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Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 2109 (2023) Citar este artículo
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La agricultura africana seguramente enfrentará desafíos para el futuro desarrollo de sus sistemas alimentarios y su transformación económica. Las granjas verticales interiores con iluminación artificial representan una oportunidad que ha ido ganando relevancia a nivel mundial, gracias a su potencial para permitir altas tasas de productividad, calidad y seguridad de los alimentos, producción durante todo el año y un uso más sostenible del agua y los nutrientes minerales. El presente estudio evalúa el potencial para la integración vertical de la tecnología agrícola dentro del continente africano, centrándose en los países donde se podría lograr un enfoque más sostenible. Se construyó un análisis profundo de las principales oportunidades y desafíos de cada territorio a través de una base de datos actualizada de 147 indicadores de desarrollo de 54 estados africanos. Países como Sudáfrica, Seychelles, Egipto, Mauricio, Marruecos, Túnez, Argelia, Cabo Verde y Nigeria mostraron las mejores perspectivas para la implementación de la agricultura vertical en interiores. Además, Seychelles, Sudáfrica y Egipto resultaron ser los países donde la agricultura vertical de interior podría ser más sostenible.
El continente africano enfrentará desafíos considerables para su desarrollo agrícola y sus sistemas alimentarios. Si bien se espera que la población mundial crezca hasta alrededor de 9.700 millones en 2050, solo los países del África subsahariana podrían representar más de la mitad de este crecimiento mundial entre 2019 y 20501. Además, se espera que África tenga más personas viviendo en ciudades para 2050 que Europa, América Latina o América del Norte2. Dado que el mercado de alimentos básicos depende de las importaciones, esta tendencia presenta un entorno favorable para fomentar la producción local de alimentos3. La demanda de alimentos aumentará significativamente, lo que provocará cambios en su oferta y seguridad para luchar contra la desnutrición y proporcionar una vida productiva y saludable a la población africana4,5. Además, el cambio climático amenaza al sector agrícola africano y su disponibilidad de agua6. Las proyecciones futuras para el sur de África indican una reducción de las precipitaciones, un aumento de las temperaturas y una alta variabilidad del cambio climático, previéndose un escenario de reducciones de entre el 15 y el 50 % en la productividad agrícola6. Se esperan estimaciones similares para la región del norte de África, donde se espera que un aumento del 1% en la temperatura en invierno resulte en una disminución del 1,12% en la productividad agrícola en la zona7, con las consiguientes implicaciones sociales8.
La agricultura ha sido el pilar de las economías africanas durante décadas, y hoy el sector representa el 61% del empleo y representa el 25% del Producto Interno Bruto (PIB) africano9. La mejora de la productividad agrícola es un requisito que puede respaldar el desarrollo del capital humano, permitiendo inversiones para una mejor nutrición, salud y educación10 que pueden impactar directamente en una rápida reducción de la pobreza y estimular los ingresos/crecimiento económicos11. Por lo tanto, es necesario transformar el sector agrícola en África y es evidente la necesidad de inversiones en la modernización de la agricultura. Las tecnologías agrícolas innovadoras pueden apoyar y acelerar esta transformación en todo el continente12 y luchar contra los desafíos actuales de la agricultura africana13. En este sentido, se está desarrollando en todo el mundo una nueva forma de agricultura para abordar estas tendencias mencionadas y mejorar la producción futura de alimentos de manera sostenible, ejemplificada como la agricultura vertical bajo techo con iluminación artificial14.
La agricultura vertical en interiores es una industria emergente de sistemas intensivos de producción de plantas con estantes apilados verticalmente en un ambiente controlado con iluminación artificial y sistemas de cultivo sin suelo (por ejemplo, hidropónico, aeropónico, acuapónico)15. La seguridad alimentaria, los altos rendimientos, la ausencia o reducción de los requisitos de pesticidas o herbicidas, los bajos costos de transporte, la producción durante todo el año, la eficiencia en el uso del agua y la resiliencia al cambio climático son algunos de los principales beneficios de las granjas verticales interiores16. A pesar del potencial confirmado de la agricultura vertical, algunos de sus inconvenientes impiden su aplicación viable en todas partes. Requiere de mayores inversiones (costos de infraestructura, costos operativos, empleo de diversas tecnologías), adecuada disponibilidad de recursos como energía y agua, mano de obra especializada, acciones de investigación, entre otras exigencias para hacerlo viable17. Por lo tanto, se necesita una metodología que cuantifique las oportunidades y desafíos de la agricultura vertical en una ubicación definida para evaluar su viabilidad en el área, al tiempo que se centra en proporcionar una perspectiva de la producción urbana de alimentos que aborde cuestiones de sostenibilidad. La potencialidad de ser altamente factible para la implementación de cultivos verticales en interiores significará que también serán posibles recursos para desarrollar sistemas de cultivos verticales simplificados en exteriores con materiales disponibles localmente y menos inversiones18. Aunque estos sistemas simplificados no son considerados en el marco de este trabajo de investigación, se reconoce que también representarían un gran potencial para desarrollar nuevas formas de cultivo en los países menos factibles.
