تا سال 2050، انتظار می رود جمعیت جهان به 9/7 میلیارد نفر افزایش یابد و تغذیه آن چالش بزرگی خواهد بود. به دلیل توسعه صنعتی و شهرنشینی، ما هر روز زمین های قابل کشت زیادی را از دست می دهیم. در سال 2015، دانشمندان گزارش دادند که زمین در طول 40 سال گذشته یک سوم زمین های قابل کشت خود را از دست داده است. افزایش تقاضای مواد غذایی به دلیل افزایش جمعیت در کنار کاهش روزافزون زمین های زراعی یکی از بزرگترین چالش های پیش روی ما است. بسیاری بر این باورند که کشاورزی عمودی می تواند پاسخی برای این چالش باشد. آیا کشاورزی عمودی آینده کشاورزی است؟

کشاورزی عمودی چیست؟

کشاورزی عمودی عمل تولید غذا بر روی سطوح عمودی است. این روش به جای کشت سبزیجات و سایر غذاها در یک سطح، مانند مزرعه یا گلخانه، مواد غذایی را در لایه‌های عمودی روی هم تولید می‌کند که معمولاً در ساختارهای دیگر مانند آسمان‌خراش، کانتینر حمل‌ونقل یا انبار تغییر کاربری داده می‌شوند. با استفاده از فناوری کشاورزی محیط کنترل شده (CEA)، تکنیک های کشاورزی در محیط داخلی استفاده می شود. کنترل مصنوعی دما، نور، رطوبت و گازها، تولید غذا و دارو را در داخل ساختمان امکان پذیر می کند. هدف اولیه کشاورزی عمودی به حداکثر رساندن محصول در یک فضای محدود است.

کشاورزی عمودی چگونه کار می کند

سیستم های تعیین دوز مورد نیاز گیاه

یک رویکرد رایج در کشاورزی عمودی استفاده از یک سیستم تعیین دوز خودکار برای رساندن مواد مغذی به گیاهان و نظارت بر محلول غذایی است. سیستم‌های دوز خودکار به طور مداوم غلظت مواد مغذی مخزن، سطوح pH، EC و دمای آب را ارزیابی می‌کنند. در بیشتر موارد، سیستم دوز توسط پمپ های پریستالتیک به منبع مواد مغذی متصل می شود که دوز مورد نیاز مواد مغذی را مکیده و آنها را در مخزن توزیع می کند. کاوشگرهایی که در مخزن قرار می گیرند pH و EC را در زمان واقعی اندازه گیری می کنند، سپس در صورت لزوم چرخه دوز را مجدداً راه اندازی می کنند. وجود یک سیستم دوز خودکار به پرورش دهندگان این امکان را می دهد تا کنترل بیشتری بر محلول غذایی داشته باشند بدون اینکه نیازی به صرف زمان زیادی برای تثبیت pH، EC، مواد مغذی و دما داشته باشند. علاوه بر این، گیاهان با مقدار دقیقی از مواد مغذی تامین می‌شوند و از شوک گیاه یا توقف رشد جلوگیری می‌کنند.

سیستم های استریلیزاسیون

بهداشت برای رشد بهینه گیاهان و تضمین انطباق با مقررات بین المللی ایمنی مواد غذایی ضروری است. برای اطمینان از تولید محصولات بدون آفت کش در تمام طول سال، کشاورزی عمودی استراتژی‌های استریل‌سازی و ضدعفونی دقیق را انجام می‌دهد. استریل‌سازی را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلفی انجام داد، اما متداول‌ترین روش‌ها شامل ضدعفونی شیمیایی، استریلیزاسیون UV-C و استرلیزاسیون توسط ازن است.

بازپس گیری آب از رطوبت

به طور متوسط مزرعه عمودی که از روش های کشت هیدروپونیک، آئروپونیک و آکواپونیک استفاده می کند، 95 درصد آب کمتری نسبت به مزارع افقی مصرف می کند. علاوه بر این، بسیاری از مزارع عمودی مصرف آب خود را با بازپس گیری و بازیافت آب آبیاری کاهش می دهند. گیاهان به طور کلی بیشتر آب مورد نیاز خود را در طول فرآیند تعرق از دست می دهند و برخی از مزارع عمودی این آب را با استفاده از رطوبت گیر و تهویه مطبوع جمع آوری می کنند. آب جذب شده پس از فیلتر و تصفیه مجدد در فرآیند تولید مورد استفاده قرار می گیرد.

