Підземні системи вирощування: Комплексний посібник із підземного сільського господарства

Оскільки світове населення продовжує зростати, а орні землі зменшуються через урбанізацію, зміну клімату та нестійкі сільськогосподарські практики, необхідні інноваційні рішення для забезпечення продовольчої безпеки. Підземні системи вирощування, також відомі як підземне сільське господарство або глибоке фермерство, пропонують перспективний підхід до максимізації використання ресурсів, зменшення впливу на довкілля та виробництва високоякісних культур у контрольованому середовищі. Цей комплексний посібник досліджує різні аспекти підземних систем вирощування, від їхніх основних принципів і технологій до переваг, викликів та потенціалу для майбутнього.

Що таке підземні системи вирощування?

Підземні системи вирощування передбачають культивування рослин у закритих або напівзакритих підземних середовищах. Ці системи використовують стабільну температуру, вологість та умови освітлення, що існують під поверхнею Землі, для оптимізації росту рослин та мінімізації зовнішніх впливів навколишнього середовища. На відміну від традиційного сільського господарства, яке покладається на сонячне світло та умови відкритого повітря, підземне вирощування використовує штучне освітлення, системи клімат-контролю та методи доставки поживних речовин для створення ідеального середовища для розвитку рослин.

Концепція підземного сільського господарства не є абсолютно новою. Історично льохи та підземні сховища використовувалися для тривалого зберігання продуктів. Однак сучасні підземні системи вирощування є значним прогресом, що інтегрує передові технології та наукові знання для досягнення цілорічного виробництва врожаю з підвищеною ефективністю та стійкістю.

Типи підземних систем вирощування

Існує кілька типів підземних систем вирощування, кожен зі своїми перевагами та застосуваннями. Ці системи можна загалом класифікувати за їхнім дизайном, технологією та методами культивації:

1. Підземні теплиці

Підземні теплиці, також відомі як заглиблені або котлованні теплиці, є частково або повністю заглибленими спорудами, які використовують теплову масу Землі для регулювання температури. Ці теплиці пропонують кілька переваг, зокрема:

• Енергоефективність: Навколишній ґрунт діє як природний ізолятор, зменшуючи потреби в опаленні та охолодженні.
• Зменшений вплив на довкілля: Нижче споживання енергії означає менший вуглецевий слід.
• Захист від екстремальних погодних умов: Підземні теплиці менш вразливі до сильних вітрів, сильного снігу та інших суворих погодних явищ.

Підземні теплиці можуть бути збудовані з різних матеріалів, включаючи бетон, дерево та пластикову плівку. Зазвичай вони мають прозорі або напівпрозорі дахові матеріали для проникнення природного світла, яке за необхідності доповнюється штучним освітленням.

Приклад: У холодних регіонах Канади та Скандинавії підземні теплиці використовуються для продовження вегетаційного періоду та вирощування культур, які інакше неможливо було б вирощувати на відкритому повітрі.

2. Підземні вертикальні ферми

Підземні вертикальні ферми — це багатоярусні системи вирощування, які використовують штучне освітлення, гідропоніку, аеропоніку або аквапоніку для культивування рослин у контрольованому середовищі. Ці ферми пропонують кілька переваг у порівнянні з традиційним сільським господарством та підземними теплицями:

• Висока врожайність: Вертикальне розташування максимізує використання простору, дозволяючи отримувати значно вищі врожаї з квадратного метра порівняно з традиційним фермерством.
• Цілорічне виробництво: Контрольовані умови навколишнього середовища дозволяють безперервно вирощувати врожай, незалежно від зовнішніх погодних умов.
• Зменшене споживання води: Гідропонні та аеропонні системи рециркулюють воду, мінімізуючи її втрати.
• Мінімальне використання пестицидів: Контрольоване середовище зменшує ризик появи шкідників та хвороб, мінімізуючи потребу в пестицидах.

