垂直农场将席卷中国是“商业噱头”还是“真理”？

文/朱焕焕 本刊编辑

随着人口增长和城市化进程的加快，城市用地日益紧张，再加上普遍存在的土地资源污染严重等问题，人们需要寻找新的“出口”，需要更加安全便捷的农业生产方式，需要在有限的空间内生产更多的食物，来解决庞大人口的食物来源问题，同时使目前过度使用的土地资源得以休养生息。随着环境自动控制等装备的研制[1]，农产品能够实现周年供应[2]。与此同时，将现代农业技术运用到城市建筑中形成超级集约化方案，垂直农场便应运而生[3]。

近些年来，“垂直农场”成为网络上的热词。新生的事物常常本身就是一个矛盾的共同体，自然会有不同的声音，对于垂直农场也不例外。正方认为：垂直农场是未来城市美化视觉景观、改善生态环境和保障食品供给的重要发展；反方认为：垂直农场是一个建造技术不成熟、维护成本高和综合效益低下的“怪胎”。曾经多个垂直农场建设和运行的案例为其发展带来了希望的曙光，而谷歌因实验失败放弃垂直农场项目又给垂直农场的前景带来了诸多变数。垂直农场作为一种新型的、利用垂直空间种植的发展农业生产的综合体，它在拥有空间利用、供给生产、生态环保等优势的同时也面临着诸多挑战，如成本高昂、作物单一、能源消耗大、认知度低等。垂直农场在环境破坏和城市问题日益突出的当下或许正是未来研究的方向。那么，垂直农场究竟是“商业噱头”还是“真理”？究竟是“海市蜃楼”还是“城市绿洲”？

下面将从垂直农场的概念、世界垂直农场的设计、所需装备及技术、垂直农场的争议及我国关于垂直农场的探索等方面进行介绍，以期给垂直农场的研究者及兴趣爱好者提供参考。

何为垂直农场？

垂直农场的渊源为垂直农业（Vertical Farming），其实，垂直农业已经不是全新的概念，它的耕作方法由来已久，南美土著人的垂直分层种植技术和东亚地区的水稻梯田就是最好的实例。垂直农场的雏形可以追溯到“空中花园”；“空中花园”作为世界八大奇迹之一，是人类最早利用垂直空间种植植物的典范。

垂直农场也叫立体种植农场，是把田地向多层建筑的楼层化农场发展，在人工修筑的多层建筑物里，充分利用可循环的能源和温室技术，模拟农作物的农田生长环境，进行各种高效的农业生产。

现代意义上“垂直农场”的叫法是于1915年由美国地质学家吉尔伯特·艾利斯·贝利提出，但真正引起大家注意的是1999年美国哥伦比亚大学的Dickson Despommier教授的一个课程项目[4]。课程要求学生设计一个利用5.2 hm2的楼顶花园养活5万人的农场方案，最终以Despommier提出的垂直地在每一层种植作物的建议，完成了这个被称为“纵向农场”的项目方案。他的设想是在城市里30层高度的建筑物中生产食物（包括养殖鱼类和家禽）来供给附近居民。这座构想中30层楼高的“垂直农场”，动力能源来自太阳能、风能及不可食用的植物废料，并用污水来灌溉，每年可为5万人提供足够的食物和水[5]。垂直农场通过在封闭的灌溉系统中循环用水来减少用水量，同时避免了径流造成的土肥流失；更重要的是，在吸收城市产生的二氧化碳的同时，还能减少交通运输所产生的二氧化碳；因此，都市垂直农场不只是简单的食物生产方式，还是一个与城市垃圾、回收水系统、能源系统相关联的帮助城市实现可持续发展的有效方式[6]。垂直农场的出现颠覆了人类几千年来的耕种方式，为解决人口激增与土地资源日趋短缺的矛盾及应对全球粮食危机提供了一条全新的思路。垂直农场的概念自提出后，设计方案众多，但大多停留在论证和试验阶段。

