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2016年7月8日 作者:xwz2367609 [返回]
垂直农场的概念形成与技术支撑体系研究

李鹏1张玺玲2张建国3庞赞3石晗3(1.绍兴文理学院元培学院 绍兴 3120692.浙江农林大学农业与食品科学院 临安 311300;3.浙江农林大学风景园林与建筑学院、旅游与健康学院 临安 311300)

摘要:垂直农场是利用城市垂直空间发展农业生产的一种生态综合体。随着现代农业技术的发展、城市人口资源问题日益严峻,垂直农场付诸实际的步伐加快。广义农业对垂直空间的利用由历史悠久的梯田发展到垂直绿化、植物工厂、垂直农场,也出现了许多以栽培为主的垂直农业的理论研究及实践。笔者在梳理垂直农场概念形成的基础上,结合对现有垂直农场模型和实例的分析,从建筑规划技术、农业设施技术、生态修复技术、社会经济技术4个方面概括形成垂直农场的集成技术体系,旨在为垂直农场的理论研究和产业化开发应用提供一定的借鉴和参考依据。

关键词:垂直农场;现代农业技术;城市生态系统;建筑

DOI:10.13856/j.cn11-1097/s.2016.05.009

随着人口快速膨胀,城市用地扩张,土地资源污染浪费严重[1],人们需要以更加便捷安全的方式解决城市人口食物来源问题,并使现有过度使用的土地资源得以休养生息。农业发展到现代农业阶段,为人们提供了新的思路[2],随着环境自动控制等装备的研制[3],农产品能够实现周年供应[4]。与此同时,将现代农业技术运用到城市建筑中形成的超级集约化方案———垂直农场应运而生。研究概括了垂直农场的基本模型和运行机制,并从战略研究、技术研发、协同创新等方面,指出垂直农场作为文明发展的新形态,其概念设计、理论研究、实践探索日趋完善,是现代农业先进生产力的代表和未来发展方向。

1 垂直农场的概念形成

垂直农业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”最早是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 Des-pommier教授与他的学生一起对这个概念进行的详细阐述[5]。垂直农场被评为2009年美国时代杂志最佳发明之一,还被美国著名的 《连线》杂志评为改造地球最疯狂的生态实验之一。

1.1 垂直农场的概念衍化

1.1.1 空中花园及农业生态系统的理念引导

垂直农场的最先雏形可以追溯到空中花园,空中花园是古巴比伦人民先进建筑承重结构、防水技术、引水灌溉技术和园艺水平的代表作[6]。作为世界8大奇迹之一,空 法,层层栽种花草,是人类最早利用垂直空间种植植物的典范。

作为一个农业大国,中国传统的生态农业模式有很多[7],比如桑基鱼塘、稻鱼共生系统、水稻梯田等,既是历史悠久的农业生态系统实践,又在国际上产生很大影响。这些项目现已被列为农业文化遗产项目[8]。这些农业生态系统对现代农业实现自身生态系统的循环,垂直农场构建中作物之间的和谐共生和立体植物群落构建都有借鉴意义。

1.1.2 垂直绿化、立体绿化的实践探索

现代立 桥、河 栏、建 面、 架、阳台、屋顶等多种空间类型的立体绿化逐渐走进城市生活的角落。随着绿墙技术的成熟,垂直绿化形成一种独立的景观形式,垂直花园的形成更是将这种景 致。 园(Gardens By The Ba)的高25~50m 的太阳能超级树 (Solar Supertree)就是现代垂直花园的创举[9]。2013年年底完工的意大利米兰的 “空中森林”,将植物与建筑融为一体,成功地在27层高楼的阳台遍植各种灌木、乔木,营造了1hm2的森林[10]。1990年年初,以钱学森为代表的学者就提出了山水城市的概念,认为人们多功能的需求可以在一座大楼里实现[11]。近 “垂 市” 关注,一批设计案例也浮出水面,如迪拜的垂直村落、新加坡Scotts大厦、委内瑞拉 “垂直城市”。多方面城市垂直空间的自然功能利用与开发,为城市垂直农业的产生做了铺垫。

1.1.3 植物工厂的技术支撑

植物工厂是现代农业发展的高级阶段,是农业高新技术集成的产物,集中应用了现代生物技术、新型材料、环境控制和信息技术等方面的最新科技成果,其营养 配比、发光二极 (LED)光源、组 技术、计算机自动化管理技术均有所成[12]。更有诸多实例,如日本神内植物工厂、TS式植物工厂、KL式植物工厂等。国内最大的植物工厂在北京通州[13]。

