Подземные системы выращивания: Полное руководство по подземному сельскому хозяйству

Поскольку население мира продолжает расти, а пахотные земли сокращаются из-за урбанизации, изменения климата и неустойчивых методов ведения сельского хозяйства, для обеспечения продовольственной безопасности необходимы инновационные решения. Подземные системы выращивания, также известные как подземное сельское хозяйство или глубинное фермерство, предлагают многообещающий подход к максимальному использованию ресурсов, снижению воздействия на окружающую среду и производству высококачественных культур в контролируемой среде. В этом всеобъемлющем руководстве рассматриваются различные аспекты подземных систем выращивания, от их основных принципов и технологий до их преимуществ, проблем и будущего потенциала.

Что такое подземные системы выращивания?

Подземные системы выращивания предполагают культивирование растений в закрытых или полузакрытых подземных средах. Эти системы используют стабильную температуру, влажность и условия освещения, существующие под поверхностью Земли, для оптимизации роста растений и минимизации внешних воздействий окружающей среды. В отличие от традиционного сельского хозяйства, которое зависит от солнечного света и условий открытого грунта, подземное выращивание использует искусственное освещение, системы климат-контроля и методы доставки питательных веществ для создания идеальной среды для развития растений.

Концепция подземного сельского хозяйства не является совершенно новой. Исторически корневые погреба и подземные хранилища использовались для длительного сохранения продуктов. Однако современные подземные системы выращивания представляют собой значительный шаг вперед, интегрируя передовые технологии и научные знания для достижения круглогодичного производства урожая с повышенной эффективностью и устойчивостью.

Типы подземных систем выращивания

Существует несколько типов подземных систем выращивания, каждый из которых имеет свои преимущества и области применения. Эти системы можно в целом классифицировать по их конструкции, технологии и методам культивирования:

1. Подземные теплицы

Подземные теплицы, также известные как заглубленные теплицы или траншейные теплицы, представляют собой частично или полностью заглубленные сооружения, которые используют тепловую массу Земли для регулирования температуры. Эти теплицы имеют ряд преимуществ, в том числе:

• Энергоэффективность: Окружающая почва действует как естественный изолятор, снижая потребности в отоплении и охлаждении.
• Сниженное воздействие на окружающую среду: Более низкое потребление энергии означает меньший углеродный след.
• Защита от экстремальных погодных условий: Подземные теплицы менее уязвимы к сильным ветрам, обильному снегу и другим суровым погодным явлениям.

Подземные теплицы могут быть построены с использованием различных материалов, включая бетон, дерево и пластиковую пленку. Обычно они включают прозрачные или полупрозрачные кровельные материалы для проникновения естественного света, который при необходимости дополняется искусственным освещением.

Пример: В холодных регионах Канады и Скандинавии подземные теплицы используются для продления вегетационного периода и выращивания культур, которые в противном случае было бы невозможно выращивать на открытом воздухе.

2. Подземные вертикальные фермы

Подземные вертикальные фермы — это многоярусные системы выращивания, которые используют искусственное освещение, гидропонику, аэропонику или аквапонику для культивирования растений в контролируемой среде. Эти фермы имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционным сельским хозяйством и подземными теплицами:

• Высокая урожайность: Вертикальное размещение максимизирует использование пространства, позволяя получать значительно более высокие урожаи с квадратного метра по сравнению с традиционным фермерством.
• Круглогодичное производство: Контролируемые условия окружающей среды обеспечивают непрерывное производство урожая независимо от внешних погодных условий.
• Сниженное потребление воды: Гидропонные и аэропонные системы рециркулируют воду, минимизируя ее потери.
• Минимальное использование пестицидов: Контролируемая среда снижает риск появления вредителей и болезней, минимизируя потребность в пестицидах.

Подземные вертикальные фермы обычно располагаются в заброшенных шахтах, туннелях или специально построенных подземных сооружениях. Для поддержания оптимальных условий выращивания им требуются сложные системы климат-контроля, освещения и доставки питательных веществ.

Пример: Компания Growing Underground в Лондоне, Великобритания, использует заброшенные бомбоубежища времен Второй мировой войны для выращивания листовой зелени и трав, поставляя их в местные рестораны и на рынки.

3. Контейнерные подземные фермы

Контейнерные подземные фермы предполагают использование переоборудованных транспортных контейнеров или других модульных конструкций для создания автономных сред для выращивания. Эти системы имеют ряд преимуществ, в том числе:

• Мобильность: Контейнерные фермы можно легко транспортировать и развертывать в различных местах.
• Масштабируемость: Количество контейнеров можно легко увеличивать или уменьшать в соответствии с производственными потребностями.
• Контролируемая среда: Контейнеры могут быть оснащены системами климат-контроля, освещения и доставки питательных веществ для создания оптимальных условий выращивания.

Контейнерные подземные фермы могут располагаться в подвалах, туннелях или других подземных пространствах. Они особенно хорошо подходят для городских условий, где пространство ограничено.