在垂直农场的定义上，学者们有不同的见解。据中环易达公司项目负责人介绍，垂直农场的严格定义：在狭义上，垂直农场是以生产为主，首先就必须满足生产所需，附加改善生态环境、旅游观光等；广义上，垂直农场就是空间的利用由平面转向立体，是“向空间要产量”，是包含科技含量的，而不是简单的“阳台农业”。现在，很多商业噱头都会将话题靠近居住问题，所以有了“垂直农场+”，学者们将其视为“垂直农业综合体”而非严格意义上的“垂直农场”。总之，垂直农场的概念会随着科技的进步而不断地被丰富。

世界垂直农场设计案例

随着人口的激增，越来越多的国家开始研究都市农业技术。由于极为有限的城市空间，很难再有多余的水平空间用于农业种植，于是人们就“脑洞大开”，设计出很多奇妙的垂直农场方案，但基本都处于设计想象阶段，距离实践还有很长的路。

世界对于垂直农场的设想从没有停止过。（1）美国：2009年5月，美国达拉斯举办了一场名为“达拉斯远景”的国际设计大赛。大赛的目的是找到一种可持续的城市建筑模式。来自葡萄牙里斯本的阿特利尔·达塔（Atelier Data）和莫夫（Moov）所设计的“推进达拉斯”方案成为获奖作品之一。在“推进达拉斯”方案中，整栋建筑就好似一座覆盖植被的小山，内部包括住宅公寓、咖啡馆、体育馆、日常护理场所以及其他公共空间。这座“小山”似的建筑其实就是一个集农业生产、能源自给、生活居住等多种功能为一体的综合城市社区（图1）。达拉斯市政官员对这个方案倍感兴趣，并最终采纳了它。美国的其他设计方案包括金字塔农场，这是一个完全自给自足的城市社区，本身产生的能量可以满足内部所有机械和照明系统所需；美国的“生态豆荚”是一个利用城市烂尾楼的方案，是将城市资源整合利用的新设想；另外，“峡谷生态合作社”也是“达拉斯远景”国际设计大赛入围作品之一，可容纳1 000位居民，并拥有可持续能力，农业生产、电力供应和水资源利用都完全可以内部解决；美国奥斯丁市“绿色工程”的方案设计有望将一个废弃的水净化工厂改造成一个充满活力的绿色社区。（2）法国：巴黎的“垂直农场”的方案设计具备了生态友好型的设计理念，被建造的像公园一样，同时满足新鲜食品的供应；而“多层城市农场”（图2）是真正地实现农业生产的方案。（3）加拿大：在由加拿大温哥华市所发起的一项设计大赛中，加拿大罗姆斯建筑事务所设计的“绿色收获城市垂直农场”（图3）一举夺冠。在设计作品中，设计目的是这栋建筑可以用来种植水果、蔬菜、草药，也可以用来养鱼、养鸡、产蛋、产奶等。整栋建筑利用太阳能、地热能和风能作为主要能源，同时还可以通过混合材料产生沼气；此外，在这个农场里还有大型的农业超市、农业研究和教育中心以及居民居住区和休闲区等。加拿大滑铁卢大学的高登·格拉夫设计了一种“空中农场”，或许可以帮助喜欢绿色的加拿大人实现在城市里作物和能源自给自足。在“空中农场”设计方案中，55层的建筑表面覆盖一层植被，这种水耕农场通过燃烧自身的农场废物进行发电，产生的能量可以满足整栋建筑50%的能源需求，而另一半的能源则来自城市废物。（4）比利时：建筑设计师文森特·卡尔博特根据蜻蜓的双翼设计了一种所谓的“蜻蜓垂直农场”（图4），这种设计方案或许可以解决食品长途运输的问题。在这栋132层的巨型建筑中，包括了28个不同的农业生产领域，可以供应水果、蔬菜、肉类、牛奶和鱼类等各种农副产品。这栋建筑还包含有多个试验区、办公区和居住区等生活空间。（5）韩国：“绿色摩天大楼”（图5）的模块化的垂直农场结构，安装在摩天大楼外部，以获得最大的种植空间[7]，这也许将成为未来城市农场发展的一个方向。（6）迪拜：“海水利用垂直农场”（图6）的圆盘形的农场设计是通过流经的海水实现冷却和补充水分，这是一个充分利用自然资源的案例。（7）中国：“城市森林塔”（图7）是一个70多层的建筑，既考虑到了城市特点又拥有了原野的气息；另外，台湾的绿色屋顶和垂直庭院也是一个真正意义上的生态友好型项目。当然，除此之外，还有很多构思奇特、形态各异、功能齐全的垂直农场设计，如英国的伦敦桥垂直农场（图8）等。

