Hydroponische Kartoffelproduktion aus Holzfasern zur Ernährungssicherheit

Jun 06, 2023

npj Science of Food Band 7, Artikelnummer: 24 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Widerstandsfähigkeit der globalen Ernährungssicherheit ist ein entscheidendes Anliegen. Angesichts des begrenzten Zugangs zu Land und möglicher Störungen der Lebensmittelmärkte sind alternative, skalierbare und effiziente Produktionssysteme als ergänzender Puffer für die Aufrechterhaltung der Integrität der Lebensmittelproduktion erforderlich. Der Zweck dieser Studie bestand darin, ein alternatives hydroponisches Kartoffelanbausystem vorzustellen, bei dem Kartoffeln in blanken Holzfasern als Wachstumsmedium angebaut werden. Ein System mit Tropfbewässerung und Plastiktüten als Behälter wurde für drei verschiedene Arten von Holzfasern, zwei Sorten und zwei Fertigationsstrategien getestet. Die Implementierung des Systems führte zu einer um etwa 300 % höheren Knollenproduktion im Vergleich zum lokalen konventionellen Anbau. Die Mineralzusammensetzung der aus dem Hydrokultursystem gewonnenen Knollen ähnelte der Zusammensetzung der auf dem Feld angebauten Knollen und zeigte Potenzial für eine Biofortifizierung. Darüber hinaus führte eine Fertigationsstrategie, bei der die beiden Applikationspunkte über die Wurzelzone verteilt waren, zu Knollen mit einem Trockenmassegehalt, der mit dem der im Boden angebauten Kartoffeln vergleichbar war. Die Recyclingfähigkeit, Wiederverwendbarkeit und Einfachheit dieser Lösung könnten ihre Anwendung zur Verbesserung der Sicherheit der Lebensmittelproduktion in ausgewählten Regionen der Welt sowie ihre Nutzung in der städtischen Landwirtschaft fördern.

In den kommenden Jahrzehnten werden die wachsende Bevölkerung und die Marktvolatilität Verbesserungen im globalen Nahrungsmittelsystem erfordern. Das Nahrungsmittelsystem ist nicht nachhaltig ausgewogen und versorgt die Weltbevölkerung nicht mit ausreichend nahrhaften Nahrungsmitteln1. Laut der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen wird eine Weltbevölkerung von voraussichtlich 9,7 Milliarden Menschen bis 2050 70 % mehr Nahrungsmittel benötigen, als heute konsumiert wird, und 100 % mehr in den Entwicklungsländern2. Um eine ausreichende Nahrungsmittelversorgung der Verbraucher weltweit sicherzustellen, werden derzeit immer mehr Flächen in landwirtschaftliche Nutzflächen umgewandelt, oft auf Kosten der Schädigung natürlicher Lebensräume mit hoher Artenvielfalt. Es ist fraglich, ob die Umwandlung von mehr Land zur Produktion von mehr Nahrungsmitteln zur Ernährungssicherheit beiträgt3. Godfray und Garnett4 stellten fest, dass das Ziel der Steigerung der Nahrungsmittelproduktion durch andere, ebenso wichtige Ziele zur Aufrechterhaltung von Nachhaltigkeit und Gleichgewicht eingeschränkt werden muss. Die Lebensmittelproduktion sollte nachhaltig intensiviert werden, das heißt mit geringeren Auswirkungen auf die sich verschlechternden Ökosysteme, den Klimawandel und die Verringerung der Land- und Wasserressourcen. Andererseits gefährden Umweltbedenken die Ernährungssicherheit der schnell wachsenden Bevölkerung.

Eine beispiellose Urbanisierungsrate verändert die Ernährungssysteme weltweit5, insbesondere in Afrika südlich der Sahara und Südasien6. Die Urbanisierung löst Veränderungen in der Nahrungsmittelnachfrage hin zu nährstoffreicheren und verarbeiteten Produkten aus, wandelt landwirtschaftliche Flächen in Wohn- oder Industriegebiete um und schafft komplexere Marktverknüpfungen6. Aufgrund des begrenzten Zugangs zu landwirtschaftlich genutzten Flächen in städtischen Gebieten und der höheren Abhängigkeit von Verkehr und Infrastruktur werden die Nahrungsmittel entweder intensiver auf den verbleibenden landwirtschaftlichen Flächen7 oder in städtischen und stadtnahen Gebieten auf Flächen produziert, die nicht als landwirtschaftlich eingestuft sind. Tatsächlich spielt die städtische und stadtnahe Landwirtschaft eine wichtige Rolle bei der Ernährungssicherheit von Hunderten Millionen Stadtbewohnern in den meisten Ländern mit niedrigem Einkommen8, obwohl es in vielen Städten schwierig geworden ist, Zugang zu den für die Landwirtschaft benötigten Flächen zu erhalten9. Daher besteht Bedarf an der Einführung alternativer Anbausysteme und technologischer Lösungen zur Nahrungsmittelproduktion in Gebieten mit begrenzten Landressourcen.

Kartoffeln sind die drittwichtigste Nahrungspflanze im Hinblick auf den weltweiten Verbrauch und wurden von der FAO als Nutzpflanze zur Ernährungssicherung dringend empfohlen, während die Welt mit den Herausforderungen einer wachsenden Bevölkerung und Störungen der Nahrungsmittelversorgung konfrontiert ist10,11. Nach Angaben der FAO bringen Kartoffeln in kürzerer Zeit einen höheren Ertrag pro Anbaufläche als jede andere wichtige Kulturpflanze2. Trotz der stetig schrumpfenden weltweiten Kartoffelanbaufläche wurden im Jahr 2020 weltweit über 360 Millionen Tonnen produziert, was einen erheblichen Anstieg gegenüber 329 Millionen Tonnen im Jahr 2010 darstellt12. Millionen Landwirte sind sowohl für ihre Ernährung als auch für ihr Geldeinkommen auf Kartoffeln angewiesen. Mittlerweile ist es im Gegensatz zu den wichtigsten Getreiderohstoffen nicht an den großen internationalen Rohstoffbörsen vertreten, was bedeutet, dass sein Angebot nicht durch spekulative Marktaktivitäten beeinträchtigt wird. Kartoffeln gehören weltweit zu den Nutzpflanzen mit den vielfältigsten Verbreitungsmustern13. Es hat sich gezeigt, dass der Anbau von Kartoffeln (und Süßkartoffeln) zur Intensivierung und Diversifizierung lokaler Ernährungssysteme beitrug, die sonst, wie in Asien, ansonsten von Getreide dominiert würden, und so dazu beitrug, ihre Fähigkeit zu stärken, Krisen zu widerstehen und sich von ihnen zu erholen14. In ihrem jüngsten Meinungsbeitrag zur Situation auf dem Lebensmittelmarkt während der COVID-19-Pandemie wiesen Heck et al.15 darauf hin, dass sich landwirtschaftliche Innovationen auf die Erfüllung der Bedürfnisse der Armen konzentrieren sollten und dass der Einsatz von bioangereicherten Kartoffeln und Süßkartoffeln die Ernährung verbessern würde Lebensunterhalt in solchen Krisen.