El presente estudio tiene como objetivo evaluar la posición de 54 países africanos individuales con respecto a su viabilidad para implementar la industria agrícola vertical de interior y su potencial de sostenibilidad en su aplicación. La viabilidad se analizó mediante la elaboración de 14 macrocategorías organizadas en 3 macroáreas que agruparon 147 indicadores de desarrollo africanos. Estos indicadores se seleccionaron a partir de estadísticas públicas confiables sobre los últimos cinco años de datos disponibles, que cubren el período 2006-2020. La matriz basada en las macrocategorías creadas para la evaluación de viabilidad se adaptó a las principales dimensiones del sector agrícola vertical para la interpretación de la sostenibilidad. En consecuencia, la evaluación sostenible puede definirse como una medida estadística que informa sobre la viabilidad de la implementación de la agricultura vertical en los países africanos donde es más factible. Además, a los tres pilares principales de la sostenibilidad (Económico, Ambiental y Social), se sumaron cuatro áreas temáticas más de análisis de viabilidad (Desarrollo urbano, Energía, Seguridad alimentaria y Ciencia y Tecnología), según su importancia en la sostenibilidad de la agricultura vertical. La medida de desarrollo sintético (SMR) fue el método de investigación utilizado para evaluar la implementación de sistemas agrícolas verticales en los países africanos. Los datos para los cálculos se obtuvieron de fuentes del Banco Mundial y la FAO.
Este estudio se realizó siguiendo un marco metodológico para la evaluación de viabilidad y sostenibilidad de la agricultura vertical en África (Fig. 1, resumida en la sección "Métodos"). El estudio consideró 54 países africanos independientes (Fig. 2), omitiendo el Sáhara Occidental ya que tiene un estatus internacional desconocido19. De 147 indicadores seleccionados para este estudio, se elaboraron 14 macrocategorías para evaluar la viabilidad de la agricultura vertical en el continente africano (Fig. 3, Tabla 1) que se agruparon en 3 macroáreas (Fig. 4): (1) Garantía de la productividad de la agricultura urbana y seguridad alimentaria (desarrollo urbano, agricultura y crecimiento, seguridad alimentaria, vulnerabilidad al cambio climático), (2) Implicaciones económicas y políticas (economía y crecimiento, sector privado, sector financiero, infraestructura, comercio, eficacia de la ayuda al desarrollo, ciencia y Tecnología) y (3) Disponibilidad de Recursos e Implicación Social (Energía, Agua y Medio Ambiente, Social).
Marco metodológico para la evaluación de viabilidad y sostenibilidad de la agricultura vertical en África.
Mapa que ilustra 54 países seleccionados para la evaluación de viabilidad y sostenibilidad de la agricultura vertical en África (generado con MapChart, https://www.mapchart.net/).
Categorización de la viabilidad de la agricultura vertical por cada macrocategoría en los países africanos (generada con MapChart, https://www.mapchart.net/).
Categorización de la viabilidad de la agricultura vertical por macroárea en los países africanos. (a) Macroárea de Garantía de la Productividad y Seguridad Alimentaria de la Agricultura Urbana. Categorización del índice de viabilidad sintética (SFI) como muy favorable (> 0,519); favorable (0,519–0,419); desfavorable (0,419–0,318); muy desfavorable (< 0,318). (b) Macroárea de Implicaciones Económicas y Políticas. Categorización del índice de viabilidad sintética (SFI) como muy favorable (> 0,380); favorable (0,380–0,290); desfavorable (0,290–0,200); muy desfavorable (< 0,200). (c) Macroárea de Disponibilidad de Recursos y Implicaciones Sociales. Categorización del índice de viabilidad sintética (SFI) como muy favorable (> 0,589); favorable (0,589–0,460); desfavorable (0,460–0,331); muy desfavorable (< 0,331) (generado con MapChart, https://www.mapchart.net/).
Entre todas las macrocategorías consideradas (Fig. 3), Sudáfrica fue clasificada como “muy favorable” con el 78,6% del total, seguida de Mauricio (64,3%) y Egipto y Marruecos (57,1%). Por el contrario, Somalia y la República Centroafricana fueron los países más catalogados como “muy desfavorables” (50%), seguidos de Sudán del Sur y Sierra Leona (42,9%). En este sentido, Somalia calificó como “muy desfavorable” en macrocategorías como Seguridad Alimentaria, Economía y Crecimiento, Sector Privado, Sector Financiero, Infraestructura, Comercio y Asuntos Sociales. Además, Seguridad Alimentaria y Comercio fueron las macrocategorías que mostraron tener más países africanos en condiciones “muy favorables” y “favorables” (59,3 y 57,4%, respectivamente). En comparación, Ciencia y Tecnología y Sector Financiero concentraron un mayor número de países “desfavorables” y “muy desfavorables” (68,5 y 66,7%, respectivamente). Seychelles obtuvo el índice de viabilidad sintética (SFI) promedio más alto, que mostró una puntuación cercana a 1 en energía y seguridad alimentaria (Tabla complementaria 1). Además, Ciencia y Tecnología y Sector Financiero fueron las macrocategorías en las que hubo mayor diferencia entre países con un coeficiente de variación de 152 y 99,8%, respectivamente. Por otro lado, el sector privado fue muy uniforme en todos los estados africanos con un coeficiente de variación del 9,9% (Tabla complementaria 2).
