Comparative evaluation of nutrient, land, water and energy requirements of hydroponic vs. conventional agricultural methods: Case study for lettuce, basil, and arugula
Hidroponik ve geleneksel tarım yöntemlerinin besin, su ve enerji ihtiyaçlarının kıyaslamalı analizi: Marul, fesleğen ve roka incelemesi
- Tez No: 783851
- Danışmanlar: PROF. DR. SEVAL SÖZEN, DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜMİT BARIŞ KUTMAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Hızla artan dünya nüfusu ve artan ihtiyaçlar başlıca su ve gıda olmak üzere, çevresel kaynakları yok olmanın sınırına getirmekte ve geleneksel çözüm yöntemlerini işlevsizleştirmektedir. Kullanılabilir su kaynakları gün geçtikçe azalmakta, daha önce belirlenen %3 oranının altında bir değere seyretmektedir. Bu durumun en güçlü sebebi endüstrileşmenin yaratmış olduğu karbon ayak izinin artmasıdır. Küresel ısınma ve beraberinde iklimlerin değişmesi hem su hem gıda kaynaklarının var olan nüfusa yetersiz kalması sonucunu doğurmaktadır. Ülkemizde bir kişinin bir yılda tükettiği su miktarı 1.500 m3 civarında seyretmekte, bu miktarın 2030 yılında 1.100 m3 civarına düşeceği öngörülmektedir. Bu doğrultuda, su kaynaklarının her tür kullanım amacıyla korunması, kirlenmesinin önüne geçilmesi, kirli suların kalitesinin iyileştirilmesi maksadıyla uzun vadeli suyu koruma, tedbir ve yönergelerini içeren havza koruma eylem planları hazırlama çalışmaları yapılması, su sağlama sistemindeki kayıplar ve meydana gelebilecek kaçakların azaltılması ülke su kaynaklarının doğru ve etkin kullanılması amacıyla proje çalışmaları mevcuttur. Ülkemizde su kullanımı ihtiyaçları içme ve kullanma ihtiyacı, hayvanlar ve doğal hayatın devamlılığı için su ihtiyacı, tarımsal üretim için su ihtiyacı, enerji ve sanayi için su ihtiyacı, ticarette kullanılan, turizm odaklı kullanılan, balıkçılık vb. su ihtiyacı olarak belirlenmiştir. Bu ihtiyaçların karşılanması başlığı altında; suyun çoklu kullanımı, enerji için su- su için enerji, fakirliğin ve açlığın ortadan kaldırılması için su ve gıda, düzenleyici yaklaşımların etkili olması ile verimin artırılması, su hizmetlerinin sağlanmasında tüm kamu ve özel sektörün düzenlenmesi, sürdürülebilir finans kaynaklarının yerel su yönetimleri ve sistemleri için kullanılması, hakkaniyet ve sürdürülebilirlik için fiyatlandırma politikaları gibi konular ele alınmaktadır. Ülkemizde su kaynaklarının kullanımı sulama verileri için Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü, diğer su kullanım verileri için TÜİK verilerinden hareketle Türkiye'de 2016 yılı itibariyle çekilen suyun %71,3'ü tarımsal sulamada, %18,4'ü sanayide, %10,3'ü içme ve kullanma suyu olarak belirlenmiştir. Bu verilerden hareketle tarımsal su kullanımının yüzdesi göz önüne alınarak, tarımsal sulama miktarının daha kontrollü olması gerektiği kanısına varılmaktadır. Tarımsal sulamada, %70 yüzey, %17 yağmurlama, %13 damla sulama yöntemi kullanılmaktadır. Bu yöntemlere alternatif olarak tarımsal gıda üretiminde kullanılan su miktarı geleneksel su kullanımını, diğer yöntemlerden daha verimli şekilde, %95 oranında azaltan“Hidroponik Tarım”teknolojisi eş zamanlı olarak hem gıda üretiminde iklime bağlılığı azaltma, üretim süresini düşürme, şehir içine kurulumuna uygunluğu ile taşımacılık problemini ortadan kaldırırken karbon ayak izini de azaltmaktadır. Hidroponik tarım sistemleri toprak kullanılmadan yalnızca su ile yapılan tarımsal üretim metodudur. Bitkiler, ihtiyaçları olan mineralleri kullanılabilir bir formda sudan alırlar ve bu şekilde sudaki çözünmüş azot ve fosfor gibi birçok minerali sudan uzaklaştırabilirler. Çözünmüş azot (N) ve fosfor (P) ötrofikasyonu tetikleyen başlıca 2 elementtir. Elementlerin limit konsantrasyonlarının üzerinde olmaları, suların kirlenmesi sonucu oluşmakta ve sudaki canlılığı tehdit etmektedir. Geleneksel tarımda kontrolsüz gübreleme sonucunda sulama suları aracılığıyla toprağa ve daha sonrasında yeraltı sularına karışan bu kirleticiler, daha sonrasında kullanılabilir su kaynaklarını ve su ekosistemini tehdit etmektedir. Hidroponik dikey tarım metodunda ise mevcut kullanılan su miktarı azaltılır ve bitkinin ihtiyacı kadar kullanılan gübre ile doğaya kontrolsüz salınım yapılmamış olur. Hidroponik tarımda yetişen bitkiler hem insan sağlığı ve tüketimi açısından sağlıklı ve besleyiciyken aynı zamanda büyüme ortamındaki azot ve fosfat miktarını topraklı tarıma kıyasla daha yüksek oranda azaltmaktadır. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte birçok alanda yenilikler yapılırken bu etkiler aynı zamanda onlarca yıllık tecrübeler sonucunda tarım sektöründe de ilerlemeye devam etmektedir. Teknolojinin tarıma olan etkileri zaman içerisinde makineleşmenin dahil olmasına, sensör teknolojilerinin gelişmesinde ve en sonunda da aydınlatma, iklimlendirme teknolojilerinin de doğayı replike ederek gerçekleştirilebildiği kapalı alanda otomasyon kontrollü topraksız dikey tarım sistemlerine kadar ulaşmıştır. Daha kısa sürede büyüyüp, çok daha az besin kullanımına ihtiyaç duyan bu sistemlerde yetişen bitkiler eğer kapalı alanda ve otomasyon sistemleriyle kontrollü olarak gerçekleştirilebiliyorlarsa bu durumda yetişen bitkilerin artan gıda ihtiyacına ve“gıda güvenilirliği ve sürdürülebilirliği”ilkesine uygunluğu belirlenmiş olmaktadır. Kapalı alanda gerçekleşen üretimin önemi, dışarıdan gelebilecek etkilerden bağımsız yetiştiricilik ve zararlılar için kullanılan kimyasallara bu sistemlerde ihtiyaç duyulmamasıdır. İleri teknoloji otomasyon sistemleri ile iklimlendirme, aydınlatma, dozajlama, sirkülasyon ve dezenfeksiyon verileri sensörler aracılığıyla anlık takip edilmekte, bu sebeple metrekare alan başına daha yüksek verimle, kontrollü üretim yapılabilmektedir. Ayrıca hidroponik olarak yetiştirilmiş olan meyve ve sebzelerin tatları ve görüntüleri geleneksel tarımda yetişen ürünlerin gerek ilaçlamadan gerekse rüzgâr, besin ve su gibi stres faktörlerinden uzak olması dolayısıyla daha kalitelidir. Bununla beraber literatürde bitkilerin besin ve yağ içerikleri verilen ortam koşullarının değiştirilmesiyle doğallığına etki etmeden değiştirilebilmektedir. Ar-Ge çalışmalarından yola çıkarak, sürdürülebilirlik ilkesi dahilinde hidroponik sistemin geleneksel tarıma kıyasla %95 daha az su tüketmesi; nitrojen ve fosfor tüketimlerinin incelenmesi, geleneksel tarımda karşılaşılan iklim ve alan problemlerine kıyasla miktar ve bitkinin daha az alanda, daha hızlı ve daha çok verim ilkesi altında elde edilebilmesi; enerji tüketimleri kapsamında Çevre Biyoteknolojisi başlığı altında incelenebilen bir tez hazırlanmıştır. Tez konusunun hedefi, hidroponik sistemdeki su, nitrojen, fosfor, alan, enerji kullanımların topraklı sistemler ile karşılaştırmalı olarak Gebze Teknik Üniversitesi (GTU) Biyoteknoloji Enstitüsü'nde gerçekleştirebilmektir. Tezde, Plant Factory Bitki ve Gıda Sistemleri A.Ş. tarafından GTU, Biyoteknoloji enstitüsüne kurulmuş olan prototipte; bitkilerin sağlıklı, daha çok verimle yetiştiği otomasyonların denemeleri yürütülmüş, kullanılan suyun kapalı sistem sirkülasyonu ile kullanılması için gerekli koşullar ve metotlar değerlendirilmiş, nitrojen-fosfor tüketimleri, alan, su ve enerji tüketimleri incelenmiştir. Yetiştirilen bitkilerin farklı ortam koşullarına verdikleri tepkilerin farklı olmasının sebeplerinden biri aydınlatma teknolojisinin bitkinin büyümesine gösterdiği pozitif etki olmaktadır. Bunun yanı sıra iklimlendirme koşullarının bitki için teşkil ettiği önem ise aydınlatma teknolojisi kadar değerlidir. Sıcaklık ve nem koşullarının bitkinin aşırı stres koşullarını göstermeyeceği düzeye indirgenmesi sonucunda, bitkinin yaptığı transpirasyon etkisi altında hem kök hem de üst bölge kısımlarının denge içerisinde çalıştığı gözlemlenmektedir. Bitkiler büyürken, yetiştirme ortamı besinler için yalnızca