12.5 أكوابونيكش عمودي

12-5-1 مقدمة

في حين يمكن النظر إلى الأحياء المائية على أنها جزء من حل عالمي لزيادة إنتاج الأغذية بطرق أكثر استدامة وإنتاجية، وحيث أصبح زراعة المزيد من الأغذية في المناطق الحضرية معترف بها الآن كجزء من حل الأمن الغذائي وأزمة الغذاء العالمية (كونيغ وآخرون 2016)، يمكن أن تصبح أنظمة أكوابونك نفسها أكثر إنتاجية واستدامة من خلال اعتماد تكنولوجيات بديلة للنمو والتعلم من التقنيات الناشئة مثل الزراعة العمودية والجدران المعيشية (خانداكر وكوتزن 2018). و بالإضافة إلى ذلك, يمكن إدماجها بشكل أفضل في المناطق الحضرية, من خلال كفاءتها في الفضاء.

في العالم المتقدم يتم وضع معظم النظم المائية في البيوت البلاستيكية من أجل التحكم في درجة الحرارة؛ في شمال أوروبا وأمريكا الشمالية على سبيل المثال، درجات الحرارة في فصل الشتاء باردة جدا في فصل الشتاء، وفي مناطق البحر الأبيض المتوسط مثل إسبانيا وإيطاليا والبرتغال واليونان وإسرائيل، تكون درجات الحرارة في الصيف دافئة للغاية. وهناك بالطبع العديد من المزايا الإضافية في زراعة الأغذية في البيوت المحمية الخاضعة للرقابة، مثل القدرة على تنظيم الرطوبة النسبية والسيطرة على حركة الهواء، والحجر الصحي للأسماك وكذلك النباتات من الأمراض والآفات، وربما القدرة على إضافة COSub2/sub، للمساعدة في نمو النباتات. ومع ذلك، يمكن لزراعة المنتجات في دفيئة أن ترفع التكاليف بسهولة من خلال (أ) التكاليف الرأسمالية للاحتباس الحراري (تقدير عام قدره 350/350 مليون دولار أمريكي) و (ب) البنية التحتية المرتبطة بها مثل ضوابط المناخ المحلي التي تشمل أنظمة التدفئة والتبريد والإضاءة. و علاوة على التكاليف الأولية لل بنية التحتية, هناك أيضا تكاليف محددة لإنتاج الدفيئة تشمل إمدادات الطاقة/الطاقة لأغراض التدفئة و التبريد فضلا عن الإضاءة.

تستخدم معظم الأنظمة المائية مثل نظام جامعة جزيرة فيرجن (UVI) (الشكل 12.1)، الذي صممه الدكتور جيمس راكوسي وزملاؤه، خزانات أو أسرة تنمو أفقية، تحاكي أنماط الزراعة البرية التقليدية لإنتاج الخضروات (Khandaker and Kotzen 2018). وبعبارة أخرى، يعتمد النظام على الصفوف/المصفوفات الأفقية للنباتات التي ترتفع عادة إلى مستوى الخصر بحيث يمكن الاضطلاع بمهام الإدارة المتصلة بالنباتات بسهولة. وقد نشأت تطورات موازية في تكنولوجيات الحوائط الحية و الزراعة العمودية في نفس الوقت تقريبا الذي تطورت فيه الأحياء المائية و كذلك في مرحلة المراهقة من التطور. وبالمثل، كما هو الحال في علم الأحياء المائية، ومع تزايد مشاركة الناس، هناك زيادة مصاحبة في النظم والتنمية التكنولوجية لزيادة الإنتاجية وخفض التكاليف. إن اقتران نظم النمو الرأسي (نظم الزراعة العمودية والجدران المعيشية) بدلاً من الأسرَّة الأفقية بخزانات الأسماك والترشيح يُحتمل أن يكون أحد الطرق الرئيسية لزيادة الإنتاجية حيث ينبغي أن يكون من الممكن زيادة عدد الخضروات المزروعة مقارنة بالأرقام المنتجة في أكوا بونيكش السرير الأفقي. تنتج أنظمة UVI المائية (الشكل 12.2) ما يقرب من 32 نبتة لكل متر مربع (الحافظ وآخرون 2008)، اعتمادا على الأنواع والصنف الذي يزرع، ولكن كما لاحظ Khandaker و Kotzen (2018)، يمكن زراعة ما يقرب من 96 نبتة لكل متر مربع «باستخدام عناصر من الخلف إلى الخلف من Terapia Urbana [1] نظام LW الذي يزيد عن ثلاثة أضعاف الكثافة

