Сельское хозяйство с контролируемой средой: Обеспечение продовольствием будущего в глобальном масштабе

Население мира стремительно растет, а вместе с ним и спрос на продовольствие. В то же время традиционное сельское хозяйство сталкивается с растущими проблемами, связанными с изменением климата, нехваткой воды, деградацией земель и сбоями в цепочках поставок. Сельское хозяйство с контролируемой средой (CEA) предлагает многообещающее решение этих проблем, обеспечивая более устойчивый и эффективный способ производства продуктов питания на местном уровне, круглый год, независимо от внешних условий окружающей среды.

Что такое сельское хозяйство с контролируемой средой (CEA)?

CEA (сельское хозяйство с контролируемой средой) — это сельскохозяйственные практики, осуществляемые в закрытых сооружениях, где такие факторы окружающей среды, как температура, влажность, свет и доставка питательных веществ, точно контролируются. Эти сооружения могут варьироваться от простых теплиц до высокотехнологичных вертикальных ферм. Цель состоит в том, чтобы оптимизировать рост растений и максимизировать урожайность, минимизируя при этом потребление ресурсов и воздействие на окружающую среду. Системы CEA обеспечивают точный контроль над условиями выращивания, что приводит к предсказуемым урожаям, снижению потребления воды и минимальному использованию пестицидов или полному отказу от них.

Типы систем CEA

CEA охватывает разнообразные технологии и методы. Вот обзор некоторых распространенных систем:

Теплицы

Теплицы — это наиболее распространенная форма CEA. Они используют стеклянные или пластиковые покрытия для улавливания солнечной энергии и создания более теплой и влажной среды для роста растений. Современные теплицы часто включают передовые технологии, такие как автоматизированный климат-контроль, дополнительное освещение и гидропонные системы выращивания.

Пример: Нидерланды являются мировым лидером в тепличном хозяйстве, используя передовые технологии для производства широкого ассортимента культур, включая томаты, огурцы, перцы и цветы, даже в условиях северного климата.

Вертикальные фермы

Вертикальные фермы — это крытые производственные комплексы, где сельскохозяйственные культуры выращиваются в многоярусных системах, что позволяет максимально эффективно использовать пространство. Они обычно используют искусственное освещение, гидропонику, аэропонику или аквапонику и часто располагаются в городских районах, вблизи потребителей.

Пример: Plenty, американская компания в области вертикального фермерства, использует передовую робототехнику и искусственный интеллект для оптимизации условий выращивания и производства высококачественной листовой зелени.

Гидропоника

Гидропоника — это беспочвенный метод выращивания, при котором растения растут в питательных водных растворах. Существует несколько типов гидропонных систем, в том числе:

Глубоководная культура (DWC): Корни растений погружены в питательный раствор, который аэрируется для обеспечения кислородом.
Техника питательного слоя (NFT): Тонкий слой питательного раствора непрерывно протекает по корням растений.
Периодическое затопление (Прилив и отлив): Растения периодически затапливаются питательным раствором, который затем сливается обратно в резервуар.

Пример: Гидропонные фермы набирают популярность в засушливых регионах, таких как Ближний Восток, где нехватка воды является серьезной проблемой. Такие фермы могут производить свежие продукты, используя значительно меньше воды, чем традиционное сельское хозяйство.

Аэропоника

Аэропоника — это беспочвенный метод выращивания, при котором корни растений находятся в воздухе и периодически опрыскиваются питательным раствором. Этот метод обеспечивает отличную оксигенацию корней и эффективную доставку питательных веществ.

Пример: Aerofarms, еще одна американская компания в сфере вертикального фермерства, использует аэропонику для выращивания листовой зелени с минимальным расходом воды и без пестицидов.

Аквапоника

Аквапоника — это симбиотическая система, которая сочетает аквакультуру (выращивание рыбы) и гидропонику. Отходы жизнедеятельности рыб служат питательными веществами для растений, а растения, в свою очередь, фильтруют воду, создавая замкнутую систему. Эта система минимизирует использование воды и удобрений.

Пример: Аквапонные системы внедряются в сообществах по всему миру, от городских школ в Австралии до сельских деревень в Африке, для обеспечения свежими продуктами питания и предоставления образовательных возможностей.

