نظم الزراعة تحت الأرض: دليل شامل للزراعة الجوفية

مع استمرار تزايد عدد سكان العالم وتضاؤل الأراضي الصالحة للزراعة بسبب التوسع الحضري وتغير المناخ والممارسات الزراعية غير المستدامة، هناك حاجة إلى حلول مبتكرة لضمان الأمن الغذائي. تقدم نظم الزراعة تحت الأرض، المعروفة أيضًا بالزراعة الجوفية أو الزراعة العميقة، نهجًا واعدًا لزيادة استخدام الموارد إلى أقصى حد، وتقليل التأثير البيئي، وإنتاج محاصيل عالية الجودة في بيئة محكومة. يستكشف هذا الدليل الشامل الجوانب المختلفة لنظم الزراعة تحت الأرض، بدءًا من مبادئها الأساسية وتقنياتها وصولًا إلى فوائدها وتحدياتها وإمكاناتها للمستقبل.

ما هي نظم الزراعة تحت الأرض؟

تتضمن نظم الزراعة تحت الأرض زراعة المحاصيل في بيئات جوفية مغلقة أو شبه مغلقة. تستفيد هذه النظم من استقرار درجة الحرارة والرطوبة وظروف الإضاءة الموجودة تحت سطح الأرض لتحسين نمو النبات وتقليل التأثيرات البيئية الخارجية. على عكس الزراعة التقليدية التي تعتمد على ضوء الشمس والظروف الجوية المفتوحة، تستخدم الزراعة تحت الأرض الإضاءة الاصطناعية وأنظمة التحكم في المناخ وطرق توصيل المغذيات لتهيئة بيئة مثالية لنمو النباتات.

مفهوم الزراعة تحت الأرض ليس جديدًا تمامًا. تاريخيًا، استُخدمت الأقبية ومرافق التخزين تحت الأرض لحفظ الطعام لفترات طويلة. ومع ذلك، تمثل نظم الزراة تحت الأرض الحديثة تقدمًا كبيرًا، حيث تدمج التقنيات المتطورة والفهم العلمي لتحقيق إنتاج المحاصيل على مدار العام بكفاءة واستدامة معززتين.

أنواع نظم الزراعة تحت الأرض

توجد عدة أنواع من نظم الزراعة تحت الأرض، لكل منها مزاياه وتطبيقاته الخاصة. يمكن تصنيف هذه النظم بشكل عام بناءً على تصميمها وتقنيتها وأساليب الزراعة المتبعة:

1. البيوت المحمية تحت الأرض

البيوت المحمية تحت الأرض، المعروفة أيضًا بالبيوت المحمية المدفونة في الأرض أو البيوت المحمية في حفر، هي هياكل مدفونة جزئيًا أو كليًا تستخدم الكتلة الحرارية للأرض لتنظيم درجة الحرارة. تقدم هذه البيوت المحمية عدة فوائد، منها:

• كفاءة الطاقة: تعمل التربة المحيطة كعازل طبيعي، مما يقلل من متطلبات التدفئة والتبريد.
• تقليل التأثير البيئي: انخفاض استهلاك الطاقة يترجم إلى بصمة كربونية أصغر.
• الحماية من الطقس القاسي: البيوت المحمية تحت الأرض أقل عرضة للرياح القوية والثلوج الكثيفة وغيرها من الظواهر الجوية الشديدة.

يمكن بناء البيوت المحمية تحت الأرض باستخدام مواد مختلفة، بما في ذلك الخرسانة والخشب والأغطية البلاستيكية. وعادةً ما تشتمل على مواد تسقيف شفافة أو شبه شفافة للسماح بدخول الضوء الطبيعي، مع استكمالها بالإضاءة الاصطناعية عند الضرورة.

مثال: في المناطق الباردة من كندا والدول الاسكندنافية، تُستخدم البيوت المحمية تحت الأرض لإطالة موسم النمو وزراعة المحاصيل التي يستحيل زراعتها في الهواء الطلق.

