الزراعة المائية – كل ما تحتاج إلى معرفته

ما هي الزراعة المائية

الزراعة المائية هي طريقة زراعة يتم فيها زراعة النباتات في الماء بدلاً من التربة. وهو جزء من أساليب الزراعة "بدون تربة" الأوسع، والتي تشمل الزراعة المائية والهوائية.

في معظم الأحيان، يتم إجراء الزراعة مع جذور النبات في الماء، ولكن من الممكن أيضًا أن يتم ذلك في بعض الأحيان في ركائز أخرى، مثل المواد الهلامية أو وسط خامد مثل البيرلايت أو الحصى، وما إلى ذلك.

ونظراً لعدم وجود تربة، فإن تغذية النبات بالعناصر المعدنية تتم عن طريق إذابتها في الماء. وفي كثير من الحالات، تعادل الزراعة المائية الزراعة الداخلية، حيث يتم توفير الضوء عن طريق البرق الاصطناعي. ومع ذلك، فإن الزراعة المائية ممكنة أيضًا في الخارج، لأنها توفر ضوء الشمس "المجاني" على حساب زيادة خطر التلوث (انظر أدناه).

نما حجم سوق الزراعة المائية إلى ما يقرب من 5 مليار دولار في عام 2023، ومن المتوقع أن ينمو بنسبة 12.4٪ بمعدل نمو سنوي مركب حتى عام 2030.

علم الزراعة المائية

في حين أنه يمكن زراعة معظم النباتات باستخدام أنظمة الزراعة المائية، إلا أن بعضها يحتاج إلى ركيزة لتثبيت جذوره. ولهذا السبب يتم استخدام ركائز خاملة مثل جوز الهند، والفيرميكوليت (صخر السيليكات)، والبيرلايت (الزجاج البركاني غير المتبلور).

المصدر التحكم بالمناخ

يتم إذابة العناصر الغذائية مثل الفوسفات والبوتاسيوم والنيتروجين (“NPK”)، بالإضافة إلى المغذيات الدقيقة، في الماء، مما يسمح بكفاءة تصل إلى 100% تقريبًا في استخدام الأسمدة.

يمكن تقسيم الزراعة المائية إلى نوعين مختلفين من التصاميم: الأنظمة المفتوحة والمغلقة.

الأنظمة المفتوحة: تتطلب تدفق المياه المحملة بالمغذيات من الخزان إلى غرفة النمو.
الأنظمة المغلقة: تكون الجذور مغمورة مباشرة في المحلول المغذي، وبالتالي لا تحتاج إلى مضخات.

الأنظمة السلبية، على عكس الأنظمة النشطة، هي أنظمة مائية لا تتطلب مكونات كهربائية مثل المضخات والتهوية والأضواء الاصطناعية وأجهزة ضبط الوقت.

ما الذي يمكن زراعته بالزراعة المائية

تُستخدم الزراعة المائية في زراعة العديد من المحاصيل الحساسة ذات القيمة العالية. وأكثرها شيوعاً بالترتيب التالي: الطماطم، الأعشاب، الخس، الخيار.

المصدر جراند فيو للبحوث

هناك استخدام آخر أقل توثيقًا ولكنه مهم للزراعة المائية وهو زراعة القنب على نطاق صغير أو متوسط. في حين أن هذه الممارسة لا تزال غير قانونية في معظم البلدان، إلا أن هناك قائمة متزايدة من الدول التي تسمح بنمو مثل هذه المحاصيل مع الترخيص المناسب في بيئة تجارية - وكندا هي أحد الأمثلة الرئيسية على ذلك.

تعمل العديد من مزارع القنب التجارية في الولايات المتحدة حيث تعتبر زراعة القنب زراعة قانونية في البيوت الزجاجية. هنا، يتم استخدام طرق الزراعة المائية للحصول على نتيجة أكثر اتساقًا مما هو ممكن مع التربة.

إيجابيات الزراعة المائية

السيطرة

الميزة الرئيسية للزراعة المائية هي مستوى التحكم الذي توفره هذه التقنية. ويتجلى ذلك بشكل خاص عند دمجها مع الزراعة الداخلية، مقارنةً بالزراعة في التربة أو حتى في البيوت الزجاجية. وهذا يُترجم إلى مزايا متعددة للزراعة التجارية.

