國外城市垂直農場技術對我國城市立體農場設計的啟示

方質冰 賈劍飛 柳敬景 張雯潔

摘要：垂直農場已成為現代農業技術中關注的焦點，2015年在英國舉行的世界園藝年會就是以垂直農場為主題。首先，它定了園藝領域的重要發展方向，即從原始平面擴展到空間的趨勢。在種植方面，垂直農場和垂直農業充分利用了光線;在耕地方面，它們充分利用樓層之間的空間，如同平房和高層建筑一樣，創造了更多的生產和生活空間。當前農田的減少人口持續增加，城市化進程是人類發展的趨勢，在人口稠密的城市附近如何實現農產品供應，這個問題在垂直農業技術與垂直農場中找到了答案，此外，這類高度集約化的生產模式，可以同時也實現了工業機械的省力產業化，同時也順應了行業的未來趨勢，因此垂直農場和垂直農業將成為二十一世紀現代化農業革命的重要發展方向。

關鍵詞：垂直農場;空間;城鎮化;人口密集

0引言

城市垂直農場是現代農業的最新理念，是未來農業的發展方向。它是解決人類環境污染，解決人類資源特別是上地資源不足，解決現代城市可持續發展的新途徑。城市垂直農場概要問題的提出，即農業引起的全球環境變化預測：下一個50年，可能是農業擴展的最后時期，那時全球人口數量將會增長50%，人口增長對于食物的需求將會是全球環境變化的主要驅動力，所以未來將有9～10公頃自然生態用地轉變為農業用地。

現代農業技術發展中最矚目的焦點——垂直農場，也是英國2015年世界園藝年會的主題。因為它不僅確定了園藝領域未來的重要發展方向，即從二維平面擴展到三維空間的變化趨勢。在種植方面，垂直農場和垂直農業充分利用了光線;在耕地方面，它們充分利用樓層之間的空間，如同平房和高層建筑一樣，創造了更多的生產和生活空間。當前農田減少、人口持續增加、城市化進程加快是人類發展的趨勢，在人口稠密的城市附近如何實現農產品供應的問題，在垂直農業技術與垂直農場中找到了答案，因此垂直農場和垂直農業將成為二十一世紀現代化農業革命的重要發展方向。

1垂直農場的現有技術以及應用

一位來自美國哥倫比亞大學的教授迪克遜·德斯帕米爾最先提出“垂直農場”這一概念的。“垂直農業”這類超前的思想，打破了人們對于農業生產封建化的罩壁，但是由于科學技術的局限，垂直農場的整體實驗不得不分塊進行，而從20世紀以來，人們對于立體化農場一直在不斷地探索中，其中涉及到的科學技術十分繁瑣和關鍵。

1.1農業種植培養技術以及應用

垂直農場不使用土壤作為交付營養素、植物根部的媒介，目前根據無土栽培和植物工廠技術，有三種主要的無土栽培技術，即水培法，霧培養法和基質培養法。植物工廠技術是通過下高精度控制的生產設施，而用于植物生長的溫度、濕度、光、CO2濃度和營養液所需的環境條件，是利用智能計算機和電子傳感系統進行控制的。

無土栽培的主要種植方式以及應用：

（1）水培法：一種或者某種特殊的“水”，為植物提供生長所需的礦物質。將每一滴無殘渣的水循環利用并施用有機肥料，這就是最為理想的水培技術。手工準備特定的解決方案要比尋找理想的“土壤”容易得多。在水培系統中，浮石通常用于固定植物的根部。浮石本身充滿小孔，這些小孔既保留水又保留一定量的空氣，對植物和農作物都有好處。

目前，應用最廣泛，最經濟的方法就是水培法，它用于農作物的栽培，還有盆栽、植物以及花卉的栽培。

（2）霧培法：通過向根部噴灑營養液，可以為植物提供所需的養分和氧氣。通常是將由泡沫塑料板制成的容器鉆入板中，然后種植植物，將其莖和葉暴露在孔的上方，并將其根部懸掛在下方空間的陰影中。每2-3分鐘將營養液噴到根部，持續幾秒鐘。營養液是可以循環使用，并且可以為根系提供足夠的氧氣。霧培法是解決所有無土栽培技術中根與水矛盾的最佳方法。由于霧化養殖設備的大型化，以及早期投資的時間和金錢成本，因此目前的霧化養殖種植方法還不能普及。由于這種技術的孵化時間短，效率高，所以實力較強的工廠會采用這種方法進行栽培。