نورپردازی

در کشاورزی داخلی، نور طبیعی با نور مصنوعی جایگزین می شود، که به عنوان تنها منبع روشنایی محصول عمل می کند. رنگ، شدت و مدت نور همگی بر رشد و عملکرد گیاه تاثیر دارند. در کشاورزی عمودی، تحقیقات زیادی برای انتخاب بهترین منبع نور انجام می شود زیرا هر مرحله از رشد گیاه نیازمند روشنایی متفاوتی است. بسیاری از شرکت‌های روشنایی، فرمول‌های سبک را به کشاورزان عمودی ارائه می‌کنند و به آنها کمک می‌کنند تا بازدهی خود را به حداکثر برسانند. در حال حاضر سه نوع چراغ رشد در کشاورزی داخلی وجود دارد: چراغ های رشد فلورسنت، چراغ های سدیم فشار بالا (HPS) و چراغ های LED.

غنی سازی CO2

غلظت ایده آل CO2 برای کشاورزی در محیط داخلی حدود 1000 قسمت در میلیون تخمین زده می شود، با این حال، این سطوح به راحتی می تواند در طول تهویه و فتوسنتز به زیر 800 قسمت در میلیون برسد. دی اکسید کربن یک عنصر حیاتی برای فرآیند فتوسنتز است و حتی کوچکترین تغییرات در غلظت آن مستقیماً بر رشد و بهره وری گیاه تأثیر می گذارد. گزارش شده است که غنی سازی CO2 باعث رشد سریع گیاه و افزایش بهره وری گیاه می شود. انواع مختلفی از تکنیک‌های غنی‌سازی CO2 موجود است، از تکنیک‌های سنتی با تکنولوژی پایین تا تکنیک‌های مبتنی بر حسگر با تکنولوژی بالا.

گاز CO2

این روش مرسوم با سوزاندن پروپان یا گاز طبیعی با استفاده از مشعل های دی اکسید کربن CO2 تولید می کند. سیستم‌های HVAC جریان هوای CO2 را کنترل می‌کنند و توزیع یکنواخت گاز را در منطقه رشد تضمین می‌کنند.

CO2 فشرده

این تکنیک شامل تبدیل CO2 فشرده از حالت مایع به حالت گاز و تزریق گاز به محفظه رشد در یک دوره زمانی است. فشار گاز با استفاده از یک تنظیم کننده فشار کاهش می یابد.

مه پاش CO2

یکی از پیچیده‌ترین و مقرون‌به‌صرفه‌ترین روش‌های غنی‌سازی CO2 است، زیرا CO2 را مستقیماً به برگ‌های گیاه می‌رساند. به گفته وب سایت CO2 Delivery Solutions در این روش، CO2 به سیستم تزریق CO2 تزریق می شود که باعث حل شدن گاز و اشباع آب می شود. پس از اشباع شدن محلول دی‌اکسید کربن، مستقیماً به‌صورت ریز قطرات از طریق یک سیستم مه‌پاشی بالای سر، روی برگ‌های گیاه غبارآلود می‌شود. این روش مقدار CO2 مورد استفاده و هزینه های اضافی ناشی از غنی سازی CO2 را کاهش می دهد زیرا به تجهیزات اضافی مانند سیستم های HVAC نیاز ندارد.

رطوبت هوا

هنگام کاشت گیاهان در داخل فضای بسته، رطوبت عامل مهمی است که باید در نظر گرفته شود، زیرا میزان بخار آب موجود در هوا را نشان می دهد. به طور معمول، بیشتر محصولات زمانی رشد می کنند که سطح رطوبت بین 40 تا 50 درصد باشد و زمانی که در نوسان هستند دچار مشکل می شوند. سطوح پایین رطوبت مانع رشد گیاه می شود و کیفیت محصول را کاهش می دهد، در حالیکه سطوح بالا منجر به کاهش عملکرد و کیفیت می شود. رطوبت بسیار زیاد می تواند منجر به رشد قارچ شود که در صورت عدم درمان فوری می تواند منجر به از بین رفتن کامل محصول شود. بخار آب هنگام تعرق گیاهان آزاد می شود و می تواند در محیط رشد مزارع سرپوشیده تجمع پیدا کند که منجر به افزایش رطوبت می شود. مزارع عمودی برای کنترل سطح رطوبت خود به دستگاه های رطوبت گیر و سیستم های رطوبت گیر متکی هستند. سیستم های رطوبت زدایی رطوبت اضافی محیط رشد را حذف می کنند تا رطوبت نسبی و نقطه شبنم آن را کنترل کنند. علاوه بر این، محققان هلندی یک سیستم رطوبت زدایی ایجاد کردند که از تبخیر اضافی در هوا جلوگیری می کند. مزارع عمودی با بازیافت آب و رطوبت طبیعی خود می توانند حدود 10 درصد آب بیشتری نسبت به کشاورزی سنتی ذخیره کنند.