Garantía de la productividad de la agricultura urbana y seguridad alimentaria Según sus tendencias actuales, el territorio norteafricano, islas como Seychelles, Mauricio, Santo Tomé y Príncipe y países como Sudáfrica y Nigeria resultaron ser las mejores áreas viables para una producción agrícola urbana segura (“ categorización “muy favorable”) (Fig. 4a, Tabla complementaria 3). Debido a una mayor vulnerabilidad al desarrollo urbano, la agricultura y el crecimiento y al cambio climático, es más factible para estos países implementar granjas verticales bajo techo en las ciudades. Producir alimentos en las ciudades puede mejorar la seguridad alimentaria urbana y la nutrición saludable de su población, ya que se espera que los productos se vendan localmente, aumentando la accesibilidad a los alimentos frescos20. En esta macroárea, Egipto registró el mayor resultado (0,62 SFI) gracias a puntuaciones más altas en términos de seguridad alimentaria y desarrollo urbano que Sudáfrica, que obtuvo el segundo lugar (0,60 SFI). Además, islas como Seychelles, Mauricio y Santo Tomé y Príncipe obtuvieron puntuaciones entre las mejores en términos de desarrollo agrícola y seguridad alimentaria. Los países del norte de África resultaron altamente vulnerables al cambio climático, por lo que necesitarán adaptar su agricultura para enfrentar las condiciones ambientales externas. En términos de desarrollo urbano, Nigeria obtuvo la puntuación más alta (Tabla complementaria 1). En consecuencia, se deben implementar nuevas formas de producción urbana de alimentos para evitar la inseguridad alimentaria en el futuro.
Implicaciones económicas y políticas Los resultados mostraron una notable posición de liderazgo de Sudáfrica en esta macroárea (0,69 SFI), seguida de Marruecos, Egipto, Túnez, Mauricio, Nigeria y Cabo Verde (Fig. 4b, Cuadro complementario 3). Una infraestructura adecuada y de calidad y el desarrollo del sector financiero pueden ser buenas opciones de políticas para transformar las actividades y sectores económicos de tradicionales a modernos. Es de importancia estratégica mantener una política y una inversión centradas en la agricultura. Mejorar la eficiencia del gasto público puede ser crucial para mejorar la productividad y ejecutar la estrategia de transformación agrícola. Sudáfrica lideró los dominios de Economía y Crecimiento, Sector Financiero, Comercio y Ciencia y Tecnología. En este sentido, Sudáfrica resultó notablemente alto en Ciencia y Tecnología en comparación con el resto del continente (Cuadro Suplementario 1), siendo una política que apuesta en Ciencia y Tecnología necesaria debido a los requerimientos científicos y tecnológicos que se generan para el mantenimiento de Una granja vertical cubierta. Marruecos y Seychelles mostraron la mejor puntuación en sector privado e infraestructura, respectivamente (Tabla complementaria 1). Se requieren inversiones del sector público y privado debido al costo de implementar granjas verticales interiores, que es particularmente alto. Se debe prestar más atención al sector privado en términos de mejora de la infraestructura y reformas para crear un entorno empresarial propicio a fin de impulsar el desarrollo sostenible.
Disponibilidad de recursos e implicaciones sociales En esta macroárea, Seychelles se destaca con el puntaje de índice más alto (Fig. 4c, Tabla complementaria 3) debido a que obtuvo los mejores resultados en energía, agua y medio ambiente y sociales (Tabla complementaria 1). Para la viabilidad de la agricultura vertical son necesarios requisitos de energía y agua y mano de obra altamente calificada. Países como Mauricio, Túnez, Sudáfrica, Argelia, Libia, Egipto, Cabo Verde y Botswana fueron clasificados como “muy favorables” para este análisis de macroárea (Fig. 4c, Cuadro complementario 3). Los países del norte de África se mostraron muy favorables en las macrocategorías de Energía, Agua y Medio Ambiente, mientras que en Social se clasificaron como desfavorables o muy desfavorables. Una baja fuerza laboral femenina y un escaso empleo en relación con la proporción de población fueron las principales razones de una categorización social negativa en estos países del Norte. Botswana y Ruanda se destacaron por ocupar la segunda y tercera posición en Social, respectivamente (Tabla complementaria 3). Esta alta prevalencia del empleo (principalmente en la agricultura) se correlaciona con un alto nivel de informalidad en el trabajo21. En consecuencia, la industria agrícola vertical de interior puede ser una oportunidad para paliar el déficit de trabajo decente.
Considerando la clasificación general de la viabilidad de la agricultura vertical en África, nueve países lograron una categorización “muy favorable” (Fig. 5, Tabla 2). La mayoría de los países “muy favorables” eran de la región del norte de África (Egipto, Marruecos, Túnez y Argelia), pero también de pequeñas islas del Atlántico (Cabo Verde) y del Pacífico (Seychelles y Mauricio). Sin embargo, un país del sur, Sudáfrica, resultó ser el país más favorable (0,66 SFI). Además, el único país del Medio Oeste que obtuvo una puntuación “muy favorable” fue Nigeria. Según la asignación de países a regiones geográficas de la UNSD 202222, se informó que la mayoría de los países de las subregiones de África occidental, central y oriental eran “desfavorables” o “muy desfavorables” para implementar granjas verticales interiores. Un crecimiento económico deficiente, una baja presencia del sector privado y financiero, recursos energéticos (eléctricos) e hídricos deficientes, un mercado comercial inferior, el desarrollo urbano y la prevalencia de la inseguridad alimentaria son algunas de las bases de esta categorización. Sierra Leona, Somalia y la República Centroafricana mostraron las puntuaciones más bajas. Sin embargo, las soluciones de sistemas agrícolas verticales al aire libre, de baja tecnología, simplificadas y económicamente accesibles, podrían desarrollarse y adaptarse como nuevas formas de agricultura de acuerdo con la situación específica del país. Por otro lado, África del Norte y del Sur fueron las subregiones más adecuadas para instalar y operar una granja vertical cubierta. Los mejores resultados generales en las macroáreas analizadas resaltaron un mejor desarrollo subregional, mejores condiciones y más recursos para este innovador método agrícola.
