Landwirtschaft in kontrollierter Umgebung

Die kontrollierte Landwirtschaft ( Controlled-Environment Agriculture , CEA ) – zu der auch Indoor-Landwirtschaft (Indoor Agriculture, IA) und vertikale Landwirtschaft gehören – umfasst Anbausysteme in Gewächshäusern oder anderen Strukturen, die gartenbauliche und ingenieurtechnische Verfahren nutzen, die über den konventionellen Freilandanbau im Boden hinausgehen. Diese Systeme können die Erträge steigern, den Zugang zu regionalen Lebensmitteln verbessern, eine ganzjährige Lebensmittelversorgung gewährleisten und die Nährwertqualität im Vergleich zur traditionellen großflächigen Landwirtschaft verbessern. ^{[ 1 ]} Ziel der CEA ist es, die Pflanzen vor Witterungseinflüssen zu schützen und optimale Wachstumsbedingungen während ihrer gesamten Entwicklung zu gewährleisten. Die Produktion findet in geschlossenen Anbaustrukturen wie Pilzzuchtbetrieben, Gewächshäusern oder Pflanzenfabriken statt . ^{[ 2 ]} Gewächshäuser für die CEA sind weit verbreitet, ^{[ 3 ]} obwohl die vertikale Landwirtschaft mit finanziellen Schwierigkeiten zu kämpfen hat. ^{[ 4 ]} Einige Erntemethoden, wie beispielsweise das wiederholte Schneiden, können für hochwertige Kulturen wie Blattgemüse in vertikalen Farmen rentabel sein. ^{[ 5 ]}

CEA umfasst zwei Sektoren: Pflanzenzuchtsysteme, die sich aus Gewächshäusern oder auf Aquakultur basierenden Strukturen mit Lichtbedarf entwickelt haben ^{[ 6 ]} , und Pilzzuchtsysteme, die sich aus vollständig geschlossenen Strukturen mit begrenzter Beleuchtung entwickelt haben. ^{[ 7 ]}

Pflanzen werden häufig in einem Substrat ohne Erde kultiviert, um die Wurzelzone mit ausreichend Wasser und Nährstoffen zu versorgen und durch zusätzliche Beleuchtung eine ausreichende tägliche Lichtmenge zu gewährleisten. Der ressourcenschonende Pflanzenanbau optimiert die Nutzung von Wasser, Energie, Fläche, Kapital und Arbeitskraft. Zu den ressourcenschonenden Technologien zählen Hydroponik , Aeroponik , Aquakultur und Aquaponik . ^{[ 8 ]}

Pilze werden in einem Kompostsubstrat gezüchtet, wobei Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Beleuchtung, zusätzliche Nährstoffe und atmosphärische Zusätze wie Sauerstoff oder CO2 _je nach Pilzart hinzugefügt werden. ^{[ 9 ]}

Für den Anbau von Lebensmitteln in kontrollierter Umgebungslandwirtschaft stehen verschiedene Techniken zur Verfügung. Im Jahr 2019 war die Pilzzucht in den USA gemessen an der Anlagengröße und dem Gesamtumsatz der größte Sektor der kontrollierten Umgebungslandwirtschaft. ^{[ 10 ]} Die Gewächshausindustrie ist der zweitgrößte Bestandteil der Branche, aber auch die vertikale Landwirtschaft verzeichnet ein rasantes Wachstum . ^{[ 11 ]} Die kontrollierte Umgebungslandwirtschaft ermöglicht die ganzjährige Produktion von Nutzpflanzen und bietet die Möglichkeit, den Ertrag durch die Anpassung der Kohlenstoff- und Nährstoffzufuhr zu steigern. ^{[ 12 ]}

CEA-Farmen befinden sich hauptsächlich in lagerhallenähnlichen Gebäuden, es werden aber auch andere Gebäudetypen genutzt. Obwohl CEA-Anlagen Gemeinsamkeiten mit Gewächshäusern, Pilzzuchtbetrieben und anderen Indoor-Landwirtschaftsformen aufweisen, benötigen sie unterschiedliche Gebäudetypen, Technologien und Fachkräfte mit unterschiedlichen Qualifikationen, beispielsweise in der Softwareentwicklung. CEA unterscheidet sich auch vom Anbau und der Verarbeitung von medizinischem Cannabis. ^{[ 13 ]} Im Gegensatz zu CEA-Systemen für Blattgemüse und Kräuter können Pilze an Standorten mit minimaler Infrastruktur und geringem Kapitalaufwand für den Produktionsstart und -betrieb produziert werden. Die Pilzproduktion kann an verlassene und untergenutzte landwirtschaftliche Infrastruktur wie Scheunen, Nebengebäude, Folientunnel und Lagerhallen angepasst werden. ^{[ 7 ]}