bir taşıyıcı görevi yapmaktadır. Bu sebeple toprakta yetişen bitkilerin ortamı toprak iken, hidroponik sistemlerde su olması dolayısıyla bitkilerin besin alma ve dokulara taşıması daha hızlı olmaktadır. Bu durumda suda homojenliğin daha hızlı sağlanabilmesi sonucunda; bitkilerin homojen büyümesi topraklı tarıma göre daha yüksek olmaktadır. Genel olarak literatürde marul, fesleğen ve roka bitkileri ile yapılan hidroponik çalışmaları bulunmaktadır. Yapılan çalışmada açık alanda (OF), serada (GH), growth chamber (GC) ortamında ve konteyner 'da (C) üç toprak deneyi ve iki tip hidroponik deneyi (besin film tekniği, derin su kültürü) kullanarak nitrojen, fosfor, su, enerji ve alan kullanımları marul, fesleğen ve roka bitkileri ile eşzamanlı olarak gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmanın literatüre katkısı, tek çalışmada beş parametrenin, beş farklı deneyde dört farklı ortamda, üç farklı yeşil yapraklı bitki ile, daha kapsamlı olarak incelenmesidir. Yetiştirme koşullarından elde edilen verilere göre hidroponik“Besin Film Tekniği (NFT)”deneyinde ve“Derin Su Kültürü (DWC)”deneyinde elde edilen nitrojen ve fosfor tüketim oranı toprak ile yapılan çalışmalardan daha yüksek olmaktadır. NFT ile yapılan çalışmada su tüketim oranlarının en düşük, alan kullanımının ise daha verimli olduğu gözlemlenmiştir. Kuru yaprak ağırlığı başına hesaplanan verilerden elde edilen bir diğer parametre olan enerji tüketim miktarı ise düşükten yükseğe sırasıyla; topraklı çalışmalarda OF, GH, GC ortamlarında iken; hidroponik çalışmalarda, NFT, DWC sistemleri olarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmaların sonucunda, hidroponik sistemlerinde yetiştirilen bitkilerin bir aylık yetiştirilme süreleri boyunca kuru yaprak ağırlıkları baz alınarak nitrojen ve fosfor tüketiminde daha yüksek sonuçlar alındığı ve dolayısıyla yetiştirildikleri besin solüsyonundan daha yüksek oranda nitrojen ve fosfor tüketebildikleri belirlenmiştir. Hidroponik sistemlerin su tüketim oranlarının, özellikle NFT sistemlerinde, toprak deneylerine kıyasla oldukça düşük olması suyu etkin kullandığının göstergesi olarak değerlendirilmiştir. Kuru ağırlık baz alınarak değerlendirilen enerji tüketimleri kıyaslanmış, NFT sisteminin enerjiyi DWC sisteminden daha etkin kullandığı belirlenmiş fakat; serada yapılan topraklı çalışmalardan daha yüksek oranda enerji kullanımı gözlemlenmiştir. NFT sistemi, geleneksel tarım sistemlerine ve diğer DWC sistemine kıyasla nitrojeni, fosforu ve suyu daha etkin kullanmakta; dikey alanı da kullanarak üretimde gereken alan kullanımını düşürmekte; GC ortamında yürütülen çalışmalardan daha az fakat serada yapılan üretimden daha çok enerji tüketmektedir. Yeşil yapraklı bitki yetiştiriciliğinde daha az alan, daha etkin besin kullanımı ve alandan kazanç NFT hidroponik sistemiyle başarılı bir şekilde elde edilebilmektedir. Fakat kapalı alanda aydınlatma, iklimlendirme ve kontrollü dozaj sistemlerinin kurulum maliyetleri ve daha sonrasında operasyonel enerji tüketimleri dezavantajlarındandır. Günümüz koşullarında enerjinin büyük bir kısmı fosil kaynaklardan sağlanmaktadır. Bu nedenle şehir merkezlerinde kurulması ile taşımacılık kaynaklı karbon salınımı oranı geleneksel tarıma kıyasla çok daha az miktarda olsa da üretim esnasında kullanılan enerji, özellikle aydınlatma teknolojileri kaynaklı bir hayli yüksek olmaktadır. Enerji kaynaklı karbon salınımını önlemek için yenilenebilir teknolojiler kullanılmalıdır. Güneş, jeotermal, dalga, rüzgâr, biyokütle, hidroelektrik, hidrojen enerjileri kullanılabilinecek yenilenebilir enerji kaynakları arasındadır. Avantajları ve dezavantajlar göz önüne alındığında yeşil yapraklı bitki yetiştiriciliğinde kullanılması hem su, alan, nitrojen-fosfor kullanım etkinliği açısından hem de metrekare alan başına elde edilen verimi ile topraklı tarımı destekleyici alternatif bir metot olarak değerlendirilmektedir.
