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使用更少自然资源的同时生产更多的粮食是气候变化适应过程中面临的最大挑战之一。农业活动对淡水供应有很大影响，约占淡水取水量的70%。
此外，根据气候预测模型，一些国家的气温上升将导致严重的水资源短缺。考虑到这些情况，实施能够减少用水量的创新技术，同时保持或提高产量，是农业部门的优先事项。
在这些创新技术中，垂直农场是与外部环境完全隔离的室内种植结构，通常位于城市和城郊环境中，植物通常使用高种植密度在多层种植系统中种植。在这个工厂生产系统中，所有环境参数都可以得到精确控制，保证全年稳定的生产，不受外部条件和季节的影响。
垂直农业被强调为可以带来巨大资源利用效率的园艺策略之一，定义为植物固定或利用的资源量与提供给系统的资源量相比。
与温室相比，VF 已被证明可以减少 28-95% 的用水量，具体取决于种植设施所在的地理区域和采用的温室技术。
无土系统通常分为基质培养和水培培养。在这两个系统中，水以营养液的形式向根部提供养分。在基质培养中，植物通常被寄存在具有惰性基质的盆中，营养液连续或周期性地分布，如潮起潮落系统的情况。
在水培培养中，植物根部直接与营养液接触，没有任何固体物质。有不同类型的水培培养物，其主要区别在于营养液的循环方式。一些例子是深水培养 ，其中根部不断浸没在营养液中，以及气培培养，其中植物根部定期喷洒营养液细雾。
由于对根区的更精确管理，气培系统通常被认为性能更好，尽管迄今为止有限的文献涉及与其他更广泛使用的垂直农业无土系统的比较，例如潮起潮落。
根据作物需求量身定制的先进栽培技术和详细的栽培方案也被认为在增加 WUE 方面发挥着关键作用。在垂直农场中应用的受控生长条件实际上可以提高产量或减少所需的水分贡献，例如在一氧化碳的情况下浓度和光特性。
1.材料与方法
1.1. 实验设施和生长条件
这些试验是在位于博洛尼亚 大学农业和食品科学系的实验性垂直农场AlmaVFarm内进行的。该设施由一个等温单元，包含两种生长系统类型，分别是潮起潮落和高压气培 ，分为 22 个栽培部门，每个部门由 3 个堆叠级别组成。
1.2. 莴苣的生长和水分利用
第一个实验于 14 年 2022 月 29 日开始，于 2022 年 3 月 1 日结束。将莴苣种子播种在装有可生物降解聚合物塞子的塑料网盆中，并放置在专用于发芽的气培系统中。
对于潮起潮落系统，将植物移植到6个装有泥炭的塑料盆中，然后放入堆叠层中，总面积为11.4 m2。在垂直农场中，移栽 到潮起潮落的系统中进行：将植物连同塞子一起轻轻地从网盆中取出，移植到装满泥炭的塑料盆中，避免对根部造成任何潜在的损害。
对于气培系统，塑料网盆内的植物被简单地放入托盘中，种植密度为 131 植物米−2，总面积为15.0 m2。虽然我们承认不同的种植密度可能会改变两个系统中植物接收的光照量及其最终产量，但研究的目的是比较评估在商业生产环境中的性能。
植物在移栽后 30 天收获 。每级对5家工厂进行了措施，每个部门总共有15家工厂。用精密天平测量叶鲜重和叶干重。产量的计算方法是将LFW乘以每米的植物数量2，干物质含量按 LDW 和 LFW 之间的比率计算。
使用叶片孔径计 评估气孔导度，对两个最发达的叶子进行三次测量。使用手持式叶绿素计估计叶子绿度，对两个最发达的叶子分别进行三次测量。从移栽到最终收获，对与系统各个组件相关的所有用水量进行监测。
每天通过流量计 监测进入系统的水，包括一般进水口以及潮起潮落和气培系统的泵。此外，特别是对于实验 1，从 HVAC 系统回收的水（在正常条件下将水返回施肥装置）被转移到另一个水箱中，以便进行量化。
1.3. 优化潮起潮落系统中的光谱
实验2与实验1同时进行，涉及14个潮起潮落的栽培部门。发芽阶段与实验 4 中描述的相同。在移植时，RB3光谱用作对照，红色和蓝色辐射被相同量的远红外辐射取代。
2. 统计分析