يمكن أن تنتج نتائج أكثر اتساقا. على سبيل المثال، التركيب الكيميائي الدقيق لنبتة القنب التي من المفترض أن تستخدم لاحقًا في إنتاج المستحضرات الصيدلانية. وهذا يسمح لجهود البحث والتطوير بإيجاد الظروف المثالية، مما يؤدي إلى الحصول على منتج بأعلى جودة.

ويمكن أن يؤدي أيضًا إلى مزيد من التحكم في توقيت النمو للحصول على إنتاج ثابت ومستقر للغاية. وهذا أمر ذو قيمة كبيرة بالنسبة للمنتجات ذات الطلب المستمر نسبيًا ولكن الإنتاج الموسمي يرتفع في الحقول، مثل الطماطم أو التوت.

من خلال الجمع بين كل الإمكانيات، يمكن استخدام مستوى التحكم الممكن لتحسين سرعة النمو أو الطعم أو الرائحة أو جانب المنتج النباتي النهائي، والذي من المرجح أن يتطلب سعرًا أعلى.

وأخيرًا، يمكن استخدامه أيضًا لمراقبة المحاصيل واكتشاف أي مشاكل في وقت مبكر.

الفضاء

بفضل الظروف المثالية، يمكن زراعة المزيد من المحاصيل لكل متر مربع مقارنة بالظروف الأخرى. وهذا يجعلها خيارًا جيدًا للزراعة الحضرية، كما تمت مناقشته في مقالتنا “توسيع نطاق الزراعة الحضرية لتحقيق العديد من الفوائد". وهذا يمكن أن يسمح بزراعة الغذاء محليًا بدلاً من استيراده لمئات أو آلاف الأميال، حتى لو كانت الأرض والمساحة أكثر تكلفة محليًا.

وستكون هذه طريقة زراعية ذات قيمة كبيرة في البيئات المعاكسة مثل القواعد القمرية أو المريخية المستقبلية، حيث ستجعل تكاليف النقل الباهظة الثمن الإمدادات الغذائية المزروعة محليًا ذات قيمة كبيرة.

الطلب على المغذيات والنفايات

كما ذكرنا، نظرًا لوجود العناصر الغذائية في الماء وبقاء الماء في غرف النمو و/أو الخزان، فلا يوجد فقدان للعناصر الغذائية في النظام إلا ما يمتصه النبات بشكل فعال أثناء نموه.

المصدر Unsplash

وهذا يجعل استخدام الأسمدة لزراعة المحاصيل أقرب ما يمكن إلى المستوى الأمثل. في الأساليب الأكثر تقليدية للزراعة، يؤدي الإفراط في استخدام الأسمدة في الحقول المفتوحة إلى مشكلات متعددة. وتمتد هذه لتشمل النظم البيئية للتربة تتضرر إلى ازدهار الطحالب السامة وحتى تغذية المسطحات المائية العذبة. لذا، فإن تقليل كمية الأسمدة المتسربة إلى البيئة يعد اهتمامًا بيئيًا مهمًا وغالبًا ما يتم تجاهله.

المصدر الموسوعة البريطانية "بريتانيكا"

استخدام المياه

على عكس ما يبدو، تستخدم الزراعة المائية كميات أقل بكثير من المياه مقارنة بطرق الزراعة التقليدية. وهذا صحيح سواء حدث ذلك في الحقول المفتوحة أو الدفيئات الزراعية.

وذلك لأن تبخر الماء يبقى عند الحد الأدنى بسبب الحد الأدنى من ملامسة السطح للهواء، ولا يتسرب إلى التربة. في الأساس، يبقى الماء داخل النظام المغلق.

ونتيجة لذلك، يمكن استخدام الزراعة المائية بأقل قدر ممكن مثل 1/10 من الماء مقارنة بطرق سقي المحاصيل الحقلية التقليدية. لذلك يمكن أن يجعله هذا خيارًا ممتازًا للمناطق التي تعاني من ندرة المياه و/أو المحاصيل المتعطشة للمياه بشكل خاص، مثل الخضروات الورقية.

كثافة اليد العاملة

ونظرًا لأن النباتات تنمو في بيئة خاضعة للرقابة ومصممة خصيصًا، فيمكن أيضًا تصميمها لتحسين تكاليف العمالة. ومن الممكن أن تحل الأتمتة محل معظم الأعمال الزراعية التقليدية الأكثر خطورة، ويمكن للنباتات التي تنمو بالفعل في أصص دون تربة أن توفر الوقت للحصاد والتنظيف والتعبئة.