图1 美国“推进达拉斯”

图2 法国“多层城市农场”

图3 加拿大“绿色收获城市垂直农场”

图4 比利时“蜻蜓垂直农场”

垂直农场将农业生产、景观营造、产品销售、科普教育、休闲体验等多功能一体化运作，从经济生产、景观提升、环境改善、绿色购物、休闲游憩等多途径提升经营效益，构建了现代都市一抹亮丽的绿色风景。

怎样将食物种到摩天大楼里？

垂直农场是一个复杂且庞大的系统，那么怎样将食物种到摩天大楼里呢？答案是：需要科学的装备及技术。垂直农场集成技术体系主要由建筑规划技术、农业设施技术、生态修复技术、社会经济技术4个方面构成[3]。其中，建筑规划技术需要将材料、采光、节能、选址等方面进行综合考虑；农业设施技术主要涉及无土栽培、LED光源、农产品运输、农产品贮藏等，而无土栽培主要涉及滴管、水培、气培等生产技术；生态修复技术包括植物修复、污水净化、废物回收利用等。在庞大的能源供应上，农业摩天大楼整体运作包括电力供应系统、水循环系统和智能化补光系统。

图5 韩国“绿色摩天大楼”

图6 迪拜“海水利用垂直农场”

图7 中国“城市森林塔”

图8 英国“伦敦桥”

谈谈对于垂直农场的争议

垂直农场的优点

随着人口快速膨胀、城市用地扩张、土地资源污染浪费严重等问题的凸显，人们需要更加便捷安全的方式解决城市人口食物来源，并使现有过度使用的土地资源得以休养生息。垂直农场的出现为我们提供了新的思路。

垂直农场的诸多优点：第一，可以充分利用土地。立体复合栽培，将农田向空中延伸，实现空间换地，节约耕地面积，充分利用城市空间。第二，垂直农场建设在城市中，减少了运输费用和运输过程中产生的能源消耗和环境污染。第三，省却了农作物的贮藏和运输过程，城市居民可以直接吃到新鲜的农产品，缩短了供应时间，降低了食品供应链的碳排放。第四，以水培种植和生物遗传技术为基础，生产效率极高；封闭的生长环境避免了病虫草等生物侵害，不使用农药，实现了绿色农业生产。第五，垂直工厂里拥有高精度的环境控制——温度、光照、二氧化碳浓度，连营养液的含量都由电脑全自动控制，能量的植物转化率是普通农业的2～3倍[5]。第六，通过各种种植技术提高作物产量和品质。垂直农场可以使农作物在室内受控制的环境下生产，全年365 d不间断生长，基本不受天灾影响[5]。第七，内部全产业链之间实现物质循环利用，减少农业废弃物；规模化的集中生产方式，方便有机废弃物回收、城市污水处理和新能源的生产利用；调节城市的微气候，保护整个生态环境，为节能减排作出巨大贡献。

垂直农场面临的挑战

事实上，不少业内专家都表示，垂直农场很难大面积推广开来[7]。华南农业大学水利与土木工程学院讲师陈旭铭认为，垂直农场若要实现自身设定的目标，需要极高的农业发展水平，目前看来，尤其是在中国，这种水平难以达到。虽然在理论上，垂直农场无疑是一种很理想的农业和城市问题的解决方案，但是在实施的过程中，垂直农场却面临种种实际的问题，能否解决这些问题，将决定垂直农场是否只是设计师心中的“乌托邦”。