Obwohl Kartoffeln, die aus den Hochgebirgsregionen Südamerikas stammen, unter schwierigen Wachstumsbedingungen angebaut werden können, sind ihr Ertrag und ihre Qualität empfindlich gegenüber überschüssigem und defizitärem Bodenwasser16. Darüber hinaus wird es aufgrund der anhaltenden und vorhergesagten klimatischen Veränderungen zu den größten Verlusten bei der Eignung von Land für den Kartoffelanbau im südlichen Afrika, in Indien und im tropischen Hochland kommen17,18. Daher ist es dringend erforderlich, alternative Produktionssysteme zur Aufrechterhaltung der globalen Ernährungssicherheit in zukünftigen Notfallszenarien zu erkunden, einschließlich der Ausweitung der Flächen für den Kartoffelanbau, der Nutzung von Land mit ungeeignetem Klima oder degradierten und verschmutzten Böden.

Hydroponik ist eine erdlose Anbaumethode, bei der Pflanzen mithilfe einer Nährlösung gezüchtet werden. Dieses Produktionssystem beseitigt die Abhängigkeit von landwirtschaftlichen Flächen und Böden, reduziert das Auftreten von Krankheiten und kann die negativen Auswirkungen extremer Wetterereignisse durch genau dosierte Nährlösung (Fertigation) abmildern. Der Einsatz der Tropfdüngung kann aufgrund des geringeren Dünger- und Bewässerungsbedarfs auch die N-Auswaschungsverluste erheblich verringern19. In jüngster Zeit wird die Aeroponik, eine Art Produktionssystem, bei dem Nährlösung in Form eines Aerosols in die Wurzelzone eingebracht wird, für die Produktion von Pflanzkartoffeln eingesetzt20. Die aerosolbasierte Fertigation von Kartoffeln wurde auch von der NASA als vorgeschlagene Strategie für Lebenserhaltungssysteme in außerirdischen Stützpunkten untersucht21. Im Gegensatz zur Aeroponik, bei der die Knollen und Wurzeln der Kartoffelpflanze an einer Stützzone hängen, in Hydrokulturen, Wachstumsmedien usw „Substrate“ sorgen für ein optimales Wurzelumfeld, das eine ausreichende Belüftung, Wasser- und Nährstoffversorgung gewährleistet und die Kultivierung weniger kompliziert macht. Traditionell wird beim erdlosen hydroponischen Anbau Torf oder Kokosnuss verwendet. Aus Nadelholzarten hergestellte Holzfasern sind ein alternativer, erneuerbarer und recycelbarer Rohstoff mit einem geringeren CO2-Fußabdruck als Torf oder Kokos22. Dieses Material wurde auch einem ersten Machbarkeitstest als potenzielles Medium für das Kartoffelwachstum unterzogen und zeigte vielversprechende Ergebnisse23.

Der Zweck der aktuellen Arbeit besteht darin, ein alternatives hydroponisches Kartoffelanbausystem vorzuschlagen, bei dem Kartoffeln in blanken Holzfasern angebaut werden. Dieses System ist nicht von landwirtschaftlichen Flächen abhängig und hat das Potenzial, Wasserverluste zu reduzieren. Daher könnte es von politischen Entscheidungsträgern als Instrument zur Verbesserung der Ernährung in Gebieten mit begrenzten Landressourcen in Betracht gezogen oder von Praktikern der städtischen Landwirtschaft übernommen werden. Es wurde eine Forschungshypothese getestet, die besagt, dass sich die Qualität von hydroponisch produzierten Kartoffeln von der konventionellen Produktion im Boden unterscheidet. Technische Details des Systems werden für eine einfache Replikation beschrieben, während verschiedene Herausforderungen und Chancen im Zusammenhang mit dieser Art der Produktion für mögliche zukünftige Verbesserungen beschrieben werden.

Das hydroponische Anbausystem (Abb. 1), das im Abschnitt „Methoden“ ausführlich beschrieben wird, setzte das Ertragspotenzial der am Versuchsstandort getesteten Sorten frei und produzierte bis zu 300 % mehr Frischgewicht als die Feldreferenz für die Sorte Schöllkraut (Sorte A ) und bis zu 200 % für die gezüchtete Nummernsorte (cv.B; Abb. 2a, d). Unter den beiden getesteten Fertigationsstrategien erbrachte die Methode, bei der die gesamte Nährlösung oben auf dem Behälter mit einem einzigen Tropfen zugeführt wurde, eine um 30 % höhere Frischmasseausbeute als die Methode, bei der Wasser und Nährstoffe auf zwei Ebenen mit zwei Tropfen bereitgestellt wurden. Letztere Methoden führten jedoch zu Knollen mit deutlich höherem Trockenmassegehalt (Abb. 2b, e). Dies führte dazu, dass die beiden getesteten Fertigationsmethoden hinsichtlich des Trockenmasseertrags recht ähnlich waren (Abb. 2c, f). Es wurde kein signifikanter Unterschied zwischen den drei getesteten Substraten festgestellt, es sollte jedoch eine erhebliche Variation innerhalb der Behandlung festgestellt werden. Sowohl der Ertrag als auch der Trockenmassegehalt von cv.B waren im Vergleich zu cv.A deutlich niedriger, was auf ein höheres Marktpotenzial für letztere schließen lässt.

Der Umriss der wachsenden Systemeinheit (a) ist keine vollständige Darstellung der Einheit, sondern zur klareren Visualisierung ihrer Komponenten vereinfacht. Die Fotos des Aufbaus des hydroponischen Experiments wurden (b) nach dem Pflanzen und (c) vor der Ernte aufgenommen.

Der Ertrag an Frischmasse (Panels: a, d), der Trockenmassegehalt (b, e) und der Ertrag an Trockenmasse (c, f) werden pro Pflanze (n = 3) für zwei verschiedene Kartoffelsorten dargestellt: Schöllkraut (a–c). ; Sorte A) und nummerierte Sorte (d–f; Sorte B). Zu den Produktionsmethoden gehörten die Feldkontrolle im Boden (S) sowie ein Ein-Tropf- und Zwei-Tropf-Hydrokultursystem (Einzelheiten siehe Abschnitt „Methoden“) in drei Holzfasersubstraten: Florentaise (F), Hunton (H) und Pindstrup (P); n stellt die Stichprobengröße dar und verschiedene Kleinbuchstaben in den Boxplots stellen signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen bei einem Signifikanzniveau von 5 % dar. Die vertikalen Linien in den Boxplots zeigen die Variabilität außerhalb des oberen und unteren Quartils an, und jeder Punkt außerhalb dieser Linien wird als Ausreißer betrachtet. Das Symbol × in den Kästchen gibt den Stichprobenmittelwert an; Die kleinen Kreise stellen einzelne Datenpunkte dar.

