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使用更少自然資源的同時生產更多的糧食是氣候變遷適應過程中面臨的最大挑戰之一。農業活動對淡水供應有很大影響，約占淡水取水量的70%。
此外，根據氣候預測模型，一些國家的氣溫上升將導致嚴重的水資源短缺。考慮到這些情況，實施能夠減少用水量的創新技術，同時保持或提高產量，是農業部門的優先事項。
在這些創新技術中，垂直農場是與外部環境完全隔離的室內種植結構，通常位於城市和城郊環境中，植物通常使用高種植密度在多層種植系統中種植。在這個工廠生產系統中，所有環境參數都可以得到精確控制，保證全年穩定的生產，不受外部條件和季節的影響。
垂直農業被強調為可以帶來巨大資源利用效率的園藝策略之一，定義為植物固定或利用的資源量與提供給系統的資源量相比。
與溫室相比，VF 已被證明可以減少 28-95% 的用水量，具體取決於種植設施所在的地理區域和采用的溫室技術。
無土系統通常分為基質培養和水培培養。在這兩個系統中，水以營養液的形式向根部提供養分。在基質培養中，植物通常被寄存在具有惰性基質的盆中，營養液連續或周期性地分布，如潮起潮落系統的情況。
在水培培養中，植物根部直接與營養液接觸，沒有任何固體物質。有不同型別的水培培養物，其主要區別在於營養液的迴圈方式。一些例子是深水培養 ，其中根部不斷浸沒在營養液中，以及氣培培養，其中植物根部定期噴灑營養液細霧。
由於對根區的更精確管理，氣培系統通常被認為效能更好，盡管迄今為止有限的文獻涉及與其他更廣泛使用的垂直農業無土系統的比較，例如潮起潮落。
根據作物需求量身客製的先進栽培技術和詳細的栽培方案也被認為在增加 WUE 方面發揮著關鍵作用。在垂直農場中套用的受控生長條件實際上可以提高產量或減少所需的水分貢獻，例如在一氧化碳的情況下濃度和光特性。
1.材料與方法
1.1. 實驗設施和生長條件
這些試驗是在位於波隆納 大學農業和食品科學系的實驗性垂直農場AlmaVFarm內進行的。該設施由一個等溫單元，包含兩種生長系統型別，分別是潮起潮落和高壓氣培 ，分為 22 個栽培部門，每個部門由 3 個堆疊級別組成。
1.2. 萵苣的生長和水分利用
第一個實驗於 14 年 2022 月 29 日開始，於 2022 年 3 月 1 日結束。將萵苣種子播種在裝有可生物降解聚合物塞子的塑膠網盆中，並放置在專用於發芽的氣培系統中。
對於潮起潮落系統，將植物移植到6個裝有泥炭的塑膠盆中，然後放入堆疊層中，總面積為11.4 m2。在垂直農場中，移栽 到潮起潮落的系統中進行：將植物連同塞子一起輕輕地從網盆中取出，移植到裝滿泥炭的塑膠盆中，避免對根部造成任何潛在的損害。
對於氣培系統，塑膠網盆內的植物被簡單地放入托盤中，種植密度為 131 植物米−2，總面積為15.0 m2。雖然我們承認不同的種植密度可能會改變兩個系統中植物接收的光照量及其最終產量，但研究的目的是比較評估在商業生產環境中的效能。
植物在移栽後 30 天收獲 。每級對5家工廠進行了措施，每個部門總共有15家工廠。用精密天平測量葉鮮重和葉幹重。產量的計算方法是將LFW乘以每米的植物數量2，幹物質含量按 LDW 和 LFW 之間的比率計算。
使用葉片孔徑計 評估氣孔導度，對兩個最發達的葉子進行三次測量。使用手持式葉綠素計估計葉子綠度，對兩個最發達的葉子分別進行三次測量。從移栽到最終收獲，對與系統各個元件相關的所有用水量進行監測。
每天透過流量計 監測進入系統的水，包括一般進水口以及潮起潮落和氣培系統的泵。此外，特別是對於實驗 1，從 HVAC 系統回收的水（在正常條件下將水返回施肥裝置）被轉移到另一個水箱中，以便進行量化。
1.3. 最佳化潮起潮落系統中的光譜
實驗2與實驗1同時進行，涉及14個潮起潮落的栽培部門。發芽階段與實驗 4 中描述的相同。在移植時，RB3光譜用作對照，紅色和藍色放射線被相同量的遠紅外放射線取代。
2. 統計分析