（3）基質培養：又稱為無土栽培，是以固體基材（作為介質）固定來其中植物的根部。無機顏料，珍珠巖，巖棉，沙子和聚氨酯等是常見的基材類型。有機物包括泥炭，稻殼木炭和樹皮等。目前，營養液是通過滴灌提供給植物的。因此，通過使用基質代替土壤，可以將植物從地面移植到特定的環境中，從而實現無土栽培。它的優點是設備更簡單，生產成本更低。

植物工廠技術則是通過農作物連續生產的設施在高精度環境控制下實施的高效農業系統，它是利用智能計算機和電子傳感系統對植物生長的溫度，濕度，光照，CO2濃度和所需營養液等環境條件進行自動控制。

植物工廠有以下主要特點：首先，植物生長和發育是在計算機和各種傳感器設備監控中進行，主要是利用養分培養的解決方案技術，使其產品的數量和質量有了很大的提高。植物通常需要不同級別的潔凈栽培空間，并且可以通過使用空氣過濾器設備，在室內外進行空氣交換，來從內部和外部監視器獲取溫度、濕度和CO2濃度的數據。

1970年代開始在農業生產中逐漸使用植物工廠，并在一些國家進行了創新。1971年在丹麥建成了第一家植物工廠——綠葉菜工廠;1974年，日本建成了由計算機控制的花卉和蔬菜的植物。該植物工廠是由兩層樓房和兩個800㎡的種植大棚構成。其農作物可以達到一年一熟甚至一年兩熟。2004年一種由嵌入式網絡環境控制的新型人造光工廠和封閉工廠，是由中國農業大學研究出來的。2016年中國福建建成了世界上最大的單一人工光植物工廠，并且實現了工廠設備的產業化經營。

1.2垂直農場的物聯網技術以及應用

由于人力的效益性在農業種植方面甚至其他方面，已經被機器遠遠超越，如果想要探究立體化的農場生產方式，物聯網技術是目前最大依靠。其中主要包括以下四種技術：

氣候控制

控制溫度、濕度、CO2水平和空氣流量，是加熱、通風和空氣調節系統的主要功能。當大氣中CO2濃度超過百萬分之四時，是最有助于農作物生長的環境。

光照

垂直農場的光照能源成本在所有預算中是最大的。許多垂直農場通常都使用熒光燈，因為這種燈相對其他燈更為便宜，但是由于LED燈效率更高，僅消耗60%的能量。LED的技術優勢在于能夠精確控制其光線并將其放置在植物附近，以保證作物有最佳的光吸收量。

例如，日本的Mirai植物工廠內部一共使用了17，500盞LED燈，據稱，其照明的新系統能將能耗降低40%，將其產量提高50%。而從長遠來看，OLED更加高效，它先進的采用有機化合物來發光。

監測和控制

由于垂直農業是內部相對封閉的環境，因此農民采取嚴格措施消除蟲害、花粉或病毒。其實同樣的預防措施也適用于人類。比如進入Mirai的“綠色房間”之前，工人們必須先洗澡，然后換上無菌的工作服才能進入工作。

只有嚴格的監測和控制才可以產生最好的效果，因此垂直農場不再需要使用農藥、除草劑或殺真菌劑。每一次的收獲可以控制在18天之內完成，是傳統農場收獲的一半時間。直作物含有比常規作物更多的維生素和礦物質。正如Mirai工廠聲稱，其生菜中的單胡蘿卜素含量是正常生菜的10倍以上，而維生素c、鈣和鎂的含量是正常生菜的兩倍等。

大數據分析

在傳統農業生產過程中，數據分析能為農民提供有關作物生長的現有以及歷史數據。直接通過儀器設備或間接通過衛星和GPS跟蹤系統來獲得相關信息。數據指標包括土壤質量和濕度、雨量、化肥和農藥的使用和作物產量。

最先進的垂直農場可以將數據收集和分析視為其業務模型的關鍵要素，并雇用了許多數據科學家和植物學相關的專家。例如，航空農場在一個生長周期內對收集的數據進行了10，000多次測量。Mirai工廠能夠使用這些數據來提高農作物的產量和質量，同時也能降低成本并為垂直農場提供優于傳統農場的競爭優勢。