Der Trockenmassegehalt der Knollen war im Hydrokultursystem relativ niedriger, da die Knollen bei der Ernte weniger reif waren und höhere Stickstoffdosen erhielten als die im Freiland angebauten Knollen. Dieser Unterschied spiegelte sich auch in der Mineralzusammensetzung der Knollen wider (Abb. 3, ergänzende Abb. 1). Der Stickstoff- und Phosphorgehalt war in reiferen Knollen aus konventionellem Anbau geringer, wohingegen der Kaliumgehalt in beiden Systemen ähnlich war. Während sich der Stickstoffgehalt zwischen den beiden Bewässerungsmethoden nicht unterschied, war dies beim Phosphor- und Kaliumgehalt der Fall und erreichte bei der Ein-Tropf-Bewässerungsbehandlung höhere Werte. Auch hier waren die Unterschiede zwischen den drei getesteten Holzfaserarten nicht signifikant, wobei das Florentaise-Substrat (F) tendenziell etwas mehr Makronährstoffe lieferte als die beiden anderen Substrate (Hunton-Substrat – H und Pindstrup-Substrat – P).

Der Gehalt an Stickstoff (N; Felder: a, d), Molybdän (Mo; b, e) und Eisen (Fe; c, f) in der Trockenmasse wird für zwei verschiedene Kartoffelsorten dargestellt: Schöllkraut (a–c; Sorte A) und nummerierte Sorte (d–f; Sorte B). Zu den Produktionsmethoden gehörten die Feldkontrolle im Boden (S) sowie ein Ein-Tropf- und Zwei-Tropf-Hydrokultursystem (Einzelheiten siehe Abschnitt „Methoden“) in drei Holzfasersubstraten: Florentaise (F), Hunton (H) und Pindstrup (P); n stellt die Stichprobengröße dar und verschiedene Kleinbuchstaben in den Boxplots stellen signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen bei einem Signifikanzniveau von 5 % dar. Die vertikalen Linien in den Boxplots zeigen die Variabilität außerhalb des oberen und unteren Quartils an, und jeder Punkt außerhalb dieser Linien wird als Ausreißer betrachtet. Das Symbol × in den Kästchen gibt den Stichprobenmittelwert an; Die kleinen Kreise stellen einzelne Datenpunkte dar. Weitere Einzelheiten zur Mineralzusammensetzung der Knollen finden Sie in der ergänzenden Abbildung 1.

Die meisten Mikronährstoffe lagen sowohl im Hydrokultursystem als auch in der Feldkontrolle auf einem ähnlichen Niveau (ergänzende Abbildung 1). Die beiden interessanten Ausnahmen waren Molybdän, viel höher in den aus Holzfasern hergestellten Knollen, und Eisen, höher in den im Feld angebauten Knollen (Abb. 3). Bei der Ein-Tropf-Behandlung floss mehr Wasser durch die Knollenzone, was zu einer erhöhten Nährstoffanreicherung in den mit dieser Methode erzeugten Knollen führte. Unterschiede zwischen den Substraten sind nicht signifikant. Allerdings führt eine etwas höhere Nährstoffaufnahme zu einer höheren Trockenmasseanreicherung im F-Fasersubstrat.

Es gab einen deutlichen Unterschied in der Ertragsstruktur der Knollen, die im hydroponischen Experiment und unter Feldbedingungen gezüchtet wurden, wobei das hydroponische System die Produktion der größten Knollen begünstigte (Abb. 4a, b). Dieser Unterschied war bei cv.A deutlicher als bei cv.B. Bei der konventionellen Produktion von cv.A wurden etwa 80 % der Knollen in die kleineren Größenkategorien von 25–50 g eingeteilt, während bei der hydroponischen Produktion die Knollen gleichmäßiger verteilt waren (Abb. 4a). In der Sorte B wurden fast alle Knollen als klein eingestuft (Abb. 4b). Bei der konventionell angebauten Sorte cv.A wurde festgestellt, dass die größten Kartoffeln (>60 g) nicht vorhanden waren, während das hydroponische System in dieser Größenklasse bis zu 20 % des Gesamtertrags produzierte, was einem erheblichen Teil des Gesamtertrags entspricht (Abb. 4a).

Knollenertragsverteilung (Panels: a, c) dargestellt in % des Gesamtertrags und Knollenertrag (b, d) dargestellt in g pro Pflanze (n = 3) in zwei verschiedenen Kartoffelsorten: Schöllkraut (a, b; Sorte A) und nummerierte Sorte (c, d; Sorte B). Zu den Produktionsmethoden gehörten die natürliche Wasserversorgung bei der Feldkontrolle durch Niederschlag (P) sowie ein Ein-Tropf- und Zwei-Tropf-Hydrokultursystem, das nur in der Knollenzone (T) bzw. sowohl in der Knollen- als auch in der Wurzelzone (TR) eingesetzt wurde (siehe Abschnitt „Methoden“) Einzelheiten); n stellt die Stichprobengröße dar und verschiedene Kleinbuchstaben in den Boxplots stellen signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen bei einem Signifikanzniveau von 5 % dar. Die vertikalen Linien in den Boxplots zeigen die Variabilität außerhalb des oberen und unteren Quartils an, und jeder Punkt außerhalb dieser Linien wird als Ausreißer betrachtet. Das Symbol × in den Kästchen gibt den Stichprobenmittelwert an; Die kleinen Kreise stellen einzelne Datenpunkte dar. Die Spline-Funktion wurde über die Medianwerte verschiedener Behandlungen gelegt, um die visuelle Wahrnehmung der Ergebnisse zu erleichtern.

Bei Sorte A wurden zwischen den beiden Bewässerungsmethoden keine wirklichen Unterschiede in der Ertragsstruktur beobachtet, während bei Sorte B die 2-Tropf-Behandlung etwas größere Knollen hervorbrachte (Abb. 4a, c). Interessanterweise gab es einen Unterschied in der Ertragsverteilung zwischen den beiden Bewässerungsmethoden. Die Ein-Tropf-Produktion von cv.A führte in den beiden größeren Fraktionen zu höheren Erträgen als bei der Zwei-Tropf-Bewässerung, was den Unterschied im Gesamtertrag zwischen den beiden Methoden erklärt (Abb. 4b). In Sorte B führte die Ein-Tropf-Bewässerung zu einem hohen Ertrag der Knollen in der kleinsten Größenklasse, wohingegen die Zwei-Tropf-Bewässerungsmethode die Produktion der größeren Knollen begünstigte (Abb. 4d).

Alle verfügbaren Variablen, die das hydroponische Experiment beschreiben, wurden mithilfe einer multivariaten Klassifizierungsmethode (PLS-DA, Einzelheiten siehe Abschnitt „Methoden“) synthetisiert. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Unterschied zwischen den beiden angewandten Bewässerungsmethoden (Abb. 5a). Der Unterschied war in Komponente 1 enthalten, die 10 % der gesamten Modellvarianz erklärte und zur besten Unterscheidung der Bewässerungsbehandlungsgruppen führte. Komponente 2 erklärte fast 35 % der Variation und wurde hauptsächlich durch den Unterschied zwischen den beiden getesteten Sorten beeinflusst. Weitere Komponenten hatten zwar keinen großen Einfluss auf das Modell, obwohl sie einen wesentlichen Teil der Variation erklärten, da ihre Korrelationsladungen unter 0,5 lagen und der Vorhersagefehler allmählich zunahm (Daten nicht gezeigt). Dennoch wurde Komponente 3 auf die Mineralanreicherung in den Knollen zurückgeführt, während Komponente 4 auf die Qualität der Substrate zurückzuführen war.