Categorización de los países africanos según la viabilidad de la agricultura vertical. Índice de factibilidad sintética (SFI) categorizado en muy favorable (> 0,453); favorable (0,453–0,363); desfavorable (0,363–0,273); muy desfavorable (< 0,273) (generado con MapChart, https://www.mapchart.net/).
Se elaboró una tabla final para evaluar la sostenibilidad de los 54 países africanos (Tabla 3), y se hicieron consideraciones finales para los 9 países más viables para la agricultura vertical (denominados “muy favorables”) (Fig. 6). Seychelles resultó ser un país donde la operación de una granja vertical podría ser más sostenible (0,68 SSI), obteniendo la mejor puntuación en el ámbito medioambiental y siendo el segundo en sostenibilidad social. Después, Sudáfrica y Egipto pasaron a ser el segundo y tercer país, respectivamente. Ambos países se ubicaron entre los tres mejores países en sostenibilidad económica y social. Se destacó que los países del norte de África (Egipto, Túnez, Argelia y Marruecos) obtuvieron mejores resultados de sostenibilidad ambiental. Además, Nigeria resultó ser el país donde las granjas verticales bajo techo podían ser más sostenibles económicamente debido al creciente desarrollo urbano y crecimiento económico.
La evaluación de la sostenibilidad económica, social y medioambiental de la agricultura vertical en los países africanos se clasificó como "muy favorable" en la clasificación de viabilidad. Índice de Sostenibilidad Sintética Final (SSI) calculado como SFI promedio de Económico (Economía y Crecimiento, Desarrollo Urbano), Ambiental (Energía, Agua y Medio Ambiente) y Social (Seguridad Alimentaria, Social y Ciencia y Tecnología).
El territorio del norte de África, islas como Seychelles, Mauricio, Santo Tomé y Príncipe y países como Sudáfrica y Nigeria mostraron un potencial notable en (1) la macroárea de Garantía de la productividad de la agricultura urbana y seguridad alimentaria (Fig. 4a, Tabla complementaria 3). Abdillahin y Sezgin23 destacaron que Sudáfrica está liderando el camino hacia un nuevo futuro de producción urbana de alimentos en el continente africano. Además, islas como Seychelles y Mauricio obtuvieron las mejores puntuaciones en desarrollo agrícola y seguridad alimentaria (Figura 3, Cuadro complementario 1), países que carecen de tierras agrícolas y dependen de las importaciones de alimentos debido a su condición de islas24. Por lo tanto, la industria agrícola vertical de interior podría afectar significativamente la variabilidad de los cultivos cultivados y el suministro de productos locales y frescos. Además, los países del norte de África son muy vulnerables al cambio climático (Fig. 3). En este sentido, los investigadores aumentaron su atención sobre la región del norte de África como un “punto crítico de cambio climático”, con escenarios que predicen un aumento promedio de las temperaturas anuales, sequías más intensas y duraderas, y caídas que oscilan entre el 4 y el 27% en la temperatura anual. lluvia9,25. Los países del norte de África necesitarán adaptar su desarrollo agrícola para afrontar los futuros desafíos medioambientales y, especialmente, la escasez de recursos hídricos25. En este marco, la implementación de sistemas agrícolas verticales en interiores puede ser una oportunidad, permitiendo reducir el uso de agua hasta en un 95% en comparación con la agricultura en campo abierto26.
En términos de Desarrollo Urbano, la puntuación más alta la obtuvo Nigeria, que tiene la mayor población urbana de África, con 107 millones de habitantes urbanos en 2020, más del doble en comparación con el segundo país de la lista, Egipto (Tabla complementaria 1)27 . En consecuencia, a medida que avancen las proyecciones de desarrollo urbano, el país enfrentará graves desafíos para alimentar a su población. Un estudio realizado por Rahmann et al.28, que proyectó diferentes escenarios de tierras agrícolas necesarias para 2100 según el crecimiento demográfico, demostró que Nigeria no es lo suficientemente grande como para alcanzar la autosuficiencia en la producción de alimentos, incluso si los rendimientos aumentaran dramáticamente. Las granjas verticales interiores pueden reducir exponencialmente la presión agrícola sobre la tierra, ya que el cultivo se realiza verticalmente (p. ej., estanterías, torres…) y no es necesario el uso de suelo al adoptar métodos de cultivo sin suelo26.
Las economías africanas se están transformando rápidamente. Es de importancia estratégica mantener una política y una inversión centradas en la agricultura, incluso cuando la agricultura disminuye su importancia relativa para la economía en general29. En este estudio, se destacó la macroárea (2) Implicaciones económicas y políticas en países como Sudáfrica, Marruecos, Egipto, Túnez, Mauricio, Nigeria, Cabo Verde y Seychelles (Fig. 4b, Tabla complementaria 3). La estabilidad económica impacta directamente el crecimiento y el desarrollo; sin embargo, las inversiones en investigación e innovación tecnológica son vitales para impulsar el crecimiento económico en estos países30. Sudáfrica mostró una notable inversión en la macrocategoría de Ciencia y Tecnología (Tabla complementaria 1). Además, Sudáfrica ha implementado varias iniciativas políticas que apuntan a la agricultura como uno de los sectores críticos que requieren modernización para apoyar el crecimiento y el desarrollo31. Los países del norte de África, como Egipto, Túnez, Argelia y Marruecos, también resultaron “muy favorables” (Fig. 3). Muchos países han incluido ambiciosos planes nacionales de inversión agrícola en el marco del Programa Integral de Desarrollo Agrícola Africano (CAADP) que aumentarían el crecimiento agrícola de manera sostenible y eficiente y al mismo tiempo reducirían la pobreza32.