Özet (Çeviri)
The rapidly growing world population needs more environmental resources, mainly water and food, to the limit of extinction and defunctionalize traditional solution methods. Available water resources are decreasing day by day, moving to a value below the previously determined rate in researches as 3%. The most powerful reason for this is the increase in the carbon footprint created by industrialization. Global warming, changes in climate lead to insufficient water and food resources for the existing population. The amount of water per capita in year for our country is around 1500 m3, this amount is projected to decrease to 1.100 m3 in 2030. In this direction, efforts to prepare watershed protection action plans including long term conservation programs and measures to protect water resources for all types of use, prevent pollution, improve the quality of contaminated water resources, as well as project works to effectively use the community water resources by reducing losses and leaks in the water supply system have been initiated. Using water resources in our country general directorate of state water works for irrigation datas, other water use datas based on Turk Stat in Turkey as of 2016, 71,3% of the water in agricultural irrigation, 18,4% in industry, 10,3% in drinking and using water was determined. Based on these datas, it is concluded that the amount of agricultural irrigation should be under more controlled, considering the percentage of agricultural water use. In agricultural irrigation, 70% surface, 17% sprinkler, 13% drip irrigation methods are used. New method is used as an another alternative to conventional agricultural food production and also other modern greenhouse food production as the amount of water usage, more efficiently by 95% called“hydroponic farming”technology of food production simultaneously in both climate commitment reduction, reducing production time, while eliminating the problem of transportation into the city in conformance with the installation, reduce your carbon footprint. Dissolved nitrogen (N) and phosphorus (P) are the two main elements that trigger eutrophication. When the elements are above the limit concentrations, it is the result of water pollution and threatens aquatic life. As a result of uncontrolled fertilization in traditional agriculture, these pollutants, which are mixed into the soil release through irrigation water and then into groundwater, threaten the available water resources and the aquatic ecosystem. In the hydroponic vertical farming method, on the other hand, the amount of water used is reduced and fertilizer is used as much as the plant needs, so that there is no uncontrolled release into natural water resources. Comparative evaluation researches of plants grown in a controlled environment have proven that the plant is able to retain more nitrogen and phosphorus. Plants grown in hydroponic agriculture are healthy and nutritious for human health and consumption, while at the same time reducing the higher amount of nitrogen and phosphate in the water. Hydroponic farming systems are agricultural production methods made with only water without using soil. Plants get the minerals they need from the water in a usable form. The effects of technology on agriculture have reached to the inclusion of mechanization in time, then the development of sensor technologies, and finally the automated soilless vertical farming systems in the closed area, where lighting and air conditioning technologies can be realized by replicating nature. Vertical agricultural products, in which almost all leafy greens and some fruits can be grown, are nutritious in terms of content and can be grown in a shorter time. If the plants are grown in these systems, need much less nutrient use, can be carried out indoors and with automation systems, then the compliance of the plants grown with the increasing food requirement and the principle of“food safety and sustainability”is determined. Since the importance of growing indoors will be independent of the effects that may come from outside, chemicals used for pests are not required in these systems. With the development of lighting technologies, sunlight that will operate the photosynthesis mechanism of plants can also be imitated in these systems. The light spectra required by the plant vary at different rates depending on the type of plant. For the most efficient lighting, plants can be tested continuously and the highest yield can be given at any time of the year with full commitment. With advanced technology; automation systems, air conditioning, lighting, dosing, circulation and disinfection processes are monitored by sensors. In addition, the high quality tastes and images of fruits and vegetables grown hydroponically are better quality since the products grown in traditional agriculture are generally used both chemical usage and stress factors such as wind, irregular nutrients distribution and raining. However, in the literature, the nutrient and oil content of plants can be changed without affecting their naturalness by changing the ambient conditions given. Based on studies in literature, it is planned to prepare a thesis that can be examined under the title of Environmental Biotechnology within the scope of the hydroponic system consuming 95% less water compared to traditional agriculture within the principle of sustainability; examining nitrogen, phosphorus and energy consumption; obtaining quantity and plants are grown faster and under the principle of higher yield compared to the climate and arable area problems encountered in traditional agriculture. The aim of the thesis is to realize the reuse of wastewater, higher nitrogen and phosphorus consumption, energy consumption and area usage in the hydroponic system in Gebze Technical University (GTU) Institute of Biotechnology in collaboration with Plant Factory Inc. In the thesis, the prototype installed by Plant Factory Bitki ve Gıda Sistemleri A.