Исследования и разработки в тепличном хозяйстве: Создавая устойчивое будущее

Исследования и разработки (НИОКР) в тепличном хозяйстве находятся на переднем крае сельскохозяйственных инноваций, играя решающую роль в решении глобальных проблем продовольственной безопасности и продвижении устойчивых методов ведения сельского хозяйства. Поскольку население мира продолжает расти, а изменение климата влияет на традиционное сельское хозяйство, сельское хозяйство с контролируемой средой (СХКС) предлагает жизнеспособное решение для круглогодичного производства высококачественных культур независимо от географического положения или внешних погодных условий.

Важность НИОКР в тепличном хозяйстве

НИОКР в тепличном хозяйстве сосредоточены на оптимизации каждого аспекта выращивания растений в контролируемой среде. Это включает:

• Разработку передовых тепличных конструкций и материалов
• Усовершенствование систем климат-контроля для оптимальной температуры, влажности и вентиляции
• Оптимизацию стратегий освещения с использованием светодиодных технологий
• Совершенствование систем выращивания на гидропонике, аэропонике и аквапонике
• Автоматизацию таких задач, как полив, подача питательных веществ и сбор урожая
• Выведение сортов сельскохозяйственных культур, специально адаптированных к тепличным условиям
• Разработку стратегий борьбы с вредителями и болезнями в закрытых системах
• Снижение потребления воды и энергии

Конечная цель НИОКР в тепличном хозяйстве — повысить урожайность, улучшить эффективность использования ресурсов и снизить воздействие сельского хозяйства на окружающую среду. Продвигая тепличные технологии, мы можем создавать более устойчивые и жизнеспособные продовольственные системы, способные удовлетворить растущие потребности мирового населения.

Ключевые направления НИОКР в тепличном хозяйстве

1. Передовые тепличные конструкции и материалы

Дизайн и материалы, используемые при строительстве теплиц, значительно влияют на энергоэффективность и урожайность. Исследования сосредоточены на разработке:

• Высокоэффективные материалы для остекления: Эти материалы максимизируют светопропускание, минимизируя при этом теплопотери, что снижает потребление энергии на отопление и охлаждение. Примеры включают передовые полимеры, стекло с покрытием и многослойные пленки. Исследователи в Нидерландах, например, экспериментируют с умным стеклом, которое регулирует свою прозрачность в зависимости от интенсивности солнечного света, оптимизируя уровень освещенности для различных культур.
• Инновационные конструктивные решения: Геодезические купола, арочные конструкции и раздвижные крыши исследуются для максимального улавливания солнечного света, улучшения вентиляции и устойчивости к экстремальным погодным условиям. В регионах, подверженных тайфунам, таких как некоторые части Юго-Восточной Азии, исследователи разрабатывают теплицы с усиленными конструкциями и системами крепления для обеспечения стабильности.
• Технологии изоляции: Улучшение изоляции снижает теплопотери зимой и минимизирует приток тепла летом, что еще больше снижает потребление энергии. Исследователи изучают использование материалов с фазовым переходом (PCM) и передовых изоляционных панелей в строительстве теплиц.

2. Системы климат-контроля

Точный климат-контроль необходим для оптимального роста растений в теплицах. НИОКР в этой области сосредоточены на разработке:

• Передовые системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC): Эти системы используют датчики и алгоритмы для автоматической регулировки температуры, влажности и уровня CO2 в зависимости от потребностей растений и условий окружающей среды. Интегрированные системы, сочетающие отопление и охлаждение с осушением, набирают популярность. В более холодных климатических условиях, таких как Скандинавия и Канада, геотермальная энергия рассматривается как устойчивый источник тепла для теплиц.
• Умные датчики и системы управления: Эти системы отслеживают параметры окружающей среды в реальном времени и предоставляют обратную связь системам управления, обеспечивая точные и автоматизированные корректировки. Технологии Интернета вещей (IoT) интегрируются в системы управления теплицами для удаленного мониторинга и управления.
• Энергоэффективные технологии охлаждения: Испарительное охлаждение, системы затенения и естественная вентиляция оптимизируются для снижения энергопотребления на охлаждение, особенно в жарком и засушливом климате. Исследователи на Ближнем Востоке разрабатывают инновационные методы охлаждения с использованием морской или очищенной сточной воды.