Der Unterschied zwischen den Fertigationsmethoden unter Verwendung eines Ein-Tropf- und Zwei-Tropf-Hydrokultursystems, das nur in der Knollenzone (T) bzw. sowohl in der Knollen- als auch in der Wurzelzone (TR) eingesetzt wird, wurde unter Verwendung (a) eines Score-Plots der partiellen Kleinstquadrat-Diskriminanzanalyse analysiert (PLS-DA). Die einflussreichsten unter den analysierten Variablen wurden anhand (b) der aus PLS-DA berechneten VIP-Scores ausgewählt. Höhere VIP-Werte deuteten auf Variablen mit größerer Bedeutung für das Modell hin. Die Farbcodierung der Ergebnisse zeigt, welche Klasse höhere Werte einer bestimmten Originalvariablen hatte.

Die Analysemethode nutzte VIP-Scores und hob die einflussreichsten Variablen hervor, die von den Fertigationsstrategien beeinflusst wurden, und gab an, welche der beiden Bewässerungsmethoden zu einem höheren Niveau einer bestimmten Variablen führte (Abb. 5b). Die Ein-Tropf-Bewässerungsmethode führte zu einer höheren Anreicherung von Biomasse und Mineralien in den Knollen. Zwei Tropfbewässerungen sorgten für einen Zustand der Knollenzone, der für eine übermäßige Wasseransammlung in den Knollen nicht geeignet war. Die unter diesen Bedingungen produzierten Knollen hatten einen höheren Trockenmassegehalt. Darüber hinaus war die Wurzelzone dichter und durchdrang den Großteil des verfügbaren Wachstumsmediums. Weniger Wasser in der Knollenzone führte zu relativ weniger geschwollenen Lentizellen und einer besseren Krankheitsresistenz im 2-Tropf-System. Der Silberschorf war die Krankheit, die die beiden Bewässerungssysteme am stärksten unterschied, da er bekanntermaßen durch die geschwollenen Lentizellen übertragen wird24. Die Ein-Tropf-Methode war bei der Aufnahme der Nährstoffe in den Knollen erfolgreicher. Kalium, Kalzium, Bor, Magnesium und Zink waren die Nährstoffe, die die beiden Bewässerungsmethoden am meisten unterschieden. Die Knollenzone war in den mit dieser Methode befruchteten Säcken etwas tiefer als in den mit zwei Tropfen befruchteten Säcken. Diese Analyse zeigte auch, dass die 2-Tropf-Bewässerung zu einer höheren Anzahl von Knollen in der vom Verbraucher bevorzugten Größenfraktion von 40–50 g führte, während die 1-Tropf-Methode zu mehr kleinen Knollen (25–40 g) führte.

Das Experiment zeigte, dass die Pflanzen nicht den gesamten Raum des Behälters für die Knollenproduktion nutzten, sondern dass sich die Nachkommenknollen nur etwa 20–25 cm um die Pflanzkartoffel herum konzentrierten. Die Wurzeln hingegen wuchsen über den gesamten Behälter und größtenteils am Boden. Im Allgemeinen wiesen die aus der Hydrokulturproduktion in Substraten auf Holzfaserbasis geernteten Knollen keine Qualitätsmängel auf. Einige Knollen zeigten jedoch bestimmte Herausforderungen dieses Systems, einschließlich des Auftretens verschiedener Arten von Defekten und Krankheiten, die in Abb. 6 visuell dargestellt und in der Ergänzungstabelle 1 aufgeführt sind.

Im Vergleich zur (a) Feldkontrolle umfassten die beobachteten Knollendefekte und -krankheiten: (b) große Knollen (>60 g), (c) Verformungen, (d) Risse, (e) Vergrünung, (f) innere Braunfleckenkrankheit , (g) Hausschwamm, (h) Verfärbung, (i) vergrößerte Lentizellen, (j) Weichfäule.

Im Vergleich zur Feldreferenz (Abb. 6a) neigten einige im Hydrokultursystem angebaute Knollen dazu, groß zu sein (>60 g) (Abb. 6b), was im Durchschnitt 16,4 % des Gesamtertrags ausmachte (Abb. 4a). Darüber hinaus wurde festgestellt, dass 6% des Knollenertrags deformiert waren (Abb. 6c, Ergänzungstabelle 1). Relativ hohe Temperatur- und Feuchtigkeitsamplituden in der Wurzelumgebung des Hydrokultursystems führten bei einigen Knollen zur zufälligen Bildung von Wachstumsrissen (Abb. 6d), machten jedoch nur 1% des Gesamtertrags aus (Ergänzungstabelle 1). Einige Knollen (1 % auf Ertragsbasis) von Sorte A wuchsen neben den Wänden des Behälters und waren daher während der Ernte teilweise grün (Abb. 6e, Ergänzungstabelle 1). Bei einigen cv.B-Knollen wurde teilweise fehlendes violettes Pigment registriert (Abb. 6h). Nur einzelne Knollen von cv.A waren mit Trockenheitskrankheiten wie der inneren Braunfleckenkrankheit (Abb. 6f) und der Hausschwammkrankheit (Abb. 6g) infiziert, siehe Ergänzungstabelle 1. In cv.B hingegen überwucherte Lentizellen (Abb. 6i) und Weichfäulekrankheit, entwickelt in ca. 5 % des gesamten Knollenertrags nach dreimonatiger Lagerung (Abb. 6h, Ergänzungstabelle 1) deuteten auf feuchte Wachstumsbedingungen hin.

Die hydroponische Produktion von Kartoffeln in Substraten auf Holzfaserbasis, wie sie hier vorgestellt wird, ist eine einfache und skalierbare Lösung zur Linderung der Unsicherheit auf den ständig wachsenden Lebensmittelmärkten, die sich durch schwindende Landressourcen oder akute Notfälle allmählich verschärft. Eine aktuelle Studie zeigte, dass die weltweite Nahrungsmittelnachfrage aufgrund des Bevölkerungswachstums und anderer sozioökonomischer Probleme zwar weiter steigt, das maximal erreichbare Pflanzenproduktionspotenzial jedoch in den meisten Regionen der Welt seinen Höhepunkt erreicht hat25. Da die landwirtschaftlichen Flächen fast bis an ihre Grenzen ausgenutzt wurden, hat die Urbanisierung die Nahrungsmittelversorgung noch weiter unter Druck gesetzt und das fruchtbare Land in Beschlag genommen5. Darüber hinaus wird die Produktion ausreichender Nahrungsmittel für die ständig wachsende Bevölkerung auf den verfügbaren landwirtschaftlichen Flächen durch den Markt für Non-Food-Pflanzen wie Energie- oder Industriepflanzen erschwert. Sie konkurrieren oft mit Nahrungspflanzen um die Begrenzung natürlicher Ressourcen, insbesondere Wasser und Land26. Unterdessen erfordert der Rahmen einer nachhaltigen Intensivierung, dass die weitere Nutzung natürlicher Lebensräume für die Ausweitung landwirtschaftlicher Flächen begrenzt wird. Dadurch werden die neuen Lebensmittelproduktionsstandorte möglicherweise von den Konsumzentren verdrängt und ein wichtiger Aspekt der Ernährungssicherheit – die Lebensmittelverteilung – in Frage gestellt. Bis zum Jahr 2050 werden voraussichtlich 68 % der Weltbevölkerung in Städten leben2, da immer mehr Menschen aus den ländlichen Gebieten, in denen sie normalerweise vom Land lebten, abwandern. Infolgedessen sind Hunderte Millionen Stadtbewohner für einen Teil ihres Nahrungsmittelkonsums oder Einkommens auf die städtische Landwirtschaft angewiesen, da sie ihre überschüssigen Produkte verarbeiten und verteilen8. Folglich wird die städtische Landwirtschaft allgemein als ein wichtiger Faktor für die künftige globale Ernährungssicherheit angesehen, der die Ernährung in den Vordergrund des Wasser-Energie-Ernährungs-Nexus rückt27. Daher besteht weltweit ein zunehmendes Interesse an der Ausweitung der städtischen Landwirtschaft, das durch die Aussicht auf Umweltschutz, Abfallmanagement und Energiekostensenkung schrittweise gefördert wird28.

