Jianming Xie1,2 & Jihua Yu1,2 & Baihong Chen1,2 & Zhi Feng1,2 & Jian Lyu1,2 & Linli Hu1,2 & Yantai Gan3 &
Kadambot HM Siddique4
1. Gansu Provincial Key Laboratory of Aridland Crop Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Kina
2. College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Kina
3. Agriculture and Agri-Food Canada, Swift Current Research and Development Centre, Swift Current, SK S9H 3X2, Kanada
4. UWA Institute of Agriculture och School of Agriculture & Environment, University of Western Australia, Perth, WA 6001, Australien
Abstrakt
I befolkade regioner/länder med snabb ekonomisk utveckling, som Afrika, Kina och Indien, krymper odlingsbar mark snabbt på grund av stadsbyggande och andra industriella användningar av marken. Detta skapar oöverträffade utmaningar att producera tillräckligt med mat för att tillfredsställa de ökade matbehoven. Kan de miljontals ökenliknande, icke-odlingsbara hektaren utvecklas för livsmedelsproduktion? Kan den rikligt tillgängliga solenergin användas för växtodling i kontrollerade miljöer, såsom solbaserade växthus? Här granskar vi ett innovativt odlingssystem, nämligen "Gobi jordbruk." Vi finner att det innovativa Gobi-jordbrukssystemet har sex unika egenskaper: (i) det använder ökenliknande markresurser med solenergi som den enda energikällan för att producera färsk frukt och grönsaker året runt, till skillnad från konventionell växthusproduktion där energibehovet är tillfredsställs via förbränning av fossila bränslen eller elförbrukning; (ii) kluster av individuella odlingsenheter tillverkas av lokalt tillgängliga material såsom lerjord för anläggningarnas norra väggar; (iii) landproduktiviteten (färsk produktion per enhet mark och år) är 10-27 gånger högre och grödans vattenanvändningseffektivitet 20-35 gånger större än traditionella öppna fält, bevattnade odlingssystem; (iv) grödans näringsämnen tillhandahålls huvudsakligen via lokalt tillverkade organiska substrat, vilket minskar användningen av syntetiska oorganiska gödningsmedel vid växtodling. (v) Produkter har ett lägre miljöavtryck än odling på friland på grund av solenergi som den enda energikällan och höga skördar per insatsenhet; och (vi) det skapar sysselsättning på landsbygden, vilket förbättrar stabiliteten i landsbygdssamhällen. Även om detta system har beskrivits som en "Gobi-land mirakel" för socioekonomisk utveckling måste många utmaningar hanteras, såsom vattenbegränsningar, produktsäkerhet och ekologiska konsekvenser. Vi föreslår att relevant politik utvecklas för att säkerställa att systemet ökar livsmedelsproduktionen och förbättrar landsbygdens socioekonomi samtidigt som den ömtåliga ekologiska miljön skyddas.
Beskrivning
Åkermark för jordbruk är en begränsad resurs (Liu et al. 2017). I länder med snabb ekonomisk utveckling, som Kina, Indien och Afrika, har mycket åkermark omvandlats till industriell användning (Cakir et al. 2008; Xu et al. 2000). På grund av snabb urbanisering som konkurrerar om mark med jordbruk (Zhang et al. 2016; Mueller et al. 2012), finns det en aldrig tidigare skådad utmaning för att öka växtodlingen för att tillfredsställa kostbehoven och preferenserna för den växande mänskliga befolkningen (Godfray et al. 2010). Det är möjligt att utvecklade länder med stora areor åkermark, som Australien, Kanada och USA, skulle kunna omvandla gräsmarksområden till åkermark för världens spannmålsmarknader. Men att göra det kan påskynda förlusten av kolreserver och få betydande negativa effekter på miljön (Godfray 2011).
I många torra och semirida miljöer finns det stora områden med "Gobi land" (definierat som icke-odlingsbar mark), inklusive 1.95 miljoner hektar mark av ökentyp i de sex provinserna i nordvästra Kina (Liu et al. 2010). Kina gör en samlad ansträngning för att utveckla denna Gobi-mark för livsmedelsproduktion med hjälp av ett innovativt odlingssystem, kallat "Gobi jordbruk." Vi definierade detta odlingssystem som "Ett odlingssystem med ett kluster av lokalt uppbyggda, soldrivna plastväxthusliknande odlingsenheter för produktion av högavkastande, högkvalitativa färskvaror (grönsaker, frukt och prydnadsväxter) på ett effektivt, effektivt och ekonomiskt sätt" (Xie et al. 2017). I vissa sofistikerade klustersystem kan klimatförhållandena i de enskilda enheterna övervakas med hjälp av dataloggrar. Till skillnad från konventionella växthus eller växthus där uppvärmning och kylning (två stora kostnader involverade i växthusproduktion) vanligtvis tillhandahålls genom förbränning av fossila bränslen (diesel, eldningsolja, flytande petroleum, gas) som ökar CO2 utsläpp, eller att använda elektriska värmare som förbrukar mer energi (Hassanien et al. 2016; Wang et al. 2017), "Gobi jordbruk" system är helt beroende av solenergi för uppvärmning, kylning och omvandling av naturlig energi till växtbiomassa.
Under de senaste åren har användningen av Gobi-mark för livsmedelsproduktion utvecklats snabbt i Kina (Zhang et al. 2015). I de nordvästra regionerna producerar Gobi markodlingssystem en stor del av de grönsaker som konsumeras i regionen. Detta system spelar en viktig roll för att säkerställa livsmedelssäkerhet, öka socioekologisk hållbarhet och förbättra landsbygdens livskraft. Många anser att detta Gobi land jordbruk är en "nyfunnen mark" odlingssystem. En betydande del av systemet är möjligheten till livsmedelsproduktion på en gång improduktiv mark. Detta innovativa odlingssystem kan vara ett revolutionerande steg mot modernt jordbruk. Det finns dock en brist på information om den vetenskapliga utvecklingen av Gobi-land odlingssystem. Många frågor förblir obesvarade: Kommer detta system att på ett hållbart sätt utvecklas till en stor grönsaksproduktionsindustri? Hur kommer Gobis markodlingssystem att påverka ekomiljön på lång sikt? Kan detta "tillverkad i Kina" odlingsmodellen gäller för andra torra zoner med krympande åkerarealer, såsom norra Kazakstan (Kraemer et al. 2015), Sibirien (Halicki och Kulizhsky 2015), och centrala till norra afrikanska regioner (de Grassi och Salah Ovadia 2017)?
Med dessa frågor i åtanke genomförde vi en omfattande litteraturgenomgång om den senaste utvecklingen och viktiga forskningsrön om odlingssystemet. Syftet med detta dokument var att (i) belysa de vetenskapliga framstegen för Gobi-landodlingssystem som antagits i norra Kina, inklusive grödas produktivitet, vattenanvändningseffektivitet (WUE), närings- och energianvändningsegenskaper och potentiella ekologiska och miljömässiga effekter; (ii) diskutera stora utmaningar som systemet står inför, såsom tillgången på vatten för bevattning, kvaliteten och säkerheten för produkterna, och den potentiella inverkan på landsbygdens stabilitet och utveckling; och (iii) ge förslag på policysättning och forskningsprioriteringar för sund prospektering och långsiktigt hållbar utveckling av Gobis markodlingssystem.
En kort genomgång av infrastrukturen för Gobi landsystem
För att förstå hur Gobi markodlingssystem fungerar har vi gett en kort beskrivning av deras design, konstruktion och konstruktion. Mer detaljer om infrastrukturen finns i en nyligen genomförd granskning (Xie et al. 2017). Gobi-markodlingssystemet är etablerat på oodlad Gobi-mark där traditionell växtodling inte är möjlig. Gobi markanläggningar är byggda i "kluster" enskilda produktionsenheter. En typisk klusteranläggning består av flera (upp till hundratals) individuella odlingsenheter eller hus (Fig. 1a). De mikroklimatiska förhållandena i varje odlingsenhet övervakas av en centraliserad kontrollcentral där fjärrsensorer,
Mikroklimatiska förhållanden, såsom lufttemperatur och luftfuktighet, kan justeras i vissa odlingsenheter, medan andra övervakningssystem tillåter automatisk gödning. Vissa avancerade teknologier som Internet of objects (Wang och Xu 2016) eller Internet of things (Li et al. 2013) kan installeras i kontrollcentret för att ge mer exakta avläsningar av mikroklimatdata som överförs från individuella odlingsenheter. Dessa har dock inte implementerats i stor utsträckning på grund av de höga kostnaderna.
