建在城市高樓中的垂直農(nóng)場(chǎng)

陳軼翔/編譯

SPREAD垂直農(nóng)場(chǎng)在托盤里種植生菜

● 隨著世界城市人口的越來越多，要解決他們的吃飯問題，或意味著需要在城市里建立垂直種植的多層立體農(nóng)場(chǎng)。

在西班牙北部一個(gè)名叫阿雷尼利亞斯的村莊里，藝術(shù)家馬里亞諾·L·赫拉斯（Mariano L.Heras）在一塊土地上種植著一些足夠維持自己生存的農(nóng)作物。因?yàn)椴皇褂棉r(nóng)藥，經(jīng)常會(huì)有一些小動(dòng)物不請(qǐng)自來地吃他種植的土豆、南瓜和番茄等。赫拉斯認(rèn)為，這是一種循環(huán)回收的方式，也是理應(yīng)為這種可持續(xù)的生活方式支付的合理賬單。

到本世紀(jì)中葉，世界人口預(yù)計(jì)將達(dá)到90億，其中80%的人口或?qū)⒕幼≡诔菂^(qū)中。然而，這90億人并非都能像埃拉斯一樣，開拓自己的一片小天地，過著自給自足的農(nóng)耕生活。不過，要養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)的城市人口，我們必須在城市邊緣或中心城區(qū)種植農(nóng)作物。

傳統(tǒng)的工業(yè)化農(nóng)耕不僅使世界有限的耕地負(fù)擔(dān)過重，而且能源和運(yùn)輸成本很高。一個(gè)頗具建設(shè)性的解決方案就是在城市的高層建筑內(nèi)種植農(nóng)作物。在受控環(huán)境中種植果蔬并非什么新鮮事情，但在城市中發(fā)展大規(guī)模的室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)，則是一項(xiàng)有著崇高目標(biāo)的全新技術(shù)。

建立垂直農(nóng)場(chǎng)

哥倫比亞大學(xué)環(huán)境健康科學(xué)系教授迪克森·德波米耶（Dickson Despommier）在 2010年發(fā)表的關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)概念的最新闡釋是緣于幾十年前的屋頂農(nóng)業(yè)，即在城市的屋頂上種植各種作物。受此啟發(fā)，德波米耶和他的學(xué)生想到了將農(nóng)業(yè)移入室內(nèi)的想法。

愿景是在一個(gè)街區(qū)建立一個(gè)有三十層的室內(nèi)立體農(nóng)場(chǎng)，能夠?yàn)槲迦f人提供農(nóng)作物：上層種植水培作物，即富含營(yíng)養(yǎng)的水域而不是土壤；下層飼養(yǎng)雞和魚，以作物的廢料為飼料；再通過可再生能源提供的光和熱，包括從動(dòng)物糞便和城市污水中提取氮或其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。利用廢棄的倉(cāng)庫(kù)建立這種室內(nèi)立體農(nóng)場(chǎng)，幾乎不怎么需要進(jìn)行整修，而且可為當(dāng)?shù)貏?chuàng)造數(shù)十個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)。

垂直農(nóng)場(chǎng)的潛在優(yōu)勢(shì)包括：恢復(fù)退化的土地功能；減少農(nóng)業(yè)徑流；循環(huán)利用廢棄物；作物生產(chǎn)不受風(fēng)暴、干旱和其他自然災(zāi)害的影響。另外，城市垂直農(nóng)場(chǎng)還可以減少運(yùn)輸作物過程中的碳排放。

2011年3月，發(fā)生在日本東北部由海嘯引發(fā)的福島核災(zāi)難后，當(dāng)?shù)氐牟糠洲r(nóng)產(chǎn)品受到了放射性污染，農(nóng)業(yè)面臨的壓力進(jìn)一步加劇。為了應(yīng)對(duì)這一局面，日本政府鼓勵(lì)那些參與垂直農(nóng)場(chǎng)（當(dāng)時(shí)規(guī)模較小）建設(shè)的人士積極拓展規(guī)模，勇于創(chuàng)新。總部設(shè)在京都的SPREAD農(nóng)場(chǎng)的松本直樹說：“日本大約有140家種植工廠，而且這一數(shù)量正在增加。”

