Jianming Xi1,2 e Jihua Yu1,2 & Baihong Chen1,2 e Zi Feng1,2 e 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, Cina
2. College of Horticulture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, Cina
3. Agricoltura e agroalimentare Canada, Centro di ricerca e sviluppo Swift Current, Swift Current, SK S9H 3X2, Canada
4. The UWA Institute of Agriculture e School of Agriculture & Environment, The University of Western Australia, Perth, WA 6001, Australia
Astratto
Nelle regioni/paesi popolati con un rapido sviluppo economico, come Africa, Cina e India, i seminativi si stanno rapidamente riducendo a causa della costruzione urbana e di altri usi industriali della terra. Ciò crea sfide senza precedenti per produrre cibo a sufficienza per soddisfare la crescente domanda di cibo. I milioni di ettari desertici e non arabili possono essere sviluppati per la produzione alimentare? L'energia solare abbondantemente disponibile può essere utilizzata per la produzione di colture in ambienti controllati, come le serre a base solare? Qui, esaminiamo un sistema di coltivazione innovativo, vale a dire "agricoltura del Gobi." Troviamo che l'innovativo sistema agricolo del Gobi ha sei caratteristiche uniche: (i) utilizza le risorse della terra desertica con l'energia solare come unica fonte di energia per produrre frutta e verdura fresca tutto l'anno, a differenza della produzione convenzionale in serra dove il fabbisogno energetico è soddisfatto bruciando combustibili fossili o consumo elettrico; (ii) i grappoli di singole unità colturali sono realizzati utilizzando materiali disponibili localmente come terreno argilloso per le pareti nord degli impianti; (iii) la produttività della terra (prodotto fresco per unità di terreno all'anno) è 10-27 volte superiore ed efficienza di utilizzo dell'acqua delle colture 20-35 volte maggiore rispetto ai tradizionali sistemi di coltivazione irrigua in pieno campo; (iv) i nutrienti per le colture sono forniti principalmente attraverso substrati organici di produzione locale, che riducono l'uso di fertilizzanti inorganici sintetici nella produzione delle colture; (v) i prodotti hanno un'impronta ambientale inferiore rispetto alla coltivazione in pieno campo a causa dell'energia solare come unica fonte di energia e dell'elevata resa delle colture per unità di input; e (vi) crea occupazione rurale, che migliora la stabilità delle comunità rurali. Sebbene questo sistema sia stato descritto come a "Miracolo della terra del Gobi" per lo sviluppo socioeconomico, è necessario affrontare molte sfide, come i vincoli idrici, la sicurezza dei prodotti e le implicazioni ecologiche. Suggeriamo che vengano sviluppate politiche pertinenti per garantire che il sistema aumenti la produzione alimentare e migliori la socioeconomia rurale proteggendo il fragile ambiente ecologico.
Introduzione
I seminativi per l'agricoltura sono una risorsa limitata (Liu et al. 2017). Nei paesi a rapido sviluppo economico, come Cina, India e Africa, gran parte della terra arabile è stata convertita a uso industriale (Cakir et al. 2008; Xu et al. 2000). A causa della rapida urbanizzazione che compete per la terra con l'agricoltura (Zhang et al. 2016; Meller et al. 2012), c'è una sfida senza precedenti per aumentare la produzione agricola per soddisfare i bisogni e le preferenze dietetiche della crescente popolazione umana (Godfray et al. 2010). È possibile che i paesi sviluppati con vaste aree di seminativi, come Australia, Canada e Stati Uniti, possano convertire le aree erbose in terreni coltivati per i mercati mondiali del grano. Tuttavia, ciò potrebbe accelerare la perdita di riserve di carbonio e avere impatti significativi e negativi sull'ambiente (Godfray 2011).
In molti ambienti aridi e semiaridi sono presenti vaste aree di "Terra di Gobi" (definita come terra non arabile), inclusi 1.95 milioni di ettari di terreno di tipo desertico nelle sei province della Cina nordoccidentale (Liu et al. 2010). La Cina sta compiendo uno sforzo concertato per sviluppare questa terra del Gobi per la produzione alimentare utilizzando un sistema di coltivazione innovativo, chiamato "agricoltura del Gobi." Abbiamo definito questo sistema di coltivazione come "Un sistema di coltivazione con un gruppo di unità di coltivazione simili a serre in plastica alimentate a energia solare, costruite localmente per la produzione di prodotti freschi ad alto rendimento e di alta qualità (ortaggi, frutta e piante ornamentali) in modo efficace, efficiente ed economico" (Xia et al. 2017). In alcuni sofisticati sistemi a cluster, le condizioni climatiche delle singole unità possono essere monitorate tramite data logger. A differenza delle serre o serre convenzionali in cui il riscaldamento e il raffreddamento (due costi principali coinvolti nella produzione di serre) sono solitamente forniti dalla combustione di combustibili fossili (diesel, olio combustibile, petrolio liquido, gas) che aumentano la CO2 emissioni, o utilizzando riscaldatori elettrici che consumano più energia (Hassanien et al. 2016; Wang et al. 2017), "agricoltura del Gobi" i sistemi si basano interamente sull'energia solare per il riscaldamento, il raffreddamento e la conversione dell'energia naturale in biomassa vegetale.
Negli ultimi anni, l'uso della terra del Gobi per la produzione alimentare si è rapidamente evoluto in Cina (Zhang et al. 2015). Nelle regioni nord-occidentali, i sistemi di coltivazione della terra del Gobi producono gran parte degli ortaggi consumati nella regione. Questo sistema svolge un ruolo fondamentale nel garantire la sicurezza alimentare, aumentare la sostenibilità socioecologica e migliorare la redditività della comunità rurale. Molti considerano questa agricoltura della terra del Gobi a "terra ritrovata" sistema di coltivazione. Una caratteristica significativa del sistema è l'opportunità di produrre cibo su terreni un tempo improduttivi. Questo innovativo sistema di coltivazione può essere un passo rivoluzionario verso l'agricoltura moderna. Tuttavia, mancano informazioni sul progresso scientifico dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi. Molte domande rimangono senza risposta: questo sistema si evolverà in modo sostenibile in una grande industria di produzione vegetale? In che modo il sistema di coltivazione della terra del Gobi influirà sull'ecoambiente a lungo termine? Può questo "fatto in Cina" modello di coltivazione si applicano ad altre zone aride con aree di seminativi in diminuzione, come il Kazakistan settentrionale (Kraemer et al. 2015), Siberia (Halicki e Kulizhsky 2015), e le regioni dell'Africa centrale e settentrionale (de Grassi e Salah Ovadia 2017)?
Con queste domande in mente, abbiamo condotto una revisione completa della letteratura sui recenti sviluppi e sui risultati chiave della ricerca riguardanti il sistema di coltivazione. Gli obiettivi di questo documento erano (i) evidenziare i progressi scientifici dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi adottati nel nord della Cina, tra cui la produttività delle colture, l'efficienza nell'uso dell'acqua (WUE), le caratteristiche di utilizzo dei nutrienti e dell'energia e i potenziali impatti ecologici e ambientali; (ii) discutere le principali sfide del sistema, come la disponibilità di acqua per l'irrigazione, la qualità e la sicurezza dei prodotti e il potenziale impatto sulla stabilità e sullo sviluppo della comunità rurale; e (iii) fornire suggerimenti sulla definizione delle politiche e sulle priorità di ricerca per una sana esplorazione e uno sviluppo sostenibile a lungo termine dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi.
