Source material

Глава 2 «Аквапоника»: закрытие цикла ограниченных водных, земельных и питательных ресурсов

1. 2.1 Введение

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

   Термин «переломный момент» в настоящее время используется для описания природных систем, находящихся на грани значительных и потенциально катастрофических изменений (Barnosky et al. 2012). Системы сельскохозяйственного производства продовольствия считаются одной из ключевых экологических услуг, приближающихся к перелому моменту, поскольку изменение климата все чаще порождает новые риски вредителей и болезней, экстремальные погодные явления и более высокие глобальные температуры. Неэффективное управление земельными ресурсами и рациональное использование почв, истощение питательных веществ в почве и опасность пандемий также угрожают мировым поставкам продовольствия.

   Доступные пахотные земли для расширения сельскохозяйственного производства ограничены, и повышение продуктивности сельского хозяйства за последние несколько десятилетий было обусловлено главным образом повышением интенсивности возделывания сельскохозяйственных культур и повышением урожайности по сравнению с расширением сельскохозяйственных угодий (например, 90% прироста производства продукции растениеводства стало результатом повышения производительности, но только 10% из-за расширения земель) (Alexandratos and Bruinsma 2012; Schmidhuber 2010). По оценкам, к 2050 году численность населения мира достигнет 8,3-10,9 млрд. человек (Bringezu et al. 2014), и этот рост населения мира, сопровождающийся соответствующим увеличением общего потребления, а также потребления на душу населения, ставит перед собой целый ряд новых социальных проблем. В докладе Конвенции Организации Объединенных Наций по борьбе с опустыниванием (КБОООН) - Workpaper for Global Land Outlook 2017 года отмечаются тревожные тенденции, влияющие на производство продовольствия (Thomas et al. 2017), включая деградацию земель, утрату биоразнообразия и экосистем, а также снижение сопротивляемости в ответ на экологические стрессы, а также увеличивающийся разрыв между производством продовольствия и спросом. Неравномерное распределение продовольствия приводит к недостаточному количеству продовольствия или нехватке продовольствия достаточного питательного качества для части населения мира, в то время как в других частях мира чрезмерное потребление и болезни, связанные с ожирением, становятся все более распространенными. Такое несбалансированное противодействие голоду и недоеданию в некоторых частях мира, с продовольственными отходами и чрезмерным потреблением в других, отражает сложные взаимосвязанные факторы, включая политическую волю, нехватку ресурсов, доступность земли, стоимость энергии и удобрений, транспортную инфраструктуру и множество других другие социально-экономические факторы, влияющие на производство и распределение продовольствия.

   Недавние переоценки подходов к продовольственной безопасности показали, что для эффективного понимания, анализа и управления взаимосвязями между глобальными системами ресурсов необходим подход, основанный на «водно-энергетическом обеспечении» (Scott et al. 2015). В рамках подхода, основанного на связях, признается взаимосвязь ресурсной базы — земли, воды, энергетики, капитала и рабочей силы — с ее движущими силами, и поощряется проведение межсекторальных консультаций и сотрудничества в целях обеспечения сбалансированности различных целей и интересов пользователей ресурсов. Она направлена на получение максимальных общих выгод при сохранении целостности экосистемы в целях достижения продовольственной безопасности. Таким образом, устойчивое производство продовольствия требует сокращения использования ресурсов, в частности водных, земельных и ископаемых видов топлива, которые являются ограниченными, дорогостоящими и зачастую плохо распределенными в связи с ростом численности населения, а также рециркуляции существующих ресурсов, таких как вода и питательные вещества, в производственных системах в целях обеспечения устойчивого производства продовольствия. минимизировать отходы.

   В этой главе мы обсуждаем целый ряд текущих проблем, связанных с продовольственной безопасностью, уделяя особое внимание ограниченности ресурсов и способам, с помощью которых новые технологии и междисциплинарные подходы, такие как аквапоника, могут помочь решить проблему взаимосвязи водных ресурсов в контексте целей ООН в области устойчивого развития. Мы концентрируем внимание на необходимости расширения рециркуляции питательных веществ, сокращения потребления воды и невозобновляемых источников энергии, а также увеличения производства продовольствия на маргинальных или непригодных для сельского хозяйства землях.