Los parques verticales suelen ser sistemas integrados en el edificio con un coste inicial elevado debido a las infraestructuras requeridas y a su equipamiento tecnológico y aportes energéticos33. Por lo tanto, a menudo se requiere financiación inicial y un análisis del sector privado para poner en marcha estas empresas, ya que la agricultura moderna en las regiones africanas está en gran medida orientada al mercado y, por lo tanto, depende del sector privado34. Sudáfrica, Mauricio, Marruecos y Túnez resultaron ser “muy favorables” tanto en las macrocategorías del sector financiero como del sector privado (Fig. 3). Las inversiones privadas dominan en escala y alcance en el sector agrícola africano (70%); sin embargo, el 94% de la investigación y el desarrollo está cubierto por fondos públicos, lo que sugiere una falta de atracción de inversiones del sector privado para aumentar las innovaciones en la investigación agrícola35. Por otro lado, se ha destacado que la infraestructura deficiente es un obstáculo importante para la adopción de tecnologías mejoradas en la agricultura36. Por lo tanto, se espera que una economía bien industrializada tenga una infraestructura adecuada. Seychelles se convirtió en el país líder en esta macrocategoría de infraestructura, seguido de Sudáfrica, Cabo Verde, Mauricio, Ghana, Argelia y Egipto (Fig. 3, Tabla complementaria 1).
En términos de (3) Disponibilidad de recursos e implicaciones sociales, países como Seychelles, Mauricio, Túnez, Sudáfrica, Argelia, Libia, Egipto, Cabo Verde y Botswana fueron clasificados como “muy favorables” (Fig. 4c). Los requisitos energéticos y, más específicamente, el acceso a la electricidad representan un insumo esencial para la implementación de la agricultura vertical en interiores33. La iluminación artificial adecuada, la temperatura, los ventiladores y las bombas de calor y agua son algunos de los equipos que generalmente hacen funcionar una granja vertical y requieren energía37. En consecuencia, este estudio mostró a Seychelles como el mejor país en la macrocategoría de Energía con un valor sintético de 1 (Tabla complementaria 1). El déficit global de acceso a la electricidad se centra en el África subsahariana, área que representa el 75% de la población mundial sin acceso a la electricidad38. Además, la cantidad y calidad del agua juegan un papel importante en la sostenibilidad ambiental. Su disponibilidad es crucial para el crecimiento de las plantas en sistemas agrícolas verticales39,40. Países como Seychelles, Túnez, Argelia, Marruecos, Libia, Egipto, Mauricio, Sudáfrica, Botswana y Gabón resultaron “muy favorables” en la macrocategoría Agua y Medio Ambiente (Fig. 3). Fischer et al.41 estimaron que se prevé que los aumentos más significativos en las necesidades de agua de riego se produzcan en África (+ 300%) entre 2000 y 2080, lo que dará lugar a los valores más críticos de los recursos renovables anuales de agua dulce. Además, para 2050, el agua disponible per cápita por año caerá a un valor crítico por debajo de 1000 m3 en el cinturón del norte de África, en África oriental y meridional y en Oriente Medio42. En consecuencia, en el futuro también será necesario producir alimentos con menos agua, lo que permitirá la adopción de sistemas agrícolas verticales en interiores que optimicen en gran medida el uso del agua43.
La producción agrícola exitosa requiere cada vez más conocimientos. La fuerza laboral agrícola deberá mejorar la productividad, hacer frente a los futuros desafíos alimentarios y aprovechar las oportunidades emergentes innovadoras para promover formas inclusivas de crecimiento de la productividad agrícola44. Países como Seychelles, Botswana, Ruanda, Mauricio, Kenia, Etiopía y Tanzania demostraron ser “muy favorables” en la macrocategoría social (Fig. 3). Por ejemplo, Ruanda se encuentra en un proceso de transformación estructural, que ha involucrado a los trabajadores y al capital en actividades de productividad cada vez mayor, lo que ha resultado en rápidos cambios tecnológicos45.
Este estudio evalúa la viabilidad general de varias macrocategorías que representan diferentes dominios. Nueve países africanos se mostraron “muy favorables” para operar granjas verticales de interior, siendo los que tienen el índice de viabilidad sintética (SFI) más alto: Sudáfrica (0,66 SFI), islas como Seychelles (0,55 SFI), Mauricio (0,52 SFI) y El Cabo. Verde (0,46 SFI), región del Norte de África (Egipto, Marruecos, Túnez, Argelia, con 0,53, 0,52, 0,51 y 0,49 SFI, respectivamente) y Nigeria (0,46 SFI) (Fig. 5, Tabla 2). En estos países, podría ser posible una tendencia a innovar y mejorar los sistemas agrícolas actuales con granjas verticales interiores. Con el apoyo financiero y tecnológico de los gobiernos y la atracción del sector privado entre los habitantes de las ciudades y las empresas, se puede lograr la adopción de granjas verticales interiores en África. Los países que alcanzaron puntuaciones de viabilidad más bajas pueden optar por soluciones de cultivo vertical simplificadas adaptadas a las condiciones económicas y sociales y a los materiales disponibles localmente. Borgwardt y Endress46 desarrollaron un estudio de caso para implementar una granja vertical en el Parque Científico Maun en Botswana (0,42 SFI; “favorable”), mostrando que las condiciones para la seguridad alimentaria sostenible a través de este sistema de cultivo se pueden lograr con el desarrollo continuo del país. Sin embargo, también reconocieron que las aplicaciones de la agricultura vertical y el alcance del mercado serían limitados en comparación con otros continentes, como Europa. Además, la sostenibilidad de los recursos y la seguridad en la línea de producción de alimentos es una cuestión importante a nivel mundial que puede hacer de la agricultura vertical una forma poderosa de cultivo a través de aplicaciones tecnológicas y sistemas de cultivo sin suelo47. África debe pasar de un sistema agrícola escasamente productivo a una intensificación sostenible y respetuosa con el medio ambiente48. En este estudio, Seychelles, en primer lugar, seguida de Sudáfrica y Egipto, fueron los tres países donde la implementación de sistemas agrícolas verticales podría ser más sostenible (Fig. 6, Tabla 3).
