کشف دنیای سیستم‌های کشت زیرزمینی، مزایا، فناوری‌ها و کاربردهای آن برای آینده‌ای پایدار در کشاورزی و تأمین امنیت غذایی.
سیستم‌های کشت زیرزمینی: راهنمای جامع کشاورزی زیرسطحی
با توجه به افزایش جمعیت جهانی و کاهش زمین‌های قابل کشت به دلیل شهرنشینی، تغییرات اقلیمی و شیوه‌های کشاورزی ناپایدار، به راهکارهای نوآورانه برای تضمین امنیت غذایی نیاز است. سیستم‌های کشت زیرزمینی، که به عنوان کشاورزی زیرسطحی یا کشاورزی عمیق نیز شناخته می‌شوند، رویکردی امیدوارکننده برای به حداکثر رساندن بهره‌وری از منابع، کاهش اثرات زیست‌محیطی و تولید محصولات با کیفیت بالا در یک محیط کنترل‌شده ارائه می‌دهند. این راهنمای جامع به بررسی جنبه‌های مختلف سیستم‌های کشت زیرزمینی، از اصول و فناوری‌های اصلی آنها گرفته تا مزایا، چالش‌ها و پتانسیل‌های آینده‌شان می‌پردازد.
سیستم‌های کشت زیرزمینی چه هستند؟
سیستم‌های کشت زیرزمینی شامل پرورش محصولات در محیط‌های بسته یا نیمه‌بسته زیرزمینی است. این سیستم‌ها از دما، رطوبت و شرایط نوری پایدار موجود در زیر سطح زمین برای بهینه‌سازی رشد گیاه و به حداقل رساندن تأثیرات محیطی خارجی بهره می‌برند. برخلاف کشاورزی سنتی که به نور خورشید و شرایط هوای آزاد وابسته است، کشت زیرزمینی از نور مصنوعی، سیستم‌های کنترل اقلیم و روش‌های تحویل مواد مغذی برای ایجاد یک محیط ایده‌آل برای رشد گیاه استفاده می‌کند.
مفهوم کشاورزی زیرزمینی کاملاً جدید نیست. در طول تاریخ، از سرداب‌ها و انبارهای زیرزمینی برای نگهداری طولانی‌مدت مواد غذایی استفاده می‌شده است. با این حال، سیستم‌های کشت زیرزمینی مدرن پیشرفت قابل توجهی را نشان می‌دهند و فناوری‌های پیشرفته و دانش علمی را برای دستیابی به تولید محصول در تمام طول سال با کارایی و پایداری افزایش‌یافته، یکپارچه می‌کنند.
انواع سیستم‌های کشت زیرزمینی
انواع مختلفی از سیستم‌های کشت زیرزمینی وجود دارد که هر کدام مزایا و کاربردهای خاص خود را دارند. این سیستم‌ها را می‌توان بر اساس طراحی، فناوری و روش‌های کشت به طور کلی دسته‌بندی کرد:
۱. گلخانه‌های زیرزمینی
گلخانه‌های زیرزمینی، که به عنوان گلخانه‌های پناه گرفته در زمین یا گلخانه‌های گودالی نیز شناخته می‌شوند، سازه‌هایی هستند که به طور جزئی یا کامل در زیر زمین قرار دارند و از جرم حرارتی زمین برای تنظیم دما استفاده می‌کنند. این گلخانه‌ها مزایای متعددی دارند، از جمله:
- بهره‌وری انرژی: خاک اطراف به عنوان یک عایق طبیعی عمل می‌کند و نیاز به گرمایش و سرمایش را کاهش می‌دهد.
- کاهش اثرات زیست‌محیطی: مصرف انرژی کمتر به معنای ردپای کربنی کوچکتر است.
- محافظت در برابر آب و هوای شدید: گلخانه‌های زیرزمینی در برابر بادهای شدید، برف سنگین و سایر رویدادهای آب و هوایی شدید آسیب‌پذیری کمتری دارند.
گلخانه‌های زیرزمینی را می‌توان با استفاده از مواد مختلفی از جمله بتن، چوب و ورقه‌های پلاستیکی ساخت. آنها معمولاً از مواد سقفی شفاف یا نیمه‌شفاف برای ورود نور طبیعی استفاده می‌کنند که در صورت لزوم با نور مصنوعی تکمیل می‌شود.
مثال: در مناطق سردتر کانادا و اسکاندیناوی، از گلخانه‌های زیرزمینی برای افزایش فصل رشد و کشت محصولاتی استفاده می‌شود که در غیر این صورت کشت آنها در فضای باز غیرممکن بود.