利用無土栽培技術(shù)和照明網(wǎng)絡(luò)，可以平衡LED（發(fā)光二級(jí)管）的光源，將植物暴露于更多的二氧化碳中以促進(jìn)其光合作用。一個(gè)建在一棟四層建筑物里的SPREAD蔬菜農(nóng)場(chǎng)，面積為3萬平方英尺，可以提供5.7萬平方英尺的作物生長(zhǎng)環(huán)境。這種在環(huán)境控制技術(shù)下生長(zhǎng)的蔬菜，不僅不會(huì)受到天氣、氣候或污染物的威脅，同時(shí)還增加了蔬菜生長(zhǎng)的收益率。

繼德波米耶關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)概念的最新闡釋后，韓國(guó)于2011年建立了室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)，并在其中進(jìn)行照明、供給機(jī)制及種子發(fā)育能力等方面的試驗(yàn)。韓國(guó)農(nóng)村發(fā)展局位于水原市的室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)建在一棟三層高的建筑內(nèi)，目標(biāo)是開發(fā)出最佳的栽培方法，可以在市場(chǎng)上參與競(jìng)爭(zhēng)，并在能源消耗方面逐步實(shí)現(xiàn)自給自足。

垂直農(nóng)場(chǎng)的一個(gè)關(guān)鍵性因素是其獨(dú)立于室外光線和氣候條件。盡管室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)所面臨的挑戰(zhàn)包括照明機(jī)制、水循環(huán)利用和能源效率。但這些問題都是可以解決的。環(huán)控農(nóng)業(yè)的發(fā)展使得垂直農(nóng)場(chǎng)的建立是可行的或有利可圖，上述的實(shí)例就是一個(gè)證明。

嘗試不同光照

綠色精神農(nóng)場(chǎng)的Ω形花園系統(tǒng)，內(nèi)有一個(gè)作物生長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)圓筒，所有的植物都圍繞著一個(gè)中央光源

在密歇根州新布法羅市的綠色精神農(nóng)場(chǎng)，有作物生長(zhǎng)的“旋轉(zhuǎn)垂直生長(zhǎng)站”（RVGS）和“垂直生長(zhǎng)站”(VGS)，前者可以在36平方英尺的空間里栽培540棵有花植物，后者（即一個(gè)經(jīng)過改良的托盤系統(tǒng)）在同樣的空間里可以栽培1013棵多葉作物。RVGS如同一個(gè)Ω形花園，其圓筒內(nèi)所栽培的作物，都圍繞著一個(gè)中央光源旋轉(zhuǎn)。而作物生長(zhǎng)在巖棉立方體里，其營(yíng)養(yǎng)由一種礦物溶液供給，用水量少于其他的水培系統(tǒng)。

在嘗試過不同的光源，綠色精神農(nóng)場(chǎng)創(chuàng)建者米蘭·科庫(kù)克（Milan Kluko）和丹·科庫(kù)克（Dan Kluko）父子倆，選擇了200瓦的電磁感應(yīng)燈，即利用一個(gè)電磁鐵激發(fā)氬氣作為光源。“我們?cè)囍鴮⒛芰肯慕档阶畹汀！泵滋m說。一個(gè)高度為四層的VGS，每層耗電量800瓦（耗電量為3200瓦），一個(gè)六個(gè)單位的VGS耗電量為1200瓦。電磁感應(yīng)燈可以提供全光譜光源以模擬陽(yáng)光，可操作最高溫度為華氏130度，不需要冷卻管，也不會(huì)受到相關(guān)折射問題的影響。一個(gè)電磁感應(yīng)燈可以持續(xù)使用八年。

