Съвременни тенденции при оранжерийното земеделие

Няма съмнение, че оранжерийната индустрия се развива с голяма скорост. В условията на нарастващо глобално търсене на храна, което се очаква да запази растяща тенденция в бъдеще, изглежда че за производителите от оранжерийното земеделие ще става все по-важно да използват пълноценно ресурсите, с които разполагат. Благодарение на напредъка в технологиите, широко познатата традиционна оранжерия вече може да се трансформира в прецизно контролирана среда за отглеждане на култури, на която фермерите могат да разчитат, за да постигнат подобрени добиви и печалби. Автоматизацията и роботиката също предлагат все повече решения за заместване на човешкия труд в оранжериите. Допълващо направление в новостите е внедряване на екологични решения, свързани с рециркулация на ресурсите за устойчиво оранжерийно производство на по-здравословна храна. В настоящата статия ще разгледаме тенденции и иновации, които се очертава да оформят бъдещето на оранжерийното земеделие.

Текст: списание АгроБио Техника

Настоящата глобална тенденция към нарастване на населението, съчетана с развиващите се потребителски навици, увеличаващото се търсене и разхищението на храна, оказва безпрецедентен натиск върху селскостопанските системи и природните ресурси. В резултат на това едно от най-големите предизвикателства, с които човечеството ще се сблъска през 21-ви век, е снабдяването с храна. В светлината на отбелязаните тенденции оранжерийното земеделие се очертава като един от най-динамичните и бързо развиващи се първични производствени сектори. Причината е, че защитените и контролирани системи за отглеждане, т.е. оранжериите, са много подходящо място за оптимизиране на производствените системи и установяване на контрол върху условията и ресурсите. Към оранжериите директно могат да бъдат приложени повечето технологии и техники за прецизно земеделие, както и други иновации, с цел увеличаване на добивите от относително малки площи и подобряване качеството на продукцията.

Големият напредък в технологиите като анализ на големи данни, роботи, дистанционно наблюдение, интернет на нещата, системи за подпомагане на вземането на решения и изкуствен интелект преобразиха селскостопанския сектор. В оранжерийния сектор тези технологии помагат на фермерите да увеличат печалбите и добивите си, като същевременно минимизират производствените разходи, произвеждат по по-екологичен начин и смекчават рисковете, причинени от изменението на климата.

Автоматизация и роботика

Нарастващите разходи за труд и осезаемия недостиг на опитни и образовани кадри са насърчили разработване и внедряване на механизация и роботика в оранжерийната индустрия. Днес на пазара е на разположение широка гама оборудване за автоматизирано и роботизирано извършване на основни задачи като засаждане, вътрешен транспорт, сортиране, опаковане и т.н. Човешкият ръчен труд обикновено е необходим за прибиране на реколтата. По време на първата и последната фаза на производствения цикъл позицията, формата, размерът и другите характеристики на растението са относително добре дефинирани и еднакви. По тази причина в същите фази е достатъчно да се прилага основна автоматизация, базирана на механични решения с използване на малко сензори и ограничена изчислителна мощност. Не така стоят нещата при прибирането на реколтата. Там процесите се автоматизират много по-трудно, тъй като позицията, формата, размерът и цветът на продуктите варират значително и следователно са необходими високотехнологична механизация, роботика или мехатронни системи. Тези системи разчитат на повече сензори и по-големи изчислителни мощности, като в крайна сметка имитират интелигентността и ефективната координация око-ръка при хората. Предвид нарастващият натиск върху оранжерийните производители да подобрят ефективността на производството си, както основната автоматизация, така и високотехнологичната роботика ще имат важно бъдеще в отглеждането на култури в контролирана среда.

Прецизно земеделие и сензорни технологии

Тъй като качеството на продукта и ефективното използване на енергийните и водните ресурси стават критични, информацията за вземане на решения е изключително важна. Тази верига от информационен поток, която води до контрол, започва със сензорни техники за получаване на данни за конкретните процеси. В тази връзка терминът прецизно земеделие се отнася до област, в която сензорната технология носи нови възможности, които решават стари проблеми. Целите на прецизното земеделие са да се увеличи производството на единица площ, като същевременно се намалят използваните ресурси (човекочасове, вода, енергия, пестициди и торове). В прецизното земеделие, интегрирането на сензорно-контролерни технологии и IoT приложения може да доведе до значително повишаване на ефективността. Комбинирането между събиране на първични данни чрез безжични сензорни мрежи и тяхната обработка от системи за подпомагане вземането на решения, може да намали изразходваните ресурси, да предскаже разпространението на вредители, да допринесе за предотвратяване на заболявания и в крайна сметка да оптимизира производството. Резултатът е подобрено управление, по-добро качество на храната и по-ниски разходи.

