随着世界城市人口的越来越多，要解决他们的吃饭问题， 或意味着需要在城市里建立垂直种植的多层立体农场。

   在西班牙北部一个名叫阿雷尼利亚斯的村庄里，艺术家马里亚诺·L·赫拉斯（Mariano L. Heras）在一块土地上种植着一些足够维持自己生存的农作物。 因为不使用农药，经常会有一些小动物不请自来地吃他种植的土豆、南瓜和番茄等。 赫拉斯认为，这是一种循环回收的方式，也是理应为这种可持续的生活方式支付的合理账单。

   到本世纪中叶，世界人口预计将达到 90 亿，其中 80%的人口或将居住在城区中。 然而，这 90 亿人并非都能像埃拉斯一样， 开拓自己的一片小天地，过着自给自足的农耕生活。 不过，要养活不断增长的城市人口，我们必须在城市边缘或中心城区种植农作物。

   传统的工业化农耕不仅使世界有限的耕地负担过重，而且能源和运输成本很高。 一个颇具建设性的解决方案就是在城市的高层建筑内种植农作物。 在受控环境中种植果蔬并非什么新鲜事情，但在城市中发展大规模的室内农场，则是一项有着崇高目标的全新技术。

建立垂直农场

   哥伦比亚大学环境健康科学系教授迪克森·德 波 米 耶 （Dickson Despommier） 在 2010年发表的关于垂直农场概念的最新阐释是缘于几十年前的屋顶农业， 即在城市的屋顶上种植各种作物。受此启发，德波米耶和他的学生想到了将农业移入室内的想法。

   愿景是在一个街区建立一个有三十层的室内立体农场，能够为五万人提供农作物：上层种植水培作物， 即富含营养的水域而不是土壤；下层饲养鸡和鱼，以作物的废料为饲料；再通过可再生能源提供的光和热，包括从动物粪便和城市污水中提取氮或其他营养物质。 利用废弃的仓库建立这种室内立体农场， 几乎不怎么需要进行整修，而且可为当地创造数十个就业机会。

   垂直农场的潜在优势包括：恢复退化的土地功能；减少农业径流；循环利用废弃物；作物生产不受风暴、干旱和其他自然灾害的影响。 另外，城市垂直农场还可以减少运输作物过程中的碳排放。

    2011 年 3 月 ，发生在日本东北部由 海啸引发的福岛核灾难后，当地的部分农产品受到了放射性污染，农业面临的压力进一步加剧。 为了应对这一局面，日本政府鼓励那些参与垂直农场（当时规模较小）建设的人士积极拓展规模，勇于创新。 总部设在京都的 SPREAD 农场的松本直树说：“日本大约有140 家种植工厂，而且这一数量正在增加。 ”

    利用无土栽培技术和照明网络，可以平衡 LED（发 光二级管 ）的光源 ，将植物暴露于更多的二氧化碳中以促进其光合作用。 一个建在一栋四层建筑物里的 SPREAD 蔬菜农场， 面积为 3 万平方英尺，可以提供 5.7 万平方英尺的作物生长环境。 这种在环境控制技术下生长的蔬菜， 不仅不会受到天气、气候或污染物的威胁，同时还增加了蔬菜生长的收益率。继德波米耶关于垂直农场概念的最新阐释后，韩国于 2011 年建立了室内农场，并在其中进行照明、供给机制及种子发育能力等方面的试验。 韩国农村发展局位于水原市的室内农场建在一栋三层高的建筑内，目标是开发出最佳的栽培方法，可以在市场上参与竞争，并在能源消耗方面逐步实现自给自足。垂直农场的一个关键性因素是其独立于室外光线和气候条件。 尽管室内农场所面临的挑战包括照明机制、水循环利用和能源效率。 但这些问题都是可以解决的。 环控农业的发展使得垂直农场的建立是可行的或有利可图， 上述的实例就是一个证明。尝试不同光照在密歇根州新布法罗市的绿色精神农场，有作物生长的“旋转垂直生长站”（RVGS）和“垂直生长站”(VGS)，前者可以在 36 平方英尺的 空 间 里 栽 培540 棵 有花植物 ，后者（即一个经过改良的托盘系统）在 同 样 的 空 间 里可 以 栽 培 1 013棵 多 叶 作 物 。RVGS 如 同 一 个Ω 形 花 园 ， 其 圆筒 内 所 栽 培 的 作物，都围绕着一个中央光源旋转。而作 物 生 长 在 岩 棉立方体里，其营养由 一 种 矿 物 溶 液供给，用水量少于其 他 的 水 培系统。

    在尝试过不同的光源，绿色精神农场创建者米兰·科库克（Milan Kluko）和丹·科库克（Dan Kluko）父子俩，选择了 200 瓦的电磁感应灯，即利用一个电磁铁激发氩气作为光源。 “我们试着将能量消耗降到最低。 ”米兰说。 一个高度为四层的 VGS，每层耗电量 800 瓦（耗电量为 3 200 瓦），一个六个单位的 VGS 耗电量为 1 200 瓦。 电磁感应灯可以提供全光谱光源以模拟阳光， 可操作最高温度为华氏 130度，不需要冷却管，也不会受到相关折射问题的影响。 一个电磁感应灯可以持续使用八年。

    “我们不会全天候不间断地为作物提供光源 ，”科库克说，“每天休息 6 到 8 个小时，作物会生长得更好。 户外植物（白天接受光合作用）晚上也在生长。 作物的光合作用从白天开启到夜间关闭，中间有两个小时的转换时间。 ” 通过一组红色或绿色LED 灯模拟晨光 ， 将作物从睡眠状态中唤醒 ， 使其进 入 活 跃 期 ， 绿 色 精 神 农 场 将 作 物 产 量 增 加 了20%。 该农场的运作完全独立于日光 ，在离峰时间电价便宜时运作。