۲. مزارع عمودی زیرزمینی
مزارع عمودی زیرزمینی سیستم‌های کشت چندلایه‌ای هستند که از نور مصنوعی، هیدروپونیک، آئروپونیک یا آکواپونیک برای پرورش محصولات در یک محیط کنترل‌شده استفاده می‌کنند. این مزارع چندین مزیت نسبت به کشاورزی سنتی و گلخانه‌های زیرزمینی دارند:
- بازدهی بالای محصول: چیدمان عمودی استفاده از فضا را به حداکثر می‌رساند و امکان دستیابی به بازدهی بسیار بالاتر در هر متر مربع را در مقایسه با کشاورزی سنتی فراهم می‌کند.
- تولید در تمام طول سال: شرایط محیطی کنترل‌شده امکان تولید مداوم محصول را بدون توجه به شرایط آب و هوایی خارجی فراهم می‌کند.
- کاهش مصرف آب: سیستم‌های هیدروپونیک و آئروپونیک آب را بازیافت می‌کنند و هدررفت آب را به حداقل می‌رسانند.
- استفاده حداقلی از آفت‌کش‌ها: محیط‌های کنترل‌شده خطر آفات و بیماری‌ها را کاهش می‌دهند و نیاز به آفت‌کش‌ها را به حداقل می‌رسانند.
مزارع عمودی زیرزمینی معمولاً در معادن متروکه، تونل‌ها یا تأسیسات زیرزمینی ساخته شده برای این منظور قرار دارند. آنها برای حفظ شرایط بهینه رشد به سیستم‌های پیچیده کنترل اقلیم، سیستم‌های روشنایی و سیستم‌های تحویل مواد مغذی نیاز دارند.
مثال: شرکت Growing Underground در لندن، انگلستان، از پناهگاه‌های هوایی متروکه جنگ جهانی دوم برای پرورش سبزیجات برگی و گیاهان دارویی استفاده می‌کند و آنها را به رستوران‌ها و بازارهای محلی عرضه می‌کند.
۳. مزارع زیرزمینی کانتینری
مزارع زیرزمینی کانتینری شامل استفاده از کانتینرهای حمل و نقل بازیافتی یا سایر سازه‌های ماژولار برای ایجاد محیط‌های کشت مستقل است. این سیستم‌ها چندین مزیت دارند، از جمله:
- قابلیت جابجایی: مزارع کانتینری را می‌توان به راحتی حمل و در مکان‌های مختلف مستقر کرد.
- مقیاس‌پذیری: تعداد کانتینرها را می‌توان به راحتی برای مطابقت با نیازهای تولید افزایش یا کاهش داد.
- محیط کنترل‌شده: کانتینرها را می‌توان به سیستم‌های کنترل اقلیم، سیستم‌های روشنایی و سیستم‌های تحویل مواد مغذی برای ایجاد شرایط بهینه رشد مجهز کرد.
مزارع زیرزمینی کانتینری می‌توانند در زیرزمین‌ها، تونل‌ها یا سایر فضاهای زیرزمینی قرار گیرند. آنها به ویژه برای محیط‌های شهری که فضا محدود است، مناسب هستند.
مثال: چندین شرکت در ایالات متحده در حال توسعه مزارع زیرزمینی کانتینری برای تولید مواد غذایی شهری هستند و از منابع انرژی تجدیدپذیر برای تأمین انرژی سیستم‌ها استفاده می‌کنند.
فناوری‌های مورد استفاده در سیستم‌های کشت زیرزمینی
سیستم‌های کشت زیرزمینی برای ایجاد و حفظ شرایط بهینه رشد به طیف وسیعی از فناوری‌ها متکی هستند. این فناوری‌ها عبارتند از:
۱. نور مصنوعی
از آنجایی که محیط‌های زیرزمینی فاقد نور طبیعی خورشید هستند، نور مصنوعی برای فتوسنتز ضروری است. نورپردازی LED (دیود ساطع‌کننده نور) به دلیل بهره‌وری انرژی، طول عمر بالا و توانایی انتشار طول موج‌های خاصی از نور که رشد گیاه را تقویت می‌کنند، رایج‌ترین انتخاب است. می‌توان از طول موج‌های مختلف نور برای تحریک مراحل مختلف رشد گیاه، مانند رشد رویشی یا گلدهی، استفاده کرد.
مثال: محققان در حال آزمایش طیف‌های مختلف نوری LED برای بهینه‌سازی محتوای غذایی سبزیجات برگی کشت شده در مزارع زیرزمینی هستند.