Del análisis ambiental de sostenibilidad, Seychelles, Túnez y Argelia mostraron valores sintéticos más altos (Fig. 6). Estos tres países tienen programas para implementar más energías renovables. Por ejemplo, Túnez y Argelia se han fijado el objetivo de incluir un 30 % y un 27 % de energía renovable en su combinación energética para 2030, centrándose principalmente en aumentar la generación solar y eólica24,49,50. Este suministro de energía renovable puede permitir una producción de alimentos más sostenible a través de la agricultura vertical en interiores, al tiempo que aumenta su potencial de mercado51. La construcción de una granja vertical requiere una alta inversión inicial (del sector privado o de programas públicos) y los costos de producción son más altos que los de la agricultura tradicional52. Por lo tanto, los países con buen crecimiento económico, generación de capital y desarrollo urbano adecuado serán más adecuados para implementar de manera sostenible la agricultura vertical en sus ciudades. Entre los nueve países más factibles, Nigeria, Sudáfrica y Egipto obtuvieron los valores más altos en el análisis económico de sostenibilidad (Fig. 6). La agricultura vertical puede crear puestos de trabajo en varios sectores de la ingeniería, la biotecnología, la construcción y la investigación y el desarrollo16. En este estudio, Sudáfrica, Seychelles y Egipto mostraron las mejores puntuaciones en el análisis social de sostenibilidad (Fig. 6). Seychelles es uno de los países africanos donde la mayor parte de su fuerza laboral tiene educación avanzada27, lo que resulta ventajoso para el amplio espectro de descripciones de trabajo que normalmente se observan en una granja vertical. Se espera que ubicar la producción de alimentos en los centros de las ciudades africanas aumente el crecimiento económico en la zona53.
Países como Sudáfrica, Seychelles, Egipto, Mauricio, Marruecos, Túnez, Argelia, Cabo Verde y Nigeria mostraron las mejores perspectivas para la implementación de la agricultura vertical en interiores. Se trata de países africanos donde la integración de la agricultura vertical en las zonas urbanas puede ayudar a reducir la pobreza, contribuir a la seguridad alimentaria y aumentar su sostenibilidad contextual. Sin embargo, su competitividad en el mercado local podría seguir sin estar clara, ya que los proveedores actuales aún pueden vender productos más baratos. En este sentido, el indicador Índice de precios al consumidor de alimentos (% del cambio de precios de la canasta de alimentos promedio comprada por los hogares) mostró que entre los países sosteniblemente “muy favorables”, Egipto y Nigeria están experimentando tasas de inflación más altas en la canasta de alimentos, mientras que el otros resultaron tener una tendencia más estable54.
Sin embargo, para potenciar la sostenibilidad ambiental y mejorar la eficiencia y suficiencia de los suministros de producción de alimentos en la sociedad africana, es necesario desarrollar sistemas de cultivo vertical diversos e influyentes adaptados a la realidad de cada país. Los países menos viables pueden optar por soluciones innovadoras modulares y de bajo costo de sistemas agrícolas verticales que pueden ofrecer nuevas oportunidades para productores jóvenes o de pequeña escala sin depender de las altas inversiones típicas de las granjas verticales interiores de alta tecnología55. Además, explotar los recursos hídricos urbanos, recoger el agua de lluvia o reutilizar la masa térmica del edificio56,57 son soluciones distintas a las mencionadas en el estudio, que sin embargo podrían conducir a una mayor sostenibilidad de los cultivos verticales interiores.
Los indicadores representan herramientas cuantitativas que sintetizan y simplifican los datos relevantes para la evaluación de fenómenos específicos. Son útiles para la comunicación, la evaluación y facilitan la toma de decisiones estratégicas. Se puede suponer que los indicadores siguen siendo uno de los principales instrumentos para monitorear el desarrollo sostenible, ya que presentan este concepto de manera racional y mensurable. De la misma manera, para este estudio, los indicadores pueden definirse como una medida estadística que informa sobre la viabilidad y la sostenibilidad en los ámbitos social, ambiental y económico58. Por ejemplo, Erol et al.59 llevaron a cabo una evaluación de viabilidad para aplicaciones blockchain en diferentes industrias mediante el desarrollo de una lista de indicadores de viabilidad útiles. Los indicadores de viabilidad de alta calidad deberían permitir a los responsables de la toma de decisiones tomar decisiones informadas al desarrollar estrategias de tecnología de la información empresarial. La calidad de un indicador se puede evaluar a través de seis aspectos: datos subyacentes, idoneidad, mensurabilidad, representación del caso en cuestión, precisión y comunicabilidad a las partes interesadas. Sin embargo, no siempre es posible desarrollar una lista completa de indicadores que puedan cubrir todos estos atributos; por lo tanto, a menudo se crea una lista más práctica59. Al desarrollar una lista de este tipo para la evaluación de la viabilidad de la agricultura vertical, la tarea fundamental es determinar si esta tecnología es técnica, estratégica y financieramente viable. Luego, la evaluación de la sostenibilidad se lleva a cabo únicamente para los países donde la tecnología es viable, adaptando los tres pilares de la sostenibilidad, a saber, ambiental, económico y social, a la tecnología agrícola vertical. Para este estudio se definieron dos preguntas de investigación:
¿Qué tan factible es la agricultura vertical con iluminación artificial en los países africanos?
