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2016年7月8日 作者:xwz2367609 [返回]
芝加哥都市垂直农场模式及其启示

王敬华, 贾敬敦( 中国农村技术开发中心,北京 100045)

: 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,模拟农田的农作物生长环境,进行各种高效的农业生产。以芝加哥垂直农场为例,分析了该垂直农场运行机制及商业模式,剖析了都市垂直农场发展相关问题,并从战略研究、技术研发、协同创新与平台构建等方面提出了加快我国都市垂直农场探索与实践的若干建议。

关键词: 垂直农场; 都市农业; 生态循环

doi: 10 3969 / j issn 1008-0864 2013 05 11

中图分类号: TU985S626 9 文献标识码: A 文章编号: 1008-0864( 2013) 05-0075-05

Pattern of Vertical Farm in Chicago and its Revelation

WANG Jing-huaJIA Jing-dun

( China Rural Technology Development CenterBeijing 100045China)

Abstract: Vertical farm is also called a stereo planting farmwhich makes farmland developed into a multistoriedbuildingwhere crop growth environment is simulated and the recyctable energy and greenhouse technology is fullyutilized In this kind of farmvarious high efficient agriculture productions can be proceeded Taking Chicago verticalfarm as an examplethis paper analyzed the operation mechanismcommercial modeland existing problems of thevertical farm Moreoversuggestions for accelerating the exploration and practice of urban vertical farm in China wereraised from the aspects of strategic studytechnology research and development ( RD) collaborative innovationand platform constructionetc

Key words: vertical farm; urban agriculture; ecological circulation

随着城市人口的激增,越来越多的国家开始研究都市农业技术。然而,城市的绿化空间本来就极为有限,不可能再有多余的水平空间用于农业种植[1]。于是,许多环境专家、建筑设计师提出并设计了垂直农场的方案。“垂直农场”的概念最早由纽约哥伦比亚大学的环境卫生学及微生物学名誉退休教授迪克森·戴斯波米尔( DicksonDespommier) 1999 年提出,该思想的提出主要是基于世界粮食安全和生态环境的考虑,希望利用垂直农业的生产模式为人类食物安全和可持续发展提供了一条新的有效途径[2]。

垂直农场作为一个新生的概念,其核心是指在人工构筑的多层建筑空间内通过模拟与创造农业生物的生长环境,进行动植物周年连续生产的一种高效农业方式[3]。在垂直农场中,通过以多层建筑空间为载体,以资源化技术处理城市有机废弃物与废水作为农业肥水的重要资源,并利用可再生的清洁能源技术获取能量,进行蔬菜、水果、粮食和可食用菌类和藻类的周年连续生产。由于垂直农场贴近城市消费人群,可大大减少运送食物的能源成本,减轻二氧化碳排放所造成的全球变暖现象。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[4]。

垂直农场既是食物的一种高效生产方式,同时又是现代建筑与生态系统完美结合的产物。垂直农场的很多设计理念来自于生态建筑与节能建筑的思想,在垂直农场内部尽可能多的利用太阳、风能和生物能等可再生资源,尽量减少能源消耗,同时也利用生态建筑的理念,尽可能减少系统水分和养分的使用,精确控制作物生长环境,保障作物最大限度地生长,在尽可能生产出更多健康农产品的同时,为城市提供良好的生态环境[5]。

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。芝加哥都市垂直农场是对这一理念的具体探索和实践,是由芝加哥的一位企业家利用一个废弃的加工厂及其生产设施改造出的美国第一座都市垂直农场1 芝加哥都市垂直农场的运行机制与商业模式芝加哥的一名企业家约翰·埃德尔( JohnEdel) 利用一个废弃的肉类加工厂及其生产设施改造出美国第一座都市垂直农场,利用先进的技术,使建筑非常节能、舒适和环保,并在工厂内进行农业生产。建设垂直农场的目标是在城市中实现“零垃圾的”规模化农业生产,发展可持续的食品生产,通过研究、教育 展促 源循 环使用。