سلبيات الزراعة المائية

التكلفة

القيد الرئيسي للزراعة المائية هو تكاليفها. ولأنها تتطلب مرافق مخصصة، وغالبًا ما تكون مضخات، وتهوية، وما إلى ذلك، فإن إعدادها أكثر تكلفة بكثير من أساليب الزراعة التقليدية. ويتفاقم هذا الأمر بشكل أكبر في المناخات الباردة التي تتطلب أجهزة إضافية مثل التحكم في المناخ والأضواء الاصطناعية - وكل منها يضيف فقط إلى تكاليف الطاقة لعمليات الزراعة.

وبسبب هذا الحد، تركز معظم المزارع التجارية التي تعتمد على الزراعة المائية على المحاصيل ذات القيمة العالية مثل الفواكه والتوت والخضروات الورقية والقنب وغيرها، في محاولة لتعظيم عائدها على الاستثمار.

حتى الآن، أعاقت هذه المشكلة التبني الأوسع للزراعة العمودية بشكل عام، بما في ذلك ليس فقط الزراعة المائية ولكن أيضًا الزراعة المائية والهوائية.

المرونة

تعتبر أنظمة الزراعة المائية، بحكم تصميمها، أكثر اصطناعية من المحاصيل في الحقول المفتوحة. وهذا يعني أنهم يعتمدون على كل من الأمور التالية التي تعمل بسلاسة:

• سلسلة التوريد في الأجزاء والمكونات.
• امدادات الطاقة الكهربائية.
• نظام إلكتروني متصل لعمليات مؤتمتة ومتقدمة للغاية.
• العمالة الماهرة القادرة على إجراء المراقبة والصيانة المطلوبة بكفاءة.

في حين أن هناك طرقًا للتخفيف من هذه المخاطر، على سبيل المثال من خلال تكرار الأنظمة أو المخزون الأكبر (مما يزيد من تكاليف الإعداد)، أو الإمداد المحلي بالطاقة من خلال توليد الطاقة المتجددة، فإن الزراعة المائية لن تكون أبدًا مرنة مثل المحاصيل التي تسقى بمياه الأمطار في المناطق المفتوحة. مجال.

الأمراض التي تنتقل عن طريق الماء وتلوث الطحالب

مسببات الأمراض

من الواضح أن إزالة التربة تزيل جميع المخاطر المرتبطة بالأمراض التي تنتقل عن طريق التربة، ولكنها تعني أيضًا إزالة نظام بيئي كامل من الميكروبات المفيدة التي تحمي من أمراض النبات. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تكون المياه المتداولة باستمرار ناقلًا لنشر مسببات الأمراض الأخرى، مما يعني أن الأحداث السلبية يمكن أن تكون مدمرة وتحدث بشكل أسرع في أنظمة الزراعة المائية.

الكائنات الحية الأكثر شيوعا التي تسبب أمراض الزراعة المائية هي البيثيوم و فيتوفثوراكلا الأمراض الفطرية. يمكن للبيثيوم مهاجمة جميع النباتات، في حين تميل فطريات النبات إلى التأثير في الغالب على محاصيل الزهور.

ولمعالجة هذه المشكلات، يستخدم المزارعون عادةً جدولًا منتظمًا ممارسات التنظيف والصرف الصحي واستخدام المرشحات، والتي يمكن أن تقلل بشكل كبير من خطر مسببات الأمراض النباتية التي تنقلها المياه. وبناء على ذلك، فإن الاختبارات والمراقبة المنتظمة مفيدة بنفس القدر في الكشف عن العلامات المبكرة للتلوث.

ويوصى أيضًا باستخدام أنظمة الزراعة المائية المتعددة المتوازية وغير المتصلة للمنشآت الكبيرة لتجنب التلوث على نطاق واسع. يمكن أن يساعد التحكم في درجة حموضة الماء في تقليل نمو الفطريات.

طحلب

الطحالب ملوث آخر قد يؤثر على أنظمة الزراعة المائية. فبينما يحتوي الماء على مزيج مثالي من العناصر الغذائية لتعزيز نمو النباتات، يُعدّ هذا المزيج، في الوقت نفسه، بيئة مثالية للطحالب وحيدة الخلية. فإذا وُجدت، تُشكّل الطحالب طبقة لزجة يصعب تنظيفها على الأسطح، وقد تُسبب انسداد مرشحات المياه أو الأنابيب الصغيرة.