据来自德波米耶的证据显示，模拟日光模式将会成为种植业革命的一个热门话题。 一位德国研究人员为此提议， 通过调节三灯丝的灯泡来模拟日出、中午和日落时的阳光，而不是反复地开关，以达到节能的目的。

    虽然科库克主张使用电磁感应灯或全光谱光源，但其他室内农场很多使用的是 LED 灯。 从物理学角度看，LED 的效率有可能接近 100%，但由于其能量以发热形式被消耗掉，可实现的效率远远达不到 100%（2013 年初， 飞利浦照明公司将标准 LED灯 从 原 来 的 每 瓦 50~70 流 明 发 展 为 每 瓦 200 流明）。

    如果 LED 灯性能提高且价格下降，室内农场作物的生产率就有望提高。 基于对盐水、 硝酸盐、氧气、照明和其他变量的矩阵分析（从红色到蓝色的LED 波 长组合的照明方案 ），荷兰一家名为 “植物实验室”的公司开发出的一种配方，能够使室内作物生产效率最大化。 “可以把它想象成是专为初级园艺类学生安排的一组室内实验。 ”德波米耶说。 即改变所有的参数来优化作物的生长与产量，你就会得到一个关于如何种植不同作物的配方。

    为 LED 技术应用的又一例证，美国亚利桑那大学的环控农业研究中心， 利用特定波长来优化作物的生产力，其中包括嫁接法。 例如，将抗性砧木与另一种口感较佳的水果结合，以繁殖所需的基因。远红外光谱（波长 700~800 毫微米）能够使作物伸展，其茎被拉得很长，非常适于嫁接；红光（波长 600~700 毫微米）可以导致作物的茎变短 ，使嫁接后的植物更好地生长。 寻找 LED 波长的最佳组合，即蓝色与红色的具体比例，可以使光合作用、发育达到最佳状态，为植物栽培创造新的机会。

提高作物产能

    当然，除了光，作物的生长还需要水。 “我们不需要水滋润土壤。 ”科库克说。 他列举了加州大学戴维斯分校和亚利桑那大学的户外农场，其栽培每一棵莴苣所需用水量分别为 6.5 加仑和 25 加仑。 相比之下， 绿色精神农场每棵仅需 0.33 加仑。 “在一个VGS 的作物生长周期， 我 们向其注入150 加 仑的水即可。 ”在水被完全消耗之前，作物就已经成熟了，而含有营养的水则可以在系统中回收利用。

系统使用岩棉浸泡在酸碱度适宜的水中，再将种子放置于其中，经过 7~10 天的培育之后，作物就在 VGS 中生长。承载作物生长的营养槽一直处于循环状态，每个 VGS 只需配有一个泵。 系统会不间断地记录水的循环量， 包括水的 p H 值以及溶解氧的含量。

    位于芝加哥的垂直农场 Farmed Here 建在一个三层的后工业化仓库里，采用了作物和罗非鱼在水中共生培养的方式， 也是一个营养完全循环的系统。 Farmed Here 农场将作物种植在一个堆叠的托盘里（六层），通过一系列机械泵对鱼槽和托盘进行水循环， 使作物的根部保持在富含营养的水雾中， 减少了淡水的使用量， 也减轻了上层托盘的重量。 该农场淡水使用量是户外每英亩地的 97%， 但产出量却是后者的十二倍。2013 年 3 月 ，Farmed Here 农 场的一个新的种植场开始运营， 面积达 9 万平方英尺。

    在绿色精神农场的生长空间里，每平方英尺可以种植 28 棵芝麻菜，而在户外只能种植 0.72 棵。 以芝麻菜为例，其通常有 5~6个收割季，每次收割后会在 7 天内重新生长。 而羽衣甘蓝则有 7~8 个收割季， 收割后会在 6~10 天内重新生长。 一般而言，种植在托盘里的绿叶菜其生长周期为 20 天左右。

    目前， 一时还难以对室内农场的产能、 肥料、水、能源使用等参数与传统农场进行比较。 “就像对狭义相对论和广义相对论进行比较一样！ ”德波米耶说，“（传统）农业并非是一个好的商业模式，你可能有 50%的亏损几率，但还是会继续运作。 ”很多环境问题，包括干旱、洪水或气候变化等突发事件，会导致许多意想不到的事件的发生。

    然而，室内垂直农场被证明是较为成功的。 在2012 年 飓风 “桑迪 ”登陆期间 ，纽约市的一家占地 2000 平方英尺的室内水培农场 Gotham Greens 依 然运作正常，而附近的布鲁克林屋顶农庄却因此遭到了毁灭性的损失。 在实际运作中，许多垂直农场基本解决了能源和产能的问题，并且为自己的产品找到了市场。 “垂直农场的成功运作，使我们期待在未来的十年中，能够帮助类似菲律宾那样经常遭遇台风侵袭的地区。 ”德波米耶说。

    像其他激进理念一样，城市高楼垂直农场是在近几年才出现的新生事物，其发展过程有成功也有失败。 考虑到气候变化和突发事件对作物产量的影响，现在正是推广垂直农场的最佳时期。 尽管垂直农场看似与赫拉斯的纯天然农场绝然不同，但最终目标是一致的： 在需要的地方生产需要的东西，以提升空间利用度和减少碳排放。