1 1 农场的运行机制

1 1 1 农场的循环系统

都市垂直农场体现了现代循环农业的理念,即用工厂化的设施和手段,在人工环境中进行农业生产,实现资源与能源的循环高效利用,减少废弃物排放。如图 1 所示,都市垂直农场循环系统工作原理如下: ①红茶菌饮料酿制吸收植物释放的氧气,输出二氧化碳供应植物,产出红茶菌( 饮料) ; ②涡轮发电机将电能转化为光能,供给植物照明; 涡轮发电机工作产生的二氧化碳,也输送给植物; 涡轮发电机产生的850 的蒸汽,可用于楼房的温度调节; ③植物净化的水供给鱼池; 鱼产生的氮再供给植物; 植物废渣被送到厌氧消化池做进一步处理,植物本身被用来做食物; ④厌氧消化池处理植物、鱼、商务厨房、啤酒厂产生的废物和残食,产生出沼气,沼气又可供涡轮发电机使用。同时,沼气发酵产生的沼液沼渣又可成为鱼的饲料; ⑤商务厨房服务于刚刚启动的企业,产生的食物残渣输入到厌氧处理池中; ⑥啤酒厂在生产啤酒过程中,酒糟可用于厌氧处理池,并吸收涡轮机产生的高温来进行工作,酒糟还用于蘑菇的种殖。

1 1 2 农场的鱼蔬共生循环系统

农场进行试验生产,若干个方形塑料鱼缸通过 PVC 管道依次连接,鱼缸里饲养罗非鱼。鱼缸中的水最终流进铺有塑料过滤网的过滤箱,这层网可确保“营养丰富的”物质留在过滤箱的底部。农场的生物分解设备建成后,固体鱼粪将被用于生产甲烷,甲烷燃烧后又变成热能和电能。水箱中有一层蜂窝状黑色塑料板,上面生长的细菌可以将鱼粪中的氨变成亚硝酸盐和硝酸盐,两者都是绝佳的植物肥料。泡沫格栅上种植植物苗,泡沫格栅上的每个小洞里装有椰壳纤维基质,用于固定植物的根。植物吸收水中氮的同时也对水起到了净化作用,被植物净化后的水流回鱼缸,完成循环。整个系统上一个环节的废料都被下 来,不 垃圾[6]。植物生产只需要红光和蓝光,LED 发出的单色光组合后可以满足植物生长的需要,而且LED 比传统白炽灯更省电,比其他常见的人工光源效率更高。

1 1 3 多途径解决能源问题

在寒冷气候下,对于一座高效率的垂直农场,热量是非常宝贵的。厚厚的砖墙和稀少的窗户正是这座农场的主要优势,高能效玻璃将阻隔那些植物生长所需要的光线。而透明度高的玻璃允许光谱中的大部分光线射入,也允许更多的热量交换。由于必须要使用人工光源,所以老旧的玻璃砖窗户全部被替换,增加一些安装高能效玻璃的窗户。类似的隔热效果良好的砖结构建筑非常有利于在冬季将热量保留在建筑内。垂直农场洞穴式旧建筑的最大优势在于可以控制白天和夜晚,这使得植物能够在夜晚生长,在用电低谷、电费较低的时候开启人工光源; 同时,在白天电价最高的时候人为地创造夜晚环境。这种利用“峰”、“谷”的用电模式,可以节约一半的能源开支。另一个优势是可以在室内农场中创造不同的“时区”,让用电需求保持平稳,不会出现需求高峰。通过按照“时区”轮流用电,创造更平稳的消费模式,从而节约电费。

1 2 农场的商业模式

1 2 1 利用和改造旧有建筑 埃德尔擅长改造旧工厂,就地取材,以较小的代价赋予它新的用途,这种能力正适于解决垂直农场面临的高成本问题。充分利用原来建筑的结构和设备,大幅节省成本。植物生长不需要讲究的装修和高成本的设备,对于垂直农场,现有建筑是经济且理想的。

1 2 2 注重效率

农场在很多方面都考虑到了效率问题,从租借空间到废物再利用。芝加哥酿酒公司已经和农场签约,将成为农场的主要租客,农场本身也有酿酒车间。酿酒不仅产生大量余热,还可以将大量的生产废渣用于制作有机肥料,供花园和温室使用。农场还购买了一台旧的战斗机引擎,并与生物分解设备结合用于发电。

1 2 3 吸引志愿者参与

农场里有很多志愿者的参与,他们不取报酬,自愿贡献专业知识,并充当参观者的导游和解说员。此外,农场也是很多相关专业学生学习和实践的理想场所,具有很好的教育功能,还可以提供都市农业体验和观光旅游,增加一些门票收入。