الشكل 12.2 رسم تخطيطي لنظام UVI نموذجي يوضح نسبة خزانات الأسماك/المرشحات\ خزانات زراعة النباتات وهي 2:1:5. وهذا يدل على أن أكبر مساحة تندرج ضمن النباتات وأنه في هذا المجال يمكن النظر في وفورات المساحة. (خانداكر وكوتزن 2018)

مقارنة مع نظام النمو الأفقي UVI ‘. وينبغي أن التقدير المحافظ على الأقل ضعف الحد الأقصى للمبلغ نمت في أسرة أفقية ل 64 النباتات/msup2/سوب. في تجربة مع الخس (Lactuca sativa L. السيرة الذاتية. ‘Little Gem ‘) باستخدام أسرة أفقية وأعمدة مزروعة بكثافات مماثلة، يشير تولياتوس وآخرون (2016) إلى أن «نظام الزراعة الرأسي (VFS) يقدم بديلاً جذاباً لنظم النمو المائي الأفقي (و) أنه يمكن تحقيق المزيد من الزيادات في الغلة من خلال دمج الإضاءة الاصطناعية في VFS ‘.

**أنظمة الزراعة العمودية (VFS) **

قبل أن نناقش المتطلبات المحددة للأنظمة الرأسية، نحتاج إلى مناقشة أنواع الأنظمة المتوفرة. في فس هناك ثلاثة أنواع عامة رئيسية (الشكل 12.3):

1 - سرير أفقي مكدس: بدلاً من وجود سرير نمو أفقي واحد فقط، يتم تكديس الأسرّة مثل الرفوف في طبقات. هذا الترتيب يعني أنه في المسببة للاحتباس الحراري، فإن السرير العلوي فقط سيواجه الضوء الطبيعي المباشر، ويجب توفير الضوء الإضافي على جميع المستويات. وعادة ما يتم توفير هذا من مباشرة تحت السرير تنمو أعلاه. ومن حيث المبدأ، يمكن أن يعني ذلك أن الأسرة المتنامية يمكن أن تكون مكدسة في أعلى مستوى يسمح به الدفيئة، ولكن بالطبع نمو الأشياء في الارتفاع يعني صعوبة أكبر في إدارة النظام بما في ذلك الزراعة والصيانة والحصاد، مما يتطلب مصاعد مقص وطاقة إضافية لضخ المياه الغنية بالمغذيات على جميع المستويات. وفقًا لـ Bright Agrotech (Storey 2015)، فإن ما يصل إلى أربعة مستويات مربحة وأي شيء فوق ذلك غير مربح. ويلاحظ Storey (2015) كذلك أن العمالة تزداد بنسبة 25% في المستويات الثاني والثالث والرابع عندما تكون هناك حاجة إلى رفع مقص (الشكل 12.3، المثال التوضيحي A).

الشكل 12-3 نظم الزراعة العمودية وترتيبات الإضاءة الخاصة بها

2 - أنظمة البرج العمودي (VTS): تتألف أنظمة البرج العمودي من الأنظمة التي تنمو النباتات في صفائف عمودية داخل حاوية أو سلسلة من وحدات مكدسة. اعتمادا على النظام، تزرع النباتات تواجه اتجاه واحد أو إذا، على سبيل المثال، يتم زرعها في شكل يشبه الأنبوب، ثم يمكن ترتيبها تواجه أي اتجاه. مثال على نظام الصفيف العمودي، حيث تزرع النباتات في اتجاه واحد هو Zipgrowsuptm/Sup التي إما معلقة أو مدعومة في الصفوف (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي B1). الصفوف بين حوالي 0.5 متر (20 بوصة). يحدث النمو بطريقة أكثر ثلاثية الأبعاد مع الأنظمة المكدسة أو في الأنظمة الأنبوبية التي تسمح لزراعة المزيد من النباتات، ولكن الإضاءة أكثر تعقيدًا (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي B2).