采用SPSS統計法，采用單因素變方分析分析方法對數據進行分析。透過Tukey檢驗以95%的置信度測試光處理之間的顯著差異。
3. 結果
3.1. 用水量
在本研究分析的實驗垂直農場中，考慮了潮起潮落和高壓氣培系統，兩者都配備了閉環水再迴圈系統。對於在潮起潮落和氣培中同時進行的生菜生長周期，使用了1870 L水。
使用的升水量在各個元件之間分配如下：767 L 用於潮起潮落系統中的灌溉 ，504 L 用於氣培系統中的灌溉和 599 L 用於 HVAC 系統和操作員的日常清潔操作。
3.2 栽培技術對水分利用效率的影響
3.2.1. 光譜的最佳化管理
產量、DMC、葉綠度、氣孔導度和LAI隨光譜中遠紅放射線的具體量而變化。用遠紅外放射線豐富光譜已被證明可以增加生菜植物的葉鮮重，從而增加產量。
將紅/遠紅比從0.7改為4.1，報告說與紅色和藍色光譜相比增加了39-50%，根據我們的結果，產量已經隨著RB的增加而增加3-30，在 RB 時達到最大值3-70 ，與 RB 相比。
3.2.2. 種植密度的最佳化管理
使用三種不同的種植密度導致不同植物在20和33 DAT時生長。在20 DAT時，最高種植密度導致產量增加，與用作對照的種植密度，但也以最低的植物鮮重。
在 33 DAT 時，采用的種植密度為 270 株 m−2與對照組相比，產量增加了91%。同樣在這種情況下，在最高種植密度下獲得了顯著最低的植物鮮重值−1).在兩個收獲日，幹物質含量不受所采用的種植密度的影響。
在20 DAT時，最高種植密度的WUE比最低種植密度增加了133%，達到68.3 ± 14.3 g FW L−1pO.在33 DAT時，WUE最高分別為270株和733株 m−2，占 135.0 ± 9.4 和 126 ± 10.0 g FW L−1pO，與最低種植密度相比，增加了 + 62-72 %。
討論
對萵苣生長模式的研究表明，生長周期中的最佳種植密度是葉面積指數保持不變的密度，從而增加了植物生長過程中的距離。雖然已經從光利用效率方面分析了這種策略，但這項研究的結果表明，透過生長周期調整種植密度可以導致WUE的顯著增加，使動態種植密度的做法在利用土地以外的資源方面也很有效。
考慮到垂直農場的種植密度可以完全控制，盡管高密度和動態密度的適用性很大程度上取決於所使用的自動化水平，這種栽培技術在資源利用效率方面也是有效的。
此外，栽培密度的增加減少了系統對加濕的需求，因為植物蒸散會影響室內環境的濕度水平。透過增加種植密度，可以減少加濕所需的水輸入，因為從我們的數據中可以看出，HVAC 系統使用了總水量的 32%。
另一方面，考慮到作物引起的熱量增加和損失的速度不容忽視，增加種植密度也可能影響 HVAC 系統的冷卻要求。
總體而言，從這些情景中可以看出，在資源利用效率方面，接下來的基本步驟將需要研究和描述在水和能源消耗之間有效權衡的栽培技術。
在一些作物中，如綠萵苣，多次收獲使作物達到更高的鮮重和幹重，因此，為了確定考慮到栽培各個方面的最佳密度，研究使用高密度和多次收獲之間可能的交互作用至關重要 ， 以及在高種植密度的情況下作物的定性參數。
4. 結論
在有人造光的垂直農場中，采用高壓氣培和潮起潮落系統導致相同的最終生菜產量。然而，使用氣培系統使用水效率 提高了 53%。WUE 值顯著增加 ，這也歸功於植物從 HVAC 系統中回收蒸散的水，極大地影響了灌溉的用水需求。
套用特定的栽培技術，例如替換 30 至 50 μmol m−2s−1，在相同量的遠紅放射線下，WUE增加了46-64%，而不影響作物幹物質含量。此外，根據植物的生長階段使用不同的種植密度，允許大大增加 WUE，範圍為 62-133%。
因此，這項研究的結果表明，使用創新技術和特定的栽培技術，例如遠紅外放射線和種植密度的最佳化管理，可以極大地最佳化室內種植系統的用水。
為了進一步最佳化垂直農場的用水，未來的研究應深入研究采用不同栽培策略時暖通空調系統的消耗，同時考慮能源和水消耗的貢獻，以改善不同資源之間的權衡。