في حين أن أنظمة الزراعة المائية لا تحتاج إلى الاهتمام بالأعشاب الضارة كما هو الحال في الحقول، فإن الطحالب متكافئة بشكل أساسي. مثل الأعشاب الضارة، ستحرم الطحالب المحاصيل من مغذياتها، مما يقلل من نمو وصحة النبات.

بالإضافة إلى ذلك، فإن الطحالب تقلل من تركيز الأكسجين في الماء. التأثير الأول هو أنه يمكن أن يلحق الضرر بجذور النبات ونموه. المشكلة الثانية أنها تساعد على نمو الأمراض الفطرية مثل البيثيوم.

توجد طرق متعددة للتحكم في نمو الطحالب، بدءًا من استخدام المرشحات لتنظيف المياه الداخلة إلى تعريض المياه للأشعة فوق البنفسجية لقتل الطحالب (تُستخدم مصابيح الأشعة فوق البنفسجية بشكل روتيني لقتل الكائنات الحية الدقيقة لإنتاج مياه الشرب في المرافق العامة).

الابتكار في الزراعة المائية

إضاءة ليد

تعتبر مصابيح LED تقنية مهمة في الزراعة المائية، مما يجعل الممارسة بأكملها ممكنة على نطاق تجاري. وذلك لأن هذه المصابيح تستهلك طاقة أقل بكثير من مصادر الضوء التقليدية، وتدوم لفترة أطول وتنبعث منها حرارة أقل بكثير.

بالإضافة إلى ذلك، ليس كل طيف الضوء المرئي مفيدًا للنباتات في عملية التمثيل الضوئي، لذلك يمكن استخدام مصابيح LED مخصصة بدون ضوء أخضر لتقليل الكهرباء التي يستهلكها البرق الاصطناعي.

المصدر الهندسة المعمارية

إنترنت الأشياء والأتمتة القائمة على أجهزة الاستشعار

إن انخفاض تكاليف أجهزة الاستشعار والإلكترونيات جعل المراقبة المستمرة لدرجة الحرارة والرطوبة والضوء ومستويات الرقم الهيدروجيني وحجم المغذيات ممكنة.

ورغم أن هذه الزراعة المبنية على المستشعرات أكثر تقدماً، فإنها تساعد في تتبع ظروف النمو وتعديلها في الوقت الفعلي لضمان إنتاجية مثالية للمحاصيل، مما يعزز النتيجة النهائية للمزارع.

التقنيات القائمة على الذكاء الاصطناعي

كما ذكرنا سابقًا، تتطلب الزراعة المائية مستوى مكثفًا من مراقبة نظام المياه والأمراض ومستويات المغذيات وما إلى ذلك. ولتحقيق هذه الغاية، يتم استخدام الذكاء الاصطناعي بشكل متزايد للمساعدة في تحسين الظروف البيئية الحالية، بما في ذلك مستويات الضوء والرطوبة ومستويات المغذيات.

ويساعد الذكاء الاصطناعي أيضًا على تحسين الاستثمار وخفض التكاليف من خلال إنشاء خطط نمو مخصصة لكل نوع من أنواع النباتات.

ويمكنه أيضًا استخدام الرؤية الآلية أو الاختبارات البيوكيميائية للتحذير من وجود مسببات الأمراض قبل أن يتمكن الإنسان من ذلك.

وأخيرًا، مع ظهور الروبوتات الزراعية المستقلة، يمكننا أن نتصور نظامًا للزراعة المائية حيث يمكن زراعة النباتات وتقليمها وحصادها واستبدالها بطريقة أوتوماتيكية بالكامل.

الابتكارات الزراعية الجديدة

تسمح الزراعة المائية بالتحكم المباشر في النباتات بطريقة مستحيلة في الزراعة التقليدية. وهذا يفتح الباب أمام تجربة طرق جديدة لتعزيز إنتاجية المحاصيل بما يتجاوز زيادة الوصول إلى الضوء أو العناصر الغذائية.

على سبيل المثال، نستكشف أحد هذه الخيارات في مقالتنا "الكهرباء جاهزة لزيادة النمو في المحاصيل المائية". استخدم الباحثون ركيزة صناعية مخصصة، أو "تربة موصلة / تربة إلكترونية" مصنوعة من السليلوز (المكون الرئيسي للورق) ممزوجة ببوليمر موصل يسمى PEDOT (بولي (3,4،XNUMX-إيثيلين ديوكسي ثيوفين)).

