تكنولوجيا الزراعة تحت الأرض: زراعة مستقبل إنتاج الغذاء

مع استمرار تزايد عدد سكان العالم وتهديد تغير المناخ بشكل متزايد للممارسات الزراعية التقليدية، هناك حاجة إلى حلول مبتكرة لضمان الأمن الغذائي. تمثل تكنولوجيا الزراعة تحت الأرض، التي تشمل الزراعة العمودية والزراعة الجوفية والمزارع العميقة، نهجًا واعدًا لزراعة المحاصيل في بيئات خاضعة للرقابة، مما يزيد من كفاءة الموارد ويقلل من التأثير البيئي. يستكشف هذا الدليل الشامل المبادئ والتقنيات والتطبيقات والإمكانات الكامنة للزراعة تحت الأرض، ويدرس دورها في تشكيل مستقبل أكثر استدامة ومرونة لإنتاج الغذاء في جميع أنحاء العالم.

ما هي الزراعة تحت الأرض؟

تشير الزراعة تحت الأرض إلى مجموعة متنوعة من التقنيات الزراعية التي تتضمن زراعة المحاصيل في بيئات جوفية أو مغلقة. يهدف هذا النهج إلى التغلب على القيود المرتبطة بالزراعة التقليدية، مثل ندرة الأراضي، ونقص المياه، وأنماط الطقس غير المتوقعة، وتفشي الآفات. من خلال التحكم في العوامل البيئية مثل درجة الحرارة والرطوبة والضوء ومستويات المغذيات، يمكن لأنظمة الزراعة تحت الأرض تحسين نمو النباتات وزيادة الغلة وتقليل الاعتماد على المدخلات الخارجية.

الأنواع الرئيسية لتقنيات الزراعة تحت الأرض:

• الزراعة العمودية: زراعة المحاصيل في طبقات مكدسة عموديًا داخل هياكل مغلقة، وغالبًا ما تستخدم أنظمة الزراعة المائية أو الهوائية أو المائية الحيوية. يمكن أن تقع المزارع العمودية في المناطق الحضرية أو المباني المهجورة أو المرافق تحت الأرض.
• الزراعة الجوفية: استخدام المساحات تحت الأرض، مثل المناجم المهجورة أو الكهوف أو الأنفاق، لإنتاج المحاصيل. يستفيد هذا النهج من درجات الحرارة ومستويات الرطوبة المستقرة الموجودة تحت الأرض، مما يخلق ظروفًا مثالية لمحاصيل معينة.
• المزارع العميقة: بناء منشآت مصممة خصيصًا تحت الأرض لإنتاج المحاصيل على نطاق واسع. توفر المزارع العميقة تحكمًا دقيقًا في بيئة الزراعة ويمكن تصميمها لتقليل استهلاك الطاقة واستخدام المياه.

فوائد الزراعة تحت الأرض

توفر الزراعة تحت الأرض مجموعة واسعة من المزايا مقارنة بالممارسات الزراعية التقليدية، حيث تعالج بعضًا من أكثر التحديات إلحاحًا التي تواجه أنظمة الغذاء العالمية.

١. تعزيز كفاءة الموارد

يمكن لأنظمة الزراعة تحت الأرض أن تقلل بشكل كبير من استهلاك المياه من خلال أنظمة الري ذات الحلقة المغلقة والتوصيل الدقيق للمغذيات. تعمل أنظمة الزراعة المائية والهوائية، المستخدمة بشكل شائع في المزارع العمودية، على إعادة تدوير المياه والمغذيات، مما يقلل من النفايات ويحافظ على الموارد الثمينة. يمكن أيضًا تحسين استهلاك الطاقة من خلال استخدام إضاءة LED وأنظمة التحكم في المناخ الفعالة. علاوة على ذلك، نظرًا لأن البيئة خاضعة للرقابة، فإن الاعتماد على المبيدات الحشرية ومبيدات الأعشاب ومبيدات الفطريات ينخفض بشكل كبير، مما يؤدي إلى إنتاج محاصيل أكثر صحة واستدامة.

مثال: في اليابان، تستخدم بعض المزارع تحت الأرض الطاقة الحرارية الأرضية لتنظيم درجة الحرارة، مما يقلل من بصمتها الكربونية واعتمادها على الوقود الأحفوري.