Підземні вертикальні ферми зазвичай розташовуються в покинутих шахтах, тунелях або спеціально побудованих підземних спорудах. Вони вимагають складних систем клімат-контролю, освітлення та доставки поживних речовин для підтримки оптимальних умов вирощування.

Приклад: Компанія Growing Underground у Лондоні, Великобританія, використовує покинуті бомбосховища часів Другої світової війни для вирощування листової зелені та трав, постачаючи їх до місцевих ресторанів та ринків.

3. Контейнерні підземні ферми

Контейнерні підземні ферми передбачають використання переобладнаних транспортних контейнерів або інших модульних конструкцій для створення самодостатніх середовищ для вирощування. Ці системи пропонують кілька переваг, зокрема:

• Мобільність: Контейнерні ферми можна легко транспортувати та розгортати в різних місцях.
• Масштабованість: Кількість контейнерів можна легко збільшувати або зменшувати відповідно до виробничих потреб.
• Контрольоване середовище: Контейнери можна обладнати системами клімат-контролю, освітлення та доставки поживних речовин для створення оптимальних умов вирощування.

Контейнерні підземні ферми можуть бути розташовані в підвалах, тунелях або інших підземних просторах. Вони особливо добре підходять для міських умов, де простір обмежений.

Приклад: Кілька компаній у Сполучених Штатах розробляють контейнерні підземні ферми для міського виробництва продуктів харчування, використовуючи відновлювані джерела енергії для живлення систем.

Технології, що використовуються в підземних системах вирощування

Підземні системи вирощування покладаються на низку технологій для створення та підтримки оптимальних умов вирощування. До цих технологій належать:

1. Штучне освітлення

Оскільки в підземних середовищах відсутнє природне сонячне світло, штучне освітлення є необхідним для фотосинтезу. Світлодіодне (LED) освітлення є найпоширенішим вибором завдяки своїй енергоефективності, тривалому терміну служби та здатності випромінювати світло певної довжини хвилі, що сприяє росту рослин. Різні довжини хвиль світла можуть використовуватися для стимуляції різних стадій розвитку рослин, таких як вегетативний ріст або цвітіння.

Приклад: Дослідники експериментують з різними спектрами світлодіодного освітлення для оптимізації поживного складу листової зелені, вирощеної на підземних фермах.

2. Системи клімат-контролю

Підтримання стабільної температури та рівня вологості є вирішальним для росту рослин. Для регулювання цих параметрів використовуються системи клімат-контролю, включаючи опалення, вентиляцію та кондиціонування повітря (HVAC). Осушувачі повітря також можуть використовуватися для запобігання грибковим захворюванням.

Приклад: Геотермальна енергія може використовуватися для живлення систем клімат-контролю на підземних фермах, що ще більше зменшує їхній вплив на довкілля.

3. Гідропоніка, аеропоніка та аквапоніка

Ці безґрунтові методи культивації зазвичай використовуються в підземних системах вирощування для доставки поживних речовин безпосередньо до коренів рослин. Гідропоніка передбачає вирощування рослин у поживних водних розчинах, тоді як аеропоніка — розпилення поживних розчинів на корені рослин, підвішені в повітрі. Аквапоніка інтегрує аквакультуру (вирощування риби) з гідропонікою, використовуючи рибні відходи як джерело поживних речовин для рослин.

Приклад: Гідропонні системи широко використовуються на підземних вертикальних фермах для вирощування листової зелені, трав та овочів з мінімальним споживанням води.

4. Системи доставки поживних речовин

Автоматизовані системи доставки поживних речовин забезпечують отримання рослинами точної кількості необхідних їм поживних речовин на кожному етапі розвитку. Ці системи можна запрограмувати на регулювання рівня поживних речовин залежно від росту рослин та умов навколишнього середовища.

Приклад: Датчики можуть використовуватися для моніторингу рівня поживних речовин у гідропонних розчинах та автоматичного регулювання подачі поживних речовин для підтримки оптимальних концентрацій.

