Введение

Практика выращивания сельскохозяйственных культур в вертикально расположенных ярусах.

Вертикальное земледелие – это практика выращивания сельскохозяйственных культур в вертикально расположенных ярусах. Оно часто включает в себя сельское хозяйство в контролируемой среде, направленное на оптимизацию роста растений, и безпочвенные методы выращивания, такие как гидропоника, аквапоника и аэропоника. Деспомье и его студенты разработали проект фермы в небоскребе, способной обеспечить продовольствием 50 000 человек. Хотя проект еще не реализован, он успешно популяризировал идею вертикального земледелия. Существуют различные способы внедрения систем вертикального земледелия в сообществах, например, в Пейнтоне, Израиле, Сингапуре, Чикаго, Мюнхене, Лондоне, Японии.

Основным преимуществом использования технологий вертикального земледелия является повышение урожайности при меньшей площади земли. Еще одним востребованным преимуществом является возможность одновременного выращивания большего разнообразия культур, поскольку они не занимают одни и те же участки земли во время роста. Кроме того, культуры защищены от погодных катаклизмов благодаря размещению в помещении, что снижает потери урожая из-за экстремальных или неожиданных погодных условий. Наконец, благодаря ограниченному использованию земли вертикальное земледелие оказывает меньшее негативное воздействие на местные растения и животных, способствуя сохранению местной флоры и фауны. Технологии вертикального земледелия сталкиваются с экономическими трудностями, связанными с высокими первоначальными затратами по сравнению с традиционными фермами. Они не позволяют выращивать все виды культур, но могут быть экономически эффективными для высокоценных продуктов, таких как листовые овощи. Вертикальные фермы также предъявляют высокие требования к энергопотреблению из-за использования дополнительного освещения, например, светодиодов. Здания также нуждаются в превосходном контроле температуры, влажности и водоснабжения. Более того, если для удовлетворения этих потребностей в энергии используется невозобновляемая энергия, вертикальные фермы могут производить больше загрязнений, чем традиционные фермы или теплицы.

Типы

Термин "вертикальное земледелие" был введен Гилбертом Эллисом Бейли в 1915 году в его книге "Вертикальное земледелие". Его понимание этого термина отличается от современного – он писал о земледелии с особым интересом к происхождению почвы, содержанию в ней питательных веществ и рассматривал растительную жизнь как "вертикальные" формы жизни, особенно в связи с их подземными корневыми системами. В современном использовании термин "вертикальное земледелие" обычно относится к выращиванию растений слоями, будь то в многоэтажном небоскребе, переоборудованном складе или морском контейнере.

Небоскребы смешанного назначения

Небоскребы смешанного назначения были предложены и построены архитектором Кеном Йенгом. Йенг утверждает, что вместо герметично изолированного массового производства сельскохозяйственной продукции, растения следует выращивать на открытом воздухе в небоскребах смешанного назначения для регулирования климата и обеспечения потребления. Эта концепция вертикального земледелия ориентирована на личное или общественное использование, а не на крупномасштабное производство и распределение с целью обеспечения продовольствием всего города.

Небоскребы Деспомье

Эколог Диксон Деспомье утверждает, что вертикальное земледелие оправдано с экологической точки зрения. Он полагает, что выращивание растений в небоскребах потребует меньше затраченной энергии и приведет к меньшему загрязнению, чем некоторые способы производства растений на естественных ландшафтах. Переход к вертикальным фермам, по мнению Деспомье, позволит сельскохозяйственным землям вернуться в естественное состояние (то есть к лесам), что поможет смягчить последствия изменения климата. Более того, он утверждает, что природные ландшафты слишком загрязнены для нормального сельскохозяйственного производства. Вертикальное земледелие также снизит некоторые риски, связанные с вредителями и болезнями растений. Концепция вертикальной фермы Деспомье возникла в 1999 году в Колумбийском университете и предполагает массовое выращивание растений в коммерческих целях в небоскребах.

Складываемые контейнеры

Несколько компаний разработали системы из штабелируемых переработанных морских контейнеров для использования в городских условиях. Морские контейнеры служат стандартизированными модульными средами для выращивания растений. Штабелирование контейнеров позволяет добиться более высокой плотности урожайности на квадратный фут. Однако, штабелированные контейнеры создают проблему эффективного и экономичного доступа к верхним уровням. Brighterside Consulting разработала полноценную автономную контейнерную систему. Freight Farms производит "Greenery" – комплексную систему "от фермы до стола", оснащенную вертикальной гидропоникой, светодиодным освещением и интуитивно понятным климат-контролем, встроенным в морской контейнер размером 12 м × 2,4 м. Podponics построила вертикальную ферму в Атланте, состоящую из более чем 100 штабелируемых "гропод", но, по сообщениям, обанкротилась в мае 2016 года. Аналогичная ферма строится в Омане. TerraFarms предлагает систему из 40-футовых морских контейнеров, включающую компьютерное зрение, интегрированное с искусственной нейронной сетью для мониторинга растений, и осуществляемую дистанционно из Калифорнии. Заявляется, что система TerraFarm "достигла сопоставимости затрат с традиционным земледелием", при этом каждый модуль производит эквивалент "от трех до пяти акров земли", используя на 97% меньше воды благодаря системе сбора и повторного использования воды, а также конденсации испаряющейся влаги с помощью кондиционирования воздуха. По состоянию на 2017 год система TerraFarm находилась в коммерческой эксплуатации.