2. 2.2 Предложение и спрос на продовольствие

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

   2.2.1 Прогнозы

   За последние 50 лет общий объем поставок продовольствия увеличился почти в три раза, в то время как численность населения мира увеличилась лишь в два раза, что сопровождалось значительными изменениями в рационе питания, связанными с экономическим процветанием (Keating et al. 2014). За последние 25 лет численность населения мира увеличилась на 90% и, как ожидается, достигнет 7,6 миллиарда в первой половине 2018 года (Worldometers). Оценки роста мирового спроса на продовольствие в 2050 году по сравнению с 2010 годом варьируются от 45% до 71% в зависимости от предположений, касающихся биотоплива и отходов, однако очевидно, что существует разрыв в производстве, который необходимо заполнить. Во избежание изменения последних тенденций к сокращению масштабов недоедания необходимо сократить спрос на продовольствие и/или уменьшить потери производственных мощностей (Keating et al. 2014). Все более важной причиной роста спроса на продовольствие является потребление на душу населения в результате роста дохода на душу населения, которое характеризуется переходом к продуктам с высоким содержанием белка, особенно мясу (Ehrlich and Harte 2015b). Эта тенденция создает дополнительное давление на цепочку поставок продовольствия, поскольку системы производства животных, как правило, требуют непропорционально большего объема ресурсов как в плане потребления воды, так и в плане кормов (Rask and Rask 2011; Ridoutt et al. 2012; Xue and Landis 2010). Несмотря на то, что темпы роста спроса на продовольствие в последние десятилетия снизились, если нынешние траектории роста населения и изменения рациона питания реалистичны, мировой спрос на сельскохозяйственную продукцию будет расти на 1,1-1,5% в год до 2050 года (Alexandratos and Bruinsma 2012).

   Рост численности населения в городских районах оказывает давление на земли, которые традиционно используются для выращивания почвенных культур: спрос на жилье и благосостояние продолжает посягать на первоклассные сельскохозяйственные угодья и повышает их ценность намного выше того, что фермеры могут получить в результате возделывания. Около 54% населения мира в настоящее время проживает в городских районах (Esch et al. 2017), и тенденция к урбанизации не показывает никаких признаков ослабления. Производственные системы, которые могут надежно поставлять свежие продукты в непосредственной близости от городских центров, пользуются спросом и будут расширяться по мере роста урбанизации. Например, рост вертикального земледелия в городских центрах, таких, как Сингапур, где земля является премией, дает убедительный намек на то, что концентрированные высокопродуктивные сельскохозяйственные системы станут неотъемлемой частью городского развития в будущем. Технологические достижения все в большей степени делают системы внутреннего земледелия экономичными, например, разработка светодиодных светильников для садоводства, которые являются чрезвычайно длительными и энергоэффективными, повысила конкурентоспособность внутреннего земледелия, а также производства в высоких широтах.

   Анализ агробиоразнообразия неизменно показывает, что страны с высоким и средним уровнем дохода получают разнообразные продукты питания в рамках национальной или международной торговли, но это также означает, что производство и разнообразие продуктов питания не связаны друг с другом и, следовательно, более уязвимы для перебоев в поставках, чем в странах с низким уровнем дохода, где большинство продуктов питания производится на национальном или региональном уровне (Herrero et al. 2017). Кроме того, по мере увеличения размеров фермерских хозяйств разнообразие культур, особенно культур, относящихся к высокопитательным продовольственным группам (овощи, фрукты, мясо), имеет тенденцию уменьшаться в пользу зерновых и зернобобовых культур, что опять же рискует ограничить доступность различных продовольственных групп на местном и региональном уровнях (Herrero et al. 2017).