5. Датчики та автоматизація

Датчики використовуються для моніторингу різних параметрів навколишнього середовища, таких як температура, вологість, інтенсивність світла та рівень поживних речовин. Ці дані потім використовуються для автоматизації різних процесів, таких як регулювання освітлення, вентиляції та доставки поживних речовин.

Приклад: Автоматизовані системи поливу можна запрограмувати на полив рослин залежно від рівня вологості ґрунту, запобігаючи перезволоженню або недостатньому поливу.

Переваги підземних систем вирощування

Підземні системи вирощування пропонують широкий спектр переваг у порівнянні з традиційним сільським господарством та іншими формами сільського господарства в контрольованому середовищі:

1. Підвищення врожайності

Контрольовані умови навколишнього середовища та оптимізована доставка поживних речовин призводять до значно вищих врожаїв на квадратний метр порівняно з традиційним фермерством. Техніки вертикального фермерства ще більше покращують використання простору.

2. Зменшення споживання води

Гідропонні, аеропонні та аквапонні системи рециркулюють воду, мінімізуючи її відходи. Підземні середовища також зменшують випаровування, що додатково заощаджує воду.

3. Мінімальне використання пестицидів

Контрольоване середовище зменшує ризик появи шкідників та хвороб, мінімізуючи потребу в пестицидах. Це призводить до вирощування більш здорових та стійких культур.

4. Цілорічне виробництво

Підземні системи вирощування не залежать від зовнішніх погодних умов, що дозволяє безперервно вирощувати врожай протягом усього року. Це забезпечує стабільне та надійне постачання продуктів харчування.

5. Зменшення транспортних витрат

Підземні ферми можуть розташовуватися в міських районах, близько до споживачів, що зменшує транспортні витрати та викиди вуглецю, пов'язані з транспортуванням продуктів із сільських ферм.

6. Ефективність використання ресурсів

Підземні системи вирощування можуть використовувати покинуті шахти, тунелі та інші підземні простори, перепрофільовуючи існуючу інфраструктуру та зменшуючи потребу в новому будівництві. Вони також можуть живитися від відновлюваних джерел енергії, що ще більше зменшує їхній вплив на довкілля.

7. Стійкість до зміни клімату

Підземні системи вирощування менш вразливі до впливу зміни клімату, такого як екстремальні погодні явища, посухи та коливання температури. Це робить їх цінним інструментом для забезпечення продовольчої безпеки в умовах мінливого клімату.

8. Біобезпека

Контрольоване середовище підземних ферм дозволяє посилити заходи біобезпеки, захищаючи врожай від зовнішнього забруднення та забезпечуючи безпеку харчових продуктів.

Виклики підземних систем вирощування

Незважаючи на численні переваги, підземні системи вирощування також стикаються з кількома викликами:

1. Високі початкові інвестиційні витрати

Створення підземної системи вирощування вимагає значних капіталовкладень в інфраструктуру, обладнання та технології. Це може стати перешкодою для дрібних фермерів та підприємців.

2. Споживання енергії

Штучне освітлення та системи клімат-контролю можуть споживати значну кількість енергії. Вплив підземних ферм на довкілля залежить від джерела енергії, що використовується для живлення цих систем.

3. Технічна експертиза

Експлуатація підземної системи вирощування вимагає спеціалізованих знань та навичок у таких галузях, як гідропоніка, клімат-контроль та автоматизація. Кваліфіковану робочу силу може бути важко знайти та утримати.

4. Обмежене розмаїття культур

Не всі культури добре підходять для вирощування в підземних системах. Необхідні дослідження для визначення та оптимізації методів культивації для ширшого асортименту культур.

5. Сприйняття громадськістю

Деякі споживачі можуть вагатися приймати їжу, вирощену в підземних умовах, сприймаючи її як неприродну або штучну. Для вирішення цих проблем необхідні освітні та інформаційні заходи.

