одним из приоритетных направлений для получения государственной поддержки, и, хотя в закрытых системах существует значительно сниженный риск патогенов, что означает меньшую потребность в противомикробных препаратах и пестицидах, управление потенциальными рисками или, более того, управление восприятием этих рисков, особенно если они могут повлиять на безопасность пищевых продуктов, является высокий приоритет как для государственных органов, так и для инвесторов (Miličić et al. 2017). Одной из проблем, которые часто возникают, является опасение переноса патогенов в осадке от рыбы к растениям, однако это не подтверждается в литературе (глава 6. Таким образом, необходимо устранить любые остающиеся проблемы в области безопасности пищевых продуктов и биозащищенности путем проведения тщательных исследований и, в случае возникновения проблем, определить, каким образом можно решить эти проблемы путем совершенствования систем и/или нормативно-правовой базы.

   Aquaponics — это новая технология производства продуктов питания, которая способна конденсировать и сжимать производство в пространствах и местах, которые обычно не используются для выращивания продуктов питания. Это не только означает, что она имеет исключительное значение в городских районах, где аквапоника может быть размещена на недостаточно используемых и неиспользуемых местах, таких как плоские крыши, застройки, заброшенные фабрики, жилые комплексы и школы, но и обеспечивает как в развитых, так и в развивающихся странах средство, позволяющее людям принимать обратно часть процесса производства продуктов питания путем предоставления свежих местных продуктов питания на рынок (van Gorcum et al. 2019). Интеграция аквапоники с технологиями вертикального земледелия и строительства живых стен со временем, скорее всего, повысит производительность труда за счет сокращения общего влияния сельского хозяйства за счет сокращения масштабов забора земель и интенсификации их использования.

   Интенсивные методы производства аквапоники основываются на знании сочетания ключевых факторов, которые хорошо подходят для преподавания в школах предметов STEM (науки, техники, техники и математики). Аквапоника предоставляет преподавателю и ученику возможность исследовать сферу сложных систем, их проектирование и управление, а также множество других предметных областей, включая экологические науки, химию воды, биологию и благосостояние животных. Аквапоника также используется в тюрьмах и исправительных учреждениях, например в тюрьме округа Сан-Франциско, для того чтобы помочь заключенным приобрести навыки и опыт в области аквакультуры и садоводства, которые они могут использовать при освобождении. В бытовом контексте растет тенденция к проектированию систем столешниц, которые могут выращивать травы, а также небольших систем, которые могут располагаться в офисах, где экзотическая рыба обеспечивает успокаивающий эффект, в то время как растения, как часть живых стен, также обеспечивают эстетический фон и очищают воздух.

   

   Рис. 1.3 Количество работ, опубликованных по «гидропонике», «РАН» и «аквапонике» в период с 1980 по 2018 год (данные были собраны из базы данных Scopus 30 января 2019 года). Обратите внимание, что шкала для «RAS» на порядок выше, чем для «гидропоники» и «аквапоники»

   Аквапоника — это сельскохозяйственная технология, быстро развивающаяся с первых подвигов последних лет двадцатого века и первых десятилетий XXI века. Но это все еще является «новой темой технологий и науки» (Junge et al. 2017), которая подвержена значительному количеству «шумиха». При сравнении количества рецензируемых статей аквакультуры, гидропоники и аквапоники значительно ниже (рис. 1.3), однако их число растет и будет расти по мере повышения уровня образования в области аквапоники, особенно на университетском уровне, и общего интереса. «Соотношение шумихи» можно охарактеризовать как показатель популярности предмета в средствах массовой информации по отношению к тому, что публикуется в академической прессе. Это можно, например, вычислить, взяв результаты поиска в Google, разделенные на результаты поиска в Google Scholar. В случае аквапоники соотношение шумихи на 16 августа 2016 года составило 1349, что является значительным по сравнению с коэффициентами шумихи гидропоники (131) и рециркулирующей аквакультуры (17) (Junge et al. 2017). Смысл этого заключается в том, что аквапоника действительно является развивающейся технологией, но что в этой области существует огромный интерес, который, вероятно, будет продолжаться и возрастать в течение следующих десятилетий. Однако коэффициент шумихи, скорее всего, уменьшится по мере проведения дополнительных исследований и публикации научных работ.

   Эта книга предназначена для исследователя и практика аквапоники, и она была разработана для обсуждения, изучения и раскрытия вопросов, которые аквапоника решает сейчас и которые, несомненно, возникнут в будущем. С таким широким спектром тем он стремится обеспечить всеобъемлющий, но легко доступный обзор относительно новой научной и коммерческой области аквапоники. Помимо производственной и технической стороны, эта книга была разработана для рассмотрения тенденций в области предложения и спроса на продовольствие, а также различных экономических, экологических и социальных последствий этой новой технологии. Книга была соавтором многочисленных экспертов со всего мира, но в основном из стран ЕС. Его 24 главы охватывают весь спектр аквапоники и предоставят необходимый учебник для всех, кто интересуется аквапоникой и движущейся аквапоникой вперед в следующем десятилетии.