Teknoloji Yeni Tarım Devriminin Öncüsü Olabilir | TÜBİTAK Bilim Genç
31/10/2019 - 18:28
İnsanların toprağı ekip biçmeyi öğrenmeleri, yerleşik hayata geçip gelişmiş uygarlıklar kurmalarına imkân sağladı. Bu devrim niteliğinde bir değişimdi. Sonraki yıllarda insanların beslenme ihtiyacını karşılamak için tarımsal verimin artırılması amacıyla farklı yöntemler geliştirildi. Artık çeşitli kimyasal maddeler (tarım ilaçları olarak bilinir) kullanılarak tarım ürünlerine zarar veren böcekler, yabani otlar, mantarlar etkisiz hâle getirilebiliyor. Ayrıca sıcaklık, nem, ışık gibi büyümeyi etkileyen faktörlerin kontrol edildiği seralarda birçok tarım ürünü neredeyse her mevsim yetiştirilebiliyor. Ancak bu yöntemler dünya nüfusunun her geçen gün artması nedeniyle gelecekte yiyecek ihtiyacını karşılamaya yetmeyebilir.
Tarım ürünlerinin ortam koşullarının kontrol edildiği tesislerde üretildiği tarım uygulamaları yapay tarım, dikey tarım ya da topraksız tarım şeklinde isimlendiriliyor. Yapay tarımda bitkiler geleneksel tarım uygulamalarındaki gibi geniş arazilerde yetiştirilmiyor. Bunun yerine bitkilerin büyümesi için gerekli koşulların (örneğin sıcaklık, ışık, su, karbondioksit, besin maddeleri) her zaman en uygun değerde tutulduğu tesisler kuruluyor. Bu sayede mevsim, hava koşulları gibi dış etkenlere bağlı olmadan tarım ürünlerinin istenilen yerde, istenilen mevsimde ve istenilen zamanda yetiştirilebileceği düşünülüyor.
Bitkiler Topraksız Büyüyebilir mi?
Bütün canlılar gibi bitkiler de temel biyolojik işlevleri yerine getirmek için enerjiye ihtiyaç duyar. Bitkiler güneş ışığını kullanarak fotosentez ile suyu ve karbondioksiti karbonhidrata dönüştürür. Daha sonra bu maddeleri solunumla yakarak enerji elde eder.
Fotosentez ve solunum süreçlerinin devam edebilmesi yani sağlıklı bir şekilde büyüyebilmeleri için bitkiler güneş ışığına, suya, karbondioksite, oksijene ve besin maddelerine ihtiyaç duyar. Bitkiler ihtiyaç duydukları besin maddelerini topraktan alır. Bu maddeler yapay olarak sağlanabilirse bitkiler topraksız da büyüyebilir.
Bitkilerin ihtiyaç duyduğu besin maddeleri önem sırasına göre üçe ayrılabilir. Bitkinin büyümesi için gerekli temel besin maddelerinden topraktan alınanları potasyum, azot ve fosfordur. Kalsiyum, magnezyum ve kükürt ise bitkilerin sağlıklı bir şekilde büyümesinde ikinci derecede önemli olan maddelerdendir. Temel ve ikinci derecede önemli besin maddelerinin yanı sıra bitkilerin yapısında az miktarda bulunsa da çinko, bakır, demir, manganez, molibden, bor gibi elementlerin bitkilerin gelişiminde önemli işlevleri vardır.
Verimli Topraklar Yerine Bitki Fabrikaları
Günümüzde bitkilerin toprak olmadan yetiştirildiği üç tür topraksız tarım yöntemi var.
Hidroponik olarak isimlendirilen sistemde tarım ürünlerinin sadece kökleri, bitkilerin ihtiyaç duyduğu besin maddelerini içeren çözeltiye (besin çözeltisi olarak isimlendirilebilir) temas eder. Bu yöntem iki şekilde uygulanabilir. Bunlardan birinde bitki köklerini desteklemek için Hindistan cevizi kabuğu lifleri, taş parçaları gibi içinde hava boşlukları bulunan materyaller kullanılır. Böylece bitkinin kökleri havayla temas edebilir. Diğer uygulamada ise gözenekli yapıda bir malzemeye ihtiyaç duyulmaz. Bitkinin köklerinin uç kısımları besin çözeltisinin içindeyken üst kısımları havayla temas eder.
Hidroponik sistemde yetiştirilen yeşil salata
Aeroponik olarak isimlendirilen sistemde toprak ya da köklerin tutunacağı bir büyüme ortamı yoktur. Bu sistemde bitki kökleri havada asılı hâldedir ve besin maddelerini içeren çözelti bitki köklerine püskürtülür. Bu yöntem, bitkinin sağlıklı bir şekilde büyümek için ihtiyaç duyduğu havaya yeterli düzeyde ulaşmasını sağlar.
Aeroponik sistemde yetiştirilen pirinç
Akuaponik olarak isimlendirilen sistemde, bitkilerin büyümek için ihtiyaç duyduğu besin maddeleri balık yetiştirme çiftliklerinde açığa çıkan atık sulardan elde edilir. Bu atık sularda bulunan amonyak balıklar üzerinde zehirli etkiye sahiptir. Atık sulardaki amonyak, azot bakterileri tarafından bitkilerin besin maddesi olarak kullanabileceği azot bileşiklerine dönüştürülür. Dolayısıyla akuaponik sistemler, bitkilerin ve balıkların iş birliği yaparak yaşamlarını birlikte devam ettirdikleri küçük ölçekli bir ekosistem gibi görev yapar. Akuaponik sistemlerde besin çözeltisinin elde edilmesi dışındaki kısımlar hidroponik sistemle benzerdir.
