Глобальные аппетиты и будущее сельского хозяйства.

Источник.

В стремительно изменяющемся климате всё острее встаёт вопрос продовольственного обеспечения. Недавно опубликованные оценки состояния западно-антарктического ледника Туэйтс, известного как «Ледник судного дня», позволяют предполагать, что в случае его обрушения уровень океана повысится на 65 см, а ожидается это уже к концу текущего столетия. Но не это самое интересное, а то, что в итоге его потеря может повлечь утрату всего ледяного покрова пятого континента, и тогда подъём воды составит уже более 3 метров.

Всё это неминуемо скажется на мировом запасе пресной воды и продовольственных отношениях. Множество исследований заняты сегодня как раз разработками наиболее продуктивных методов опреснения и очищения воды, и в этом свете наше будущее выглядит более-менее оптимистично. Однако о ситуации с сельхозпроизводством такого сказать нельзя.

К примеру, в среднем около 6 млн. га обрабатываемых земель в год выходят из оборота вследствие разрушения плодородного слоя (или, попросту говоря — по причине опустынивания), и ещё на более чем 20 млн. га в год наблюдается значительное снижение продуктивности. На восстановление же гумуса (того самого плодородного слоя) в пустынных областях может уходить от 70 до 150 лет. Помимо этого, существуют небезосновательные предположения, что человечеству уже в ближайшие 25 лет может потребоваться продуктов питания на 25 – 70% больше, чем сегодня (исследование оксфордских академиков «Сельское хозяйство в 2050 году: пересмотр целей для устойчивой интенсификации» от 2017 года). И это без учёта климатических изменений.

В сфере так называемой продовольственной безопасности исследования также ведутся, но сама эта тема пока стоит не так остро, как должна бы. Вернее, она словно бы притупляется существующим порядком вещей. Сегодня сельхозпредприятия всё более зависимы от кредитов, целей владеющих ими корпораций, политической обстановки (посмотрите как себя чувствует ещё недавно процветавшее европейское фермерство) и, конечно, от экономической составляющей в виде роста себестоимости продукции и снижения покупательской способности населения. Всё это делает изучение сельскохозяйственных культур и разработку более эффективных методов производства не особо популярными. Тем более, что эта сфера не изобилует опытными испытаниями со сколь бы то ни было скорыми результатами — всё-таки во многих случаях, чтобы удостовериться в результативности того или иного подхода, учёным нужно дать растениям время на полноценное развитие.

Однако и здесь есть подвижки. О беспочвенном выращивании уже давно идут разговоры и обсуждения всех «за» и «против». Но сегодня группа исследователей из Вагенингенского университета (Нидерланды) обращает наше внимание на системы вертикального земледелия (VFS), которое лишено многих спорных моментов беспочвенного метода.

Интеллектуальная динамическая VFS должна быть интегрирована с мониторингом и моделированием сельскохозяйственных культур, а также с селекцией, специализированной для данной среды, в непрерывный цикл обратной связи между этими областями, направленный на оптимизацию эффективности использования ресурсов, качества продукции и затрат на энергию. Источник.

Итак, как нетрудно догадаться, вертикальное земледелие представляет собой комплекс технологий по выращиванию культур в контролируемой среде помещений; на специально подготовленных стеллажах, расположенных друг над другом. Идея состоит в том, чтобы обеспечить интенсивное производство важнейших для здорового питания свежих фруктов и овощей. У такого подхода множество плюсов: температура, освещение, влажность и подкормки могут быть автоматизированы с учётом требований каждой (!) культуры; круглогодичное производство и многоэтажное распределение обусловливает намного большую эффективность площадей в сравнении с традиционным полевым земледелием; снижаются издержки на транспортировку и хранение готовой продукции, поскольку оборудовать такие фермы можно почти где угодно — от зданий до заброшенных шахт. Их можно делать в школах в качестве зелёных лабораторий, оборудовать под них грузовые контейнеры и вышедшие из эксплуатации технические сооружения. Да, кстати, исследователи также отмечают некоторую экономию пресной воды, свойственную описываемому методу.

«Самое большое преимущество систем вертикального земледелия заключается в том, что здоровую пищу можно выращивать гораздо ближе к потребителям в местах, где это невозможно иным способом: в мегаполисах, пустынях и в местах, где большую часть года холодно и темно, — говорит доктор Элиас Кайзер, первый автор статьи в журнале Frontiers in Science. — Самая большая проблема — это затраты, связанные с использованием электроэнергии».

Да, следует признать: данное решение является очень энергозатратным. Настолько, что это не даёт сделать его не только доступным, но и просто привлекательным. В попытках изменить это положение учёные из множества университетов объединили усилия под началом коллег из Вагенингена. Результаты, представленные в статье Frontiers in Science, показывают, что динамический контроль окружающей среды посредством датчиков и вычислительного моделирования вполне способен сделать вертикальное земледелие не просто возможным, но даже предпочтительным (для некоторых регионов) в роли системы обеспечения продовольственной безопасности будущего. Авторы на конкретных примерах показывают, как управление освещением, ориентированное на потребности конкретных культур, может сделать их более сильными и здоровыми при минимальном потреблении энергии.