1.2 垂直农业与垂直农场

天津大学建筑学院刘烨在其硕士论文 《垂直农业初探》中对垂直农场与垂直农业的概念进行了区分,指出垂直农业分为垂直农场和表皮农业建筑两种应用方式。垂直农场建筑的主要功能是农产品生产和资源化处理城市有机废物废水;表皮农业生产方式与建筑主体功能并无关系[14]。笔者认为,广义垂直农业的范围更广,还应包括室内立体栽培。

1.2.1 室内立体栽培

立体栽培也叫垂直栽培,是立体化的无土栽培,立体栽培技术是向空间发展,充分利用太阳能的方式,可以提高土地利用率、单位面积产量。国外采用固定式高架床或活动式高架床栽培蔬菜、花卉或进行育苗,用以减轻操作者的劳动强度,增强操作时的舒适度,提高劳动生产率[15]。现在在立体栽培中运用植物工厂的技术集成,研发出了家庭版植物工厂,可为家庭提供安全的新鲜蔬菜。

1.2.2 建筑复合农业

在建筑内外部空间进行农业生产,如阳台农业、屋顶农业的形式,便于操作,十分盛行。屋顶种植农作物还可以大 射,调 温。近 来, 海、 “空 菜园”。建筑内部的农业生产则如日本一幢办公楼里占地90的稻田,员工可以在工作之余收割水稻。

1.2.3 综合型垂直农场

垂直农场的概念不只是一幢用以进行农业生产的建筑,一个形态完整的垂直农场将包含一系列临近的建筑,除生产农产品的主体建筑外,还有管理办公室、独立控制中心、育苗室、质量控制实验室、垂直农场职工建筑、面向公众的生态教育或游客中心、绿色市场,甚至包括餐厅,还有进行水产和家禽饲养的可能[16],是集农业生产、生态净化、科教观光、休闲娱乐于一体的农业综合体的概念。

2 垂直农场案例

2.1      理想模型

Despommier教授提出了一个 30 层的垂直农场模型:楼顶有太阳能板和雨水收集罐,建筑一角有作物垃圾倾倒槽,建筑外立面有薄膜太阳能电池板。不同 术:26~30 培法,10~25层采用水培法,4~9层采用滴灌技术。3层为游客中心和餐厅,2层为商店,1层为垃圾焚烧装置,地下为城市废水净化装置。附属建筑有育苗室、质 室、巨 罐、收 筑。太阳能电池和每层下落的生产用水产生能量,城市废水用以灌溉作物,日光和人工照明提供光源。进行栽培的种子将先在实验室进行测试,在育苗室育苗。商店和餐厅直接向公众销售新鲜食物[17]。

2.2 设计方案

随着垂直农场概念的普及,许多设计师也设计了他们 场。 师Vincent Callebaut根据蜻蜓的双翼设计了 “蜻蜓 垂直农场”,以期降低美国纽约罗斯福岛的农业运输成本,供应水果、蔬菜、肉类、牛奶和鱼类等各种农副产品,还包含有多个实验区、办公区和居住区等生活空间。又如由 Despommier教授和埃里克-伊尔森设计的金字塔农场是一个完全自给自足的生态系统,其回收物可以用于养鱼和饲养家禽。农场本身所产生的能量完全可以满足内部所有机械和照明系统的能量需求。此外还有圆形垂直农场,迪拜 “海水利用垂直农场”等[18]。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,希望通过旅游经济和商业效应填补农业 本。Vincent Callebaut的法国公司也在深圳设计了一个系列的六塔方案。塔以矩形为主体,周围环绕着石头状的结构。这个垂直农场除了用于农业生产,还有住宅区、办公室和休闲空间。

2.3 实施案例

已建成的垂直农场有企业家黄和顺创办的 SkyGreens垂直农场,被誉为全球第一个商业化垂直农场,该垂直农场不需要人造光来促进农作物的生长。在该农场中,9m 高的三角形轻质铝结构支撑起一层层的种植托盘,以培养不同种类的蔬菜,其中包括中国的卷心菜和莴苣。外层由轻质有机玻璃围合以形成温室环境。阶梯状的排列保证了所有植物都能接收到充足的光照。养分来自塔下方的水槽,每层架子不断旋转,架子转到最上面时能晒到日光,温度较高;转到下面时,则温度下降,温差能让蔬果更鲜甜[19]。芝加哥郊区的 Farmed Here垂直农场是世界上现有最大的垂直农场,由 Hardej创建,巧妙地在农业中融入水产,使用 水,鱼的排 料。农 菜、薄 荷、菠菜等有机蔬菜,还提供了数百个工作机会[20]。

3 垂直农场集成技术体系

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。

3.1 建筑规划技术

垂直 农场的 建成需要建 筑师对 农场建成材料、结构、空 间、照 明、通 考,同时要考虑到城市的土地利用、综合规划等内容。

3.1.1 材料

垂直农场可以使用乙基四氟乙烯 (ETFE)[21]、膨胀型聚苯乙烯 (EPS)薄板抹面系统[22]等新型材料,也可以用农作物秸秆墙体[23]之类的生态材料,还可以用真空玻璃[24]等现有技术。