3 - المستويات المتدرجة: تحتوي هذه الأنظمة على أحواض نباتية صلبة أو متحركة. يستخدم SkyGreens VFS في سنغافورة نظام الحوض الصغير الدوارة الذي يتحرك الأحواض صعودا وإلى الضوء. الضوء الطبيعي الإضافي أكثر أهمية نحو الأعلى وأقل في الأسفل (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي C1). يتم وضع أنظمة الطبقة الأخرى بحيث يكون لكل طبقة واجهة دون عائق مع الضوء من الأعلى، سواء كان هذا الضوء الطبيعي من سقف الدفيئة أو الضوء الاصطناعي. ولكن هذه النظم يجب أن تكون منخفضة جدا حتى يتمكن الناس من الوصول إلى النباتات (الشكل 12.3، الرسم التوضيحي C2).

** جدران الحية**

الجدران الحية لم تستخدم بعد في أكوابونيكش إلا في عدد من النظم التجريبية مثل في جامعة غرينتش، لندن (خانداكر وكوتزن 2018). في حين أن معظم VFS تستخدم تقنية الأغشية المغذيات (NFT) تنمو القنوات أو كتل الصوف المعدني المغلفة، تستخدم LWs أحيانًا ركائز نوع التربة في الأواني أو الأحواض، والتي توفر وسط التأصيل. وفي حين أن هذا أمر جيد لزراعة نباتات الزينة والخضراوات والأعشاب، فإن أي إضافة للتربة إلى النظام قد تؤدي إلى تعقيد الطابع الميكروبي للنظام وتكون ضارة بالأسماك. ولكن هذا غير معروف ويتطلب البحث. تشير التجارب التي أجريت في جامعة غرينتش (Khandaker and Kotzen 2018) إلى أنه من خلال عدد من الركائز الخاملة الوحيدة التي تم اختبارها (بما في ذلك hydroleica والبيرلايت والقش والطحلب Sphagnum والصوف المعدني وألياف جوز الهند)، كانت ألياف جوز الهند ثم الصوف المعدني متفوقة من حيث اختراق الجذور ونمو الجذور في الخس (Lactuca sativa).

** عمودي ضد أفقي: العوامل الواجب مراعاتها **

و هناك أربعة جوانب رئيسية ينبغي أخذها في الاعتبار عند مقارنة فوائد النمو الرأسي) الإنتاجية و الاستدامة (بالمقارنة بالنمو الأفقي. هذه هي (1) الفضاء، (2) الإضاءة، (3) الطاقة و (4) تكاليف دورة الحياة.

1 - الفضاء

فوائد القدرة على النمو إنتاج عموديا، العودة إلى الوراء، تحتاج إلى أن تكون متوازنة مع مقدار المساحة المطلوبة لتوفير انتشار متساوي من الإضاءة فضلا عن مساحة الصف المطلوبة للإدارة والصيانة. يختلف عرض صف في الأنظمة المائية. وكما لوحظ، فإن نظام ZipGrowsuptm/Sup القياسي يبلغ حوالي 0.5 متر، بينما يتراوح عرض الصف المعتاد لزراعة الطماطم والخيار من 0.9 إلى 1.2 متر (Badgery-Parker and James 2010). قد تسمح زراعة النباتات الأصغر حجماً مثل الخس والأعشاب مثل الريحان بصفوف أضيق، ولكن بالطبع يجب أن يضمن عرض الصف عدم تعرض المنتجات للخطر من خلال نقل العناصر مثل العربات والمصاعد المقصية. وهناك قضية رئيسية مع النمو عموديا هو الصراع الذي يحدث بين وجود صفوف ثابتة والإضاءة الثابتة، والتي تحتاج إلى أن تكون موجودة في الصفوف بين واجهات الزراعة. وستعيق هذه الأضواء تحركات الناس وبالتالي يجب أن تكون الأضواء (1) جزءاً من الهيكل المتنامي أو (2) قابلة للسحب أو المنقولة، بحيث يمكن للعمال القيام بالمهام بسهولة، أو (3) تكون هياكل الزراعة منقولة وتبقى الأضواء ثابتة.