Ohne Zugang zu fruchtbarem Land in städtischen Gebieten erfordert die städtische Landwirtschaft technologische Innovationen wie vertikalen Indoor-Anbau oder Präzisionslandwirtschaft, um die Nahrungsmittelproduktion zu optimieren29. Für Millionen von Kleinbauern sind jedoch alternative, einfache, aber effiziente Anbausysteme mit minimalem ökologischen Fußabdruck erforderlich. Die Zugänglichkeit der Systemkomponenten und Materialien kann in bestimmten Bereichen problematisch sein, doch mit Unterstützung der lokalen Regierungen, internationaler Hilfs- oder Wohltätigkeitsorganisationen können nicht nur kommerzielle landwirtschaftliche Betriebe, sondern auch Kleinbauern eine einfache hydroponische Lebensmittelproduktion umsetzen.

Im Allgemeinen kann eine geschlossene, erdlose landwirtschaftliche Produktion unter bestimmten Umständen Vorteile gegenüber der konventionellen Produktion haben. Hydroponische Systeme werden im Prinzip weniger von den Wetterbedingungen beeinflusst, die durch rechtzeitige Dosierung von Wasser und Düngemitteln gemildert werden, um die negativen Auswirkungen übermäßiger Niederschläge oder Dürre zu verhindern. Dies sorgt für eine gute Vorhersagbarkeit der Produktion. Die beobachteten höheren Mo-Konzentrationen in den hydroponischen Knollen (Abb. 3b, e) bestätigten, dass der Einsatz hydroponischer Systeme Möglichkeiten für die unkomplizierte Umsetzung von Biofortifizierungsstrategien für kalorienreiche Lebensmittel eröffnet, was für gefährdete Gesellschaften von besonderem Interesse ist30.

Das in dieser Studie entworfene und getestete Hydrokultursystem umfasst kleine runde, in Plastik eingewickelte Beutel mit Holzfasern als Wachstumsmedium (Abb. 1). Der Einsatz eines solchen Systems in Gebieten mit relativ hohen Verdunstungsraten wird möglicherweise die Wassernutzungseffizienz steigern und Wasserressourcen schonen. Die relativ hohe Porosität der Holzfaser lässt Luft in den Wurzelbereich und begünstigt eine hohe Ertragsbildung (Abb. 2). Um jedoch eine ausreichende Befeuchtung der Wurzelzone zu erreichen, ist ein hohes Maß an Überbewässerung erforderlich. Dies führt zu erheblichen Abflüssen, die bei der weiteren Entwicklung des Systems aufgefangen und recycelt werden sollten, um die Wassernutzungseffizienz zu verbessern.

Ein effizientes alternatives Pflanzenanbausystem hat das Potenzial, die konventionelle Kartoffelproduktion zu ergänzen und als Puffer zu fungieren, der die Widerstandsfähigkeit der Lebensmittelmarktketten unterstützt. Dies ist besonders wichtig, da der Klimawandel konventionell angebaute Pflanzen entweder reduzieren oder zerstören kann. Beispielsweise kam es im südlichen Afrika und in Südamerika in jüngster Zeit zu Extremen in trockenen und nassen Regenzeiten31, die auf globale physikalische Mechanismen wie El Niño-Southern Oscillation, Meeresoberflächentemperatur und Land-Atmosphäre-Rückkopplung32 zurückgeführt wurden. Solche Änderungen der Temperatur- und Niederschlagsmuster können extreme Wetterereignisse auslösen, die sich auf die Nahrungsmittelproduktion auswirken könnten33.

Traditionell werden bei der erdlosen hydroponischen Lebensmittelproduktion organische Substrate wie Torf und Kokosnuss für verschiedene Nutzpflanzen oder mineralische Substrate wie Steinwolle verwendet, die typischerweise in der professionellen Produktion hochwertiger Nutzpflanzen wie Tomaten, Paprika und Gurken verwendet werden. Diese Substrate sorgen für eine optimale Wurzelumgebung, indem sie eine ausreichende Belüftung, Wasserverfügbarkeit und Nährstoffversorgung gewährleisten. Ihre Produktion hat jedoch einen hohen CO2-Fußabdruck34. Holzfasern hingegen, das hier vorgeschlagene Substrat für den Kartoffelanbau, sind ein nachwachsender und recycelbarer Rohstoff. Es hat den geringsten CO2-Fußabdruck unter den verfügbaren Rohstoffen, die in der Kultursubstratindustrie verwendet werden, und wird zunehmend als wichtiges Wachstumsmedium für die Pflanzenproduktion empfohlen22,34.

Holzfasern zeichnen sich durch die höchste Porosität unter den bekannten organischen Substraten für die hydroponische Pflanzenproduktion aus22, was Staunässe verhindert und optimalere Bedingungen für das Wurzel- und Knollenwachstum schafft, wenn weniger präzise Fertigationsstrategien angewendet werden. Eine relativ niedrige Schüttdichte und hohe Porosität der Holzfasern begünstigen eine hohe Sauerstoffkonzentration um die Knollen herum, wodurch das Ertragspotenzial ausgeschöpft und die Produktivität der Kartoffelpflanzen gesteigert werden kann22. In einer aktuellen Studie35 stellten die Autoren fest, dass die Mineralzusammensetzung der Knollen durch die Art des Produktionssystems (konventionell vs. hydroponisch) beeinflusst werden kann. Beispielsweise wurde in Knollen, die in hydroponischen Produktionssystemen angebaut wurden, eine höhere P-Konzentration gefunden, was mit der vorliegenden Studie übereinstimmt. Im Gegensatz zu anderen organischen Medien wie Torf und Kokos ist die Pufferkapazität von Holzfasern gering, wodurch ein Erzeuger den pH-Wert der Wurzelzone und die Aufnahme spezifischer Nährstoffe, die beispielsweise für Bioanreicherungszwecke genutzt werden könnten, relativ einfach kontrollieren kann30. Aufgrund dieser Tatsache könnten Unterschiede im pH-Wert für die unterschiedliche Aufnahme von Makronährstoffen in der vorliegenden Studie und der Studie von Liszka-Skoczylas et al. verantwortlich sein35. Darüber hinaus sind die im Zerfaserungsprozess erzeugten Holzfasern steril, sodass die Belastung durch durch den Boden übertragene Krankheiten minimiert wird22. Darüber hinaus ist die Trennung der Knollen vom Substrat bei der Ernte einfach und die Knollen können einfach unter fließendem Wasser abgespült werden und sind zum Verzehr bereit. Interessanterweise kann verbrauchtes faserbasiertes Wachstumsmedium in mehreren Wachstumszyklen verwendet werden36. Ansonsten kann das übrig gebliebene faserbasierte Substrat aufgrund des Gehalts an Restsalzen (Nährstoffen) nach der Pflanzenproduktion als Brennstoff oder Bodenhilfsstoff verwertet werden.