3. 2.3 пахотные земли и питательные вещества

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

   2.3.1 Прогнозы

   Несмотря на то, что необходимо производить больше продовольствия, пригодные для сельскохозяйственной деятельности земли по своей природе ограничены примерно 20— 30% земной поверхности мира. Объем сельскохозяйственных угодий сокращается, и ощущается нехватка подходящих земель там, где они больше всего необходимы, т.е. вблизи населенных пунктов. Деградация почв является одним из основных факторов, обусловливающих это снижение, и, как правило, можно подразделить на две категории: смещение (ветровая и водная эрозия) и внутреннее химическое и физическое ухудшение почв (потеря питательных веществ и/или органических веществ, засоление, подкисление, загрязнение, уплотнение и заболачивание). Оценка общей природной и антропогенной деградации почв во всем мире сопряжена с трудностями, учитывая изменчивость определений, степени тяжести, сроков, классификации почв и т.д. Однако, по общему мнению, ее последствия привели к потере чистого первичного производства на больших площадях (Esch et al. 2017), ограничив тем самым рост пахотных и постоянно обрабатываемых земель до 13% в течение четырех десятилетий с начала 1960-х до конца 1990-х годов (Bruinsma 2003). Что еще более важно в связи с ростом населения за этот период, пахотные земли на душу населения сократились примерно на 40% (Conforti 2011). Термин «пахотные земли» подразумевает наличие адекватных питательных веществ для поддержки растениеводства. Для противодействия истощению питательных веществ общемировое потребление удобрений выросло с 90 кг/га в 2002 году до 135 кг в 2013 году (Pocketbook 2015). Тем не менее более широкое использование удобрений часто приводит к избыточному содержанию нитратов и фосфатов в водных экосистемах (Bennett et al. 2001), что приводит к цветению водорослей и эвтрофикации, когда гниющая биомасса водорослей потребляет кислород и ограничивает биоразнообразие водной жизни. Крупномасштабные изменения окружающей среды, вызванные нитратами и фосфатами, особенно заметны в водосборных бассейнах и прибрежных зонах.

   Азот, калий и фосфор являются тремя основными питательными веществами, необходимыми для роста растений. Несмотря на то, что спрос на фосфорные удобрения продолжает расти экспоненциально, запасы фосфатов породы ограничены, и, по оценкам, они будут истощены в течение 50—100 лет (Cordell et al. 2011; Steen 1998; Van Vuuren et al. 2010). Кроме того, антропогенное поступление азота, как ожидается, приведет экосистемы суши к более высоким ограничениям в отношении фосфора, хотя решающее значение имеет лучшее понимание процессов (Deng et al. 2017; Goll et al. 2012; Zhu et al. 2016). В настоящее время в сельском хозяйстве нет заменителей фосфора, что ограничивает будущую производительность сельского хозяйства, которая опирается на основные поступления удобрений добытого фосфата (Sverdrup and Ragnarsdottir 2011). «P-парадокс», другими словами, избыток P, ухудшающий качество воды, наряду с его дефицитом в качестве истощающего невозобновляемого ресурса, означает, что необходимо существенно увеличить рециркуляцию и эффективность его использования (Leinweber et al. 2018).

   Современные интенсивные методы ведения сельского хозяйства, такие, как частота и сроки обработки почвы или без обработки почвы, применение гербицидов и пестицидов, а также нечастое добавление органического вещества, содержащего микроэлементы, могут изменить структуру почвы и ее микробное биоразнообразие таким образом, что добавление удобрений больше не допускается. повышает урожайность на гектар. Учитывая, что изменения в землепользовании привели к потерям почвенного органического углерода, по оценкам, около 8%, а прогнозируемые потери в период с 2010 по 2050 год в 3,5 раза превышают этот показатель, предполагается, что водоудерживающая способность почвы и потери питательных веществ сохранится, особенно с учетом глобального потепления (Esch et al. 2017) . Очевидно, что есть компромисс между удовлетворением потребностей человека и не подрывом способности биосферы поддерживать жизнь (Foley et al. 2005). Вместе с тем при моделировании границ планет в связи с нынешней практикой землепользования становится очевидным, что необходимо совершенствовать циклы N и P, главным образом путем сокращения выбросов азота и фосфора и стока с сельскохозяйственных угодий, а также путем более эффективного улавливания и повторного использования (Conijn et al. 2018).

   2.3.2 Аквапоника и питательные вещества

   Одним из главных преимуществ аквапоники является то, что она позволяет перерабатывать питательные ресурсы. Вклад питательных веществ в рыбный компонент формируется из кормов, состав которых зависит от вида, в то время как корм в аквакультуре, как правило, составляет значительную долю затрат на вводимые ресурсы и может составлять более половины от общей годовой стоимости производства. В некоторых моделях аквапоники бактериальная биомасса также может использоваться в качестве корма, например, в тех случаях, когда производство биофлока делает аквапонные системы все более автономными (Pinho et al. 2017).

