地下种植研究：培育未来粮食生产

随着全球人口持续扩张，可耕地日益稀缺，创新的粮食生产方法至关重要。地下种植，包括地下农场、地窖储存及其他相关技术，为可持续和高效农业提供了一个引人注目的解决方案。本文深入探讨了新兴的地下种植研究领域，探索其潜在益处、挑战以及塑造其未来的突破性创新。

地下农业的前景

与传统耕作方法相比，地下种植在面对气候变化和资源限制时具有众多优势。

强化的环境控制

最重要的益处之一是能够对生长环境进行更严格的控制。地下空间自然提供：

• 稳定的温度：地下温度比地表温度更稳定，减少了霜冻或热浪等极端天气事件对作物造成的损害风险。这在气候多变的地区尤为重要。例如，冰岛和加拿大等北方气候区的地窖几个世纪以来一直被用来在严冬储存作物。
• 湿度管理：受控的湿度水平可以最大限度地降低真菌病害的风险并优化植物生长。现代地下农场通常利用复杂的气候控制系统，根据每种作物的具体需求微调湿度水平。
• 减少病虫害：封闭的环境最大限度地减少了与病虫害的接触，从而减少了对杀虫剂和除草剂的需求。这意味着更健康的作物和更低的环境影响。

优化的资源利用

地下种植可以显著提高资源效率：

• 减少用水量：闭环灌溉系统可以回收水分，最大限度地减少水资源浪费，保护宝贵资源，尤其是在干旱和半干旱地区。通常位于地下的垂直农场，与传统农业相比，可减少高达95%的用水量。
• 能源效率：可以利用地热能来调节温度，减少对化石燃料的依赖，并降低粮食生产的碳足迹。在冰岛这样拥有丰富地热资源的国家，地下农场已经在利用这种清洁能源为其运营提供动力。
• 土地保护：地下农场释放了宝贵的地表土地用于其他用途，如保护、住房或基础设施。这在土地稀缺的人口稠密城市地区尤其重要。

全年生产

与通常受季节限制的传统农业不同，地下种植可以实现全年作物生产。这确保了无论外部天气条件如何，都能持续供应新鲜农产品。这在生长季节较短的地区尤为重要，如斯堪的纳维亚或阿拉斯加，在这些地区冬季新鲜农产品的获取可能受到限制。

地下种植技术：多样化的格局

地下种植领域涵盖了一系列技术，每种技术都有其独特的优势和应用。

地下农场

这些是建在地下的专用设施，通常位于改造后的矿井、隧道或洞穴中。它们利用受控环境农业（CEA）技术来优化生长条件。

• 采矿作业区：废弃的矿井提供了现成且通常广阔的地下空间，适合大规模农业。矿井内稳定的温度和湿度使其成为种植各种作物的理想选择。例如，在英国，已有项目探索将废弃矿井改造为蘑菇农场。
• 隧道和掩体：最初为交通或军事目的建造的隧道和掩体可以改造用于地下农业。这些结构提供了一个安全且受控的环境，保护作物免受外部威胁。
• 定制设施：专为农业生产设计的专用地下农场。这些设施通常集成了最先进的技术，如LED照明、水培和自动化环境控制系统。

地窖储存

地窖储存是一种将收获的作物储存在地下空间以延长其保质期的传统方法。该技术依靠自然的温度和湿度调节来保存农产品，而无需冷藏。

• 传统地窖：这些通常是建在地下或山坡上的简单结构。它们依靠地球的自然隔热来维持凉爽湿润的环境。地窖已被各种文化使用了几个世纪，在冬季提供了重要的食物来源。
• 现代地窖：现代地窖可能会采用改进的隔热、通风和湿度控制系统，以进一步提高其效能。

地下温室

建在地面以下的温室提供增强的隔热和温度稳定性，延长了生长季节并减少了能源消耗。这些结构在寒冷气候中尤其有益。

• Walipini（地下温室）：Walipini，或称地下温室，是一种源于南美洲安第斯山脉的传统农业技术。它利用地球的自然热量创造一个温暖且有遮蔽的环境来种植作物，即使在气候恶劣的高海拔地区也是如此。
• 覆土式温室：这些结构部分或完全埋在地下，提供出色的隔热和防风雨保护。

地下种植的关键研究领域

持续的研究对于优化地下种植技术和释放其全部潜力至关重要。

LED照明优化

人工照明对于地下农场至关重要，因为自然阳光有限或不存在。研究重点是开发节能的LED照明系统，为各种作物提供最佳的光谱和光照强度。

• 光谱调控：不同波长的光以不同方式影响植物的生长和发育。研究正在探索最佳的光谱比例，以最大限度地提高产量、营养成分和风味。
• 能源效率：开发更节能的LED照明系统对于降低地下农场的运营成本至关重要。
• 光线分布：优化生长空间内的光线分布，确保所有植物都能获得充足的光照。