Obwohl die größte Nutzbarkeit des Systems in dicht besiedelten tropischen Gebieten mit begrenzten nachhaltigen Holzressourcen prognostiziert wird, empfehlen wir nicht, lokale Holzarten zur Herstellung von Fasern zu verwenden. Weichholz, das typischerweise in hohen Breiten wächst, hat sich als geeignet für die Herstellung von Fasern für die hydroponische Produktion erwiesen22. Normalerweise sind Holzfasern nach der Herstellung relativ trocken und können komprimiert transportiert werden, was ihren CO2-Fußabdruck verringert. Alternativ können auch andere Biomassebestandteile wie Miscanthus erfolgreich als Wachstumsmedium genutzt werden37. Darüber hinaus können in städtischen Gebieten Industrieabfälle (z. B. Paletten, unbehandeltes Holz aus der Möbelindustrie), die in Hammermühlen verarbeitet werden, als potenzielle nachhaltige Rohstoffquelle für die Produktion von Kultursubstraten in Betracht gezogen werden.

Das vorgestellte Produktionssystem verfügt über ein einfaches Low-Tech-Design, das auf eine einfache Implementierung in die Praxis abzielt. Mit Holzfasern versorgt, muss ein Landwirt eine Plastiktüte mit dem Wachstumsmedium füllen und es komprimieren. Zur Begrenzung der hohen Temperatur- und Feuchtigkeitsamplituden werden die Faserkompression und die weiße Farbe des Kunststoffs an der Außenseite des Beutels empfohlen.

Die Saatknollen wurden in die Taschen gepflanzt, die durch Einschnitte an der Seite der Beutel entstanden sind, da die ursprüngliche Idee darin bestand, die Machbarkeit des Übereinanderlegens der Beutel für einen platzsparenden vertikalen Anbau zu testen. Wir haben festgestellt, dass eine Knolle mit tiefem Samen die Entwicklung der Ausläufer beeinträchtigt und den künftigen Ertrag verringert, da einige der Ausläufer zwangsläufig unter der Plastiktüte wachsen. In der Praxis kann es erforderlich sein, die Stolonen manuell unter der Kunststoffabdeckung herauszuführen. Dieses System basiert auf Plastikverpackungen, die recycelt werden sollten. In verschiedenen Teilen der Welt könnte dies jedoch eine Herausforderung darstellen. In der Weiterentwicklung des Systems wird empfohlen, eine einfache Plastiktüte durch eine wiederverwendbare Plane oder Verpackung aus kompostierbarem Kunststoff zu ersetzen, um die Umweltbelastung dieser Art der Produktion zu verringern.

Obwohl wir in unserem Experiment ein Fertigationssystem nach Industriestandard in Gewächshäusern verwendeten, erfordert die hydroponische Produktion aus Holzfasern keine hohen Investitionen in die Ausrüstung. Die günstigste Membranpumpe, ein Venturi-Ventil und ein zyklischer Zeitschalter können auf dem Weltmarkt für nur 5 $, 5 $ bzw. 3 $ erworben werden. Der Umfang der Umsetzung würde die Größe der Pumpe und der Rohrleitungen bestimmen. Die Kosten für Wasserschläuche und Tropfventile werden auf 0,5 $ pro Beutel geschätzt. Laut Prof. BE Jackson aus NCSU, USA, viele, wenn nicht die meisten Produkte auf Holzbasis bieten eine sehr wettbewerbsfähige oder günstigere Alternative zu herkömmlichen Substratmaterialien“38. Die Kosten für Holzfasern wurden in dieser Studie auf 2 $ pro Pflanzbeutel geschätzt. Die Menge Die Menge an Dünger für einen einzelnen Beutel pro Wachstumszyklus wurde auf ca. 0,2 kg Kalziumammonsalpeter und ca. 0,2 kg Mehrnährstoffdünger geschätzt, was ungefähr weniger als 1 $ kostet. In der Praxis hängen die Preise für Dünger und Wachstumssubstrat stark davon ab vom Umfang des Einkaufs und von Schwankungen auf dem lokalen und globalen Markt. Strom- und Wasserversorgung müssen zusätzlich berücksichtigt werden.

Unabhängig von der Implementierung des Systems ist es wichtig, den Bewässerungstropf richtig über der Pflanzkartoffel zu platzieren, da das anfängliche Wachstum davon abhängt, dass sie feucht gehalten wird. Darüber hinaus begünstigt eine einzige Tropfstelle bei einem bestimmten Bewässerungsniveau eine hohe Feuchtigkeit des gesamten Substratprofils und transportiert die gesamte Flüssigkeit durch die Knollenzone. Die Bereitstellung des gleichen Bewässerungsniveaus sowohl in der Knollen- als auch in der Wurzelzone begrenzt das Wachstum der oberirdischen Biomasse und die Menge an Wasser, der die Knollen direkt ausgesetzt sind, was zu einer Erhöhung ihrer Trockenmasse führt (Abb. 2b). Während der Frischertrag im Vergleich zur Ein-Tropf-Bewässerung relativ geringer ist (Abb. 2a), liegt der Trockenertrag auf relativ ähnlichem Niveau (Abb. 2c). Das getestete Hydrokultursystem lieferte etwa 300 % höhere Erträge als die Feldreferenz, was möglicherweise auf eine höhere Sauerstoffversorgung der Wurzeln und eine höhere Nährstoffverfügbarkeit zurückzuführen ist. Stoian et al.39 beobachteten in ihrer Studie über Süßkartoffeln, die in einem Hydrokultursystem angebaut wurden, auch, dass die Textur des Wachstumsmediums, die den Sauerstoffgehalt verbessert, die Ertragsbildung positiv beeinflussen kann. Im Vergleich zur Feldreferenz könnte ein relativ höherer Prozentsatz großer und deformierter Knollen, der bei der hydroponischen Produktion in Holzfasern beobachtet wurde (Abb. 6, Ergänzungstabelle 1), auf eine nicht optimale Verdichtung der Fasern in den Beuteln zurückzuführen sein und durch Anpassung reduziert werden B. einer Fertigationsstrategie, einem höheren Verdichtungsgrad oder der Verwendung einer anderen Beschaffenheit des Wachstumsmediums.

