Beispiele von zirkulären Systemen und lokaler Produktion (und was hat das mit Resilienz zu tun )

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Beispiele von zirkulären Systemen und lokaler

Produktion

(und was hat das mit Resilienz zu tun …)

Prof. Dr. Ranka Junge

Institut für Umwelt und natürliche Ressourcen (IUNR) Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften (ZHAW)

8820 Wädenswil

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ZHAW Department N/ IUNR / Zentrum Ecological Engineering

2 Urbane und peri-urbane Agrikultur

Urbane und peri-urbane Agrikultur (UPA) bezeichnet das Anbau von Pflanzen und Aufzucht von Tieren in und um die Städte.

UPA liefert Lebensmittel aus verschiedenen Arten von Kulturpflanzen (Getreide, Wurzel, Gemüse, Pilze, Obst), Tieren (Bienen, Geflügel, Kaninchen, Ziegen, Schafe, Rinder, Schweine, Meerschweinchen, Fisch usw.) als auch Non-Food- Produkte (z. B. aromatische und medizinische Kräuter, Zierpflanzen,

Baumprodukte).

UPA umfasst Bäume, die zur Erzeugung von Obst und Brennholz bewirtschaftet werden, sowie Agroforstsysteme: Baumsysteme, die in Nutzpflanzenkulturen und kleine Aquakulturen integriert und bewirtschaftet werden.

FAO 2019 Urban Agriculture: FAO’s Role in Urban Agriculture. Available online: fao.org/urban-agriculture/en/

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Urbane Agrikultur ist keine neue Idee ...

Ebenezer Howard (1898) Garden Cities of Tomorrow.

Letchworth, UK

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Die Thünenschen Ringe

(Johann Heinrich von Thünen, 1826)

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/Thuenen-ringe.png

Absatzort

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Heute

Basel

https://www.srf.ch/news/schweiz/vertical-farming-basel-gossau-dubai-start-up-stellt- landwirtschaft-auf-den-kopf

Zürich-Schlieren

http://www.aargauerzeitung.ch/aargau/kanton-aargau/blumenbeete-werden-im- aargau-vorerst-nicht-durch-gemuesegaerten-ersetzt-126415287

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http://www.thenewecologist.com/2010/08 /green-cities-of-the-future-the-principles- and-the-facts/

Morgen ?

Dragonfly, a metabolic farm for urban agriculture.

http://vincent.callebaut.org /

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7 Warum urbane Agrikultur?

• Bevölkerungsentwicklung

9 Mia Menschen bis 2050 - 100% mehr Nahrung als heute - 2/3 wird in Städten leben

• Der globale Klimawandel wird voraussichtlich bis 2050 zu weitverbreiteten regionalen Mangel an Nahrung, Wasser und Ackerland führen

• ^Umwelt

Die Landwirtschaft ist der grösste Verbraucher der natürlichen Ressourcen. Weniger Land = intensivere Landwirtschaft = destruktiver

• Ozeane sind überfischt

Aquakulturen liefern bereits heute > 50% der weltweiten Fischversorgung

• Öffentliche Gesundheit

Steigende Gesundheitskosten sind verlinkt mit der Ernährung (Fettleibigkeit, Diabetes, Herzerkrankungen)

Die urbane Agrikultur wird Teil der Städte im 21. Jahrhundert werden.

(Re-) Integration der Nahrungsmittelproduktion in die Stadt ist notwendig, um den

Kreisstoffwechsel zu erreichen.

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9 Building-Integrated Agriculture (BIA)

Buehler & Junge, 2016

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10 BIA Varianten

Soil based

Soilless • Hydroponic / Fogponic / Aeroponic

• Bioponic

• Aquaponic

• Open-air

• Greenhouse

• Indoors

• Horizontal

• Vertical

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11 Warum bodenunabhängige Produktionssysteme?

• Stadtböden sind oft degradiert.