۲. سیستم‌های کنترل اقلیم
حفظ دمای پایدار و سطح رطوبت برای رشد گیاه بسیار مهم است. از سیستم‌های کنترل اقلیم، از جمله واحدهای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC)، برای تنظیم این پارامترها استفاده می‌شود. همچنین ممکن است از رطوبت‌گیرها برای جلوگیری از بیماری‌های قارچی استفاده شود.
مثال: می‌توان از انرژی زمین‌گرمایی برای تأمین انرژی سیستم‌های کنترل اقلیم در مزارع زیرزمینی استفاده کرد و اثرات زیست‌محیطی آنها را بیشتر کاهش داد.
۳. هیدروپونیک، آئروپونیک و آکواپونیک
این روش‌های کشت بدون خاک معمولاً در سیستم‌های کشت زیرزمینی برای تحویل مستقیم مواد مغذی به ریشه گیاهان استفاده می‌شوند. هیدروپونیک شامل رشد گیاهان در محلول‌های آب غنی از مواد مغذی است، در حالی که آئروپونیک شامل پاشیدن محلول‌های مغذی بر روی ریشه‌های گیاه معلق در هوا است. آکواپونیک، آبزی‌پروری (پرورش ماهی) را با هیدروپونیک ادغام می‌کند و از فضولات ماهی به عنوان منبع مواد مغذی برای گیاهان استفاده می‌کند.
مثال: سیستم‌های هیدروپونیک به طور گسترده‌ای در مزارع عمودی زیرزمینی برای پرورش سبزیجات برگی، گیاهان دارویی و سبزیجات با حداقل مصرف آب استفاده می‌شوند.
۴. سیستم‌های تحویل مواد مغذی
سیستم‌های خودکار تحویل مواد مغذی تضمین می‌کنند که گیاهان در هر مرحله از رشد، مقدار دقیق مواد مغذی مورد نیاز خود را دریافت می‌کنند. این سیستم‌ها را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد که سطح مواد مغذی را بر اساس رشد گیاه و شرایط محیطی تنظیم کنند.
مثال: می‌توان از سنسورها برای نظارت بر سطح مواد مغذی در محلول‌های هیدروپونیک و تنظیم خودکار عرضه مواد مغذی برای حفظ غلظت بهینه استفاده کرد.
۵. سنسورها و اتوماسیون
از سنسورها برای نظارت بر پارامترهای مختلف محیطی مانند دما، رطوبت، شدت نور و سطح مواد مغذی استفاده می‌شود. سپس این داده‌ها برای خودکارسازی فرآیندهای مختلف مانند تنظیم روشنایی، تهویه و تحویل مواد مغذی استفاده می‌شوند.
مثال: سیستم‌های آبیاری خودکار را می‌توان طوری برنامه‌ریزی کرد که گیاهان را بر اساس سطح رطوبت خاک آبیاری کنند و از آبیاری بیش از حد یا کم‌آبی جلوگیری کنند.
مزایای سیستم‌های کشت زیرزمینی
سیستم‌های کشت زیرزمینی طیف گسترده‌ای از مزایا را در مقایسه با کشاورزی سنتی و سایر اشکال کشاورزی در محیط کنترل‌شده ارائه می‌دهند:
۱. افزایش بازدهی محصول
شرایط محیطی کنترل‌شده و تحویل بهینه مواد مغذی منجر به بازدهی محصول بسیار بالاتر در هر متر مربع در مقایسه با کشاورزی سنتی می‌شود. تکنیک‌های کشاورزی عمودی بهره‌وری از فضا را بیشتر افزایش می‌دهند.
۲. کاهش مصرف آب
سیستم‌های هیدروپونیک، آئروپونیک و آکواپونیک آب را بازیافت می‌کنند و هدررفت آب را به حداقل می‌رسانند. محیط‌های زیرزمینی همچنین تبخیر را کاهش می‌دهند و باعث صرفه‌جویی بیشتر در مصرف آب می‌شوند.
۳. استفاده حداقلی از آفت‌کش‌ها
محیط‌های کنترل‌شده خطر آفات و بیماری‌ها را کاهش می‌دهند و نیاز به آفت‌کش‌ها را به حداقل می‌رسانند. این امر منجر به محصولات سالم‌تر و پایدارتر می‌شود.
۴. تولید در تمام طول سال
سیستم‌های کشت زیرزمینی تحت تأثیر شرایط آب و هوایی خارجی قرار نمی‌گیرند و امکان تولید مداوم محصول در طول سال را فراهم می‌کنند. این امر عرضه غذای پایدار و قابل اعتماد را تضمین می‌کند.