En typisk odlingsenhet inom en klustrad anläggning är orienterad österut-väster och har tre väggar på norra, östra och västra sidorna av strukturen. Den södra sidan av strukturen är ett lutande tak som stöds av en stålram och täckt med transparent termisk plastfilm (Fig. 2). Taket lutas på lämpligt sätt för att säkerställa effektiv ljusgenomsläpplighet under dagen (Zhang et al. 2014). Energi från solen lagras i väggarnas termiska massa och frigörs som värme på natten. Under vintern är taket täckt med hemmagjorda halmmattor varje natt för att upprätthålla den inre temperaturen (Tong et al. 2013).
En kritisk komponent i varje odlingsenhet är den norra väggen som är byggd av lokalt tillgängliga material som lertegel (Wang et al. 2014), gröda halmblock (Zhang et al. 2017), vanliga tegelstenar med frigolit (Xu et al. 2013), flygaska murverk enheter (Xu et al. 2013), lerblock blandade med cementbruk (Chen et al. 2012), rammad jord (Guan et al. 2013), eller råjord inkorporerad med betongblock. I vissa enheter är norra väggen konstruerad av "fasförändrande material" för att optimera värmelagring och värmeutbyte, och därför minska temperaturfluktuationer för växttillväxt (Guan et al. 2012).
En av de betydande skillnaderna mellan Gobi landklustrade anläggningar och traditionella växthus eller växthus är kraftkällan. Varje odlingsenhet i det klustrade Gobi-landsystemet drivs helt av solenergi. Solstrålning absorberas av norra väggen under dagen och frigörs på natten. Oanvänd energi under dagen är en aktiv energikälla på natten. A "vattengardinering" Systemet används vanligtvis för att ge extra värme under vinternätter, där en liten del av marken i enheten är fylld med vatten för att användas som värmeväxlande media (Xie et al. 2017). Under dagen cirkulerar vatten och passerar genom de vattenabsorberande gardinerna, med överskottsvärme från solstrålning lagrad i vattenkroppen; på natten cirkulerar det varma vattnet och passerar genom vattenridåer med värme som avges till luften inuti enheten. Effektiviteten av energilagring i "vattengardinering" systemet beror på många faktorer, såsom direkt solstrålning, isotrop diffus solstrålning från himlen, atmosfärisk transparens och värmegenomsläpplighet från plastfilmen på taket (Han et al. 2014). Med utvecklingen av odlingssystemen utvecklas mer sofistikerade värmesystem för förbättrad värmelagring och -avgivning.
Vetenskapliga framsteg av Gobi markodlingssystem
Gobi markodlingssystem skiljer sig från traditionell odling av grödor på öppna fält där grödor antingen regnfodras eller bevattnas. De skiljer sig också från växtodling i konventionella växthus eller växthus där energin till största delen levereras av naturgas eller elektricitet. Gobi markodlingssystem har unika egenskaper, av vilka några framhävs nedan.
Ökad grödas produktivitet
Grödor som odlas i Gobi-markanläggningar är mycket produktiva med betydligt högre markanvändningseffektivitet (dvs skörd per enhet mark som används) än traditionell odling på friland. Till exempel har den östra regionen av Hexi-korridoren i nordvästra Kina en långsiktig (1960)-2009) årlig solskenslängd på 2945 timmar, årlig medellufttemperatur 7.2 °C och frostfri period på 155 dagar (Chai et al. 2014c); värmeenheterna är mer än tillräckliga för att producera en gröda per år men otillräckliga för att producera två grödor per år under de traditionella öppna fältsystemen. I Gobi-land-systemet kan grödor odlas i de flesta månader eller till och med året runt. Genomsnittlig årlig skörd under 5 år (2012-2016) i odlingsenheterna vid Jiuquan Experimental Station var 34 t ha-1 för myskmelon (Cucumis melo L.), 66 t ha-1 för vattenmelon (Citrullus lanatus L.), 102 t ha 1 för varm peppar (Capsicum annuum, C. frutescens), 168 t ha 1 för gurka (Cucumis sativus L.), och 177 t ha 1 för tomat (Solanum L.), som är 10-27 gånger högre än de i traditionella öppna fältsystem under samma klimatförhållanden (Xie et al. 2017). Liknande resultat har observerats på andra håll i norra Kina, såsom Wuwei-distriktet i den östra änden av
Hexi korridor. Dessa avkastningsvärden beräknades på den markyta som upptas av odlingsenheterna, samt de gemensamma ytorna som delas av enskilda enheter inom samma kontrollsystem. De gemensamma utrymmena är för transport av insatsmaterial och produktmarknadsföring.
Förbättrad vattenanvändningseffektivitet
En av de stora utmaningarna för jordbruket i många torra och halvtorra områden är vattenbrist. Spara vatten eller förbättra WUE (skörd per tillförd enhet vatten, uttryckt som kg ha-1 avkastning m-3 vatten) i växtodling är avgörande för jordbrukets livskraft. Gobi markodlingssystem erbjuder betydande vattenbesparande fördelar, där grödor använder mycket mindre vatten än samma gröda som odlas i traditionella öppna fält. Till exempel över 4 år (2012-2015) av mätningar i ett Gobi landanläggningssystem i Jiuquan county, tomat krävs 385-466 mm total bevattning, säsongsbetonad evapotranspiration varierade från 350 till 428 mm, och färska tomater varierade från 86 till 152 t ha-1. Vissa större grönsaksgrödor uppnådde hög WUE (kg färskvaror m-3), inklusive 15-21 vatten för myskmelon, 17-23 för varm paprika, 22-28 för vattenmelon, 2835 för gurka och 35-51 kg för tomat. I detta system var WUE för tomat till exempel 20-35 gånger större än samma grödor som odlas i åkermark, öppna fält (Xie et al. 2017).
Mekanismen för förbättrad WUE i Gobi landsystem är dåligt förstådd. Vi föreslår att de huvudsakliga bidragande faktorerna inkluderar följande: (a) mängden bevattning som appliceras på grödor i Gobi landsystem baseras på växtkrav för optimal tillväxt (Liang et al. 2014) som är förutbestämd och styrd via en installerad vattenmätare (Fig. 3a). Beroende på enhetens operatör's kunskap och erfarenhet används ofta en bevattningsmetod med reglerat underskott (Fig. 3b) som minskar bevattningsmängderna i de icke-kritiska tillväxtstadierna (Chai et al. 2014b). Milt underskottsbevattning kan stimulera växtförsvarssystem för att öka toleransen mot torkastress (Romero och Martinez-Cutillas 2012; Wang et al. 2012). Storleken på effekten av bevattning med reglerat underskott på grödans prestanda varierar med grödor och andra faktorer (Chen et al. 2013; Wang et al. 2010); (b) bevattningstekniker i Gobi markodlingssystem förbättras ständigt, så att droppbevattning under ytan (Fig. 3c) är nu den mest populära bevattningsmetoden; (c) Olika mulchingmetoder används för att minska avdunstning av markytans vatten. Planteringsområdet inom odlingsenheten är vanligtvis täckt med plastfilm under växtsäsongen (fig. 3d), inklusive områdena mellan plantraderna (fig. 3e). Minskad avdunstning och ökad relativ luftfuktighet är sannolikt de två viktigaste faktorerna för effektiv vattenanvändning; (d) en viss procentandel av avdunstat vatten från markytan återvinns inom odlingsenheten eftersom odlingen sker i ett relativt slutet system; och (e) sofistikerade agronomiska metoder används för grödor i odlingsenheten (fig. 3f), såsom beskärning av grenar för att öka ljusgenomträngningen (Du et al. 2016), som optimerar ventilationen för att balansera CO2 för växtfotosyntes och sjukdomsincidens (Yang et al. 2017), och lufta rotzonen efter bevattning i några dagar för att minimera jordavdunstning (Li et al. 2016); som alla bidrar till att öka skörden och förbättra WUE.