Una breve rassegna delle infrastrutture dei sistemi terrestri del Gobi
Per capire come funziona il sistema di coltivazione della terra del Gobi, abbiamo fornito una breve descrizione della loro progettazione, ingegneria e costruzione. Maggiori dettagli sull'infrastruttura si trovano in una recente revisione (Xie et al. 2017). Il sistema di coltivazione della terra del Gobi è stabilito su terreni incolti del Gobi dove non è possibile la produzione agricola tradizionale. Le strutture del Gobi sono costruite in "cluster" delle singole unità produttive. Una tipica struttura a grappolo è costituita da diverse (fino a centinaia) singole unità di coltivazione o case (Fig. 1un). Le condizioni microclimatiche in ogni unità di coltivazione sono monitorate da un centro di controllo centralizzato dove sensori remoti,
Le condizioni microclimatiche, come la temperatura e l'umidità dell'aria, possono essere regolate in alcune unità di coltivazione, mentre altri sistemi di monitoraggio consentono la fertirrigazione automatica. Alcune tecnologie avanzate come l'Internet degli oggetti (Wang e Xu 2016) o Internet delle cose (Li et al. 2013) può essere installato nel centro di controllo per fornire letture più accurate dei dati microclimatici trasmessi dalle singole unità di coltivazione. Tuttavia, questi non sono stati ampiamente implementati a causa del costo elevato.
Una tipica unità di coltivazione all'interno di una struttura a grappolo è orientata a est-ovest e ha tre pareti sui lati nord, est e ovest della struttura. Il lato sud della struttura è un tetto inclinato sostenuto da un telaio in acciaio e ricoperto da un film termoplastico trasparente (Fig. 2). Il tetto è opportunamente inclinato per garantire un'efficace trasmissione della luce durante il giorno (Zhang et al. 2014). L'energia del sole viene immagazzinata nella massa termica delle pareti e rilasciata sotto forma di calore durante la notte. Durante l'inverno, il tetto viene coperto ogni notte con stuoie di paglia fatte in casa per mantenere la temperatura interna (Tong et al. 2013).
Un componente critico di ogni unità di coltivazione è la parete nord, costruita con materiali disponibili localmente come mattoni di argilla (Wang et al. 2014), blocchi di paglia coltivati (Zhang et al. 2017), mattoni comuni con polistirolo (Xu et al. 2013), unità in muratura di cenere volante (Xu et al. 2013), blocchi di argilla impastati con malta cementizia (Chen et al. 2012), terra battuta (Guan et al. 2013), o terreno grezzo inglobato con blocchi di cemento. In alcune unità è costruita la parete nord "materiale a cambiamento di fase" per ottimizzare l'accumulo e lo scambio di calore e, quindi, ridurre le fluttuazioni di temperatura per la crescita delle piante (Guan et al. 2012).
Una delle differenze significative tra le strutture a grappolo di terra del Gobi e le tradizionali serre o serre è la fonte di energia. Ogni unità di coltivazione nel sistema agrario del Gobi è alimentata interamente da energia solare. La radiazione solare viene assorbita dalla parete nord durante il giorno e rilasciata di notte. L'energia inutilizzata durante il giorno è una fonte di energia attiva di notte. UN "cortina d'acqua" Il sistema è tipicamente utilizzato per fornire calore supplementare durante le notti invernali, dove una piccola sezione del terreno all'interno dell'unità viene riempita con acqua da utilizzare come mezzo di scambio termico (Xie et al. 2017). Durante il giorno, l'acqua circola e passa attraverso le tende assorbenti l'acqua, con il calore in eccesso della radiazione solare immagazzinato nel corpo idrico; di notte, l'acqua calda circola e passa attraverso le barriere d'acqua con il calore rilasciato all'aria all'interno dell'unità. L'efficacia dell'accumulo di energia nel "cortina d'acqua" sistema dipende da molti fattori, come la radiazione solare diretta, la radiazione solare diffusa isotropica proveniente dal cielo, la trasparenza atmosferica e la trasmittanza termica del film plastico sul tetto (Han et al. 2014). Con l'evoluzione dei sistemi di coltivazione, vengono sviluppati sistemi di riscaldamento più sofisticati per un migliore accumulo e rilascio di calore.
Avanzamento scientifico dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi
I sistemi di coltivazione della terra del Gobi differiscono dalla tradizionale coltivazione in campo aperto in cui le colture vengono alimentate a pioggia o irrigate. Si differenziano anche dalla coltivazione delle colture in serre o serre convenzionali dove l'energia è fornita principalmente da gas naturale o elettricità. I sistemi di coltivazione della terra del Gobi hanno caratteristiche uniche, alcune delle quali sono evidenziate di seguito.
Aumento della produttività delle colture
Le colture coltivate nelle strutture del Gobi sono altamente produttive con un'efficienza nell'uso del suolo significativamente più elevata (cioè, resa delle colture per unità di terreno utilizzata) rispetto alla tradizionale coltivazione in pieno campo. Ad esempio, la regione orientale dell'Hexi Corridor nel nord-ovest della Cina ha un lungo termine (1960-2009) durata annuale del sole di 2945 h, temperatura media annuale dell'aria 7.2 °C e periodo senza gelo di 155 giorni (Chai et al. 2014c); le unità termiche sono più che sufficienti per produrre un raccolto all'anno ma insufficienti per produrre due raccolti all'anno con i tradizionali sistemi a pieno campo. Nel sistema Gobi-land, le colture possono essere coltivate nella maggior parte dei mesi o addirittura durante tutto l'anno. Resa media annua delle colture su 5 anni (2012-2016) nelle unità di coltivazione presso la stazione sperimentale di Jiuquan erano 34 t ha-1 per il melone (Cucumis melo L.), 66 t ha-1 per anguria (Citrullus lanatus L.), 102 t ha 1 per peperoncino (Capsicum annuum, C.frutescens), 168 t ha 1 per il cetriolo (Cucumis sativus L.), e 177 t ha 1 per pomodoro (Solanum L.), che sono 10-27 volte superiori a quelli dei tradizionali sistemi openfield nelle stesse condizioni climatiche (Xie et al. 2017). Risultati simili sono stati osservati altrove nel nord della Cina, come il distretto di Wuwei all'estremità orientale del
Corridoio esagonale. Tali valori di resa sono stati calcolati sulla superficie occupata dalle unità colturali, nonché sulle aree comuni condivise dalle singole unità all'interno del medesimo sistema di controllo. Le aree comuni sono destinate al trasporto del materiale in ingresso e al marketing del prodotto.