Akuaponik olarak isimlendirilen sisteme ait bir çizim
Topraksız Tarımda Hangi Faktörler Kontrol Ediliyor?
Besin çözeltisi, bitkilerin büyümek için ihtiyaç duyduğu besin maddelerini (örneğin azot, potasyum, fosfor, kalsiyum, magnezyum, kükürt, demir, bakır, çinko, bor) içeren sulu çözeltidir. Besin çözeltisinin içindeki besin maddelerinin oranı, yetiştirilmek istenen tarım ürünlerinin sağlıklı bir şekilde büyümesini ve gelişmesini sağlayacak ve yüksek ürün verimi elde edebilecek şekilde en uygun değerde tutulabilir.
Topraksız tarım yöntemlerinde besin çözeltisinin asitlik derecesi pH 5,8-6,8 arasında tutulur. Yani yaklaşık olarak nötrdür.
Besin çözeltisinin elektriksel iletkenliği topraksız tarım yöntemlerinde besin maddelerinin bitkiler tarafından alınmasını dolayısıyla bitkilerin büyüme verimini etkiler. Çünkü elektriksel iletkenlik bitki köklerinin çevresindeki iyonların miktarına bağlı olarak değişir. Örneğin çözeltinin elektriksel iletkenliğinin yüksek olması, besin maddelerinin bitkiler tarafından besin çözeltisinden alınmasını zorlaştırır.
Geleneksel tarımda bitkiler güneş enerjisini fotosentezle besinlere dönüştürür. Fotosentez sürecinde bitkiler dalga boyu 400-700 nanometre aralığındaki güneş ışınlarını soğurur. Bitkilerdeki ışığa duyarlı moleküller en çok kırmızı, yeşil ve mavi dalga boylarındaki ışınları soğurur. Bu nedenle topraksız tarım uygulamalarında kullanılan yapay aydınlatmalar ile güneş ışığının taklit edilmesi gerekir.
Kapalı ortamlarda gerçekleştirilen topraksız tarım yöntemlerinde yapay aydınlatmalar kullanılır. Bu amaçla floresan, HID lambalar (yüksek yoğunluklu deşarj aydınlatmalar) ve LED (ışık yayan diyotlar) aydınlatmalar tercih edilebilir. Bitkilerin sağlıklı bir şekilde büyümesi için aydınlatma kaynağının ışık yoğunluğu, dalga boyu ve frekans aralığı ile maliyeti dikkate alınarak hangi aydınlatma türünün kullanılacağı belirlenebilir. Günümüzde çoğunlukla LED aydınlatmalar tercih ediliyor.
Topraksız tarım yöntemleri, bitkinin büyümesini etkileyen faktörlerin kontrol edilebilmesi sayesinde tarım ürünlerinin geleneksel tarım yöntemlerine göre daha verimli bir şekilde yetiştirilmesine imkân sağlayabilir. Aynı zamanda bu yapay tarım sistemlerinde besin çözeltisi kontrollü bir şekilde bitkilere verildiği ve sistem içinde sürekli olarak dolaşımı sağlandığı için harcanan su miktarı geleneksel tarım yöntemlerine kıyasla çok daha düşüktür. Ayrıca yapay tarım sistemleri kapalı ortamlarda gerçekleştirildiğinden zararlı organizmaların ortama girişi sınırlıdır. Bu nedenle tarım ilaçlarının kullanılmasına ihtiyaç duyulmaz.
Ancak besin çözeltisinin hazırlanması, sistem içinde sürekli olarak dolaşımının sağlanması, ortamın sıcaklığının istenilen değerde tutulması ve yapay aydınlatma sistemleri için enerjiye ihtiyaç vardır. Bu da yapay tarım uygulamalarında enerji tüketiminin fazla olmasına neden olur.
University of Arizona - NASA’nın uzun süreli Ay ve Mars görevlerinde astronotların bitki yetiştirebilmesi amacıyla geliştirilen yaşam destek ünitelerinde hidroponik sistemler kullanılıyor.
Özellikle şehirleşmiş bölgelerde tarım için uygun, geniş ve verimli araziler çoğunlukla bulunmuyor. Bu durumda tarım yapılan bölgelerden insan nüfusunun yoğun olduğu şehirlere tarım ürünlerinin nakledilmesi gerekiyor. Ayrıca tarım ilaçlarının kalıntılarının canlılar ve çevre üzerinde birçok olumsuz etkisi var. Yeni teknolojiler sayesinde sürdürülebilir, çevreci ve doğal kaynakların verimli kullanılmasını sağlayan yenilikçi tarım uygulamaları ile bu sorunlara çözüm bulmak mümkün olabilir.
Pradhan, B. ve Deo, B., “Soilless farming – the next generation green revolution”, Current Science, Cilt 116, Sayı 5, s. 728-732, 2019.
Darko, E. ve ark., “Photosynthesis under artificial light: the shift in primary and secondary metabolism”, Philosophical Transactions of the Royal Society B, Cilt 369, Sayı, 1640, Makale no: 20130243, 2014.
Pennisi, G. ve ark., “Unraveling the Role of Red:Blue LED Lights on Resource Use Efficiency and Nutritional Properties of Indoor Grown Sweet Basil”, Frontiers in Plant Science, Cilt 10, Makale no: 305, 2019.