3. Технологии светодиодного освещения

Светодиодное освещение революционизирует тепличное производство, обеспечивая точный контроль над спектром, интенсивностью и продолжительностью света. Усилия в области НИОКР сосредоточены на:

• Оптимизации светового спектра для различных культур: Разные растения требуют разных длин волн света для оптимального фотосинтеза и роста. Исследователи разрабатывают индивидуальные системы светодиодного освещения, которые обеспечивают specificный световой спектр, необходимый для каждой культуры. Исследования показали, что определенные соотношения красного и синего света могут значительно влиять на рост и урожайность растений.
• Повышении энергоэффективности систем светодиодного освещения: Снижение энергопотребления светодиодного освещения имеет решающее значение для повышения устойчивости тепличного производства. Исследователи работают над разработкой более эффективных светодиодных чипов и оптимизацией стратегий управления освещением.
• Разработке динамических систем освещения: Эти системы регулируют интенсивность и спектр света в зависимости от потребностей растений и условий окружающей среды, дополнительно оптимизируя рост растений и снижая потребление энергии. Динамическое освещение может имитировать естественные солнечные циклы, обеспечивая растениям оптимальную световую среду в течение всего дня.

4. Гидропоника, аэропоника и аквапоника

Эти методы беспочвенного выращивания имеют несколько преимуществ перед традиционным почвенным сельским хозяйством, включая снижение потребления воды, повышение эффективности использования питательных веществ и более высокие урожаи. НИОКР в этой области сосредоточены на:

• Оптимизации питательных растворов для различных культур: Состав питательных растворов должен быть тщательно подобран к specificным потребностям каждой культуры. Исследователи разрабатывают передовые питательные составы, которые максимизируют рост растений и минимизируют отходы.
• Усовершенствовании конструкций гидропонных, аэропонных и аквапонных систем: Исследователи изучают различные конструкции систем для оптимизации аэрации корней, поглощения питательных веществ и использования воды. Системы вертикального фермерства, использующие многоуровневые гидропонные или аэропонные системы, набирают популярность в городских районах.
• Разработке устойчивых источников питательных веществ: Исследователи изучают использование переработанных питательных веществ и органических удобрений для снижения воздействия гидропонных и аквапонных систем на окружающую среду.

Например, в Японии достижения в области гидропонных систем позволяют эффективно производить листовую зелень в контролируемой среде даже в густонаселенных городских районах.

5. Автоматизация и робототехника

Автоматизация и робототехника могут значительно повысить эффективность и снизить затраты на рабочую силу в тепличном производстве. НИОКР в этой области сосредоточены на:

• Разработке автоматизированных систем полива и подачи питательных веществ: Эти системы используют датчики и алгоритмы для автоматической регулировки уровней полива и питательных веществ в зависимости от потребностей растений, сокращая потери воды и удобрений.
• Разработке роботизированных систем сбора урожая: Эти системы используют компьютерное зрение и робототехнику для автоматического сбора урожая, что снижает затраты на рабочую силу и повышает эффективность. Роботизированный сбор урожая особенно сложен из-за изменчивости размера, формы и спелости фруктов и овощей.
• Разработке автоматизированных систем мониторинга вредителей и болезней: Эти системы используют датчики и распознавание изображений для раннего обнаружения вредителей и болезней, что позволяет своевременно принимать меры и сокращать потребность в пестицидах.

6. Селекция растений для тепличных условий

Традиционные сорта сельскохозяйственных культур не всегда хорошо подходят для тепличных условий. НИОКР в этой области сосредоточены на:

• Выведении сортов сельскохозяйственных культур, адаптированных к контролируемой среде: Эти сорта обычно более компактны, устойчивы к болезням и имеют более высокую урожайность в тепличных условиях.
• Выведении сортов, более устойчивых к стрессовым факторам окружающей среды: Это включает устойчивость к высоким температурам, низкому уровню освещенности и высокой влажности.
• Выведении сортов с улучшенной пищевой ценностью и вкусом: Исследователи также сосредоточены на улучшении питательного состава и вкуса культур, выращенных в теплицах.

Например, ученые в Израиле выводят сорта томатов специально для тепличного производства, уделяя особое внимание таким признакам, как устойчивость к болезням и улучшенное качество плодов.

7. Борьба с вредителями и болезнями

Борьба с вредителями и болезнями в закрытых тепличных средах может быть сложной задачей. Усилия в области НИОКР сосредоточены на:

• Разработке комплексных стратегий борьбы с вредителями (IPM): Стратегии IPM сочетают биологический контроль, агротехнические методы и целенаправленное применение пестицидов для минимизации их использования.
• Выявлении и разработке агентов биологического контроля: Агенты биологического контроля, такие как полезные насекомые и грибы, могут использоваться для борьбы с вредителями и болезнями без использования химических пестицидов.
• Разработке сортов сельскохозяйственных культур, устойчивых к болезням: Выведение устойчивых к болезням сортов является ключевой стратегией для снижения потребности в фунгицидах.

8. Эффективность использования воды и энергии

Снижение потребления воды и энергии имеет решающее значение для повышения устойчивости тепличного производства. Усилия в области НИОКР сосредоточены на:

• Разработке замкнутых систем орошения: Эти системы перерабатывают воду и питательные вещества, снижая потребление воды и минимизируя сток питательных веществ.
• Использовании возобновляемых источников энергии: Солнечная, ветровая и геотермальная энергия могут использоваться для питания теплиц, снижая зависимость от ископаемого топлива.
• Оптимизации конструкции и эксплуатации теплиц для минимизации энергопотребления: Это включает использование энергоэффективных материалов для остекления, улучшение изоляции и оптимизацию систем климат-контроля.

Мировые примеры инициатив в области НИОКР в тепличном хозяйстве

• Нидерланды: Нидерланды являются мировым лидером в области тепличных технологий и исследований. Голландские исследователи разрабатывают передовые тепличные системы, которые используют минимальное количество воды и энергии и обеспечивают высокие урожаи. «Вагенингенский университет и исследовательский центр» является выдающимся учреждением в этой области.
• Израиль: Израиль добился значительных успехов в технологиях орошения и селекции растений для засушливого климата. Израильские исследователи разрабатывают засухоустойчивые сорта сельскохозяйственных культур и инновационные системы орошения, которые экономят воду.
• Япония: Япония является лидером в области автоматизации и робототехники для тепличного производства. Японские исследователи разрабатывают роботизированные системы сбора урожая и автоматизированные системы орошения, которые повышают эффективность и снижают затраты на рабочую силу.
• Канада: Канада активно инвестирует в исследования в области вертикального фермерства и сельского хозяйства с контролируемой средой. Канадские исследователи разрабатывают инновационные технологии для производства сельскохозяйственных культур в городских условиях, снижая транспортные расходы и повышая продовольственную безопасность в северных общинах.
• США: Министерство сельского хозяйства США (USDA) и различные университеты проводят обширные исследования в области тепличного освещения, управления питательными веществами и борьбы с вредителями, уделяя особое внимание повышению устойчивости и прибыльности тепличных хозяйств.

Проблемы и возможности в области НИОКР в тепличном хозяйстве

Несмотря на значительный прогресс в области НИОКР в тепличном хозяйстве, остается несколько проблем:

• Высокие первоначальные инвестиционные затраты: Создание теплицы может быть дорогостоящим, особенно при внедрении передовых технологий.
• Затраты на энергию: Теплицы могут потреблять значительное количество энергии на отопление, охлаждение и освещение.
• Борьба с вредителями и болезнями: Управление вредителями и болезнями в закрытых тепличных средах может быть сложной задачей.
• Нехватка квалифицированной рабочей силы: Эксплуатация и обслуживание передовых тепличных систем требуют квалифицированной рабочей силы.