اینترنت اشیا

اینترنت اشیا در حال حاضر در بخش کشاورزی برای افزایش عملکرد، نظارت بر محصولات در هر زمان معین، و کارآمدتر کردن کشاورزی استفاده می‌شود. اینترنت اشیا کشاورزی عمودی را قادر می‌سازد تا محیط رشدی که در آن محصولات زیر کشت می‌شوند را کنترل کند، زیرا حسگرهای هوشمند به کار گرفته شده هر جزئیات را از رطوبت تا سطوح pH اندازه‌گیری می‌کنند و آن‌ها را در زمان واقعی به تولیدکنندگان منتقل می‌کنند.

حسگرها

حسگرها ستون فقرات اینترنت اشیا هستند زیرا ورودی های فیزیکی مانند گرما، روشنایی، رطوبت و غیره را اندازه گیری می کنند، آن را به داده تبدیل می کنند و به ابر مرکزی می فرستند، جایی که ماشین ها یا انسان ها آن را تفسیر می کنند. شبکه گسترده ای از حسگرهای اینترنت اشیا در مزارع عمودی استفاده می شود، از جمله سنسورهای CO2 برای نظارت و حفظ سطوح بهینه CO2، به ویژه در اتاقک در حال رشد و سنسورهای دما که شدت نور و دمای بیرون را اندازه گیری می کنند. سنسورهای محبوب دیگر عبارتند از سنسورهای رطوبت، سنسورهای pH، سنسورهای EC، سنسورهای مغناطیس سنج، سنسورهای کیفیت هوا و غیره.

چیدمان عمودی مزارع

بر خلاف کشاورزی در فضای باز، کشاورزی افقی سرپوشیده شامل کاشت محصولات در ردیف است. این نوع چیدمان که معمولاً در گلخانه ها یافت می شود، فضای زیادی را اشغال می کند. در مقابل، در سیستم های عمودی، محصولات در لوله های عمودی کاشته می شوند و با استفاده از قفسه های عمودی روی هم چیده می شوند. رشد عمودی گیاهان به کشاورزان این امکان را می دهد که محصولات بیشتری را در یک منطقه کوچکتر رشد دهند و آنها را قادر می سازد تا فضای موجود را به حداکثر برسانند و عملکرد را در هر فوت مربع زمین افزایش دهند. علاوه بر این، شرکت‌های مختلف فناوری با ساختن قفسه‌هایی که از فضای کمتری استفاده می‌کنند و فضا را به حداکثر می‌رسانند، نوآوری در زمینه کشاورزی عمودی را پیش می‌برند. به عنوان جایگزینی برای روش‌های کشت مبتنی بر خاک که معمولاً در کشاورزی افقی یافت می‌شود، مزارع عمودی از تکنیک‌های هیدروپونیک، آکواپونیک و آئروپونیک استفاده می‌کنند. گیاهان از طریق محیط های رشدی مانند گلوله های رسی، پرلیت، نارگیل و پشم سنگ حمایت فیزیکی می کنند. یک سیستم کارآمد از لوله ها و پمپ ها، آب و مواد مغذی را مستقیماً به ریشه گیاهان می رساند. علاوه بر این، این سیستم همچنین آب اضافی را گرفته و دوباره آن را به گیاهان بازگرداند. یکی دیگر از روش های رشد در سیستم های عمودی، آکواپونیک است که هیدروپونیک را با آبزی پروری ترکیب می کند تا گیاهان و ماهی های تازه تولید کند. در این روش گیاهان در محیط های رشد پرورش داده می شوند و آب و مواد غذایی از مخزن ماهی تامین می شود. این سیستم همچنین نیازی به کود ندارد و ضایعات ماهی توسط باکتری ها تجزیه شده و به مواد مغذی ضروری گیاه مانند نیتروژن و فسفر حل می شود.

مزایا و معایب کشاورزی عمودی

کشاورزی عمودی نویدهای زیادی دارد و شبیه مزرعه آینده است. با این حال، چند مانع وجود دارد که باید قبل از عجله کردن با سرعت کامل به سمت کشاورزی عمودی در نظر بگیرید.

مزایا

* طرحی برای رسیدگی به نیازهای غذایی آینده ارائه می دهد.
* این اجازه را می دهد تا محصولات در تمام طول سال رشد کنند.
* به طور قابل توجهی آب کمتری مصرف می کند.
* آب و هوا بر محصولات زراعی تأثیر نمی گذارد.
* می توان محصولات ارگانیک بیشتری کشت کرد.
* قرار گرفتن در معرض مواد شیمیایی و بیماری کمتر است.

معایب

* ساخت آن می تواند بسیار پرهزینه باشد و مطالعات امکان سنجی اقتصادی هنوز کامل نشده است.
* گرده افشانی بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود.
* هزینه های نیروی کار بالاتری را به همراه خواهد داشت.
* بیش از حد به فناوری متکی است و یک روز از دست دادن برق ویرانگر خواهد بود.