Förbättrad användning av näringsämnen
Till skillnad från traditionell odling på friland där syntetiska gödningsmedel är den största källan till växtnäringsämnen, organiskt material – såsom halm, boskapsgödsel och biprodukter från livsmedelsindustrin, energiproduktionsprocesser och mänskligt avfallsåtervinning-är den största näringskällan i Gobi markodlingssystem. Avfallsmaterialen utgör ett alternativ till kommersiella medier som används i konventionell växthusproduktion. För att kvalificera sig som ett substrat för Gobi-markodling måste organiska material ha följande egenskaper (Fu et al. 2018; Fu och Liu 2016; Fu et al. 2017; Ling et al. 2015; Song et al. 2013): (i) låg skrymdensitet, hög porositet och hög vattenhållande kapacitet; (ii) Hög katjonbyteskapacitet och mineralnäringsinnehåll samt lämpligt pH och EC. (iii) ökad enzymaktivitet, vanligen åstadkoms genom tillsats av lämpliga mikroorganismstammar; (iv) långsam nedbrytningshastighet; och (v) vara fria från ogräsfrön och jordburna patogener. Materialtyp, bearbetningsmetod, nedbrytningsgrad och klimatförhållanden under vilka substraten produceras kan påverka de fysiska, kemiska och biologiska egenskaperna hos det organiska materialet och därmed substratets kvalitet (Fu et al. 2017; Song et al. 2013).
Framställningen av ett typiskt hemgjort substrat involverar flera steg (Fig. 4a): (i) gröda halm (som majs) samlas in från de traditionella produktionssystemen på öppna fält i lokala byar, transporteras till en plats nära anläggningen, hackas i tre-5 cm långa bitar, innan du lägger till en låg dos kvävegödsel (1.4 kg N per 1000 kg torr majshalm) för att justera kompostens C:N-förhållande till cirka 15:1; (ii) cirka 1 kg mikroorganismympningsprodukt per 1000 kg organiskt material tillsätts; (iii) det första jäsningssteget innebär att halmen staplas på marken (t.ex. 1 m hög x 1.2 m bred på botten och 3.0 m bred på toppen) innan den lindas in med plastfilm; (iv) temperaturen i högen övervakas och vatten tillsätts för att hålla fukthalten vid 2.0°C-65 % för optimal mikroorganismaktivitet; (v) det andra steget av jäsningen kräver att stapeln störs var sjätte8 dagar och kontrollera temperaturen i de översta 30 cm. Denna periodiska störning säkerställer att temperatur och fukt hålls på en optimal nivå för mikrobiell aktivitet; och (vi) runt dag 32-34 efter jäsning flyttas materialet till en lagringsanläggning redo för användning i anläggningsodling. Det hemmagjorda underlaget appliceras vanligtvis vid 2-3 t ha 1 till odlingsområden inom odlingsenheten och kan användas under några år i odling innan de byts ut. Näringsinnehållet i substraten kan återställas till en produktionsnivå genom att lägga till utlagda näringsämnen (Fig. 4b). Halmmaterialet för det organiska substratet är lokalt tillgängligt, och de flesta av tillverkningsstegen använder maskiner som är byggda i egen regi.
Hur substratnäringen tillförs grödorna varierar mellan klusteranläggningarna. De flesta odlare i nordvästra Kina använder antingen (1) ett dikesystem, där diken (vanligtvis 0.4-0.6 m bred, 0.2-0.3 m djup, med 0.8-1.0 m mellan diken orienterade i norr-sydlig riktning) är gjorda på marken inom odlingsenheten, kantade med betong, träblock eller tegel, fyllda med substrat före plantering (Fig. 5a), och täckt med plastfilm så att plantorna kan växa igenom (Fig. 5b). När de väl är konstruerade kan dikena användas för kontinuerlig produktion i mer än 20 år; eller (2) substrat för helpåsar, där substratet är inslaget i individuella plastpåsar (typisk dimension på en påse är 0.5 m diameter och 1.0 m lång) i en sluten mikromiljö. Näring frigörs från påsarna när växterna utvecklas (fig. 5c). Hål görs på toppen av påsarna för att plantera frö (Fig. 5d) och droppbevattning genom hålen.
De två metoderna skiljer sig åt i sina egenskaper. Trenchmetoden gör det möjligt för odlare att enkelt lägga till gödningsmedel till substraten när det behövs. För vissa grödor, som vattenmelon, är det nödvändigt att tillsätta oorganiska gödselmedel för att säkerställa hög produktivitet. Vissa studier har visat att användning av organisk gödsel tillsammans med oorganiska gödselmedel kan öka skörden men lämnar överskott av näringsämnen i jorden och höga nitrat-N-koncentrationer i matjorden (Gao et al. 2012). Andra studier har visat att helpåse-metoden är mer produktiv än dikesystemet (Yuan et al. 2013) eftersom de inslagna påsarna gör att substratet kan separeras fysiskt från marken; vilket minskar sannolikheten för att kontaminera substrat med jordburna patogener. Icke desto mindre kan de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos substratet (i diken eller inslagna påsar) försämras med varje odlingssäsong (Song et al. 2013), vilket minskar kraften hos näringstillförseln (Song et al. 2013). Därför är substratförnyelse motiverad.
Ökad energianvändningseffektivitet
Gobi markodlingssystem är helt solenergibaserade. Strukturen är designad för att behålla så mycket värme som möjligt genom att använda och lagra energi från solen. Daglig soltid, solstrålningsintensitet och årliga frostfria dagar är viktiga för att värma upp odlingsenheterna. Den östra till centrala Hexi-korridoren, såsom Wuwei county (37° 96' N, 102°64' E), Gansu-provinsen, är ett representativt område där Gobilands klusteranläggningar är koncentrerade. I genomsnitt 6150 MJ m 2 årlig solinstrålning och 156 frostfria dagar gör att många typer av grönsaksgrödor kan mogna med hög kvalitet. För att förbättra användningen av solstrålning använder odlingsenhetscheferna olika metoder för att öka värmelagringen och förbättra värmeavgivningen, såsom dubbla lager av svart plastfilm fäst på den norra väggen (Xu et al. 2014), värmebevarande färgplattor installerade på taket (Sun et al. 2013), värmeabsorberande system för ytlig jord för att öka temperaturen inomhusluft (Xu et al. 2014), och mald geotextil applicerad som marktäckare för att bevara värme. Dessutom används solvärmepumpar för att reglera vattentemperaturen i värmebehållares vattentankar i vissa odlingsenheter (Zhou et al. 2016). På senare tid har värmekonserverande färgplattor placerats på toppen av taket för att öka värmeabsorptionen (Sun et al. 2013). I några av de sofistikerade solcellsväxthusen i klustrade anläggningsodlingar används avancerad solenergiteknik för att förbättra termisk lagring, fotovoltaisk elproduktion och ljusanvändning (Cuce et al. 2016). Användning av solenergi för produktion av växthusgrödor har gjort framsteg i många områden/länder (Farjana et al. 2018), inklusive Australien, Japan (Cossu et al. 2017), Israel (Castello et al. 2017) och Tyskland (Schmidt et al. 2012), såväl som utvecklingsländer som Nepal (Fuller och Zahnd 2012) och Indien (Tiwari et al. 2016). I Kina är installationen av moderna solcellsmoduler dyr för närvarande, med en beräknad återbetalningstid på 9 år (Wang et al. 2017). Vi föreställer oss att när odlingssystemet utvecklas med mer avancerad solteknik kommer återbetalningstiden att förkortas.
Lufttemperaturer i och utanför klusteranläggningar kan variera från 20 till 35 °C under kalla vintrar i norra Kina. Till exempel i solenergianläggningar vid Lingyuan (41° 20' N, 119°31' E) i Liaoning-provinsen, nordöstra Kina, i ett 12 m spännvidd, 5.5 m högt, 65 m långt solcellsväxthus med värmelagringssystem, nådde nattetid lufttemperaturen inuti 13 °C medan utsidan var -25.8 °C, en skillnad på 39 °C (Sunetal. 2013).
Användningen av solenergi för livsmedelsproduktion är ett betydande inslag i "Gobi jordbruk" system i nordvästra Kina. Detta skiljer sig från traditionella växthus eller växthus som kräver extern energiinsats för att odla grödor, vilket kan vara ekonomiskt och miljömässigt kostsamt (Hassanien et al. 2016; Canakci et al. 2013; Wang et al. 2017). Till exempel kan den genomsnittliga årliga elenergiförbrukningen i konventionella växthus vara mer än 500 kW hmy (Hassanien et al. 2016), med kostnader så höga som 65,000 XNUMX USD150,000 XNUMX per år (i en fallstudie i Turkiet) (Canakci et al. 2013). Globalt har expansionen av konventionell växthusbaserad växtodling begränsats på grund av den intensiva energiförbrukningen och oron för koldioxidutsläpp.