Im Hinblick auf die urbane Landwirtschaft kann CEA in umgenutzten Gebäuden, eigens dafür errichteten Gebäuden oder in Kellern und unterirdischen Räumen stattfinden. ^{[ 14 ]} Der Trend entwickelt sich zunehmend zu alternativen Lebensmittelnetzwerken, da Unternehmer und Haushalte versuchen, die steigende Nachfrage nach frischen Lebensmitteln zu decken. ^{[ 15 ]}

Kontrollierbare Variablen:

Umwelt:

• Temperatur (Luft, Nährlösung, Wurzelzone, Blatt)
• Relative Luftfeuchtigkeit (%RH)
• Kohlendioxid (CO ₂ )
• Licht (Intensität, Spektrum, Dauer und Intervalle)

Kulturell:

• Wasserqualität
• Nährstoffkonzentration ( ppm Stickstoff, Kalium, Phosphor usw.)
• Nährstoff- pH-Wert (Säuregrad)
• Anbaudauer und -dichte
• Sorte
• Schädlingsbekämpfung

Die Anlagen für den Anbau in geschlossenen Kreislaufsystemen reichen von vollständig umweltkontrollierten Systemen bis hin zu automatisierten Gewächshäusern mit computergesteuerter Bewässerung, Beleuchtung und Belüftung. Einfache Lösungen wie Abdeckhauben oder Plastikfolien für Freilandkulturen und mit Plastikfolie bespannte Tunnel werden als modifizierte Umweltlandwirtschaft bezeichnet.

Mithilfe von CEA-Methoden lassen sich praktisch alle Nutzpflanzen anbauen, wobei die Wirtschaftlichkeit des Anbaus jedoch von den lokalen Marktpreisen und Ressourcenkosten abhängt. Derzeit zählen Tomaten , Blattgemüse und Kräuter zu den wirtschaftlich rentabelsten Nutzpflanzen. ^{[ 16 ]}

Die Pflanzen können für Lebensmittel, pharmazeutische und nutrazeutische Zwecke angebaut werden . Sie können auch zur Algenzucht für Lebensmittel oder Biokraftstoffe genutzt werden.

CEA-Methoden erhöhen die Lebensmittelsicherheit durch die Beseitigung von Kontaminationsquellen und verbessern die Versorgungssicherheit, da sie unabhängig von äußeren Umwelteinflüssen sind und saisonale Schwankungen ausschließen. Dies führt zu stabilen Marktpreisen, was sowohl für Landwirte als auch für Verbraucher von Vorteil ist. Der Einsatz von Überwachungssoftware und Automatisierung kann den Arbeitsaufwand erheblich reduzieren.

Die CEA wird in der Forschung eingesetzt, um einen spezifischen Aspekt der Produktion zu isolieren, während alle anderen Variablen konstant bleiben. Beispielsweise könnte auf diese Weise die Verwendung von getöntem Gewächshausglas mit der von Klarglas bei einer Untersuchung der Photosynthese verglichen werden. ^{[ 17 ]}

Ein Artikel in der Zeitschrift Science Illustrated vom Februar 2011 erklärt: „In der kommerziellen Landwirtschaft kann computergestützte Landwirtschaft (CEA) die Effizienz steigern, Schädlinge und Krankheiten reduzieren und Ressourcen schonen. … Die Nachbildung eines konventionellen landwirtschaftlichen Betriebs mit Computern und LED-Beleuchtung ist zwar kostspielig, erweist sich aber langfristig als kosteneffizient, da bis zu 20-mal so viel hochwertiges, pestizidfreies Obst und Gemüse produziert wird wie auf einer vergleichbar großen Fläche. Auf einer Fläche von 14.000 Quadratfuß werden in der solarbetriebenen Fabrik jährlich 15 Millionen Setzlinge unter strenger Überwachung produziert. Solche Fabriken werden notwendig sein, um die steigende Nachfrage des urbanen Chinas nach qualitativ hochwertigem Obst und Gemüse zu decken.“ ^{[ 18 ]}