Miglioramento dell'efficienza nell'uso dell'acqua
Una delle principali sfide per l'agricoltura in molte aree aride e semiaride è la carenza d'acqua. Risparmiare acqua o migliorare WUE (resa del raccolto per unità di acqua fornita, espressa in kg ha-1 resa m-3 acqua) nella produzione agricola è fondamentale per la redditività agricola. I sistemi di coltivazione della terra Gobi offrono notevoli vantaggi in termini di risparmio idrico, in quanto le colture utilizzano molta meno acqua rispetto alla stessa coltura coltivata nei tradizionali sistemi in campo aperto. Ad esempio, in 4 anni (2012-2015) di misurazioni in un sistema di impianti di terra del Gobi nella contea di Jiuquan, il pomodoro ha richiesto 385-Irrigazione totale di 466 mm, evapotraspirazione stagionale da 350 a 428 mm e peso del pomodoro fresco da 86 a 152 t ha-1. Alcune importanti colture orticole hanno raggiunto un WUE elevato (kg di prodotto fresco m-3), di cui 15-21 acqua per il melone, 17-23 per il peperoncino, 22-28 per l'anguria, 2835 per il cetriolo e 35-51 kg per il pomodoro. In questo sistema, la WUE del pomodoro, ad esempio, era 20-35 volte maggiore rispetto alle stesse colture coltivate in seminativi, sistemi in pieno campo (Xie et al. 2017).
Il meccanismo per una maggiore WUE nei sistemi terrestri del Gobi è poco conosciuto. Suggeriamo che i principali fattori che contribuiscono includano i seguenti: (a) la quantità di irrigazione applicata alle colture nei sistemi di terra del Gobi si basa sui requisiti delle piante per una crescita ottimale (Liang et al. 2014) che è predeterminato e controllato tramite un contatore dell'acqua installato (Fig. 3un). A seconda dell'operatore dell'unità's conoscenza ed esperienza, viene spesso utilizzato un metodo di irrigazione a deficit regolato (Fig. 3b) che riduca le quantità di irrigazione nelle fasi di crescita non critiche (Chai et al. 2014b). Un lieve deficit di irrigazione può stimolare i sistemi di difesa delle piante a migliorare la tolleranza allo stress da siccità (Romero e Martinez-Cutillas 2012; Wang et al. 2012). L'entità dell'effetto dell'irrigazione deficitaria regolata sulle prestazioni delle colture varia con le specie di colture e altri fattori (Chen et al. 2013; Wang et al. 2010); (b) le tecniche di irrigazione nei sistemi di coltivazione della terra del Gobi sono in costante miglioramento, in modo tale che l'irrigazione a goccia sotterranea (Fig. 3c) è oggi il metodo di irrigazione più diffuso; (c) vengono utilizzati vari metodi di pacciamatura per ridurre l'evaporazione delle acque superficiali del suolo. L'area di impianto all'interno dell'unità di coltivazione è solitamente ricoperta da un film plastico durante la stagione vegetativa (Fig. 3d), comprese le aree tra i filari (Fig. 3e). La riduzione dell'evaporazione e l'aumento dell'umidità relativa dell'aria sono probabilmente i due fattori più importanti per un uso efficiente dell'acqua; (d) una certa percentuale di acqua evaporata dalla superficie del suolo viene riciclata all'interno dell'unità di coltivazione poiché la coltivazione avviene in un sistema relativamente chiuso; e (e) vengono utilizzate pratiche agronomiche sofisticate per la gestione delle colture nell'unità di coltivazione (Fig. 3f), come la potatura dei rami per aumentare la penetrazione della luce (Du et al. 2016), ottimizzando la ventilazione per bilanciare la CO2 per la fotosintesi delle piante e l'incidenza di malattie (Yang et al. 2017), e arieggiare la zona di radicazione dopo l'irrigazione per alcuni giorni per ridurre al minimo l'evaporazione del suolo (Li et al. 2016); tutto ciò contribuisce ad aumentare la resa delle colture e a migliorare la WUE.
Miglioramento dell'efficienza nell'uso dei nutrienti
A differenza della tradizionale coltivazione in campo aperto, dove i fertilizzanti sintetici sono la principale fonte di nutrienti per le piante, materiale organico, come paglia coltivata, letame del bestiame e sottoprodotti dell'industria alimentare, processi di produzione di energia e riciclaggio dei rifiuti umani-è la principale fonte di nutrienti nei sistemi di coltivazione della terra del Gobi. I materiali di scarto rappresentano un'alternativa ai mezzi commerciali utilizzati nella produzione convenzionale in serra. Per qualificarsi come substrato per la coltivazione della terra del Gobi, i materiali organici devono avere le seguenti caratteristiche (Fu et al. 2018; Fu e Liu 2016; Fu et al. 2017; Lin et al. 2015; Canzone et al. 2013): (i) bassa densità apparente, elevata porosità ed elevata capacità di ritenzione idrica; (ii) elevata capacità di scambio cationico e contenuto di nutrienti minerali e pH ed EC adeguati; (iii) una maggiore attività enzimatica, generalmente ottenuta mediante l'aggiunta di ceppi di microrganismi appropriati; (iv) lento tasso di degradazione; e (v) essere esenti da semi di erbe infestanti e agenti patogeni presenti nel suolo. Il tipo di materiale, il metodo di lavorazione, il grado di decomposizione e le condizioni climatiche in cui vengono prodotti i substrati possono influenzare le proprietà fisiche, chimiche e biologiche del materiale organico e, quindi, la qualità del substrato (Fu et al. 2017; Canzone et al. 2013).
La produzione di un tipico substrato casalingo prevede diversi passaggi (Fig. 4a): (i) la paglia del raccolto (come il mais) viene raccolta dai tradizionali sistemi di produzione in pieno campo nei villaggi locali, trasportata in un sito vicino all'impianto, tritata in 3-pezzi lunghi 5 cm, prima di aggiungere una bassa dose di fertilizzante azotato (1.4 kg N per 1000 kg di paglia secca di mais) per regolare il rapporto C:N del compost a circa 15:1; (ii) si aggiunge circa 1 kg di prodotto di inoculo di microrganismi ogni 1000 kg di materiale organico; (iii) la 1a fase della fermentazione prevede l'accatastamento della paglia a terra (es. 1.2 m di altezza x 3.0 m di larghezza sul fondo e 2.0 m di larghezza sopra) prima di avvolgerla con una pellicola di plastica; (iv) si controlla la temperatura nella pila e si aggiunge acqua per mantenere il contenuto di umidità a 60-65% per un'attività ottimale dei microrganismi; (v) la seconda fase della fermentazione prevede il disturbo del camino ogni 68 giorni e controllando la temperatura nei 30 cm superiori. Questo disturbo periodico assicura che la temperatura e l'umidità siano mantenute a un livello ottimale per l'attività microbica; e (vi) intorno al giorno 32-34 dopo la fermentazione, il materiale viene trasferito in un impianto di stoccaggio pronto per l'uso in impianto di coltivazione. Il substrato fatto in casa viene solitamente applicato a 2-3 t ha 1 alle aree di coltivazione all'interno dell'unità di coltivazione e può essere utilizzato per alcuni anni in coltivazione prima di essere sostituito. Il contenuto nutritivo dei substrati può essere riportato a un livello di produzione mediante l'aggiunta di nutrienti esternalizzati (Fig. 4b). La paglia per il substrato organico è disponibile localmente e la maggior parte delle fasi di produzione utilizza macchine costruite internamente.