2 - الضوء

و يعتمد إنتاج الخضروات و النباتات الأخرى المسببة لل احتباس الحراري على ترتيبات مكانية محددة تسمح بالزراعة و الإدارة من خلال النمو ثم الحصاد. سيعتمد الترتيب المكاني على أنواع النباتات وأنواع الميكنة المثبتة. بالإضافة إلى ذلك، يعتمد النمو بكفاءة على ملحق ضوء إضافي من أنواع مختلفة، والتي لها إيجابيات وسلبيات خاصة بها. بشكل عام ما تفعله هذه الأضواء هو توفير أطوال موجية محددة لنمو النبات ولإنتاج الفاكهة أو الزهور. في حين أنها بسيطة نسبيا وأكثر شيوعا للنباتات الخفيفة بالتساوي نمت أفقيا، فمن أكثر تحديا لإضاءة سطح عمودي بالتساوي.

وفيما يتعلق بأنواع الإضاءة، انتقل العديد من المنتجين إلى أو يميلون إلى تركيب مصابيح LED (الثنائيات الباعثة للضوء)، بسبب عمرها الطويل، وتصل إلى 50،000 ساعة أو أكثر (غوبتا 2017)، وانخفاض متطلباتها من الطاقة وتخفيضها مؤخرا في التكلفة. لاحظ Virsile et al. في غوبتا (2017) أن معظم تطبيقات إضاءة LED في البيوت البلاستيكية تختار مجموعات الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء ذات كفاءة الفوتون العالية ولكن الضوء الأخضر والأبيض الذي يحتوي على كميات كبيرة من الأطوال الموجية الخضراء له تأثير فسيولوجي إيجابي على النباتات. ومع ذلك، فإن الجمع بين الأضواء الزرقاء والحمراء يخلق صورة أرجوانية رمادية، وهذا يعوق التقييم البصري لصحة النبات. نوع الأطوال الموجية المختارة معقد ويمكن أن يكون له فوائد في مراحل مختلفة من حياة النبات وحتى وفقا لأصناف، على سبيل المثال، الخس. الخس ذو الأوراق الحمراء، على سبيل المثال، تستجيب لإضاءة LED الزرقاء، مما يزيد من تصبغها (Virsile et al. في غوبتا 2017). بالإضافة إلى ذلك، يمكن للإضاءة الزرقاء LED تحسين الجودة الغذائية للخضروات الخضراء، والحد من محتوى النترات، وزيادة المواد المضادة للاكسدة والمركبات الفينولية وغيرها من المركبات المفيدة. الأطياف الخفيفة تؤثر أيضا على الذوق والشكل والملمس (Virsile et al. في غوبتا 2017). انخفضت تكاليف المصابيح بشكل كبير، ومع زيادة فعالية المصابيح، لذلك انخفض وقت العائد التعادل على الاستثمار (Bugbee in Gupta 2017).