Zusammenfassend stellt das vorgeschlagene System eine Lösung für die intensive Produktion hochwertiger Speisekartoffeln dar, die bei vergleichbarem Knollentrockenmassegehalt und Nährwert (Mineralstoffzusammensetzung) einen viel höheren Ertrag als die Feldreferenz erzielen kann. Das Design ermöglicht eine einfache Implementierung und Skalierbarkeit der Produktion, selbst in Bereichen mit begrenzten Ressourcen. Es wurden mehrere Herausforderungen einer solchen Produktion festgestellt, darunter die Bedeutung einer präzisen Platzierung der Saatknollen, längere Produktionszyklen aufgrund der erhöhten Biomasseproduktion und das Risiko einer Verformung der Knollen aufgrund der erhöhten Feuchtigkeit in der Knollenzone. Es wurden zwei verschiedene Bewässerungssysteme vorgeschlagen: eines zur Maximierung des Ertrags und des Nährstoffgehalts, ein anderes zur Maximierung des Trockenmassegehalts und zur Minimierung von Mängeln an den Knollen. Darüber hinaus hat das System, das Holzfasern nutzt, aufgrund des Charakters der hydroponischen Produktion das Potenzial, den pH-Wert sowie die Makro- und Mikronährstoffzusammensetzung von Knollen präzise anzupassen, und kann zur Biofortifizierung verwendet werden.

Für das Experiment, das in der Forschungsstation NIBIO Apelsvoll im Südosten Norwegens (60°42N, 10°51 E, 260 m ü.M.) durchgeführt wurde, wurden zwei Kartoffelsorten ausgewählt. Die erste Sorte, Schöllkraut, eine Kartoffel mit fester Konsistenz, wurde als repräsentativ für ovale/länglich geformte, schmackhafte Kochkartoffeln mit hoher Knollenzahl und guter Resistenz gegen verschiedene Krankheiten, insbesondere gegen Schorf, ausgewählt. Die andere Sorte war eine späte Selektion (G09-1057) aus dem norwegischen Kartoffelzuchtprogramm von Graminor (Graminor, Staur, Norwegen), die in dieser Studie aufgrund ihres relativ geringen Trockenmassepotenzials, ihrer ungewöhnlichen Form und Farbe (lila) ausgewählt wurde Haut und Fleisch).

In dieser Studie wurde ein Hydroponiksystem entworfen und implementiert. Drei Samenknollen wurden am 3. Juni 2021 in zufällig verteilte Plastiktüten gepflanzt, die mit ca. 50 l Holzfasern bilden einen zylindrischen Wachstumsraum mit einer Höhe von 35 cm (ca. 1,15 Fuß) und einem Durchmesser von 45 cm (ca. 1,48 Fuß). Die Saatknollen wurden in relativ tiefe Löcher (5–10 cm) im oberen Teil eines Beutels gelegt, um sicherzustellen, dass die neue Knolle gleichmäßig Platz hat und nicht an der Beutelwand wächst (Abb. 1a). Jede Behandlung wurde durch drei Wiederholungen repräsentiert. Die Beutel wurden mit einem Abstand von 80 cm (2,62 Fuß) zueinander platziert (Abb. 1b), um Platz für die erwartete hohe Produktion grüner Biomasse zu schaffen (Abb. 1c). Es wurden drei kommerzielle Holzfaservarianten getestet: Hunton-Faser (H), hergestellt aus Gemeiner Fichte (Picea abies), unter Verwendung der Defibrator-Methode (Fibergrow, Hunton, Norwegen) sowie Pindstrup-Faser (P) (Forest Gold, Pindstrup, Dänemark). und Florentaise-Faser (F) (Florentaise Hortipain, Frankreich), beide hergestellt aus Waldkiefer (Pinus sylvestris) im Hochdruckdampfverfahren. Die Nährlösung wurde durch Mischen der hydroponischen Qualitätsdünger Kristalon Scarlet und Calcinit (Yara, Norwegen) im Verhältnis 1:1 hergestellt. Die Lösung wurde durch Tropfbewässerung verteilt, wodurch 1,2 l pro Stunde bereitgestellt wurden. Die hydroponische Produktion wurde mit einer Fertigationslösung mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 DeziSiemens pro Meter (dS m−1; EC1) dreimal täglich (8:00; 12:00; 16:00) in 7-Minuten-Intervallen eingeleitet. Um saisonalen Wetterveränderungen und dem Wachstum der Pflanzenbiomasse gerecht zu werden, wurde der EC-Wert der Lösung ab dem 16. Juli 2021 auf 1,8 erhöht und die Pflanzen viermal täglich in Abständen von 10 Minuten damit befruchtet. Ab dem 16. August 2021 wurde der EC-Wert auf 1,5 reduziert und das Fertigation-Regime in zwei Behandlungen aufgeteilt; Erste Behandlung mit einem einzigen Tropfen oben auf dem Beutel (T) und Bewässerungsintervallen von 12 Minuten, und die zweite Behandlung mit zwei Tropfen oben und in der Mitte des Beutels (TR) und Fertigation Intervalle von 6 Minuten nach jedem Tropfen. Im Ergebnis lieferten beide Behandlungen die gleiche Menge an Nährlösung, also etwa 10 g N pro Pflanze und Saison. Das Experiment wurde am 14. September 2021 nach einer Vegetationsperiode von 104 Tagen und 910,5 Wachstumsgradtagen (GDDs, bei einer Basistemperatur von 7 °C) abgeschlossen.

Als Referenz wurden auch Kartoffeln auf dem Feld angebaut. Die Knollen beider Sorten wurden am 31. Mai 2021, einem typischen Pflanzzeitpunkt im Untersuchungsgebiet, in das zuvor vorbereitete Feld (12 cm Tiefe mit einem Abstand von 30 cm innerhalb der Reihen und 80 cm zwischen den Reihen) gepflanzt. Das Feld befand sich im Kreis Østre Toten, einer der wichtigsten Kartoffelanbauregionen Norwegens. Das Feld befand sich in einem ziemlich flachen Gelände auf gut entwässertem endostagnischem Cambisol (IUSS-Arbeitsgruppe WRB, 2006) mit Lehm- und Schluffsandtexturen, die sich aus Moränenablagerungen entwickelt hatten, und einem Gehalt an organischer Substanz im Boden von 44 g/kg Dichte von 1,3 Mg m−3 und pH-Wert gemessen in Wasser bei 6,5. Die Knollen wurden am 15. September 2021 nach 108 Produktionstagen zufällig vom Referenzfeld geerntet und hatten 944,7 GDDs erhalten. Das Feld wurde mit insgesamt 100 kg N ha−1 (=833 kg NPK 12-4-18+micro) gedüngt. Das Feld wurde geteilt gedüngt und erhielt 70 % der Gesamtdosis bei der Pflanzung und die restliche Dosis 30 Tage nach der Pflanzung. Mineraldünger lieferte ca. 2,5 g N pro Pflanze und Saison. Die Strategie zur Bekämpfung der Spätfäule (Phytophtora infestans) und anderer durch Pilze verursachter Krankheiten im Feld umfasste die Verwendung des Naerstads-Modells zur Bestimmung der Anzahl der Anwendungen40. Verschiedene Fungizide (Cymoxanil, Propamokarp, Cyazofamid, Mandipropamid und Difenoconazol) wurden über die gesamte Vegetationsperiode achtmal eingesetzt, sowohl als eigenständige Produkte als auch als Mischungen, um eine Resistenzentwicklung zu vermeiden. Im hydroponischen Experiment wurden jedoch aufgrund des geringeren Krankheitsdrucks nur drei Anwendungen von Metalaxyl, Mandipropamid und Cyazofamid durchgeführt. In niederschlagsarmen Perioden, viermal pro Saison, wurde das Kartoffelfeld mit einer Sprinkleranlage bewässert, wobei pro Bewässerungsereignis etwa 20 mm Niederschlag auftraten.