Il modo in cui i nutrienti del substrato vengono forniti alle colture varia tra le strutture del cluster. La maggior parte dei coltivatori della Cina nordoccidentale utilizza (1) un sistema di trincee, dove le trincee (in genere 0.4-0.6 m di larghezza, 0.2-0.3 m di profondità, con 0.8-1.0 m tra trincee orientate a nord-direzione sud) sono realizzati a terra all'interno dell'unità di coltivazione, bordati con cemento, blocchi di legno o mattoni, riempiti con substrato prima della messa a dimora (Fig. 5a), e ricoperte con pellicola di plastica per far crescere le piantine (Fig. 5b). Una volta realizzate, le trincee possono essere utilizzate per una produzione continuativa per più di 20 anni; o (2) substrati a sacco intero, in cui il substrato è avvolto in singoli sacchetti di plastica (la dimensione tipica di un sacco è di 0.5 m di diametro e 1.0 m di lunghezza) in un microambiente chiuso. I nutrienti vengono rilasciati dai sacchetti man mano che le piante si sviluppano (Fig. 5c). I fori sono praticati sulla parte superiore dei sacchi per la semina (Fig. 5d) e irrigazione a goccia attraverso i fori.
I due metodi differiscono nelle loro caratteristiche. Il metodo della trincea consente ai coltivatori di aggiungere facilmente fertilizzante ai substrati quando necessario. Per alcune colture, come l'anguria, è necessaria l'aggiunta di fertilizzante inorganico per garantire un'elevata produttività. Alcuni studi hanno dimostrato che l'uso di concimi organici insieme a fertilizzanti inorganici può aumentare la resa delle colture, ma lascia eccedenze di nutrienti nel suolo ed elevate concentrazioni di nitrato-N nel terriccio (Gao et al. 2012). Altri studi hanno indicato che l'approccio a sacco intero è più produttivo del sistema di trincea (Yuan et al. 2013) perché i sacchi avvolti consentono di separare fisicamente il supporto dal suolo; riducendo così la probabilità di contaminare i substrati con agenti patogeni presenti nel suolo. Tuttavia, le proprietà fisiche e chimiche del substrato (in trincea o in sacchi avvolti) possono deteriorarsi ad ogni stagione di raccolto (Song et al. 2013), che riduce la potenza dell'apporto di nutrienti (Song et. 2013). Pertanto, il rinnovo del substrato è garantito.
Maggiore efficienza nell'uso dell'energia
I sistemi di coltivazione della terra Gobi sono totalmente basati sull'energia solare. La struttura è progettata per trattenere quanto più calore possibile utilizzando e immagazzinando l'energia del sole. La durata giornaliera dell'irraggiamento solare, l'intensità dell'irraggiamento solare e le giornate annuali senza gelo sono importanti per il riscaldamento delle unità di coltivazione. Il corridoio Hexi da est a centro, come la contea di Wuwei (37° 96' N, 102°64' E), provincia di Gansu, è un'area rappresentativa in cui sono concentrate le strutture raggruppate del Gobiland. Una media di 6150 MJ m 2 l'irraggiamento solare annuale e 156 giorni senza gelo consentono a molti tipi di colture orticole di maturare con un'elevata qualità. Per migliorare l'efficienza nell'uso della radiazione solare, i gestori dell'unità di coltivazione utilizzano vari mezzi per aumentare l'accumulo di calore e migliorare il rilascio di calore, come i doppi strati di pellicola di plastica nera fissata alla parete nord (Xu et al. 2014), lastre a colori termoconservatrici installate sul tetto (Sun et al. 2013), sistemi di assorbimento del calore del suolo superficiale per aumentare la temperatura dell'aria interna (Xu et al. 2014), e geotessile del terreno applicato come tappezzante per preservare il calore. Inoltre, le pompe di calore solari vengono utilizzate per regolare la temperatura dell'acqua nei serbatoi di riserva di calore in alcune unità di coltivazione (Zhou et al. 2016). Più recentemente, lastre di colore che preservano il calore sono state posizionate sulla sommità del tetto per aumentare l'assorbimento del calore (Sun et al. 2013). In alcune delle sofisticate serre solari nella coltivazione di impianti a grappolo, vengono utilizzate tecnologie solari avanzate per migliorare l'accumulo termico, la produzione di energia fotovoltaica e l'utilizzo della luce (Cuce et al. 2016). L'uso dell'energia solare per la produzione di colture in serra ha fatto progressi in molte aree/paesi (Farjana et al. 2018), inclusi Australia, Giappone (Cossu et al. 2017), Israele (Castello et al. 2017), e la Germania (Schmidt et al. 2012), nonché paesi in via di sviluppo come il Nepal (Fuller e Zahnd 2012) e India (Tiwari et al. 2016). In Cina, l'installazione di moderni moduli solari è attualmente costosa, con un periodo di ammortamento stimato di 9 anni (Wang et al. 2017). Prevediamo che man mano che il sistema di coltivazione si evolverà con una tecnologia solare più avanzata, il periodo di ammortamento si ridurrà.
Le temperature dell'aria all'interno e all'esterno delle strutture dei cluster possono variare da 20 a 35 °C nei freddi inverni della Cina settentrionale. Ad esempio, negli impianti solari di Lingyuan (41° 20' N, 119°31' E) nella provincia di Liaoning, Cina nord-orientale, in una serra solare di 12 m di luce, alta 5.5 m e lunga 65 m con sistemi di accumulo di calore, la temperatura dell'aria notturna all'interno ha raggiunto 13 °C mentre all'esterno era -25.8 °C, una differenza di 39 °C (Sunetal. 2013).
L'uso dell'energia solare per la produzione alimentare è una caratteristica significativa di "agricoltura del Gobi" sistemi nel nord-ovest della Cina. Ciò differisce dalle tradizionali serre o serre che richiedono input di energia esterna per coltivare le colture, che possono essere costose dal punto di vista economico e ambientale (Hassanien et al. 2016; Canakci et al. 2013; Wang et al. 2017). Ad esempio, il consumo medio annuo di energia elettrica nelle serre convenzionali può superare i 500 kW hmy (Hassanien et al. 2016), con costi fino a $ 65,000 USD150,000 all'anno (in un caso di studio in Turchia) (Canakci et al. 2013). A livello globale, l'espansione della produzione agricola convenzionale basata su serra è stata limitata a causa dell'intenso consumo di energia e delle preoccupazioni per le emissioni di carbonio.
Benefici ambientali
Il riscaldamento delle serre agricole con combustibili fossili, come carbone, petrolio e gas naturale, contribuisce alle emissioni di carbonio e ai cambiamenti climatici. I sistemi di coltivazione della terra del Gobi alimentati a energia solare forniscono maggiori benefici ambientali grazie a (i) un consumo energetico ridotto, poiché la coltivazione delle colture si basa interamente sull'energia solare, a differenza delle serre convenzionali in cui l'energia è fornita tramite elettricità o gas naturale che produce grandi emissioni di gas serra; (ii) un migliore risparmio idrico, poiché la coltivazione delle colture avviene sotto un tetto ricoperto di plastica con bassa evaporazione del suolo e alto rapporto di traspirazione: evaporazione. L'irrigazione è monitorata e controllata da un computer centralizzato che consente un'irrigazione precisa con una perdita d'acqua minima; (iii) Riduzione delle emissioni di gas serra per l'intero sistema (Chai et al. 2012) o l'impronta per unità di peso dell'ortaggio fresco in base alla valutazione del ciclo di vita (Chai et al. 2014a). Le colture coltivate in strutture a grappolo hanno rese significativamente più elevate per unità di input (come fertilizzanti, area di utilizzo del suolo) con più CO atmosferica2 convertito in biomassa vegetale attraverso una fotosintesi potenziata rispetto ai sistemi di coltivazione in campo aperto (Chang et al. 2013); e (iv) l'uso di substrati di compost può aumentare nel tempo il carbonio nel suolo (Jaiarree et al. 2014; Chai et al. 2014a).