营养管理与输送

高效的营养管理对于最大限度地提高作物产量和减少环境影响至关重要。研究重点是开发可持续和精确的营养输送系统。

• 水培和气培：这些无土栽培技术可以精确控制营养输送，最大限度地减少浪费并最大化养分吸收。
• 有机营养液：研究正在探索使用源自堆肥、蚯蚓粪和其他可持续来源的有机营养液。
• 养分回收：闭环养分回收系统可以最大限度地减少养分浪费并减少对外部投入的需求。

环境控制系统

复杂精密的的环境控制系统对于维持地下农场的最佳生长条件至关重要。研究重点是开发更高效和可持续的系统。

• 气候建模：先进的气候模型可用于预测生长空间内的环境条件并优化控制策略。
• 自动化和传感器：自动化系统和传感器可以实时监控和调整环境参数，确保最佳生长条件。
• 地热能整合：将地热能整合到环境控制系统中，可以显著减少能源消耗并降低地下农场的碳足迹。

针对地下环境的作物优化

并非所有作物都同样适合地下种植。研究重点是识别和培育在这些受控环境中茁壮成长的品种。

• 光照需求：选择光照需求较低的作物或培育对低光照条件更耐受的品种，对地下农场至关重要。绿叶蔬菜、香草和蘑菇通常因其相对较低的光照需求而非常适合地下种植。
• 空间限制：地下农场常采用垂直农业技术以最大限度地利用空间。选择适合垂直生长的作物非常重要。
• 抗病性：选择抗病品种对于最大限度地降低地下农场受控环境中作物损失的风险至关重要。

挑战与考量

尽管地下种植潜力巨大，但仍面临一些需要解决的挑战。

初始投资成本

建立地下农场的初始投资成本可能很高，特别是对于专用设施。改造现有的地下空间，如矿井或隧道，可以帮助降低这些成本。

能源消耗

虽然地下农场与传统农业相比可能更节能，但它们仍然需要能源用于照明、通风和环境控制。利用可再生能源，如太阳能或地热能，可以帮助最大限度地减少碳足迹。

可达性与物流

进入地下农场可能具有挑战性，特别是对于大规模运营而言。高效的物流和运输系统对于将作物和物资运入运出设施至关重要。

公众认知与接受度

一些消费者可能因对卫生或安全的担忧而对地下种植的食物持保留态度。教育公众了解地下种植的好处并确保高标准的食品安全，对于获得消费者的接受至关重要。

全球地下种植倡议案例

地下种植倡议正在全球范围内获得关注，展示了这种创新粮食生产方法的可行性。

• Growing Underground（英国伦敦）：位于伦敦街道下方的废弃二战防空洞中，Growing Underground 使用水培技术生产各种绿叶蔬菜和香草。
• Plant Chicago（美国芝加哥）：坐落于一家前肉类加工厂内，Plant Chicago 整合了鱼菜共生和其他可持续农业实践，在城市环境中种植食物。虽然并非完全在地下，但它利用建筑的基础设施创造了一个受控的生长环境。
• Deep Roots（加拿大蒙特利尔）：该项目探索利用蒙特利尔市中心下方的废弃隧道进行都市农业的潜力。
• Underground Mushroom Farms (Various Locations): 蘑菇种植特别适合地下环境，因为该作物对光照要求低。世界各地有许多地下蘑菇农场，通常设在改造后的矿井或洞穴中。

地下种植的未来

地下种植为粮食生产的未来带来了巨大希望，为应对日益增长的全球人口和气候变化的挑战提供了一个可持续且高效的解决方案。随着研究的不断深入和技术变得更加经济实惠，地下农场很可能会变得越来越普遍，尤其是在城市地区和可耕地有限的地区。

在太空探索中的潜在应用

地下种植技术也正在被探索用于太空探索的潜在应用。地下农场的受控环境可以为前往月球或火星的长期任务中的宇航员提供可持续的食物来源。

可行的见解

对于有兴趣探索地下种植的个人和组织，请考虑以下几点：

• 从小处着手：尝试地窖储存或小规模地下温室，以获得技术经验和理解。
• 研究本地资源：确定您所在地区可用于改造为农场的潜在地下空间，如废弃的矿井或隧道。
• 与专家合作：与研究人员、农业工程师和其他专家合作，开发和实施地下种植项目。
• 倡导政策支持：鼓励政府制定支持可持续农业（包括地下种植）发展的政策。

结论

地下种植不仅仅是一种小众的农业技术；它代表了我们对待粮食生产方式的范式转变。通过利用受控环境的力量和优化资源利用，地下农场可以为所有人创造一个更可持续、更有韧性和更具粮食安全的未来。