“我們不會(huì)全天候不間斷地為作物提供光源，”科庫(kù)克說，“每天休息6到8個(gè)小時(shí)，作物會(huì)生長(zhǎng)得更好。戶外植物（白天接受光合作用）晚上也在生長(zhǎng)。作物的光合作用從白天開啟到夜間關(guān)閉，中間有兩個(gè)小時(shí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。”通過一組紅色或綠色LED燈模擬晨光，將作物從睡眠狀態(tài)中喚醒，使其進(jìn)入活躍期，綠色精神農(nóng)場(chǎng)將作物產(chǎn)量增加了20%。該農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)作完全獨(dú)立于日光，在離峰時(shí)間電價(jià)便宜時(shí)運(yùn)作。

據(jù)來自德波米耶的證據(jù)顯示，模擬日光模式將會(huì)成為種植業(yè)革命的一個(gè)熱門話題。一位德國(guó)研究人員為此提議，通過調(diào)節(jié)三燈絲的燈泡來模擬日出、中午和日落時(shí)的陽(yáng)光，而不是反復(fù)地開關(guān)，以達(dá)到節(jié)能的目的。

雖然科庫(kù)克主張使用電磁感應(yīng)燈或全光譜光源，但其他室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)很多使用的是LED燈。從物理學(xué)角度看，LED的效率有可能接近100%，但由于其能量以發(fā)熱形式被消耗掉，可實(shí)現(xiàn)的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到100%（2013年初，飛利浦照明公司將標(biāo)準(zhǔn)LED燈從原來的每瓦 50～70流明發(fā)展為每瓦 200流明）。

如果LED燈性能提高且價(jià)格下降，室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)作物的生產(chǎn)率就有望提高。基于對(duì)鹽水、硝酸鹽、氧氣、照明和其他變量的矩陣分析（從紅色到藍(lán)色的LED波長(zhǎng)組合的照明方案），荷蘭一家名為“植物實(shí)驗(yàn)室”的公司開發(fā)出的一種配方，能夠使室內(nèi)作物生產(chǎn)效率最大化。“可以把它想象成是專為初級(jí)園藝類學(xué)生安排的一組室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。”德波米耶說。即改變所有的參數(shù)來優(yōu)化作物的生長(zhǎng)與產(chǎn)量，你就會(huì)得到一個(gè)關(guān)于如何種植不同作物的配方。

芝加哥Farmed Here在托盤里栽培綠葉蔬菜

作為L(zhǎng)ED技術(shù)應(yīng)用的又一例證，美國(guó)亞利桑那大學(xué)的環(huán)控農(nóng)業(yè)研究中心，利用特定波長(zhǎng)來優(yōu)化作物的生產(chǎn)力，其中包括嫁接法。例如，將抗性砧木與另一種口感較佳的水果結(jié)合，以繁殖所需的基因。遠(yuǎn)紅外光譜（波長(zhǎng)700～800毫微米）能夠使作物伸展，其莖被拉得很長(zhǎng)，非常適于嫁接；紅光（波長(zhǎng)600～700毫微米）可以導(dǎo)致作物的莖變短，使嫁接后的植物更好地生長(zhǎng)。尋找LED波長(zhǎng)的最佳組合，即藍(lán)色與紅色的具體比例，可以使光合作用、生長(zhǎng)率或花的發(fā)育達(dá)到最佳狀態(tài)，為植物栽培創(chuàng)造新的機(jī)會(huì)。

提高作物產(chǎn)能

當(dāng)然，除了光，作物的生長(zhǎng)還需要水。“我們不需要水滋潤(rùn)土壤。”科庫(kù)克說。他列舉了加州大學(xué)戴維斯分校和亞利桑那大學(xué)的戶外農(nóng)場(chǎng)，其栽培每一棵萵苣所需用水量分別為6.5加侖和25加侖。相比之下，綠色精神農(nóng)場(chǎng)每棵僅需0.33加侖。“在一個(gè)VGS的作物生長(zhǎng)周期，我們向其注入150加侖的水即可。”在水被完全消耗之前，作物就已經(jīng)成熟了，而含有營(yíng)養(yǎng)的水則可以在系統(tǒng)中回收利用。