Miljövinster
Uppvärmning av jordbruksväxthus med fossila bränslen, såsom kol, olja och naturgas, bidrar till koldioxidutsläpp och klimatförändringar. Soldrivna Gobi markodlingssystem ger ökade miljöfördelar på grund av (i) minskad energianvändning, eftersom odling av grödor helt förlitar sig på solenergi, till skillnad från konventionella växthus där ström tillförs via el eller naturgas som ger stora utsläpp av växthusgaser; (ii) förbättrad vattenbesparing, eftersom odling av grödor sker under ett plasttäckt tak med låg jordavdunstning och hög kvot mellan transpiration och avdunstning. Bevattning övervakas och styrs av en centraliserad dator som möjliggör exakt vattning med minimal vattenförlust; (iii) Minskade utsläpp av växthusgaser för hela systemet (Chai et al. 2012) eller fotavtrycket per viktenhet för den färska grönsaken baserat på livscykelbedömning (Chai et al. 2014). Grödor som odlas i klusteranläggningar har betydligt högre avkastning per insatsenhet (såsom gödselmedel, markanvändningsarea) med mer atmosfärisk koldioxid2 omvandlas till växtbiomassa genom förbättrad fotosyntes än odlingssystem i öppna fält (Chang et al. 2013); och (iv) användningen av kompostsubstrat kan öka markens kol över tid (Jaiarree et al. 2014; Chai et al. 2014).
Vissa fallstudier har uppskattat netto CO2 fixering av växter i solenergi-plastodlingssystem åtta gånger högre än i traditionella öppna fältsystem (Wang et al. 2011). Mer CO2 fixering i odlingsenheter innebär mindre CO2 utsläpp till atmosfären (Wu et al. 2015). Storleken på effekten varierar med geografiskt läge och strukturen hos odlingsenheter (Chai et al. 2014c). Studier har också visat att anläggningsodling tillåter växter att fixera mer CO2 från atmosfären samtidigt som det släpper ut färre växthusgaser per kg produkt (Chang et al. 2011). Ingen ytterligare uppvärmning tillhandahålls till odlingsenheterna, även under vintern, vilket sparar cirka 750 Mg ha-1 energi jämfört med konventionell, koluppvärmd växthusproduktion (Gao et al. 2010). Gobiland-odling är ett kolsmart system för att minska utsläppen av växthusgaser. Livscykelbedömningar för anläggningsodling saknas dock i litteraturen och det krävs mer djupgående forskning för att bedöma miljöpåverkan från dessa odlingssystem.
Ekologiska fördelar
Nordvästra Kina är rikt på solljus och värmeresurser med ett årligt solsken som sträcker sig från 2800 till 3300 timmar. Utvecklingen av klustrade Gobi-markodlingssystem med solenergi kan omvandla ljus- och värmeresurser till livsmedelsproduktion och erbjuda betydande ekologiska fördelar, av vilka några framhävs nedan.
För det första används Gobi-mark för att producera kvalitetsgrödor för livsmedelssäkerhet. I Kina är den genomsnittliga åkermarken per 100 capita 8 ha (FAOSTAT 2014), betydligt färre än de 52 ha i USA, 125 ha i Kanada och 214 ha i Australien. Åkermarksresurserna i Kina minskar snabbt på grund av den snabba urbaniseringen. Inför begränsad åkermark per capita, i kombination med att odlingsmark används för stadsbyggande, tog Kina det betydande steget att utforska den rikliga Gobi-marken för odling av grödor (Jiang et al. 2014). Traditionellt jordbruk är inte möjligt på den ökenliknande, improduktiva Gobi-marken (Fig. 6a). Byggandet av klustrade odlingsanläggningar på Gobi-mark erbjuder unika egenskaper för att lindra markkonflikter mellan jordbruk och andra ekonomiska sektorer (Fig. 6b) och hjälpa till att säkra livsmedelsförsörjningen för det högbefolkade landet.
För det andra använder produktionssystemet mestadels lokalt tillgängliga resurser. Varje odlingsenhet i systemet är byggd och stödd av ramar gjorda av trä, bambu eller stålstänger. Under kalla vintrar rullas lokalt tillverkade halmmattor eller värmeklädesfiltar ut på det sluttande taket för ytterligare isolering. Odlingsenheternas norra väggar är också byggda med lokalt tillgängliga material, såsom stålram och halmstoppade block (fig. 7a), sandsäckar (fig. 7b), en sten-cementblandning (fig. 7c), eller vanliga tegelstenar (fig. 7d).
Lokalt tillgängliga material ger betydande ekologiska och ekonomiska fördelar eftersom de kan erhållas billigt eller samlas in gratis (t.ex. stenar och stenar i närliggande ökenområden), med minimala transportbehov. Dessutom har utrustningen för att transportera material, framställning av substrat och odling av grödor gradvis blivit tillgänglig för klusteranläggningsodling; detta hjälper till att lösa bristen på arbetskraft inom jordbruket i vissa landsbygdsområden i Kina.
För det tredje ger detta odlingssystem möjligheter att förbättra den regionala ekologin. I en stor del av nordvästra Kina har Gobi mark ingen vegetation (Fig. 6a) resulterar i ömtåliga ekologiska miljöer. Vinderosion är vanligt och blir allt allvarligare med klimatförändringarna. Frekventa dammstormar har sitt ursprung i nordväst och sträcker sig ofta till andra asiatiska regioner. Utveckling av solenergiklustrade anläggningsodlingssystem har inte bara potentialen att samtidigt svara på den minskande tillgängligheten av lämplig mark i Kina, utan spelar en roll för att lindra ekosystems bräcklighet i öknen till torra miljöer i nordvästra Kina (Gao et al. 2010; Wang et al. 2017). Omvandlingen av övergiven Gobi-mark till jordbruksmark kan bidra till att etablera ett nytt ekologiskt system, som kommer att förändra det primitiva naturliga utseendet och försköna den ekologiska miljön.
Effekter på stabiliteten i landsbygdssamhällen
Den socioekonomiska utvecklingen i nordvästra Kina har släpat efter centrala och östra regioner, med många samhällsdistrikt under den nationella fattigdomsnivån. Utforskning av stora områden av Gobi mark för frukt- och grönsaksproduktion öppnar en dörr för denna region att påskynda socioekonomisk utveckling. Det förvandlar nackdelen med Gobi-ökenspridning till distinkta regionala ekonomiska fördelar, som inte bara främjar jordbruksindustrin utan driver andra industrier, vilket hjälper till att stabilisera landsbygdssamhällen. Detta lågkostnadsjordbrukssystem håller på att bli en viktig milstolpe för att samla landsbygdssamhällen.
Gobi-landodlingssystemet stimulerar livsmedelsproduktionen och ökar hushållens inkomster. I områden med temperaturer över -28 °C på vintern använder soldrivna växthus solenergi och icke-odlingsbar mark för att producera frukt och grönsaker under hela året. Grödor i klustrade odlingsenheter ger betydligt mer än produktion i öppen fält med ett högre förhållande mellan insats och produktion. Vi analyserade den ekonomiska produktionen i 14 studier med 120 odlingsenheter för solenergianläggningar (Xie et al. 2017) för att hitta en genomsnittlig bruttoinkomst på 56,650 XNUMX USD ha 1 y 1, är 10-30 gånger högre än från produktion i öppna fält på samma geologiska plats. Som ett resultat var nettovinsten från anläggningens grönsaksodling 10-15 gånger större än grönsaksproduktionen på friland och 70-125 gånger större än majs på friland (Zea mays) eller vete (Triticum aestivum) produktion.
Inrättandet av dessa nya odlingssystem skapar sysselsättningsmöjligheter på landsbygden. Anläggningsodling förvandlar vinterstilleståndet till en hektisk, produktiv säsong, vilket skapar sysselsättningsmöjligheter på landsbygden, särskilt på vintern när bondfamiljer ofta är "ensam hemma" utan anställning. Produktion och marknadsföring av frukt och grönsaker är arbetskrävande. Många lantarbetare kan allokeras till anläggningsodling (Fig. 8a), medan andra kan allokeras till transport och marknadsföring av produkter till lokala eller närliggande samhällen (Fig. 8b). Viktigast av allt är att bearbetning, lagring, konservering och försäljning av färskvaror ger en gång frånvarande sysselsättningsmöjligheter, vilket hjälper till att bygga ett socialt harmoniskt samhälle (Fig. 8c) och samla en gemenskapsanda på landsbygden.