3.1.2 采光

采光方面利用导光管、光导纤维、采光搁板和导光棱镜窗等,通过光的反射、折射或衍射等特性,将天然光引入并传输到需要的地方,以提供植物光合作用所需的能量。

3.1.3 节能

采用相变储能建筑材料,室温相变材料可以用来增加房屋的热惰性,降低房屋的温度波动,从而降低空调负荷,达到建筑节能的目的[25]。

3.1.4 选址

垂直农场位置的选择需要基于对当地气候和其他多种因素的具 定。由 性,可以布局在城市中心区,同时考虑距离因素,以减少运输成本。垂直农场与城市地下管线的衔接是实现其处理城市污水功能必须要考虑的问题。

3.2 农业设施技术

垂直 农场的 主体农业生 产部分 需要种植设计、灌溉、光 照、自 统,以 输、储藏等专业知识。

3.2.1 无土栽培

无土栽培是使得室内种植有效可行的一项基础技术,起源于 1936 年的无土栽 培番茄[26]。① 代水培法是把植物植株固定,根部浸在含有营养物质的水体中[27],这种栽培方式对一些蔬菜生产特别管用,例如番茄、菠菜和浆果等。②气培法是把植物的根部悬垂倒吊在密封或半密封的环境中,在其悬吊的根部和较低的茎部直接喷洒营养液气雾[28]。气培法相对传统的土壤种植农业,节水率可达 95%,这种栽培方式特别 薯、胡 植。③水产复合养殖法是水产养殖和水培法的结合,是一种可持续的生产系统。现今,水产复合养殖将进一步结合先进的水暖、水过滤和照明技术,植物生长和养鱼技术[29]。类似种植新方法的优点,如轻量化、高密度种植、循环利用水资源、清洁生产等,为农业生产由地面转向空中提供了可能[21]。

3.2.2 LED光源

LED (发光二极管)技术的发展有助于垂直农场完全独立于自然环境。由于植物生长主要需要蓝色和红色光,以及远红外光,单色光的使用降低了能耗,同时使光合作用的效率增加1倍[30]。

3.2.3 农产品运输、储藏

垂直农场的大多数种植层都是由一个大型的自动化运输带作为主要基础建筑,将禾苗从一端运送到另一端,并进行分层种植。到了收获季节,成熟的作物通过传送带被运送到后端的收割机前。自动化传输系、农产品储藏以及城市内部快速的农产品运输,甚至农产品粗加工,都是收获以后需要考虑的农业配套问题。

3.3 生态修复技术

生态修复技术包括植物修复、污水净化、废物回收利用等。

3.3.1 植物修复

植物修复是利用绿色植物的新陈代谢活动来固定、降解、提取和挥发污染环境中的污染物质。在土壤和水体污染治理方面具有很大的应用潜力。小麦、玉米、油菜、蓖麻、小白菜等对土壤中重金属都有一定的积累能力[31]。在垂直农场中,配置一部作物专门用以 值。但 是,如果还需采收食用,就要保证作物吸收的重金属可运输至一定部位,以确保食物安全[32]。

3.3.2 污水处理

城市污 溉,在 列、约旦、南非及美国等缺水国家十分成功。在一些发达国家,二级处理水经过适当稀释添加适当营养液,即可适应水培、雾培法对水质的要求[33]。

3.4 社会经济技术

垂直农场的外形设计需要在充分调查分析当地人文社会环境的基础上进行。垂直农场现阶段观光项目的开发需要旅游、会展相关专业人士对参观线路进行组织。垂直农场作为一个综合体的形式,其农产品的销售、绿色食品的宣传、市场的开拓也需要专业人才的加入。

4 结语

垂直农场是一个复杂且庞大的体系,需要多学科人才的加入,以及多专业意见的整合。现阶段农业生产的效益较低,垂直农场建设成本高,加上现阶段的技术发展水平的制约,使得垂直农场的效益充满不确定性,多数情况下只是作为一种示范性项目试验并用以发展观光旅游。然而,随着农业生产环境的破坏和城市问题的日益突出,此种带有预测性质的研究或许正是未来农业的发展方向。

参考文献

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[4]李茜 .世界设施农业发展现状 [J] .合作经济与科技,2002 (4):36.

[5]法比安·克莱施摩尔,马尔特·克伦伯格,史春树 .多国试水 垂直农场 [J] .环境与生活,2012 (7):43-46.

[6] [日]针 .西 [M] .邹 灿,译

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[7] 华, 文, .生 式[M

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