   Сточные воды из открытых ручек или дорожек качения часто сбрасываются в водоемы, что приводит к загрязнению питательными веществами и последующей эвтрофикации. В отличие от этого, аквапонные системы принимают растворенные питательные вещества из несъеденных кормов и фекалий и используют микробы, которые могут разрушать органическое вещество, превращать азот и фосфор в биодоступные формы для использования растениями в гидропонике. Для достижения экономически приемлемых уровней производства растений наличие соответствующих микробных агрегатов уменьшает необходимость добавления значительной части дополнительных питательных веществ, которые обычно используются в автономных гидропонных установках. Таким образом, аквапоника представляет собой почти нулевую систему сброса, которая обеспечивает не только экономическую выгоду от потоков как рыбы, так и растений, но и значительное сокращение как вредных для окружающей среды выбросов из аквакультуры. Это также устраняет проблему стока с содержанием азота и P из удобрений, используемых в земледелии на почве. В развязанных аквапонных системах аэробные или анаэробные биореакторы могут также использоваться для обработки осадка и восстановления значительных макро- и микроэлементов в биодоступных формах для последующего использования в гидропонном производстве (Goddek et al. 2018) (см. Chap. 8). Захватывающие новые разработки, подобные этим, многие из которых в настоящее время реализуются в коммерческих целях, продолжают совершенствовать концепцию «циркулярной экономики», расширяя возможности восстановления питательных веществ.

4. 2.4 Борьба с вредителями, сорняками и болезнями

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

   2.4.1 Прогнозы

   Общепризнано, что борьба с болезнями, вредителями и сорняками является одним из важнейших компонентов сдерживания производственных потерь, угрожающих продовольственной безопасности (Keating et al. 2014). Более того, расширение использования антибиотиков, инсектицидов, гербицидов и фунгицидов для сокращения потерь и повышения производительности позволило резко увеличить объем сельскохозяйственного производства во второй половине XX века. Однако эта практика также связана с целым рядом проблем: загрязнением стойкими органическими соединениями в почвах и оросительной воде, изменениями в ризобактериальной и микоризальной активности в почвах, загрязнением сельскохозяйственных культур и скота, развитием устойчивых штаммов, пагубным воздействием на опылителей и широкий спектр рисков для здоровья человека (Bringezu et al. 2014; Ehrlich and Harte 2015a; Esch et al. 2017; FAO 2015b). Практически в каждом призыве к обеспечению продовольственной безопасности растущего населения мира упоминается борьба с вредителями, сорняками и болезнями с целью сокращения использования этих веществ.

   2.4.2 Борьба с вредителями, сорняками и болезнями

   В качестве закрытой системы с мерами по биозащите аквапонные системы требуют гораздо меньшего применения химических пестицидов в растительном компоненте. При тщательном обращении и мониторинге запасов семян и трансплантатов сорняки, грибковые и бактериальные/водоросли можно контролировать в гидропонных установках с применением целенаправленных мер, а не широкомасштабного профилактического применения гербицидов и фунгицидов, превалирующих в почвенном земледелии. По мере дальнейшего развития технологий такие разработки, как создание теплиц с положительным давлением, могут еще больше уменьшить проблему вредителей (Mears and Both 2001). Конструктивные особенности, позволяющие снизить риск вредителей, могут сократить затраты с точки зрения химических веществ, рабочей силы, времени применения и оборудования, особенно с учетом того, что территория промышленных аквапонических систем невелика, а системы компактны и плотно удерживаются по сравнению с эквивалентной открытой производственной площадкой овощеводства и плодовые культуры традиционных почвенных хозяйств.

   Использование РАС в аквапонных системах также предотвращает передачу заболеваний между выращиваемыми запасами и дикими популяциями, что является одной из насущных проблем при проточной аквакультуре и аквакультуре с открытой сеткой (Read et al. 2001; Samuel-Fitwi et al. 2012). Обычное применение антибиотиков обычно не требуется в компоненте RAS, так как это замкнутая система с небольшим количеством доступных переносчиков для введения болезни. Кроме того, использование противомикробных и противопаразитарных средств, как правило, не рекомендуется, так как это может нанести ущерб микробиоте, которая имеет решающее значение для преобразования органических и неорганических отходов в полезные соединения для роста растений в гидропонной установке (Junge et al. 2017). Если заболевание действительно возникнет, то локализация рыбы и растений из окружающей среды делает обеззараживание и искоренение более управляемыми. Несмотря на то, что закрытые системы, очевидно, не полностью смягчают все проблемы с болезнями и вредителями (Goddek et al. 2015), надлежащие меры биоконтроля, которые уже практикуются в автономных РАС и гидропонике, приводят к значительному снижению риска. Эти вопросы более подробно обсуждаются в последующих главах (в отношении рыбы см. главу 6; в отношении растений — более подробная информация в главе 14 .