Det finns inga publicerade rapporter om hur det klustrade odlingssystemet kan påverka utvecklingen av landsbygdssamhället. Vi föreslår att dessa system hjälper landsbygdssamhällenas livskraft och stabilitet. Etableringen av Gobi markodlingssystem gör det möjligt för jordbruket i nordvästra Kina att expandera utanför primärproduktionsgränsen. Följaktligen förbättras samhällets livskraft och långsiktig stabilitet eftersom (i) ny teknik ständigt utvecklas för att förbättra Gobi-markodlingen, såsom växtodling, substratutveckling och skadedjursbekämpning, som blir ett viktigt sätt för landsbygdssamhällen att utvecklas i ett hållbart sätt; (ii) anläggningsodling tillhandahåller en året runt-tillförsel av färsk frukt och grönsaker till samhället, vilket tillfredsställer medelklassens ökade krav på mer näringsrik och hälsosam mat; och (iii) upprättandet av det nya odlingssystemet bidrar till att stärka den interna sammanhållningen hos etniska minoritetsgrupper, eftersom medborgare i etniska minoritetsgrupper kräver olika livsmedel med unika egenskaper, som tillgodoses från odlingssystemens färskvaror året runt.
Stora utmaningar
Gobi markodlingssystem har utvecklats snabbt i Kina de senaste åren med potential att utöka anläggningsområden och produktionsnivåer (Jiang et al. 2015). Vissa begränsningar och utmaningar måste dock åtgärdas.
Vattenresursbegränsningar
En av de största utmaningarna för jordbruket i nordvästra Kina är vattenbrist. Den årliga tillgången på sötvatten är låg vid < 760 m3 per capita y 1 (Chai et al. 2014b). I Hexi-korridoren i Gansu-provinsen är den årliga nederbörden < 160 mm medan den årliga avdunstningen är > 1500 mm (Deng et al. 2006). Många en gång produktiva odlingsmarker längs sidenvägen har varit "pausad" de senaste åren på grund av vattenbrist. De flesta odlingar på friland använder traditionella "översvämning" bevattning som överstiger 10,000 XNUMX m3 ha-1 per odlingssäsong (Chai et al. 2016). Överexploatering av vattenresurser kommer sannolikt att ytterligare försämra den ekologiska miljön och förbruka icke-förnybara grundvattenresurser (Martinez-Fernandez och Esteve 2005). Grönsaksproduktionen kräver stora mängder vatten under en lång odlingsperiod och nederbörden kan inte tillgodose behoven för optimal växttillväxt. I Hexi-korridoren i Gansu-provinsen, där odlingssystem för klustrade anläggningar har ökat snabbt under de senaste åren, kommer den största vattenkällan för alla sektorer från snöansamlingen i Qilianberget på vintern, med sommarens snösmältning som matar floder och grundvatten i dalarna (Chai et al. 2014b). Under de senaste två decennierna har den mätbara snönivån på Qilianberget flyttat uppåt med en hastighet av 0.2 till 1.0 m per år (Che och Li 2005), medan den underjordiska grundvattenytan i dalarna (tillförs av vatten från bergen) ständigt har sjunkit, och tillgången på grundvatten har minskat avsevärt (Zhang 2007). Följaktligen försvinner vissa naturliga oaser längs den gamla sidenvägen gradvis. Viss utgrävning av vattenkällare har använts för att spara nederbörd för att ge kompletterande vatten, men effektiviteten är generellt sett låg. Hur man sparar vatten eller förbättrar WUE i växtodling är avgörande för den långsiktiga livskraften för Gobi markodlingssystem.
Sköra ekologiska miljöer
I nordvästra Kina är marktillgången dålig. Berg och dalar, tillsammans med oaser och Gobi-mark, skapar en komplex ekologisk miljö. Täta torka och dammstormar försämrar den ekologiska miljön. Cirka 88 % av Gansu Hexi-korridorens totala yta har drabbats av ökenspridning, och ökenspridningen rör sig söderut till jordbruksmark. De naturliga förhållandena i den nordvästra regionen av Kina har beskrivits som "vinden blåser stenar överallt med gräs som växer ingenstans," en skildring av den ömtåliga ekologiska miljön. Kraftig användning av bekämpningsmedel i anläggningsodling är en potentiell miljöfara och hälsorisk för arbetare. Bristen på lämpliga behandlingar för återvunna organiska substrat kan förorena grundvattenkällor, vilket skapar oro för allmänheten.
Resursbegränsningar på arbetskraften
Arbetskraftsutbudet till jordbruket är i allmänhet lågt och otillräckligt, eftersom allt fler unga arbetare flyttar till städerna för att försörja sig, vilket leder till brist på jordbruksarbetsresurser på landsbygden. Den nuvarande regeringens politik för att stimulera jordbrukarnas vilja att odla åkermark är inte gynnsam för utveckling av landsbygdssamhället, vilket förvärrar bristen på arbetskraft på landsbygden. Familjegården som en oberoende jordbruksenhet förblir också det huvudsakliga sättet att sköta jordbruket, och den nuvarande statliga politiken för markägande kan förbjuda jordbrukare att köpa och sälja mark, vilket kan begränsa omfattande utveckling av anläggningsodlingssystem. Dessutom är utbildningsnivåerna i nordväst generellt lägre än de centrala och östra regionerna. Centralregeringen har genomfört en politik för obligatorisk utbildning för hela landet, men många människor i nordväst kan inte slutföra 9 års utbildning. Allt ovanstående kan skapa en ogynnsam miljö för utbudet av arbetskraft på landsbygden, vilket skulle kunna hindra den omfattande utvecklingen av Gobis landanläggningssystem.
Ekonomisk hållbarhet
Med förbättringar av levnadsstandarden efterfrågar konsumenterna ett utbud av färskvaror av hög kvalitet och näringsvärde. Det finns en stor minoritetsbefolkning (främst med Hui- och Dongxiang-identiteter) i nordväst med en vegetabiliskt dominerande kostvana, vilket kräver olika produkter för att möta deras behov. Detta skapar möjligheter för nya marknader med nya produkter. Marknaden för färskvaror från Gobi markodlingssystem kan dock lätt bli mättad eftersom befolkningen i de sex nordvästra provinserna endast står för 6.6 % av landet's totalt, med en extremt låg disponibel inkomst per capita. Under 2012 var BNP per capita i de sex nordvästra provinserna i genomsnitt 26,733 4100 Yuan (motsvarande 31 XNUMX USD), vilket var XNUMX % under landet's genomsnitt. Låga inkomster med få konsumenter kan begränsa utvecklingen av nya marknader i lokala områden och medföra betydande risker för ekonomisk hållbarhet på lång sikt. Det behövs studier för att undersöka hur hållbart detta system skulle kunna vara, och vad som kan göras för att säkerställa dess långsiktiga ekonomiska hållbarhet. Vi inser att det finns en enorm potential att marknadsföra färskvaror till de mycket befolkade centrala och östra delarna av landet. Vi föreslår att prioriteringar för marknadsexpansion fokuserar på: (i) etablering av sk "drake-kedja" marknadsföringslogistik som länkar "odling-grossister-återförsäljare-konsumenter" i en värdekedja; (ii) förbättra transportsystem mellan regioner som är specifika för förflyttning av jordbruksprodukter; och (iii) utveckla mekanismer för kvalitetskontroll, säkerhetsförsäkring och rättvis prissättning.
Produktkvalitet och hälsa
Tungmetallhalterna är högre i vissa anläggningsjordar än i öppna fält. Anläggningsodlade produkter innehåller ibland högre målriskkvoter av tungmetaller än grönsaker på öppna fält (Chen et al. 2016), delvis på grund av att mänskligt avfall och andra avfallsmaterial ingår i substraten. I vissa anläggningar, överskott av syntetiska gödselmedel så hög som 670 kg N ha 1, tillsammans med 1230 kg N ha 1 från organiskt material som gödsel, används årligen för grönsaksproduktion (Gao et al. 2012). Dessutom är plastfilmen som används för tak och marktäckning i odlingsenheterna ofta förknippad med estrar av ftalsyror som tillsätts vid plastfilmstillverkning. Det kan finnas långsiktiga hälsorisker för odlare som exponeras för föroreningen (Ma et al. 2015; Wang et al. 2015; Zhang et al. 2015). Halterna av ftalater i kinesiska jordar ligger i allmänhet i den övre delen av det globala intervallet (Lu et al. 2018), och grödor i kraftigt mjukgjorda anläggningar kan innehålla höga halter av ftalater (Chen et al. 2016; Ma et al. 2015; Zhang et al. 2015). Arbetstagares exponering för ftalater kan medföra hälsorisker (Lu et al. 2018). Forskning behövs för att utveckla effektiva metoder för att minimera ftalatkoncentrationer i produkter. Risken för spårmängder av ftalater för människors hälsa kan vara ingen eller liten men måste bekräftas. Tröskelvärdena för tungmetallkoncentrationer måste specificeras i slutprodukter. Vissa sofistikerade biosaneringsmetoder kan behöva utvecklas för marksanering av höga metallföroreningar för att minimera effekten av potentiell tungmetallkoncentration.
