S. H. van Delden, M. SharathKumar , M. Butturini , L. J. A. Graamans, E. Heuvelink, M. Kacira, E. Kaiser, R. S. Klamer, L. Klerkx, G. Kootstra, A. Loeber, R. E. Schouten, C. Stanghellini, W. van Ieperen, J. C. Verdonk, S. Vialet-Chabrand, E. J. Woltering, R. van de Zedde, Y. Zhang, L. F. M. Marcelis
Current status and future challenges in implementing and upscaling vertical farming systems
Nature Food, 2021, 2, 944-956; DOI: 10.1038/s43016-021-00402-w
Gli imminenti obiettivi del settore agroalimentare riguardano la produzione di una maggiore quantità di cibo, riducendo l’impatto dell’intero settore sull’ecosistema. Inoltre, i consumatori richiedono di consumare sempre più alimenti di origine vegetale, che siano prodotti localmente e che abbiano un’elevata concentrazione di composti bioattivi e basso o nullo contenuto di sostanze attive provenienti dai prodotti fitosanitari. Uno dei mezzi per raggiungere questi obiettivi è il sistema di coltivazione verticale (VFS). Attraverso i VFS è possibile coltivare ortaggi, erbe e/o piante ornamentali in aree maggiormente urbanizzate, incrementando l’efficienza d’uso di acqua e suolo, riducendo l’utilizzo di prodotti fitosanitari ed avvicinando notevolmente l’area di coltivazione dei prodotti vegetali al luogo di consumo. Durante questo studio è stato discusso lo stato dell’arte del VFS e le sfide future che questo settore potrà affrontare per migliorare la coltivazione, la qualità dei prodotti, l’automazione e l’impatto ambientale dell’attività agricola.
Relativamente alla tecnica di coltivazione, con i VFS è possibile migliorare l’efficienza d’uso delle risorse attraverso l’incremento delle produzioni e la riduzione del consumo di acqua, fertilizzanti, prodotti fitosanitari, ecc. Questo è possibile grazie al controllo del clima, della nutrizione e della fisiologia delle piante che avviene attraverso l’utilizzo di sensori che raccolgono dati in tempo reale da sistemi di intelligenza artificiale, applicando algoritmi specifici per ogni coltura per rendere più efficiente il sistema produttivo. A tutt’oggi, l’applicazione dell’illuminazione artificiale tramite LED rappresenta il costo (economico ed ambientale) più rilevante per i VFS, per cui c’è bisogno di applicare opportune strategie per incrementarne l’efficienza di utilizzo. Infatti, nei VFS molta della radiazione emessa dai LED non viene assorbita dalle piante, ma viene persa sul pavimento, sulle pareti o sulle strutture. Per ridurre questi “sprechi” di radiazione, gli autori propongono di utilizzare una crescente densità di semina al momento del trapianto, per poi andarla a ridurre scalarmente al momento della raccolta; oppure attraverso l’utilizzo della radiazione nel rosso lontano si può indure un maggior allungamento degli steli e pezioli fogliari, migliorando la captazione della radiazione delle piante; infine, viene proposta l’interplanting (trapianto prima della raccolta) come tecnica per incrementare l’assorbimento di radiazione artificiale. Un’ulteriore strategia per incrementare l’efficienza d’uso della radiazione potrebbe essere quella di utilizzare varietà con un’architettura della canopy più “aperta”. Concentrandosi più sulla fisiologia della pianta, per incrementare l’efficienza d’uso della radiazione, si potrebbe variare l’intensità luminosa dei LED (PPFD) in funzione della resa quantica. La resa quantica dipende da fattori ambientali quali la temperatura, l’umidità, la concentrazione di anidride carbonica, ecc. e da fattori fisiologici come, ad esempio, la conduttanza e l’apertura stomatica e lo stato di ossidazione del fotosistema II.
Al fine di garantire alimenti vegetali con più alto contenuto di composti bioattivi e più basso contenuto di composti anti nutrizionali, come i nitrati, attraverso i VFS è possibile, più che nelle coltivazioni in serra, regolare la concentrazione dei nutrienti nei tessuti vegetali. Questo perché attraverso la regolazione della radiazione (intensità, spettro e fotoperiodo) è possibile favorire l’accumulo di metaboliti secondari o, ad esempio, incrementare l’attività della nitrato reduttasi e ridurre il contenuto dei nitrati negli ortaggi da foglia. Mentre questi processi sono fortemente influenzati dalla radiazione solare per le coltivazioni in serra ed in campo aperto, nel VFS gli stessi possono essere “guidati” con più precisione agendo sulla “ricetta di coltivazione”. La “ricetta di coltivazione” è specie specifica ed indica la quantità, la qualità e la durata dei fattori produttivi utilizzati (radiazione, acqua, fertilizzanti, substrato, ecc.).
Riguardo l’automazione i VFS permettono di standardizzare l’attività produttiva che comunque è fortemente influenzata dalla “ricetta di coltivazione”. Infatti, la notevole diversità che c’è tra le specie e le varietà vegetali sta rallentando la diffusione della robotica nel campo agricolo, in quanto i robot per funzionare correttamente hanno bisogno di numerosi algoritmi, un’ampia base di dati ed un’elevata standardizzazione dello sviluppo delle piante. Soprattutto quest’ultimo aspetto è di difficile attuazione, in quanto sono numerosi i fattori che influenzano lo sviluppo delle piante (inclusi fattori genetici), per cui se è vero che i VFS sono più adatti alla standardizzazione delle produzioni rispetto alle coltivazioni in serra, il grado di standardizzazione raggiunto non è ancora sufficiente al fine della diffusione della robotica su scala commerciale.
Invece, l’impatto socio economico dei VFS varia in funzione degli areali. In America i VFS si sono sviluppati più velocemente rispetto alla Cina (ad esempio) e se nel primo caso i consumatori apprezzano il consumo di cibo coltivato a pochi chilometri dalle loro abitazioni, in Cina i prodotti provenienti da VFS vengono percepiti come “qualcosa di artificiale”. Inoltre, dal punto di vista economico i VFS rappresentano un mezzo per la valorizzazione di stabilimenti obsoleti e in disuso. Anche attraverso la politica i VFS vengono proposti (per i motivi descritti fin qui) come mezzi per il perseguimento dei piani strategici proposti dal “Green Deal” e dalla strategia “Farm to Fork”. Per questo nell’immediato futuro ci si aspetta una “cospicua porzione” di fondi pubblici destinati all’agricoltura, riservati a progetti riguardanti i sistemi di fattorie verticali. Attualmente la principale limitazione alla diffusione dei VFS riguarda gli elevati costi di investimento iniziali e i costi relativi al consumo di energia elettrica. Tuttavia, con investimenti in tecnologie di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, l’impatto economico ed ambientale dei VFS può essere notevolmente ridotto.
HTML e PDF: https://doi.org/10.1038/s43016-021-00402-w