Βελτιστοποίηση περιβάλλοντος και ανάπτυξη καλλιεργειών σε συστήματα κάθετης γεωργίας

Abstract

Η αυξανόμενη παγκόσμια ζήτηση τροφίμων, σε συνδυασμό με τον περιορισμό των καλλιεργήσιμων εκτάσεων και τη συχνότερη εμφάνιση ακραίων κλιματικών φαινομένων, καθιστούν αναγκαία την ανάπτυξη πιο αποδοτικών και περιβαλλοντικά βιώσιμων συστημάτων παραγωγής. Στο πλαίσιο αυτό, τα συστήματα ελεγχόμενου περιβάλλοντος (Controlled-Environment Agriculture – CEA) και ειδικότερα οι κάθετες καλλιέργειες (Vertical Farming systems – VFs) αποτελούν μια σύγχρονη μέθοδο παραγωγής τροφίμων, η οποία βασίζεται σε πλήρως ρυθμιζόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες και σε υψηλής πυκνότητας καλλιέργεια υπό τεχνητό φωτισμό. Στα συστήματα αυτά η ανάπτυξη των φυτών υποστηρίζεται κυρίως μέσω υδροπονίας ή αεροπονίας, με ανακυκλοφορία της απορροής και πλήρη έλεγχο των εισροών. Η πολυεπίπεδη διάταξη των μονάδων καλλιέργειας και η χρήση LED φωτισμού υψηλής ενεργειακής απόδοσης επιτρέπουν τη μέγιστη αξιοποίηση του διαθέσιμου χώρου, καθιστώντας τα VFs μία πολλά υποσχόμενη λύση για βιώσιμη παραγωγή σε αστικά περιβάλλοντα με περιορισμένη διαθέσιμη γη. Παρά τα πλεονεκτήματά τους, η ενεργειακή κατανάλωση που απαιτείται για την υποστήριξη του τεχνητού φωτισμού παραμένει ένας από τους σημαντικότερους περιορισμούς για την οικονομική βιωσιμότητα των συστημάτων αυτών. Η παρούσα διατριβή έχει ως κεντρικό στόχο τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας των συστημάτων κάθετης καλλιέργειας μέσω της αύξησης της τελικής παραγωγής, της βελτίωσης της αποδοτικότητας χρήσης ενέργειας και της ορθολογικής αξιοποίησης του τεχνητού φωτισμού. Η ερευνητική προσέγγιση οργανώθηκε σε δύο βασικούς άξονες: Ο πρώτος άξονας επικεντρώθηκε στη διερεύνηση του ρόλου των φασματικών συνθέσεων στην αύξηση του αριθμού και της ποιότητας των παραγόμενων σποροφύτων, καθώς και στη μείωση του χρόνου που απαιτείται για την ανάπτυξη ριζιδίου και βλαστού από τους σπόρους. Η παραγωγή περισσότερων και καλύτερα ανεπτυγμένων σποροφύτων είναι καθοριστική τόσο για καλλιέργειες πλήρους ανάπτυξης όσο και για την παραγωγή microgreens, ενός κλάδου με συνεχώς αυξανόμενο εμπορικό ενδιαφέρον. Δεδομένου ότι σε συστήματα κάθετης καλλιέργειας η ανάπτυξη βασίζεται αποκλειστικά στον τεχνητό φωτισμό, ο προσδιορισμός των κατάλληλων φασμάτων στα πρώιμα στάδια μπορεί να συμβάλει ουσιαστικά στη μελλοντική συσσώρευση βιομάζας και στη συνολική αύξηση της τελικής παραγωγής. Ο δεύτερος άξονας εστίασε στη μελέτη της χωρικής κατανομής του φωτός μέσα στο σύστημα καλλιέργειας. Στα συστήματα κάθετης καλλιέργειας, η διάταξη των λαμπτήρων σε μικρή απόσταση από τα φυτά και η ιδιαίτερα υψηλή πυκνότητα φύτευσης δημιουργούν περιοχές έντονου και περιορισμένου φωτισμού, με αποτέλεσμα την εμφάνιση σκιασμένων ζωνών που υποβαθμίζουν τη φωτοσυνθετική απόδοση των κατώτερων φύλλων. Σε αντίθεση με το ηλιακό φως, το οποίο διαχέεται φυσικά στο ανοιχτό πεδίο και κατανέμεται πιο ομοιόμορφα πάνω στη φυλλική επιφάνεια, ο τεχνητός φωτισμός στις κλειστές καλλιέργειες απαιτεί προσεκτική διαχείριση προκειμένου να περιοριστεί η ανισοκατανομή φωτονίων. Η ανομοιόμορφη κατανομή του φωτός οδηγεί σε σκιασμένες περιοχές, αυξημένες νεκρώσεις κατώτερων φύλλων και τελικά σε μειωμένη αξιοποίηση των εισροών και απώλειες παραγωγής. Η συγκεκριμένη ερευνητική κατεύθυνση στόχευσε στη βελτίωση της κατανομής του φωτός, στη μείωση των φαινομένων σκίασης και στην αύξηση της συνολικής παραγωγής μέσω τεχνικών που ενισχύουν την ομοιομορφία φωτισμού. Στο πρώτο πείραμα διερευνήθηκε η κατανομή της φωτοσυνθετικά ενεργού ακτινοβολίας (Photosynthetic Active Radiation – PAR) στο εσωτερικό του θαλάμου ανάπτυξης που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα, καθώς και η ενεργειακή του κατανάλωση για διαφορετικές εντάσεις της λάμπας LED. Οι μετρήσεις έδειξαν σημαντικές μεταβολές στην ένταση του φωτός τόσο κατακόρυφα όσο και οριζόντια, με υψηλές τιμές κοντά στην πηγή και αισθητά χαμηλότερες τιμές στα περιφερειακά και κατώτερα σημεία. Οι απομακρυσμένες από τη λάμπα περιοχές παρουσίασαν μεγαλύτερη ομοιομορφία, αλλά με εμφανή εξασθένιση της έντασης όσο αυξάνεται η απόσταση από την πηγή. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν απουσία φυτών, γεγονός που υποδηλώνει ότι με την παρουσία κόμης η ένταση φωτισμού στα κατώτερα στρώματα θα ήταν ακόμη χαμηλότερη και ανεπαρκής για την ομαλή ανάπτυξη. Οι παρατηρήσεις αυτές αφορούν το συγκεκριμένο φωτιστικό σύστημα και τη δεδομένη διάταξη LED. Διαφορετικές κατανομές φωτιστικών στοιχείων στο πάνελ ενδέχεται να επιτυγχάνουν πιο ομοιόμορφη και αποτελεσματική διάδοση φωτονίων. Το δεύτερο πείραμα εξέτασε την επίδραση οκτώ φασμάτων φωτός και τριών φωτοπεριόδων στη βλάστηση σπόρων μαρουλιού, λάχανου, σπανακιού και ρόκας. Τα είδη παρουσίασαν διαφοροποιημένη ανταπόκριση στο φως, με ορισμένες φασματικές συνθέσεις να ενισχύουν σημαντικά τόσο το ποσοστό βλάστησης όσο και τον χρόνο που απαιτείται για την ανάπτυξη του ριζιδίου. Οι σπόροι μαρουλιού και σπανακιού εμφάνισαν υψηλή βλαστικότητα τόσο στο σκοτάδι όσο και υπό τις περισσότερες συνθήκες φωτισμού, ενώ οι σπόροι λάχανου και ρόκας παρουσίασαν σαφώς καλύτερη απόδοση μόνο υπό φωτιζόμενες συνθήκες. Σημαντικές διαφοροποιήσεις παρατηρήθηκαν επίσης στα μορφολογικά χαρακτηριστικά των σποροφύτων μεταξύ των διαφορετικών φασμάτων και φωτοπεριόδων. Για τον συνδυασμό αυξημένου αριθμού σποροφύτων και ικανοποιητικών μορφολογικών χαρακτηριστικών, προσδιορίστηκαν οι ενεργειακά αποδοτικότερες συνθήκες για κάθε είδος, με στόχο τη βέλτιστη τελική παραγωγή με τη μικρότερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας. Η μελέτη επικεντρώθηκε στα πρώιμα στάδια ανάπτυξης, καλύπτοντας το χρονικό διάστημα των πρώτων επτά ημερών μετά τη σπορά. Το τρίτο πείραμα βασίστηκε στα αποτελέσματα του δεύτερου, όπου το λάχανο και η ρόκα έδειξαν ότι ο χρόνος και το ποσοστό βλάστησης εξαρτώνται άμεσα από την ποιότητα του φωτός. Το εύρημα αυτό δημιούργησε περαιτέρω επιστημονικό ενδιαφέρον, καθώς και τα δύο είδη αποτελούν δημοφιλή προϊόντα στην καλλιέργεια microgreens. Στο πρώτο στάδιο του πειράματος εξετάστηκαν εννέα φάσματα φωτός σε συνδυασμό με τρεις φωτοπεριόδους, με στόχο τον εντοπισμό των συνθηκών που αποδίδουν το μεγαλύτερο ποσοστό επιτυχούς ανάπτυξης σποροφύτων. Η διάρκεια κάθε πειραματικής επανάληψης ήταν επτά ημέρες, στο τέλος των οποίων καταγράφηκαν η νωπή και η ξηρή βιομάζα των φυταρίων που ανέπτυξαν ρίζα και βλαστό. Η ξηρή βιομάζα ανέδειξε τις διαφοροποιήσεις που προκαλεί κάθε φάσμα στις βιοχημικές διεργασίες των σποροφύτων και στη μετέπειτα συσσώρευση βιομάζας. Στο δεύτερο στάδιο του πειράματος διερευνήθηκε κατά πόσο η χρήση συνδυασμένων φωτισμών θα μπορούσε να αυξήσει την τελική παραγωγή microgreens. Η μεθοδολογία περιλάμβανε (α) αρχική έκθεση των σπόρων στα φάσματα και τις φωτοπεριόδους που είχαν αποδώσει τα υψηλότερα ποσοστά βλάστησης, ώστε να παραχθεί μεγαλύτερος αριθμός σποροφύτων, και (β) στη συνέχεια εφαρμογή του φάσματος που είχε αποδειχθεί ότι ενισχύει περισσότερο τη συσσώρευση ξηρής βιομάζας. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με τη συμβατική μέθοδο καλλιέργειας microgreens, όπου οι σπόροι διατηρούνται στο σκοτάδι για 3–5 ημέρες πριν εκτεθούν στον φωτισμό ανάπτυξης. Δεδομένου ότι το σκοτάδι είχε αποδειχθεί αναποτελεσματικό για λάχανο και ρόκα, ο συνδυασμένος φωτισμός παρείχε σαφές πλεονέκτημα: για το λάχανο η παραγωγή αυξήθηκε κατά περίπου 50 %, ενώ για τη ρόκα κατά περίπου 22 %. Επιπλέον, η αποδοτικότητα χρήσης ενέργειας και φωτός βελτιώθηκε σημαντικά, καθώς η υψηλότερη τελική παραγωγή επέτρεψε πιο αποδοτική αξιοποίηση της παρεχόμενης ενέργειας σε σύγκριση με τη συμβατική μέθοδο καλλιέργειας microgreens. Το τέταρτο πείραμα σχεδιάστηκε με βάση τα ευρήματα του πρώτου, στο οποίο είχε καταγραφεί έντονη ανομοιομορφία στην κατανομή της φωτεινής ακτινοβολίας στο εσωτερικό του θαλάμου ανάπτυξης. Στόχος ήταν να διερευνηθεί κατά πόσο η βελτίωση της διάχυσης του φωτός και η μείωση των σκιασμένων ζωνών μπορούν να αυξήσουν την τελική παραγωγή σε καλλιέργεια πυκνής φύτευσης. Για τον σκοπό αυτό καλλιεργήθηκαν τέσσερα φυτά μαρουλιού στο ίδιο δοχείο και εξετάστηκαν πέντε διαφορετικά σενάρια. Στην πρώτη μέθοδο χρησιμοποιήθηκαν σκουρόχρωμες πλευρικές επιφάνειες, ώστε να αποτραπεί η ανάκλαση των φωτονίων που προέρχονται από τον κατακόρυφο φωτισμό. Στη δεύτερη μέθοδο τοποθετήθηκε απλή ανακλαστική επιφάνεια γύρω από τα φυτά, με σκοπό την ανάκλαση των προσπιπτόντων φωτονίων προς το εσωτερικό της κόμης. Στην τρίτη μέθοδο εφαρμόστηκε ανάγλυφη ανακλαστική επιφάνεια, ικανή να ανακλά την ακτινοβολία προς πολλαπλές κατευθύνσεις και να δημιουργεί πιο έντονη διάχυση φωτός στο εσωτερικό της κόμης. Στην τέταρτη και πέμπτη μέθοδο οι δύο ανακλαστικές επιφάνειες (απλή και ανάγλυφη) συνδυάστηκαν με πλευρικό συμπληρωματικό φωτισμό χαμηλής έντασης μέσω ταινίας LED. Οι ανακλαστικές επιφάνειες βελτίωσαν αισθητά την είσοδο φωτός στο εσωτερικό της κόμης, κάτι που επιβεβαιώθηκε από την αύξηση της παραγόμενης βιομάζας και τη μείωση των νεκρώσεων στα κατώτερα φύλλα, σε σύγκριση με την πρώτη μέθοδο. Οι μέθοδοι που περιλάμβαναν πλευρικό φωτισμό απέδωσαν ακόμη καλύτερα αποτελέσματα, με την διάταξη ανάγλυφης επιφάνειας σε συνδυασμό με πλευρικό φωτισμό να παρουσιάζει την υψηλότερη απόδοση. Η αποδοτικότητα χρήσης νερού, ενέργειας και φωτός ήταν αυξημένη σε όλες τις βελτιωμένες μεθόδους, με τη μέθοδο της ανάγλυφης επιφάνειας και του πλευρικού φωτισμού να εμφανίζει τη βέλτιστη συνολική επίδοση. Συνολικά, τα αποτελέσματα της διατριβής αναδεικνύουν ότι η στοχευμένη διαχείριση της ποιότητας και της χωρικής κατανομής του φωτός μπορεί να ενισχύσει ουσιαστικά την παραγωγικότητα, την ενεργειακή αποδοτικότητα και τη λειτουργική σταθερότητα των συστημάτων κάθετης καλλιέργειας. Η βελτίωση των πρώιμων σταδίων ανάπτυξης μέσω κατάλληλων φασματικών συνθέσεων, σε συνδυασμό με τεχνικές που αυξάνουν την ομοιομορφία φωτισμού σε πυκνές καλλιέργειες, προσφέρει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για τη μείωση του κόστους παραγωγής και την καλύτερη αξιοποίηση των εισροών. Τα ευρήματα μπορούν να εφαρμοστούν τόσο στην παραγωγή microgreens όσο και σε μονάδες μεγάλης κλίμακας φυλλωδών λαχανικών, συμβάλλοντας στη βελτίωση της βιωσιμότητας των κάθετων καλλιεργειών και στην ευρύτερη ενίσχυση της αστικής γεωργίας ως λύση για την επισιτιστική ασφάλεια του μέλλοντος.Abstract The growing global demand for food, combined with the reduction of arable land and the increasing frequency of extreme climatic events, highlights the need for more efficient and environmentally sustainable production systems. Within this context, Controlled-Environment Agriculture (CEA), and particularly Vertical Farming systems (VFs), represent a modern approach to food production based on fully regulated environmental conditions and high-density cultivation under artificial lighting. Plant growth in such systems is primarily supported through hydroponics or aeroponics, featuring nutrient-solution recirculation and precise control of all inputs. Their