5. 2.5 Водные ресурсы

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

   2.5.1 Прогнозы

   

   Рис. 2.1 Водный след (л на кг). Рыба в системах RAS использует наименьшее количество воды любой системы производства продуктов питания

   Помимо необходимости применения удобрений, современные интенсивные методы ведения сельского хозяйства также предъявляют высокие требования к водным ресурсам. Среди биохимических потоков (рис. 2.1) дефицит воды в настоящее время считается одним из наиболее важных факторов, сдерживающих производство продуктов питания (Hoekstra et al. 2012; Porkka et al. 2016). Прогнозируемый рост мирового населения и изменения в наличии наземных водных ресурсов в связи с изменением климата требуют более эффективного использования воды в сельском хозяйстве. Как отмечалось ранее, к 2050 году совокупное сельскохозяйственное производство должно будет производить на 60% больше продовольствия во всем мире (Alexandratos and Bruinsma 2012), при этом, по оценкам, на 100% больше в развивающихся странах, исходя из роста численности населения и растущих ожиданий в отношении уровня жизни (Alexandratos and Bruinsma 2012; WHO 2015). Голод в некоторых регионах мира, а также недоедание и скрытый голод свидетельствуют о том, что баланс между спросом на продовольствие и его наличием уже достиг критического уровня и что продовольственная и водная безопасность напрямую связаны (McNeill et al. 2017). Прогнозы изменения климата свидетельствуют о сокращении запасов пресной воды и соответствующем снижении урожайности сельскохозяйственных культур к концу XXI века (Misra 2014).

   На сельскохозяйственный сектор в настоящее время приходится около 70% потребления пресной воды во всем мире, а показатель изъятия даже превышает 90% в большинстве наименее развитых стран мира. Нехватка воды увеличится в течение следующих 25 лет в связи с ожидаемым ростом численности населения (Connor et al. 2017; Esch et al. 2017), при этом новейшие модели прогнозируют снижение доступности воды почти во всех странах в ближайшем будущем (Distefano and Kelly 2017). ООН прогнозирует, что переход к обычной практике приведет к глобальному дефициту воды в 40% к 2030 году (Water 2015). В этой связи, поскольку запасы грунтовых вод для орошения истощаются или загрязняются, а засушливые районы испытывают все большую засуху и нехватку воды из-за изменения климата, вода для сельскохозяйственного производства станет все более ценной (Ehrlich and Harte 2015a). Растущая нехватка водных ресурсов ставит под угрозу не только водную безопасность для потребления человеком, но и глобальное производство продовольствия (McNeill et al. 2017). С учетом того, что дефицит воды ожидается даже в районах, в которых в настоящее время имеется относительно достаточный объем водных ресурсов, важно разработать сельскохозяйственные методы с низким потреблением воды и улучшить экологическое управление сточными водами за счет более эффективного повторного использования (FAO 2015a).

   Доклад ООН о мировом водном развитии за 2017 год (Connor et al. 2017) посвящен сточным водам как неиспользованному источнику энергии, питательных веществ и других полезных побочных продуктов, что имеет последствия не только для здоровья человека и окружающей среды, но и для продовольственной и энергетической безопасности, а также для смягчения последствий изменения климата. В настоящем докладе содержится призыв к внедрению надлежащих и доступных технологий, а также правовых и нормативных рамок, механизмов финансирования и повышения социальной приемлемости очистки сточных вод с целью обеспечения повторного использования воды в условиях замкнутой экономики. В докладе также указывается на доклад Всемирного экономического форума 2016 года, в котором водный кризис назван глобальным риском наибольшего беспокойства в ближайшие 10 лет.