現代農業的最新概念和發展方向將會是城市垂直農場為核心的發展模式。垂直農場有以下優點：

1、占用地表面積少;

2、便于管理;

3、病蟲害易于發現;

4、單位地表產能更高;

5、可以24小時不間斷生產;

6、農業生產的機械自動化控制;

7、農作物的改進和優化使作物對高收益和小型化的方向發展，從而不斷適應結構（承載力）和高層建筑的生長環境;

8、凈化城市大氣的作用;

9、能將更多的耕地面積，用來種植高大的喬木。

實際上隨著城市人口的爆炸式增長，越來越多的國家開始研究垂直農場。這不僅僅是簡單的種植，更意味著全新的生活方式。聽上去很動人，可是在多層高樓里光線不足、空間高度不足，植物如何生長呢？世界各國各地便有著各不相同的種植模式。

像新加坡的傳統祖傳宅邸一樣，新加坡Sky Green的封閉式垂直菜園采用雨水收集灌溉，以最大程度地節省灌溉能源。同時多層垂直的種植框架可以生產多10倍以上的蔬菜，而組合式的框架配置，可以隨意變換蔬菜種植種類，空間問題得到完美解決。

就算沒有陽光和泥土，科學家們也可以通過智能化環控系統，讓蘑菇等蔬菜在無菌的環境下生長。將地下車庫等閑置空間變成了蘑菇的天堂，其實就是通過模擬生態環境、智能控制機械和其他生產環境，讓真菌得以生長繁殖。

Sky Green農場作為全球最大的垂直LED照明農場之一。每個溫度控制室都配備了7000個由專門開發的Green Power LED生產模塊，具有不同的光譜組合類型。在此基礎上，這個模塊也可以提供最佳的光質量，光強度，光持續時間，光均勻性和光位置的組合。這些光照配方可以作用于特定的植物生長，以實現最佳的作物產量和品質。

魚菜的共生系統，魚類需要蔬菜光合作用所產生的氧氣;而蔬菜的生長需要魚的排泄物為其提供了所需的生長營養。雖然這一理念在國內方興未艾，但在國外卻已如火如荼。如美國，已有許多公司建立起商業化的屋頂農場，例如Gotham Greens、Bright Farms和BrooklynGrange。

在傳統農業社會中，土地被不計后果的開墾，森林和草地的平衡被這種方式打破。當水資源被過度使用的同時，我們向土地尋求最為經濟的耕種方式，從而使土地資源慢慢的枯竭，最后也變得貧瘠。為了獲取足夠的物資，人們向草地、山林開始了無休止的開墾，漸漸的土地開始荒漠化。為了追求更高效的耕作方式，改善城市生態環境，將土地從水平上的探索轉變為垂直方向上的探索，并運用現代科技，將能量進行循環利用，有效解決了食物及環境問題。

垂直農場和表皮農業建筑目前被主要分為兩大類，是因為這一領域發展的時間較短，理論和實踐成果也十分有限。表皮農業建筑是垂直農場的初級形式，或者說是一種探索模式。而現階段，垂直農場的數量遠低于表皮農業建筑，其中很重要的原因是技術的效率還存在很大問題。

綠色平屋頂在1960年代在歐洲流行，尤其是瑞士和德國。在20年代80年代，里塞克等人出版了許多書籍和報告。在此之后，也開始出現了將農業與垂直綠化或屋頂花園相結合的概念思潮。垂直農場的概念在表皮農業建筑之后，由美國的Dickson Despomere教授提出。糧食安全和生態環境成為主要的考慮對象。垂直農場有機的處理城市有機廢物和廢水并能夠從中獲取可再生能源。

表皮農業建筑在西方國家中發展的比較全面，尤其是在歐洲和北美洲。在歐洲，由于陽光溫和，一些國家利用陽臺或者屋頂種植來獲得食物。而屋頂種植更是在北美洲成為了一種主要種植實踐的方式。在2004年，蒙特利爾市為解決貧困人口缺乏糧食難題，開始探索屋頂種植的農業生產模式，這也就是早期的表皮農業建筑。除屋頂種植技術之外，在加拿大國際發展研究中心的支持下，向南美洲學習引進了一些水培技術，在土地稀缺、糧食缺口巨大的蒙特利爾市投入使用，有效緩解了貧困人口糧食不足的困境。

