Цзяньмін Се1,2 & Jihua Yu1,2 & Байхонг Чен1,2 & Zhi Feng1,2 & Цзянь Лю1,2 & Лінлі Ху1,2 & Yantai Gan3 &
Кадамбот Х. М. Сіддік4
1. Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Китай
2. Коледж садівництва, Сільськогосподарський університет Ганьсу, Ланьчжоу 730070, Китай
3. Agriculture and Agri-Food Canada, Swift Current Research and Development Centre, Swift Current, SK S9H 3X2, Канада
4. Сільськогосподарський інститут UWA та Школа сільського господарства та навколишнього середовища, Університет Західної Австралії, Перт, WA 6001, Австралія
абстрактний
У густонаселених регіонах/країнах із швидким економічним розвитком, таких як Африка, Китай та Індія, площа ріллі швидко скорочується через міське будівництво та інше промислове використання землі. Це створює безпрецедентні проблеми для виробництва достатньої кількості їжі, щоб задовольнити зростаючі потреби в їжі. Чи можна освоїти мільйони схожих на пустелю непридатних для оброблення гектарів для виробництва їжі? Чи можна використовувати надлишок доступної сонячної енергії для вирощування сільськогосподарських культур у контрольованих середовищах, таких як теплиці на сонячних батареях? Тут ми розглядаємо інноваційну систему вирощування, а саме "Гобійське землеробство." Ми виявили, що інноваційна система сільського господарства Гобі має шість унікальних характеристик: (i) вона використовує земельні ресурси, схожі на пустелю, з сонячною енергією як єдиним джерелом енергії для виробництва свіжих фруктів і овочів цілий рік, на відміну від традиційного тепличного виробництва, де потреба в енергії є значною. задовольняється за рахунок спалювання викопного палива або споживання електроенергії; (ii) групи окремих культиваційних одиниць створені з використанням місцевих матеріалів, таких як глинистий ґрунт для північних стін споруд; (iii) продуктивність землі (свіжа продукція на одиницю землі на рік) становить 10-у 27 разів вище, а ефективність використання води рослинами становить 20-у 35 разів більше, ніж у традиційних зрошуваних системах вирощування на відкритому грунті; (iv) поживні речовини сільськогосподарських культур забезпечуються в основному через органічні субстрати місцевого виробництва, що зменшує використання синтетичних неорганічних добрив у рослинництві; (v) продукти мають менший вплив на навколишнє середовище, ніж вирощування у відкритому грунті, завдяки сонячній енергії як єдиному джерелу енергії та високій врожайності на одиницю витрат; та (vi) створює робочі місця в сільській місцевості, що покращує стабільність сільських громад. Хоча цю систему було описано як a "Чудо землі Гобі" для соціально-економічного розвитку необхідно вирішити багато проблем, таких як обмеження води, безпека продукції та екологічні наслідки. Ми пропонуємо розробити відповідну політику для забезпечення того, щоб система стимулювала виробництво продуктів харчування та покращувала соціально-економічне становище сільської місцевості, одночасно захищаючи крихке екологічне середовище.
Вступ
Рілля для сільського господарства є обмеженим ресурсом (Liu et al. 2017). У країнах із швидким економічним розвитком, таких як Китай, Індія та Африка, багато орних земель було перетворено на промислове використання (Cakir et al. 2008; Сю та ін. 2000). Через швидку урбанізацію, яка конкурує за землю з сільським господарством (Zhang et al. 2016; Мюллер та ін. 2012), існує безпрецедентна проблема збільшення виробництва сільськогосподарських культур для задоволення харчових потреб і переваг зростаючого населення (Godfray et al. 2010). Цілком можливо, що розвинені країни з великими площами орних земель, такі як Австралія, Канада та США, зможуть перетворити луки на орні землі для світових ринків зерна. Однак це може прискорити втрату запасів вуглецю та мати значний негативний вплив на навколишнє середовище (Godfray 2011).
У багатьох посушливих і напівпосушливих середовищах є величезні території "Земля Гобі" (визначається як неорна земля), включаючи 1.95 мільйона гектарів землі пустельного типу в шести провінціях північно-західного Китаю (Liu et al. 2010). Китай докладає спільних зусиль для розвитку цієї землі Гобі для виробництва продуктів харчування за допомогою інноваційної системи землеробства, яка називається "Гобійське землеробство." Ми визначили цю систему вирощування як "Система культивування з кластером локальних культиваторів із пластикових теплиць, що працюють на сонячних батареях, для виробництва високоврожайних високоякісних свіжих продуктів (овочі, фрукти та декоративні рослини) ефективним, ефективним та економічним способом." (Сі та ін. 2017). У деяких складних кластерних системах кліматичні умови в окремих блоках можна контролювати за допомогою реєстраторів даних. На відміну від звичайних теплиць або теплиць, де опалення та охолодження (дві основні витрати, пов’язані з тепличним виробництвом) зазвичай забезпечуються спалюванням викопного палива (дизельного палива, мазуту, рідкого нафти, газу), що збільшує CO2 викидів або використання електричних нагрівачів, які споживають більше енергії (Hassanien et al. 2016; Ван та ін. 2017), "Гобійське землеробство" Системи повністю покладаються на сонячну енергію для опалення, охолодження та перетворення природної енергії в рослинну біомасу.
В останні роки використання землі Гобі для виробництва продуктів харчування в Китаї швидко розвивається (Zhang et al. 2015). У північно-західних регіонах системи обробітку землі Гобі виробляють велику частку овочів, які споживаються в регіоні. Ця система відіграє життєво важливу роль у забезпеченні продовольчої безпеки, підвищенні соціально-екологічної стійкості та підвищенні життєздатності сільської громади. Багато хто вважає цю землю Гобі землеробською "новознайдена земля" система вирощування. Важливою особливістю системи є можливість виробництва їжі на колись непродуктивних землях. Ця інноваційна система вирощування може стати революційним кроком до сучасного сільського господарства. Однак бракує інформації щодо наукового прогресу систем культивування землі Гобі. Багато запитань залишаються без відповіді: чи стане ця система стабільно еволюціонувати у велику галузь виробництва овочів? Як система обробітку землі в Гобі вплине на екологічне середовище в довгостроковій перспективі? Чи можна це "Зроблено в Китаї" модель вирощування застосовується до інших посушливих зон із скороченням площ орних земель, таких як північний Казахстан (Kraemer et al. 2015), Сибір (Галицький і Куліжський 2015), а також регіони від центральної до північної Африки (де Грассі та Салах Овадія 2017)?
З огляду на ці запитання, ми провели всебічний огляд літератури щодо останніх подій і ключових результатів досліджень щодо системи культивування. Цілі цієї статті полягали в тому, щоб (i) висвітлити наукові досягнення систем культивування землі Гобі, прийнятих у північному Китаї, включаючи продуктивність сільськогосподарських культур, ефективність використання води (WUE), характеристики використання поживних речовин та енергії, а також потенційний вплив на екологію та навколишнє середовище; (ii) обговорити основні проблеми, з якими стикається система, такі як наявність води для зрошення, якість і безпечність продукції, а також потенційний вплив на стабільність і розвиток сільської громади; та (iii) надавати пропозиції щодо встановлення політики та пріоритетів досліджень для здорового дослідження та довгострокового сталого розвитку систем обробітку землі Гобі.
Короткий огляд інфраструктури земельних систем Гобі
Щоб зрозуміти, як функціонує система обробітку землі Гобі, ми надали короткий опис їх дизайну, проектування та конструкції. Більше інформації про інфраструктуру можна знайти в нещодавньому огляді (Xie et al. 2017). Система обробітку землі Гобі заснована на необроблених землях Гобі, де традиційне рослинництво неможливе. Земельні споруди Гобі будуються в "кластерів" окремих виробничих підрозділів. Типовий кластерний комплекс складається з кількох (до сотень) окремих культиваційних одиниць або будинків (рис. 1а). Мікрокліматичні умови в кожній культиваційній установці контролюються централізованим диспетчерським центром, де дистанційні датчики,
У деяких культиваційних установках можна регулювати мікрокліматичні умови, такі як температура повітря та вологість, тоді як інші системи моніторингу дозволяють автоматичну фертигацію. Деякі передові технології, такі як Інтернет об’єктів (Ван і Сю 2016) або Інтернет речей (Li et al. 2013) можна встановити в центрі керування, щоб забезпечити точніші зчитування мікрокліматичних даних, що передаються з окремих культиваційних установок. Однак вони не отримали широкого застосування через високу вартість.
Типова культиваційна одиниця в кластерному об’єкті орієнтована на схід-захід і має три стіни на північній, східній і західній сторонах споруди. Південна сторона конструкції являє собою похилий дах, який підтримується сталевим каркасом і покритий прозорою термопластиковою плівкою (рис. 2). Дах має відповідний нахил, щоб забезпечити ефективне пропускання світла протягом дня (Zhang et al. 2014). Енергія сонця накопичується в тепловій масі стін і виділяється у вигляді тепла вночі. Взимку дах щоночі накривають саморобними солом’яними матами, щоб підтримувати внутрішню температуру (Tong et al. 2013).
Критичним компонентом кожної культиваційної одиниці є північна стіна, яка побудована з місцевих доступних матеріалів, таких як глиняна цегла (Wang et al. 2014), блоки з соломи (Zhang et al. 2017), звичайна цегла з пінополістиролом (Xu et al. 2013), елементи кладки з летючої золи (Xu et al. 2013), глиняні блоки, змішані з цементним розчином (Chen et al. 2012), утрамбована земля (Guan et al. 2013), або сирий ґрунт, з’єднаний з бетонними блоками. У деяких підрозділах північна стіна побудована з "фазозмінний матеріал" для оптимізації накопичення та обміну тепла, а отже, для зменшення температурних коливань для росту рослин (Guan et al. 2012).
Однією з суттєвих відмінностей між кластерними спорудами землі Гобі та традиційними оранжереями чи оранжереями є джерело електроенергії. Кожна культиваційна одиниця в груповій земельній системі Гобі повністю живиться сонячною енергією. Сонячна радіація поглинається північною стіною вдень і виділяється вночі. Невикористана енергія вдень є активним джерелом енергії вночі. А "водозавіси" Система зазвичай використовується для забезпечення додаткового тепла протягом зимових ночей, коли невелика ділянка землі всередині пристрою заповнюється водою для використання в якості теплообмінного середовища (Xie et al. 2017). Протягом дня вода циркулює і проходить через водопоглинаючі завіси, при цьому надлишок тепла від сонячного випромінювання накопичується у водоймі; вночі тепла вода циркулює і проходить через водяні завіси, при цьому тепло виділяється в повітря всередині пристрою. Ефективність накопичення енергії в "водозавіси" система залежить від багатьох факторів, таких як пряме сонячне випромінювання, ізотропне дифузне сонячне випромінювання з неба, прозорість атмосфери та теплопередача від пластикової плівки на даху (Han et al. 2014). З розвитком систем культивування розробляються більш складні системи опалення для покращеного зберігання та виділення тепла.
Наукове вдосконалення систем обробітку землі Гобі
Системи обробітку землі Гобі відрізняються від традиційного вирощування культур у відкритому грунті, де культури або дощують, або зрошують. Вони також відрізняються від вирощування сільськогосподарських культур у звичайних теплицях або оранжереях, де енергія в основному постачається природним газом або електрикою. Системи обробітку землі Гобі мають унікальні особливості, деякі з яких висвітлені нижче.
Підвищення продуктивності культури
Культури, які вирощуються на землях Гобі, є високопродуктивними зі значно вищою ефективністю землекористування (тобто врожайність на одиницю використовуваної землі), ніж традиційне вирощування у відкритому грунті. Наприклад, східний регіон коридору Хесі на північному заході Китаю має довгостроковий (1960 р.-2009) річна тривалість сонячного сяйва 2945 год, середньорічна температура повітря 7.2 °C, безморозний період 155 днів (Chai et al. 2014c); теплових одиниць більш ніж достатньо для отримання одного врожаю на рік, але недостатньо для отримання двох врожаїв на рік за традиційних систем відкритого ґрунту. У системі землі Гобі зернові культури можна вирощувати протягом більшості місяців або навіть цілий рік. Середньорічна врожайність за 5 років (2012р-2016) в одиницях вирощування на дослідній станції Цзюцюань становили 34 т га-1 для дині (Cucumis melo л.), 66 т га-1 для кавуна (Citrullus lanatus л.), 102 т га 1 для гострого перцю (Capsicum annuum, C. frutescens), 168 т га 1 для огірка (Cucumis sativus л.) і 177 т га 1 для помідорів (Пасльон lycopersicum л.), яких 10-У 27 разів вище, ніж у традиційних відкритих системах за тих самих кліматичних умов (Xie et al. 2017). Подібні результати спостерігалися в інших місцях північного Китаю, наприклад, в районі Увей на східній частині Китаю.
Коридор Hexi. Ці значення врожайності були розраховані на площі землі, яку займають одиниці вирощування, а також на загальних площах, якими користуються окремі одиниці в межах однієї системи контролю. Зони загального користування призначені для транспортування сировини та маркетингу продукції.
Підвищення ефективності використання води
Однією з головних проблем для сільського господарства в багатьох посушливих і напівпосушливих районах є нестача води. Економія води або покращення WUE (урожайність культури на одиницю подачі води, виражена в кг га-1 врожайність m-3 вода) у рослинництві має вирішальне значення для життєздатності сільського господарства. Системи обробітку землі Гобі пропонують значні переваги в економії води, коли культури використовують набагато менше води, ніж ті самі культури, які вирощуються в традиційних системах відкритого ґрунту. Наприклад, понад 4 роки (2012 р-2015) вимірювань у системі земельних об’єктів Гобі в повіті Цзюцюань, потрібно 385 помідорів-466 мм загального зрошення, сезонна евапотранспірація коливалася від 350 до 428 мм, а свіжа вага томатів коливалася від 86 до 152 т га-1. Деякі основні овочеві культури досягли високого WUE (кг свіжої продукції м-3), у тому числі 15-21 вода для дині, 17-23 для гострого перцю, 22-28 для кавуна, 2835 для огірка і 35-51 кг помідорів. У цій системі WUE томатів, наприклад, становив 20-У 35 разів більше, ніж ті ж культури, вирощені на ріллі, у системах відкритого поля (Xie et al. 2017).
Механізм посиленого WUE в наземних системах Гобі погано вивчений. Ми припускаємо, що основні сприяючі фактори включають наступне: (a) кількість зрошення сільськогосподарських культур у земельних системах Гобі базується на вимогах рослин для оптимального росту (Liang et al. 2014), яка заздалегідь визначена та контролюється за допомогою встановленого лічильника води (рис. 3а). Залежно від оператора агрегату"завдяки знанням і досвіду часто використовується метод регульованого дефіцитного зрошення (рис. 3b) що зменшує обсяги зрошення на некритичних стадіях росту (Chai et al. 2014b). Помірне дефіцитне зрошення може стимулювати захисні системи рослин для підвищення стійкості до посухового стресу (Ромеро та Мартінес-Кутіллас). 2012; Ван та ін. 2012). Величина впливу регульованого дефіцитного зрошення на продуктивність сільськогосподарських культур залежить від виду сільськогосподарських культур та інших факторів (Chen et al. 2013; Ван та ін. 2010); (b) методи зрошення в системах обробітку землі Гобі постійно вдосконалюються, таким чином, що підповерхневе крапельне зрошення (рис. 3в) зараз є найпопулярнішим способом поливу; (c) різні методи мульчування використовуються для зменшення випаровування води з поверхні ґрунту. Площа посадки в межах культиваційної одиниці зазвичай накривається поліетиленовою плівкою протягом вегетаційного періоду (рис. 3г), включаючи ділянки між рядами рослин (рис. 3e). Зменшення випаровування та підвищення відносної вологості повітря, ймовірно, є двома найважливішими факторами ефективного використання води; (d) певний відсоток води, що випаровується з поверхні ґрунту, повертається в культиваційну одиницю, оскільки культивація відбувається у відносно закритій системі; і (e) складні агрономічні методи використовуються для управління культурами в одиниці вирощування (рис. 3f), наприклад обрізка гілок для збільшення проникнення світла (Du et al. 2016), оптимізуючи вентиляцію для збалансування CO2 для фотосинтезу рослин і захворюваності (Yang et al. 2017), а також провітрювання зони вкорінення після поливу протягом кількох днів, щоб мінімізувати випаровування ґрунту (Li et al. 2016); все це допомагає підвищити врожайність сільськогосподарських культур і покращити WUE.
Покращена ефективність використання поживних речовин
На відміну від традиційного вирощування у відкритому грунті, де синтетичні добрива є основним джерелом поживних речовин для рослин, органічні матеріали, такі як солома посівів, гній худоби та побічні продукти харчової промисловості, процеси виробництва енергії та переробка людських відходів-є основним джерелом поживних речовин у системах обробітку землі Гобі. Відходи є альтернативою комерційним середовищам, які використовуються в традиційному тепличному виробництві. Щоб кваліфікуватись як субстрат для вирощування землі Гобі, органічні матеріали повинні мати такі характеристики (Fu et al. 2018; Фу і Лю 2016; Fu et al. 2017; Лінг та ін. 2015; Пісня та ін. 2013): (i) низька об'ємна щільність, висока пористість і висока водоутримуюча здатність; (ii) висока здатність до катіонного обміну та вміст мінеральних поживних речовин, а також відповідний pH та EC; (iii) посилення активності ферменту, зазвичай досягається додаванням відповідних штамів мікроорганізмів; (iv) повільна швидкість деградації; і (v) бути вільним від насіння бур’янів і хвороботворних мікроорганізмів, які переносяться ґрунтом. Тип матеріалу, метод обробки, ступінь розкладання та кліматичні умови, за яких виробляються субстрати, можуть впливати на фізичні, хімічні та біологічні властивості органічного матеріалу і, таким чином, на якість субстрату (Fu et al. 2017; Пісня та ін. 2013).
Виготовлення типової саморобної підкладки складається з кількох етапів (рис. 4a): (i) солому культур (наприклад, кукурудзи) збирають із традиційних відкритих систем виробництва в місцевих селах, транспортують на ділянку поблизу підприємства, подрібнюють на 3-шматки довжиною 5 см перед додаванням низької дози азотних добрив (1.4 кг N на 1000 кг сухої кукурудзяної соломи), щоб відрегулювати співвідношення C:N у компості приблизно до 15:1; (ii) додається приблизно 1 кг продукту інокуляції мікроорганізмів на 1000 кг органічного матеріалу; (iii) 1-й етап бродіння включає укладання соломи на землю (наприклад, 1.2 м заввишки x 3.0 м завширшки знизу та 2.0 м завширшки зверху) перед обгортанням поліетиленовою плівкою; (iv) температура в купі контролюється, і вода додається для підтримки вмісту вологи на рівні 60-65% для оптимальної активності мікроорганізмів; (v) друга стадія бродіння вимагає перемішування штабеля кожні 6 разів8 днів і перевірка температури у верхніх 30 см. Це періодичне порушення забезпечує підтримку температури та вологості на оптимальному рівні для активності мікробів; та (vi) приблизно на 32 день-34 після ферментації матеріал переміщується в сховище, готове до використання в установі культивування. Саморобний субстрат зазвичай наносять на 2-3 т га 1 на площі культивації в межах культиваційної одиниці та можуть використовуватися протягом кількох років у культивації перед заміною. Вміст поживних речовин у субстратах можна відновити до продуктивного рівня шляхом додавання сторонніх поживних речовин (рис. 4б). Солом’яний матеріал для органічного субстрату є місцевим, і на більшості етапів виробництва використовуються машини, створені власними силами.
Те, як поживні речовини субстрату надходять до культур, різниться в різних кластерних об’єктах. Більшість виробників у північно-західному Китаї використовують (1) систему траншей, де траншеї (зазвичай 0.4-Ширина 0.6 м, 0.2-0.3 м глибиною, з 0.8-1.0 м між траншеями, орієнтованими на північ-південний напрямок) роблять на землі в межах культиваційної одиниці, огородженої бетоном, дерев’яними брусками або цеглою, заповненої субстратом перед посадкою (рис. 5а) і накривають поліетиленовою плівкою, щоб розсада проростала (рис. 5б). Після будівництва траншеї можна використовувати для безперервного виробництва більше 20 років; або (2) субстрати з цілого пакета, де субстрат загорнутий в окремі пластикові пакети (типовий розмір пакета становить 0.5 м у діаметрі та 1.0 м в довжину) у закритому мікросередовищі. Поживні речовини виділяються з пакетів у міру розвитку рослин (рис. 5в). Зверху пакетів для посадки насіння роблять отвори (рис. 5г) і крапельний полив через отвори.
Ці два методи відрізняються своїми особливостями. Траншейний метод дозволяє виробникам легко додавати добрива в субстрати, коли це необхідно. Для деяких культур, таких як кавун, додавання неорганічних добрив є необхідним для забезпечення високої продуктивності. Деякі дослідження показали, що використання органічних добрив разом із неорганічними добривами може збільшити врожайність, але залишає надлишки поживних речовин у ґрунті та високу концентрацію нітратного N у верхньому шарі ґрунту (Gao et al. 2012). Інші дослідження показали, що підхід із цілим мішком є більш продуктивним, ніж траншейна система (Yuan et al. 2013) оскільки загорнуті пакети дозволяють фізично відокремити субстрат від землі; таким чином, зменшується ймовірність забруднення субстратів збудниками хвороб, що передаються з ґрунту. Тим не менш, фізичні та хімічні властивості субстрату (в траншеях або загорнутих мішках) можуть погіршуватися з кожним сезоном врожаю (Song et al. 2013), що зменшує потужність надходження поживних речовин (Song та ін. 2013). Тому оновлення субстрату є виправданим.
Підвищення ефективності використання енергії
Системи обробітку землі Гобі повністю засновані на сонячній енергії. Конструкція розроблена таким чином, щоб зберегти якомога більше тепла, використовуючи та накопичуючи енергію сонця. Важливе значення для обігріву культиваційних одиниць має добова тривалість сонячного світла, інтенсивність сонячної радіації та річні безморозні дні. Східний до центрального коридору Хесі, наприклад округ Увей (37° 96" пн.ш., 102° 64" E), провінція Ганьсу, є репрезентативною територією, де зосереджені кластерні підприємства Gobiland. В середньому 6150 МДж·м 2 Річна сонячна радіація і 156 безморозних днів дозволяють якісно дозрівати багатьом видам овочевих культур. Щоб підвищити ефективність використання сонячної радіації, менеджери культиваційних одиниць використовують різні засоби для збільшення накопичення тепла та посилення виділення тепла, такі як подвійні шари чорної пластикової плівки, прикріплені до північної стіни (Xu et al. 2014), теплозберігаючі кольорові пластини, встановлені на даху (Sun et al. 2013), системи теплопоглинання неглибокого ґрунту для підвищення температури повітря всередині приміщення (Xu et al. 2014), а грунтовий геотекстиль використовується як ґрунтопокривне для збереження тепла. Крім того, сонячні теплові насоси використовуються для регулювання температури води в теплових резервуарах для води в деяких культиваційних агрегатах (Zhou et al. 2016). Зовсім недавно на верхній частині даху були розміщені теплозахисні кольорові пластини для збільшення поглинання тепла (Sun et al. 2013). У деяких складних сонячних теплицях при кластерному вирощуванні передові сонячні технології використовуються для покращення накопичення тепла, фотоелектричної генерації електроенергії та використання світла (Cuce et al. 2016). Використання сонячної енергії для тепличного рослинництва досягло прогресу в багатьох областях/країнах (Farjana et al. 2018), включаючи Австралію, Японію (Cossu et al. 2017), Ізраїль (Castello et al. 2017) і Німеччини (Schmidt et al. 2012), а також країни, що розвиваються, такі як Непал (Фуллер і Занд 2012) та Індії (Tiwari et al. 2016). У Китаї установка сучасних сонячних модулів на даний момент є дорогою, з орієнтовним періодом окупності 9 років (Wang et al. 2017). Ми передбачаємо, що в міру розвитку системи культивування з більш досконалою сонячною технологією період окупності буде скорочуватися.
Температура повітря всередині та зовні об’єктів кластера може коливатися від 20 до 35 °C у холодні зими на півночі Китаю. Наприклад, на сонячних установках у Лінюань (41° 20" пн.ш., 119° 31" E) у провінції Ляонін, північно-східний Китай, у сонячній теплиці завдовжки 12 м, висотою 5.5 м і довжиною 65 м із системами накопичення та виділення тепла нічна температура повітря всередині сягала 13 °C, а зовні була -25.8 °C, різниця 39 °C (Sunetal. 2013).
Важливою особливістю є використання сонячної енергії для виробництва продуктів харчування "Гобійське землеробство" систем на північному заході Китаю. Це відрізняється від традиційних теплиць або оранжерей, які вимагають зовнішньої енергії для вирощування сільськогосподарських культур, що може бути економічно та екологічно дорогим (Hassanien et al. 2016; Canakci та ін. 2013; Ван та ін. 2017). Наприклад, середньорічне споживання електроенергії в звичайних теплицях може становити понад 500 кВт/год (Hassanien et al. 2016), вартість якого досягає 65,000 XNUMX доларів США150,000 XNUMX на рік (у прикладі Туреччини) (Canakci et al. 2013). У всьому світі розширення традиційного тепличного рослинництва було обмеженим через інтенсивне споживання енергії та занепокоєння щодо викидів вуглецю.
Екологічні переваги
Опалення сільськогосподарських теплиць викопним паливом, таким як вугілля, нафта та природний газ, сприяє викидам вуглецю та зміні клімату. Системи обробітку землі Гобі на сонячних батареях забезпечують покращені екологічні переваги завдяки (i) зменшеному споживанню енергії, оскільки вирощування сільськогосподарських культур повністю залежить від сонячної енергії, на відміну від звичайних теплиць, де енергія постачається через електрику або природний газ, що призводить до великих викидів парникових газів; (ii) покращена економія води, оскільки вирощування сільськогосподарських культур відбувається під дахом із пластиковим покриттям із низьким випаровуванням ґрунту та високим співвідношенням транспірація: випаровування. Зрошення контролюється та контролюється централізованим комп’ютером, що забезпечує точний полив з мінімальними втратами води; (iii) Зменшення викидів парникових газів для всієї системи (Chai et al. 2012) або відбиток на одиницю ваги свіжого овоча на основі оцінки життєвого циклу (Chai et al. 2014a). Культури, вирощені в кластерних об’єктах, мають значно вищі врожаї на одиницю вхідних ресурсів (таких як добриво, площа землекористування) з більшим атмосферним CO2 перетворюється на рослинну біомасу за допомогою посиленого фотосинтезу, ніж системи культивування у відкритому грунті (Chang et al. 2013); і (iv) використання компостних субстратів може з часом збільшити вуглець у ґрунті (Jaiarree et al. 2014; Chai та ін. 2014a).
Деякі тематичні дослідження оцінюють чистий CO2 фіксація рослинами в системах вирощування пластику на сонячній енергії у вісім разів вище, ніж у традиційних системах відкритого грунту (Wang et al. 2011). Більше CO2 фіксація в культиваційних агрегатах означає менше CO2 викиди в атмосферу (Wu et al. 2015). Величина ефекту змінюється залежно від географічного положення та структури одиниць вирощування (Chai et al. 2014c). Дослідження також показали, що вирощування в приміщеннях дозволяє рослинам фіксувати більше CO2 з атмосфери, викидаючи при цьому менше парникових газів на кг продукту (Chang et al. 2011). Додаткове опалення культиваційних одиниць не забезпечується навіть взимку, заощаджуючи близько 750 Мг га-1 енергії порівняно зі звичайним тепличним виробництвом, що опалюється вугіллям (Gao et al. 2010). Gobiland культивування — це система з розумним використанням вуглецю для зменшення викидів парникових газів. Однак у літературі бракує оцінок життєвого циклу для культивування на об’єктах, і для оцінки впливу цих систем культивування на навколишнє середовище потрібні більш глибокі дослідження.
Екологічні переваги
Північно-західний Китай багатий ресурсами сонячного світла та тепла з річною тривалістю сонячного сяйва від 2800 до 3300 годин. Розробка кластерних систем обробітку землі Гобі, які використовують сонячну енергію, може перетворити світлові та теплові ресурси на виробництво їжі та запропонувати значні екологічні переваги, деякі з яких висвітлені нижче.
По-перше, земля Гобі використовується для вирощування якісних культур для продовольчої безпеки. У Китаї середня орна земля на 100 душ населення становить 8 га (FAOSTAT 2014), значно менше, ніж 52 га в США, 125 га в Канаді та 214 га в Австралії. Ресурси орних земель у Китаї стрімко скорочуються через швидку урбанізацію. Зіткнувшись з обмеженою орною землею на душу населення в поєднанні з орними землями, які використовуються для міського будівництва, Китай зробив важливий крок у дослідженні численних земель Гобі для вирощування сільськогосподарських культур (Jiang et al. 2014). Традиційне сільське господарство неможливе на непродуктивних землях пустелі Гобі (рис. 6а). Будівництво кластерних об’єктів вирощування на землі Гобі пропонує унікальні можливості для пом’якшення земельних конфліктів між сільським господарством та іншими секторами економіки (рис. 6б) і допомога в забезпеченні продовольства для густонаселеної країни.
По-друге, виробнича система здебільшого використовує доступні місцеві ресурси. Кожна культиваційна одиниця в системі побудована та підтримується каркасами з дерева, бамбука або сталевих прутів. У холодну зиму для додаткової ізоляції на похилий дах розгортають солом’яні мати місцевого виробництва або термоковдри. Північні стіни культиваційних одиниць також побудовані з використанням місцевих матеріалів, таких як сталеві каркаси та блоки з солом’яним набиванням (рис. 7а), мішки з піском (рис. 7б) камінь-цементна суміш (рис. 7в), або звичайна цегла (рис. 7г).
Місцеві матеріали забезпечують значні екологічні та економічні переваги, оскільки їх можна отримати недорого або зібрати безкоштовно (наприклад, каміння та скелі в прилеглих пустельних районах) з мінімальними транспортними потребами. Крім того, обладнання для транспортування матеріалів, виготовлення субстратів і вирощування культур поступово стає доступним для вирощування кластерних об’єктів; це допомагає вирішити проблему нестачі сільськогосподарської робочої сили в деяких сільських районах Китаю.
По-третє, ця система вирощування надає можливості для покращення регіональної екології. У значній частині північно-західного Китаю земля Гобі не має рослинності (рис. 6а) в результаті чого екологічне середовище стає крихким. Вітрова ерозія є звичайним явищем, яке посилюється зі зміною клімату. Часті пилові бурі виникають на північному заході, часто поширюючись на інші азіатські регіони. Розвиток кластерних систем культивування на сонячній енергії не тільки має потенціал для одночасного реагування на зменшення кількості придатної землі в Китаї, але й відіграє важливу роль у зменшенні крихкості екосистем у пустелі та посушливих середовищах на північному заході Китаю (Gao et al. 2010; Ван та ін. 2017). Перетворення покинутих земель Гобі на сільськогосподарські землі може допомогти створити нову екологічну систему, яка змінить первісний природний вигляд і прикрасить екологічне середовище.
Вплив на стабільність сільських громад
Соціально-економічний розвиток північно-західного Китаю відстає від центральних і східних регіонів, причому багато районів громад знаходяться нижче національного рівня бідності. Дослідження величезних територій землі Гобі для виробництва фруктів і овочів відкриває двері цьому регіону для прискорення соціально-економічного розвитку. Це перетворює недоліки опустелювання Гобі на явні регіональні економічні переваги, не лише сприяючи розвитку сільського господарства, але й рухаючи інші галузі, що допомагає стабілізувати сільські громади. Ця недорога сільськогосподарська система стає важливою віхою для згуртування сільських громад.
Система обробітку землі Гобі стимулює виробництво їжі та збільшує дохід домогосподарств. У районах з температурою вище -28 °C взимку, теплиці на сонячних батареях повністю використовують сонячну енергію та неорні землі для виробництва фруктів і овочів протягом року. Культури в кластерних одиницях вирощування дають значно більше врожаю, ніж у відкритому грунті з вищим співвідношенням витрат і виходу. Ми проаналізували економічну продуктивність у 14 дослідженнях із використанням 120 установок для вирощування сонячної енергії (Xie et al. 2017), щоб знайти середній валовий дохід 56,650 XNUMX доларів США на га 1 y 1, будучи 10-У 30 разів вище, ніж у відкритому родовищі на тій самій геологічній ділянці. У підсумку чистий прибуток від закладеного вирощування овочів склав 10-у 15 разів перевищує виробництво овочів у відкритому грунті та в 70-у 125 разів більше, ніж у кукурудзи відкритого ґрунту (Zea mays) або пшениця (Ярова пшениця) виробництва.
Запровадження цих нових систем вирощування створює можливості для працевлаштування в сільській місцевості. Обробіток об’єктів перетворює зимовий простій на насичений, продуктивний сезон, що створює можливості для працевлаштування в сільській місцевості, особливо взимку, коли фермерські сім’ї часто "сам у дома" без працевлаштування. Виробництво та продаж фруктів і овочів є трудомісткими. Численні сільські робітники можуть бути залучені до обробітку приміщень (рис. 8a), тоді як інші можуть бути призначені для транспортування та збуту продукції місцевим або сусіднім громадам (рис. 8б). Найважливіше те, що переробка, зберігання, консервація та продаж свіжих продуктів забезпечують колись відсутні можливості для працевлаштування, що допомагає побудувати соціально гармонійну спільноту (рис. 8в) і згуртувати дух сільської громади.
Немає опублікованих звітів про те, як кластерна система вирощування може вплинути на розвиток сільської громади. Ми вважаємо, що ці системи сприяють життєздатності та стабільності сільських громад. Створення систем обробітку землі Гобі дозволяє сільському господарству на північному заході Китаю вийти за межі первинного виробництва. Отже, життєздатність громади та довгострокова стабільність покращуються, оскільки (i) постійно розробляються нові технології для покращення обробки землі Гобі, такі як розведення сільськогосподарських культур, розвиток субстрату та заходи боротьби зі шкідниками, які стають важливим засобом для розвитку сільських громад у стійкий спосіб; (ii) об’єктне вирощування забезпечує цілорічне постачання свіжих фруктів і овочів для громади, задовольняючи підвищені потреби громадян середнього класу в більш поживній і здоровій їжі; і (iii) створення нової системи вирощування сприяє зміцненню внутрішньої згуртованості груп етнічних меншин, оскільки громадянам груп етнічних меншин потрібні різноманітні харчові продукти з унікальними характеристиками, які задовольняються цілорічним свіжим продуктом систем вирощування.
Основні проблеми
Системи обробітку землі Гобі швидко розвивалися в Китаї в останні роки з потенціалом для розширення площ об’єктів і рівнів виробництва (Jiang et al. 2015). Однак необхідно вирішити деякі обмеження та проблеми.
Обмеження водних ресурсів
Однією з найбільших проблем для сільського господарства північно-західного Китаю є нестача води. Річна доступність прісної води низька - < 760 м3 на душу населення у 1 (Чай та ін. 2014b). У коридорі Хесі провінції Ганьсу річна кількість опадів становить 160 мм (Deng et al. 2006). Багато колись продуктивних сільськогосподарських угідь уздовж Шовкового шляху були "зробив паузу" в останні роки через брак води. Більшість вирощування культур у відкритому грунті використовують традиційні "затоплення" зрошення, що перевищує 10,000 XNUMX м3 ha-1 за сезон врожаю (Chai et al. 2016). Надмірна експлуатація водних ресурсів може призвести до подальшого погіршення екологічного середовища та виснаження невідновлюваних ресурсів підземних вод (Martinez-Fernandez and Esteve). 2005). Виробництво овочів потребує великої кількості води протягом тривалого періоду вегетації, а опади не можуть задовольнити потреби для оптимального росту рослин. У коридорі Хесі провінції Ганьсу, де за останні роки стрімко зросли кластерні системи культивування, основним джерелом води для всіх секторів є накопичення снігу на горі Цілянь взимку, а літнє танення снігу живить річки та ґрунтові води. долини (Chai et al. 2014b). За останні два десятиліття вимірний рівень снігу на горі Цілянь піднімався зі швидкістю від 0.2 до 1.0 м на рік (Че та Лі 2005), тоді як рівень підземних вод у долинах (забезпечується водою з гір) постійно знижується, а доступність підземних вод суттєво зменшилася (Zhang 2007). Отже, деякі природні оазиси вздовж старого Шовкового шляху поступово зникають. Деякі розкопки водяних підвалів були використані для економії опадів для забезпечення додаткової води, але ефективність, як правило, низька. Те, як заощадити воду або підвищити WUE у рослинництві, має вирішальне значення для довгострокової життєздатності систем обробітку землі Гобі.
Крихке екологічне середовище
У північно-західному Китаї забезпеченість землею є поганою. Гори та долини разом з оазисами та землею Гобі створюють складне екологічне середовище. Часті посухи та пилові бурі погіршують екологічну обстановку. Близько 88% загальної площі коридору Ганьсу Хесі зазнали опустелювання, і лінія опустелювання рухається на південь до сільськогосподарських угідь. Природні умови північно-західного регіону Китаю були описані як "вітер розносить всюди каміння, а трава ніде не росте," зображення крихкого екологічного середовища. Інтенсивне використання пестицидів при вирощуванні рослин є потенційною небезпекою для навколишнього середовища та здоров’я працівників. Відсутність належної обробки перероблених органічних субстратів може призвести до забруднення джерел підземних вод, викликаючи занепокоєння у широкої громадськості.
Обмеження трудових ресурсів
Пропозиція робочої сили в сільському господарстві загалом низька та недостатня, оскільки все більше молодих працівників переїжджає до міст, щоб заробити на життя, що призводить до дефіциту сільськогосподарських трудових ресурсів у сільській місцевості. Поточна урядова політика щодо стимулювання бажання фермерів обробляти орні землі не сприяє розвитку сільської громади, що посилює дефіцит робочої сили в селі. Крім того, сімейна ферма як незалежна одиниця фермерського господарства залишається основним способом управління фермою, а поточна урядова політика щодо власності на землю може забороняти фермерам купувати та продавати землю, що може обмежити екстенсивний розвиток систем обробітку землі. Крім того, рівень освіти на північному заході, як правило, нижчий, ніж у центральних і східних регіонах. Центральний уряд запровадив політику обов’язкової освіти для всієї країни, але багато людей на північному заході не можуть завершити 9-річну освіту. Все вищезазначене може створити несприятливе середовище для пропозиції робочої сили в сільській місцевості, що може перешкодити екстенсивному розвитку систем землекористування Гобі.
Економічна стійкість
З підвищенням рівня життя споживачі потребують різноманітних свіжих продуктів високої якості та харчової цінності. На північному заході проживає значне населення меншин (головним чином з ідентичністю Хуей та Дунсян) з переважаючими овочами в харчуванні, які потребують різноманітних продуктів для задоволення своїх потреб. Це створює можливості для нових ринків з новими продуктами. Однак ринок свіжої продукції, що поставляється системами обробітку землі Гобі, може легко насититися, оскільки населення шести північно-західних провінцій становить лише 6.6% країни."з надзвичайно низьким доходом на душу населення. У 2012 році ВВП на душу населення в шести північно-західних провінціях становив у середньому 26,733 4100 юанів (еквівалентно 31 доларів США), що було на XNUMX% нижче, ніж у країні."s середній. Низькі доходи з невеликою кількістю споживачів можуть обмежити розвиток нових ринків у місцевих регіонах і нести значні ризики для економічної стабільності в довгостроковій перспективі. Необхідні дослідження, щоб дослідити, наскільки стійкою може бути ця система, і що можна зробити, щоб забезпечити її довгострокову економічну стабільність. Ми усвідомлюємо, що існує величезний потенціал для продажу свіжої продукції в густонаселених центральних і східних регіонах країни. Ми пропонуємо, щоб пріоритети для розширення ринку були зосереджені на: (i) створенні т.зв "дракон-ланцюг" маркетингова логістика, яка зв’язує "вирощування-оптовики-переробники-споживачів" у ланцюжку вартості; (ii) покращення міжрегіональних транспортних систем, специфічних для переміщення сільськогосподарської продукції; та (iii) розробка механізмів контролю якості, страхування безпеки та справедливого ціноутворення.
Якість і здоров'я продукції
Концентрації важких металів у ґрунті деяких об’єктів вищі, ніж у відкритих полях. Продукти, вирощені в домашніх умовах, іноді містять більш високі цільові коефіцієнти небезпеки важких металів, ніж овочі відкритого грунту (Chen et al. 2016), частково тому, що відходи людської діяльності та інші відходи містяться в субстратах. На деяких підприємствах надлишок синтетичних добрив досягає 670 кг N га 1, а також 1230 кг N га 1 з органічних матеріалів, таких як гній, щороку використовуються для виробництва овочів (Gao et al. 2012). Крім того, пластикова плівка, яка використовується для покриття даху та ґрунту в культиваційних одиницях, часто пов’язана з ефірами фталевих кислот, які додають під час виробництва поліетиленової плівки. Можливі довгострокові ризики для здоров’я виробників, які піддаються впливу забруднювача (Ma et al. 2015; Ван та ін. 2015; Чжан та ін. 2015). Рівень фталатів у китайських ґрунтах, як правило, знаходиться на вищому рівні глобального діапазону (Lu et al. 2018), а посіви в сильно пластифікованих приміщеннях можуть містити високий рівень фталатів (Chen et al. 2016; Ма та ін. 2015; Чжан та ін. 2015). Вплив фталатів на працівників може бути небезпечним для здоров’я (Lu et al. 2018). Необхідні дослідження, щоб розробити ефективні підходи до мінімізації концентрації фталатів у продуктах. Ризик слідових кількостей фталатів для здоров’я людини може бути відсутнім або невеликим, але це необхідно підтвердити. Порогові рівні концентрації важких металів необхідно вказувати в кінцевих продуктах. Можливо, знадобиться розробити деякі складні методи біоремедіації для рекультивації ґрунтів із високим вмістом металів, щоб мінімізувати вплив потенційної концентрації важких металів.
Встановлення політики для сталого розвитку земельних систем Гобі
У північно-західному Китаї швидко розвиваються кластерні системи культивування. У червні 2017 року близько 3000 га землі Гобі оброблялися тільки в провінції Ганьсу. Ця територія має географічні переваги для овочівництва виробництво, включаючи довгі години сонячного світла, велику різницю температур між днем і вночі та ясне небо з невеликим/без забруднення повітря. Системи культивування об’єктів вважаються a "Чудо землі Гобі" для Китаю"соціально-економічний розвиток. Ми рекомендуємо наступні пріоритети визначення політики, щоб забезпечити здоровий розвиток системи з довгостроковою стабільністю.
Баланс між дослідженням і захистом
Ми пропонуємо розробити політику, зосереджену на "захист навколишнього середовища під час дослідження новознайдених земель," це означає, що розвиток систем обробітку землі в Гобі не повинен мати негативного впливу на навколишнє середовище. Політика повинна детально описувати, як підвищити продуктивність системи, одночасно сприяючи екологічній стійкості. Екологічні кредити, "зелене страхування," та "зелені покупки" повинні бути розглянуті та включені в оцінку стійкості системи. Політика також потрібна щодо використання хімічних добрив, важких металів і шкідливих речовин, високих залишків пестицидів і переробки пластикової плівки, серед іншого. Необхідно розробити певну політику для вирішення ключових місцевих питань. Наприклад, споруди для резервування води повинні бути побудовані поряд із культиваційними одиницями у західному кінці коридору Хексі, де наявний наразі відкритий канал транспортування води для зрошення культиваційних одиниць несе значні ризики втрати води під час транспортування та зрошення.
Розробити систематичні заходи щодо водокористування та водозбереження
Щоб повною мірою використовувати багату землю Гобі на північному заході Китаю, слід запровадити сувору та прагматичну політику використання води. Найближчими пріоритетами є: (i) закони про захист водних ресурсів для "вимірювання води,""контроль буріння на воду," та "струмків і джерел авторитет" з детальними положеннями про права на воду, квоти, збори та контроль якості; (ii) будівництво водозбірних і накопичувальних споруд для дощової води з використанням технології водозбірного зберігання, оптимізоване використання поверхневих водних ресурсів, планове дослідження підземних вод і впровадження системи дозволів на водозабір; (iii) посилення відповідальності адміністративних органів на всіх рівнях щодо контролю за водорозподілом, усунення марнотратства води та сприяння раціональному використанню водних ресурсів; (iv) розробка водозберігаючих сільськогосподарських систем, включаючи перехід від заливного або борозенкового зрошення до підповерхневого крапельного зрошення, використання мульчі для зменшення випаровування та вдосконалення систем польових зрошувальних каналів; та (v) у довгостроковій перспективі сприяння розведенню посухостійких сортів, реформування систем землеробства та покращення інфраструктури для будівництва об’єктів.
Посилення агротехнологічних інновацій
Технологія відіграє життєво важливу роль у сталому розвитку систем обробітку землі Гобі; як така, технологічна політика повинна охоплювати: (i) будівництво регіональних інноваційних центрів і випробувальних станцій, створення "цільове фінансування" специфічні для Гобі системи обробітку землі для вирішення нагальних проблем і збільшення інвестицій у науково-дослідницькі/демонстраційні та технічні інноваційні платформи; (ii) розробка систем поширення технологій, коли державна політика сприяє популяризації технологій дослідницькими установами на всіх рівнях, а також створення місцевих технологічних офісів для надання технічних послуг у сільській місцевості; (iii) прийняття заходів для залучення та утримання працівників для роботи в слаборозвиненому північно-західному регіоні; (iv) підвищення рівня освіти фермерів понад 9 років, сприяння розвитку технологічної грамотності серед сільського населення шляхом навчання професійним навичкам та виховання нового покоління фермерів для впровадження інноваційних сільськогосподарських технологій; та (v) розробка університетами та науково-дослідними інститутами спеціальних навчальних програм для сільськогосподарського технологічного персоналу з метою просування передових технологій.
Регулювати харчовий ланцюг
Кількість свіжих фруктів і овочів, вироблених на кластерних підприємствах, як правило, перевищує ту, яку потребують місцеві та сусідні сільські та міські громади. Своєчасне транспортування свіжої продукції на інші внутрішні та закордонні ринки забезпечить збалансованість виробництва та збуту. Політика потрібна для полегшення маркетингових механізмів і логістики. Сорти слід розводити, щоб задовольнити потреби широкого кола ринків, які охоплюють різноманітний асортимент продуктів і смаків, що відповідають різним етнічним і релігійним групам. Політика має підтримувати оптові ринки, роздрібні торгові точки, логістику холодового ланцюга та системи інформаційного моніторингу. Політика може знадобитися для транспортних систем, включаючи будівництво магістральних залізниць, що ведуть до центрального та східного Китаю, а також доступу до сухопутних каналів у Росії, Зовнішній Монголії, Західній Азії та Європі.
Вирощуйте професійних фермерів
Фермери є основними учасниками соціально-економічного розвитку сільської місцевості, але багато молодих фермерів переїхали до міст заради іншого доходу, залишаючи посівні землі роками порожніми з невеликою продуктивністю або взагалі без неї в деяких районах (Зіберг і Луо). 2018; Є 2018). Потрібна політика, яка б підтримувала збільшення доходів ферм від виробництва продуктів харчування, щоб заохочувати молодих фермерів залишатися на фермах, що зрештою покращить соціально-економічну стабільність сільських громад. Ключовим пунктом політики має бути вирощування нового покоління фермерів з підвищеною кваліфікацією та управлінськими навичками, допомагаючи потенціалу переходити від традиційних, самодостатніх, невеликих сімейних ферм до більших фермерських підприємств — підхід до розвитку сучасного сільського господарства в Китаї. Поточну земельну політику, можливо, потрібно буде оновити, щоб дозволити кваліфікованим, професійним фермерам розширювати свої ферми та оптимізувати управління фермою, де це доречно.
Створити надійну систему соціальних послуг
Сільські громади на північному заході історично були слаборозвиненими порівняно з центральним і східним Китаєм. Необхідна політика для створення ефективних систем соціальних послуг, спрямованих на покращення освіти, охорони здоров’я та працевлаштування, а також підвищення загального рівня життя. Сільське господарство є основним бізнесом у сільській місцевості. Потрібна політика для заохочення розвитку великих сільськогосподарських кооперативів для ефективного використання земельних і водних ресурсів із збільшенням доходів для фермерських сімей. Для системи культивування землі Гобі потрібна політика для підвищення ефективності виробництва сільськогосподарських культур, переробки продуктів харчування та розподілу продуктів у місцевих і прилеглих громадах. Щоб задовольнити різноманітні потреби споживачів у свіжих фруктах і овочах на регіональному/місцевому рівні та вивчити можливості на міжнародному рівні, необхідне оптимізоване розташування/розподіл культиваційних потужностей у різних еко-регіонах. Політика також необхідна для забезпечення безпеки та якості продукції з систем об’єктів, яка детально описує зберігання, транспортування та обіг свіжої продукції поза сезоном, щоб мінімізувати ризик втрати свіжості та якості.
Висновки
Земельні ресурси є центральними для сільського господарства та нерозривно пов’язані з глобальними проблемами щодо продовольчої безпеки та засобів до існування мільйонів сільських людей. Прогнозується, що до 9.1 року чисельність населення світу досягне 2050 мільярда, а виробництво продуктів харчування в країнах, що розвиваються, має подвоїтися порівняно з рівнем 2015 року. У країнах, що розвиваються, земельні ресурси зазнають великого тиску через швидку урбанізацію, яка конкурує за доступні землі з сільським господарством. Китай створив нові системи вирощування сільськогосподарських культур на землі Гобі, а саме "Сільське господарство Гобі," який складається з багатьох (до сотень) окремих культиваційних одиниць, виготовлених із місцевих матеріалів і живлячих від сонячної енергії. Культиваційні агрегати з пластиковим дахом, схожі на теплиці, вирощують високоякісні свіжі фрукти та овочі цілий рік. За нашими оцінками, до 2.2 року ці системи охоплять близько 2020 мільйона гектарів, ставши наріжним каменем виробництва продуктів харчування в Китаї."історія сільського господарства. У цьому огляді ми визначили деякі унікальні особливості систем вирощування, включаючи підвищення продуктивності землі на одиницю вхідних ресурсів, покращення WUE та покращення екологічних та екологічних переваг. Ця система культивування пропонує чудові можливості для вивчення доступних місцевих ресурсів для збагачення сільського населення та забезпечення довгострокової життєздатності сільських громад. Ця система також стикається зі значними проблемами, які необхідно вирішити.
Ми визначили деякі ключові питання та відповідні їм пріоритетні напрямки досліджень на найближчу перспективу (3-5 років), що допоможе підвищити стабільність цієї унікальної системи вирощування. Ми настійно рекомендуємо розробити відповідну державну політику та системи соціальних послуг у сільській місцевості для забезпечення економічної прибутковості та еко-екологічної стійкості систем вирощування землі Гобі.
Подяки Автори хотіли б подякувати всім тим, хто вклав свій час і зусилля в участь у цьому дослідженні, а також співробітникам Центру технічного обслуговування овочів району Сучжоу, Цзюцюань, і Службі дорадництва в сільському господарстві Увей, Увей, Ганьсу, за надання деяких даних і фото представлені в статті.
Фінансування Це дослідження спільно фінансувалося "Державний спеціальний фонд агронаукових досліджень у суспільних інтересах (грант № 201203001),""China Agriculture Research Systems (номер гранту CARS-23-C-07),""Ключовий проектний фонд науки і технологій провінції Ганьсу (номер гранту 17ZD2NA015)," та "Спеціальний фонд науково-технологічних інновацій і розвитку під керівництвом провінції Ганьсу (номер гранту 2018ZX-02)."
Відповідність етичним стандартам
Conflict of interest Автори заявляють, що у них немає конфлікту інтересів.
Відкритий доступ Ця стаття розповсюджується згідно з умовами міжнародної ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), яка дозволяє необмежене використання, розповсюдження та відтворення на будь-якому носії за умови, що ви вкажете належне авторство оригінальному автору(ам) і джерелу, надайте посилання на ліцензію Creative Commons і вкажіть, чи були внесені зміни.
посилання
Cakir G, Un C, Baskent EZ, Kose S, Sivrikaya F, Kele5 S (2008) Оцінка урбанізації, фрагментації та моделі землекористування/землевого покриву в місті Стамбул, Туреччина з 1971 по 2002 рік. Land Degrad Dev 19:663-675. https://doi.org/10.1002/ldr.859
Чанакчі М., Ясемін Емеклі Н., Білгін С., Каглаян Н. (2013) Потреба в опаленні та його витрати в теплицях: тематичне дослідження середземноморського регіону Туреччини. Renew Sustain Energy Rev 24: 483-490. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.03.026
Кастелло І, Д"Emilio A, Raviv M, Vitale A (2017) Соляризація ґрунту як стійке рішення для контролю інфекцій томатних псевдомонад у теплицях. Agron Sustain Dev 37:59. https://doi.org/10.1007/ s13593-017-0467-1
Chai L, Ma C, Ni JQ (2012) Оцінка продуктивності системи ґрунтового теплового насоса для опалення теплиць у північному Китаї. Biosyst Eng 111:107-117. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2011.11.002
Chai L, Ma C, Liu M, Wang B, Wu Z, Xu Y (2014a) Вуглецевий слід системи теплового насоса з ґрунтового джерела тепла в опалювальній сонячній теплиці на основі оцінки життєвого циклу. Trans Chinese Soc Agr Eng 30:149-155. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2014.08.018
Chai Q, Gan Y, Turner NC, Zhang RZ, Yang C, Niu Y, Siddique KHM (2014b) Водозберігаючі інновації в китайському сільському господарстві. Adv Agron 126:149-201. https://doi.org/10.1007/s13593-015-0338-6
Chai Q, Qin AZ, Gan YT, Yu AZ (2014c) Вищий урожай і нижчі викиди вуглецю за рахунок спільного посіву кукурудзи з ріпаком, горохом і пшеницею в посушливих районах зрошення. Agron Sustain Dev 34:535-543. https://doi.org/10. 1007 / s13593-013-0161-x
Chai Q, Gan Y, Zhao C, Xu HL, Waskom RM, Niu Y, Siddique KHM (2016) Регульоване дефіцитне зрошення для виробництва рослинництва в умовах посухи. Огляд. Agron Sustain Dev 36:1-21. https://doi. org/10.1007/s13593-015-0338-6
Chang J, Wu X, Liu A, Wang Y, Xu B, Yang W, Meyerson LA, Gu B, Peng C, Ge Y (2011) Оцінка чистих екосистемних послуг від вирощування овочів у пластикових теплицях у Китаї. Ecol Econ 70: 740-748. https://doi.org/10.1016/j.ecolecon.2010.11.011
Chang J, Wu X, Wang Y, Meyerson LA, Gu B, Min Y, Xue H, Peng C, Ge Y (2013) Чи покращує вирощування овочів у пластикових теплицях послуги регіональної екосистеми, окрім постачання їжі? Front Ecol Environ 11:43-49. https://doi.org/10.1890/100223
Che T, Li X (2005) Просторовий розподіл і часові зміни ресурсів снігової води в Китаї протягом 1993 року-2002. J Glaciol Geocryol 27: 64-67
Chen C, Li Z, Guan Y, Han Y, Ling H (2012) Вплив будівельних методів на теплові властивості композиту для зберігання тепла зі зміною фази для сонячної теплиці. Trans Chinese Soc Agr Eng 28:186-191. https:// doi.org/10.3969/j.issn. 1002-6819.2012.z1.032
Chen J, Kang S, Du T, Qiu R, Guo P, Chen R (2013) Кількісна реакція врожайності та якості тепличних томатів на дефіцит води на різних стадіях росту. Agric Water Manag 129:152-162. https:// doi.org/10.1016/j.agwat.2013.07.011
Chen Z, Tian T, Gao L, Tian Y (2016) Поживні речовини, важкі метали та ефіри фталатної кислоти в сонячних тепличних ґрунтах у регіоні Round-Bohai Bay, Китай: вплив року вирощування та біогеографії. Environ Sci Pollut Res 23:13076-13087. https://doi.org/10.1007/ s11356-016-6462-2
Cossu M, Ledda L, Urracci G, Sirigu A, Cossu A, Murgia L, Pazzona A, Yano A (2017) Алгоритм розрахунку розподілу світла у фотоелектричних теплицях. Сонячна енергія 141:38-48. https:// doi.org/10.1016/j.solener.2016.11.024
Cuce E, Cuce PM, Young CH (2016) Потенціал енергозбереження теплоізоляційного сонячного скла: ключові результати випробувань у лабораторії та на місці. Енергія 97:369-380. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.12.134
de Grassi A, Salah Ovadia J (2017) Траєкторії динаміки великомасштабного придбання землі в Анголі: різноманітність, історії та наслідки для політичної економії розвитку в Африці. Політика землекористування 67:115-125. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2017.05.032
Deng XP, Shan L, Zhang H, Turner NC (2006) Підвищення ефективності використання води в сільському господарстві в посушливих і напівпосушливих районах Китаю. Agric Water Manag 80:23-40. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2005.07.021
Du S, Ma Z, Xue L (2016) Оптимальна кількість крапельної фертигації, що покращує врожайність мускусної дині, якість і ефективність використання води та азоту в пластикових теплицях поля, замульчованого гравієм. Trans Chinese Soc Agr Eng 32:112-119. https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2016. 05.016
FAOSTAT (2014) Статистичні щорічники ФАО – світове продовольство та сільське господарство. Продовольча та сільськогосподарська організація ООН 2013 р. https://doi.org/10.1073/pnas.1118568109
Farjana SH, HudaN, Mahmud MAP, Saidur R (2018) Сонячне технологічне тепло в промислових системах - глобальний огляд. Renew Sustain Energy Rev 82:2270-2286. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.08.065
Fu GH, Liu WK (2016) Вплив на охолодження та збільшення врожайності солодкого перцю за допомогою нового методу вирощування: ґрунтовий грядовий субстрат, вбудований у китайську сонячну теплицю. Chin J Agrometeorol 37: 199-205. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-6362.2016.02.09
Fu H, Zhang G, Zhang F, Sun Z, Geng G, Li T (2017) Вплив безперервної монокультури томатів на мікробні властивості ґрунту та активність ферментів у сонячній теплиці. Стійкість (Швейцарія) 9. https://doi.org/10.3390/su9020317
Fu G, Li Z, Liu W, Yang Q (2018) Покращена буферна ємність температурної зони кореневої зони, що підвищує врожайність солодкого перцю завдяки вирощуванню в сонячних теплицях із вкладеним у ґрунт субстратом. Int J Agric Biol Eng 11: 41-47. https://doi.org/10.25165/j.ijabe.20181102.2679
Фуллер Р., Занд А. (2012) Технологія сонячних теплиць для продовольчої безпеки: приклад із району Хумла, північний захід Непалу. Mt Res Dev 32:411419. https://doi.org/10.1659/MRD-JOURNAL-D-12-00057.1
Gao LH, Qu M, Ren HZ, Sui XL, Chen QY, Zhang ZX (2010) Структура, функція, застосування та екологічні переваги односхилої, енергоефективної сонячної теплиці в Китаї. HortTechnology 20: 626-631
Gao JJ, Bai XL, Zhou B, Zhou JB, Chen ZJ (2012) Вміст поживних речовин у ґрунті та баланс поживних речовин у нещодавно побудованих сонячних теплицях у північному Китаї. Nutr Cycl Agroecosyst 94:63-72. https://doi.org/10.1007/ s10705-012-9526-9
Godfray HCJ (2011) Їжа та біорізноманіття. Наука 333:1231-1232. https://doi.org/10.1126/science.1211815
Godfray HCJ, Beddington JR, Crute IR, Haddad L, Lawrence D, Muir JF, Pretty J, Robinson S, Thomas SM, Toulmin C (2010) Food security: the challenge of feeding 9 мільярдів людей. Наука 327:812-818. https://doi.org/10.1126/science. 1185383
Guan Y, Chen C, Li Z, Han Y, Ling H (2012) Поліпшення теплового середовища в сонячній теплиці за допомогою фазоперемінної термоакумулюючої стіни. Trans Chinese Soc Agr Eng 28:194-201. https://doi.org/10. 3969/j.issn.1002-6819.2012.10.031
Guan Y, Chen C, Ling H, Han Y, Yan Q (2013) Аналіз властивостей теплопередачі тришарової стіни з фазовим накопиченням тепла в сонячній теплиці. Trans Chinese Soc Agr Eng 29:166-173. https://doi. org/10.3969/j.issn.1002-6819.2013.21.021
Галіцький В., Куліжський С.П. (2015) Зміни в землекористуванні ріллі в Сибіру в 20 столітті та їх вплив на деградацію ґрунтів. Int J Environ Stud 72:456-473. https://doi.org/10.1080/00207233.2014.990807
Han Y, Xue X, Luo X, Guo L, Li T (2014) Створення моделі оцінки сонячної радіації в сонячній теплиці. Trans Chinese Soc Agr Eng 30:174-181. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819. 2014.10.022
Hassanien RHE, Li M, Dong Lin W (2016) Розширене застосування сонячної енергії в сільськогосподарських теплицях. Renew Sustain Energy Rev 54:989-1001. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.10.095
Jaiarree S, Chidthaisong A, Tangtham N, Polprasert C, Sarobol E, Tyler SC (2014) Бюджет вуглецю та потенціал поглинання в піщаному ґрунті, обробленому компостом. Land Degrad Dev 25:120-129. https://doi. org/10.1002/ldr.1152
Jiang D, Hao M, Fu J, Zhuang D, Huang Y (2014) Просторово-часові зміни маргінальних земель, придатних для енергетичних установок з 1990 по 2010 рр. у Китаї. Sci Rep 4:e5816. https://doi.org/10.1038/srep05816
Jiang W, Deng J, Yu H (2015) Ситуація розвитку, проблеми та пропозиції щодо промислового розвитку захищеного садівництва. Sci Agric Sin 48:3515-3523
Кремер Р., Прищепов А.В., Мюллер Д., Куммерле Т., Раделофф В.К., Дара А., Терехов А., Фрухауф М. (2015) Довгострокова зміна сільськогосподарського покриву та потенціал для розширення орних земель на території колишніх цілинних земель Казахстану. Environ Res Lett 10. https://doi. org/10.1088/1748-9326/10/5/054012
Li Z, Wang T, Gong Z, Li N (2013) Технологія попередження та застосування для моніторингу низькотемпературного лиха в сонячних теплицях на основі Інтернету речей. Trans Chinese Soc Agr Eng 29:229236. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2013.04.029
Li Y, Niu W, Xu J, Zhang R, Wang J, Zhang M (2016) Аероване зрошення, що покращує якість і ефективність використання води для поливу дині в пластикових теплицях. Trans Chinese Soc Agr Eng 32:147-154. https://doi.org/10.11975/j.issn. 1002-6819.2016.01.020
Liang X, Gao Y, Zhang X, Tian Y, Zhang Z, Gao L (2014) Вплив оптимальної щоденної фертигації на міграцію води та солі в ґрунті, ріст коренів і врожайність плодів огірка (Cucumis sativus L.) у сонячній теплиці. PLoS One 9:e86975. https://doi.org/10.1371/journal. pone.0086975
Ling H, Weijiao S, Su LY, Yan Y, Xianchang Y, Chaoxing H (2015) Зміни органічного ґрунтового субстрату при безперервному вирощуванні овочів у сонячній теплиці. ActaHortic (1107):157-163. https://doi. org/10.17660/ActaHortic.2015.1107.21
Liu J, Zhang Z, Xu X, Kuang W, Zhou W, Zhang S, Li R, Yan C, Yu D, Wu S, Jiang N (2010) Просторові структури та рушійні сили зміни землекористування в Китаї на початку 21 ст. століття. J Geogr Sci 20:483494. https://doi.org/10.1007/s11442-010-0483-4
Liu Y, Yang Y, Li Y, Li J (2017) Перехід із сільських поселень і орних земель під час швидкої урбанізації в Пекіні протягом 1985 року-2010. J Сільські дослідження 51:141-150. https://doi.org/10.1016/jjrurstud.2017.02.008
Lu H, Mo CH, Zhao HM, Xiang L, Katsoyiannis A, Li YW, Cai QY, Wong MH (2018) Забруднення ґрунту та джерела фталатів і ризик для здоров’я в Китаї: огляд. Environ Res 164:417-429. https:// doi.org/10.1016j.envres.2018.03.013
Ma TT, Wu LH, Chen L, Zhang HB, Teng Y, Luo YM (2015) Забруднення ефірами фталатів у ґрунтах і овочах теплиць із пластикової плівки в передмісті Нанкіна, Китай, і потенційний ризик для здоров’я людини. Environ Sci Pollut Res 22:12018-12028. https://doi.org/10. 1007/s11356-015-4401-2
Мартінес-Фернандес Дж., Естеве М.А. (2005) Критичний погляд на дебати про опустелювання на південному сході Іспанії. Land Degrad Dev 16:529539. https://doi.org/10.1002/ldr.707
Мюллер Н.Д., Гербер Дж.С., Джонстон М., Рей Д.К., Раманкутті Н., Фолі Дж.А. (2012) Усунення розривів у врожайності шляхом управління поживними речовинами та водою. Природа 490:254-257. https://doi.org/10.1038/nature11420
Ромеро П., Мартінес-Кутіллас А. (2012) Вплив часткового зрошення кореневої зони та регульованого дефіцитного зрошення на вегетативний і репродуктивний розвиток вирощених у полі виноградних лоз Monastrell. Irrig Sci 30:377-396. https://doi.org/10.1007/s00271-012-0347-z
Schmidt U, Schuch I, Dannehl D, Rocksch T, Salazar-Moreno R, Rojano-Aguilar A, Lopez-Cruz IL (2012) Технологія закритої сонячної теплиці та оцінка збору енергії в літніх умовах. Acta Hortic 932:433-440. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2015.1107.21
Seeberg V, Luo S (2018) Міграція до міста на північному заході Китаю: молоді сільські жінки"розширення можливостей. J Human Dev Capab 19: 289-307. https://doi.org/10.1080/19452829.2018.1430752
Song WJ, He CX, Yu XC, Zhang ZB, Li YS, Yan Y (2013) Зміни властивостей органічного ґрунтового субстрату з різними роками вирощування та їхній вплив на ріст огірків у сонячних теплицях. Chin J Appl Ecol 24:2857-2862
Sun Z, Huang W, Li T, Tong X, Bai Y, Ma J (2013) Світлові та температурні характеристики енергозберігаючої сонячної теплиці, зібраної з кольоровою пластиною. Trans Chinese Soc Agr Eng 29:159-167. https://doi.org/10. 3969/j.issn.1002-6819.2013.19.020
Tiwari S, TiwariGN, Al-Helal IM (2016) Розробка та останні тенденції в тепличних сушарках: огляд. Renew Sustain Energy Rev 65:10481064. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.07.070
Tong G, Christopher DM, Li T, Wang T (2013) Пасивне використання сонячної енергії: огляд вибору параметрів поперечного перерізу будівлі для китайських сонячних теплиць. Renew Sustain Energy Rev 26: 540-548. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.06.026
Wang HX, Xu HB (2016) Дослідження надійності Інтернет системи моніторингу об’єктів сільського господарства. Key Eng Mater 693:14861491 https://doi.org/scientific.net/KEM.693.1486
Wang F, Du T, Qiu R, Dong P (2010) Вплив дефіцитного зрошення на врожайність та ефективність використання води томатами в сонячних теплицях. Trans Chinese Soc Agr Eng 26:46-52. https://doi.org/10.3969Zj.issn. 1002-6819.2010.09.008
Wang Y, Xu H, Wu X, Zhu Y, Gu B, Niu X, Liu A, Peng C, Ge Y, Chang J (2011) Кількісне визначення чистого потоку вуглецю від вирощування овочів у пластикових теплицях: аналіз повного вуглецевого циклу. Забруднення навколишнього середовища 159:1427-1434. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2010.12.031
Wang Y, Liu F, Jensen CR (2012) Порівняльні ефекти дефіцитного зрошення та альтернативного часткового зрошення кореневої зони на pH ксилеми, ABA та іонні концентрації в томатах. J Exp Bot 63:1907-1917. https:// doi.org/10.1093/jxb/err370
Wang J, Li S, Guo S, Ma C, Wang J, Jin S (2014) Моделювання та оптимізація сонячних теплиць у північній провінції Цзянсу Китаю. Енергетичні будівлі 78:143-152. https://doi.org/10.1016/j. enbuild.2014.04.006
Wang J, Chen G, Christie P, Zhang M, Luo Y, Teng Y (2015) Поява та оцінка ризику фталатних ефірів (PAE) в овочах і ґрунтах приміських теплиць із пластикової плівки. Sci Total Environ 523: 129-137. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2015.02.101
Wang T, Wu G, Chen J, Cui P, Chen Z, Yan Y, Zhang Y, Li M, Niu D, Li B, Chen H (2017) Інтеграція сонячної технології в сучасну теплицю в Китаї: поточний стан, проблеми та перспектива. Renew Sustain Energy Rev 70:1178-1188. https://doi.org/10.1016/j.rser. 2016.12.020
Wu X, Ge Y, Wang Y, Liu D, Gu B, Ren Y, Yang G, Peng C, Cheng J, Chang J (2015) Зміни потоку вуглецю в сільському господарстві, викликані інтенсивним вирощуванням пластикових теплиць у п’яти кліматичних регіонах Китаю. J Clean Prod 95:265-272. https://doi.org/10.1016/jjclepro.2015.02.083
Xie J, Yu J, Chen B, Feng Z, Li J, Zhao C, Lyu J, Hu L, Gan Y, Siddique KHM (2017) Системи культивування об’єктів "®Ж^Ф" – китайська модель для планети. Adv Agron 145:1-42. https://doi.org/10. 1016/bs.agron.2017.05.005
Xu H, Wang X, Xiao G (2000) Комплексне дослідження дистанційного зондування та ГІС щодо урбанізації та її впливу на орні землі: місто Фуцин, провінція Фуцзянь, Китай. Land Degrad Dev 11:301-314. https://doi.org/10. 1002/1099-145X(200007/08)11:4<301::AID-LDR392>3.0.CO;2-N
Xu H, Zhao L, Tong G, Cui Y, Li T (2013) Варіації мікроклімату з конфігурацією стін для китайських сонячних теплиць. Appl Mech Mater 291294:931-937 https://doi.org/scientific.net/AMM.291-294.931
Xu J, Li Y, Wang RZ, Liu W (2014) Дослідження ефективності системи сонячного опалення з підземним сезонним накопиченням енергії для використання в теплицях. Енергія 67:63-73. https://doi.org/10.1016/j. енерг.2014.01.049
Yang H, Du T, Qiu R, Chen J, Wang F, Li Y, Wang C, Gao L, Kang S (2017) Покращення ефективності використання води та якості плодів тепличних культур за умов регульованого дефіцитного зрошення в північно-західному Китаї. Agric Water Manag 179:193-204. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2016.05.029
Ye J (2018) Stayers in China"s "видовбаний" села: контррозповідь про масове сільське-міська міграція. Popul Space Place 24:e2128. https://doi.org/10.1002/psp.2128
Yuan H, Wang H, Pang S, Li L, Sigrimis N (2013) Проектування та експеримент закритої системи культури для сонячної теплиці. Trans Chin Soc Agric Eng 29:159-165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2013.21.020
Чжан Дж (2007) Перешкоди для ринків води в басейні річки Хейхе на північному заході Китаю. Agric Water Manag 87:32-40. https://doi.org/ 10.1016/j.agwat.2006.05.020
Zhang Y, Zou Z, Li J (2014) Експеримент продуктивності освітлення та теплового зберігання в сонячній теплиці з похилим дахом. Trans Chinese Soc Agr Eng 30:129-137. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819. 2014.01.017
Zhang Y, Wang P, Wang L, Sun G, Zhao J, Zhang H, Du N (2015) Вплив сільськогосподарського виробництва на розподіл фталатних ефірів у чорноземах північно-східного Китаю. Sci Total Environ 506-507: 118-125. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2014.10.075
Zhang W, Cao G, Li X, Zhang H, Wang C, Liu Q, Chen X, Cui Z, Shen J, Jiang R, Mi G, Miao Y, Zhang F, Dou Z (2016) Усунення розривів прибутковості в Китаї розширення можливостей дрібних фермерів. Природа 537:671-674. https://doi.org/10.1038/nature19368
Zhang J, Wang J, Guo S, Wei B, He X, Sun J, Shu S (2017) Дослідження характеристик теплопередачі стіни з солом’яних блоків у сонячній теплиці. Енергобудівлі 139:91-100. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.12.061
Zhou S, Zhang Y, Yang Q, Cheng R, Fang H, Ke X, Lu W, Zhou B (2016) Ефективність блоку активного накопичення тепла та виділення тепла за допомогою теплового насоса в новому типі китайської сонячної теплиці. Appl Eng Agric 32:641-650. https://doi.org/10.13031/aea.32.11514