۵. کاهش هزینه‌های حمل و نقل
مزارع زیرزمینی می‌توانند در مناطق شهری و نزدیک به مصرف‌کنندگان قرار گیرند و هزینه‌های حمل و نقل و انتشار کربن مرتبط با حمل و نقل مواد غذایی از مزارع روستایی را کاهش دهند.
۶. بهره‌وری منابع
سیستم‌های کشت زیرزمینی می‌توانند از معادن متروکه، تونل‌ها و سایر فضاهای زیرزمینی استفاده کنند، زیرساخت‌های موجود را بازسازی کرده و نیاز به ساخت و ساز جدید را کاهش دهند. آنها همچنین می‌توانند با منابع انرژی تجدیدپذیر تأمین انرژی شوند و اثرات زیست‌محیطی خود را بیشتر کاهش دهند.
۷. تاب‌آوری در برابر تغییرات اقلیمی
سیستم‌های کشت زیرزمینی در برابر تأثیرات تغییرات اقلیمی مانند رویدادهای شدید آب و هوایی، خشکسالی و نوسانات دما آسیب‌پذیری کمتری دارند. این امر آنها را به ابزاری ارزشمند برای تضمین امنیت غذایی در شرایط اقلیمی متغیر تبدیل می‌کند.
۸. امنیت زیستی
محیط کنترل‌شده مزارع زیرزمینی امکان اقدامات امنیتی زیستی پیشرفته را فراهم می‌کند، محصولات را از آلودگی خارجی محافظت کرده و ایمنی مواد غذایی را تضمین می‌کند.
چالش‌های سیستم‌های کشت زیرزمینی
با وجود مزایای متعدد، سیستم‌های کشت زیرزمینی با چندین چالش نیز روبرو هستند:
۱. هزینه‌های سرمایه‌گذاری اولیه بالا
راه‌اندازی یک سیستم کشت زیرزمینی به سرمایه‌گذاری اولیه قابل توجهی در زیرساخت، تجهیزات و فناوری نیاز دارد. این می‌تواند مانعی برای ورود کشاورزان و کارآفرینان در مقیاس کوچک باشد.
۲. مصرف انرژی
سیستم‌های نور مصنوعی و کنترل اقلیم می‌توانند مقادیر قابل توجهی انرژی مصرف کنند. تأثیر زیست‌محیطی مزارع زیرزمینی به منبع انرژی مورد استفاده برای تأمین انرژی این سیستم‌ها بستگی دارد.
۳. تخصص فنی
بهره‌برداری از یک سیستم کشت زیرزمینی به دانش و مهارت‌های تخصصی در زمینه‌هایی مانند هیدروپونیک، کنترل اقلیم و اتوماسیون نیاز دارد. یافتن و حفظ نیروی کار ماهر ممکن است دشوار باشد.
۴. تنوع محدود محصولات
همه محصولات برای سیستم‌های کشت زیرزمینی مناسب نیستند. برای شناسایی و بهینه‌سازی روش‌های کشت برای طیف وسیع‌تری از محصولات، به تحقیق نیاز است.
۵. برداشت عمومی
برخی از مصرف‌کنندگان ممکن است در پذیرش مواد غذایی کشت شده در محیط‌های زیرزمینی تردید داشته باشند و آن را غیرطبیعی یا مصنوعی بدانند. برای رفع این نگرانی‌ها به آموزش و اطلاع‌رسانی نیاز است.
۶. موانع نظارتی
مقررات مربوط به سیستم‌های کشت زیرزمینی هنوز در حال تکامل است. برای تضمین ایمنی مواد غذایی و پایداری زیست‌محیطی به مقررات شفاف و سازگار نیاز است.
کاربردهای سیستم‌های کشت زیرزمینی
سیستم‌های کشت زیرزمینی طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه را دارند:
۱. تولید مواد غذایی شهری
مزارع زیرزمینی می‌توانند در مناطق شهری قرار گیرند و محصولات تازه و محلی را برای جمعیت شهری فراهم کنند. این امر هزینه‌های حمل و نقل را کاهش داده و امنیت غذایی را بهبود می‌بخشد.
۲. امنیت غذایی در محیط‌های سخت
می‌توان از سیستم‌های کشت زیرزمینی برای تولید غذا در مناطقی با زمین‌های قابل کشت محدود، آب و هوای شدید یا دسترسی محدود به آب استفاده کرد. این می‌تواند امنیت غذایی را در این مناطق بهبود بخشد.