除了北美洲之外，屋頂種植技術同樣在南美洲和非洲普及，《都市農業雜志》在2008年9月份的報道中介紹了簡易水培技術以及表皮農業建筑技術，人們所關注的不是怎樣有效的提高公頃產量的問題，而關注的是怎樣在非傳統的土地中產出少量的食物。而在這個過程中，各個國家的建筑師也開始研究有關于表皮農業建筑的技術問題、空間問題以及母體建筑功能問題等。

隨著農業表皮建筑的發展日趨成熟，建筑師、工程師和研究人員開始立足于難度更大的垂直農場的建設。自Dixon Despermeer教授于1999年在公開演講中首次提出垂直農業話題，并于2007年首次正式提出該概念以來，人們一直在努力尋找如何構建既經濟又高效的垂直農業的方法。

根據聯合國糧食及農業組織的預測，2030年世界人口將達到85億，2050年將達到97億。據估計，全球糧食產量必須增長70%。隨著城市化進程的不斷加快，外國權威媒體指出，面對城市人口激增和土地日益短缺，糧食和蔬菜已成為世界主要城市后城市化時代面臨的問題。因此，為解決人口如此眾多人口的糧食問題，在摩天大樓上建設種植糧食和蔬菜的垂直農場顯得更為緊迫。

垂直農場的高效性以及解決了城市化過后的糧食問題，并且同時具有安全性以及持續盈利的特點，垂直農場和表皮農業建筑項目得到了資本家的青睞。到目前為止，已有垂直農場建成：

·斯肯索普的農場使用的LED燈相當于38座埃菲爾鐵塔。5120㎡的工廠被它們的粉紅色光芒所照亮，相當于26個網球場。沒有大片農田，收割機和拖拉機等，農場上只有幾個工人，他們只需要監視和調整數據。

·AeroFarms是世界上最大的垂直農場，位于美國新澤西州紐瓦克。該工廠占地6，500㎡，據說每年可生產900000公斤食品，比室外農田多75%，而用水少95%。

·迪拜正在建設世界上最大的垂直農場，該農場建成后將占地18.11畝，產生卻相當于5463.2畝的農田。

非營利性美國垂直農業協會成員、美國農業綜合企業咨詢公司的創始人亨利·戈登·史密斯表示，第一步是證明消費者需要這些室內種植的產品。他還透露，由于需求不足，許多垂直農場甚至無法全年生產。根據農業綜合企業的數據，美國和日本的大量垂直農場在2016年至2017年之間停業，導致這一結局有許多原因，但最終無法盈利。中國有些人也在不斷嘗試中，根據中國城市化進程的發展，垂直農場在中國也許需要5到10年的時間才能有所發展與突破。

縱向農業更加重視生產力，這不僅可以解決未來的糧食短缺問題，而且可以改變人們獲取食物和處置廢物的方式。它不僅有效解決了農作物儲存和運輸的問題，同時也降低了能耗成本和對環境的污染。大規模的集中生產模式促進了有機廢物的回收、城市污水的處理以及新能源的生產和利用。

結論

如果垂直農場能夠發展起來，那么在那些由于人類耕種或放牧而被破壞的生態系統的區域將得到喘息和恢復，重新生長的森林將能吸收消耗更多的二氧化碳，從而扭轉了目前全球溫室效應惡化的趨勢。

正如臺灣作家吳明義所說的那樣，學習如何在不侵犯其他物種權利的情況下自給自足是垂直農業中最迷人的部分。只有朝這個方向思考，我們才能擁有一個生機盎然的城市。

參考文獻

[1] 浙江省農業廳. 農業基礎知識[M]. 浙江科學技術出版社， 2001.

[2] 王輝. 農學概論[M]. 中國礦業大學出版社， 2009.

[3] 農業部農民科技教育培訓中心，北京農業職業學院. 現代農業科學新技術200問[J]. 中國農業大學出版社， 2008.

[4] 王璞. 農作物概論[M]. 中國農業大學出版社，2004.

[5] 沈其榮. 土壤肥料學通論[M]. 高等教育出版社.2008.

收稿日期：2021-11-01

基金項目：2019年寧波工程學院校級科研項目?項目編號：2019052

通信作者：張雯潔（1978—）， 女， 浙江寧波人， 高級工程師， 碩士， 主要從事生態城市與建筑設計教學研究.