Alcuni casi di studio hanno stimato la CO netta2 fissazione da parte delle piante nei sistemi di coltivazione della plastica ad energia solare otto volte superiore rispetto ai tradizionali sistemi in campo aperto (Wang et al. 2011). Più CO2 fissare in unità di coltivazione significa meno CO2 emissioni in atmosfera (Wu et al. 2015). L'entità dell'effetto varia a seconda della posizione geografica e della struttura delle unità di coltivazione (Chai et al. 2014c). Gli studi hanno anche dimostrato che la coltivazione delle strutture consente alle piante di fissare più CO2 dall'atmosfera emettendo meno gas serra per kg di prodotto (Chang et al. 2011). Nessun riscaldamento aggiuntivo viene fornito alle unità di coltivazione, anche durante l'inverno, risparmiando circa 750 Mg ha-1 di energia rispetto alla produzione convenzionale riscaldata a carbone in serra (Gao et al. 2010). La coltivazione del Gobiland è un sistema intelligente per ridurre le emissioni di gas serra. Tuttavia, in letteratura mancano valutazioni del ciclo di vita per la coltivazione in struttura e sono necessarie ricerche più approfondite per valutare gli impatti ambientali di questi sistemi di coltivazione.
Benefici ecologici
La Cina nord-occidentale è ricca di luce solare e risorse di calore con sole annuale che va dalle 2800 alle 3300 h. Lo sviluppo di sistemi di coltivazione della terra del Gobi a energia solare raggruppati può trasformare la luce e le risorse di calore nella produzione alimentare e offrire vantaggi ecologici significativi, alcuni dei quali sono evidenziati di seguito.
In primo luogo, la terra del Gobi viene utilizzata per produrre raccolti di qualità per la sicurezza alimentare. In Cina, la terra arabile media per 100 abitanti è di 8 ettari (FAOSTAT 2014), significativamente inferiore ai 52 ha negli USA, 125 ha in Canada e 214 ha in Australia. Le risorse dei terreni coltivati in Cina stanno diminuendo rapidamente a causa della rapida urbanizzazione. Di fronte a una limitata terra arabile pro capite, insieme a terreni coltivati utilizzati per l'edilizia urbana, la Cina ha compiuto il passo significativo di esplorare l'abbondante terra del Gobi per la coltivazione delle colture (Jiang et al. 2014). L'agricoltura tradizionale non è possibile sulla terra improduttiva del Gobi, di tipo desertico (Fig. 6un). La costruzione di impianti di coltivazione a grappolo sulla terra del Gobi offre caratteristiche uniche per alleviare i conflitti territoriali tra l'agricoltura e altri settori economici (Fig. 6b) e aiutare a garantire l'approvvigionamento alimentare per il paese altamente popolato.
In secondo luogo, il sistema di produzione utilizza principalmente le risorse disponibili localmente. Ogni unità di coltivazione nel sistema è costruita e supportata da telai in legno, bambù o barre d'acciaio. Durante i freddi inverni, sul tetto spiovente vengono srotolati materassini di paglia prodotti localmente o coperte termiche per un ulteriore isolamento. Anche le pareti nord delle unità di coltivazione sono realizzate con materiali disponibili localmente, come blocchi intelaiati in acciaio e imbottiti di paglia (Fig. 7a), sacchi di sabbia (Fig. 7b), una pietra-impasto cementizio (fig. 7c), o mattoni comuni (Fig. 7D).
I materiali disponibili localmente forniscono significativi vantaggi ecologici ed economici perché possono essere ottenuti a buon mercato o raccolti gratuitamente (ad es. pietre e rocce nelle vicine aree desertiche), con requisiti minimi di trasporto. Inoltre, le attrezzature per il trasporto di materiali, la produzione di substrati e la coltivazione delle colture sono diventate gradualmente disponibili per la coltivazione di strutture a grappolo; questo aiuta a risolvere la carenza di manodopera agricola in alcune aree rurali della Cina.
Terzo, questo sistema di coltivazione offre opportunità per migliorare l'ecologia regionale. In gran parte della Cina nord-occidentale, la terra del Gobi non ha vegetazione (Fig. 6a) risultando in ambienti ecologici fragili. L'erosione del vento è comune e diventa più grave con il cambiamento climatico. Frequenti tempeste di sabbia hanno origine nel nord-ovest, spesso estendendosi ad altre regioni asiatiche. Lo sviluppo di sistemi di coltivazione di impianti a grappolo di energia solare non solo ha il potenziale per rispondere simultaneamente alla diminuzione della disponibilità di terreni adatti in Cina, ma svolge un ruolo nell'alleviare la fragilità dell'ecosistema nel deserto verso gli ambienti aridi nel nord-ovest della Cina (Gao et al. 2010; Wang et al. 2017). La trasformazione dei terreni abbandonati del Gobi in terreni agricoli può aiutare a stabilire un nuovo sistema ecologico, che cambierà l'aspetto naturale primitivo e abbellirà l'ambiente ecologico.
Effetti sulla stabilità delle comunità rurali
Lo sviluppo socioeconomico nella Cina nordoccidentale è rimasto indietro rispetto alle regioni centrali e orientali, con molti distretti comunitari al di sotto del livello di povertà nazionale. L'esplorazione di vaste aree della terra del Gobi per la produzione di frutta e verdura apre a questa regione una porta per accelerare lo sviluppo socioeconomico. Trasforma lo svantaggio della desertificazione del Gobi in distinti vantaggi economici regionali, non solo promuovendo l'industria agricola ma guidando altre industrie, il che aiuta a stabilizzare le comunità rurali. Questo sistema agricolo a basso costo sta diventando una pietra miliare importante per il raduno delle comunità rurali.
Il sistema di coltivazione della terra del Gobi stimola la produzione alimentare e aumenta il reddito delle famiglie. In zone con temperature superiori -28 °C in inverno, le serre a energia solare sfruttano appieno l'energia solare e i terreni non seminativi per produrre frutta e verdura durante tutto l'anno. Le colture in unità di coltivazione a grappolo producono molto di più rispetto alla produzione in campo aperto con un rapporto più elevato tra input e output. Abbiamo analizzato la produzione economica in 14 studi con 120 unità di coltivazione di impianti di energia solare (Xie et al. 2017) per trovare un reddito lordo medio di USD $ 56,650 ha 1 y 1, essendo 10-30 volte superiore a quello della produzione in campo aperto nello stesso sito geologico. Di conseguenza, l'utile netto della coltivazione di ortaggi in struttura è stato di 10-15 volte superiore alla produzione di ortaggi in pieno campo e 70-125 volte più grande del mais in pieno campo (Zea mays) o grano (Triticum aestivum) produzione.
L'istituzione di questi nuovi sistemi di coltivazione crea opportunità di lavoro rurale. La coltivazione in loco trasforma il periodo di inattività invernale in una stagione intensa e produttiva, che crea opportunità di lavoro rurale, in particolare in inverno, quando le famiglie di agricoltori sono spesso "a casa da solo" senza lavoro. La produzione e la commercializzazione di frutta e verdura sono laboriose. Numerosi braccianti rurali possono essere destinati alla coltivazione in struttura (Fig. 8a), mentre altri possono essere destinati al trasporto e alla commercializzazione dei prodotti alle comunità locali o vicine (Fig. 8b). Soprattutto, la lavorazione, lo stoccaggio, la conservazione e la vendita di prodotti freschi forniscono opportunità di lavoro una volta assenti, che aiutano a costruire una comunità socialmente armoniosa (Fig. 8c) e radunare lo spirito della comunità rurale.
