Подземни системи за отглеждане: Цялостно ръководство за подземно земеделие

С нарастването на световното население и намаляването на обработваемата земя поради урбанизацията, изменението на климата и неустойчивите земеделски практики, са необходими иновативни решения за осигуряване на продоволствена сигурност. Подземните системи за отглеждане, известни още като подземно земеделие или дълбоко фермерство, предлагат обещаващ подход за максимално използване на ресурсите, намаляване на въздействието върху околната среда и производство на висококачествени култури в контролирана среда. Това цялостно ръководство изследва различните аспекти на подземните системи за отглеждане, от техните основни принципи и технологии до техните ползи, предизвикателства и бъдещ потенциал.

Какво представляват подземните системи за отглеждане?

Подземните системи за отглеждане включват култивиране на култури в затворена или полузатворена подземна среда. Тези системи използват стабилните условия на температура, влажност и осветление, които се намират под земната повърхност, за да оптимизират растежа на растенията и да минимизират външните влияния на околната среда. За разлика от традиционното земеделие, което разчита на слънчева светлина и условия на открито, подземното отглеждане използва изкуствено осветление, системи за климатичен контрол и методи за доставка на хранителни вещества, за да създаде идеална среда за развитието на растенията.

Концепцията за подземно земеделие не е съвсем нова. В исторически план избите и подземните складови съоръжения са били използвани за съхраняване на храна за по-дълги периоди. Съвременните подземни системи за отглеждане обаче представляват значителен напредък, интегрирайки авангардни технологии и научни познания за постигане на целогодишно производство на култури с повишена ефективност и устойчивост.

Видове подземни системи за отглеждане

Съществуват няколко вида подземни системи за отглеждане, всяка със своите предимства и приложения. Тези системи могат да бъдат най-общо категоризирани въз основа на техния дизайн, технология и методи на отглеждане:

1. Подземни оранжерии

Подземните оранжерии, известни още като оранжерии в земни укрития или оранжерии в ями, са частично или напълно вкопани структури, които използват топлинната маса на Земята за регулиране на температурата. Тези оранжерии предлагат няколко предимства, включително:

• Енергийна ефективност: Заобикалящата почва действа като естествен изолатор, намалявайки изискванията за отопление и охлаждане.
• Намалено въздействие върху околната среда: По-ниската консумация на енергия води до по-малък въглероден отпечатък.
• Защита от екстремни метеорологични условия: Подземните оранжерии са по-малко уязвими на силни ветрове, обилен сняг и други тежки метеорологични събития.

Подземните оранжерии могат да бъдат изградени с помощта на различни материали, включително бетон, дърво и пластмасово фолио. Те обикновено включват прозрачни или полупрозрачни покривни материали, които позволяват навлизането на естествена светлина, допълнена от изкуствено осветление, когато е необходимо.

Пример: В по-студените райони на Канада и Скандинавия подземните оранжерии се използват за удължаване на вегетационния период и отглеждане на култури, които иначе биха били невъзможни за отглеждане на открито.

2. Подземни вертикални ферми

Подземните вертикални ферми са многослойни системи за отглеждане, които използват изкуствено осветление, хидропоника, аеропоника или аквапоника за култивиране на култури в контролирана среда. Тези ферми предлагат няколко предимства пред традиционното земеделие и подземните оранжерии:

• Високи добиви: Вертикалното подреждане увеличава максимално използването на пространството, което позволява значително по-високи добиви на квадратен метър в сравнение с традиционното земеделие.
• Целогодишно производство: Контролираните условия на околната среда позволяват непрекъснато производство на култури, независимо от външните метеорологични условия.
• Намалена консумация на вода: Хидропонните и аеропонните системи рециклират водата, минимизирайки загубите на вода.
• Минимална употреба на пестициди: Контролираната среда намалява риска от вредители и болести, минимизирайки нуждата от пестициди.