2. المزارع الرأسية تحت الأرض

المزارع الرأسية تحت الأرض هي نظم زراعة متعددة الطبقات تستخدم الإضاءة الاصطناعية، والزراعة المائية، أو الزراعة الهوائية، أو الأكوابونيكس لزراعة المحاصيل في بيئة محكومة. تقدم هذه المزارع العديد من المزايا مقارنة بالزراعة التقليدية والبيوت المحمية تحت الأرض:

• محاصيل وفيرة: يزيد التكديس الرأسي من استخدام المساحة إلى أقصى حد، مما يسمح بإنتاجية أعلى بكثير لكل متر مربع مقارنة بالزراعة التقليدية.
• إنتاج على مدار العام: تتيح الظروف البيئية المحكومة إنتاج المحاصيل بشكل مستمر، بغض النظر عن الظروف الجوية الخارجية.
• تقليل استهلاك المياه: تعيد أنظمة الزراعة المائية والهوائية تدوير المياه، مما يقلل من هدر المياه.
• الحد الأدنى من استخدام المبيدات: تقلل البيئات المحكومة من خطر الآفات والأمراض، مما يقلل من الحاجة إلى المبيدات الحشرية.

تقع المزارع الرأسية تحت الأرض عادة في المناجم المهجورة أو الأنفاق أو المرافق المبنية خصيصًا تحت الأرض. وتتطلب أنظمة متطورة للتحكم في المناخ والإضاءة وتوصيل المغذيات للحفاظ على ظروف النمو المثلى.

مثال: تستخدم شركة "Growing Underground" في لندن، المملكة المتحدة، ملاجئ الغارات الجوية المهجورة من الحرب العالمية الثانية لزراعة الخضروات الورقية والأعشاب، وتزويد المطاعم والأسواق المحلية بها.

3. المزارع الحاوية تحت الأرض

تتضمن المزارع الحاوية تحت الأرض استخدام حاويات شحن مُعاد استخدامها أو هياكل معيارية أخرى لإنشاء بيئات زراعة مستقلة. تقدم هذه النظم العديد من المزايا، منها:

• التنقل: يمكن نقل المزارع الحاوية ونشرها بسهولة في مواقع مختلفة.
• قابلية التوسع: يمكن زيادة أو تقليل عدد الحاويات بسهولة لتتناسب مع احتياجات الإنتاج.
• بيئة محكومة: يمكن تجهيز الحاويات بأنظمة التحكم في المناخ والإضاءة وتوصيل المغذيات لتهيئة ظروف نمو مثلى.

يمكن وضع المزارع الحاوية تحت الأرض في الأقبية أو الأنفاق أو أي مساحات أخرى تحت الأرض. وهي مناسبة بشكل خاص للبيئات الحضرية حيث تكون المساحة محدودة.

مثال: تقوم العديد من الشركات في الولايات المتحدة بتطوير مزارع حاوية تحت الأرض للإنتاج الغذائي الحضري، باستخدام مصادر الطاقة المتجددة لتشغيل الأنظمة.

التقنيات المستخدمة في نظم الزراعة تحت الأرض

تعتمد نظم الزراعة تحت الأرض على مجموعة من التقنيات لإنشاء والحفاظ على ظروف النمو المثلى. تشمل هذه التقنيات:

1. الإضاءة الاصطناعية

نظرًا لأن البيئات تحت الأرض تفتقر إلى ضوء الشمس الطبيعي، فإن الإضاءة الاصطناعية ضرورية لعملية التمثيل الضوئي. تعد إضاءة LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء) الخيار الأكثر شيوعًا نظرًا لكفاءتها في استهلاك الطاقة وعمرها الطويل وقدرتها على إصدار أطوال موجية محددة من الضوء تعزز نمو النبات. يمكن استخدام أطوال موجية مختلفة من الضوء لتحفيز مراحل مختلفة من نمو النبات، مثل النمو الخضري أو الإزهار.