• Ungünstige Umweltbedingungen (z. B. Luftqualität, Sonneneinstrahlung, Klima) können das Pflanzenwachstum beeinflussen

• Umweltverschmutzung birgt Risiko für die Lebensmittelsicherheit und dem Gehalt an Schadstoffen in den Lebensmitteln, was derzeit nur schwach untersucht wird.

• Das potenzielle Vorhandensein menschlicher Krankheitserreger im Boden.

➔ Um die oben genannten Risiken zu reduzieren, sollte eine stabile und sichere

bodenunabhängige Pflanzenproduktion im städtischen Umfeld bevorzugt werden.

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12 Hydroponik / Bioponik

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Growcer, Basel

https://growcer.com/

Hydroponic

Indoors Vertical

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Yasai, Zürich / Adliswil

Hydroponic Bioponic Indoors Vertical

© Yasai

© Logiqs

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Aquaponik

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ZHAW Spin-Off UrbanFarmers

Pilotanlage UF001 LokDepot, Basel

© Foto: Raphy See

Graber, A.; Durno, M.; Gaus, R.; Mathis, A.; Junge, R. (2014). UF001 LokDepot, Basel: The first commercial rooftop aquaponic farm in Switzerland. DOI: 10.13140/RG.2.1.4589.7446

Aquaponic Greenhouse Horizontal

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Aquaponic Greenhouse Horizontal

ZHAW Spin-Off UrbanFarmers

Pilotanlage UF001 LokDepot, Basel

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18

Schmautz, Z. et al. (2021). Nitrogen transformations across compartments of an aquaponic system.Aquacultural Engineering, 102145.

F&E: Aquaponic-Lab Wädenswil

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© F. Brüderli

F&E: Aquaponic-Lab Wädenswil

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20 Nitrogen forms

Env.

parameters

Microbial diversity

SNF-Project & PhD Thesis Zala Schmautz:

Characterization of nitrogen dynamics in an aquaponic system

Schmautz, Z. et al. (2021) Nitrogen transformations across

compartments of an aquaponic system. Aquacultural Engineering, 102145.

Schmautz, Z. et al. (2021) Environmental parameters and microbial community profiles as indication towards microbial activities and diversity in aquaponic system compartments. BMC

microbiology, 21(1), 1-11.

Gartmann, F. et al. (2019) Influence of pH change on the phosphorus cycle in aquaponics. In 9th International Phosphorus Workshop

(IPW9), Zurich, 8-12 July 2019.

Schmautz, Z. et al. Microbial diversity across compartments of an

aquaponic system and its connection to the nitrogen cycle. In prep.

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Untersuchungen zur Nährstofflimitation in

Aquaponic

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22 Global potential ?

There is no simple solution to sustainably feeding 9 billion people, especially as many become increasingly better off and converge on rich country consumption patterns. A broad range of options, needs to be pursued simultaneously.

Among these are:

• Closing Yield Gap

• Increasing Production Limits

• Reducing Food Waste

• Changing Diets

• Expanding Aquaculture

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N & P: Eutrophication vs. fertilization

Global production FISH [t/a] (FAO, 2016) 73'800'000 Global production VEGETABLES [t/a] (www.statista.com) 1'037'790'000

Ratio VEGETABLES : FISH 14.1

Emissions to water by atlantic salmon N P

[kg/t] (Ayer et al. 2009) 28.57 4.47

[kg globally/a] EUTROPHICATION! 2'108'220'000 329'640'000

Biomass composition of lettuce N P

(% dry weight) (approximate values, own data) 5.0 1.5

% dry matter in fresh weight 4.0

kg /1 tonne fresh Lettuce 2.00 0.60

Lettuce yield (t)/fish (t) 14.3 7.4

Global potential for Aquaponics: some numbers

➔ By connecting all the aquaculture with hydroponics (or irrigation), all N could be used up for lettuce

growth, however P ought still to be added

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The potential for food security ...