Non ci sono rapporti pubblicati su come il sistema di coltivazione a grappolo potrebbe influenzare lo sviluppo della comunità rurale. Suggeriamo che questi sistemi aiutino la vitalità e la stabilità delle comunità rurali. L'istituzione di sistemi di coltivazione della terra del Gobi consente all'agricoltura nella Cina nord-occidentale di espandersi oltre il confine della produzione primaria. Di conseguenza, la vitalità della comunità e la stabilità a lungo termine sono migliorate perché (i) vengono costantemente sviluppate nuove tecnologie per migliorare la coltivazione della terra del Gobi, come l'allevamento delle colture, lo sviluppo del substrato e le misure di controllo dei parassiti, che diventano un mezzo importante per lo sviluppo delle comunità rurali in modo sostenibile; (ii) la coltivazione delle strutture fornisce alla comunità una fornitura per tutto l'anno di frutta e verdura fresca, soddisfacendo le crescenti esigenze dei cittadini della classe media di cibi più nutrienti e sani; e (iii) l'istituzione del nuovo sistema di coltivazione aiuta a rafforzare la coesione interna dei gruppi di minoranze etniche, poiché i cittadini di gruppi di minoranze etniche richiedono alimenti diversi con caratteristiche uniche, che sono soddisfatte dai prodotti freschi tutto l'anno dei sistemi di coltivazione.
Grandi sfide
I sistemi di coltivazione della terra del Gobi si sono evoluti rapidamente in Cina negli ultimi anni con il potenziale per espandere le aree delle strutture e i livelli di produzione (Jiang et al. 2015). Tuttavia, è necessario affrontare alcuni vincoli e sfide.
Vincoli delle risorse idriche
Una delle maggiori sfide per l'agricoltura nel nord-ovest della Cina è la carenza d'acqua. La disponibilità annuale di acqua dolce è bassa a < 760 m3 pro capite y 1 (Chai et al. 2014b). Nel corridoio Hexi della provincia di Gansu, le precipitazioni annuali sono < 160 mm mentre l'evaporazione annuale è > 1500 mm (Deng et al. 2006). Molti terreni un tempo produttivi lungo la Via della Seta sono stati "in pausa" negli ultimi anni per mancanza d'acqua. La maggior parte delle colture in pieno campo utilizza tradizionali "allagamento" irrigazione che supera i 10,000 m3 ha-1 per stagione di raccolto (Chai et al. 2016). È probabile che lo sfruttamento eccessivo delle risorse idriche deteriori ulteriormente l'ambiente ecologico ed esaurisca le risorse idriche sotterranee non rinnovabili (Martinez-Fernandez e Esteve 2005). La produzione vegetale necessita di grandi quantità di acqua per un lungo periodo di crescita e le precipitazioni non possono soddisfare le esigenze di una crescita ottimale delle piante. Nel corridoio Hexi della provincia di Gansu, dove i sistemi di coltivazione a grappolo sono aumentati rapidamente negli ultimi anni, la principale fonte d'acqua per tutti i settori proviene dall'accumulo di neve nella montagna Qilian in inverno, con lo scioglimento della neve estiva che alimenta i fiumi e le falde acquifere in le valli (Chai et al. 2014b). Negli ultimi due decenni, il livello misurabile della neve sul monte Qilian si è spostato verso l'alto a una velocità compresa tra 0.2 e 1.0 m all'anno (Che e Li 2005), mentre la falda freatica nelle valli (fornita da acqua di montagna) è costantemente diminuita e la disponibilità di acque sotterranee è notevolmente diminuita (Zhang 2007). Di conseguenza, alcune oasi naturali lungo la vecchia Via della Seta stanno gradualmente scomparendo. Alcuni scavi di cantine sono stati utilizzati per risparmiare precipitazioni per fornire acqua supplementare, ma l'efficacia è generalmente bassa. Come risparmiare acqua o migliorare la WUE nella produzione agricola è fondamentale per la fattibilità a lungo termine dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi.
Ambienti ecologici fragili
Nel nord-ovest della Cina, la dotazione di terra è scarsa. Le montagne e le valli, insieme alle oasi e alla terra del Gobi, creano un ambiente ecologico complesso. Frequenti siccità e tempeste di polvere stanno peggiorando l'ambiente ecologico. Circa l'88% dell'area totale del Gansu Hexi Corridor ha subito la desertificazione e la linea di desertificazione si sta spostando verso sud verso i terreni agricoli. Le condizioni naturali nella regione nord-occidentale della Cina sono state descritte come "vento che soffia pietre dappertutto con erbe che non crescono da nessuna parte," una rappresentazione del fragile ambiente ecologico. L'uso massiccio di pesticidi nella coltivazione degli impianti è un potenziale pericolo per l'ambiente e per la salute dei lavoratori. La mancanza di trattamenti adeguati per i substrati organici riciclati può inquinare le fonti idriche sotterranee, causando preoccupazioni per il pubblico in generale.
Vincoli delle risorse di lavoro
L'offerta di lavoro per l'agricoltura è generalmente bassa e insufficiente, poiché sempre più giovani lavoratori si trasferiscono nelle città per guadagnarsi da vivere, portando a una carenza di risorse di manodopera agricola nelle aree rurali. Le attuali politiche del governo per incentivare la disponibilità degli agricoltori a coltivare terreni agricoli non sono favorevoli allo sviluppo della comunità rurale, il che aggrava la carenza di manodopera rurale. Inoltre, l'azienda agricola familiare come unità agricola indipendente rimane la modalità principale di gestione dell'azienda agricola e le attuali politiche governative sulla proprietà della terra possono vietare agli agricoltori di acquistare e vendere terreni, il che potrebbe limitare lo sviluppo esteso dei sistemi di coltivazione delle strutture. Inoltre, i livelli di istruzione nel nord-ovest sono generalmente inferiori a quelli delle regioni centrali e orientali. Il governo centrale ha implementato politiche di istruzione obbligatoria per l'intero paese, ma molte persone nel nord-ovest non sono in grado di completare 9 anni di istruzione. Tutto quanto sopra può creare un ambiente sfavorevole per l'offerta di manodopera rurale, che potrebbe ostacolare l'ampio sviluppo dei sistemi di strutture del territorio del Gobi.