1 2 4 探索可复制的商业模式

目前,当地政府还没有给农场税收优待或是其他任何帮助,农场运作完全采用商业化的模式。在他们看来,农场通过出租多余的空间,用租金补贴作物种植,以确保垂直农场从图纸变为现实。垂直农场计划不仅技术上非常有趣,而且还可创造一种可以被复制的商业模式。他们学习借鉴沃尔玛的成长经验,在相对小的空间里琢磨并实验出新的商业模式,如果成功就再复制一个。从小农场开始逐步学习完善城市农业模式,再取得几个技术突破,设计体量较大的城市农场,最终形成城市可以复制的商业模式。

2 都市垂直农场发展相关问题探析

2 1 建设地点

垂直农场的建设可以是全新的设计建造,也可以改造利用旧的建筑。全新的设计建设造价昂贵、技术要求高,对于资源有限且拥有必要技术的国家,如荷兰、日本、新加波和美国等发达国家的大城市是发展垂直农场的理想之所,尤其是现在居民对无杀虫剂的有机农产品的需求日益增加,并愿意为此支付更多钱。芝加哥、纽约的曼哈顿等拥有很多空闲的高层建筑,是利用旧建筑改造开发垂直农场的最佳地点。

2 2 建设时机

从经济层面来说,只有当垂直农场消耗的能量低于传统耕作模式生产、运输等所消耗的能量,其商业价值大于等于市场需求,再加之其生态意义,才 支持[7]。目前,各国都已开始了大胆实践和探索,以及为将来的建筑做好必要的技术储备。理想的都市垂直农场是未来的目标,而实现这样的蓝图是一个逐步发展的过程,需要实践的不断检验。

2 3 种养内容选择

都市垂直农场主要还是为城市居民就近提供新鲜农产品,适合温室生产的 200 多种蔬菜、食用菌、水果、花卉和高品质的粮食作物,如有机稻米、谷物等,以及适合室内生产、又没有太多污染的畜牧水产养殖,如各种鱼等,都适合在垂直农场中生产。有专家认为,垂直农场也是发展畜牧业的最佳场所。但在目前条件下,动物疫病防控、人畜共患病防治以及动物生产的粪便及垃圾处理是最大的难题。

2 4 运营支撑技术

垂直农场涉及到许多高科技因素,如环保治污、能源再生和生物遗传等,其建设与运行依靠现代科技的高度集成与综合运用。除了室内种植作物常用的滴灌、气雾培与水耕栽培等成熟技术外,现代农业技术也将广泛应用。如“垂直农场”对农作物的生长进行智能化管控,大楼主控室可以调节其环境,使其 365 d 不间断地种植、收割庄稼[8]。农场工作人员使用电子眼监控水果和蔬菜生长情况,通过红外辐射检验农作物是否成熟。

从设计层面来看,垂直农场是一个集多种高科技的复合系统,农场内部温度和湿度对建筑材料的影响、规模经济和污水回收净化等问题,不是一个学科领域所能解答的,而需要工程师、建筑师、农学家以及经济学家共同完成。大量的生态农业技术、物质能量循环利用和可持续技术将得到综合利用。如雨水将被处理用于灌溉,与水回收系统结合起来,利用气雾培和水耕栽培收集未使用的水。从管理层面来说,在垂直农场这样一座能量高度密集的建筑中,如何保证各能源循环系统正常、安全地运转以及协调好农业生产和采收过程都将是摆在管理者面前的难题[9]。每种作物的环境条件将受到严格控制,使作物得到最大限度地生长,同时尽量减少水分和养分的使用。来自作物的废物或制成堆肥,或者与动物废料合并,作为建筑物内的燃料。能源将来自太阳能和风能等可再生资源,而节能建筑技术的应用也可减少能源需求。

3 加快我国都市垂直农场探索与实践的

若干建议联合国预测,到 2050 年,世界人口总量将达到 90 亿,其中 80% 的人口将居住在城市,而且越来越多的人青睐有益身体健康的绿色食品[1]。都市垂直农场的出现,对于我国这样人多地少的国家为解决人口激增与土地资源日趋短缺矛盾及应对全球粮食危机提供了一条全新的思路。垂直农场的问世,并不意味着传统农村种植养殖的消除,而只是为了减少对土地的过分依赖,缓解耕地不足的压力,使一些土地回归自然或变为森林。