Sowohl das Hydrokultur- als auch das Feldexperiment wurden gleichzeitig geerntet, um einen einfachen Vergleich zwischen den beiden Produktionssystemen zu gewährleisten. Gemäß der örtlichen Praxis wurde die Biomasse der Pflanzensprosse im Feldweg chemisch abgetötet. Daher wurden die Anzahl der Triebe pro Pflanze, die Länge der Triebe und die frische Biomasse der Triebe nur für den Hydrokulturversuch erfasst, bei dem Biomasse gehalten wurde. Die Qualität der Knollen (in Bezug auf überwachsene Lentizellen), der grünen Biomasse und des Substrats (in Bezug auf Feuchtigkeit, Wurzelzonenqualität und Knollenzonentiefe) wurde erfasst. Da der Ertrag im Substrattest außerordentlich hoch war, war es überraschenderweise nicht möglich, den Ertrag einer einzelnen Pflanze zu trennen. Der Kartoffelknollenertrag wurde daher pro drei Pflanzen gemessen. Die Knollen wurden in vier Größenfraktionen aufgeteilt: 25–40 mm, 40–50 mm, 50–60 mm und >60 mm, und die Knollen in jeder Fraktion wurden gezählt und gewogen. Die Ergebnisse wurden dann pro einzelne Pflanze neu berechnet. Um das spezifische Gewicht der Knollen zu bestimmen, wurde der Trockenmassegehalt anhand des Über- und Unterwassergewichts bestimmt. Zur Berechnung des Trockenmassegehalts wurde die folgende Gleichung verwendet: Trockenmasse = 215,73 * (x − 0,9825), wobei x das spezifische Gewicht ist, berechnet als Gewicht in Luft * (Gewicht in Luft − Gewicht in Wasser)−1. Nach dreimonatiger Lagerung bei 4 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 90–95 % wurde die klassische Analyse der Knollenqualität von geschultem Personal bei NIBIO durchgeführt und umfasste die visuelle Bestimmung verschiedener Kartoffelkrankheiten, wie in24 beschrieben, sowie die Registrierung des Gewichts der Knollen Knollen in jeder Probe mit ausgewählten Krankheiten, z. B. Weichfäule, Trockenfäule, Braunfleckigkeit; und Mängel, z. B. grüne Knollen, Risse, Verformungen, Verfärbungen.

Die Elementaranalyse von Kartoffelknollen wurde vom kommerziellen Labor (Eurofins, Wageningen, Niederlande) durchgeführt. NH4, NO3, Cl wurden mit einer hauseigenen Methode analysiert und der Gehalt an Makronährstoffen P, K, Ca, Mg und S sowie Mikronährstoffen B, Cu, Fe, Mn und Zn in Knollen wurde durch induktive Kopplung analysiert plasmaoptische Emissionsspektroskopie (ICP-OES) unter Verwendung firmeninterner Protokolle des Labors.

Die Datenanalyse folgte dem von Weissgerber et al.41 und Amrhein et al.42 vorgeschlagenen Datenpräsentationsparadigma. Aufgrund des relativ kleinen Datensatzes werden in den Abbildungen alle Datenpunkte dargestellt. Vor der Analyse wurde die Normalität der Datenverteilung durch den Anderson-Darling-Test überprüft. Für normalverteilte Daten wurde eine einfaktorielle Varianzanalyse (ANOVA) durchgeführt, um die Signifikanz der Unterschiede zwischen den Gruppen zu bestimmen, und außerdem wurde ein Fisher-Post-hoc-Test angewendet, um die Behandlungen zu vergleichen. Für nichtnormale Datenverteilungen wurde ein nichtparametrischer Kruskal-Wallis-Test verwendet. Die multivariate Analyse aller Variablen in der Studie wurde mithilfe der partiellen Diskriminanzanalyse der kleinsten Quadrate (PLS-DA) durchgeführt, um Muster in den Daten durch Unterscheidung von Gruppen innerhalb der Daten zu untersuchen und die Schlüsselvariablen zu identifizieren, die eine solche Diskriminierung vorantreiben Die PLS-Methoden werden VIP-Scores genannt. Die Analysen wurden mit der Statistiksoftware MiniTab (Version 17.2.1, MiniTab, MiniTab Inc., PA, USA) und R Statistical Software (Version 4.1.3, R Foundation for Statistical Computing, Wien, Österreich) mit RStudio (Version 2022.02) durchgeführt. 2 Build 485, RStudio, RStudio Inc. Boston, USA).

Weitere Informationen zum Forschungsdesign finden Sie in der mit diesem Artikel verlinkten Nature Portfolio Reporting Summary.

Die Rohdaten, die die in dieser Studie berichteten Ergebnisse stützen, sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde im Rahmen des SUBTECH-Projekts durchgeführt, das vom norwegischen Forschungsfonds für Agrarabkommen/Stiftung für Forschungsabgaben auf landwirtschaftliche Produkte, Fördernummer 302129, und Grofondet, Fördernummer 190024, finanziert wurde. Open-Access-Finanzierung durch das norwegische Institut für Bioökonomieforschung. Die Autoren danken Else Karin Linnerud, Robert Nybraaten, Kristian Saether und Mirjana Sadojevic – technischen Mitarbeitern der NIBIO Apelsvoll Research Station – für ihre Forschungsunterstützung.

Abteilung für Agrartechnologie, Zentrum für Präzisionslandwirtschaft, Norwegisches Institut für Bioökonomieforschung, Kapp, Norwegen

Krzysztof Kusnierek

Abteilung für Gartenbau, Norwegisches Institut für Bioökonomieforschung, Kapp, Norwegen

Pia Heltoft, Per Jarle Møllerhagen und Tomasz Woznicki

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KK und TW konzipierten die Studie, akquirierten Fördermittel, führten statistische Analysen durch und verfassten den Entwurf des Manuskripts. KK hat Visualisierungen vorbereitet. KK, PH, PJM und TW stellten Materialien und Methoden zur Verfügung und trugen zur Datenerfassung bei. KK, PH, PJM und TW interpretierten die Ergebnisse und überarbeiteten das Manuskript. Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz ist Krzysztof Kusnierek oder Tomasz Woznicki.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Kusnierek, K., Heltoft, P., Møllerhagen, PJ et al. Hydroponische Kartoffelproduktion aus Holzfasern zur Ernährungssicherheit. npj Sci Food 7, 24 (2023). https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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Eingegangen: 30. September 2022

Angenommen: 23. Mai 2023

Veröffentlicht: 03. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41538-023-00200-7

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