Подземните вертикални ферми обикновено се намират в изоставени мини, тунели или специално изградени подземни съоръжения. Те изискват сложни системи за климатичен контрол, осветителни системи и системи за доставка на хранителни вещества, за да се поддържат оптимални условия за отглеждане.

Пример: Growing Underground в Лондон, Великобритания, използва изоставени бомбоубежища от Втората световна война за отглеждане на листни зеленчуци и билки, с които снабдява местни ресторанти и пазари.

3. Контейнерни подземни ферми

Контейнерните подземни ферми включват използването на преустроени транспортни контейнери или други модулни структури за създаване на самостоятелни среди за отглеждане. Тези системи предлагат няколко предимства, включително:

• Мобилност: Контейнерните ферми могат лесно да се транспортират и разполагат на различни места.
• Мащабируемост: Броят на контейнерите може лесно да се увеличава или намалява, за да отговаря на производствените нужди.
• Контролирана среда: Контейнерите могат да бъдат оборудвани със системи за климатичен контрол, осветителни системи и системи за доставка на хранителни вещества, за да се създадат оптимални условия за отглеждане.

Контейнерните подземни ферми могат да бъдат разположени в мазета, тунели или други подземни пространства. Те са особено подходящи за градска среда, където пространството е ограничено.

Пример: Няколко компании в САЩ разработват контейнерни подземни ферми за градско производство на храни, като използват възобновяеми енергийни източници за захранване на системите.

Технологии, използвани в подземните системи за отглеждане

Подземните системи за отглеждане разчитат на редица технологии за създаване и поддържане на оптимални условия за растеж. Тези технологии включват:

1. Изкуствено осветление

Тъй като в подземната среда липсва естествена слънчева светлина, изкуственото осветление е от съществено значение за фотосинтезата. LED (светодиодното) осветление е най-често срещаният избор поради своята енергийна ефективност, дълъг живот и способността да излъчва специфични дължини на вълната на светлината, които насърчават растежа на растенията. Различни дължини на вълната на светлината могат да се използват за стимулиране на различни етапи от развитието на растенията, като вегетативен растеж или цъфтеж.

Пример: Изследователите експериментират с различни спектри на LED осветление, за да оптимизират хранителното съдържание на листните зеленчуци, отглеждани в подземни ферми.

2. Системи за климатичен контрол

Поддържането на стабилни нива на температура и влажност е от решаващо значение за растежа на растенията. Системите за климатичен контрол, включително отоплителни, вентилационни и климатични (HVAC) инсталации, се използват за регулиране на тези параметри. Могат да се използват и изсушители за предотвратяване на гъбични заболявания.

Пример: Геотермалната енергия може да се използва за захранване на системите за климатичен контрол в подземни ферми, което допълнително намалява тяхното въздействие върху околната среда.

3. Хидропоника, аеропоника и аквапоника

Тези методи за отглеждане без почва обикновено се използват в подземните системи за отглеждане, за да доставят хранителни вещества директно до корените на растенията. Хидропониката включва отглеждане на растения в богати на хранителни вещества водни разтвори, докато аеропониката включва пръскане на хранителни разтвори върху корените на растенията, окачени във въздуха. Аквапониката интегрира аквакултурата (отглеждане на риба) с хидропоника, като използва рибните отпадъци като източник на хранителни вещества за растенията.

Пример: Хидропонните системи се използват широко в подземни вертикални ферми за отглеждане на листни зеленчуци, билки и зеленчуци с минимална консумация на вода.

4. Системи за доставка на хранителни вещества

Автоматизираните системи за доставка на хранителни вещества гарантират, че растенията получават точното количество хранителни вещества, от което се нуждаят на всеки етап от развитието си. Тези системи могат да бъдат програмирани да регулират нивата на хранителни вещества в зависимост от растежа на растенията и условията на околната среда.

Пример: Сензори могат да се използват за наблюдение на нивата на хранителни вещества в хидропонните разтвори и автоматично да регулират доставката на хранителни вещества, за да се поддържат оптимални концентрации.