مثال: يجري الباحثون تجارب على أطياف إضاءة LED مختلفة لتحسين المحتوى الغذائي للخضروات الورقية المزروعة في المزارع تحت الأرض.

2. أنظمة التحكم في المناخ

يعد الحفاظ على استقرار مستويات درجة الحرارة والرطوبة أمرًا بالغ الأهمية لنمو النبات. تُستخدم أنظمة التحكم في المناخ، بما في ذلك وحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، لتنظيم هذه المعايير. يمكن أيضًا استخدام مزيلات الرطوبة لمنع الأمراض الفطرية.

مثال: يمكن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية لتشغيل أنظمة التحكم في المناخ في المزارع تحت الأرض، مما يقلل من تأثيرها البيئي.

3. الزراعة المائية والهوائية والأكوابونيكس

تُستخدم طرق الزراعة بدون تربة هذه بشكل شائع في نظم الزراعة تحت الأرض لتوصيل المغذيات مباشرة إلى جذور النباتات. تتضمن الزراعة المائية زراعة النباتات في محاليل مائية غنية بالمغذيات، بينما تتضمن الزراعة الهوائية رش محاليل المغذيات على جذور النباتات المعلقة في الهواء. تدمج الأكوابونيكس تربية الأحياء المائية (تربية الأسماك) مع الزراعة المائية، باستخدام فضلات الأسماك كمصدر للمغذيات للنباتات.

مثال: تُستخدم أنظمة الزراعة المائية على نطاق واسع في المزارع الرأسية تحت الأرض لزراعة الخضروات الورقية والأعشاب والخضروات بأقل استهلاك للمياه.

4. أنظمة توصيل المغذيات

تضمن أنظمة توصيل المغذيات الآلية أن النباتات تتلقى الكمية الدقيقة من المغذيات التي تحتاجها في كل مرحلة من مراحل النمو. يمكن برمجة هذه الأنظمة لضبط مستويات المغذيات بناءً على نمو النبات والظروف البيئية.

مثال: يمكن استخدام أجهزة الاستشعار لمراقبة مستويات المغذيات في المحاليل المائية وضبط إمدادات المغذيات تلقائيًا للحفاظ على التركيزات المثلى.

5. أجهزة الاستشعار والأتمتة

تُستخدم أجهزة الاستشعار لمراقبة مختلف المعايير البيئية، مثل درجة الحرارة والرطوبة وشدة الضوء ومستويات المغذيات. ثم تُستخدم هذه البيانات لأتمتة العمليات المختلفة، مثل ضبط الإضاءة والتهوية وتوصيل المغذيات.

مثال: يمكن برمجة أنظمة الري الآلية لري النباتات بناءً على مستويات رطوبة التربة، مما يمنع الإفراط في الري أو نقصه.

فوائد نظم الزراعة تحت الأرض

تقدم نظم الزراعة تحت الأرض مجموعة واسعة من الفوائد مقارنة بالزراعة التقليدية وغيرها من أشكال الزراعة في بيئة محكومة:

1. زيادة غلة المحاصيل

تؤدي الظروف البيئية المحكومة وتوصيل المغذيات المُحسّن إلى غلة محاصيل أعلى بكثير لكل متر مربع مقارنة بالزراعة التقليدية. كما تعزز تقنيات الزراعة الرأسية من استخدام المساحة.

2. تقليل استهلاك المياه

تعيد أنظمة الزراعة المائية والهوائية والأكوابونيكس تدوير المياه، مما يقلل من هدرها. كما تقلل البيئات تحت الأرض من التبخر، مما يحافظ على المزيد من المياه.

3. الحد الأدنى من استخدام المبيدات

تقلل البيئات المحكومة من خطر الآفات والأمراض، مما يقلل من الحاجة إلى المبيدات. وهذا ينتج عنه محاصيل صحية وأكثر استدامة.

4. إنتاج على مدار العام

لا تتأثر نظم الزراعة تحت الأرض بالظروف الجوية الخارجية، مما يسمح بإنتاج المحاصيل بشكل مستمر على مدار العام. وهذا يضمن إمدادات غذائية مستقرة وموثوقة.