   Концепция воздействия воды в качестве показателя использования ресурсов пресной воды человеком была выдвинута в качестве основы для разработки политики в области водопользования. Водный след состоит из трех компонентов: (1) голубая вода, которая включает поверхностные и грунтовые воды, потребляемые при производстве продуктов или потерянные в результате испарения, (2) зеленая вода, которая используется в основном в растениеводстве, и (3) серая вода, которая загрязнена, но все еще находится в пределах существующей воды стандарты качества (Hoekstra и Mekonnen 2012). Эти авторы наметили отпечатки воды стран по всему миру и установили, что на сельскохозяйственное производство приходится 92% глобального потребления пресной воды, а на промышленное производство приходится 4,4% от общего объема, в то время как домашняя вода - лишь 3,6%. Это вызывает обеспокоенность по поводу наличия воды и привело к усилиям по просвещению общественности, направленным на повышение осведомленности о количестве воды, необходимой для производства различных видов продовольствия, а также о национальной уязвимости, особенно в странах Северной Африки и Ближнего Востока, испытывающих нехватку воды.

   2.5.2 Аквапоника и водосбережение

   Экономическая концепция сравнительной производительности измеряет относительный объем ресурсов, необходимых для производства единицы товаров или услуг. Эффективность, как правило, считается более высокой в тех случаях, когда потребности в ресурсах ниже в расчете на единицу товаров и услуг. Однако при анализе эффективности водопользования в экологическом контексте необходимо также принимать во внимание качество воды, поскольку поддержание или повышение качества воды также повышает производительность (Hamdy 2007).

   Растущая проблема нехватки воды требует повышения эффективности водопользования, особенно в засушливых и полузасушливых районах, где наличие воды для сельского хозяйства и качество сброса воды являются важнейшими факторами производства продовольствия. В этих регионах рециркуляция воды в аквапонных установках может достичь замечательной эффективности повторного использования воды 95— 99% (Dalsgaard et al. 2013). Потребность в воде также составляет менее 100 л/кг собранной рыбы, и качество воды поддерживается в рамках системы выращивания сельскохозяйственных культур (Goddek et al. 2015). Очевидно, что такие системы должны быть построены и эксплуатированы таким образом, чтобы свести к минимуму потери воды; они также должны оптимизировать свое соотношение рыбной воды и растений, поскольку это соотношение очень важно для максимизации эффективности повторного использования воды и обеспечения максимальной переработки питательных веществ. Разрабатываются алгоритмы моделирования и технические решения для интеграции улучшений в отдельных установках, а также для лучшего понимания того, как эффективно и результативно управлять водой (Vilbergsson et al. 2016). Дополнительная информация содержится в главах 9 и 11.

   С учетом потребностей в почве, воде и питательных веществах воздействие аквапонных систем значительно лучше, чем традиционное сельское хозяйство, где качество воды и спрос на нее, а также наличие пахотных земель, затраты на удобрения и орошение являются препятствиями для расширения (рис. 2.1).

   ** **

   Рис. 2.2 Коэффициенты пересчета кормов (ФКР), рассчитанные как кг корма на живую массу и кг корма для съедобной порции. Только насекомые, которые съедены целиком в некоторых частях мира, имеют лучшее FCR, чем рыба

6. 2.6 Использование земель

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

   2.6.1 Прогнозы

   В глобальном масштабе сельскохозяйственные культуры и пастбища занимают примерно 33% от общей площади имеющихся земель, а расширение сельскохозяйственного использования в период 2000-2050 годов, по оценкам, увеличится на 7— 31% (350—1500 Мга в зависимости от источника и исходных предположений), чаще всего за счет лесов и водно-болотных угодий (Bringezu et al. 2014). Хотя в настоящее время все еще существуют земли, классифицируемые как «хорошие» или «маргинальные», которые доступны для неорошаемого земледелия, значительная часть этих земель находится далеко от рынков, не имеет инфраструктуры или подвержена эндемическим заболеваниям, непригодной местности или другим условиям, ограничивающим потенциал развития. В других случаях оставшиеся земли уже защищены, покрыты лесами или освоены для других целей (Alexandratos and Bruinsma 2012). Напротив, экосистемы засушливых земель, определенные Комиссией ООН по устойчивому развитию как засушливые, полузасушливые и сухие субгумидные районы, которые обычно характеризуются низкой производительностью, находятся под угрозой опустынивания и поэтому не пригодны для расширения сельскохозяйственного производства, но, тем не менее, в них проживают миллионы людей в непосредственной близости (Экономический 2007). Эти факты указывают на необходимость более устойчивой интенсификации производства продовольствия ближе к рынкам, предпочтительно на преимущественно непродуктивных землях, которые, возможно, никогда не пригодятся для земледелия на почве.