3 1 加强战略研究,适时制订科技促进发展规划

垂直农场作为一种全新的农业生产模式,可能会成为引领下一场农业革命的先行者。这一概念一经提出就吸引了世界眼球。目前,在美国、欧洲、日本和韩国等世界各地相关的研究与实践方兴未艾。我国作为一个人口大国,人多地少的矛盾更加突出,而且随着城市化和工业化进程不断加快,城市不断扩张、耕地面积不断减少,粮食和耕地短缺将可能引发饥荒和生态灾难等后果。我们要着眼于长远和宏观全局,未雨绸缪,切实加强我国垂直农场的相关战略研究工作,科学规划,统筹配置资源,适时制订中国垂直农场发展科技促进规划,使之成为引领今后一个时期我国农业科技创新发展的重要指南[1112]。

3 2 发挥政策引导作用,大力扶持相关领域技术

研发与发达国家相比,我国垂直农场相关技术研究还相对薄弱,差距明显,而且垂直农场本身还面临着高投入、低回报的尴尬境地。为此,一定要发政策引导作用,加大资金投入和扶持力度,加快相关技术的研发与综合集成。特别是要重点加强植物工厂、无土栽培、资源循环高效利用以及清洁能源利用等相关技术的研究与开发,提高人工环境下光能转换与利用效率。

3 3 鼓励协同创新,开展技术集成与综合试点

示范垂直农场涉及农业、建筑、能源、工程和材料等多种技术。想要让垂直农场的设计成为现实,必须联合各个学科的专家,包括农学、建筑、工程、经济学和公众健康学等。德斯坡米尔曾说,完成这一计划的大多数技术已经具备,重点在于相关技术集成与综合示范。为此,在国内可先建造一个小型的垂直农场作为试点,来进行各种技术集成的研究和实验,以获取垂直农场作物所需的光照、水分、养分等科学数据,并通过现代农业技术的集成创新,为将来垂直农场的发展做好技术储备。

3 4 搭建研发与服务平台,促进国际交流与合作

待条件进一步成熟时,可以考虑依托有关高校和科研院所,整合相关资源,建设国家垂直农场工程技术中心或重点实验室,使之成为我国发展垂直农场的研究中心、人才高地和国际交流平台。大力开展国际合作与交流,共同应对人类面临的日益严重的食物短缺问题与环境危机。

1 垂直农场: 在摩天大楼里种庄稼[N]. 广州日报,2011 04 10

2 多国试水“垂直农场: 把粮食种进摩天楼里[N]. 新京报,2012 08 08

3 张继云. 垂直农场———人类未来的新农场[J]. 地理教育,20104: 63Zhang J Y Vertical farm-future farm of human beingsJ].Edu Geography20104: 63

4 刘光华,覃新导. 以垂直农业方式发展高效现代生态农业[J]. 广东农工商职业技术学院学报,201329 ( 1) : 1 3Liu G HQin X D Possibility of developing vertical farms inthe zone of tropical and subtropical ChinaJ]. J GuangdongAIB Polytech College201329( 1) : 1 3

5 Dickson D The rise of vertical farmsJ]. Sci Amer 2009301: 80 87

6 室内农场[N/OL]. 报, http: / /wwwconservationmagazine org2012 07 01

7 杨其长. 植物工厂与垂直农业及其资源替代战略构想[J].文明,20113: 8 9Yang Q C Strategy of resources replacement with plant factoryand vertical farmJ]. Civilization20113: 8 9

8 栗金池,刘文科,杨其长. 利用设施农业技术实现“环境替代资源”的 想[J]. 报,20103: 283 285Li J CLiu W KYang Q C Strategic idea of replacingresources with environmental factors in agricultural productionthrough protected agricultural technologyJ]. Chin AgricSci Bull 20103: 283 285

9 垂直农场———让人信疑参半的愿景[N]. 羊城晚报,2011 06 25

10 烨,张玉坤. 垂直农业建筑浅析———以绿色收获计划为例[J]. 新建筑,20124: 38 42Liu YZhang Y K A brief analysis of vertical agriculturebuilding: A case study of green harvest projectJ]. New Arch 20124: 38 42

11 陈旭铭. 中国发展建设城市垂直农场的前景探讨[J]. 现代商贸工业,201120: 96Chen X M Prospect of the development and construction ofurban vertical farm in ChinaJ]. Modern Business Trade Ind 201120: 96

12 陈旭铭. 广州发展建设城市垂直农场的前景探讨[J]. 广东农业科学,201217: 229 232CHen X M Prospect of the development and construction ofurban vertical farm in GuangzhouJ]. Guangdong Agric Sci 201217: 229 232

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