国外城市垂直农场技术对我国城市立体农场设计的启示
2021-01-11方质冰贾剑飞柳敬景张雯洁
方质冰 贾剑飞 柳敬景 张雯洁
摘要：垂直农场已成为现代农业技术中关注的焦点，2015年在英国举行的世界园艺年会就是以垂直农场为主题。首先，它定了园艺领域的重要发展方向，即从原始平面扩展到空间的趋势。在种植方面，垂直农场和垂直农业充分利用了光线;在耕地方面，它们充分利用楼层之间的空间，如同平房和高层建筑一样，创造了更多的生产和生活空间。当前农田的减少人口持续增加，城市化进程是人类发展的趋势，在人口稠密的城市附近如何实现农产品供应，这个问题在垂直农业技术与垂直农场中找到了答案，此外，这类高度集约化的生产模式，可以同时也实现了工业机械的省力产业化，同时也顺应了行业的未来趋势，因此垂直农场和垂直农业将成为二十一世纪现代化农业革命的重要发展方向。
关键词：垂直农场;空间;城镇化;人口密集
0引言
城市垂直农场是现代农业的最新理念，是未来农业的发展方向。它是解决人类环境污染，解决人类资源特别是上地资源不足，解决现代城市可持续发展的新途径。城市垂直农场概要问题的提出，即农业引起的全球环境变化预测：下一个50年，可能是农业扩展的最后时期，那时全球人口数量将会增长50%，人口增长对于食物的需求将会是全球环境变化的主要驱动力，所以未来将有9～10公顷自然生态用地转变为农业用地。
现代农业技术发展中最瞩目的焦点——垂直农场，也是英国2015年世界园艺年会的主题。因为它不仅确定了园艺领域未来的重要发展方向，即从二维平面扩展到三维空间的变化趋势。在种植方面，垂直农场和垂直农业充分利用了光线;在耕地方面，它们充分利用楼层之间的空间，如同平房和高层建筑一样，创造了更多的生产和生活空间。当前农田减少、人口持续增加、城市化进程加快是人类发展的趋势，在人口稠密的城市附近如何实现农产品供应的问题，在垂直农业技术与垂直农场中找到了答案，因此垂直农场和垂直农业将成为二十一世纪现代化农业革命的重要发展方向。
1垂直农场的现有技术以及应用
一位来自美国哥伦比亚大学的教授迪克逊·德斯帕米尔最先提出“垂直农场”这一概念的。“垂直农业”这类超前的思想，打破了人们对于农业生产封建化的罩壁，但是由于科学技术的局限，垂直农场的整体实验不得不分块进行，而从20世纪以来，人们对于立体化农场一直在不断地探索中，其中涉及到的科学技术十分繁琐和关键。
1.1农业种植培养技术以及应用
垂直农场不使用土壤作为交付营养素、植物根部的媒介，目前根据无土栽培和植物工厂技术，有三种主要的无土栽培技术，即水培法，雾培养法和基质培养法。植物工厂技术是通过下高精度控制的生产设施，而用于植物生长的温度、湿度、光、CO2浓度和营养液所需的环境条件，是利用智能计算机和电子传感系统进行控制的。
无土栽培的主要种植方式以及应用：
（1）水培法：一种或者某种特殊的“水”，为植物提供生长所需的矿物质。将每一滴无残渣的水循环利用并施用有机肥料，这就是最为理想的水培技术。手工准备特定的解决方案要比寻找理想的“土壤”容易得多。在水培系统中，浮石通常用于固定植物的根部。浮石本身充满小孔，这些小孔既保留水又保留一定量的空气，对植物和农作物都有好处。
目前，应用最广泛，最经济的方法就是水培法，它用于农作物的栽培，还有盆栽、植物以及花卉的栽培。
（2）雾培法：通过向根部喷洒营养液，可以为植物提供所需的养分和氧气。通常是将由泡沫塑料板制成的容器钻入板中，然后种植植物，将其茎和叶暴露在孔的上方，并将其根部悬挂在下方空间的阴影中。每2-3分钟将营养液喷到根部，持续几秒钟。营养液是可以循环使用，并且可以为根系提供足够的氧气。雾培法是解决所有无土栽培技术中根与水矛盾的最佳方法。由于雾化养殖设备的大型化，以及早期投资的时间和金钱成本，因此目前的雾化养殖种植方法还不能普及。由于这种技术的孵化时间短，效率高，所以实力较强的工厂会采用这种方法进行栽培。