   По мнению некоторых экспертов, двумя наиболее важными факторами, способствующими повышению эффективности сельскохозяйственного производства, являются: i) размещение производства продовольствия в районах, где климатические (и почвенные) условия естественным образом повышают эффективность, и ii) сокращение экологических последствий сельскохозяйственного производства (Michael и Давид 2017). Необходимо увеличить предложение культивируемой биомассы, достигнутое за счет интенсификации производства на гектар, что сопровождается уменьшением нагрузки на окружающую среду (например, деградация структуры почвы, потери питательных веществ, токсичное загрязнение). Другими словами, влияние эффективного производства продуктов питания должно уменьшаться, сводя к минимуму негативное воздействие на окружающую среду.

   2.6.2 Аквапоника и использование земель

   Системы производства Aquaponic являются безпочвенными и пытаются рециркулировать основные питательные вещества для выращивания как рыбы, так и растений, тем самым используя питательные вещества в органическом веществе из кормов для рыб и отходов, чтобы свести к минимуму или устранить потребность в удобрениях для растений. Например, в таких системах использование земли для добычи, обработки, хранения и транспортировки фосфатных или богатых поташью удобрений становится ненужным, что приводит к исключению стоимости и стоимости внесения этих удобрений.

   Производство аквапоники способствует не только повышению эффективности водопользования (раздел 2.5.2), но и повышению эффективности сельскохозяйственного производства за счет сокращения земельного следа, необходимого для производства. Например, объекты могут располагаться на необрабатываемых землях и в пригородных или городских районах ближе к рынкам, тем самым сокращая углеродный след, связанный с сельскими фермами и транспортировкой продукции на городские рынки. При меньшем объеме производственные мощности могут располагаться в других непроизводительных районах, например на крышах или старых производственных площадках, что также может снизить затраты на приобретение земли, если эти площади считаются непригодными для жилищного строительства или розничной торговли. Меньший след для производства высококачественного белка и овощей в аквапонике может также убрать давление от очистки экологически ценных природных и полуприродных территорий для традиционного сельского хозяйства.

7. 2.7 Энергетические ресурсы

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

   2.7.1 Прогнозы

   По мере распространения механизации во всем мире, интенсивное земледелие с открытым полем во все большей степени опирается на ископаемые виды топлива для производства сельскохозяйственной техники и транспортировки удобрений, а также сельскохозяйственной продукции, а также для эксплуатации оборудования для переработки, упаковки и хранения. В 2010 году Международное энергетическое агентство ОЭСР прогнозировало, что глобальное потребление энергии вырастет до 50% к 2035 году; ФАО также подсчитала, что 30% мирового потребления энергии приходится на производство продовольствия и его производственно-сбытовую цепочку (FAO 2011). Выбросы парниковых газов (ПГ), связанные с ископаемыми видами топлива (приблизительно 14% при анализе жизненного цикла), добавляемые к выбросам удобрений (16%) и закиси азота из средних почв (44%) (Camargo et al. 2013), вносят существенный вклад в экологическое воздействие сельского хозяйства. Тенденция XXI века к производству биотоплива на основе сельскохозяйственных культур (например, кукуруза для этанола) вместо ископаемых видов топлива усилила давление на очистку тропических лесов, торфяников, саванн и лугов для сельскохозяйственного производства. Однако исследования указывают на создание «углеродного долга» на основе такой практики, поскольку общий объем выбросов COSub2/sub превышает сокращение ПГ, которое они обеспечивают за счет вытеснения ископаемых видов топлива (Fargione et al. 2008). Возможно, подобная углеродная задолженность существует при расчистке земель для выращивания продовольственных культур через традиционное сельское хозяйство, которое опирается на ископаемые виды топлива.

   В результате сравнительного анализа систем сельскохозяйственного производства, тралового промысла и рециркулирующих систем аквакультуры (РАС) было установлено, что выбросы ПГ в 2—2,5 раза превышают выбросы нетралового промысла и аквакультуры, не относящейся к РАС (перо, качения). В РАН эти энергетические потребности связаны прежде всего с функционированием насосов и фильтров (Michael and David 2017). Аналогичным образом, системы производства парниковых газов могут выделять в три раза больше ПГ, чем открытые сельскохозяйственные культуры, если требуется энергия для поддержания тепла и света в оптимальных диапазонах (там же). Однако эти данные о ПГ не учитывают другие экологические последствия систем, не относящихся к РСО, такие, как эвтрофикация или потенциальный перенос патогенов в дикие запасы. Они также не рассматривают ПГ при производстве, транспортировке и применении гербицидов и пестицидов, используемых при выращивании на открытых полях, а также метана и закиси азота, образующихся в результате соответствующего животноводства, которые обладают потенциалом потепления в течение 100 лет (ПГП) в 25 и 298 раз больше, чем у COSub2/sub, соответственно (Камарго и др., 2013 год; Эглстон и др., 2006 год).