6. Регуляторні перешкоди

Регулювання підземних систем вирощування все ще розвивається. Необхідні чіткі та послідовні правила для забезпечення безпеки харчових продуктів та екологічної стійкості.

Застосування підземних систем вирощування

Підземні системи вирощування мають широкий спектр потенційних застосувань:

1. Міське виробництво продуктів харчування

Підземні ферми можуть розташовуватися в міських районах, забезпечуючи свіжими, місцевими продуктами міське населення. Це зменшує транспортні витрати та покращує продовольчу безпеку.

2. Продовольча безпека в суворих умовах

Підземні системи вирощування можуть використовуватися для виробництва їжі в районах з обмеженими орними землями, екстремальним кліматом або обмеженим доступом до води. Це може покращити продовольчу безпеку в цих регіонах.

3. Космічні дослідження

Підземні системи вирощування можуть використовуватися для виробництва їжі в космосі, забезпечуючи астронавтів стійким джерелом харчування під час довготривалих місій. NASA наразі досліджує використання підземних систем вирощування для цієї мети.

4. Фармацевтичне виробництво

Підземні системи вирощування можна використовувати для виробництва лікарських рослин та фармацевтичних препаратів у контрольованому середовищі, забезпечуючи постійну якість та чистоту.

5. Дослідження та розробки

Підземні системи вирощування забезпечують контрольоване середовище для проведення досліджень з фізіології рослин, потреб у поживних речовинах та боротьби зі шкідниками. Це може призвести до нових інновацій у сільському господарстві.

Майбутнє підземних систем вирощування

Майбутнє підземних систем вирощування виглядає багатообіцяючим. З розвитком технологій та зниженням витрат ці системи стають все більш доступними та економічно життєздатними. Кілька тенденцій формують майбутнє підземного сільського господарства:

1. Автоматизація та робототехніка

Використання автоматизації та робототехніки ще більше зменшить витрати на робочу силу та підвищить ефективність на підземних фермах. Роботи можуть використовуватися для таких завдань, як посадка, збір врожаю та боротьба зі шкідниками.

2. Штучний інтелект (ШІ)

ШІ можна використовувати для оптимізації умов вирощування, прогнозування врожайності та раннього виявлення шкідників і хвороб. Це призведе до більш ефективного та сталого виробництва врожаю.

3. Інтернет речей (IoT)

Датчики IoT можуть використовуватися для моніторингу різних параметрів навколишнього середовища в режимі реального часу, надаючи цінні дані для оптимізації умов вирощування. Доступ до цих даних можна отримати віддалено, що дозволяє здійснювати дистанційний моніторинг та керування підземними фермами.

4. Інтеграція відновлюваних джерел енергії

Інтеграція відновлюваних джерел енергії, таких як сонячна та геотермальна, ще більше зменшить вплив підземних систем вирощування на довкілля.

5. Диверсифікація культур

Необхідні дослідження для визначення та оптимізації методів культивації для ширшого асортименту культур, що зробить підземні системи вирощування більш універсальними та адаптованими.

6. Залучення громади

Залучення місцевих громад до проєктів підземного фермерства може сприяти продовольчій безпеці, створювати робочі місця та навчати громадськість сталому сільському господарству.

Висновок

Підземні системи вирощування пропонують перспективне вирішення проблем продовольчої безпеки, дефіциту ресурсів та зміни клімату. Використовуючи стабільні умови та контрольоване середовище, що знаходяться під поверхнею Землі, ці системи можуть виробляти високоякісні культури цілий рік з мінімальним впливом на довкілля. Хоча проблеми залишаються, постійний технологічний прогрес та зростаюча обізнаність про переваги сталого сільського господарства стимулюють зростання та впровадження підземних систем вирощування по всьому світу. Оскільки світове населення продовжує зростати, а попит на їжу збільшується, підземні системи вирощування готові відігравати все більш важливу роль у забезпеченні сталого та безпечного продовольчого майбутнього для всіх.