Vorteile der CEA gegenüber der traditionellen Feldwirtschaft: ^{[ 19 ]}

• Wassereffizienz ^{[ 20 ]}
• Raumnutzungseffizienz
• Reduzierter Transportbedarf
• Zuverlässige Produktion das ganze Jahr über
• Schutz vor widrigen Wetterereignissen
• Düngemittelabfluss reduzieren
• Angenehme Arbeitsbedingungen

Laut den Ergebnissen eines Workshops des US-Landwirtschaftsministeriums im Jahr 2018:

Die Indoor-Landwirtschaft (IA) in städtischen und stadtnahen Gebieten birgt das Potenzial, als verlässlicher, lokaler und leicht zugänglicher Produzent und Vertreiber von Frischprodukten zu fungieren. Bei strategischer Platzierung dieser Farmen könnte diese Möglichkeit der lokalen Lebensmittelproduktion, -verarbeitung und -verteilung insbesondere für städtische Gebiete ohne zuverlässigen Zugang zu erschwinglichen und frischen Produkten von großer Bedeutung sein. Solche Farmen könnten auch weitreichende Auswirkungen auf traditionell benachteiligte Gemeinschaften haben, indem sie Möglichkeiten für Ausbildung, Beschäftigung und Unternehmensentwicklung in einem aufstrebenden Sektor schaffen. ^{[ 21 ]}

Der US-amerikanische Pilzzuchtsektor meldete im Anbauzyklus 2022-2023 eine Fläche von 19.473 Millionen Quadratfuß an Indoor-Pilzfarmen. ^{[ 22 ]}

Der CEA-Pflanzenanbausektor berichtete Mitte 2021 von 16,55 Millionen Quadratfuß (380 Acres / 154 Hektar) Indoor-Farmen weltweit. Der Jahresbericht „State of Indoor Farming“ prognostizierte einen Anstieg auf 22 Millionen Quadratfuß (505 Acres / 204 Hektar) bis 2022. ^{[ 23 ]} (Zum Vergleich: Das USDA berichtete 2012 von 915 Millionen Acres (38 Millionen Hektar) Ackerland in den Vereinigten Staaten.) ^{[ 24 ]}

Schätzungsweise 40 vertikale Indoor-Farmen existierten 2018 in den USA. Einige produzierten kommerziell vermarktete Produkte, andere verkauften noch nicht an Endverbraucher. ^{[ 25 ]} Eine andere Quelle schätzte die Zahl der Startups im Jahr 2018 auf über 100. ^{[ 26 ]} In Asien wurde die Einführung der Indoor-Landwirtschaft durch die Verbrauchernachfrage nach Qualität vorangetrieben. ^{[ 27 ]} Die Recirculating Farms Coalition ist ein US-amerikanischer Branchenverband für Hydroponik-Landwirte. ^{[ 28 ]}

Eine 2020 durchgeführte Umfrage zur Indoor-Pflanzenzucht in den USA ^{[ 29 ]} ergab, dass die Indoor-Produktion wie folgt ausfiel:

• 26 % Blattgemüse
• 20 % Kräuter
• 16 % Mikrogrün
• 10 % Tomaten
• 28 % Sonstige

AeroFarms, gegründet 2011, sammelte 2017 40 Millionen US-Dollar ein und eröffnete 2015 in Newark, New Jersey, die größte Indoor-Farm der Welt. ^{[ 30 ]} Bis 2018 errichtete das Unternehmen seine zehnte Indoor-Farm. ^{[ 30 ]} Im Juni 2023 meldete AeroFarms Insolvenz nach Chapter 11 an und begründete dies mit „erheblichen Herausforderungen in der Branche und am Kapitalmarkt“. ^{[ 31 ]}

Premier Mushrooms, 2001 als Colusa Mushrooms gegründet, war Berichten zufolge eine der ersten, nahezu vollständig geschlossenen CEA-Anbauanlagen in den Vereinigten Staaten mit einer Farm in Colusa, Kalifornien. ^{[ 32 ]} Premier Mushroom durchlief 2004 und 2009 ein Insolvenzverfahren ^{[ 33 ]} und wurde schließlich 2020 an einen internationalen Betreiber verkauft. ^{[ 34 ]}