Fastställande av policyer för hållbar utveckling i Gobi landsystem
Odlingssystem för klustrade anläggningar har utvecklats snabbt i nordvästra Kina. I juni 2017 odlades cirka 3000 ha Gobi-mark bara i Gansu-provinsen. Detta område har geografiska fördelar för grönsaker produktion, inklusive långa soltimmar, stora temperaturskillnader mellan dag och natt, och klar himmel med lite/inga luftföroreningar. Anläggningsodlingssystem anses vara en "Gobi land mirakel" för Kina's socioekonomisk utveckling. Vi rekommenderar följande politiska prioriteringar för att säkerställa en sund utveckling av systemet med långsiktig stabilitet.
Balans mellan utforskning och skydd
Vi föreslår att man utvecklar policyer som fokuserar på "skydda den ekologiska miljön samtidigt som man utforskar det nyfunna landet," vilket innebär att utvecklingen av Gobi markodlingssystem inte bör ha negativ miljöpåverkan. Policyn bör specificera hur man kan stärka systemproduktiviteten samtidigt som man främjar ekologisk hållbarhet. Miljökrediter, "grön försäkring," och "gröna inköp" bör beaktas och inkluderas i utvärderingen av systemets hållbarhet. Policyer behövs också för användning av bland annat kemiska gödningsmedel, tungmetaller och skadliga ämnen, höga rester av bekämpningsmedel och återvinning av plastfilm. Vissa specifika policyer bör fastställas för att rikta in sig på viktiga lokala frågor. Till exempel bör vattenreservationsanläggningar byggas vid sidan av anläggningsodlingsenheter i den västra änden av Hexi-korridoren där den för närvarande tillgängliga öppna kanaltransporten av vatten för att bevattna odlingsenheterna medför betydande risker för vattenförlust under transport och bevattning.
Utveckla systematiska åtgärder för vattenanvändning och vattenbesparing
För att fullt ut kunna utnyttja den rikliga Gobi-marken i nordvästra Kina bör en rigorös och pragmatisk vattenanvändningspolicy finnas på plats. Prioriteringar på kort sikt inkluderar: (i) lagar om skydd av vattenresurser för "vattenmätning,""kontroll av vattenborrning," och "bäckar och källor auktoritet" med detaljerade bestämmelser om vattenrättigheter, kvoter, avgifter och kvalitetskontroll; (ii) konstruktion av vattenuppsamlings- och lagringsanläggningar för regnvatten med hjälp av teknik för lagring av avrinningskällare, optimerad användning av ytvattenresurser, planerad undersökning av underjordiskt vatten och implementering av ett system för tillstånd för vattenintag; (iii) förstärkning av administrativa myndigheters ansvar på alla nivåer för att kontrollera vattentilldelningen, eliminera vattenslöseri och främja en rationell användning av vattenresurser; (iv) utveckling av vattenbesparande jordbrukssystem, inklusive övergång från översvämnings- eller fårbevattning till droppbevattning under ytan, användning av kompostmaterial för att minska avdunstning och förbättring av fältbevattningskanalsystem; och (v) på lång sikt, främjande av avel för torka-toleranta sorter, reformering av jordbrukssystem och förbättring av infrastrukturen för byggande av anläggningar.
Stärka agroteknisk innovation
Tekniken spelar en viktig roll i den hållbara utvecklingen av Gobis markodlingssystem; som sådan bör en teknikpolicy omfatta: (i) konstruktion av regionala innovationscentra och teststationer, etablering av "målfinansiering" specifikt för Gobi markodlingssystem för att ta itu med brådskande frågor, och ökade investeringar i forskning/demonstrations- och tekinnovationsplattformar; (ii) utveckling av system för teknikutvidgning – där regeringens politik främjar forskningsinstitutioner på alla nivåer för att genomföra teknikpopularisering – och etablering av lokala teknikkontor för att utföra tekniska tjänster på landsbygden; (iii) antagande av åtgärder för att attrahera och behålla anställda att arbeta i den underutvecklade nordvästra regionen; (iv) Att öka jordbrukarnas utbildningsnivåer utöver de obligatoriska nio åren, främja teknisk läskunnighet hos landsbygdsbefolkningen genom yrkesutbildning och fostra en ny generation jordbrukare att implementera innovativ jordbruksteknik. och (v) utveckling av särskilda utbildningsprogram av universitet och forskningsinstitut för personal inom jordbruksteknik för att främja avancerad teknik.
Reglera näringskedjan
Mängden färsk frukt och grönsaker som produceras i klustrade anläggningar är vanligtvis mer än vad som behövs av de lokala och närliggande landsbygds- och stadssamhällena. En snabb transport av färskvaror till andra inhemska och utländska marknader kommer att säkerställa att produktion och marknadsföring är balanserad. Policyer behövs för att underlätta marknadsföringsmekanismer och logistik. Sorter bör födas upp för att möta behoven på ett brett spektrum av marknader som täcker ett brett utbud av produkter och smaker som passar olika etniska och religiösa grupper. Policyn bör stödja grossistmarknader, detaljhandelsställen, kylkedjelogistik och informationsövervakningssystem. En policy kan behövas för transportsystem, inklusive byggandet av huvudjärnvägar som leder till centrala och östra Kina, samt tillgång till landvägskanaler i Ryssland, Yttre Mongoliet, Västasien och Europa.
Odla professionella bönder
Jordbrukare är huvudaktörerna i den socioekonomiska utvecklingen på landsbygden, men många unga jordbrukare har flyttat till städer för andra inkomster och lämnat odlingsmarken bar i flera år med liten eller ingen produktivitet i vissa områden (Seeberg och Luo 2018; Eder 2018). Det behövs en politik som stöder ökad jordbruksinkomst från livsmedelsproduktion för att uppmuntra unga jordbrukare att stanna kvar på gårdar, vilket i slutändan kommer att förbättra den socioekonomiska stabiliteten i landsbygdssamhällen. En nyckelpunkt i policyn bör odla en ny ras av jordbrukare med förbättrade kvalifikationer och ledningsförmåga, vilket hjälper den potentiella övergången från traditionella, självförsörjande, mindre familjejordbruk till större jordbruksföretag – ett tillvägagångssätt för att utveckla modernt jordbruk i Kina. Den nuvarande markpolitiken kan behöva förnyas, vilket gör det möjligt för de skickliga, professionella jordbrukarna att utöka sina gårdar och optimera jordbruksförvaltningen, där så är lämpligt.
Upprätta en sund socialtjänst
Landsbygdssamhällen i nordväst har varit historiskt underutvecklade jämfört med centrala och östra Kina. Det behövs politik för att skapa effektiva socialtjänstsystem som fokuserar på att förbättra utbildning, hälsa och sysselsättning och att höja den övergripande levnadsstandarden. Jordbruket är kärnverksamheten på landsbygden. Det behövs politik för att uppmuntra utvecklingen av stora jordbrukskooperativ för effektiv användning av mark- och vattenresurser med ökade inkomster för jordbruksfamiljer. För Gobi-landodlingssystemet behövs en policy för att förbättra effektiviteten av växtodling, livsmedelsbearbetning och produktdistribution i de lokala och närliggande samhällena. En optimerad layout/fördelning av odlingsanläggningarna över de olika ekoregionerna behövs för att tillgodose konsumenternas olika behov av färsk frukt och grönsaker på regional/lokal nivå och för att utforska möjligheter på internationell nivå. En policy behövs också för att säkerställa säkerheten och kvaliteten på produkter från anläggningssystem som beskriver lagring, transport och cirkulation av färskvaror under lågsäsong för att minimera risken för att förlora färskhet och kvalitet.