¿Qué tan sostenible es la agricultura vertical con iluminación artificial para los países que pueden implementar esta tecnología?
Evaluar la viabilidad y sostenibilidad de la agricultura vertical puede requerir multidimensionalidad60. Con la introducción del desarrollo sostenible como concepto en los años 80, se han seleccionado diferentes criterios e indicadores para evaluar la sostenibilidad de la agricultura61. En consecuencia, no existe un consenso duradero sobre qué indicadores son más adecuados o relevantes para evaluar la viabilidad o la sostenibilidad62. Además, no existen marcos para la implementación de la agricultura vertical en un país. Por lo tanto, puede haber limitaciones conceptuales y metodológicas. En este trabajo, la matriz se basó en las macrocategorías creadas para la evaluación de factibilidad, adaptándolas a las principales dimensiones del sector agrícola vertical. Por lo tanto, para este estudio, la evaluación sostenible puede definirse como una medida estadística que informa la sostenibilidad de la implementación de la agricultura vertical en los países africanos donde es más factible. Además, se agregaron cuatro áreas temáticas más (Desarrollo urbano, Energía, Seguridad alimentaria y Ciencia y tecnología) a los tres pilares principales de la sostenibilidad (Económico, Ambiental y Social)63 según su papel crucial para garantizar la sostenibilidad de la agricultura vertical.
Los indicadores incluyen factores tanto estimulantes como desestimulados en los ámbitos económico, social y ambiental. La hipótesis central del estudio es que un cambio en el indicador sintético, promediado a partir de los indicadores propuestos, conduce a un cambio en el nivel de viabilidad y potencial de sostenibilidad de la agricultura vertical64. Esta hipótesis sienta las bases para el estudio de la influencia de los factores contribuyentes, aquí denominados “macrocategorías”, para la construcción del algoritmo, para el análisis futuro en diferentes contextos territoriales (geográfica y dimensionalmente) y la consecuente toma de decisiones.
Para fundamentar la hipótesis propuesta y alcanzar el objetivo planteado, se proponen los siguientes pasos, tanto para la evaluación de viabilidad como de sostenibilidad (Fig. 1):
Identificación de indicadores adecuados basados en requisitos técnicos, estratégicos y financieros para la viabilidad y sostenibilidad de la agricultura vertical en el continente africano.
Recuperar los datos elegidos de la base de datos del Banco Mundial para ser recopilados en matrices de observación.
Determinación de los principales factores, aquí denominados “macrocategorías”, adecuados para albergar todos los indicadores elegidos. Un indicador puede ubicarse en más de una macrocategoría, lo que potencialmente aumenta o disminuye su influencia en la puntuación final, dependiendo de cómo se clasifique adicionalmente el indicador.
Clasificación de todos los indicadores elegidos en relación con la/s macrocategoría/s a las que pertenecen. Se pueden clasificar en estimulantes, desestimulantes o nominantes65.
Procedimiento de normalización mediante el Método de Unitarización Cero (también conocido como Normalización Min-Max) según cómo se clasificó el indicador58,66.
Construcción de un Índice Sintético de Viabilidad y un Índice Sintético de Sostenibilidad para cada uno de los 54 Países Africanos promediando los 14 Índices Sintéticos correspondientes a cada macrocategoría.
Clasificación de viabilidad y sostenibilidad de los 54 países africanos basada en una comparación estadística de los índices sintéticos finales58,67.
Las principales limitaciones de este estudio radican en:
El nivel de definición de datos a escala geográfica, como un análisis por país, que no capta las diferencias entre vastas porciones de territorio dentro de las fronteras nacionales.
La falta de datos para algunos de los países e indicadores analizados.
La elección de los últimos cinco años de datos disponibles para cada país como tiempo de referencia para la evaluación, debido a la mayor disponibilidad de datos y la intención de maximizar la representatividad de la muestra.
La definición de objetivos cuantitativos depende de la naturaleza de cada variable. Se pueden distinguir las siguientes variables: estimulantes, desestimulantes y nominantes. Si bien muchas variables podrían clasificarse suavemente como estimulantes y desestimulantes, ninguna de ellas podría calificarse como nominantes (valores que tienen su óptimo en el intervalo entre el mínimo y el máximo). En consecuencia, no hubo variables nominativas en los indicadores establecidos ya que todas las variables que se han procesado en el presente estudio se clasificaron únicamente como estimulantes o desestimulantes. Es fundamental resaltar que una misma variable podría clasificarse como estimulante o desestimulante dependiendo de su macrocategoría65.