Сензорните техники в оранжерии обхващат отчитане на слънчевата радиация, измерване на съдържанието на влага в почвата, проследяване на степента на вентилация, отчитане на твърдостта на плодовете и измерване на воден стрес чрез наблюдение на вариациите в диаметъра на стъблото и температурата на листата. Друга нова техника за отчитане в оранжерийното градинарство се основава на измерване на органични летливи компоненти, отделяни от растението, когато настъпят промени в здравословното и метаболитното състояние на културата. В ход са много проучвания за наблюдение на състоянието на растенията почти в реално време, чрез отчитане на физиологични процеси като транспирация или фотосинтеза, така че информацията да може да се използва своевременно за вземане на решения за подходящ контрол върху условията. Идеята е, че самите растения дават ключова информация за ефективен контрол на производството. Тази тема за „говорещото растение“ се обсъжда от много дълго време, а сега чрез сензорните технологии има повече възможности за „вслушване“ в растенията.

Иновации за енергийна ефективност

Европейската градинарска индустрия има за цел да бъде климатично неутрална до 2050 г. Граничният регион между Белгия и Нидерландия, където градинарската индустрия се счита за водеща, също е дом на  иновации за високотехнологична оранжерийна индустрия. В рамките на финансирания от Европейския съюз проект GLITCH, със съвместни усилия на различни заинтересовани страни, там бяха разработени редица високотехнологични иновации за подобряване на енергийната ефективност и устойчивостта на оранжерийното производство. Създадени бяха възможности за справяне със сложното напрежение между търсенето на храна и нежеланото въздействие върху околната среда от нейното производство.

Проектът GLITCH се изпълняваше от юни 2018г. до средата на 2021г. от 12 белгийски и нидерландски компании и научни институти, които разработиха приложими решения в съответствие с предизвикателствата за поддържане на конкурентоспособна оранжерийна индустрия, в синхрон с целите за устойчивост относно енергоспестяването и неутралния отпечатък върху климата. Сред иновациите е намаляване на използването на земя и енергия чрез прилагане на четирипластова система за отглеждане на ягоди. Енергийно ефективни системи за култивиране с многослойно отглеждане на оранжерийни култури може значително да увеличат гъстотата на растенията на квадратен метър и също така да ускорят култивирането. Освен това, такава система за култивиране не изисква допълнителна консумация на енергия в режимите на отопление, а търсенето на CO2 от растенията нараства на квадратен метър почвена повърхност. Прилагането на тази техника може да доведе до 25% намаляване на CO2 в сравнение с конвенционалните култури.

Друга иновация е използването на CO2 от димни газове. Съдържанието на CO2 в димните газове вече може да се използва в оранжерията като източник на въглерод за растенията. Гарантираното качество на въздуха по време на въвеждането на дози CO2 е от решаващо значение за предотвратяване на инхибиране на растежа и загуба на реколта, респективно - загуба на енергия. Когато производителят може да следи качеството на въздуха, CO2 може безопасно да се черпи от димните газове, например от инсталация за комбинирано производство на електрическа и топлинна енергия. Това води до значително намаляване на емисиите на CO2, а съответните устройства за наблюдение на качеството на въздуха в оранжериите вече са достъпни в търговската мрежа.

Още едно иновативно решение, представено в рамките на проекта, е използването на нощни екрани за енергиен баланс. Иновацията се състои в интелигентно комбиниране на екрани с различни свойства на отразяване на топлината. Целта на екранната система е отоплението в оранжерията да може да бъде изключено през нощта. Използват се топлоотразителни фолиа, така че преносът на топлина в оранжерията се моделира като функция от различните свойства на отразяване от екраните.

Намаляване на водния отпечатък чрез технологията на поливане

Има нарастваща загриженост относно количеството и качеството на наличната вода. В тази връзка в бъдеще ще е необходимо да се изчислява „водният отпечатък“ (литър използвана вода за килограм добив), за да се оцени устойчивостта на даден продукт. Решенията за оптимизирано използване на вода в оранжериите несъмнено ще са част от бъдещето на оранжерийното производство, предвид екологичните изисквания, нарастването на цената на водата и свързаната с това необходимост от пестене на вода, с оглед постигане на конкурентна способност на сектора. Не цялата вода от водоизточника достига до кореновата зона на растенията. Част от нея се губи при транспортиране през каналите, при просмукване в почвата и оттичане. Така ефективността на водния транспорт в клоновете на напоителната система на оранжерията може да е едва 50%.

В оранжерийното отглеждане има много налични системи за напояване, но капковото напояване, позволява по-голяма прецизност. То използва помпа, която насочва водата за напояване към растенията чрез поредица от тръби и капкообразуватели, доставящи водата директно в основата на растението. Така се постига необходимата точност, важна за да се гарантира, че растението получава точно толкова вода, от колкото се нуждае, без да се разхищава излишно и да изтича неусвоена в дренажната система.