（3）基质培养：又称为无土栽培，是以固体基材（作为介质）固定来其中植物的根部。无机颜料，珍珠岩，岩棉，沙子和聚氨酯等是常见的基材类型。有机物包括泥炭，稻壳木炭和树皮等。目前，营养液是通过滴灌提供给植物的。因此，通过使用基质代替土壤，可以将植物从地面移植到特定的环境中，从而实现无土栽培。它的优点是设备更简单，生产成本更低。
植物工厂技术则是通过农作物连续生产的设施在高精度环境控制下实施的高效农业系统，它是利用智能计算机和电子传感系统对植物生长的温度，湿度，光照，CO2浓度和所需营养液等环境条件进行自动控制。
植物工厂有以下主要特点：首先，植物生长和发育是在计算机和各种传感器设备监控中进行，主要是利用养分培养的解决方案技术，使其产品的数量和质量有了很大的提高。植物通常需要不同级别的洁净栽培空间，并且可以通过使用空气过滤器设备，在室内外进行空气交换，来从内部和外部监视器获取温度、湿度和CO2浓度的数据。
1970年代开始在农业生产中逐渐使用植物工厂，并在一些国家进行了创新。1971年在丹麦建成了第一家植物工厂——绿叶菜工厂;1974年，日本建成了由计算机控制的花卉和蔬菜的植物。该植物工厂是由两层楼房和两个800㎡的种植大棚构成。其农作物可以达到一年一熟甚至一年两熟。2004年一种由嵌入式网络环境控制的新型人造光工厂和封闭工厂，是由中国农业大学研究出来的。2016年中国福建建成了世界上最大的单一人工光植物工厂，并且实现了工厂设备的产业化经营。
1.2垂直农场的物联网技术以及应用
由于人力的效益性在农业种植方面甚至其他方面，已经被机器远远超越，如果想要探究立体化的农场生产方式，物联网技术是目前最大依靠。其中主要包括以下四種技术：
气候控制
控制温度、湿度、CO2水平和空气流量，是加热、通风和空气调节系统的主要功能。当大气中CO2浓度超过百万分之四时，是最有助于农作物生长的环境。
光照
垂直农场的光照能源成本在所有预算中是最大的。许多垂直农场通常都使用荧光灯，因为这种灯相对其他灯更为便宜，但是由于LED灯效率更高，仅消耗60%的能量。LED的技术优势在于能够精确控制其光线并将其放置在植物附近，以保证作物有最佳的光吸收量。
例如，日本的Mirai植物工厂内部一共使用了17，500盏LED灯，据称，其照明的新系统能将能耗降低40%，将其产量提高50%。而从长远来看，OLED更加高效，它先进的采用有机化合物来发光。
监测和控制
由于垂直农业是内部相对封闭的环境，因此农民采取严格措施消除虫害、花粉或病毒。其实同样的预防措施也适用于人类。比如进入Mirai的“绿色房间”之前，工人们必须先洗澡，然后换上无菌的工作服才能进入工作。
只有严格的监测和控制才可以产生最好的效果，因此垂直农场不再需要使用农药、除草剂或杀真菌剂。每一次的收获可以控制在18天之内完成，是传统农场收获的一半时间。直作物含有比常规作物更多的维生素和矿物质。正如Mirai工厂声称，其生菜中的单胡萝卜素含量是正常生菜的10倍以上，而维生素c、钙和镁的含量是正常生菜的两倍等。
大数据分析
在传统农业生产过程中，数据分析能为农民提供有关作物生长的现有以及历史数据。直接通过仪器设备或间接通过卫星和GPS跟踪系统来获得相关信息。数据指标包括土壤质量和湿度、雨量、化肥和农药的使用和作物产量。
最先进的垂直农场可以将数据收集和分析视为其业务模型的关键要素，并雇用了许多数据科学家和植物学相关的专家。例如，航空农场在一个生长周期内对收集的数据进行了10，000多次测量。Mirai工厂能够使用这些数据来提高农作物的产量和质量，同时也能降低成本并为垂直农场提供优于传统农场的竞争优势。