5. تقليل تكاليف النقل

يمكن أن تقع المزارع تحت الأرض في المناطق الحضرية، بالقرب من المستهلكين، مما يقلل من تكاليف النقل وانبعاثات الكربون المرتبطة بنقل الغذاء من المزارع الريفية.

6. كفاءة الموارد

يمكن لنظم الزراعة تحت الأرض الاستفادة من المناجم المهجورة والأنفاق والمساحات الأخرى تحت الأرض، وإعادة توظيف البنية التحتية القائمة وتقليل الحاجة إلى إنشاءات جديدة. كما يمكن تشغيلها بمصادر الطاقة المتجددة، مما يقلل من تأثيرها البيئي.

7. المرونة في مواجهة تغير المناخ

تعتبر نظم الزراعة تحت الأرض أقل عرضة لتأثيرات تغير المناخ، مثل الظواهر الجوية القاسية والجفاف وتقلبات درجات الحرارة. وهذا يجعلها أداة قيمة لضمان الأمن الغذائي في مناخ متغير.

8. الأمن البيولوجي

تسمح البيئة المحكومة للمزارع تحت الأرض بتعزيز تدابير الأمن البيولوجي، وحماية المحاصيل من التلوث الخارجي وضمان سلامة الأغذية.

تحديات نظم الزراعة تحت الأرض

على الرغم من فوائدها العديدة، تواجه نظم الزراعة تحت الأرض أيضًا العديد من التحديات:

1. تكاليف الاستثمار الأولية المرتفعة

يتطلب إنشاء نظام زراعة تحت الأرض استثمارًا رأسماليًا كبيرًا في البنية التحتية والمعدات والتكنولوجيا. يمكن أن يكون هذا عائقًا أمام دخول المزارعين وأصحاب المشاريع الصغيرة.

2. استهلاك الطاقة

يمكن أن تستهلك أنظمة الإضاءة الاصطناعية والتحكم في المناخ كميات كبيرة من الطاقة. يعتمد التأثير البيئي للمزارع تحت الأرض على مصدر الطاقة المستخدم لتشغيل هذه الأنظمة.

3. الخبرة الفنية

يتطلب تشغيل نظام زراعة تحت الأرض معرفة ومهارات متخصصة في مجالات مثل الزراعة المائية والتحكم في المناخ والأتمتة. قد يكون من الصعب العثور على العمالة الماهرة والاحتفاظ بها.

4. تنوع محدود للمحاصيل

ليست كل المحاصيل مناسبة تمامًا لنظم الزراعة تحت الأرض. هناك حاجة إلى البحث لتحديد وتحسين طرق الزراعة لمجموعة أوسع من المحاصيل.

5. تصور الجمهور

قد يتردد بعض المستهلكين في قبول الأغذية المزروعة في بيئات تحت الأرض، معتبرين إياها غير طبيعية أو اصطناعية. هناك حاجة إلى التعليم والتوعية لمعالجة هذه المخاوف.

6. العقبات التنظيمية

لا يزال تنظيم نظم الزراعة تحت الأرض في طور التطور. هناك حاجة إلى لوائح واضحة ومتسقة لضمان سلامة الأغذية والاستدامة البيئية.

تطبيقات نظم الزراعة تحت الأرض

لنظم الزراعة تحت الأرض مجموعة واسعة من التطبيقات المحتملة:

1. إنتاج الغذاء في المناطق الحضرية

يمكن أن تقع المزارع تحت الأرض في المناطق الحضرية، وتوفر منتجات طازجة مزروعة محليًا للسكان في المدن. هذا يقلل من تكاليف النقل ويحسن الأمن الغذائي.

2. الأمن الغذائي في البيئات القاسية

يمكن استخدام نظم الزراعة تحت الأرض لإنتاج الغذاء في المناطق ذات الأراضي الصالحة للزراعة المحدودة، أو المناخات القاسية، أو محدودية الوصول إلى المياه. يمكن أن يحسن هذا الأمن الغذائي في هذه المناطق.