В заброшенных шахтах

Вертикальное земледелие в заброшенных шахтах называется "глубинным земледелием" и предлагается использовать стабильные подземные температуры и расположение вблизи или непосредственно в городских районах. Оно также сможет использовать находящиеся поблизости грунтовые воды, что позволит снизить стоимость водоснабжения фермы.

Технология

Освещение может быть естественным или с помощью светодиодов. По состоянию на 2018 год эффективность коммерческих светодиодов составляла около 28%, что поддерживает высокую стоимость продукции и не позволяет вертикальным фермам конкурировать в регионах с обилием дешевых овощей. Затраты на электроэнергию можно снизить, поскольку не требуется полноспектральный белый свет. Вместо этого красный, синий или фиолетовый свет можно генерировать, потребляя меньше электроэнергии.

История

Один из первых рисунков высокого здания, предназначенного для выращивания продуктов питания, был опубликован в журнале Life в 2009 году. Воспроизведенные рисунки изображают вертикально расположенные фермерские усадьбы среди сельскохозяйственного ландшафта. Эта идея представлена в книге Рема Колхаса «Ошеломляющий Нью-Йорк». Колхас писал, что эта концепция заключается в том, что «небоскреб – это утопическое устройство для создания неограниченного количества новых территорий в условиях городской застройки».

Загрязнение

В зависимости от используемого метода производства электроэнергии, продукция, выращенная в теплицах, может создавать больше парниковых газов, чем продукция, выращенная в открытом поле, главным образом из-за более высокого энергопотребления на килограмм продукции. Вертикальные фермы требуют значительно больше энергии на килограмм продукции по сравнению с обычными теплицами, в основном из-за повышенного освещения. Объем производимых выбросов зависит от способа получения энергии. В теплицах обычно повышают уровень CO2 в три-четыре раза по сравнению с атмосферным. Это увеличение CO2 повышает скорость фотосинтеза на 50%, что способствует увеличению урожайности. Некоторые теплицы сжигают ископаемое топливо исключительно для этой цели, поскольку другие источники CO2, например, отходящие газы из печей, содержат загрязняющие вещества, такие как диоксид серы и этилен, которые наносят значительный вред растениям. В гидропонных теплицах воду регулярно меняют, в результате чего образуется вода, содержащая удобрения и пестициды, которые необходимо утилизировать. Наиболее распространенный способ распространения этих сточных вод на соседние сельскохозяйственные земли или заболоченные территории был бы затруднен для городской вертикальной фермы.

Преимущества

Многие из потенциальных преимуществ вертикального земледелия (VF) достигаются за счет масштабирования методов гидропонного или аэропонного выращивания. Исследование 2018 года оценило стоимость четырех экосистемных услуг, предоставляемых существующей растительностью в городских районах, в размере около 33 миллиардов долларов США в год. Количественная модель исследования спрогнозировала ежегодное производство продуктов питания в 100–180 миллионов тонн, экономию энергии в диапазоне от 14 до 15 миллиардов киловатт-часов, секвестрацию азота от 100 000 до 170 000 тонн и сокращение стока ливневых вод на 45–57 миллиардов кубических метров в год. Производство продуктов питания, фиксация азота, экономия энергии, опыление, регулирование климата, формирование почвы и биологический контроль вредителей могут оцениваться в сумму до 80–160 миллиардов долларов США в год.

Снижение потребности в сельскохозяйственных угодьях

По оценкам, к 2050 году население мира увеличится на 3 миллиарда человек, и около 80% будут проживать в городских районах. Вертикальные фермы обладают потенциалом снизить или полностью устранить потребность в создании новых сельскохозяйственных земель.

Увеличение производства сельскохозяйственных культур

В отличие от традиционного сельского хозяйства в нетропических районах, в помещениях можно выращивать урожай круглый год. Всесезонное земледелие увеличивает производительность обрабатываемой площади в 4-6 раз, в зависимости от культуры. Для таких культур, как клубника, этот показатель может достигать 30. Кроме того, поскольку урожай потребляется там, где он выращен, транспортировка на большие расстояния с сопутствующими задержками должна снизить порчу, заражение и энергозатраты. Во всем мире около 30% урожая теряется из-за порчи и заражения, хотя в развитых странах этот показатель значительно ниже. Если учитывать круглогодичные культуры и многоярусные системы выращивания, 30-этажное здание с основанием в виде строительного блока может дать годовой урожай, сопоставимый с урожаем традиционного сельского хозяйства. Производительность VF в основном не зависит от погодных условий, хотя землетрясения и торнадо все еще представляют угрозу. Проблема неблагоприятных погодных условий особенно актуальна для арктических и субарктических регионов, таких как Аляска и северная Канада, где традиционное земледелие в значительной степени невозможно. Продовольственная незащищенность – давняя проблема в отдаленных северных общинах, где свежие продукты приходится доставлять на большие расстояния, что приводит к высоким затратам и недостаточному питанию. Контейнерные фермы могут обеспечивать свежими продуктами круглый год по более низкой цене, чем доставка из более южных регионов, и ряд таких ферм уже работает в таких местах, как Черчилль (Манитоба) и Уналаска (Аляска). Как и в случае с перебоями в выращивании сельскохозяйственных культур, местные контейнерные фермы также менее уязвимы к сбоям, чем длинные цепочки поставок, необходимые для доставки традиционно выращенной продукции в отдаленные общины. Цены на продукты в Черчилле значительно выросли после наводнений в мае и июне 2017 года, которые привели к закрытию железнодорожной линии – единственного постоянного сухопутного сообщения между Черчиллем и остальной частью Канады.