5. Сензори и автоматизация

Сензорите се използват за наблюдение на различни параметри на околната среда, като температура, влажност, интензитет на светлината и нива на хранителни вещества. След това тези данни се използват за автоматизиране на различни процеси, като например регулиране на осветлението, вентилацията и доставката на хранителни вещества.

Пример: Автоматизираните напоителни системи могат да бъдат програмирани да поливат растенията въз основа на нивата на влажност на почвата, предотвратявайки преполиване или недостатъчно поливане.

Ползи от подземните системи за отглеждане

Подземните системи за отглеждане предлагат широк спектър от предимства в сравнение с традиционното земеделие и други форми на земеделие в контролирана среда:

1. Повишени добиви

Контролираните условия на околната среда и оптимизираната доставка на хранителни вещества водят до значително по-високи добиви на квадратен метър в сравнение с традиционното земеделие. Техниките за вертикално земеделие допълнително подобряват използването на пространството.

2. Намалена консумация на вода

Хидропонните, аеропонните и аквапонните системи рециклират водата, минимизирайки загубите на вода. Подземната среда също така намалява изпарението, като допълнително пести вода.

3. Минимална употреба на пестициди

Контролираната среда намалява риска от вредители и болести, минимизирайки нуждата от пестициди. Това води до по-здравословни и по-устойчиви култури.

4. Целогодишно производство

Подземните системи за отглеждане не се влияят от външните метеорологични условия, което позволява непрекъснато производство на култури през цялата година. Това гарантира стабилно и надеждно снабдяване с храна.

5. Намалени транспортни разходи

Подземните ферми могат да бъдат разположени в градски райони, в близост до потребителите, което намалява транспортните разходи и въглеродните емисии, свързани с транспортирането на храна от селските ферми.

6. Ресурсна ефективност

Подземните системи за отглеждане могат да използват изоставени мини, тунели и други подземни пространства, преназначавайки съществуващата инфраструктура и намалявайки необходимостта от ново строителство. Те могат също да се захранват от възобновяеми енергийни източници, което допълнително намалява тяхното въздействие върху околната среда.

7. Устойчивост на изменението на климата

Подземните системи за отглеждане са по-малко уязвими на въздействията на изменението на климата, като екстремни метеорологични явления, суши и температурни колебания. Това ги прави ценен инструмент за осигуряване на продоволствена сигурност в условията на променящ се климат.

8. Биосигурност

Контролираната среда на подземните ферми позволява засилени мерки за биосигурност, защитавайки културите от външно замърсяване и гарантирайки безопасността на храните.

Предизвикателства пред подземните системи за отглеждане

Въпреки многобройните си предимства, подземните системи за отглеждане също се сблъскват с няколко предизвикателства:

1. Високи първоначални инвестиционни разходи

Създаването на подземна система за отглеждане изисква значителни капиталови инвестиции в инфраструктура, оборудване и технологии. Това може да бъде бариера за навлизане на дребни фермери и предприемачи.

2. Консумация на енергия

Изкуственото осветление и системите за климатичен контрол могат да консумират значителни количества енергия. Въздействието на подземните ферми върху околната среда зависи от източника на енергия, използван за захранване на тези системи.

3. Техническа експертиза

Експлоатацията на подземна система за отглеждане изисква специализирани знания и умения в области като хидропоника, климатичен контрол и автоматизация. Квалифицираната работна ръка може да бъде трудна за намиране и задържане.

4. Ограничено разнообразие на културите

Не всички култури са подходящи за подземни системи за отглеждане. Необходими са изследвания за идентифициране и оптимизиране на методите за отглеждане на по-широк кръг култури.

5. Обществено възприятие

Някои потребители може да се колебаят да приемат храна, отгледана в подземна среда, възприемайки я като неестествена или изкуствена. Необходими са образование и разяснителна работа за справяне с тези опасения.