现代农业的最新概念和发展方向将会是城市垂直农场为核心的发展模式。垂直农场有以下优点：
1、占用地表面积少;
2、便于管理;
3、病虫害易于发现;
4、单位地表产能更高;
5、可以24小时不间断生产;
6、农业生产的机械自动化控制;
7、农作物的改进和优化使作物对高收益和小型化的方向发展，从而不断适应结构（承载力）和高层建筑的生长环境;
8、净化城市大气的作用;
9、能将更多的耕地面积，用来种植高大的乔木。
实际上随着城市人口的爆炸式增长，越来越多的国家开始研究垂直农场。这不仅仅是简单的种植，更意味着全新的生活方式。听上去很动人，可是在多层高楼里光线不足、空间高度不足，植物如何生长呢？世界各国各地便有着各不相同的种植模式。
像新加坡的传统祖传宅邸一样，新加坡Sky Green的封闭式垂直菜园采用雨水收集灌溉，以最大程度地节省灌溉能源。同时多层垂直的种植框架可以生产多10倍以上的蔬菜，而组合式的框架配置，可以随意变换蔬菜种植种类，空间问题得到完美解决。
就算没有阳光和泥土，科学家们也可以通过智能化环控系统，让蘑菇等蔬菜在无菌的环境下生长。将地下车库等闲置空间变成了蘑菇的天堂，其实就是通过模拟生态环境、智能控制机械和其他生产环境，让真菌得以生长繁殖。
Sky Green农场作为全球最大的垂直LED照明农场之一。每个温度控制室都配备了7000个由专门开发的Green Power LED生产模块，具有不同的光谱组合类型。在此基础上，这个模块也可以提供最佳的光质量，光强度，光持续时间，光均匀性和光位置的组合。这些光照配方可以作用于特定的植物生长，以实现最佳的作物产量和品质。
鱼菜的共生系统，鱼类需要蔬菜光合作用所产生的氧气;而蔬菜的生长需要鱼的排泄物为其提供了所需的生长营养。虽然这一理念在国内方兴未艾，但在国外却已如火如荼。如美国，已有许多公司建立起商业化的屋顶农场，例如Gotham Greens、Bright Farms和BrooklynGrange。
在传统农业社会中，土地被不计后果的开垦，森林和草地的平衡被这种方式打破。当水资源被过度使用的同时，我们向土地寻求最为经济的耕种方式，从而使土地资源慢慢的枯竭，最后也变得贫瘠。为了获取足够的物资，人们向草地、山林开始了无休止的开垦，渐渐的土地开始荒漠化。为了追求更高效的耕作方式，改善城市生态环境，将土地从水平上的探索转变为垂直方向上的探索，并运用现代科技，将能量进行循环利用，有效解决了食物及环境问题。
垂直农场和表皮农业建筑目前被主要分为两大类，是因为这一领域发展的时间较短，理论和实践成果也十分有限。表皮农业建筑是垂直农场的初级形式，或者说是一种探索模式。而现阶段，垂直农场的数量远低于表皮农业建筑，其中很重要的原因是技术的效率还存在很大问题。
绿色平屋顶在1960年代在欧洲流行，尤其是瑞士和德国。在20年代80年代，里塞克等人出版了许多书籍和报告。在此之后，也开始出现了将农业与垂直绿化或屋顶花园相结合的概念思潮。垂直农场的概念在表皮农业建筑之后，由美国的Dickson Despomere教授提出。粮食安全和生态环境成为主要的考虑对象。垂直农场有机的处理城市有机废物和废水并能够从中获取可再生能源。
表皮农业建筑在西方国家中发展的比较全面，尤其是在欧洲和北美洲。在欧洲，由于阳光温和，一些国家利用阳台或者屋顶种植来获得食物。而屋顶种植更是在北美洲成为了一种主要种植实践的方式。在2004年，蒙特利尔市为解决贫困人口缺乏粮食难题，开始探索屋顶种植的农業生产模式，这也就是早期的表皮农业建筑。除屋顶种植技术之外，在加拿大国际发展研究中心的支持下，向南美洲学习引进了一些水培技术，在土地稀缺、粮食缺口巨大的蒙特利尔市投入使用，有效缓解了贫困人口粮食不足的困境。