Sostenibilità economica
Con il miglioramento del tenore di vita, i consumatori richiedono una gamma di prodotti freschi di alta qualità e valore nutritivo. C'è una vasta popolazione minoritaria (principalmente con identità Hui e Dongxiang) nel nord-ovest con un'abitudine alimentare a predominanza vegetale, che richiede prodotti diversi per soddisfare le proprie esigenze. Questo crea opportunità per nuovi mercati con nuovi prodotti. Tuttavia, il mercato dei prodotti freschi forniti dai sistemi di coltivazione della terra del Gobi potrebbe facilmente saturarsi perché la popolazione delle sei province nord-occidentali rappresenta solo il 6.6% del paese's totale, con un reddito disponibile pro capite estremamente basso. Nel 2012, il PIL pro capite nelle sei province nord-occidentali era in media di 26,733 Yuan (equivalente a $ 4100 USD), il 31% in meno rispetto al paese's media. Un reddito basso con pochi consumatori può limitare lo sviluppo di nuovi mercati nelle aree locali e comportare rischi significativi per la sostenibilità economica nel lungo periodo. Sono necessari studi per indagare su quanto sostenibile potrebbe essere questo sistema e cosa si può fare per garantirne la sostenibilità economica a lungo termine. Ci rendiamo conto che esiste un enorme potenziale per commercializzare prodotti freschi nelle regioni centrali e orientali altamente popolate del paese. Suggeriamo che le priorità per l'espansione del mercato si concentrino su: (i) stabilire i cosiddetti "catena del drago" logistica di marketing che collega "coltivazione-grossisti-rivenditori-consumatori" in una catena del valore; (ii) miglioramento dei sistemi di trasporto interregionali specifici per la circolazione dei prodotti agricoli; e (iii) lo sviluppo di meccanismi per il controllo della qualità, l'assicurazione sulla sicurezza e l'equità dei prezzi.
Qualità e salute del prodotto
Le concentrazioni di metalli pesanti sono più elevate in alcuni terreni delle strutture rispetto ai campi aperti. I prodotti coltivati in struttura a volte contengono quozienti di rischio target più elevati di metalli pesanti rispetto alle verdure in pieno campo (Chen et al. 2016), in parte perché i rifiuti umani e altri materiali di scarto sono incorporati nei substrati. In alcune strutture, fertilizzanti sintetici eccessivi fino a 670 kg N ha 1, insieme a 1230 kg N ha 1 da materiali organici come i concimi, sono utilizzati annualmente per la produzione di ortaggi (Gao et al. 2012). Inoltre, il film plastico utilizzato per il tetto e la copertura del suolo nelle unità di coltivazione è spesso associato agli esteri degli acidi ftalici che vengono aggiunti durante la produzione del film plastico. Potrebbero esserci rischi per la salute a lungo termine per i coltivatori esposti all'inquinante (Ma et al. 2015; Wang et al. 2015; Zhang et al. 2015). I livelli di ftalati nei suoli cinesi sono generalmente nella fascia alta della gamma globale (Lu et al. 2018), e le colture in strutture fortemente plastificate possono contenere livelli elevati di ftalati (Chen et al. 2016; Ma et al. 2015; Zhang et al. 2015). L'esposizione dei lavoratori agli ftalati può comportare rischi per la salute (Lu et al. 2018). La ricerca è necessaria per sviluppare approcci efficaci per ridurre al minimo le concentrazioni di ftalati nei prodotti agricoli. Il rischio di tracce di ftalati per la salute umana può essere nullo o minimo, ma deve essere confermato. I livelli di soglia delle concentrazioni di metalli pesanti devono essere specificati nei prodotti finali. Potrebbe essere necessario sviluppare alcuni sofisticati metodi di biorisanamento per la bonifica del suolo da un elevato inquinamento da metalli per ridurre al minimo l'effetto della potenziale concentrazione di metalli pesanti.
Stabilire politiche per lo sviluppo sostenibile nei sistemi territoriali del Gobi
I sistemi di coltivazione delle strutture a grappolo si sono sviluppati rapidamente nella Cina nordoccidentale. Nel giugno 2017, circa 3000 ettari di terreno del Gobi erano coltivati solo nella provincia di Gansu. Questa zona ha vantaggi geografici per la verdura produzione, comprese lunghe ore di sole, grandi differenze di temperatura tra il giorno e la notte e cielo sereno con poco o nessun inquinamento atmosferico. I sistemi di coltivazione delle strutture sono considerati a "Miracolo della terra del Gobi" per la Cina's sviluppo socioeconomico. Raccomandiamo le seguenti priorità di definizione delle politiche per garantire uno sviluppo sano del sistema con stabilità a lungo termine.
Equilibrio tra esplorazione e protezione
Suggeriamo di sviluppare politiche che si concentrino su "proteggere l'ambiente ecologico esplorando la terra ritrovata," il che significa che lo sviluppo dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi non dovrebbe avere impatti ambientali negativi. La politica dovrebbe dettagliare come rafforzare la produttività del sistema promuovendo la sostenibilità ecologica. crediti ambientali, "assicurazione verde," ed "acquisti verdi" dovrebbero essere considerati e inclusi nella valutazione della sostenibilità del sistema. Sono inoltre necessarie politiche per l'uso di fertilizzanti chimici, metalli pesanti e sostanze nocive, pesticidi ad alto residuo e riciclaggio di film plastici, tra gli altri. Dovrebbero essere stabilite alcune politiche specifiche per affrontare le questioni locali chiave. Ad esempio, le strutture di riserva idrica dovrebbero essere costruite insieme alle unità di coltivazione delle strutture all'estremità occidentale del corridoio Hexi, dove il trasporto dell'acqua attualmente disponibile a canale aperto per irrigare le unità di coltivazione comporta rischi significativi di perdita d'acqua durante il trasporto e l'irrigazione.
Sviluppare misure sistematiche per l'uso dell'acqua e il risparmio idrico
Per sfruttare appieno l'abbondante terra del Gobi nella Cina nordoccidentale, dovrebbe essere in atto una politica rigorosa e pragmatica sull'uso dell'acqua. Le priorità a breve termine includono: (i) leggi sulla protezione delle risorse idriche per "misurazione dell'acqua,""controllo della perforazione dell'acqua," ed "autorità di torrenti e sorgenti" con regolamenti dettagliati su diritti d'acqua, quote, tariffe e controllo di qualità; (ii) costruzione di strutture per la raccolta e lo stoccaggio dell'acqua piovana utilizzando la tecnologia di stoccaggio delle cantine di raccolta, l'uso ottimizzato delle risorse idriche superficiali, l'esplorazione pianificata delle acque sotterranee e l'implementazione di un sistema di autorizzazione all'assunzione di acqua; (iii) rafforzare le responsabilità delle agenzie amministrative a tutti i livelli per controllare l'allocazione dell'acqua, eliminare gli sprechi d'acqua e promuovere un uso razionale delle risorse idriche; (iv) sviluppo di sistemi agricoli per il risparmio idrico, compreso il passaggio dall'irrigazione per inondazione o a solco all'irrigazione a goccia sotterranea, l'uso di pacciame per ridurre l'evaporazione e il miglioramento dei sistemi di canali di irrigazione dei campi; e (v) a lungo termine, la promozione dell'allevamento di cultivar resistenti alla siccità, la riforma dei sistemi di allevamento e il miglioramento delle infrastrutture per la costruzione di strutture.