Slutsatser
Markresurser är centrala för jordbruket och naturligt kopplade till globala utmaningar för livsmedelssäkerhet och försörjningen för miljontals landsbygdsmänniskor. Världens befolkning beräknas nå 9.1 miljarder år 2050 och livsmedelsproduktionen i utvecklingsländerna måste fördubblas från 2015 års nivå. Markresurser är hårt belastade i utvecklingsländer på grund av snabb urbanisering som konkurrerar om tillgänglig mark med jordbruk. Kina har etablerat nya växtodlingssystem på Gobi mark, nämligen "Gobi jordbruk," som omfattar ett kluster av många (upp till hundratals) individuella odlingsenheter gjorda av lokalt tillgängliga material och drivs av solenergi. De växthusliknande odlingsenheterna med plasttak producerar färsk frukt och grönsaker av hög kvalitet året runt. Vi uppskattar att dessa system kommer att täcka cirka 2.2 miljoner hektar år 2020 och bli en hörnsten i livsmedelsproduktionen i Kina's jordbrukshistoria. I den här recensionen identifierade vi några unika egenskaper hos odlingssystemen, inklusive ökad markproduktivitet per insatsenhet, förbättrad WUE och förbättrade ekologiska och miljömässiga fördelar. Detta odlingssystem erbjuder utmärkta möjligheter att utforska lokalt tillgängliga resurser för att berika landsbygdsbefolkningen och säkerställa långsiktig livskraft för landsbygdssamhällen. Detta system står också inför betydande utmaningar som måste lösas.
Vi identifierade några nyckelfrågor och deras motsvarande forskningsprioriterade områden på kort sikt (3-5 år) som skulle bidra till att förbättra hållbarheten hos detta unika odlingssystem. Vi föreslår starkt att relevant statlig politik och sociala servicesystem på landsbygden utvecklas för att säkerställa ekonomisk lönsamhet och eko-miljömässig hållbarhet för Gobi-landodlingssystem.
Erkännanden Författarna vill tacka alla som bidragit med sin tid och ansträngning för att delta i denna forskning, och personalen vid Vegetable Technical Service Center i Suzhou District, Jiuquan, och Wuwei Agricultural Extension Services, Wuwei, Gansu, för att ha tillhandahållit vissa uppgifter och bilder som presenteras i artikeln.
Finansiering Denna studie finansierades gemensamt av "Statens särskilda fond för agrovetenskaplig forskning i allmänhetens intresse (bidragsnummer 201203001),""China Agriculture Research Systems (bidragsnummer CARS-23-C-07),""Gansu-provinsen Science and Technology Key Project Fund (bidragsnummer 17ZD2NA015)," och "Specialfond för vetenskap och teknologiinnovation och utveckling vägledd av Gansu-provinsen (bidragsnummer 2018ZX-02)."
Efterlevnad av etiska standarder
Intressekonflikt Författarna förklarar att de inte har någon intressekonflikt.
Open Access Den här artikeln distribueras under villkoren i Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), som tillåter obegränsad användning, distribution och reproduktion i alla medier, förutsatt att du ger lämplig kreditering till den ursprungliga författaren och källan, ge en länk till Creative Commons-licensen och ange om ändringar har gjorts.
Referensprojekt
Cakir G, Un C, Baskent EZ, Kose S, Sivrikaya F, Kele5 S (2008) Utvärdering av urbanisering, fragmentering och förändringsmönster för markanvändning/marktäcke i staden Istanbul, Turkiet från 1971 till 2002. Land Degrad Dev 19:663-675. https://doi.org/10.1002/ldr.859
Canakci M, Yasemin Emekli N, Bilgin S, Caglayan N (2013) Värmebehov och dess kostnader i växthusstrukturer: en fallstudie för Medelhavsregionen i Turkiet. Renew Sustain Energy Rev 24: 483-490. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.03.026
Castello I, D'Emilio A, Raviv M, Vitale A (2017) Jordsolarisering som en hållbar lösning för att kontrollera tomatpseudomonadsinfektioner i växthus. Agron Sustain Dev 37:59. https://doi.org/10.1007/ s13593-017-0467-1
Chai L, Ma C, Ni JQ (2012) Prestandautvärdering av bergvärmepumpsystem för växthusuppvärmning i norra Kina. 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) Koldioxidavtryck från bergvärmepumpsystem i uppvärmning av solcellsväxthus baserat på livscykelbedömning. 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) Vattenbesparande innovationer i kinesiskt jordbruk. Adv Agron 126:149-201. https://doi.org/10.1007/s13593-015-0338-6
Chai Q, Qin AZ, Gan YT, Yu AZ (2014c) Högre avkastning och lägre koldioxidutsläpp genom att odla majs med raps, ärter och vete i torra bevattningsområden. 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) Reglerad underskottsbevattning för växtodling under torkastress. En recension. 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) Bedömning av nettoekosystemtjänster för grönsaksodling av plastväxthus i Kina. 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) Förbättrar odling av grönsaker i plastväxthus regionala ekosystemtjänster utöver matförsörjningen? Front Ecol Environ 11:43-49. https://doi.org/10.1890/100223
Che T, Li X (2005) Spatial distribution and temporal variation of snow water resources in China under 1993-2002. J Glaciol Geocryol 27: 64-67
Chen C, Li Z, Guan Y, Han Y, Ling H (2012) Effekter av byggmetoder på termiska egenskaper hos fasförändringsvärmelagringskomposit för solcellsväxthus. 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) Kvantitativt svar av växthustomaters skörd och kvalitet på vattenbrist i olika tillväxtstadier. 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) Näringsämnen, tungmetaller och ftalatsyraestrar i solcellsväxthusjordar i Round-Bohai Bay-regionen, Kina: effekter av odlingsår och biogeografi. 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) En algoritm för beräkning av ljusfördelningen i fotovoltaiska växthus. Sol Energy 141:38-48. https:// doi.org/10.1016/j.solener.2016.11.024
Cuce E, Cuce PM, Young CH (2016) Energibesparingspotential hos värmeisolerande solglas: nyckelresultat från laboratorie- och in-situ-tester. Energi 97:369-380. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.12.134
de Grassi A, Salah Ovadia J (2017) Banor för storskalig markförvärvsdynamik i Angola: mångfald, historia och konsekvenser för den politiska ekonomin av utveckling i Afrika. Markanvändningspolicy 67:115-125. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2017.05.032
Deng XP, Shan L, Zhang H, Turner NC (2006) Förbättring av jordbrukets vattenanvändningseffektivitet i torra och halvtorra områden i Kina. Agric Water Manag 80:23-40. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2005.07.021
Du S, Ma Z, Xue L (2016) Optimal droppbefruktningsmängd som förbättrar myskmelonutbytet, kvaliteten och användningseffektiviteten för vatten och kväve i plastväxthus på grusad mark. Trans Chinese Soc Agr Eng 32:112-119. https://doi.org/10.11975/j.issn.1002-6819.2016. 05.016
FAOSTAT (2014) FAO statistiska årsböcker – världens livsmedel och jordbruk. FN:s livsmedels- och jordbruksorganisation 2013. https://doi.org/10.1073/pnas.1118568109
Farjana SH, HudaN, Mahmud MAP, Saidur R (2018) Solprocessvärme i industriella system - en global översyn. Renew Sustain Energy Rev 82:2270-2286. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.08.065
Fu GH, Liu WK (2016) Effekter på nedkylning och ökat utbyte av paprika av en ny odlingsmetod: jordryggssubstrat inbäddat i kinesiskt solväxthus. 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) Effekter av kontinuerlig tomatmonokultur på markens mikrobiella egenskaper och enzymaktiviteter i ett solcellsväxthus. Hållbarhet (Schweiz) 9. https://doi.org/10.3390/su9020317
Fu G, Li Z, Liu W, Yang Q (2018) Förbättrad rotzonstemperaturbuffertkapacitet som förbättrar sötpepparutbytet via jordkantad substratinbäddad odling i solväxthus. Int J Agric Biol Eng 11: 41-47. https://doi.org/10.25165/j.ijabe.20181102.2679
Fuller R, Zahnd A (2012) Solar växthusteknologi för livsmedelssäkerhet: en fallstudie från Humla District, NW Nepal. 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) Struktur, funktion, tillämpning och ekologisk fördel med ett energieffektivt solcellsväxthus i Kina. HortTechnology 20: 626-631
Gao JJ, Bai XL, Zhou B, Zhou JB, Chen ZJ (2012) Markens näringsinnehåll och näringsbalanser i nybyggda solcellsväxthus i norra Kina. Nutr Cycl Agrocosyst 94:63-72. https://doi.org/10.1007/ s10705-012-9526-9
Godfray HCJ (2011) Mat och biologisk mångfald. Science 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) Matsäkerhet: utmaningen att mata 9 miljarder människor. Science 327:812-818. https://doi.org/10.1126/science. 1185383