Пример: Несколько компаний в США разрабатывают контейнерные подземные фермы для городского производства продуктов питания, используя возобновляемые источники энергии для питания систем.

Технологии, используемые в подземных системах выращивания

Подземные системы выращивания зависят от ряда технологий для создания и поддержания оптимальных условий роста. Эти технологии включают:

1. Искусственное освещение

Поскольку в подземных средах отсутствует естественный солнечный свет, искусственное освещение необходимо для фотосинтеза. Светодиодное (LED) освещение является наиболее распространенным выбором из-за его энергоэффективности, длительного срока службы и способности излучать определенные длины волн света, способствующие росту растений. Различные длины волн света могут использоваться для стимуляции разных стадий развития растений, таких как вегетативный рост или цветение.

Пример: Исследователи экспериментируют с различными спектрами светодиодного освещения для оптимизации питательного состава листовой зелени, выращиваемой на подземных фермах.

2. Системы климат-контроля

Поддержание стабильной температуры и уровня влажности имеет решающее значение для роста растений. Системы климат-контроля, включая отопление, вентиляцию и кондиционирование воздуха (HVAC), используются для регулирования этих параметров. Также могут использоваться осушители для предотвращения грибковых заболеваний.

Пример: Геотермальная энергия может использоваться для питания систем климат-контроля на подземных фермах, что еще больше снижает их воздействие на окружающую среду.

3. Гидропоника, аэропоника и аквапоника

Эти беспочвенные методы культивирования обычно используются в подземных системах выращивания для доставки питательных веществ непосредственно к корням растений. Гидропоника предполагает выращивание растений в богатых питательными веществами водных растворах, в то время как аэропоника включает распыление питательных растворов на корни растений, подвешенные в воздухе. Аквапоника объединяет аквакультуру (выращивание рыбы) с гидропоникой, используя отходы жизнедеятельности рыб в качестве источника питательных веществ для растений.

Пример: Гидропонные системы широко используются на подземных вертикальных фермах для выращивания листовой зелени, трав и овощей с минимальным потреблением воды.

4. Системы доставки питательных веществ

Автоматизированные системы доставки питательных веществ гарантируют, что растения получают точное количество необходимых им питательных веществ на каждой стадии развития. Эти системы можно запрограммировать на корректировку уровней питательных веществ в зависимости от роста растений и условий окружающей среды.

Пример: Датчики могут использоваться для мониторинга уровней питательных веществ в гидропонных растворах и автоматической корректировки подачи питательных веществ для поддержания оптимальных концентраций.

5. Датчики и автоматизация

Датчики используются для мониторинга различных параметров окружающей среды, таких как температура, влажность, интенсивность света и уровни питательных веществ. Эти данные затем используются для автоматизации различных процессов, таких как регулировка освещения, вентиляции и подачи питательных веществ.

Пример: Автоматизированные системы полива можно запрограммировать на полив растений в зависимости от уровня влажности почвы, предотвращая переувлажнение или недолив.

Преимущества подземных систем выращивания

Подземные системы выращивания предлагают широкий спектр преимуществ по сравнению с традиционным сельским хозяйством и другими формами сельского хозяйства в контролируемой среде:

1. Повышенная урожайность

Контролируемые условия окружающей среды и оптимизированная доставка питательных веществ приводят к значительно более высокой урожайности с квадратного метра по сравнению с традиционным фермерством. Техники вертикального фермерства дополнительно увеличивают использование пространства.

2. Сниженное потребление воды

Гидропонные, аэропонные и аквапонные системы рециркулируют воду, минимизируя ее потери. Подземные среды также уменьшают испарение, дополнительно сохраняя воду.

3. Минимальное использование пестицидов

Контролируемая среда снижает риск появления вредителей и болезней, минимизируя потребность в пестицидах. Это приводит к получению более здоровых и экологически чистых культур.

4. Круглогодичное производство

Подземные системы выращивания не зависят от внешних погодных условий, что позволяет вести непрерывное производство урожая в течение всего года. Это обеспечивает стабильное и надежное снабжение продовольствием.

5. Снижение транспортных расходов

Подземные фермы могут располагаться в городских районах, вблизи потребителей, что снижает транспортные расходы и выбросы углерода, связанные с транспортировкой продуктов с сельских ферм.

6. Ресурсоэффективность

Подземные системы выращивания могут использовать заброшенные шахты, туннели и другие подземные пространства, перепрофилируя существующую инфраструктуру и сокращая потребность в новом строительстве. Они также могут питаться от возобновляемых источников энергии, что еще больше снижает их воздействие на окружающую среду.

7. Устойчивость к изменению климата

Подземные системы выращивания менее уязвимы к последствиям изменения климата, таким как экстремальные погодные явления, засухи и колебания температуры. Это делает их ценным инструментом для обеспечения продовольственной безопасности в условиях меняющегося климата.

8. Биобезопасность

Контролируемая среда подземных ферм позволяет усилить меры биобезопасности, защищая урожай от внешнего загрязнения и обеспечивая безопасность пищевых продуктов.