El objetivo principal era construir un índice sintético para evaluar la viabilidad y sostenibilidad de la agricultura vertical en los países africanos. Esta medida abarca los múltiples factores que influyen en la idoneidad de la agricultura vertical en tres áreas principales: económica, social y ambiental. Los indicadores específicos de desarrollo del Banco Mundial y la FAO se reunieron en matrices de influencia y luego se seleccionaron para las macrocategorías elegidas (Tablas complementarias 5 y 6). Las macrocategorías para el análisis de viabilidad se agruparon en 3 macroáreas (Fig. 4) para la interpretación de los resultados y fueron las siguientes: (1) Garantía de la productividad y seguridad alimentaria de la agricultura urbana (Desarrollo urbano, Agricultura y crecimiento, Seguridad alimentaria y Vulnerabilidad al cambio climático), (2) Implicaciones económicas y políticas (economía y crecimiento, sector privado, sector financiero, infraestructura, comercio, eficacia de la ayuda al desarrollo, ciencia y tecnología) y (3) disponibilidad de recursos e implicaciones sociales (energía, agua y medio ambiente). , Social). Se decidió realizar dos análisis separados, uno de viabilidad y otro posterior de sostenibilidad, correspondientes a las dos preguntas de investigación planteadas anteriormente. El análisis de sostenibilidad consideró los 3 pilares principales de la sostenibilidad (Económico, Social y Ambiental)63. Además, a los 3 dominios mencionados anteriormente se agregaron 4 áreas temáticas más (Desarrollo Urbano como Económico, Energía como Ambiental, Seguridad Alimentaria y Ciencia y Tecnología como Social) debido a su importancia en la sostenibilidad de la agricultura vertical. Tanto el análisis de viabilidad como el de sostenibilidad se basaron en el mismo procedimiento, que construyó un índice sintético final para cada país. También cabe señalar que al optar por incluir algunos indicadores en más de una macrocategoría, se decidió otorgar más peso a estos indicadores específicos en relación con el resultado final del análisis.
El índice sintético se construyó utilizando un método de ordenación lineal de promedio y desviación estándar. Su procedimiento constructivo se realiza en base a las siguientes etapas consecutivas:
Seleccionar características diagnósticas (indicadores) y determinar la naturaleza de las variables de cada macrocategoría: estimulante y desestimulante65.
Para la comparabilidad de los indicadores, la normalización de las características diagnósticas se llevó a cabo mediante un procedimiento de unitarización cero (o Normalización Min-Max) basado en la siguiente fórmula58,66:
Para variables estimulantes:
Para variables destimulantes:
donde xi es el valor de la variable en el año i, mientras que xmax y xmin son los valores máximo y mínimo entre los 54 países para el mismo año i. Este enfoque escala los datos en diferentes rangos según los valores mínimo y máximo, con la ventaja de que se pueden establecer límites y todos los indicadores tienen un intervalo idéntico (0, 1). Sin embargo, vale la pena enfatizar que los valores normalizados no preservan la proporcionalidad y reflejan el porcentaje del rango de máximo y mínimo. De hecho, si el máximo y el mínimo son valores atípicos, el rango entre los dos influye mucho en el resultado final. También es importante resaltar que la diferencia de varianza no se elimina por completo68. No obstante, esta técnica es adecuada para la tarea y se aplica ampliamente en la construcción de varios indicadores compuestos, como el índice de desarrollo humano (IDH)69.
El siguiente paso fue calcular un valor de navegación normalizado promedio para cada país. La normalización se realizó para una matriz que cubre los datos de 2006 a 2020. Como se indicó anteriormente en la sección de limitaciones, dada la mayor disponibilidad de datos para los años más recientes y al querer considerar las tendencias más recientes, solo consideramos los últimos cinco años de datos disponibles. Trabajar con un período de tiempo y no sólo con los valores más recientes permitió definir un patrón de desarrollo común. Luego de aplicar la unitarización cero, la variable fue medida en una escala de intervalo con mínimo cero58,70.
Se aplicó el siguiente razonamiento para determinar las coordenadas del patrón de objeto. En el caso de los estimulantes, se consideraron valores máximos los valores más favorables de las características diagnósticas. Por el contrario, en el caso de los destimulantes, los valores mínimos se consideraron los valores más favorables de las características diagnósticas. Los valores de los indicadores más favorables del período de cinco años elegido constituyen el patrón de objeto58,67.
Se calculó un índice sintético xj para cada país (j) dividiendo toda la nav de cada variable seleccionada por el número de variables. Por tanto, obtuvimos un valor para cada país, también llamado índice sintético. Con base en la media aritmética (\(\overline{{\text{x}}}\)) y la desviación estándar (Sx) de la variable sintética se identificaron los siguientes cuatro grupos58,67:
Muy favorable: xj ≥ \(\overline{{\text{x}}}\) + Sx.
Favorable: \(\overline{{\text{x}}}\) < xj < \(\overline{{\text{x}}}\) + Sx.
Desfavorable: \(\overline{{\text{x}}}\) − Sx ≤ xj < \(\overline{{\text{x}}}\).
Muy desfavorable: xj < \(\overline{{\text{x}}}\) − Sx.
Los datos de los indicadores de desarrollo del Banco Mundial están disponibles en https://databank.worldbank.org/. Los datos de los indicadores de desarrollo de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO) están disponibles en https://www.fao.org/faostat/en/#data. Los datos originales se proporcionan con este documento.
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La investigación que dio lugar a esta publicación ha recibido financiación del Ministerio italiano de Educación e Investigación (MUR), dentro de la convocatoria Programmi di Ricerca di Interesse Nazionale (PRIN), en el marco del proyecto “VFarm—Sustainable Vertical Farming” (CUP: J33C20002350001).
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IP y ED escribieron el manuscrito principal y prepararon las figuras. GP y FO concibieron el estudio. Todos los autores revisaron el manuscrito.
Correspondencia a Giuseppina Pennisi.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
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Reimpresiones y permisos
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Recibido: 16 de septiembre de 2022
Aceptado: 30 de enero de 2023
Publicado: 06 de febrero de 2023
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29027-8
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