٢. زيادة غلة المحاصيل

من خلال التحكم في العوامل البيئية وتحسين ظروف النمو، يمكن للمزارع تحت الأرض تحقيق غلة محاصيل أعلى بكثير مقارنة بالزراعة التقليدية. يزيد التكديس العمودي من استخدام المساحة، مما يسمح بحصاد متعدد في السنة. تساهم دورات النمو الأقصر والجودة المتسقة وتقليل خسائر المحاصيل في زيادة الإنتاجية الإجمالية.

مثال: أظهرت الدراسات أن المزارع العمودية يمكن أن تنتج محاصيل أكثر بما يصل إلى 10 مرات لكل وحدة مساحة مقارنة بالزراعة التقليدية.

٣. تقليل متطلبات الأراضي

تقلل الزراعة تحت الأرض من الحاجة إلى الأراضي الصالحة للزراعة، مما يجعلها حلاً مثاليًا للمناطق الحضرية والمناطق ذات المساحات الزراعية المحدودة. يمكن وضع المزارع العمودية في المباني المهجورة أو المستودعات أو حتى المخابئ تحت الأرض، مما يحول المساحات غير المستخدمة إلى مواقع زراعية منتجة. هذا يقلل من الضغط على النظم البيئية الطبيعية ويحرر الأراضي لأغراض أخرى، مثل الحفظ أو التنمية الحضرية.

مثال: في سنغافورة، وهي دولة مدينة ذات أراضٍ محدودة، يتم تنفيذ المزارع العمودية لزيادة إنتاج الغذاء المحلي وتقليل الاعتماد على الواردات.

٤. إنتاج المحاصيل على مدار العام

لا تخضع أنظمة الزراعة تحت الأرض للتقلبات الموسمية أو الظواهر الجوية المتطرفة، مما يتيح إنتاج المحاصيل على مدار العام. توفر البيئات الخاضعة للرقابة ظروف نمو مستقرة، مما يضمن إمدادًا ثابتًا بالمنتجات الطازجة بغض النظر عن العوامل الخارجية. هذا مفيد بشكل خاص في المناطق ذات المناخ القاسي أو مواسم النمو المحدودة.

مثال: في كندا، تُستخدم المزارع تحت الأرض لزراعة المنتجات الطازجة خلال أشهر الشتاء الطويلة، مما يوفر مصدرًا محليًا للغذاء للمجتمعات التي تعتمد على الواردات خلال تلك الفترة.

٥. تعزيز الأمن الغذائي

من خلال زيادة إنتاج الغذاء المحلي وتقليل الاعتماد على الواردات، يمكن للزراعة تحت الأرض تعزيز الأمن الغذائي في المناطق الحضرية والمجتمعات النائية. تقلل المنتجات المزروعة محليًا من تكاليف النقل، وتقلل من هدر الطعام، وتوفر الوصول إلى الغذاء الطازج والمغذي للسكان الضعفاء. هذا مهم بشكل خاص في المناطق المعرضة لنقص الغذاء أو الاضطرابات في سلاسل التوريد.

مثال: في البلدان النامية، يتم تنفيذ مشاريع الزراعة تحت الأرض لمعالجة انعدام الأمن الغذائي في الأحياء الفقيرة الحضرية والمناطق الريفية النائية.

٦. تقليل التأثير البيئي

يمكن للزراعة تحت الأرض أن تقلل بشكل كبير من التأثير البيئي للزراعة عن طريق تقليل استخدام المياه والأسمدة، وتقليل استخدام المبيدات، وخفض انبعاثات النقل. تمنع البيئات الخاضعة للرقابة أيضًا تآكل التربة وجريان المغذيات، مما يحمي الموارد المائية والنظم البيئية. من خلال وضع المزارع بالقرب من المستهلكين، تقلل الزراعة تحت الأرض من البصمة الكربونية المرتبطة بنقل الغذاء.

مثال: أظهرت الدراسات أن المزارع العمودية يمكن أن تقلل من انبعاثات الكربون بنسبة تصل إلى 90٪ مقارنة بالزراعة التقليدية.