Global consumption Fish Vegetables

Consumption (global) [kg a ^-1 capita ^-1 ]

(FAO, 2016; FAO 2013) 20 134

Global population (N) 7'600'000'000

Global land surface area [m ² ] 150'000'000'000'000

Global consumption [t a ^-1 ] 152'000'000 1'018'400'000 Benchmark "Wädenswil"

Production rates [kg m ^-2 a ^-1 ] netto (Nozzi et al 2018) 17 53

Total area [m2] 1000

Auxilliary space (30%) 300

Productive area [m2] 200 500

Harvest (kg/a) 3'399 26'377

How many farms? 44'722'348 38'609'463

How much surface of the Earth? 2.67%

To cover the entire global consumption of fish and vegetables, we would need about 40 Mio farms, each 1000 m ² .

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… is enormous

... however, it is very different for different locations:

• urban vs. rural

• urban: growing vs. shrinking cities, small vs. big cities

• arid vs. temperate vs. tropical

• industrialized vs. developing countries

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26 Potential für Dachfarmen am Beispiel Basel

Fish Vegetables

Population Basel City [N] 198'988

Estimated free and suitable roof space [m2] 100'000

Production potential of 100 "Waedenswil" farms [kg a ^-1 ] 339'900 2'633'700

Consumption CH [kg capita ^-1 a ^-1 ] 7.5 83.1

Consumption Basel [kg a ^-1 ] 1'492'410 16'539'883

Fraction supply via "Waedenswil" farms 22.8% 15.9%

• Gesamte freistehende Dachfläche in der Stadt Basel: 2‘000‘000 m ²

• Entscheidende Standortfaktoren:

a) Aktuelle Ausnützungsziffer (FAR: loor-to-area ratio) b) Zone (gemischt, gewerblich, industriell)

c) Tragekapazität (flächig 200 kg/m ² , Punktlasten 1000 kg/m ² )

d) Fläche > 500 m ²

➔ Geschätztes Potential: 5% wäre nutzbar = 100’000 m ²

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27 Resilienz

Resilienz: Die Leistungsfähigkeit eines Systems Störungen zu absorbieren, und sich in Phasen der Veränderung so neu zu organisieren, dass wesentliche Strukturen und Funktionen erhalten bleiben.

Biggs, R., Schlüter, M., and M. Schoon (eds) Principles for Building Resilience. Cambridge University Press 2015.

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28 Prinzipien der Resilienz

Biggs et al. (2015)

1. Erhaltung der Vielfalt

und Redundanz

2. Steuern der Konnektivität

3. Steuern der langsamen Variablen und

der Feedbacks

4. Förderung des Denkens

über komplexe

adaptive Systeme

5. Förderung des Lernens

6. Erweitern der

Partizipation

7. Förderung poly-

zentrischer Governance-

Systeme

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29 UA & Resilienz

Hydroponic Bioponic Aquaponic

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30 Circularity in the cities and its challenges

Adapted from Atanasova et al. (2021): Nature-based solutions and circularity in cities (Book chapter, submitted)

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Circularity challenges

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UA & Circularity

Hydroponic Bioponic Aquaponic

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33 Quellen

Biggs, R., Schlüter, M., and M. Schoon (eds) (2015) Principles for Building Resilience. Sustaining Ecological Services in Social-Ecological Systems. Cambridge University Press. 290 pp.

Buehler, D., & Junge, R. (2016). Global trends and current status of commercial urban rooftop farming. Sustainability, 8(11), 1108.

Junge, R.; König, B.; Villarroel, M.; Komives, T.; Jijakli, M.H. (2017) Strategic Points in Aquaponics. Water 9(3), 182.

Skar, S. L. G., Pineda-Martos, R., Timpe, A., Pölling, B., Bohn, K., Külvik, M., ... & Junge, R. (2020). Urban

agriculture as a keystone contribution towards securing sustainable and healthy development for cities in the future.

Blue-Green Systems, 2(1), 1-27.

Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., Cornell, S. E., Fetzer, I., Bennett, E. M., ... & Sörlin, S. (2015). Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science, 347(6223).

Wijkman, A., & Skånberg, K. (2015). The circular economy and benefits for society. Club of Rome. Available online:

https://www.lagazettedescommunes.com/telechargements/etude-club-rome-eng.pdf