Guan Y, Chen C, Li Z, Han Y, Ling H (2012) Förbättring av termisk miljö i solcellsväxthus med fasförändringsvägg för termisk lagring. 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) Analys av värmeöverföringsegenskaper hos treskiktsvägg med fasförändringsvärmelagring i solcellsväxthus. Trans Chinese Soc Agr Eng 29:166-173. https://doi. org/10.3969/j.issn.1002-6819.2013.21.021
Halicki W, Kulizhsky SP (2015) Förändringar i bruk av åkermark i Sibirien under 20-talet och deras effekt på markförstöring. 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) Upprättande av uppskattningsmodell för solstrålning inom solväxthus. 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) Avancerade tillämpningar av solenergi i jordbruksväxthus. 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) Kolbudget och lagringspotential i en sandjord som behandlats med kompost. Land Degrad Dev 25:120-129. https://doi. org/10.1002/ldr.1152
Jiang D, Hao M, Fu J, Zhuang D, Huang Y (2014) Spatial-temporal variation of marginal mark lämplig för energianläggningar från 1990 till 2010 i Kina. Sci Rep 4:e5816. https://doi.org/10.1038/srep05816
Jiang W, Deng J, Yu H (2015) Utvecklingssituation, problem och förslag på industriell utveckling av skyddad trädgårdsodling. Sci Agric Sin 48:3515-3523
Kraemer R, Prishchepov AV, Muller D, Kuemmerle T, RadeloffVC, Dara A, Terekhov A, Fruhauf M (2015) Långsiktig förändring av jordbrukets marktäckning och potential för expansion av odlingsmark i det tidigare jungfruliga området i Kazakstan. Environ Res Lett 10. https://doi. org/10.1088/1748-9326/10/5/054012
Li Z, Wang T, Gong Z, Li N (2013) Förvarningsteknik och applikation för övervakning av lågtemperaturkatastrofer i solcellsväxthus baserat på Internet of things. 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) Luftad bevattning som förbättrar kvaliteten och effektiviteten för bevattningsvattenanvändning av muskmelon i plastväxthus. 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) Effekt av optimal daglig gödning på migration av vatten och salt i jord, rottillväxt och fruktavkastning av gurka (Cucumis sativus L.) i solväxthus. 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) Förändringar av organiskt jordsubstrat med kontinuerlig grönsaksodling i solväxthus. 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) Rumsliga mönster och drivkrafter för förändring av markanvändningen i Kina under början av 21:a århundrade. J Geogr Sci 20:483494. https://doi.org/10.1007/s11442-010-0483-4
Liu Y, Yang Y, Li Y, Li J (2017) Konvertering från landsbygdsbebyggelse och åkermark under snabb urbanisering i Peking under 1985-2010. J Rural Studies 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) Markförorening och källor till ftalater och dess hälsorisk i Kina: areview. 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) Kontaminering av ftalatestrar i jordar och grönsaker i plastfilmväxthus i förorten Nanjing, Kina och den potentiella hälsorisken för människor. Environ Sci Pollut Res 22:12018-12028. https://doi.org/10. 1007/s11356-015-4401-2
Martinez-Fernandez J, Esteve MA (2005) En kritisk syn på debatten om ökenspridning i sydöstra Spanien. Land Degrad Dev 16:529539. https://doi.org/10.1002/ldr.707
Mueller ND, Gerber JS, Johnston M, Ray DK, Ramankutty N, Foley JA (2012) Att stänga skördeluckor genom närings- och vattenhantering. Nature 490:254-257. https://doi.org/10.1038/nature11420
Romero P, Martinez-Cutillas A (2012) Effekterna av delvis rotzonsbevattning och reglerad underskottsbevattning på den vegetativa och reproduktiva utvecklingen av fältodlade Monastrell-vinstockar. 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) Den slutna solcellsväxthustekniken och utvärdering av energiskörd under sommarförhållanden. Acta Hortic 932:433-440. https://doi.org/10.17660/ActaHortic.2015.1107.21
Seeberg V, Luo S (2018) Migrerar till staden i nordvästra Kina: unga kvinnor på landsbygden's empowerment. 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) Förändringar av organiska jordsubstrategenskaper med olika odlingsår och deras effekter på gurktillväxt i solväxthus. Chin J Appl Ecol 24:2857-2862
Sun Z, Huang W, Li T, Tong X, Bai Y, Ma J (2013) Ljus- och temperaturprestanda hos energibesparande solcellsväxthus monterad med färgplatta. 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) Utveckling och senaste trender inom växthustork: areview. 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) Passiv solenergianvändning: en översyn av val av tvärsnittsbyggnadsparameter för kinesiska solenergiväxthus. Renew Sustain Energy Rev 26: 540-548. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.06.026
Wang HX, Xu HB (2016) En tillförlitlighetsforskning på internet av objektövervakningssystem för anläggningsjordbruk. Key Eng Mater 693:14861491 https://doi.org/scientific.net/KEM.693.1486
Wang F, Du T, Qiu R, Dong P (2010) Effekter av underskottsbevattning på avkastning och vattenanvändningseffektivitet för tomat i solcellsväxthus. 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) Kvantifiering av nettokolflöde från grönsaksodling i plastväxthus: en fullständig kolcykelanalys. Environ Pollut 159:1427-1434. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2010.12.031
Wang Y, Liu F, Jensen CR (2012) Jämförande effekter av underskottsbevattning och alternativ partiell rotzonsbevattning på xylem pH, ABA och jonkoncentrationer i tomater. 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) Simulering och optimering av solcellsväxthus i norra Jiangsu-provinsen i Kina. Energibyggnader 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) Förekomst och riskbedömning av ftalatestrar (PAE) i grönsaker och jordar i förortsväxthus med plastfilm. 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) Integration av solteknik till modernt växthus i Kina: nuvarande status, utmaningar och utsikt. 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) Jordbrukets kolflödesförändringar drivs av intensiv plastväxthusodling i fem klimatregioner i Kina. 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) Anläggningsodlingssystem "®Ж^Ф" – en kinesisk modell för planeten. Adv Agron 145:1-42. https://doi.org/10. 1016/bs.agron.2017.05.005
Xu H, Wang X, Xiao G (2000) En fjärranalys och GIS-integrerad studie om urbanisering med dess inverkan på åkermark: Fuqing City, Fujian-provinsen, Kina. 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) Mikroklimatvariationer med väggkonfigurationer för kinesiska solcellsväxthus. Appl Mech Mater 291294:931-937 https://doi.org/scientific.net/AMM.291-294.931
Xu J, Li Y, Wang RZ, Liu W (2014) Prestandaundersökning av ett solvärmesystem med underjordisk säsongsbetonad energilagring för växthustillämpning. Energi 67:63-73. https://doi.org/10.1016/j. energi.2014.01.049
Yang H, Du T, Qiu R, Chen J, Wang F, Li Y, Wang C, Gao L, Kang S (2017) Förbättrad vattenanvändningseffektivitet och fruktkvalitet för växthusgrödor under reglerad underskottsbevattning i nordvästra Kina. Agric Water Manag 179:193-204. https://doi.org/10.1016/j.agwat.2016.05.029
Ye J (2018) Stayers in China's "ihålig" byar: en motberättelse om massiv landsbygd-urban migration. Popul Space Place 24:e2128. https://doi.org/10.1002/psp.2128
Yuan H, Wang H, Pang S, Li L, Sigrimis N (2013) Design och experiment av slutet kultursystem för solcellsväxthus. Trans Chin Soc Agric Eng 29:159-165. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-6819.2013.21.020
Zhang J (2007) Barriärer för vattenmarknader i Heihe River Basin i nordvästra Kina. Agric Water Manag 87:32-40. https://doi.org/ 10.1016/j.agwat.2006.05.020
Zhang Y, Zou Z, Li J (2014) Prestandaexperiment på belysning och termisk lagring i solcellsväxthus med lutande tak. 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) Inverkan av anläggningsjordbruksproduktion på distribution av ftalatestrar i svarta jordar i nordöstra Kina. 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) Att sluta avkastningsgap i Kina med stärka småbrukare. Nature 537:671-674. https://doi.org/10.1038/nature19368
Zhang J, Wang J, Guo S, Wei B, He X, Sun J, Shu S (2017) Studie om värmeöverföringsegenskaper hos halmblocksvägg i solcellsväxthus. Energibyggnader 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) Prestanda för aktiv värmelagringsenhet med hjälp av en värmepump i en ny typ av kinesiskt solcellsväxthus. Appl Eng Agric 32:641-650. https://doi.org/10.13031/aea.32.11514