6. Регулаторни пречки

Регулирането на подземните системи за отглеждане все още се развива. Необходими са ясни и последователни разпоредби, за да се гарантира безопасността на храните и екологичната устойчивост.

Приложения на подземните системи за отглеждане

Подземните системи за отглеждане имат широк спектър от потенциални приложения:

1. Градско производство на храни

Подземните ферми могат да бъдат разположени в градски райони, осигурявайки прясна, местно отгледана продукция на градското население. Това намалява транспортните разходи и подобрява продоволствената сигурност.

2. Продоволствена сигурност в сурови условия

Подземните системи за отглеждане могат да се използват за производство на храна в райони с ограничена обработваема земя, екстремни климатични условия или ограничен достъп до вода. Това може да подобри продоволствената сигурност в тези региони.

3. Изследване на космоса

Подземните системи за отглеждане биха могли да се използват за производство на храна в космоса, осигурявайки на астронавтите устойчив източник на хранене по време на дългосрочни мисии. В момента НАСА изследва използването на подземни системи за отглеждане за тази цел.

4. Фармацевтично производство

Подземните системи за отглеждане могат да се използват за производство на лечебни растения и фармацевтични продукти в контролирана среда, като се гарантира постоянно качество и чистота.

5. Научноизследователска и развойна дейност

Подземните системи за отглеждане осигуряват контролирана среда за провеждане на изследвания върху физиологията на растенията, хранителните изисквания и борбата с вредителите. Това може да доведе до нови иновации в земеделието.

Бъдещето на подземните системи за отглеждане

Бъдещето на подземните системи за отглеждане изглежда обещаващо. С напредването на технологиите и намаляването на разходите тези системи стават все по-достъпни и икономически жизнеспособни. Няколко тенденции оформят бъдещето на подземното земеделие:

1. Автоматизация и роботика

Използването на автоматизация и роботика ще намали допълнително разходите за труд и ще подобри ефективността в подземните ферми. Роботи могат да се използват за задачи като засаждане, прибиране на реколтата и борба с вредителите.

2. Изкуствен интелект (ИИ)

ИИ може да се използва за оптимизиране на условията за отглеждане, прогнозиране на добивите и ранно откриване на вредители и болести. Това ще доведе до по-ефективно и устойчиво производство на култури.

3. Интернет на нещата (IoT)

IoT сензори могат да се използват за наблюдение на различни параметри на околната среда в реално време, предоставяйки ценни данни за оптимизиране на условията за отглеждане. Тези данни могат да бъдат достъпни от разстояние, което позволява дистанционно наблюдение и контрол на подземни ферми.

4. Интеграция на възобновяема енергия

Интегрирането на възобновяеми енергийни източници, като слънчева и геотермална, ще намали допълнително въздействието на подземните системи за отглеждане върху околната среда.

5. Диверсификация на културите

Необходими са изследвания за идентифициране и оптимизиране на методите за отглеждане на по-широк кръг култури, което ще направи подземните системи за отглеждане по-гъвкави и адаптивни.

6. Ангажиране на общността

Ангажирането на местните общности в проекти за подземно земеделие може да насърчи продоволствената сигурност, да създаде работни места и да образова обществеността относно устойчивото земеделие.

Заключение

Подземните системи за отглеждане предлагат обещаващо решение на предизвикателствата, свързани с продоволствената сигурност, недостига на ресурси и изменението на климата. Като използват стабилните условия и контролираната среда под земната повърхност, тези системи могат да произвеждат висококачествени култури целогодишно с минимално въздействие върху околната среда. Въпреки че предизвикателствата остават, продължаващият технологичен напредък и нарастващата осведоменост за ползите от устойчивото земеделие стимулират растежа и възприемането на подземни системи за отглеждане в световен мащаб. Тъй като световното население продължава да расте и търсенето на храна се увеличава, подземните системи за отглеждане са готови да играят все по-важна роля в осигуряването на устойчиво и сигурно продоволствено бъдеще за всички.