Rafforzare l'innovazione agro-tecnologica
La tecnologia gioca un ruolo vitale nello sviluppo sostenibile dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi; in quanto tale, una politica tecnologica dovrebbe comprendere: (i) la costruzione di centri regionali di innovazione e stazioni di prova, l'istituzione di "finanziamento target" specifico per i sistemi di coltivazione della terra del Gobi per affrontare questioni urgenti e maggiori investimenti in piattaforme di ricerca/dimostrazione e innovazione tecnologica; (ii) sviluppo di sistemi di estensione della tecnologia - in cui le politiche del governo promuovono istituti di ricerca a tutti i livelli per realizzare la divulgazione tecnologica - e creazione di uffici tecnologici locali per svolgere servizi tecnici nelle aree rurali; (iii) adozione di misure per attrarre e trattenere i dipendenti a lavorare nella regione sottosviluppata del nord-ovest; (iv) aumentare i livelli di istruzione degli agricoltori oltre i 9 anni obbligatori, promuovere l'alfabetizzazione tecnologica nella popolazione rurale attraverso la formazione delle competenze professionali e incoraggiare una nuova generazione di agricoltori per l'attuazione di tecnologie agricole innovative; e (v) sviluppo di speciali programmi di formazione da parte di università e istituti di ricerca per il personale delle tecnologie agricole al fine di promuovere le tecnologie avanzate.
Regolare la catena alimentare
La quantità di frutta e verdura fresca prodotta in strutture raggruppate è in genere superiore a quella necessaria alle comunità rurali e urbane locali e vicine. Il trasporto tempestivo di prodotti freschi verso altri mercati nazionali ed esteri assicurerà che la produzione e la commercializzazione siano equilibrate. Sono necessarie politiche per facilitare i meccanismi di marketing e la logistica. Le cultivar dovrebbero essere allevate per soddisfare le esigenze di un'ampia gamma di mercati che coprono una vasta gamma di prodotti e gusti adatti a diversi gruppi etnici e religiosi. La politica dovrebbe supportare i mercati all'ingrosso, i punti vendita al dettaglio, la logistica della catena del freddo e i sistemi di monitoraggio delle informazioni. Potrebbe essere necessaria una politica per i sistemi di trasporto, compresa la costruzione di ferrovie principali che portano alla Cina centrale e orientale, nonché l'accesso ai canali via terra in Russia, Mongolia esterna, Asia occidentale ed Europa.
Coltiva agricoltori professionisti
Gli agricoltori sono i principali attori dello sviluppo socioeconomico rurale, ma molti giovani agricoltori si sono trasferiti nelle città per ottenere altri guadagni, lasciando i terreni agricoli spogli per anni con poca o nessuna produttività in alcune aree (Seeberg e Luo 2018; Voi 2018). È necessaria una politica che sostenga l'aumento del reddito agricolo derivante dalla produzione alimentare per incoraggiare i giovani agricoltori a rimanere nelle fattorie, il che alla fine migliorerà la stabilità socioeconomica delle comunità rurali. Un punto chiave della politica dovrebbe coltivare una nuova generazione di agricoltori con qualifiche e capacità di gestione migliorate, aiutando il potenziale passaggio da aziende agricole tradizionali, autosufficienti e su piccola scala a imprese agricole più grandi, un approccio per sviluppare l'agricoltura moderna in Cina. Potrebbe essere necessario rinnovare l'attuale politica fondiaria, consentendo agli agricoltori qualificati e professionisti di espandere le proprie aziende agricole e ottimizzare la gestione dell'azienda, ove appropriato.
Istituire un solido sistema di servizi sociali
Le comunità rurali nel nord-ovest sono state storicamente sottosviluppate rispetto alla Cina centrale e orientale. Sono necessarie politiche per stabilire sistemi di servizi sociali efficaci che si concentrino sul miglioramento dell'istruzione, della salute e dell'occupazione e sul miglioramento del tenore di vita generale. L'agricoltura è il core business delle comunità rurali. Sono necessarie politiche per incoraggiare lo sviluppo di cooperative agricole di grandi dimensioni per un uso efficace della terra e delle risorse idriche con un reddito maggiore per le famiglie di agricoltori. Per il sistema di coltivazione della terra del Gobi, è necessaria una politica per migliorare l'efficienza della produzione agricola, della trasformazione degli alimenti e della distribuzione dei prodotti nelle comunità locali e vicine. È necessaria una disposizione/distribuzione ottimizzata degli impianti di coltivazione nelle diverse eco-regioni per soddisfare le diverse esigenze dei consumatori di frutta e verdura fresca a livello regionale/locale e per esplorare le opportunità a livello internazionale. È inoltre necessaria una politica per garantire la sicurezza e la qualità dei prodotti provenienti dai sistemi delle strutture che descrivano in dettaglio lo stoccaggio, il trasporto e la circolazione dei prodotti freschi fuori stagione per ridurre al minimo il rischio di perdita di freschezza e qualità.
Conclusioni
Le risorse della terra sono centrali per l'agricoltura e intrinsecamente legate alle sfide globali per la sicurezza alimentare e il sostentamento di milioni di persone rurali. Si prevede che la popolazione mondiale raggiungerà i 9.1 miliardi entro il 2050 e la produzione alimentare nei paesi in via di sviluppo dovrà raddoppiare rispetto al livello del 2015. Le risorse della terra sono fortemente sottoposte a stress nei paesi in via di sviluppo a causa della rapida urbanizzazione che compete per la terra disponibile con l'agricoltura. La Cina ha stabilito nuovi sistemi di coltivazione delle colture sulla terra del Gobi, vale a dire "agricoltura del Gobi," che comprende un gruppo di molte (fino a centinaia) singole unità di coltivazione realizzate con materiali disponibili localmente e alimentate da energia solare. Le unità di coltivazione a forma di serra con tetto in plastica producono frutta e verdura fresca di alta qualità tutto l'anno. Stimiamo che questi sistemi copriranno circa 2.2 milioni di ettari entro il 2020, diventando una pietra miliare della produzione alimentare in Cina's storia agricola. In questa recensione, abbiamo identificato alcune caratteristiche uniche dei sistemi di coltivazione, tra cui una maggiore produttività del terreno per unità di input, un WUE migliorato e maggiori benefici ecologici e ambientali. Questo sistema di coltivazione offre eccellenti opportunità per esplorare le risorse disponibili localmente per arricchire le popolazioni rurali e garantire la redditività a lungo termine delle comunità rurali. Questo sistema deve anche affrontare sfide significative che devono essere affrontate.
Abbiamo identificato alcune questioni chiave e le corrispondenti aree prioritarie di ricerca per il breve termine (3-5 anni) che aiuterebbe a migliorare la sostenibilità di questo sistema di coltivazione unico. Suggeriamo vivamente di sviluppare politiche governative rilevanti e sistemi di servizi sociali nelle aree rurali per garantire la redditività economica e la sostenibilità eco-ambientale dei sistemi di coltivazione della terra del Gobi.
Ringraziamenti Gli autori desiderano ringraziare tutti coloro che hanno contribuito con il loro tempo e il loro impegno a partecipare a questa ricerca, e il personale del Centro di assistenza tecnica per le verdure del distretto di Suzhou, Jiuquan, e dei servizi di estensione agricola di Wuwei, Wuwei, Gansu, per aver fornito alcuni dati e le foto presentate nell'articolo.
Finanziamento Questo studio è stato finanziato congiuntamente dal "Fondo speciale statale per la ricerca agro-scientifica di interesse pubblico (concessione n. 201203001),""China Agriculture Research Systems (numero di sovvenzione CARS-23-C-07),""Fondo per progetti chiave per la scienza e la tecnologia della provincia del Gansu (numero di sovvenzione 17ZD2NA015)," ed "Fondo speciale per l'innovazione e lo sviluppo di scienza e tecnologia guidato dalla provincia del Gansu (numero di sovvenzione 2018ZX-02)."
Conformità agli standard etici
Conflitto d'interesse Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
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