Преимущества сельского хозяйства с контролируемой средой

CEA предлагает широкий спектр преимуществ по сравнению с традиционным сельским хозяйством:

Повышение урожайности

Системы CEA могут давать значительно более высокие урожаи с единицы площади по сравнению с традиционным земледелием. Это достигается за счет оптимизации условий выращивания, круглогодичного производства и возможности более плотной посадки растений.

Снижение потребления воды

Гидропонные, аэропонные и аквапонные системы используют значительно меньше воды, чем традиционные методы орошения. Вода может рециркулировать внутри системы, что минимизирует ее потери.

Исключение или сокращение использования пестицидов и гербицидов

Контролируемая среда систем CEA снижает потребность в пестицидах и гербицидах. Это приводит к получению более здоровых и безопасных продуктов питания и снижает загрязнение окружающей среды.

Круглогодичное производство

CEA позволяет производить сельскохозяйственные культуры круглый год, независимо от внешних погодных условий. Это обеспечивает постоянные поставки свежих продуктов.

Сокращение транспортных расходов и «продовольственных миль»

Объекты CEA могут располагаться в городских районах, вблизи потребителей. Это снижает транспортные расходы, потребление топлива и выбросы углекислого газа, связанные с доставкой продуктов с отдаленных ферм.

Повышение продовольственной безопасности

CEA может повысить продовольственную безопасность, обеспечивая надежный и устойчивый источник пищи, особенно в регионах с суровым климатом или ограниченными пахотными землями. Это особенно важно для стран, зависящих от импорта продовольствия.

Создание рабочих мест

CEA создает новые рабочие места в сельском хозяйстве, технологиях и смежных отраслях. Эти рабочие места часто требуют специальных навыков и могут способствовать экономическому росту.

Оптимизация питательных веществ

CEA позволяет точно контролировать доставку питательных веществ, обеспечивая растениям их оптимальное количество для роста и развития. Это может привести к получению более питательных и ароматных продуктов.

Проблемы сельского хозяйства с контролируемой средой

Хотя CEA предлагает множество преимуществ, оно также сталкивается с рядом проблем:

Высокие первоначальные инвестиционные затраты

Создание объекта CEA может потребовать значительных первоначальных инвестиций в инфраструктуру, оборудование и технологии. Это может стать барьером для входа на рынок для мелких фермеров.

Энергопотребление

Системы CEA, особенно вертикальные фермы, могут потреблять значительное количество энергии на освещение, отопление, охлаждение и вентиляцию. Это может увеличить эксплуатационные расходы и способствовать выбросам парниковых газов, если не используются возобновляемые источники энергии.

Техническая экспертиза

Эксплуатация объекта CEA требует специальных знаний и навыков в области растениеводства, инженерии и технологий. Доступ к квалифицированному персоналу может быть проблемой в некоторых регионах.

Борьба с вредителями и болезнями

Хотя CEA снижает потребность в пестицидах, вспышки вредителей и болезней все же могут происходить в замкнутых пространствах. Профилактические меры и комплексные стратегии борьбы с вредителями являются обязательными.

Ограниченное разнообразие культур

В настоящее время CEA лучше всего подходит для выращивания определенных видов культур, таких как листовая зелень, травы и ягоды. Расширение ассортимента культур, которые можно экономически выгодно выращивать в системах CEA, является постоянной задачей.

Доступ к рынку

Производители CEA могут столкнуться с трудностями при выходе на устоявшиеся рынки и в конкуренции с традиционными фермерами. Построение прочных отношений с розничными торговцами и потребителями имеет решающее значение для успеха.

Технологии, способствующие инновациям в CEA

Несколько технологий стимулируют инновации в секторе CEA:

Светодиодное (LED) освещение

Светодиодное освещение становится все более популярным в CEA, поскольку оно энергоэффективно, долговечно и позволяет точно контролировать спектр света. Различные спектры света могут использоваться для оптимизации роста и развития растений.

Датчики и автоматизация

Датчики используются для мониторинга условий окружающей среды, таких как температура, влажность, свет и уровень питательных веществ. Системы автоматизации могут затем использоваться для автоматической настройки этих условий с целью оптимизации роста растений.

Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО)

ИИ и МО используются для анализа данных с датчиков и оптимизации условий выращивания в режиме реального времени. Эти технологии также могут использоваться для прогнозирования урожайности, обнаружения вредителей и болезней и улучшения управления ресурсами.