Рециркулация на водата

Друга обещаваща технология е рециклиране и повторно използване на отпадъчни води в оранжерии. В този случай излишната вода, която растенията не консумират, всъщност няма да напусне системата. Тя се събира в басейн, тества се, пречиства се и се изпраща отново за напояване. Едно от най-големите притеснения на производителите, когато рециклират дренажната вода, е рискът от разпространение на болести, които влияят на качество и хранителна стойност на продукцията. Ето защо се полагат големи грижи за отстраняване на всички опасни частици, които могат да навредят на растения. За безопасна рециркулация се използват технологии, които гарантират, че водата се третира правилно, за да бъде чиста и здравословна за консумация от растенията. Този процес започва с премахване на големи частици от водата и след това се неутрализират всички микроскопични бактерии, които потенциално причиняват заболяване. За целта може да се прилага пречистване с UV светлина, която обеззаразява микроорганизмите. Ултравиолетовите лъчи премахват всички болестотворни микроби, като същевременно запазват хранителните вещества от торовете във водата. Това означава, че не само спестявате вода за напояване, но също така не трябва да добавяте много хранителни вещества при връщане на водата обратно за поливане. Друга ефективна технология е озонирането на водата. Озонът унищожава бактериите в отпадната вода. Растенията „харесват“ този метод, защото не ги натоварва химически. След като водата е стерилизирана, озонът се разпада до чист кислород. И този метод запазва неусвоените торове във водата и така пести ресурси. След като водата бъде успешно почистена, тя е готова за смесване с допълнителни хранителни вещества, преди да бъде върната обратно в оранжерията.

Мониторинг в реално време и изкуствен интелект

Разбира се, мониторингът на напояването в реално време и включването на изкуствен интелект са сред най-високо технологичните иновации по отношение на поливане в оранжериите. Графикът и честотата на напояване могат да се задават с  помощта на система с изкуствен интелект. Тя автоматично прецизира контролните параметри на околната среда, като събира данни за фактори като температура, влажност, слънчева радиация и интензитет на светлината. Използвайки тази информация, тя автоматично регулира вентилационните отвори и завеси, за да постигне най-добри резултати при реколтата и да избегне загубата на вода. Чрез непрекъснатото предаване на информация между човека и машината, изкуственият интелект превърна отглеждането в оранжерии в по-прецизен процес, позволявайки на производителите да прилагат специализирани планове за различните култури въз основа на факторите на средата в оранжерията.

Хидропоника

Освен отглеждането върху почва, като перспективен се очертава и друг начини за култивиране на растения в оранжериите. Това е хидропоника или безпочвеното отглеждане върху субстрати, представляващи инертни хранителни среди. Тази технология елиминира необходимостта от почви, които могат да са ограничаващ фактор, тъй като в глобален мащаб са все по-силно негативно засегнати от засушаване, замърсяване и изчерпване на плодородието. При системите за безпочвено отглеждане напояването е интегрирано в субстратите, като по този начин се внасят и хранителни разтвори в кореновите зони на растенията. При безпочвена култура всички основни хранителни вещества се доставят чрез разтвор, с изключение на въглерода, който се поема от въздуха като CO2. Необходимо е непрекъснато наблюдение на растенията, за да се приспособят хранителните рецепти към техните точни нужди. Ключов фактор, който помага да се определи какви хранителни вещества да даваме на растенията, е използването на сензори за електропроводимост. Тя е свързана със съдържанието на хранителни вещества във водата. Важно е да се проследява електропроводимостта, защото ако дадем на растението твърде много от едно хранително вещество, това намалява способността му да абсорбира друго, което води до влошаване на растението и загуба на вода и тор. С помощта на сензорите производителите могат постоянно да наблюдават променящите се фактори на околната среда и в отговор да коригират хранителните разтвори.

Аквапоника – аквакултури плюс хидропоника

Друга, набираща популярност иновация в оранжерийното производство, е аквапониката – съвместно култивиране на риба и растителни култури в една екологична, затворена, рециркулираща система. Терминът произлиза от двете думи аквакултура (отглеждане на риба в затворена среда) и хидропоника. Същността на тази иновационна практика е използване на естествени бактериални цикли за превръщане на рибните отпадъци в храна за растенията. Това е екологичен, устойчив и ресурсно ефективен метод за оранжерийно производство на храна, който използва най-добрите страни на аквакултурата и хидропониката. Тук не е необходимо да изхвърляте или да филтрирате вода, няма нужда и от добавяне на химически торове.

Комбинирането на тези две системи дава естествено решение за самоосигуряване с хранителни вещества за растителните култури в оранжерията. Водата от аквакултурата, наситена с биологични отпадъци от храненето на рибите и техните метаболитни процеси, се инфилтрира в хидропонния субстрат на растителните култури. Там влиза е действие биофилтър с нитрифициращи бактерии, разграждащи всички органични отпадъци до органични хранителни разтвори, богати на азот. Те се усвояват директно за изхранване на растенията, а пречистената вода се връща в аквакултурата. Този рециркулационен непрекъснат цикъл изисква 95% по-малко вода от традиционното оранжерийно земеделие, спестява средства за филтрация на водата и за влагане на изкуствени торове.

Сред предимствата на аквапониката е, че тя прави възможно система за интензивно производство на храни, да е устойчива и икономически ефективна. От един източник на азот (храна за риба) се произвеждат и риба и растителна продукция. Аквапониката не изисква почва и следователно не е податлива на болести, пренасяни от почвата. Не изисква използването на торове или химически пестициди. Това означава по-високо ниво на биосигурност и по-ниски рискове от външни замърсители. По-малки са и загубите, тъй като за разлика от традиционното отглеждане върху почва, аквапониката позволява по-лесен и съответно по-добър контрол върху производството.