التقنيات وراء الزراعة تحت الأرض

تتيح العديد من التقنيات الرئيسية نجاح أنظمة الزراعة تحت الأرض:

١. الزراعة المائية

الزراعة المائية هي طريقة زراعة بدون تربة تتضمن تعليق جذور النباتات في محاليل مائية غنية بالمغذيات. يسمح هذا للنباتات بامتصاص المغذيات مباشرة، مما يعزز النمو السريع ويزيد من الغلة. يمكن تكوين أنظمة الزراعة المائية بطرق مختلفة، بما في ذلك الزراعة في المياه العميقة، وتقنية الغشاء المغذي (NFT)، وأنظمة المد والجزر.

٢. الزراعة الهوائية

الزراعة الهوائية هي طريقة أخرى للزراعة بدون تربة تتضمن تعليق جذور النباتات في الهواء ورشها بشكل دوري بمحاليل غنية بالمغذيات. تزيد هذه التقنية من تعرض الجذور للأكسجين، مما يعزز النمو القوي ويقلل من استخدام المياه. أنظمة الزراعة الهوائية مناسبة بشكل خاص لزراعة الخضروات الورقية والأعشاب.

٣. إضاءة LED

توفر الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) إضاءة صناعية في المزارع تحت الأرض، محاكية ضوء الشمس الطبيعي ومحسّنة لنمو النباتات. تتميز مصابيح LED بكفاءة الطاقة والعمر الطويل، ويمكن تخصيصها لإصدار أطوال موجية محددة من الضوء تعزز عملية التمثيل الضوئي. يتيح هذا للمزارعين التحكم في طيف الضوء وشدته، وتكييفه مع الاحتياجات المحددة للمحاصيل المختلفة.

٤. أنظمة التحكم في المناخ

تنظم أنظمة التحكم في المناخ درجة الحرارة والرطوبة ودوران الهواء في المزارع تحت الأرض، مما يخلق ظروف نمو مثالية. يمكن أن تشمل هذه الأنظمة وحدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، بالإضافة إلى أجهزة استشعار ووحدات تحكم تراقب وتضبط المعايير البيئية. يعد التحكم الدقيق في المناخ أمرًا ضروريًا لزيادة نمو النباتات ومنع تفشي الأمراض.

٥. الأتمتة والروبوتات

يتم استخدام الأتمتة والروبوتات بشكل متزايد في المزارع تحت الأرض لأتمتة المهام مثل الزراعة والحصاد والمراقبة. يمكن للأنظمة الروبوتية أداء المهام المتكررة بدقة وكفاءة أكبر من العمالة البشرية، مما يقلل من تكاليف العمالة ويحسن الإنتاجية. تتيح الأتمتة أيضًا المراقبة والتحكم عن بعد في بيئة النمو، مما يمكّن المزارعين من تحسين الظروف من أي مكان في العالم.

٦. أجهزة الاستشعار وتحليلات البيانات

تلعب أجهزة الاستشعار وتحليلات البيانات دورًا حاسمًا في مراقبة وتحسين بيئة النمو في المزارع تحت الأرض. تجمع أجهزة الاستشعار بيانات عن درجة الحرارة والرطوبة ومستويات الضوء وتركيزات المغذيات وغيرها من المعايير، مما يوفر للمزارعين رؤى في الوقت الفعلي حول صحة النبات ونموه. يمكن استخدام أدوات تحليل البيانات لتحديد الاتجاهات والتنبؤ بالمشكلات المحتملة وتحسين ظروف النمو للحصول على أقصى غلة وجودة.

تطبيقات الزراعة تحت الأرض

لتقنيات الزراعة تحت الأرض مجموعة واسعة من التطبيقات، حيث تلبي الاحتياجات والتحديات المتنوعة في جميع أنحاء العالم.

١. الزراعة الحضرية

يمكن أن تقع المزارع تحت الأرض في المناطق الحضرية، مما يوفر للمجتمعات المحلية إمكانية الوصول إلى منتجات طازجة وبأسعار معقولة. يمكن دمج المزارع العمودية في المباني القائمة أو تشييدها في مساحات مهجورة، مما يحول المناظر الطبيعية الحضرية ويخلق فرصًا اقتصادية جديدة. يمكن للزراعة الحضرية أيضًا تعزيز المشاركة المجتمعية، وتثقيف السكان حول الزراعة المستدامة، وتحسين الوصول إلى خيارات الطعام الصحي.

