國外城市垂直農(nóng)場技術(shù)對我國城市立體農(nóng)場設(shè)計的啟示

方質(zhì)冰 賈劍飛 柳敬景 張雯潔

摘要：垂直農(nóng)場已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)中關(guān)注的焦點，2015年在英國舉行的世界園藝年會就是以垂直農(nóng)場為主題。首先，它定了園藝領(lǐng)域的重要發(fā)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(nóng)場和垂直農(nóng)業(yè)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(chuàng)造了更多的生產(chǎn)和生活空間。當(dāng)前農(nóng)田的減少人口持續(xù)增加，城市化進程是人類發(fā)展的趨勢，在人口稠密的城市附近如何實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)，這個問題在垂直農(nóng)業(yè)技術(shù)與垂直農(nóng)場中找到了答案，此外，這類高度集約化的生產(chǎn)模式，可以同時也實現(xiàn)了工業(yè)機械的省力產(chǎn)業(yè)化，同時也順應(yīng)了行業(yè)的未來趨勢，因此垂直農(nóng)場和垂直農(nóng)業(yè)將成為二十一世紀現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)革命的重要發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：垂直農(nóng)場;空間;城鎮(zhèn)化;人口密集

0引言

城市垂直農(nóng)場是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的最新理念，是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。它是解決人類環(huán)境污染，解決人類資源特別是上地資源不足，解決現(xiàn)代城市可持續(xù)發(fā)展的新途徑。城市垂直農(nóng)場概要問題的提出，即農(nóng)業(yè)引起的全球環(huán)境變化預(yù)測：下一個50年，可能是農(nóng)業(yè)擴展的最后時期，那時全球人口數(shù)量將會增長50%，人口增長對于食物的需求將會是全球環(huán)境變化的主要驅(qū)動力，所以未來將有9～10公頃自然生態(tài)用地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展中最矚目的焦點——垂直農(nóng)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(lǐng)域未來的重要發(fā)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(nóng)場和垂直農(nóng)業(yè)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(chuàng)造了更多的生產(chǎn)和生活空間。當(dāng)前農(nóng)田減少、人口持續(xù)增加、城市化進程加快是人類發(fā)展的趨勢，在人口稠密的城市附近如何實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)的問題，在垂直農(nóng)業(yè)技術(shù)與垂直農(nóng)場中找到了答案，因此垂直農(nóng)場和垂直農(nóng)業(yè)將成為二十一世紀現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)革命的重要發(fā)展方向。

1垂直農(nóng)場的現(xiàn)有技術(shù)以及應(yīng)用

一位來自美國哥倫比亞大學(xué)的教授迪克遜·德斯帕米爾最先提出“垂直農(nóng)場”這一概念的?！按怪鞭r(nóng)業(yè)”這類超前的思想，打破了人們對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)封建化的罩壁，但是由于科學(xué)技術(shù)的局限，垂直農(nóng)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(nóng)場一直在不斷地探索中，其中涉及到的科學(xué)技術(shù)十分繁瑣和關(guān)鍵。

1.1農(nóng)業(yè)種植培養(yǎng)技術(shù)以及應(yīng)用

垂直農(nóng)場不使用土壤作為交付營養(yǎng)素、植物根部的媒介，目前根據(jù)無土栽培和植物工廠技術(shù)，有三種主要的無土栽培技術(shù)，即水培法，霧培養(yǎng)法和基質(zhì)培養(yǎng)法。植物工廠技術(shù)是通過下高精度控制的生產(chǎn)設(shè)施，而用于植物生長的溫度、濕度、光、CO2濃度和營養(yǎng)液所需的環(huán)境條件，是利用智能計算機和電子傳感系統(tǒng)進行控制的。

無土栽培的主要種植方式以及應(yīng)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(zhì)。將每一滴無殘渣的水循環(huán)利用并施用有機肥料，這就是最為理想的水培技術(shù)。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(tǒng)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(nóng)作物都有好處。

目前，應(yīng)用最廣泛，最經(jīng)濟的方法就是水培法，它用于農(nóng)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(yǎng)液，可以為植物提供所需的養(yǎng)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(yǎng)液噴到根部，持續(xù)幾秒鐘。營養(yǎng)液是可以循環(huán)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(shù)中根與水矛盾的最佳方法。由于霧化養(yǎng)殖設(shè)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(yǎng)殖種植方法還不能普及。由于這種技術(shù)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(zhì)培養(yǎng)：又稱為無土栽培，是以固體基材（作為介質(zhì)）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(yǎng)液是通過滴灌提供給植物的。因此，通過使用基質(zhì)代替土壤，可以將植物從地面移植到特定的環(huán)境中，從而實現(xiàn)無土栽培。它的優(yōu)點是設(shè)備更簡單，生產(chǎn)成本更低。

植物工廠技術(shù)則是通過農(nóng)作物連續(xù)生產(chǎn)的設(shè)施在高精度環(huán)境控制下實施的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，它是利用智能計算機和電子傳感系統(tǒng)對植物生長的溫度，濕度，光照，CO2濃度和所需營養(yǎng)液等環(huán)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(fā)育是在計算機和各種傳感器設(shè)備監(jiān)控中進行，主要是利用養(yǎng)分培養(yǎng)的解決方案技術(shù)，使其產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)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(shè)備，在室內(nèi)外進行空氣交換，來從內(nèi)部和外部監(jiān)視器獲取溫度、濕度和CO2濃度的數(shù)據(jù)。