۳. اکتشافات فضایی
می‌توان از سیستم‌های کشت زیرزمینی برای تولید غذا در فضا استفاده کرد و منبعی پایدار از تغذیه را برای فضانوردان در طول مأموریت‌های طولانی‌مدت فراهم نمود. ناسا در حال حاضر در حال تحقیق در مورد استفاده از سیستم‌های کشت زیرزمینی برای این منظور است.
۴. تولید دارو
می‌توان از سیستم‌های کشت زیرزمینی برای تولید گیاهان دارویی و داروها در یک محیط کنترل‌شده استفاده کرد و کیفیت و خلوص ثابت را تضمین نمود.
۵. تحقیق و توسعه
سیستم‌های کشت زیرزمینی محیطی کنترل‌شده برای انجام تحقیقات در مورد فیزیولوژی گیاه، نیازهای غذایی و مدیریت آفات فراهم می‌کنند. این می‌تواند به نوآوری‌های جدید در کشاورزی منجر شود.
آینده سیستم‌های کشت زیرزمینی
آینده سیستم‌های کشت زیرزمینی امیدوارکننده به نظر می‌رسد. با پیشرفت فناوری و کاهش هزینه‌ها، این سیستم‌ها به طور فزاینده‌ای در دسترس و از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه می‌شوند. چندین روند در حال شکل‌دهی به آینده کشاورزی زیرزمینی هستند:
۱. اتوماسیون و رباتیک
استفاده از اتوماسیون و رباتیک هزینه‌های نیروی کار را بیشتر کاهش داده و کارایی را در مزارع زیرزمینی بهبود می‌بخشد. می‌توان از ربات‌ها برای کارهایی مانند کاشت، برداشت و کنترل آفات استفاده کرد.
۲. هوش مصنوعی (AI)
می‌توان از هوش مصنوعی برای بهینه‌سازی شرایط رشد، پیش‌بینی بازدهی محصول و تشخیص زودهنگام آفات و بیماری‌ها استفاده کرد. این امر به تولید محصول کارآمدتر و پایدارتر منجر خواهد شد.
۳. اینترنت اشیاء (IoT)
می‌توان از سنسورهای اینترنت اشیاء برای نظارت بر پارامترهای مختلف محیطی به صورت لحظه‌ای استفاده کرد و داده‌های ارزشمندی را برای بهینه‌سازی شرایط رشد فراهم نمود. این داده‌ها را می‌توان از راه دور مشاهده کرد و امکان نظارت و کنترل از راه دور مزارع زیرزمینی را فراهم می‌کند.
۴. یکپارچه‌سازی انرژی‌های تجدیدپذیر
یکپارچه‌سازی منابع انرژی تجدیدپذیر، مانند خورشیدی و زمین‌گرمایی، اثرات زیست‌محیطی سیستم‌های کشت زیرزمینی را بیشتر کاهش خواهد داد.
۵. تنوع‌بخشی به محصولات
برای شناسایی و بهینه‌سازی روش‌های کشت برای طیف وسیع‌تری از محصولات به تحقیق نیاز است تا سیستم‌های کشت زیرزمینی همه‌کاره‌تر و سازگارتر شوند.
۶. مشارکت جامعه
درگیر کردن جوامع محلی در پروژه‌های کشاورزی زیرزمینی می‌تواند امنیت غذایی را ارتقا دهد، شغل ایجاد کند و عموم مردم را در مورد کشاورزی پایدار آموزش دهد.
نتیجه‌گیری
سیستم‌های کشت زیرزمینی راه‌حلی امیدوارکننده برای چالش‌های امنیت غذایی، کمبود منابع و تغییرات اقلیمی ارائه می‌دهند. با بهره‌گیری از شرایط پایدار و محیط‌های کنترل‌شده موجود در زیر سطح زمین، این سیستم‌ها می‌توانند محصولات با کیفیت بالا را در تمام طول سال با حداقل تأثیر زیست‌محیطی تولید کنند. در حالی که چالش‌ها همچنان باقی است، پیشرفت‌های مداوم فناوری و افزایش آگاهی از مزایای کشاورزی پایدار، رشد و پذیرش سیستم‌های کشت زیرزمینی را در سراسر جهان هدایت می‌کند. با ادامه رشد جمعیت جهانی و افزایش تقاضا برای غذا، سیستم‌های کشت زیرزمینی آماده‌اند تا نقشی فزاینده در تضمین آینده غذایی پایدار و امن برای همگان ایفا کنند.