3. استكشاف الفضاء

يمكن استخدام نظم الزراعة تحت الأرض لإنتاج الغذاء في الفضاء، مما يوفر لرواد الفضاء مصدرًا مستدامًا للتغذية خلال المهام طويلة الأمد. تبحث ناسا حاليًا في استخدام نظم الزراعة تحت الأرض لهذا الغرض.

4. الإنتاج الصيدلاني

يمكن استخدام نظم الزراعة تحت الأرض لإنتاج النباتات الطبية والمستحضرات الصيدلانية في بيئة محكومة، مما يضمن جودة ونقاء ثابتين.

5. البحث والتطوير

توفر نظم الزراعة تحت الأرض بيئة محكومة لإجراء الأبحاث حول فسيولوجيا النبات، ومتطلبات المغذيات، وإدارة الآفات. يمكن أن يؤدي هذا إلى ابتكارات جديدة في الزراعة.

مستقبل نظم الزراعة تحت الأرض

يبدو مستقبل نظم الزراعة تحت الأرض واعدًا. مع تقدم التكنولوجيا وانخفاض التكاليف، أصبحت هذه النظم متاحة بشكل متزايد ومجدية اقتصاديًا. هناك عدة اتجاهات تشكل مستقبل الزراعة تحت الأرض:

1. الأتمتة والروبوتات

سيؤدي استخدام الأتمتة والروبوتات إلى خفض تكاليف العمالة وتحسين الكفاءة في المزارع تحت الأرض. يمكن استخدام الروبوتات في مهام مثل الزراعة والحصاد ومكافحة الآفات.

2. الذكاء الاصطناعي (AI)

يمكن استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين ظروف النمو، والتنبؤ بغلة المحاصيل، واكتشاف الآفات والأمراض في وقت مبكر. سيؤدي هذا إلى إنتاج محاصيل أكثر كفاءة واستدامة.

3. إنترنت الأشياء (IoT)

يمكن استخدام مستشعرات إنترنت الأشياء لمراقبة مختلف المعايير البيئية في الوقت الفعلي، مما يوفر بيانات قيمة لتحسين ظروف النمو. يمكن الوصول إلى هذه البيانات عن بعد، مما يسمح بالمراقبة والتحكم عن بعد في المزارع تحت الأرض.

4. تكامل الطاقة المتجددة

سيؤدي دمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية، إلى تقليل التأثير البيئي لنظم الزراعة تحت الأرض.

5. تنويع المحاصيل

هناك حاجة إلى البحث لتحديد وتحسين طرق الزراعة لمجموعة أوسع من المحاصيل، مما يجعل نظم الزراعة تحت الأرض أكثر تنوعًا وقابلية للتكيف.

6. المشاركة المجتمعية

يمكن أن يؤدي إشراك المجتمعات المحلية في مشاريع الزراعة تحت الأرض إلى تعزيز الأمن الغذائي، وخلق فرص عمل، وتثقيف الجمهور حول الزراعة المستدامة.

الخلاصة

تقدم نظم الزراعة تحت الأرض حلاً واعدًا لتحديات الأمن الغذائي وندرة الموارد وتغير المناخ. من خلال الاستفادة من الظروف المستقرة والبيئات المحكومة الموجودة تحت سطح الأرض، يمكن لهذه النظم إنتاج محاصيل عالية الجودة على مدار العام بأقل تأثير بيئي. في حين لا تزال هناك تحديات، فإن التطورات التكنولوجية المستمرة وزيادة الوعي بفوائد الزراعة المستدامة تدفع نمو واعتماد نظم الزراعة تحت الأرض في جميع أنحاء العالم. مع استمرار نمو سكان العالم وزيادة الطلب على الغذاء، من المتوقع أن تلعب نظم الزراعة تحت الأرض دورًا متزايد الأهمية في ضمان مستقبل غذائي مستدام وآمن للجميع.