1970年代開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中逐漸使用植物工廠，并在一些國家進行了創(chuàng)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(gòu)成。其農(nóng)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(wǎng)絡(luò)環(huán)境控制的新型人造光工廠和封閉工廠，是由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)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(xiàn)了工廠設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營。

1.2垂直農(nóng)場的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及應(yīng)用

由于人力的效益性在農(nóng)業(yè)種植方面甚至其他方面，已經(jīng)被機器遠遠超越，如果想要探究立體化的農(nóng)場生產(chǎn)方式，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是目前最大依靠。其中主要包括以下四種技術(shù)：

氣候控制

控制溫度、濕度、CO2水平和空氣流量，是加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要功能。當(dāng)大氣中CO2濃度超過百萬分之四時，是最有助于農(nóng)作物生長的環(huán)境。

光照

垂直農(nóng)場的光照能源成本在所有預(yù)算中是最大的。許多垂直農(nóng)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(shù)優(yōu)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(nèi)部一共使用了17，500盞LED燈，據(jù)稱，其照明的新系統(tǒng)能將能耗降低40%，將其產(chǎn)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(fā)光。

監(jiān)測和控制

由于垂直農(nóng)業(yè)是內(nèi)部相對封閉的環(huán)境，因此農(nóng)民采取嚴格措施消除蟲害、花粉或病毒。其實同樣的預(yù)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(jiān)測和控制才可以產(chǎn)生最好的效果，因此垂直農(nóng)場不再需要使用農(nóng)藥、除草劑或殺真菌劑。每一次的收獲可以控制在18天之內(nèi)完成，是傳統(tǒng)農(nóng)場收獲的一半時間。直作物含有比常規(guī)作物更多的維生素和礦物質(zhì)。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(shù)據(jù)分析

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，數(shù)據(jù)分析能為農(nóng)民提供有關(guān)作物生長的現(xiàn)有以及歷史數(shù)據(jù)。直接通過儀器設(shè)備或間接通過衛(wèi)星和GPS跟蹤系統(tǒng)來獲得相關(guān)信息。數(shù)據(jù)指標包括土壤質(zhì)量和濕度、雨量、化肥和農(nóng)藥的使用和作物產(chǎn)量。

最先進的垂直農(nóng)場可以將數(shù)據(jù)收集和分析視為其業(yè)務(wù)模型的關(guān)鍵要素，并雇用了許多數(shù)據(jù)科學(xué)家和植物學(xué)相關(guān)的專家。例如，航空農(nóng)場在一個生長周期內(nèi)對收集的數(shù)據(jù)進行了10，000多次測量。Mirai工廠能夠使用這些數(shù)據(jù)來提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時也能降低成本并為垂直農(nóng)場提供優(yōu)于傳統(tǒng)農(nóng)場的競爭優(yōu)勢。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的最新概念和發(fā)展方向?qū)浅鞘写怪鞭r(nóng)場為核心的發(fā)展模式。垂直農(nóng)場有以下優(yōu)點：

1、占用地表面積少;

2、便于管理;

3、病蟲害易于發(fā)現(xiàn);

4、單位地表產(chǎn)能更高;

5、可以24小時不間斷生產(chǎn);

6、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械自動化控制;

7、農(nóng)作物的改進和優(yōu)化使作物對高收益和小型化的方向發(fā)展，從而不斷適應(yīng)結(jié)構(gòu)（承載力）和高層建筑的生長環(huán)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(nóng)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(tǒng)祖?zhèn)髡∫粯?，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(jié)省灌溉能源。同時多層垂直的種植框架可以生產(chǎn)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(xué)家們也可以通過智能化環(huán)控系統(tǒng)，讓蘑菇等蔬菜在無菌的環(huán)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(tài)環(huán)境、智能控制機械和其他生產(chǎn)環(huán)境，讓真菌得以生長繁殖。

Sky Green農(nóng)場作為全球最大的垂直LED照明農(nóng)場之一。每個溫度控制室都配備了7000個由專門開發(fā)的Green Power LED生產(chǎn)模塊，具有不同的光譜組合類型。在此基礎(chǔ)上，這個模塊也可以提供最佳的光質(zhì)量，光強度，光持續(xù)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(xiàn)最佳的作物產(chǎn)量和品質(zhì)。

魚菜的共生系統(tǒng)，魚類需要蔬菜光合作用所產(chǎn)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(yǎng)。雖然這一理念在國內(nèi)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(yè)化的屋頂農(nóng)場，例如Gotham Greens、Bright Farms和BrooklynGrange。

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)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(dāng)水資源被過度使用的同時，我們向土地尋求最為經(jīng)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(tài)環(huán)境，將土地從水平上的探索轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪狈较蛏系奶剿?，并運用現(xiàn)代科技，將能量進行循環(huán)利用，有效解決了食物及環(huán)境問題。