چرا کشاورزی عمودی؟

داشتن بازده بیشتر از سطح زیر کشت کوچک تنها مزیت کشاورزی عمودی نیست. در زیر برخی از مزایای عمده کشاورزی عمودی آورده شده است: آمادگی برای آینده: تا سال 2050، انتظار می رود حدود 68 درصد از جمعیت جهان در مناطق شهری زندگی کنند و رشد جمعیت منجر به افزایش تقاضا برای غذا خواهد شد. استفاده کارآمد از کشاورزی عمودی ممکن است نقش مهمی در آماده شدن برای چنین چالشی.

افزایش تولید محصول در تمام طول سال

کشاورزی عمودی به ما امکان می دهد محصولات بیشتری را از همان متر مربع از منطقه رشد تولید کنیم. در واقع، یک هکتار از یک منطقه داخلی تولیدی معادل حداقل 4-6 هکتار از ظرفیت فضای باز را ارائه می دهد. طبق یک برآورد مستقل، یک ساختمان 30 طبقه با مساحت پایه 5 هکتار به طور بالقوه می تواند معادل 2400 هکتار تولید کند. علاوه بر این، تولید محصول در تمام طول سال در یک محیط داخلی کنترل شده امکان پذیر است که به طور کامل توسط فناوری های کشاورزی عمودی کنترل می شود.

استفاده کمتر از آب در کشت

کشاورزی عمودی به ما امکان می دهد محصولاتی با 70٪ تا 95٪ آب کمتر از آنچه برای کشت معمولی لازم است تولید کنیم. همچنین، محصولات یک مزرعه می توانند تحت تأثیر بلایای طبیعی مانند باران های سیل آسا، طوفان ها، سیل یا خشکسالی های شدید قرار گیرند. مزارع عمودی سرپوشیده کمتر احتمال دارد که فشار هوای نامساعد را احساس کنند و اطمینان بیشتری از محصول برداشت در طول سال فراهم می‌کنند.

افزایش تولید محصولات ارگانیک

از آنجایی که محصولات در یک محیط داخلی کاملاً کنترل شده و بدون استفاده از آفت کش های شیمیایی تولید می شوند، کشاورزی عمودی به ما اجازه می دهد تا محصولات ارگانیک و بدون آفت کش ها را پرورش دهیم. دوستدار انسان و محیط زیست: کشاورزی عمودی در فضای داخلی می تواند به طور قابل توجهی خطرات شغلی مرتبط با کشاورزی سنتی را کاهش دهد. کشاورزان در معرض خطرات مربوط به تجهیزات سنگین کشاورزی، بیماری هایی مانند مالاریا، مواد شیمیایی سمی و غیره نیستند. از آنجایی که برای حیوانات و درختان مناطق داخلی مزاحمت ایجاد نمی کند، برای تنوع زیستی نیز مفید است.

محدودیت های کشاورزی عمودی

در کشاورزی عمودی اقتصاد ثابتی وجود ندارد

امکان سنجی مالی این روش جدید کشاورزی نامشخص است. با این حال، با رشد صنعت و بهبود فناوری، وضعیت مالی در حال تغییر است. به عنوان مثال، استارت‌آپ کشاورزی داخلی Bowery مستقر در نیوجرسی در دسامبر 2018 اعلام کرد که 90 میلیون دلار بودجه جدید جذب کرده است. در سال 2017، Plenty، یک تولید کننده عمودی در ساحل غربی، سرمایه گذاری 200 میلیون دلاری از سافت بانک را اعلام کرد.

مشکلات گرده افشانی

کشاورزی عمودی در یک محیط کنترل شده بدون حضور حشرات انجام می شود. به این ترتیب، فرآیند گرده افشانی باید به صورت دستی انجام شود که کار فشرده و پرهزینه خواهد بود.

هزینه های نیروی کار

به همان اندازه که هزینه های انرژی در کشاورزی عمودی بالا است، هزینه های نیروی کار به دلیل تمرکز آنها در مراکز شهری که دستمزدها بالاتر است و همچنین نیاز به نیروی کار ماهرتر می تواند حتی بالاتر باشد. با این حال، اتوماسیون در مزارع عمودی ممکن است منجر به نیاز به کارگران کمتر شود. گرده افشانی دستی ممکن است به یکی از کارکردهای پر زحمت در مزارع عمودی تبدیل شود.

وابستگی بیش از حد به فناوری

توسعه فناوری های بهتر همیشه می تواند کارایی را افزایش دهد و هزینه ها را کاهش دهد. اما کل کشاورزی عمودی به شدت به فناوری های مختلف برای روشنایی، حفظ دما و رطوبت وابسته است. از دست دادن برق فقط برای یک روز می تواند برای یک مزرعه عمودی بسیار پرهزینه باشد.