采用SPSS统计法，采用单因素方差分析分析方法对数据进行分析。通过Tukey检验以95%的置信度测试光处理之间的显着差异。
3. 结果
3.1. 用水量
在本研究分析的实验垂直农场中，考虑了潮起潮落和高压气培系统，两者都配备了闭环水再循环系统。对于在潮起潮落和气培中同时进行的生菜生长周期，使用了1870 L水。
使用的升水量在各个组件之间分配如下：767 L 用于潮起潮落系统中的灌溉 ，504 L 用于气培系统中的灌溉和 599 L 用于 HVAC 系统和操作员的日常清洁操作。
3.2 栽培技术对水分利用效率的影响
3.2.1. 光谱的优化管理
产量、DMC、叶绿度、气孔导度和LAI随光谱中远红辐射的具体量而变化。用远红外辐射丰富光谱已被证明可以增加生菜植物的叶鲜重，从而增加产量。
将红/远红比从0.7改为4.1，报告说与红色和蓝色光谱相比增加了39-50%，根据我们的结果，产量已经随着RB的增加而增加3-30，在 RB 时达到最大值3-70 ，与 RB 相比。
3.2.2. 种植密度的优化管理
使用三种不同的种植密度导致不同植物在20和33 DAT时生长。在20 DAT时，最高种植密度导致产量增加，与用作对照的种植密度，但也以最低的植物鲜重。
在 33 DAT 时，采用的种植密度为 270 株 m−2与对照组相比，产量增加了91%。同样在这种情况下，在最高种植密度下获得了显着最低的植物鲜重值−1).在两个收获日，干物质含量不受所采用的种植密度的影响。
在20 DAT时，最高种植密度的WUE比最低种植密度增加了133%，达到68.3 ± 14.3 g FW L−1pO.在33 DAT时，WUE最高分别为270株和733株 m−2，占 135.0 ± 9.4 和 126 ± 10.0 g FW L−1pO，与最低种植密度相比，增加了 + 62-72 %。
讨论
对莴苣生长模式的研究表明，生长周期中的最佳种植密度是叶面积指数保持不变的密度，从而增加了植物生长过程中的距离。虽然已经从光利用效率方面分析了这种策略，但这项研究的结果表明，通过生长周期调整种植密度可以导致WUE的显着增加，使动态种植密度的做法在利用土地以外的资源方面也很有效。
考虑到垂直农场的种植密度可以完全控制，尽管高密度和动态密度的适用性很大程度上取决于所使用的自动化水平，这种栽培技术在资源利用效率方面也是有效的。
此外，栽培密度的增加减少了系统对加湿的需求，因为植物蒸散会影响室内环境的湿度水平。通过增加种植密度，可以减少加湿所需的水输入，因为从我们的数据中可以看出，HVAC 系统使用了总水量的 32%。
另一方面，考虑到作物引起的热量增加和损失的速度不容忽视，增加种植密度也可能影响 HVAC 系统的冷却要求。
总体而言，从这些情景中可以看出，在资源利用效率方面，接下来的基本步骤将需要研究和描述在水和能源消耗之间有效权衡的栽培技术。
在一些作物中，如绿莴苣，多次收获使作物达到更高的鲜重和干重，因此，为了确定考虑到栽培各个方面的最佳密度，研究使用高密度和多次收获之间可能的相互作用至关重要 ， 以及在高种植密度的情况下作物的定性参数。
4. 结论
在有人造光的垂直农场中，采用高压气培和潮起潮落系统导致相同的最终生菜产量。然而，使用气培系统使用水效率 提高了 53%。WUE 值显着增加 ，这也归功于植物从 HVAC 系统中回收蒸腾的水，极大地影响了灌溉的用水需求。
应用特定的栽培技术，例如替换 30 至 50 μmol m−2s−1，在相同量的远红辐射下，WUE增加了46-64%，而不影响作物干物质含量。此外，根据植物的生长阶段使用不同的种植密度，允许大大增加 WUE，范围为 62-133%。
因此，这项研究的结果表明，使用创新技术和特定的栽培技术，例如远红外辐射和种植密度的优化管理，可以极大地优化室内种植系统的用水。
为了进一步优化垂直农场的用水，未来的研究应深入研究采用不同栽培策略时暖通空调系统的消耗，同时考虑能源和水消耗的贡献，以改善不同资源之间的权衡。