除了北美洲之外，屋顶种植技术同样在南美洲和非洲普及，《都市农业杂志》在2008年9月份的报道中介绍了简易水培技术以及表皮农业建筑技术，人们所关注的不是怎样有效的提高公顷产量的问题，而关注的是怎样在非传统的土地中产出少量的食物。而在这个过程中，各个国家的建筑师也开始研究有关于表皮农业建筑的技术问题、空间问题以及母体建筑功能问题等。
随着农业表皮建筑的发展日趋成熟，建筑师、工程师和研究人员开始立足于难度更大的垂直农场的建设。自Dixon Despermeer教授于1999年在公开演讲中首次提出垂直农业话题，并于2007年首次正式提出该概念以来，人们一直在努力寻找如何构建既经济又高效的垂直农业的方法。
根据联合国粮食及农业组织的预测，2030年世界人口将达到85亿，2050年将达到97亿。据估计，全球粮食产量必须增长70%。随着城市化进程的不断加快，外国权威媒体指出，面对城市人口激增和土地日益短缺，粮食和蔬菜已成为世界主要城市后城市化时代面临的问题。因此，为解决人口如此众多人口的粮食问题，在摩天大楼上建设种植粮食和蔬菜的垂直农场显得更为紧迫。
垂直农场的高效性以及解决了城市化过后的粮食问题，并且同时具有安全性以及持续盈利的特点，垂直农场和表皮农业建筑项目得到了资本家的青睐。到目前为止，已有垂直农场建成：
·斯肯索普的农场使用的LED灯相当于38座埃菲尔铁塔。5120㎡的工厂被它们的粉红色光芒所照亮，相当于26个网球场。没有大片农田，收割机和拖拉机等，农场上只有几个工人，他们只需要监视和调整数据。
·AeroFarms是世界上最大的垂直农场，位于美国新泽西州纽瓦克。该工厂占地6，500㎡，据说每年可生产900000公斤食品，比室外农田多75%，而用水少95%。
·迪拜正在建设世界上最大的垂直农场，该农场建成后将占地18.11亩，产生却相当于5463.2亩的农田。
非营利性美国垂直农业协会成员、美国农业综合企业咨询公司的创始人亨利·戈登·史密斯表示，第一步是证明消费者需要这些室内种植的产品。他还透露，由于需求不足，许多垂直农场甚至无法全年生产。根据农业综合企业的数据，美国和日本的大量垂直农场在2016年至2017年之间停业，导致这一结局有许多原因，但最终无法盈利。中国有些人也在不断尝试中，根据中国城市化进程的发展，垂直农场在中国也许需要5到10年的时间才能有所发展与突破。
纵向农业更加重视生产力，这不仅可以解决未来的粮食短缺问题，而且可以改变人们获取食物和处置废物的方式。它不仅有效解决了农作物储存和运输的问题，同时也降低了能耗成本和对环境的污染。大规模的集中生产模式促进了有机废物的回收、城市污水的处理以及新能源的生产和利用。
结论
如果垂直农场能够发展起来，那么在那些由于人类耕种或放牧而被破坏的生态系统的区域将得到喘息和恢复，重新生长的森林将能吸收消耗更多的二氧化碳，从而扭转了目前全球温室效应恶化的趋势。
正如台湾作家吴明义所说的那样，学习如何在不侵犯其他物种权利的情况下自给自足是垂直农业中最迷人的部分。只有朝这个方向思考，我们才能拥有一个生机盎然的城市。
参考文献
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[2] 王辉. 农学概论[M]. 中国矿业大学出版社， 2009.
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[4] 王璞. 农作物概论[M]. 中国农业大学出版社，2004.
[5] 沈其荣. 土壤肥料学通论[M]. 高等教育出版社.2008.
收稿日期：2021-11-01
基金项目：2019年宁波工程学院校级科研项目 项目编号：2019052
通信作者：张雯洁（1978—）， 女， 浙江宁波人， 高级工程师， 硕士， 主要从事生态城市与建筑设计教学研究.