٢. المجتمعات النائية والمعزولة

يمكن للزراعة تحت الأرض أن توفر مصدرًا موثوقًا للمنتجات الطازجة للمجتمعات النائية والمعزولة التي تفتقر إلى الوصول إلى النظم الزراعية التقليدية. يمكن شحن المزارع العمودية إلى المواقع النائية وتشغيلها بشكل مستقل، مما يوفر مصدرًا مستدامًا للغذاء للسكان الذين يعتمدون على سلاسل التوريد باهظة الثمن وغير الموثوقة. هذا مهم بشكل خاص في المناطق ذات المناخ القاسي أو البنية التحتية المحدودة للنقل.

٣. استكشاف الفضاء

يجري استكشاف تقنيات الزراعة تحت الأرض لاستخدامها في استكشاف الفضاء، مما يوفر لرواد الفضاء مصدرًا مستدامًا للغذاء خلال المهام طويلة الأمد. يمكن تصميم المزارع العمودية للعمل في أنظمة حلقة مغلقة، مما يقلل من استخدام المياه والمغذيات ويعيد تدوير النفايات. هذا ضروري لضمان استدامة بعثات الفضاء على المدى الطويل وتقليل الاعتماد على إعادة الإمداد من الأرض.

٤. الإغاثة في حالات الكوارث

يمكن للزراعة تحت الأرض أن توفر مصدرًا سريعًا وموثوقًا للغذاء في أعقاب الكوارث الطبيعية. يمكن نشر المزارع العمودية في المناطق المنكوبة بالكوارث، مما يوفر مصدرًا مستدامًا للغذاء للضحايا وعمال الإغاثة. هذا مهم بشكل خاص في الحالات التي تعطلت فيها النظم الزراعية التقليدية ويكون الوصول إلى الغذاء محدودًا.

٥. إنتاج المستحضرات الصيدلانية والغذائية

يمكن استخدام الزراعة تحت الأرض لإنتاج محاصيل صيدلانية وغذائية عالية القيمة في بيئات خاضعة للرقابة. يمكن تصميم المزارع العمودية لتحسين إنتاج مركبات معينة، مثل الفيتامينات ومضادات الأكسدة والأعشاب الطبية. يتيح ذلك إنتاجًا ثابتًا وموثوقًا لمكونات عالية الجودة للصناعات الدوائية والغذائية.

التحديات والاعتبارات

بينما توفر الزراعة تحت الأرض مزايا عديدة، فإنها تطرح أيضًا تحديات واعتبارات معينة يجب معالجتها من أجل التنفيذ الناجح.

١. الاستثمار الأولي المرتفع

يمكن أن يكون الاستثمار الأولي في أنظمة الزراعة تحت الأرض كبيرًا، خاصة بالنسبة للمزارع العمودية والمزارع العميقة على نطاق واسع. يمكن أن تكون تكلفة بناء المرافق وتركيب المعدات وتنفيذ التقنيات المتقدمة عائقًا أمام دخول بعض المزارعين. ومع ذلك، يمكن أن تساعد الإعانات الحكومية والاستثمار الخاص ونماذج التمويل المبتكرة في التغلب على هذا التحدي.

٢. استهلاك الطاقة

يمكن للمزارع تحت الأرض أن تستهلك كميات كبيرة من الطاقة، خاصة للإضاءة والتحكم في المناخ. ومع ذلك، يمكن أن يساعد استخدام التقنيات الموفرة للطاقة، مثل مصابيح LED والطاقة الحرارية الأرضية، في تقليل استهلاك الطاقة وتقليل التأثير البيئي. علاوة على ذلك، يمكن أن يؤدي تحسين ظروف النمو وتنفيذ استراتيجيات إدارة الطاقة إلى تقليل تكاليف الطاقة بشكل أكبر.

٣. الخبرة الفنية

يتطلب تشغيل أنظمة الزراعة تحت الأرض خبرة فنية متخصصة في مجالات مثل الزراعة المائية والزراعة الهوائية والتحكم في المناخ والأتمتة. يجب أن يكون لدى المزارعين فهم شامل لفسيولوجيا النبات وإدارة المغذيات والتحكم البيئي لضمان نمو النبات الأمثل ومنع تفشي الأمراض. يمكن أن تساعد برامج التدريب والموارد التعليمية واستشارة الخبراء في مواجهة هذا التحدي.