توجد إضاءة أخرى بالطبع وهذا يشمل إضاءة الفلورسنت وإضاءة الهاليد المعدنية (MH) وإضاءة الصوديوم ذات الضغط العالي (HPS). يختلف نوع الإضاءة المستخدمة في الزراعة العمودية والجدران الحية اختلافًا كبيرًا حسب المقياس والموقع. مصابيح الفلورسنت المدمجة (CFLs) رقيقة نسبيا ويمكن أن تناسب بسهولة في المساحات الصغيرة، ولكنها تتطلب الصابورة الاستقرائي لتنظيم التيار من خلال الأنابيب. تستخدم المصابيح الضوئية فقط 20-30٪ من اللمبة المتوهجة وتستمر من ست إلى ثماني مرات أطول ولكنها أقل كفاءة بنسبة 50٪ تقريبًا من مصابيح LED. فهي إلى حد بعيد أرخص من ثلاثة أنواع رئيسية من أضواء تنمو. HPS تنمو تكنولوجيا الضوء أكثر من 75 سنة وهي راسخة للنمو تحت الزجاج، لكنها تنتج الكثير من الحرارة وبالتالي ليست مناسبة للزراعة العمودية والجدران الحية، حيث يحتاج الضوء إلى تسليمها قريبة جدا من النباتات. الحرارة التي تنتجها أضواء ليد تنمو، من ناحية أخرى، هو الحد الأدنى. ومع ذلك، فإن التكلفة أعلى من النوعين الآخرين، وهناك حاجة إلى حماية العين من أجل التعرض الطويل لمصابيح LED، حيث أن التعرض طويل الأمد للأطياف الضوئية يمكن أن يكون مدمراً للعيون. ترتيب وحدات فس سوف تملي ترتيب الإضاءة ولكن على العموم هذه مضاءة من قبل المصابيح. تعتمد طريقة إضاءة الجدران الحية على ارتفاع الجدار. كلما كان الجدار أطول كلما كان من الصعب تطبيق انتشار حتى عبر السطح، على الرغم من أنه تجدر الإشارة إلى أن عدد الأضواء المستخدمة يجب أن لا يختلف عن تلك المستخدمة في الأسرة تنمو الأفقي وإذا كان الجدار طويل القامة ثم الأضواء قد تحتاج إلى أن تكون متداخلة. وبما أن معظم الجدران الحية تقع لأغراض جمالية، يجب أن تبقى الإضاءة قدر الإمكان، بعيدًا عن الطريق والإضاءة يجب أن توفر ليس فقط الضوء الكافي لنمو النبات والصحة، ولكن أيضًا حتى تبدو النباتات جيدة (الشكل 12.4).

الشكل 12.4 يمكن إضاءة جدار حي بطول 4 أمتار وطوله 5 أمتار بشكل كاف مع ستة مصابيح تفريغ عالية الكفاءة. لاحظ أن هذه تم اختيارها ليس فقط لتوفير ضوء كاف للنمو ولكن أيضا بحيث النباتات في جدار المعيشة سوف تبدو جيدة. (جامعة غرينتش جدار المعيشة. المصدر: بنز كوتزن)

إن التقدم في تكنولوجيا LED، حيث يمكن هندسة ترددات الإضاءة وكثافتها لتناسب الأنواع والأصناف الفردية بالإضافة إلى دورات حياتها المختلفة يعني أن مصابيح LED ستصبح التكنولوجيا المفضلة في المستقبل القريب. و سيتعزز هذا بالإضافة إلى ذلك بإجراء تخفيضات في التكاليف.

3 - الطاقة

ومن المرجح أن تكون هناك حاجة إلى المزيد من الطاقة للإضاءة من أجل VFS وكذلك LWs حيث لا يمكن تحقيق الإضاءة الطبيعية على الأسطح العمودية. بالإضافة إلى ذلك، ستكون هناك حاجة إلى المزيد من طاقة الضخ للري، وهذا سيكون نسبة إلى ارتفاع VFS أو LWs.

4 - _التحليل المقارن لدورة الحياة _

في حين أن هناك العديد من الدراسات التي أجريت بشأن تحليل دورة حياة الأحياء المائية ومختلف جوانب النظم المائية، لا توجد دراسات مقارنة تقارن بين أكوابونيكش الرأسي والأفقي. و هذا ما زال يتعين القيام به. نحن نصل إلى نقطة حيث من المرجح أن تتطلب أكوابونيكش العمودي مزيدا من الاختبار والبحث وفي الوقت المناسب، ومن المرجح أن تصبح أكوابونيكش العمودي، الذي يربط بين أنظمة الزراعة العمودية أو أنظمة الجدران الحية مع خزانات الأسماك ووحدات الترشيح، أكثر تعميما، طالما أن هذه يمكن أن تكون مربحة و مستدامة.