multilayer configuration and the use of energy-efficient LED lighting enable optimal space utilization, making VFs a promising solution for sustainable food production in urban areas with limited land availability. Despite their advantages, the energy demand required to support artificial lighting remains one of the main constraints to their economic viability. This dissertation aims to optimize the operation of vertical farming systems by increasing final yield, improving energy-use efficiency, and enhancing the rational utilization of artificial light. The research approach was structured along two main axes. The first axis investigated how light spectral composition affects the number and quality of emerging seedlings, as well as the time required for radicle and hypocotyl development. Producing a higher number of well-developed seedlings is crucial both for full-cycle cultivation and for microgreens production, a sector with continuously growing commercial interest. Since plant growth in vertical systems relies entirely on artificial lighting, identifying the most suitable spectra during early developmental stages can significantly influence subsequent biomass accumulation and overall final yield. The second axis focused on the spatial distribution of light within the cultivation system. In vertical farms, the close placement of lamps above the canopy and the high planting density create zones of high and low irradiance, resulting in shaded areas that diminish the photosynthetic performance of lower leaves. Unlike sunlight, which naturally diffuses across open fields and distributes more uniformly over the leaf surface, artificial lighting in enclosed high-density systems requires careful management to avoid photon distribution heterogeneity. Such uneven light distribution leads to shaded regions, increased senescence of lower leaves, reduced input-use efficiency, and ultimately yield losses. This research therefore aimed to improve light distribution, reduce shading effects, and enhance total yield through techniques that increase lighting uniformity. The first experiment examined the distribution of Photosynthetic Active Radiation (PAR) within the growth chamber used in the study, as well as its energy consumption under different LED intensities. Measurements revealed considerable vertical and horizontal variation, with high values near the light source and substantially lower irradiance at peripheral and lower positions. Although more distant locations exhibited better uniformity, their overall intensity was markedly reduced. Since measurements were conducted without plants, it is expected that the presence of a canopy would further lower light levels in the lower layers, making them inadequate for optimal growth. These observations apply specifically to the LED fixture and layout used in this study; alternative LED configurations may provide more homogeneous photon distribution. The second experiment evaluated the effects of eight light spectra and three photoperiods on the germination of lettuce, cabbage, spinach, and rocket seeds. The species displayed distinct responses to light, with certain spectra significantly enhancing both germination percentage and the time required for radicle emergence. Lettuce and spinach showed high germination both in darkness and under most lighting conditions, whereas cabbage and rocket performed markedly better only under illuminated treatments. Significant differences were also observed in seedling morphology among spectra and photoperiods. To maximize the number of viable seedlings while maintaining desirable morphological