Ş. at GTU, Biotechnology Institute; trials of automation will be carried out in which plants will grow in suitable conditions, healthy, higher yield plants. Generally, there are hydroponic studies with lettuce, basil and arugula plants in the literature. The contribution of the study to the literature is a more comprehensive examination of five parameters, in five different experiments, in four different experimental area, with three different leafy greens in a single study. In the study, energy, area, nitrogen, phosphorus and water consumption results were obtained by using three soil experiments and two hydroponic experiments (nutrient film technique, deep water culture) in open field (OF), greenhouse (GH), growth chamber (GC) and container (C) experimental areas that were carried out simultaneously with lettuce, basil and arugula plants. According to the datas obtained from the growing conditions, the nitrogen and phosphorus consumption rates in the hydroponic“Nutrient Film Technique (NFT)”and the“Deep Water Culture (DWC)”experiments are higher than soil agricultural studies. As plants grow, the growing medium only acts as a carrier for nutrients. For this reason, the environment of plants in traditional agriculture is soil, while hydroponic systems' is water, so plants take nutrients and transport them to tissues faster. In this case, because of providing homogeneity in water faster; homogeneous growth of plants is higher than soil agriculture by the way. Hydroponic systems are supportive alternative to traditional agriculture for efficient use of water in addition to efficient nitrogen and phosphorus consumptions. In the study conducted with NFT, it was observed that the water consumption rates were the lowest was more higher than others followed by DWC. High area use efficiency can be achieved successfully with the NFT hydroponic system in plant cultivation followed by DWC. In addition to that, another reason for the different responses of grown plants to different environmental conditions is the positive effect of lighting technology on plant growth. In addition, the importance of climatic conditions for the plant is as valuable as the lighting technology. As a result of the temperature and humidity conditions being adjusted where the plant does show required stress conditions to balance both the root and upper parts of the plant under the effect of transpiration and photosynthesis. The amount of energy consumption, which is another parameter obtained from datas, calculated as per gram dry leaf weight, is from low to high, respectively; in soil-based experiments as OF, GH, GC experimental areas; in hydroponic studies, NFT, DWC systems. NFT consumes less energy than the DWC hydroponic system but more than greenhouse production. In today's conditions, energy is provided from fossil sources. For this reason, although the carbon emission rate due to transportation is much less than traditional agriculture with its establishment in city centers, the energy used during production, especially due to lighting technologies, is quite high. Renewable technologies should be used to prevent energy-related carbon emissions. Solar, geothermal, wave, wind, biomass, hydroelectric, hydrogen energies are among the renewable energy sources that can be used. Considering the advantages and disadvantages, indoor hydroponic systems in green leafy plant cultivation is considered as an alternative method to support soil agricultural methods, both in terms of water, area, nitrogen-phosphorus use efficiency and the yield per square meter area.
Benzer Tezler
- Fermentasyon endüstrisi atıksularında Kalıcı Koi' nin belirlenmesi
Determination of the inertsoluble cod for the fermentation industry effluents
GÜLSÜM YILMAZ
- Terkos Gölünün su kalitesinin değerlendirilmesi için önyaklaşım
Başlık çevirisi yok
ÖZDEN DAVASLIGİL
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ORHAN İNCE
- Sakarya nehri havzasında su kalitesi yönetimi
Water quality management in Sakarya river basin
SELMİN BURAK BALTAOĞLU
- Çeşitli adsorbanlarla fosfat giderilmesi
Başlık çevirisi yok
YEŞİM BAŞURAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. NURSAN İPEKOĞLU
- Küçük menderes havzası'nda sürdürülebilir arazi planlaması
Sustainable land planning in küçük menderes basin
HEDİYE ARZU GÖKÇE GÜNDÜZOĞLU
Doktora
Türkçe
2019
CoğrafyaDokuz Eylül ÜniversitesiOrtaöğretim Sosyal Alanlar Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÇUKUR