افزایش آب شیرین با کشت هیدروپونیک
......................................................

کشاورزی هیدروپونیک گلخانه ای می تواند باعث افزایش آب شیرین جهان شود. این شیوه می تواند آب مورد نیاز کشاورزی را کاهش دهد و از جنگ های آبی آینده جلوگیری نماید.

بنا بر اطلاعیه رسمی 8 سپتامبر آزمایشگاه های ملی ساندیا(1) متعلق به وزارت انرژی در نیو مکزیکو، شیوه ای که برای پرورش علوفه دام ها از یک صدم آب شیرین مورد نیاز در شرایط عادی استفاده می نماید، ممکن است آب بیشتری را برای استفاده های انسانی، مسکونی و صنعتی باقی بگذارد.
ران پیت(2)، پژوهشگر آزمایشگاهی می گوید صرفه جویی های ممکن در آب به ویژه در نیومکزیکو، ایالت واقع در جنوب غربی کم آب آمریکا، که مشکلات آن نظیر سایر مناطق خشک از جمله مکزیک، خاور میانه، هند، پاکستان و حتی شمال چین است که سطح ذخایر آب زیر زمینی به دلیل استفاده مداوم کشاورزی در حال پایین رفتن است اهمیت فراوانی دارد. "در همه این مناطق، بیشتر آب به جای استفاده انسانی و سایر مصارف سازنده، صرف کشاورزی آبی می شود."
این شیوه هم اکنون به وسیله 42 حس گر بی سیم و زیر نظر ساندیا، آزمایشگاه ملی امنیتی آمریکایی، در یک گلخانه هیدروپونیک پرورش علوفه که در نزدیکی مرز آمریکا - مکزیک قرار دارد مورد آزمایش است. پیت می گوید ساندیا به این موضوع علاقمند است زیرا: "اگر احتمال جنگ بر سر آب را در قرن 21 نادیده بگیریم، کشمکش بر سر آن ممکن است."
تفاوت بین کشاورزی سنتی و شیمیایی این است که گیاهان گلخانه ای غذای خود را از زمین دریافت نمی کنند. این آزمایش متکی به ماده غذایی موجود در دانه است که جوانه می زند، به دقت آبیاری شده و 10 روز پس از آغاز رشد، برداشت می شود. برای تولید همان مقدار علوفه (نسبت به علوفه کاشته شده به شیوه سنتی و در زمین های باز)، دانه بیشتری لازم است. اما مصرف آب به شدت پایین می آید.
مشاهدات نخستین نشان می دهد که گلخانه های شیمیایی در مناطقی مانند نیو مکزیکو می توانند میزان 987.000 متر مکعب آب را برای تولید مقدار مساوی (وزن خالص) علوفه دام به 13.500 متر مکعب برسانند. همین محصول می تواند به جای 105.000 هکتار ــ مساحت کنونی زیر کشت آلفالفا(3) در نیو مکزیکو ــ در کمتر از 404 هکتار کاشته شود. 80 درصد از آب مصرفی نیومکزیکو صرف کشاورزی می شود. بیش از نیمی از آن نیز صرف کشت علوفه به ویژه آلفالفا می شود. شرایط آب بسیاری از کشورها مشابه این شرایط است.
شیوه های فعلی کشاورزی در مناطق خشک، مقدار زیادی از آب را به دلیل تبخیر و جذب خاک از دست می دهد. این پدیده در طول زمان می تواند باعث شور شدن خاک و از دست رفتن تولید کشاورزی شود. هیچ یک از این شرایط در گلخانه هیدروپونیک که نیازی به زمین زراعی مرغوب ندارد به وجود نمی آید.
گلخانه هیدروپونیک که با نام های "کشاورزی حفاظت شده"(4) یا "کشاورزی محیط تحت مراقبت"(5) نیز شناخته می شود همچنین نوری را که به گیاهان می رسد تحت نظر دارد و آن را تنظیم می نماید. این آزمایش ها با استفاده از فرآیندهای سایه ساز گوناگون برای جلوگیری از حرارت زیاد و بهبود رشد گیاه از شدت نور می کاهند و مانع از تابش فرکانس های مشخصی می شوند. حس گر ها در گلخانه 8 × 18 متر نور، دما، رطوبت نسبی و فشار هوا را نشان خواهند داد. داده هایی که هر چند دقیقه یک بار جمع آوری می شود با استفاده از خط تلفن به یک رایانه در نقطه ای دیگر فرستاده می شود تا مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. حس گرها و شبیه سازی های رایانه به پژوهشگران نشان خواهند داد که چگونه به طرز کارآمدتری به پرورش محصولات بپردازند.
گری یوناس(6)، دانشمند برجسته ساندیا و مدیر گروه مفهوم پیشرفته(7) آزمایشگاه می گوید که این طرح همچنین مانند الگویی برای آزمایشگاه مشترک با مکزیک جهت کار بر روی مسایل علمی مرتبط با مرز است. "از آنجا که گروه مفهوم پیشرفته، به مسایل امنیتی آینده جهان می پردازد، ما نظریه آازمایشگاهی مشترک بین مکزیک وایالات متحده را پیش بردیم تا مسایل مرزی را که قابلیت ایجاد درگیری دارند مورد بررسی قرار دهیم. این طرح (گلخانه) نخستین ثمره آن ایده است."
آلبوکرکی(8) نیومکزیکو- روشی که تقریبا یک صدم از آب مصرفی کنونی لازم برای پرورش علوفه دام ها را مورد استفاده قرار می دهد می تواند آب بیشتری را برای مصرف انسانی و نیز استفاده های مسکونی و صنعتی باقی بگذارد. این شیوه می تواند انرژی خورشیدی استفاده نشده را نیز به عنوان تولید جانبی به برق فشار قوی تبدیل کند.

روش کاهش دهنده مصرف آب هم اکنون توسط 42 حس گر بی سیم که در یک گلخانه هیدروپونیک پرورش علوفه واقع در کمتر از فاصله پرتاب یک سنگ از مرز مکزیک نصب شده است، زیر نظر آزمایشگاه های ملی ساندیا متعلق به اداره ملی امنیت هسته ای ــ یک آزمایشگاه ملی امنیتی ایالات متحده ــ در دست امتحان است. ران پیت، پژوهشگر آزمایشگاهی می گوید که ساندیا به این موضوع علاقمند است زیرا: "اگر احتمال جنگ بر سر آب را در قرن 21 نادیده بگیریم، کشمکش بر سر آن ممکن است."
پیتر دیویز(9)، مدیر علوم زمینی و محیطی ساندیا می گوید: "بخش عظیمی از مصرف آب شیرین سراسر دنیا مربوط به کشاورزی است. قابلیت کاهش میزان آب مورد نیاز برای این مصرف و در نتیجه کاستن از احتمال درگیری بین المللی برای امنیت ایالات متحده و دنیا اهمیت فراوانی دارد." پیت می گوید که صرفه جویی ممکن در مصرف آب به ویژه در نیومکزیکو و جنوب غربی آمریکا، مکزیک، مناطق کم آب مانند خاور میانه، نواحی مشخصی بین هند و پاکستان و حتی شمال چین که آب های زیر زمینی به طور مداوم برای مصارف کشارزی استفاده می شوند و سطح آنها پایین می رود، بسیار مهم است. "در تمام این نقاط مقدار زیادی از آب بیش از آن که به طور مستقیم نیازهای انسانی و سایر مصارف تولیدی را تامین نماید، صرف آبیاری محصولات کشاورزی می شود."
مشاهدات ابتدایی نشان می دهند که گلخانه های شیمیایی در مناطقی مانند نیو مکزیکو می توانند برای تولید مقدار مساوی (وزن خالص) علوفه دام، 800.000 آکر فوت(10) فعلی مورد استفاده را به 11.000 آکر فوت برسانند و این عمل را در وسعت 1.000 جریب زمین به جای 260.000 جریب ــ زمین زیر کشت کنونی آلفالفا در نیومکزیکو ــ صورت دهند. هشتاد درصد از آب نیومکزیکو صرف کشاورزی می شود. بیش از نیمی از آن به پرورش علوفه تعلق دارد. آلفالفا فراوان ترین این محصولات است. شرایط مصرف اب در بسیاری از نقاط دنیا مشابه این شرایط است.
شیوه های کنونی کشاورزی در مناطق خشک مقدار زیادی از آب را از طریق تبخیر و جذب خاک از دست می دهد. این عوامل با گذشت زمان می توانند منجر به شور شدن خاک و از دست رفتن تولید کشاورزی شوند. هیچ یک از این رویدادها در گلخانه که در وحله اول برای محصول دادن نیازی به خاک مرغوب ندارد صورت نمی گیرد.
گلخانه های هیدروپونیک که به تازگی در ایالت چیهواهوا(11) ساخته شدند، توسط مزرعه داران مکزیکی در خشکسالی جاری برای پرورش خوراک دام جهت نگهداری از گله هایشان مورد استفاده قرار گرفتند. با این وجود مسایل فنی در زمینه بهینه سازی میزان واقعی آب ذخیره شده، سنجش ارزش غذایی علوفه و نیز مناسب ترین نور لازم برای رشد همچنان باید مورد بررسی قرار گیرند. در مورد شرایط کارآیی اقتصادی نیز تحقیق بیشتری لازم است.
به این ترتیب پژوهشگران مکزیکی علاقه زیادی به این طرح ایالات متحده نشان دادند که درست در شمال مرز آمریکا/ مکزیک در سانتا ترزا(12) نیومکزیکو، چند مایل غرب تر از الپاسو(13) به اجرا در آمده است. یک گروه مکزیکی از سیوداد(14) چیهواهوا ــ که فاصله آن با ماشین حدود 3 ساعت و نیم است ــ به سرپرستی هکتور گالگس(15) محقق و فرانسیسکو آگویره(16)، سازنده سیستم علوفه شیمیایی چندین بار از این طرح دیدار کرده اند تا در طراحی، ساخت و اجرای آن کمک نمایند.
گالگس در یک مصاحبه تلفنی از چیهواهوا گفت: "تفاوت (بین طرح های دیگر ما و این طرح) حس گر هایی است که ساندیا برای کنترل شرایط این محل نصب کرده است. ما در شرایط معمول فقط از یک حس گر رطوبتی استفاده می کنیم تا دریابیم که چه زمان باید آبیاری صورت گیرد."
او می گوید حس گرهایی که ساندیا کار گذاشته است و شبیه سازی های رایانه به پژوهشگران نشان می دهند که چگونه محصولات را به شکل موثرتری پرورش دهند.
او می گوید: "لازم است که ما میزان مصرف آب را در گلخانه مورد بررسی قرار دهیم؛ تنها راه انجام این کار نیز مشاهده دقیق آب مورد نیاز در هر مرحله است." وی می افزاید که در آزمایش های مکزیکی فقط از گندم و ذرت آماده استفاده شده است؛ ساندیا در آزمایش هایش علاوه بر این موارد از چاودم، ذرت خوشه ای، جو و جو دو سر نیز استفاده کرده است.
ارزش غذایی گیاهان پرورش یافته از طریق شیمیایی توسط یک استاد تغذیه دام در دانشگاه ایالتی نیومکزیکو به نام کلینت لوست(17) مورد بررسی قرار می گیرد. آزمایشگاه او نتایج آزمایش تغذیه را با نیازهای واقعی حیوانات می سنجد.
او گفت: "بدون شک این رویداد یک اتفاق منحصر به فرد در زمینه خوراک دام است. اگر تاثیر این خوراک بر دام ها به خوبی خوراک عادی آنها باشد، پیشرفتی عظیم صورت گرفته است. ممکن است این موفقیت به حدی زیاد باشد که در صورت ذخیره مقدار بسیار زیاد آب ما کمی از اقداماتمان بکاهیم."
تفاوت بین کشاورزی سنتی و هیدروپونیک آنن است که گیاهان گلخانه ای غذای خود را از زمین دریافت نمی کنند. این آزمایش متکی به ماده غذایی موجود در دانه است که جوانه می زند، به دقت آبیاری می شده و 10 روز پس از آغاز رشد، برداشت می شود. برای تولید همان مقدار علوفه (نسبت به علوفه کاشته شده به شیوه سنتی و در زمین های باز)، دانه بیشتری لازم است. اما مصرف آب به شدت پایین می آید.
گلخانه هیدروپونیک که با نام های "کشاورزی حفاظت شده" یا "کشاوورزی محیط تحت مراقبت" نیز شناخته می شود همچنین نوری که به گیاهان می رسد را تحت نظر دارد و آن را تنظیم می نماید. این آزمایش ها با استفاده از فرآیندهای سایه ساز گوناگون برای جلوگیری از حرارت زیاد و بهبود رشد گیاه از شدت نور خواهند کاست و مانع از تابش فرکانس های مشخصی خواهند شد.
راهکار "گیاه سخنگو"
جین جاکوملی(18)، مدیر برنامه با ارزش کشاورزی محیط تحت مراقبت(19) در گروه مهندسی کشاورزی و بیوسیستم های دانشگاه آریزونا می گوید که از دخالت ساندیا راضی است؛ چرا که "ساندیا دارای فن آوری پیشرفته ای است که می تواند برای کاهش هزینه دریافت های محیطی به شیوه قدیمی مورد استفاده قرار گیرد."
جاکوملی گفت که علاوه بر حس گرهای بی سیم مورد استفاده کنونی می توان از روش "گیاه سخنگو" استفاده کرد. در این روش حس گرهای بسیار کوچک، سبک وزن و ارزان قیمت به طور مستقیم روی هر گیاه قرار داده می شود تا وضعیت آب، دما و سرعت رشد گیاه را نمایش دهد.
"ما اتصال این حس گرها را (در آینده و از طریق اتصالات بی سیم) به شیوه ای که هر کدام روی یک گیاه قرار دارند پیش بینی می کنیم. در این صورت گیاه به طور مستقیم به سیستم نظاره گر اطلاع خواهد داد که چه چیز احتیاج دارد وفقط هوای اطراف گیاه نشان داده نخواهد شد. گیاه ممکن است به چیزهای دیگری نیز احتیاج داشته باشد که این (حس گرهای فاصله دار) به ما نشان نمی دهند. این بهترین شرایط فنی برای ما خواهد بود."
این حس گرها در ساندیا برای نظارت های دیگری تولید می شوند. جاکوملی پژوهشگران آزمایشگاه ها را تحسین کرد زیرا "آنها دریافته اند که وقتی فن آوری را در یک سیستم بیولوژیک به کار می برید، نمی توانید آن را بدون تخصص بیولوژیک برای استفاده عملی از این فن آوری پیشرفته همان جا رها کنید."
طریقه کار این شیوه
صف انبوه حس گرها در گلخانه 8 × 18 متری (26 × 29 فوتی) نور، دما، رطوبت نسبی و فشار هوا را نشان می دهد. داده های جمع آوری شده هر چند دقیقه یک بار از طریق خط تلفن برای تجزیه و تحلیل به یک رایانه که در محلی دیگر است فرستاده می شود. ران می گوید: "ما توقع داریم که سیستم (گلخانه ای) آن طور که ممکن است به ذهن افراد برسد در برابر تغییرات محیط، آرام عمل نکند یا با محیط متجانس نشود. هر بار که آب فشان شروع به کار می کند، از دمای اطراف گیاهان به صورت نسبتا سریعی کاسته می شود." هرگاه که یک حس گر رطوبتی یا یک زمان سنج، مدار کنترل کننده را فعال نماید، آب به مدت 20 ثانیه از آب فشان های ربع اینچی بر گیاهانی که در سینی های پلاستیکی روی سطوح فلزی قرار داده شده اند پاشیده می شود. پژوهشگران برای کاهش کار و نیز محافظت در برابر کپک، در حال بررسی تولید و استفاده از سینی هایی هستند که خودشان نیز برای دام ها خوراکی باشند، به این ترتیب شستشو و بهداشتی نمودن سینی ها غیر ضروری خواهد بود. چنین سینی هایی می توانند به ماده غذایی محصول نهایی علوفه بیافزایند و آن را به وعده متناسب تری برای دام ها تبدیل کنند. مصرف آب، دانه و کار نیز مورد بررسی است.
پیت می گوید: "ما می خواهیم از تفاوت های جزیی اقلیمی آگاه شویم. می خواهیم بدانیم که رشد علوفه چگونه با تفاوت دما و مکان و زمان آبیاری تغییر می کند. این درک به ما در تنظیم طرح و فعالیت گلخانه کمک خواهد کرد."
روش خورشیدی
این آزمایش ها همچنین قرار است با استفاده از مهار نور در تولید امتیاز دیگری نیز به کار گرفته شوند. این امتیاز عبارت است از: تولید نیروی برق به روش خورشیدی. (پمپ ها، زمان سنج ها و حس گرهای گلخانه در حال حاضر نیز به وسیله قطعات بدون تکیه گاه خورشیدی کار می کنند که نور را به برق تبدیل می کنند و آنگاه آن را برای مصرف شب و هوای ابری درون باتری هایی ذخیره می سازند.)
ویپین گوپتا(20) پژوهشگر ساندیا می گوید: گلخانه می تواند یک منبع خورشیدی باشد، زیرا نور خورشید در مناطق خشک باید ***** شود تا به دلیل شدت زیاد، موجب خرابی محصول نگردد. مساله، ساخت مواد قابل اطمینان و موثری است که از بخشی از نور استفتده کنند که گیاه به آن علاقه ای نشان نمی دهد تا بتوانند به تولید نوعی از برق بپردازند که علاوه بر مصرف گلخانه قابلیت ورود به شبکه را نیز داشته باشد." این طرح از اهمیت تجاری نیز برخوردار است.
ویپین هم اکنون در موسسه فن آوری تحقیق مواد الپاسو مستقر است و برای این طرح نقش کلیدی را در منطقه ایفا می کند. اد بینز(21)، متخصص فن آوری ساندیا هم اکنون در لاس کروسس(22) مقیم است و تامین فن آوری گلخانه را بر عهده دارد. نینا بری(23) و جس دیویس(24)، پژوهشگران ساندیا/ کالیفرنیا به همراه دو انترن ترم تابستانی مشغول پیاده کردن مجموعه حس گرهای بی سیم متصل به شبکه و اتصال خط انتقال داده ها از طریق تلفن همراه هستند که قرار است در نیمه سپتامبر وصل شود.
نظریه آزمایشگاه دو ملیتی
در حالی که سنت کشاورزی، عوامل فرهنگی و واقعیت های اقتصادی، به اجرا در آوردن سریع شیوه های گلخانه ای هیدروپونیک را برای تولید علوفه دامی مشکل می سازد، این طرح باید داده های لازم را برای زمانی که خشکسالی به طور جدی ما را تهدید می کند فراهم سازد.
گری یوناس، دانشمند برجسته ساندیا و مدیر گروه مفهوم پیشرفته آزمایشگاه می گوید که این طرح همچنین راه را برای یک موجودیت دیگر که آزمایشگاه مشترکی با مکزیک برای پرداختن به مشکلات علمی مربوط به مرز است باز می نماید. "از آنجا که گروه مفهوم پیشرفته، به مسایل امنیتی آینده جهان می پردازد، ما نظریه آزمایشگاهی مشترک بین مکزیک وایالات متحده را پیش بردیم تا مسایل مرزی را که قابلیت ایجاد درگیری دارند مورد بررسی قرار دهیم. این طرح (گلخانه) نخستین ثمره آن ایده است."
جسیکا ترنلی(25)، یکی از مشاوران ساندیا و مدیر آزمایشگاه جانبی قابلیت تداوم دو ملیتی ساندیا(26) می گوید: "ما مشتاقیم از امکان گلخانه ای برای همکاری با ساندیا و دانشمندان و مجامع هر دو طرف مرز استفاده کنیم تا فن آوری هایی جهت بالا بردن کیفیت زندگی به وجود آیند."
ساندیا یک آزمایشگاه چند منظوره زیر نظر شرکت ساندیا که یکی از شرکت های لاکهید مارتین(27) است برای اداره امنیت ملی هسته ای وزارت انرژی فعالیت می کند.
ساندیا که امکانات اصلی آن در آلبوکرک نیومکزیکو و لیور مور کالیفرنیا واقع است، مسولیت های تحقیقی و تشخیصی فراوانی را در ارتباط با امنیت ملی، انرژی و فن آوری های محیطی و رقابت اقتصادی بر عهده دارد