traits, the most energy-efficient conditions for each species were identified. The experiment focused on early developmental stages, covering the first seven days after sowing. The third experiment expanded on the findings of the second, where cabbage and rocket demonstrated a clear dependence of germination timing and percentage on light quality—an important consideration given their popularity in microgreens production. In the first stage, nine spectra combined with three photoperiods were tested to identify the conditions that produced the highest proportion of successfully developed seedlings. Each trial lasted seven days, after which fresh and dry biomass of the seedlings was recorded. Dry biomass provided insight into the effects of each spectrum on seedling biochemical processes and subsequent biomass accumulation. The second stage examined whether combined lighting strategies could increase final microgreens yield. The methodology involved: (a) an initial exposure to the spectra and photoperiods that produced the highest germination and seedling emergence rates, and (b) subsequent transfer to the spectrum that enhanced dry biomass accumulation. Results were compared with the conventional microgreens method, in which seeds remain in darkness for 3–5 days before exposure to growth lighting. Since darkness had proven ineffective for cabbage and rocket, the combined approach offered a clear advantage: cabbage yield increased by approximately 50%, and rocket by about 22%. Energy- and light-use efficiency also improved substantially, as the higher final yield resulted in more effective utilization of supplied energy compared to the conventional method. The fourth experiment was designed based on observations from the first, which revealed pronounced heterogeneity in internal light distribution. Its objective was to investigate whether improving light diffusion and reducing shaded zones could enhance final yield under conditions of dense planting. Four lettuce plants were grown in a single container, and five lighting scenarios were evaluated. These included: (1) dark side panels preventing lateral reflection, (2) simple reflective panels, (3) textured reflective panels providing multidirectional scattering, and (4–5) the same two reflective surfaces combined with low-intensity lateral LED supplementation. Reflective surfaces noticeably increased light penetration within the canopy, resulting in higher biomass and fewer lower-leaf senescence symptoms compared to the non-reflective treatment. The methods involving lateral lighting achieved even greater improvements, with the textured-reflective-panel plus side-lighting configuration showing the highest performance. Water-, energy-, and light-use efficiency improved across all enhanced treatments, with the textured-reflective plus side-lighting method achieving the best overall results. Overall, the findings of this dissertation demonstrate that targeted management of light quality and spatial distribution can substantially improve productivity, energy efficiency, and operational robustness in vertical farming systems. Enhancing early seedling development through appropriate spectral treatments, combined with techniques that increase lighting uniformity in dense canopies, provides an integrated framework for reducing production costs and optimizing resource use. These results are applicable to both microgreens production and large-scale leafy-green cultivation, contributing to the long-term sustainability of vertical farming and supporting the broader advancement of urban agriculture as a viable solution for future food security.