Динамический контроль окружающей среды может трансформировать системы вертикального земледелия. Автор: Kaiser et al/Frontiers
Чтобы убедиться, что все хорошо питаются в нашем переполненном мире, нам нужно внедрять инновации. Системы вертикального земледелия, которые интенсивно выращивают растения в закрытых помещениях, могут стать частью ответа, но для их масштабного использования нам нужно преодолеть ключевые проблемы, особенно управление энергоемким и дорогим светом, необходимым растениям для роста.
Теперь ученые показывают, как манипулирование светом в соответствии с потребностями конкретных культур может заставить их расти сильнее и здоровее, сводя к минимуму потребление энергии.
«Самое большое преимущество вертикальных фермерских систем заключается в том, что здоровую пищу можно выращивать гораздо ближе к потребителям в местах, где это невозможно сделать иным образом: в мегаполисах, пустынях и местах, где большую часть года холодно и темно», — сказал доктор Элиас Кайзер, первый автор статьи в журнале Frontiers in Science. «Самая большая проблема — это расходы, связанные с использованием электроэнергии».
Проливая свет на проблему
Многие вертикальные фермерские системы работают с использованием постоянных условий окружающей среды, которые требуют большого количества дорогостоящего электричества для обслуживания. Анализ ученых показывает, что эти требовательные условия не нужны: используя динамический контроль окружающей среды, предполагают они, мы можем достичь вертикального фермерства, которое является более рентабельным и которое выращивает более здоровые растения.
«Нас мотивировали ритмы, которые растения демонстрируют в течение дня, а также в ходе развития, что требует регулярной корректировки среды их выращивания для идеального управления их ростом», — сказал профессор Лео Марселис из Университета Вагенингена, старший автор.
«Мы намечаем стратегию, которая использует знания физиологии растений, новые методы зондирования и моделирования, а также новые сорта, специально выведенные для вертикальных систем земледелия».
Поскольку биологические функции растений в значительной степени зависят от условий окружающей среды, таких как изменения температуры, длины волн света и количество CO2 в атмосфере, манипулирование средой позволяет вертикальной системе земледелия манипулировать развитием растений.
Освещение является важнейшей переменной; оно необходимо всем растениям для фотосинтеза, и разные длины волн света оказывают разное воздействие на разные растения. Эта переменная также особенно чувствительна к ценам на электроэнергию, поэтому предлагает возможности для повышения эффективности.
«Колебания цен на электроэнергию можно использовать в интересах вертикальных систем земледелия, используя больше электроэнергии, когда она дешевле», — объяснил Марселис.
Авторы создали модель для тестирования интеллектуального освещения, которое направлено на поддержание способности растений к фотосинтезу на протяжении дня, при этом снижая расходы на электроэнергию. Они обнаружили, что алгоритм оптимизации может сократить расходы на электроэнергию на 12%, не ставя под угрозу фиксацию углерода растениями, просто изменяя интенсивность света.
Затем они проверили, влияет ли изменение интенсивности света на рост листовых растений, таких как шпинат, которые часто выращиваются на вертикальных фермах, и обнаружили, что негативного эффекта не было. Это оставалось верным даже тогда, когда растения подвергались нерегулярно меняющейся интенсивности света, а не предсказуемому, регулярному шаблону.
Семена будущего
Другие критические вопросы еще предстоит решить, прежде чем вертикальное земледелие сможет помочь накормить мир.
«Многие из предлагаемых решений не были протестированы в более крупных масштабах, которые представляют собой вертикальные фермы — они могли быть показаны на уровне отдельного растения, но еще не на уровне всего посева», — предупредил Кайзер.
Динамическая регулировка скорости воздушного потока, температуры и CO2 в соответствии с потребностями растений может потенциально предложить возможности для минимизации расходов на электроэнергию. Фермерам понадобятся подходящие датчики и модели, которые помогут им контролировать и регулировать окружающую среду, а также новые сорта, выведенные для вертикального земледелия.
Эти сорта могут использовать потенциал местного производства в защищенных условиях, чтобы сосредоточиться на лучших питательных и сенсорных качествах, а не на прочности или сроке хранения. Требуются дополнительные исследования, чтобы откалибровать все эти переменные и найти правильный баланс между высококачественными и высокоурожайными культурами.
«В вертикальной ферме все условия роста можно точно контролировать, что очень важно для оптимизации урожайности, качества и эффективности использования ресурсов», — сказал Марселис.
«Однако техническая возможность поддержания их постоянными не означает, что поддержание их постоянными — лучшее решение. После того, как будет установлен динамический контроль окружающей среды, как потребление энергии, так и затраты на используемую энергию могут быть существенно сокращены, что увеличит прибыльность и устойчивость вертикальных ферм».
Дополнительная информация: Вертикальное земледелие становится динамичным: оптимизация эффективности использования ресурсов, качества продукции и затрат на энергию, Frontiers in Science (2024). DOI: 10.3389/fsci.2024.1411259
Информация о журнале: Frontiers in Science
Предоставлено Frontiers