وبهذه الطريقة، يمكنهم تعريض الشتلات للجهد المنخفض المستمر، مما يؤدي إلى زيادة بنسبة 50% في معدل النمو.

المصدر PNAS

وهذا أحد الأمثلة على الكيفية التي يمكن بها لأنظمة الزراعة المائية أن تقدم مكاسب إنتاجية كبيرة بفضل زيادة مستوى التحكم فيها.

بناء تركيب الزراعة المائية

عند التخطيط لبناء منشأة للزراعة المائية، يجب أن يكون السؤال الأول: لماذا نختار الزراعة المائية بدلاً من طرق الزراعة الأخرى؟ يمكن أن يكون هناك أسباب عديدة:

• توفير المياه أو الحد من التلوث.
• القدرة على تجربة طرق زراعة جديدة.
• الاستهلاك المنزلي على نطاق صغير أو الأدوات التربوية.
• زراعة محاصيل عالية الجودة وعالية القيمة على نطاق واسع.

اعتمادا على الإجابة، يمكن اختيار أنظمة الزراعة المائية المختلفة.

عملية تجارية سيتعين عليك موازنة الموارد المتاحة مع تكاليف بدء التشغيل مع التطلع إلى تقليل تكاليف التشغيل. سيكون النظر في الأسواق والهوامش المحلية أمرًا في غاية الأهمية في اختيار المحاصيل. وينبغي أيضًا النظر في مستوى الأتمتة ونضج التكنولوجيا المستخدمة.

نظام محلي الصنع على نطاق صغير يجب أن يُصمَّم النظام بما يتناسب مع المهارات التقنية لمُطوِّريه ومستخدميه، فالتصميم المُحسَّن والمُعقَّد للغاية لن يُجدي نفعًا على الأرجح. في هذه الحالة، يُرجَّح أن تكون المكونات الجاهزة خيارًا أفضل.

نظام مخصص لحل مشكلة معينة، مثل ندرة المياه، سوف تحتاج إلى التركيز على هذا المقياس، خاصة إذا كان يجعل العناصر الأخرى أقل تحسينًا.

الزراعة المائية كجزء من نظام أكبر، كما هو الحال مع تربية الأحياء المائية (aquaponics)، يجب تصميمها مع وضع الخطوات والمكونات الأخرى في الاعتبار.

خاتمة

تعتبر الزراعة المائية طريقة قوية لأنظمة الزراعة، حيث توفر مستويات استثنائية من التحكم في ظروف النمو. وعادة ما تكون هذه الأنظمة فعالة للغاية، وتتميز بالاستخدام الأمثل للأسمدة والمياه. وهذا يجعلها طريقة زراعة مثالية على نطاق تجاري للمحاصيل التي يصعب نموها أو المنتجات عالية القيمة حيث يمكن أن يبرر التوقيت المثالي أو المذاق أو التركيب أو الجانب أو المقاييس النوعية الأخرى سعرًا أعلى بكثير.

وبفضل كثافته وإنتاجيته العالية، فهو أيضًا نظام جيد لإنتاج الغذاء على نطاق منزلي أو الزراعة الحضرية، حيث غالبًا ما تكون المساحة عائقًا.

ومع ذلك، فهو نظام أكثر تعقيدًا بكثير من الزراعة التقليدية أو البستنة. وهذا يجعلها أكثر تكلفة، وأكثر تقنية في التركيب والصيانة، وأكثر عرضة لمشاكل فريدة مثل تلوث الطحالب والأمراض المنقولة بالمياه والتي يجب إدارتها من خلال حلول مخصصة. وفي بعض الحالات، سيكون الأمر بنفس القدر من التحدي للأشخاص أو الشركات التي تفتقر إلى القدرات التقنية للتعامل مع هذه التحديات الداخلية المرتبطة بها.

بشكل عام، على الرغم من أنه من غير المرجح أن تكون فعالة من حيث التكلفة مثل المحاصيل المزروعة بكميات كبيرة بأسعار منخفضة في الحقول المفتوحة، إلا أن الزراعة المائية يمكن أن تكون حلاً جيدًا لمشاكل محددة أو طريقة جيدة لزراعة منتجات محلية عالية الجودة.