垂直农场设计本身

在Dickson despommier的描述中，1座占地只有667 m2、30层高的垂直农场，可以为5万人提供1年的食物和饮用水。如果按照正常情况下，1个人1年平均要消耗1 t的食物与饮用水，5万人1年的需求是5万t粮食，按目前粮食的6 6 7 m2产量来算，所需要的耕地面积是3 597.3 hm2。而Dickson despommier的农场建筑只有2 hm2，在建筑设计面积达到最大的情况下，种植平均667 m2产量926.6 kg的“Y两优2号”超级杂交稻，1年只能提供27.79 t粮食，仅能满足27.79人1年的粮食需要，如果要养活中国14亿人，就需要5 000万座垂直农场[8]。这时对于完全依靠垂直农场解决粮食危机的路径就要打上一个大大的问号了！

作物局限性

首先，并不是所有的植物都适合垂直种植。目前适合的种类仅限于蔬菜、草药、水果和可食用的鲜花等。因为主要粮食作物的种植方法还没有被找到，垂直农业目前可能只是对传统农业的有效补充，而不是替代。

成本问题

在现阶段，垂直农业的成本始终居高不下。按照中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所环境工程研究室主任杨其长的估计，垂直农场的每平方米成本在0.5万～1万元。1栋高质量的垂直农场可能需要数十亿美元。因为LED辅助型垂直农场要求LED照明系统24 h对作物进行照射（LED能准确提供作物生长所需的光线），但目前，LED的光照效率仅为28%，这使这种种植方式的生产成本非常高。

能源消耗问题

垂直农场的能源消耗也始终居高不下。有数据显示，如果想利用垂直农场取代美国全年的小麦生产，仅照明用电需要的电量就是美国所有电站1年生产总电量的8倍。根据美国康奈尔大学“可控环境农业计划”（controlled environment agriculture program）主任路易斯·奥尔布赖特（Luis Albright）的说法，目前研究表明：大规模垂直农场由于消耗电能而间接产生的碳足迹（carbon footprint）是传统农业的10倍[8]。这显然背离了“绿色”生产的初衷。

技术问题

垂直农场设计鱼菜共生系统、水培技术、LED照明和高新环境控制技术（CEA）等；另外，还有城市食品供应、植物生长模型、工程结构及发展模型研究等。

以中国为例，首先，中国农业规模化和机械化生产方面还处于初级阶段，与欧美等发达国家相比，中国农业机械自动化设备落后，农业生产无法形成规模化。而垂直农场采用的是工业化和自动化控制、可循环的能源利用技术和温室技术，这也将制约垂直农场在中国的发展。其次，垂直农场的建设需要一大批具有专业技术的建筑师、工程师、农艺学家和城市规划者，将高科技农业技术同最新建筑技术完美结合起来。中国目前缺乏精英人才和高端垂直农场建设技术，这个问题在短期内很难得到解决。如果垂直农场要在中国落户，就要依赖国外的技术和科技人才的支撑，进口成本必将又是巨大的。再次，垂直农场自身就是一个独立的系统，但是这个庞大的系统是否合理，是否能够正常运作，包括内部空气质量，各种循环系统的设计能否满足需求，产品的质量是否合格等，都需要一系列试验才能得出结论。

认知度的问题

其一是社会的认知度。垂直农场作为一种新生事物，要想取得社会认知度，必须要有足够的经济和社会效益。按照上述的分析，建造这个农场的投入和产出完全不成比例，要获得社会认可的可能性微乎其微。要想获得社会认同，唯一途径就是解决前述一系列矛盾，降低垂直农场的建造和运行成本，增加社会功能，提高效益。其二是群众的认知度。随着时代的发展和进步，人们的观念也日益开放，乐于接受新生事物，但总的来说，中国人更容易接受天然种植的食物，垂直农场中的作物可能更有营养价值、更安全，但是人们可能会有吃的是“实验室中的试验品”的感觉，要人们完全接受还需要时间[9]。

除了上述问题，要推广垂直农业，还有其他的问题需要解决。如在我国，土地政策和土地价格有其特殊性，如何定义商业用地与农业用地？重资本运作的垂直农场产出的作物是否具有经济性？传统农业 从业者的利益如何保障？恐怕只有到技术与政策到走到某一契合点的时候，才能真正看清垂直农场未来发展的走向。