Робототехника

Роботы используются для автоматизации таких задач, как посадка, сбор урожая и упаковка. Это может снизить трудозатраты и повысить эффективность.

Системы климат-контроля

Передовые системы климат-контроля используются для поддержания оптимальной температуры, влажности и вентиляции на объектах CEA. Эти системы могут быть интегрированы с датчиками и системами автоматизации для точного контроля.

Платформы для анализа данных

Платформы для анализа данных используются для сбора, анализа и визуализации данных с объектов CEA. Эта информация может быть использована для улучшения принятия решений и оптимизации производительности.

Глобальные примеры успеха CEA

CEA успешно внедряется в различных регионах по всему миру:

Нидерланды: Мировой лидер в тепличном хозяйстве, производящий широкий ассортимент культур как для внутреннего потребления, так и на экспорт.
Сингапур: Столкнувшись с ограниченностью земли и ресурсов, Сингапур активно инвестирует в вертикальное фермерство и другие технологии CEA для повышения продовольственной безопасности.
США: Компании по вертикальному фермерству, такие как Plenty и Aerofarms, используют передовые технологии для производства высококачественной листовой зелени в городских районах.
Япония: Япония имеет долгую историю тепличного хозяйства и в настоящее время активно развивает вертикальное фермерство для решения проблем продовольственной безопасности.
Объединенные Арабские Эмираты: ОАЭ инвестируют в CEA, чтобы преодолеть трудности сурового пустынного климата и производить свежие продукты на местном уровне.
Канада: С длинными зимами Канада использует технологии CEA для продления вегетационного периода и улучшения доступности продуктов питания.

Будущее сельского хозяйства с контролируемой средой

CEA суждено играть все более важную роль в мировом производстве продуктов питания в ближайшие годы. По мере того как население мира продолжает расти, а изменение климата усиливается, CEA предлагает устойчивый и эффективный способ производства продуктов питания на местном уровне, круглый год, независимо от внешних условий окружающей среды.

Будущие тенденции в CEA включают:

Расширение автоматизации и роботизации: Дальнейшая автоматизация таких задач, как посадка, сбор урожая и упаковка, повысит эффективность и снизит трудозатраты.
Разработка новых сортов культур: Исследователи работают над созданием новых сортов культур, специально адаптированных к условиям CEA.
Интеграция с возобновляемыми источниками энергии: Объекты CEA будут все больше полагаться на возобновляемые источники энергии, такие как солнечная и ветровая, чтобы уменьшить свой углеродный след.
Расширение на новые регионы и культуры: CEA будет распространяться на новые регионы и использоваться для выращивания более широкого ассортимента культур, включая основные продукты питания, такие как рис и пшеница.
Развитие систем замкнутого цикла: Объекты CEA будут все чаще внедрять системы замкнутого цикла, которые минимизируют отходы и рециркулируют ресурсы.
Повышенное внимание к устойчивости: CEA будет продолжать развиваться, чтобы стать более устойчивым, снижая свое воздействие на окружающую среду и способствуя сохранению ресурсов.

Заключение

Сельское хозяйство с контролируемой средой — это не просто тренд; это важнейший компонент устойчивого и безопасного продовольственного будущего. Принимая инновации, преодолевая трудности и развивая сотрудничество, мы можем полностью раскрыть потенциал CEA, чтобы накормить мир и защитить нашу планету. Глобальное применение технологий CEA будет иметь важное значение для решения проблем продовольственной безопасности и построения более устойчивой и жизнеспособной продовольственной системы для будущих поколений. От засушливых пустынь до густонаселенных городских центров, CEA предлагает путь к более справедливому и экологически сознательному продовольственному будущему. Это инвестиция в технологии, инновации и, в конечном счете, в благополучие нашей планеты и ее людей.

Для дальнейшего изучения:

Изучите материалы Ассоциации вертикального фермерства (AVF) для получения глобальной информации: https://vertical-farming.net/
Ознакомьтесь с исследованиями Вагенингенского университета и исследовательского центра (Нидерланды) по тепличным технологиям: https://www.wur.nl/en.htm
Изучите правительственные инициативы Сингапура, связанные с продовольственной безопасностью и CEA: https://www.sfa.gov.sg/