Проливая свет на проблему

Решение нашлось в несоответствии постоянных условий окружающей среды, в которых работают многие существующие вертикальные системы, требующие много электроэнергии, с одной стороны, и биоритмами растений — с другой. Анализ данных показал, что в столь суровых условиях нет необходимости. Стоит только применить динамический контроль за окружающей средой со своевременно реагирующими мерами, и можно будет увеличить как рентабельность затеи, так и качество продукции — то есть выращиваемые растения и плоды станут более здоровыми.

«Нас мотивировали ритмы, которые растения демонстрируют как в суточной, так и в долговременной динамике развития, требующей регулярной корректировки условий выращивания для идеального управления их ростом, — рассказывает старший автор статьи, профессор Лео Марселис из Вагенингенского университета. — Мы разрабатываем стратегию, которая использует знания физиологии растений, новые методы зондирования и моделирования, а также новые сорта, специально выведенные для систем вертикального земледелия».

Поскольку условия окружающей среды довольно сильно влияют на биологические функции растений, создатели новой парадигмы системы вертикального земледелия наделили её возможностью управлять этими условиями. Таким образом, изменяя температуру, длину световых волн системы освещения и уровень углекислого газа в окружающем саженцы воздухе, вы можете направлять и регулировать их развитие.

Примеры динамических изменений в среде произрастания на разных этапах производственного цикла, а также в течение любого дня вегетационной фазы. Источник.

Кроме того, свои нюансы есть и в каждой отдельно взятой переменной этих условий. Так, в применении освещения как критически важного для фотосинтеза фактора, немаловажную роль играет его спектр. Дело в том, что разные длины световых волн по-разному влияют на разные растения. Помимо прямой эффективности такое положение позволяет также повысить результативность каждого милливатта затраченного электричества.

Для изучения этого вопроса авторы создали экспериментальную интеллектуальную модель освещения, которая помогла не только поддерживать способность растений к фотосинтезу на стабильном уровне в течение дня, но при этом ещё и снизила затраты на электроэнергию. Обнаружено, что такой в общем-то незатейливый подход к оптимизации интенсивности освещения сокращает энергозатраты на 12%.

«На вертикальной ферме можно точно контролировать все условия роста, что очень важно для оптимизации урожайности, качества и эффективности использования ресурсов, — говорит Марселис. — Однако техническая возможность поддерживать их постоянство не означает, что сохранение их постоянства является лучшим решением. После установления динамичного экологического контроля потребление энергии и затраты на неё могут быть существенно снижены, что повысит прибыльность и устойчивость вертикальных ферм».

Дальнейшие исследования показали, что предложенный экономичный алгоритм регуляции освещённости не оказывает вредного воздействия даже на рост растений с широкими листьями, которые конструктивно приспособлены для получения как можно большего количества света. Например, подопытный шпинат, часто выращиваемый дома на вертикальных фермах, не обнаруживает никакого отставания в развитии в сравнении с контрольными образцами, выращенными в обычных условиях. Мало того, такой эффект сохранялся даже при отключении предсказуемого режима, то есть в условиях нерегулярно меняющейся интенсивности освещения. Это даёт уже свои возможности в модификации энергообеспечения ферм, расположенных в местностях с зависящими от времени суток энерготарифами (Германия, Турция, Испания).

«Колебания цен на электроэнергию можно использовать в интересах систем вертикального земледелия, используя больше электроэнергии, когда она дешевле», — делает акцент Марселис.

Конечно, успехи в преодолении основной преграды — высокой энергозависимости — уже само по себе является очень большим и едва ли не главным шагом к воплощению продовольственной безопасности. Тем не менее, прежде чем такое вот вертикальное растениеводство сумеет накормить мир, учёным предстоит решить ещё множество важных задач, поэтому Кайзер предостерегает от излишнего оптимизма:

«Многие из предложенных решений не были протестированы в более крупных масштабах, которые представляют собой вертикальные фермы — они могли быть показаны на уровне отдельного растения, но ещё не на уровне всего посевного поля».

Однако то, что динамическое регулирование расхода воздуха, температуры и CO₂ сообразно потребностям возделываемых культур потенциально может предоставить возможности для минимизации затрат на электроэнергию, уже даёт фермерским хозяйствам (как мелким частникам, так и корпорациям) представление о будущем их отрасли. Да, первоначальные затраты могут быть довольно крупными: понадобятся оборудование, помещения и обученный персонал; датчики и программы (возможно даже нейромодели) для отслеживания и управления состоянием окружающей среды; новые специализированные сорта, адаптированные именно для вертикального земледелия, и многое другое.

И всё же, при всём этом, данное исследование позволяет говорить о реальности и рентабельности такого метода производства провизии. Например, качества тех же специальных сортов могли бы основываться не на надёжности или сроке хранения, а на улучшении питательных и вкусовых качеств, поскольку местное производство в защищённых условиях в этом случае обладает огромнейшим потенциалом.

Помимо прочего дополнительные исследования в этой сфере регулярно будут снабжать производителей новыми данными. Уж если от продовольственного развития зависит — ни много ни мало — 40% человечества уже ближайшего будущего (что такое 25 лет?!), так почему бы не считать эту проблему острой? Предстоит постоянно калибровать все эти переменные, балансировать между высококачественными и высокоурожайными культурами... Так что наука не оставит сельское хозяйство «на произвол судьбы», чтобы в этом изменчивом мире провианта всегда хватало на всех.

АРМК, по материалам Frontiers in Science.