垂直农场之中国探索

尽管垂直农业的商业应用尚不成熟，国内尚未出现整栋的垂直农业项目，但众多地产商纷纷瞄准了这项颇有前景的项目，从未停下探索的脚步。

方案设计方面

国内首个垂直农场设计方案为深圳空间设计师、中国创意旅游设计师郑建平设计的“绿美人”方案：借用唐代杨贵妃的形象为垂直农场外形，集垂直农场、空中花园酒店和绿色生态观光为一体。该方案希望通过旅游经济和商业效应来填补农业种植的高昂成本。

专门建造一座垂直农场，单单建筑就是一笔不菲的费用，如果充分利用城市的烂尾楼、废弃建筑，则是一个不错的“主意”。浙江农林大学的90后研一女生单幼霞，就是凭借“烂尾楼里发展‘垂直农场’”的新颖创意，叩开了“2015全球青年农业峰会”的大门[5]。她认为，中国在城市发展过程中，产生了很多烂尾楼。如果能够利用相应的农业技术，在这些城市烂尾楼里建垂直农场，一方面通过循环技术处理城市生活和农业生产中的废弃物，实现肉类、蔬菜、水果等农产品的全年供应，为城市就近居民提供安全的农产品；另一方面建设成型的“垂直农场”，又能够美化城市环境，净化空气，可谓一举两得。

实践方面

在中国，一些大的农业机构和公司也开始着手这一项目。中国农科院农业环境与可持续发展研究所杨其长教授发现，现在有两三家机构已开始实践，植物工厂更是飞速增多（垂直农业工厂是植物工厂的一种）。截至2017年年底，中国已有110家植物工厂。

温涛说：“几年前我背着个包去欧洲各国洽谈，他们的态度并不友好。”而现在这些欧洲知名农业技术企业主动要求到中国来。北京中环易达设施园艺科技有限公司是最早开始实践的企业之一，公司办公场所就是中国农科院国家农业科技展示园，包含花园办公室、生态图书馆、会议室、垂直农业种植区。园区内1座占地1 000 m2以上的“黄瓜车间”采收期每天产量可超过200 kg；“番茄车间”单位面积产量远远超出传统种植模式，小型樱桃番茄每年每平方米的产量达30 kg，中大型番茄产量达60 kg以上，几乎是露天种植的几倍到几十倍。

“工业化蔬菜种植的效率远远高于大田种植，在某些更加严格的环境控制系统下甚至可以将单位面积产量效率提高上百倍。”中环易达公司董事长魏灵玲说。不到2万m2的植物生产车间如果完全商业化运作，每年收入可达1 000万元。

展望之垂直农场其实离你我越来越近

2015年5月中国首届国际垂直农业论坛在北京成功举行，并自此开始垂直农业论坛将每年定期举办1次。2016年浙江科技厅《关于组织申报2017年度重点研发计划项目的通知》的一则内容传递出令人鼓舞的信息，“垂直农业系列关键技术研究及产品开发”位于申报指南中农业领域的第1位，这也是国内首家省级科研部门关注并有意资助这一领域的技术研究。

尽管垂直农场的设想还存在着很多问题，但粮食安全问题的紧迫性和理论上的巨大优势，仍然吸引着各国竞相尝试这一新型农业模式。目前，在新加坡、日本、韩国、美国、古巴、荷兰以及中国都有了垂直农场的雏形。目前世界上最大的垂直农场是由位于美国新泽西州的“空中农场”公司建立的一所垂直农场。

中国农业大学水利与土木工程学院副教授王宇欣认为，探索垂直农场对于我国来说有着现实的意义。陈旭铭认为，“垂直农场的优点与缺点同样明显”。中国完全可以利用其长处，结合自身国情，发挥垂直农场应有的优势。另外，据估计，到2030年，会有8亿中国人生活在城市里。到那时，扎根于城市的垂直农场或许将发挥巨大作用[8]。

当然，任何技术走向商业化，再迈向规模化，都有太多的问题需要一步步去解决，而并非一蹴而就。垂直农场的核心技术无土栽培虽然起源于二战末期，但真正的商业化应用也就是最近几年的事。最近火热的软银掌门人孙正义首次涉足垂直农业，融资2亿美元，给垂直农场带来了新的曙光。虽然垂直农场在发展的过程中面临很多难题，但相信在不久的将来，人们可以从市场上买到垂直农场生产的农产品。