垂直農(nóng)場和表皮農(nóng)業(yè)建筑目前被主要分為兩大類，是因為這一領(lǐng)域發(fā)展的時間較短，理論和實踐成果也十分有限。表皮農(nóng)業(yè)建筑是垂直農(nóng)場的初級形式，或者說是一種探索模式。而現(xiàn)階段，垂直農(nóng)場的數(shù)量遠低于表皮農(nóng)業(yè)建筑，其中很重要的原因是技術(shù)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(xiàn)了將農(nóng)業(yè)與垂直綠化或屋頂花園相結(jié)合的概念思潮。垂直農(nóng)場的概念在表皮農(nóng)業(yè)建筑之后，由美國的Dickson Despomere教授提出。糧食安全和生態(tài)環(huán)境成為主要的考慮對象。垂直農(nóng)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(nóng)業(yè)建筑在西方國家中發(fā)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，這也就是早期的表皮農(nóng)業(yè)建筑。除屋頂種植技術(shù)之外，在加拿大國際發(fā)展研究中心的支持下，向南美洲學(xué)習(xí)引進了一些水培技術(shù)，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(shù)同樣在南美洲和非洲普及，《都市農(nóng)業(yè)雜志》在2008年9月份的報道中介紹了簡易水培技術(shù)以及表皮農(nóng)業(yè)建筑技術(shù)，人們所關(guān)注的不是怎樣有效的提高公頃產(chǎn)量的問題，而關(guān)注的是怎樣在非傳統(tǒng)的土地中產(chǎn)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(guān)于表皮農(nóng)業(yè)建筑的技術(shù)問題、空間問題以及母體建筑功能問題等。

隨著農(nóng)業(yè)表皮建筑的發(fā)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(nóng)場的建設(shè)。自Dixon Despermeer教授于1999年在公開演講中首次提出垂直農(nóng)業(yè)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(gòu)建既經(jīng)濟又高效的垂直農(nóng)業(yè)的方法。

根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的預(yù)測，2030年世界人口將達到85億，2050年將達到97億。據(jù)估計，全球糧食產(chǎn)量必須增長70%。隨著城市化進程的不斷加快，外國權(quán)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(shè)種植糧食和蔬菜的垂直農(nóng)場顯得更為緊迫。

垂直農(nóng)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(xù)盈利的特點，垂直農(nóng)場和表皮農(nóng)業(yè)建筑項目得到了資本家的青睞。到目前為止，已有垂直農(nóng)場建成：

·斯肯索普的農(nóng)場使用的LED燈相當(dāng)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(dāng)于26個網(wǎng)球場。沒有大片農(nóng)田，收割機和拖拉機等，農(nóng)場上只有幾個工人，他們只需要監(jiān)視和調(diào)整數(shù)據(jù)。

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

·迪拜正在建設(shè)世界上最大的垂直農(nóng)場，該農(nóng)場建成后將占地18.11畝，產(chǎn)生卻相當(dāng)于5463.2畝的農(nóng)田。

非營利性美國垂直農(nóng)業(yè)協(xié)會成員、美國農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)咨詢公司的創(chuàng)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(nèi)種植的產(chǎn)品。他還透露，由于需求不足，許多垂直農(nóng)場甚至無法全年生產(chǎn)。根據(jù)農(nóng)業(yè)綜合企業(yè)的數(shù)據(jù)，美國和日本的大量垂直農(nóng)場在2016年至2017年之間停業(yè)，導(dǎo)致這一結(jié)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(jù)中國城市化進程的發(fā)展，垂直農(nóng)場在中國也許需要5到10年的時間才能有所發(fā)展與突破。

縱向農(nóng)業(yè)更加重視生產(chǎn)力，這不僅可以解決未來的糧食短缺問題，而且可以改變?nèi)藗儷@取食物和處置廢物的方式。它不僅有效解決了農(nóng)作物儲存和運輸?shù)膯栴}，同時也降低了能耗成本和對環(huán)境的污染。大規(guī)模的集中生產(chǎn)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(chǎn)和利用。

結(jié)論

如果垂直農(nóng)場能夠發(fā)展起來，那么在那些由于人類耕種或放牧而被破壞的生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域?qū)⒌玫酱⒑突謴?fù)，重新生長的森林將能吸收消耗更多的二氧化碳，從而扭轉(zhuǎn)了目前全球溫室效應(yīng)惡化的趨勢。

正如臺灣作家吳明義所說的那樣，學(xué)習(xí)如何在不侵犯其他物種權(quán)利的情況下自給自足是垂直農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)廳. 農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)知識[M]. 浙江科學(xué)技術(shù)出版社， 2001.

[2] 王輝. 農(nóng)學(xué)概論[M]. 中國礦業(yè)大學(xué)出版社， 2009.

[3] 農(nóng)業(yè)部農(nóng)民科技教育培訓(xùn)中心，北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)新技術(shù)200問[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社， 2008.

[4] 王璞. 農(nóng)作物概論[M]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[5] 沈其榮. 土壤肥料學(xué)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(xué)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(tài)城市與建筑設(shè)計教學(xué)研究.