Сохранение

До 20 единиц сельскохозяйственных земель на единицу ВФ могут вернуться к естественному состоянию благодаря увеличению производительности ВФ. Таким образом, вертикальное земледелие позволит сократить площадь используемых сельскохозяйственных угодий, что приведет к сохранению многих природных ресурсов. Можно будет избежать обезлесения и опустынивания, вызванных расширением сельскохозяйственных угодий за счет природных биомов. Производство продуктов питания в закрытых помещениях снижает или исключает традиционную вспашку, посадку и сбор урожая с использованием сельскохозяйственной техники, что способствует защите почвы и сокращению выбросов.

Нехватка ресурсов

Нехватка компонентов удобрений, таких как фосфор, представляет угрозу для промышленного сельского хозяйства. Замкнутая система вертикальных ферм минимизирует потери питательных веществ, в то время как в традиционном полевом земледелии питательные вещества теряются из-за стока и вымывания.

Массовое вымирание

Для решения проблемы антропогенного массового вымирания видов может потребоваться вывод человеческой деятельности с больших территорий суши. Традиционное сельское хозяйство нарушает жизнь диких популяций и может быть неэтичным при наличии жизнеспособной альтернативы. Одно исследование показало, что численность лесных мышей снизилась с 25 до 5 особей на гектар после уборки урожая, при этом по оценкам, при традиционном земледелии гибнет 10 животных на гектар ежегодно. В сравнении с этим, вертикальное фермерство наносит минимальный вред дикой природе.

Здоровье человека

Традиционное сельское хозяйство – опасная профессия, которая часто негативно сказывается на здоровье фермеров. Эти риски включают в себя: воздействие инфекционных агентов, таких как малярия и шистосомы, а также почвенных микробов, отравление токсичными пестицидами и фунгицидами, столкновения с дикими животными, например, ядовитыми змеями, и травмы, которые могут быть получены при работе с крупногабаритной сельскохозяйственной техникой. VF снижает некоторые из этих рисков.

Городской рост

Вертикальное земледелие, используемое в сочетании с другими технологиями и социально-экономическими практиками, может позволить городам расширяться, оставаясь при этом в значительной степени самообеспеченными продовольствием. Это позволит крупным городским центрам расти, не испытывая недостатка в продовольствии.

Планы

Разработчики и местные власти в ряде городов выразили заинтересованность в создании вертикальных ферм: Инчхон (Южная Корея), Абу-Даби (Объединенные Арабские Эмираты), Донгтан (Китай), Нью-Йорк, Портленд (Орегон), Лос-Анджелес, Лас-Вегас, Сиэтл, Суррей (Британская Колумбия), Торонто, Париж, Бангалор, Дубай, Шанхай и Пекин. В 2009 году первая в мире пилотная производственная система была установлена в Paignton Zoo Environmental Park в Соединенном Королевстве. Этот проект продемонстрировал возможности вертикального земледелия и предоставил платформу для проведения исследований в области устойчивого городского производства продуктов питания. Продукция используется для кормления животных в зоопарке, а проект позволяет оценить эффективность систем и служит образовательным ресурсом для продвижения изменений в нерациональных методах землепользования, которые негативно влияют на глобальное биоразнообразие и экосистемные услуги.

В 2010 году Зеленый сионистский альянс предложил резолюцию на 36-м Всемирном сионистском конгрессе с призывом к Кэрен Кайемет Л'Исраэль (Еврейскому национальному фонду в Израиле) развивать вертикальные фермы в Израиле. В 2012 году в Сингапуре была открыта первая в мире коммерческая вертикальная ферма, разработанная компанией Sky Greens Farms, высотой в три этажа. В настоящее время компания располагает более чем 100 башнями высотой 9 метров. В 2013 году в Мюнхене (Германия) была основана Ассоциация вертикального земледелия (AVF). К маю 2015 года AVF расширилась, создав региональные отделения по всей Европе, Азии, США, Канаде и Соединенному Королевству. Эта организация объединяет производителей и изобретателей для повышения продовольственной безопасности и устойчивого развития. AVF специализируется на продвижении технологий, дизайна и бизнеса в области вертикального земледелия путем проведения международных информационных дней, семинаров и саммитов.