٤. القبول في السوق

يعد قبول المستهلكين للمنتجات المزروعة في المزارع تحت الأرض أمرًا ضروريًا لنجاح هذه الصناعة. قد يتردد بعض المستهلكين في شراء المنتجات المزروعة في بيئات صناعية، مفضلين المحاصيل المزروعة بالطرق التقليدية. ومع ذلك، يمكن أن يساعد وضع العلامات الواضحة والتواصل الشفاف والتثقيف حول فوائد الزراعة تحت الأرض في زيادة قبول المستهلك.

٥. الأطر التنظيمية

لا تزال الأطر التنظيمية للزراعة تحت الأرض في طور التطور في العديد من البلدان. هناك حاجة إلى لوائح واضحة ومتسقة لضمان سلامة الأغذية وحماية البيئة والمنافسة العادلة. يجب على الحكومات والجمعيات الصناعية والمؤسسات البحثية العمل معًا لتطوير أطر تنظيمية مناسبة تدعم التنمية المستدامة لصناعة الزراعة تحت الأرض.

مستقبل الزراعة تحت الأرض

من المتوقع أن تلعب تكنولوجيا الزراعة تحت الأرض دورًا متزايد الأهمية في تشكيل مستقبل إنتاج الغذاء. مع استمرار نمو سكان العالم وتفاقم تغير المناخ، هناك حاجة إلى حلول مبتكرة لضمان الأمن الغذائي وتعزيز الزراعة المستدامة. توفر الزراعة تحت الأرض نهجًا واعدًا لزراعة المحاصيل في بيئات خاضعة للرقابة، وزيادة كفاءة الموارد إلى أقصى حد، وتقليل التأثير البيئي.

الاتجاهات والابتكارات الناشئة:

• الذكاء الاصطناعي (AI): يتم استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين ظروف النمو، والتنبؤ بغلة المحاصيل، وأتمتة المهام في المزارع تحت الأرض.
• إنترنت الأشياء (IoT): توفر مستشعرات وأجهزة إنترنت الأشياء بيانات في الوقت الفعلي عن صحة النبات والمعايير البيئية، مما يمكّن المزارعين من اتخاذ قرارات مستنيرة وتحسين ظروف النمو.
• تقنية البلوك تشين: تُستخدم تقنية البلوك تشين لتتبع أصل وجودة المنتجات المزروعة في المزارع تحت الأرض، مما يعزز الشفافية ويبني ثقة المستهلك.
• الزراعة العمودية كخدمة (VFaaS): تجعل نماذج VFaaS تكنولوجيا الزراعة العمودية أكثر سهولة للمزارعين الصغار والمتوسطين.
• التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة: يتم دمج المزارع تحت الأرض بشكل متزايد مع مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، لتقليل بصمتها الكربونية وتعزيز الاستدامة.

الخاتمة

تمثل تكنولوجيا الزراعة تحت الأرض نهجًا تحويليًا لإنتاج الغذاء، حيث توفر مسارًا نحو مستقبل أكثر استدامة ومرونة وأمانًا غذائيًا. من خلال الاستفادة من التقنيات المبتكرة والبيئات الخاضعة للرقابة، يمكن للمزارع تحت الأرض التغلب على قيود الزراعة التقليدية، وزيادة كفاءة الموارد إلى أقصى حد، وتوفير إمدادات ثابتة من المنتجات الطازجة والمغذية للمجتمعات في جميع أنحاء العالم. مع استمرار تطور الصناعة وابتكارها، من المتوقع أن تلعب الزراعة تحت الأرض دورًا حاسمًا في تشكيل مستقبل أنظمة الغذاء ومعالجة التحديات العالمية للأمن الغذائي وتغير المناخ.

قراءات إضافية:

• رابطة الزراعة العمودية: https://vertical-farming.net/
• كروب وان هولدينجز: https://cropone.com/
• مقالات بحثية متنوعة حول الزراعة في بيئة خاضعة للرقابة والزراعة المائية.