   Эти отрезвляющие оценки нынешнего и будущего потребления энергии и выбросов ПГ, связанных с производством продуктов питания, побудили к разработке новых моделей и подходов, например, подход ООН, основанный на связях между водой, продовольствием и энергией, упомянутый в разделе 2.1. Цели устойчивого развития ООН указали на уязвимость производства продовольствия перед колебаниями цен на энергоносители как ключевой фактор отсутствия продовольственной безопасности. Это подтолкнуло усилия, направленные на то, чтобы сделать агропродовольственные системы «умными» с упором на повышение энергоэффективности, расширение использования возобновляемых источников энергии и поощрение интеграции производства продовольствия и энергии (ФАО 2011).

   2.7.2 Аквапоника и энергосбережение

   Технологические достижения в области эксплуатации аквапонных систем продвигаются к тому, чтобы быть все более «энергоумными» и сокращать углеродную задолженность от насосов, фильтров и отопительных и охлаждающих устройств за счет использования электроэнергии, вырабатываемой из возобновляемых источников. Даже в умеренных широтах многие новые конструкции позволяют полностью реинтегрировать энергию, связанную с нагревом и охлаждением емкостей для рыбы и теплиц, таким образом, чтобы эти системы не требовали ввода за пределами солнечных батарей или электрической/тепла, генерируемого бактериальным биогазом из ила аквакультуры (Эзебуиро и Кёрнер 2017; Годдек и Кисман 2018; Клоас и др. 2015; Йогев и др. 2016). Кроме того, аквапонные системы могут использовать микробную денитрификацию для преобразования закиси азота в азотный газ при наличии достаточного количества источников углерода из отходов, что позволяет гетеротрофным и факультативным анаэробным бактериям преобразовывать избыточные нитраты в азотный газ (Van Rijn et al. 2006). Как отмечается в [Sect. 2.7.1](#271 -прогнозы), закись азота является мощным ПГ, и микробы, уже присутствующие в закрытых системах аквапоники, могут способствовать его преобразованию в азотный газ.

8. 2.8 Резюме

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

   По мере того, как численность населения продолжает расти, во всем мире растет спрос на высококачественный белок. По сравнению с источниками мяса, рыба широко признается как особенно полезный источник белка. Что касается мирового предложения продовольствия, то аквакультура в настоящее время обеспечивает больше рыбного белка, чем рыбный промысел (FAO 2016). Во всем мире потребление рыбы на душу населения продолжает расти в среднем на 3,2% в год (1961—2013 гг.), что в два раза превышает темпы прироста населения. В период с 1974 по 2013 год биологически неустойчивый «перелов» увеличился на 22%. За тот же период вылов, который считается «полностью эксплуатируемым» рыбным промыслам, сократился на 26%. Таким образом, аквакультура является единственным возможным решением для удовлетворения возросшего спроса на рынке. В настоящее время он является самым быстрорастущим продовольственным сектором и, следовательно, важным компонентом продовольственной безопасности (там же)

   С учетом того, что численность населения планеты к 2050 году достигнет 8,3—10,9 млрд. человек (Bringezu et al. 2014), устойчивое развитие аквакультуры и сельского хозяйства требует оптимизации с точки зрения эффективности производства, а также сокращения использования ограниченных ресурсов, в частности водных, земельных и земельных ресурсов и удобрения. Преимущества аквапоники связаны не только с эффективным использованием земельных, водных и питательных ресурсов, но и с большей интеграцией интеллектуальных энергетических возможностей, таких как биогаз и солнечная энергия. В этой связи аквапоника является перспективной технологией производства как высококачественного рыбного белка, так и овощей таким образом, чтобы использовать значительно меньше земли, меньше энергии и меньше воды при одновременном сведении к минимуму количества химических веществ и удобрений, используемых в обычном производстве продуктов питания.