系統(tǒng)使用巖棉浸泡在酸堿度適宜的水中，再將種子放置于其中，經(jīng)過7～10天的培育之后，作物就在VGS中生長(zhǎng)。承載作物生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)槽一直處于循環(huán)狀態(tài)，每個(gè)VGS只需配有一個(gè)泵。系統(tǒng)會(huì)不間斷地記錄水的循環(huán)量，包括水的pH值以及溶解氧的含量。

位于芝加哥的垂直農(nóng)場(chǎng)Farmed Here建在一個(gè)三層的后工業(yè)化倉(cāng)庫(kù)里，采用了作物和羅非魚在水中共生培養(yǎng)的方式，也是一個(gè)營(yíng)養(yǎng)完全循環(huán)的系統(tǒng)。Farmed Here農(nóng)場(chǎng)將作物種植在一個(gè)堆疊的托盤里（六層），通過一系列機(jī)械泵對(duì)魚槽和托盤進(jìn)行水循環(huán)，使作物的根部保持在富含營(yíng)養(yǎng)的水霧中，減少了淡水的使用量，也減輕了上層托盤的重量。該農(nóng)場(chǎng)淡水使用量是戶外每英畝地的97%，但產(chǎn)出量卻是后者的十二倍。2013年3月，F(xiàn)armed Here農(nóng)場(chǎng)的一個(gè)新的種植場(chǎng)開始運(yùn)營(yíng)，面積達(dá)9萬平方英尺。

在綠色精神農(nóng)場(chǎng)的生長(zhǎng)空間里，每平方英尺可以種植28棵芝麻菜，而在戶外只能種植0.72棵。以芝麻菜為例，其通常有5～6個(gè)收割季，每次收割后會(huì)在7天內(nèi)重新生長(zhǎng)。而羽衣甘藍(lán)則有7～8個(gè)收割季，收割后會(huì)在6～10天內(nèi)重新生長(zhǎng)。一般而言，種植在托盤里的綠葉菜其生長(zhǎng)周期為20天左右。

目前，一時(shí)還難以對(duì)室內(nèi)農(nóng)場(chǎng)的產(chǎn)能、肥料、水、能源使用等參數(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行比較。“就像對(duì)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論進(jìn)行比較一樣！”德波米耶說，“（傳統(tǒng)）農(nóng)業(yè)并非是一個(gè)好的商業(yè)模式，你可能有50%的虧損幾率，但還是會(huì)繼續(xù)運(yùn)作。”很多環(huán)境問題，包括干旱、洪水或氣候變化等突發(fā)事件，會(huì)導(dǎo)致許多意想不到的事件的發(fā)生。

然而，室內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)被證明是較為成功的。在2012年颶風(fēng)“桑迪”登陸期間，紐約市的一家占地2000平方英尺的室內(nèi)水培農(nóng)場(chǎng)Gotham Greens依然運(yùn)作正常，而附近的布魯克林屋頂農(nóng)莊卻因此遭到了毀滅性的損失。在實(shí)際運(yùn)作中，許多垂直農(nóng)場(chǎng)基本解決了能源和產(chǎn)能的問題，并且為自己的產(chǎn)品找到了市場(chǎng)。“垂直農(nóng)場(chǎng)的成功運(yùn)作，使我們期待在未來的十年中，能夠幫助類似菲律賓那樣經(jīng)常遭遇臺(tái)風(fēng)侵襲的地區(qū)。”德波米耶說。

像其他激進(jìn)理念一樣，城市高樓垂直農(nóng)場(chǎng)是在近幾年才出現(xiàn)的新生事物，其發(fā)展過程有成功也有失敗。考慮到氣候變化和突發(fā)事件對(duì)作物產(chǎn)量的影響，現(xiàn)在正是推廣垂直農(nóng)場(chǎng)的最佳時(shí)期。盡管垂直農(nóng)場(chǎng)看似與赫拉斯的純天然農(nóng)場(chǎng)絕然不同，但最終目標(biāo)是一致的：在需要的地方生產(chǎn)需要的東西，以提升空間利用度和減少碳排放。