Однако существуют также значительные возможности для дальнейших инноваций в области НИОКР в тепличном хозяйстве:

• Разработка более энергоэффективных технологий: Снижение энергопотребления имеет решающее значение для повышения устойчивости и рентабельности тепличного производства.
• Разработка более устойчивых источников питательных веществ: Использование переработанных питательных веществ и органических удобрений может снизить воздействие тепличного производства на окружающую среду.
• Разработка более эффективных агентов биологического контроля: Снижение зависимости от химических пестицидов необходимо для защиты здоровья человека и окружающей среды.
• Интеграция искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО): ИИ и МО могут использоваться для оптимизации тепличных операций, повышения урожайности и сокращения потребления ресурсов.
• Расширение ассортимента культур, которые можно выращивать в теплицах: Необходимы исследования для адаптации большего числа сортов к тепличным условиям.

Будущее НИОКР в тепличном хозяйстве

НИОКР в тепличном хозяйстве призваны играть все более важную роль в решении глобальных проблем продовольственной безопасности и продвижении устойчивого сельского хозяйства. По мере развития технологий и роста нашего понимания физиологии растений мы можем ожидать появления еще более инновационных и эффективных тепличных систем. Будущее НИОКР в тепличном хозяйстве, вероятно, будет сосредоточено на:

• Точном земледелии: Использование датчиков, анализа данных и автоматизации для точного управления каждым аспектом выращивания растений.
• Вертикальном фермерстве: Разработка многоуровневых гидропонных и аэропонных систем, которые могут быть расположены в городских районах.
• Системах замкнутого цикла: Создание систем, которые перерабатывают воду, питательные вещества и энергию, минимизируя отходы и воздействие на окружающую среду.
• Персонализированном сельском хозяйстве: Адаптация тепличных сред и питательных растворов к specificным потребностям отдельных растений.
• Космическом сельском хозяйстве: Разработка тепличных систем для выращивания сельскохозяйственных культур в космосе для поддержки длительных космических миссий.

Практические рекомендации для заинтересованных сторон

Для исследователей:

• Сосредоточиться на междисциплинарном сотрудничестве для решения сложных задач в области НИОКР в тепличном хозяйстве.
• Отдавать приоритет исследованиям, способствующим устойчивости, эффективности использования ресурсов и продовольственной безопасности.
• Публиковать результаты исследований в журналах с открытым доступом для облегчения обмена знаниями.

Для операторов теплиц:

• Инвестировать в передовые тепличные технологии для повышения эффективности и производительности.
• Внедрять устойчивые практики, такие как рециркуляция воды и использование возобновляемых источников энергии.
• Быть в курсе последних достижений в области НИОКР в тепличном хозяйстве, посещая конференции и семинары.

Для политиков:

• Предоставлять финансирование и стимулы для НИОКР в тепличном хозяйстве.
• Поддерживать разработку политики устойчивого сельского хозяйства, способствующей развитию СХКС.
• Содействовать образовательным и учебным программам для операторов теплиц.

Заключение

Исследования и разработки в тепличном хозяйстве необходимы для создания более устойчивой и жизнеспособной глобальной продовольственной системы. Инвестируя в НИОКР и внедряя инновации, мы можем полностью раскрыть потенциал сельского хозяйства с контролируемой средой и обеспечить каждому доступ к питательной и доступной пище, независимо от местоположения или климата. Текущие достижения в тепличных технологиях открывают путь в будущее, где производство продуктов питания будет более эффективным, экологически чистым и отвечающим потребностям растущего мирового населения. Будущее продовольственной безопасности зависит от нашей приверженности развитию области исследований и разработок в тепличном хозяйстве.