Die Wirtschaftlichkeit von Indoor-Farming ist aufgrund hoher Investitions- und Energiekosten ^{[ 21 ]} – insbesondere der Strompreise – eine Herausforderung, die zur Schließung mehrerer Startups geführt hat. ^{[ 35 ]} Eine US-amerikanische Studie aus dem Jahr 2018 ergab, dass nur 51 % der Indoor-Farming-Betriebe profitabel waren. ^{[ 36 ]} Ein Ansatz zur Überwindung der Energiekostenbeschränkungen von CEA (Concentrated Energy Agriculture) ist die Kombination mit kostengünstiger agrivoltaischer Stromerzeugung. ^{[ 37 ] [ 38 ]} Dies wurde beispielsweise von Food Security and Structures Canada ^{[ 39 ]} umgesetzt, die einen agrivoltaischen Agrotunnel entwickelten . Dieser nutzt: (1) eine hochwärmedämmende Konstruktion für ein Gebäude, das speziell für den vertikalen Anbau entwickelt wurde, (2) hocheffiziente LED- Beleuchtung, (3) Wärmepumpen und (4) Photovoltaik (PV), um die Stromkosten für 25 Jahre zu decken. ^{[ 40 ]}

Eine US-amerikanische Studie aus dem Jahr 2020 ergab, dass der typische Anbau von Nutzpflanzen in Innenräumen pro Pfund Ertrag zwischen 0,47 US-Dollar (für Blattgemüse) und 1,38 US-Dollar (für Mikrogrün ) an Betriebsmitteln (insbesondere Saatgut, Substrat und Nährstoffe) verbrauchte – bei Tomaten lagen die Kosten hingegen bei 0,06 US-Dollar pro Pfund. Die Arbeitskosten für Containerfarmen beliefen sich auf 2,35 US-Dollar pro Pfund. Dieselbe Studie stellte jedoch fest, dass die Indoor-Landwirtschaft im Vergleich zum konventionellen Freilandanbau höhere Erträge pro Pfund erzielt. ^{[ 41 ]}

In der Asien-Pazifik- Region, wo das rasante Bevölkerungswachstum mit dem steigenden Flächenbedarf der Landwirtschaft zur Ernährung der Bevölkerung kollidiert, wird für die Indoor-Landwirtschaft eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 29 % erwartet, was einem Anstieg des Marktes von 0,77 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 auf 2,77 Milliarden US-Dollar im Jahr 2026 entspricht. ^{[ 23 ]}

Fortschritte bei der LED-Beleuchtung zählen zu den wichtigsten Entwicklungen zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. ^{[ 25 ] [ 23 ]} Die hohen Investitionskosten für CEA stellen eine Herausforderung dar, die nur durch Forschung und Entwicklung zur Innovation nachhaltiger Verfahren bewältigt werden kann. Das Produktionspotenzial dieser landwirtschaftlichen Netzwerke rechtfertigt die Investitionen in die Infrastruktur und trägt zur Erreichung der UN-Nachhaltigkeitsziele 2030 zur Reduzierung des CO₂-Fußabdrucks bei. ^{[ 15 ]}

Im Jahr 2017 stimmte das US National Organic Standards Board dafür, dass hydroponisch angebautes Obst und Gemüse als Bio-zertifiziert gekennzeichnet werden darf . ^{[ 28 ]}

• Gebäudeintegrierte Landwirtschaft
• Zentrum für kontrollierte Umweltlandwirtschaft (CEAC) an der Universität von Arizona
• Vertikale Landwirtschaft

• Werkzeugkasten für urbane Landwirtschaft , US-Landwirtschaftsministerium
• „Fortschritte bei der Gewächshausautomatisierung und der kontrollierten Umweltlandwirtschaft: Der Übergang zu Pflanzenfabriken und urbaner Landwirtschaft“ , Januar 2018, Int J Agric & Biol Eng, Band 11, Nr. 1, abrufbar unter USDA.gov
• „Indoor-Landwirtschaft gewinnt schnell an Fahrt“ , 21. Mai 2015, Vegetable Growers News, abgerufen am 9. Januar 2022 (umfangreiche Daten).