Проблемы подземных систем выращивания

Несмотря на многочисленные преимущества, подземные системы выращивания также сталкиваются с рядом проблем:

1. Высокие первоначальные инвестиционные затраты

Создание подземной системы выращивания требует значительных капиталовложений в инфраструктуру, оборудование и технологии. Это может стать барьером для входа на рынок для мелких фермеров и предпринимателей.

2. Потребление энергии

Искусственное освещение и системы климат-контроля могут потреблять значительное количество энергии. Воздействие подземных ферм на окружающую среду зависит от источника энергии, используемого для питания этих систем.

3. Техническая экспертиза

Эксплуатация подземной системы выращивания требует специальных знаний и навыков в таких областях, как гидропоника, климат-контроль и автоматизация. Квалифицированную рабочую силу может быть трудно найти и удержать.

4. Ограниченное разнообразие культур

Не все культуры хорошо подходят для выращивания в подземных системах. Необходимы исследования для выявления и оптимизации методов выращивания для более широкого спектра культур.

5. Общественное восприятие

Некоторые потребители могут с недоверием относиться к продуктам, выращенным в подземных условиях, считая их неестественными или искусственными. Для решения этих проблем необходимы просвещение и информационно-разъяснительная работа.

6. Регуляторные барьеры

Регулирование подземных систем выращивания все еще находится в стадии разработки. Необходимы четкие и последовательные нормативные акты для обеспечения безопасности пищевых продуктов и экологической устойчивости.

Применение подземных систем выращивания

Подземные системы выращивания имеют широкий спектр потенциальных применений:

1. Городское производство продуктов питания

Подземные фермы могут располагаться в городских районах, обеспечивая свежими, местными продуктами городское население. Это снижает транспортные расходы и повышает продовольственную безопасность.

2. Продовольственная безопасность в суровых условиях

Подземные системы выращивания могут использоваться для производства продуктов питания в районах с ограниченными пахотными землями, экстремальным климатом или ограниченным доступом к воде. Это может улучшить продовольственную безопасность в этих регионах.

3. Освоение космоса

Подземные системы выращивания могут использоваться для производства продуктов питания в космосе, обеспечивая астронавтов устойчивым источником питания во время длительных миссий. НАСА в настоящее время исследует использование подземных систем выращивания для этой цели.

4. Фармацевтическое производство

Подземные системы выращивания могут использоваться для производства лекарственных растений и фармацевтических препаратов в контролируемой среде, обеспечивая постоянное качество и чистоту.

5. Исследования и разработки

Подземные системы выращивания предоставляют контролируемую среду для проведения исследований в области физиологии растений, потребностей в питательных веществах и борьбы с вредителями. Это может привести к новым инновациям в сельском хозяйстве.

Будущее подземных систем выращивания

Будущее подземных систем выращивания выглядит многообещающим. По мере развития технологий и снижения затрат эти системы становятся все более доступными и экономически выгодными. Несколько тенденций формируют будущее подземного сельского хозяйства:

1. Автоматизация и робототехника

Использование автоматизации и робототехники еще больше сократит затраты на рабочую силу и повысит эффективность на подземных фермах. Роботы могут использоваться для таких задач, как посадка, сбор урожая и борьба с вредителями.

2. Искусственный интеллект (ИИ)

ИИ может использоваться для оптимизации условий выращивания, прогнозирования урожайности и раннего обнаружения вредителей и болезней. Это приведет к более эффективному и устойчивому производству сельскохозяйственных культур.

3. Интернет вещей (IoT)

Датчики IoT могут использоваться для мониторинга различных параметров окружающей среды в режиме реального времени, предоставляя ценные данные для оптимизации условий выращивания. Доступ к этим данным можно получить удаленно, что позволяет осуществлять дистанционный мониторинг и управление подземными фермами.

4. Интеграция возобновляемых источников энергии

Интеграция возобновляемых источников энергии, таких как солнечная и геотермальная, еще больше снизит воздействие подземных систем выращивания на окружающую среду.

5. Диверсификация культур

Необходимы исследования для выявления и оптимизации методов выращивания для более широкого спектра культур, что сделает подземные системы выращивания более универсальными и адаптируемыми.

6. Вовлечение сообщества

Вовлечение местных сообществ в проекты подземного фермерства может способствовать продовольственной безопасности, создавать рабочие места и просвещать общественность по вопросам устойчивого сельского хозяйства.

Заключение

Подземные системы выращивания предлагают многообещающее решение проблем продовольственной безопасности, нехватки ресурсов и изменения климата. Используя стабильные условия и контролируемую среду под поверхностью Земли, эти системы могут производить высококачественные культуры круглый год с минимальным воздействием на окружающую среду. Хотя проблемы остаются, постоянное развитие технологий и растущее осознание преимуществ устойчивого сельского хозяйства способствуют росту и внедрению подземных систем выращивания во всем мире. По мере того как население мира продолжает расти, а спрос на продукты питания увеличивается, подземные системы выращивания будут играть все более важную роль в обеспечении устойчивого и безопасного продовольственного будущего для всех.