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2019年3月3日 作者:xwz2367609 [返回]
垂直农场与垂直农业技术概述(3)

第三节、垂直农场与垂直农业的研究内容

垂直农场与垂直农业是庞大的系统化工程,特别是垂直农场的构建其所涉的学科与技术众多,是交叉与集成的成果,仅靠某领域的专家难以完成,需要团队的全面协作方可构建,可以说是农业领域的航母。如果全部实现未来构想的垂直农场愿景,其复杂的系统化程度不亚于美国早年提出的曼哈顿计划,就是简易实用版的垂直农场其相关的知识点与创新手段也是常规其它农业模式所无可比拟的。以下就垂直农业与垂直农场的研究内容作简要介绍。

一、垂直农场耕作平台的构建技术研究

目前经典理想版的垂直农场大多出于著名的建筑师之手,很多是建筑领域的获奖作品;其构想之新颖与建设的难度都大大超过普通的高楼建筑。当前国际与国内经典设计垂直农场较多,具代表性作品有迪拜合成工作室胡尔.苏林设计的“绿洲大厦”垂直农场;比利时一位杰出的建筑师文森特.卡勒鲍特设计的“蜻蜓”垂直农场,农场共有 132 层,两边的“触角”达 700m 以上,农场最高建筑达 600 多米;新加坡建筑师 TR Hamzah & Yean 设计的“新加坡热带地区生态设计大厦”;美国哥伦比亚大学教授迪克森.德波尔设计的占地1.3m2,楼高58层的垂直农场,据称可养活3-4万人;在读建筑学硕士的戈登.哥拉夫所设计“多伦多天空农场”;罗姆设计公司的设计师们设计的“收获绿塔”; 瑞典—美国合资的车前草公司设计的“车前草”垂直农场;这些经典垂直农场皆为亿元工程,在市场化不明朗的当下,其商业落地价值较为渺茫,但从设计与技术集成来说已达建筑学之巅峰,是普通建筑无可比拟的;我国设计的绿美人垂直农场及清华大学提出的第四代建筑,都是垂直农场与建筑的巧妙结合。

二、光照解决方案的研究

垂直农场除了建筑肤表的利用无需补光,对于室内的栽培或者补光式植物工厂模式都需解决人工光照问题;人工光最早用于气候室建设的都采用高压钠灯,这种灯光效低热耗大近年使用日趋减少,在国外一些室内种植大麻的国家还有在使用;当前用于补光最为普遍的就是LED灯,其光效是普通白炽灯的3-4倍,而且因放热小可以进行近距离补光而不伤害叶片,这样可以提高栽培的层数,创造更大的空间利用率,因其节能而被室内种植广泛使用;LED灯可以因植物对光谱的需求进行红蓝光科学比配,也叫光配方,以求达到最佳的光效与光合效率或者促进形态发育及特定需求的栽培;光源的解决方案还有一种较为节能的方式,就是利用聚光器结合光纤技术把室外的光照导入室内进行补光。

三、水循环技术研究

用于垂直农场或者垂直农业耕作的水,可以是雨水收集水,也可以是地下水,如果这两类水用于气雾栽培或者水培,必须对水质进行检测,查看重金属或其它有害物质是否超标,如超标必须先进行反渗透处理方可使用;理想化的垂直农场应该是使用都市废水或污水,这些水先通过物理、化学、微生物等手段综合处理,达到灌溉水要求后再行使用,处理过程又会产生副产品,又可作为资源或能源使用,如污水发电产生了能源,形成的固态渣物又可以作为无土栽培的人工基质;在处理过程中产生的甲烷可以用于生物发电以供垂直农场能源需求;垂直农场式的室内栽培往往空气湿度较高,还可以采用冷凝技术回收空间空气中的水分循环利用;在当前淡水可利用资源日益匮乏的今天,科学合理充分的利用水资源显得极为重要;如迪拜“绿洲大厦”则采用海水蒸发冷凝的水用于农场用水,其间还可以达到海水降温的效果;对于一些水资源极为匮乏的高山地区还可以采用从空气中获水的方式解决耕作需水问题,即于空气中安装雾水捕捉网,云雾通过张拉网凝露收集利用。在废水的利用过程中,可以有机结合植物的滤化作用达到水的净化利用效果,即污水通过栽有植物的流化床,经由植物根系吸收后实现净化,如生物量较大生长快速的皇竹草就是非常理想的净化污水植物;也可以选择台湾速生杨乔化植物来净化水质。通过综合技术措施与手段的应用,最大化的实现水循环零排放的使用,以达到理想的节水效果。

四、电能解决方案

垂直农场的耕作也可以说是电气化耕作,每个环节都需要用到电力系统,如何采用多类型能源的综合使用是降低能耗的重要途径;太阳能与风能是已被生产科研普遍接受的获取能源方式,是可持续的绿色能源,但高度集约化的多层次耕作,其能耗极为庞大,尽依靠建筑肤皮的太阳能或风能难以满足,需综合多途径能源解决方案;目前技术成熟有望在垂直农场上应用的能源有以下几种,城市排泄物污水与固态垃圾发电,其间采用发酵产生甲烷,或者碳氢化合物垃圾碳化处理法产生能量进行发电;也有采用富集营养的污水进行绿藻培养,提取绿藻油后进行生物柴油发电获取电能;一些过往人口密集的场所还可以安装路面的压电发电以收集人类活动的能量,对于垂直大楼内有健身房休闲区的,还可以于跑步机等健身装置连接,实现人力发电的转换,这方式也可以用于家庭小面积栽培供电;未来都市的风能发电将会有大的突破,当前都是利用较强的风进行发电,未来微风风型的发电机组将得以普及,在城市任何环境都可以安装该发电装置,让风能得以更充分利用;建筑物的表面可以安装太阳能膜发电,或者微风电电组,以获取源源不断的绿色能源;虽然上述的各种供电措施综合集成,但还是不能满足垂直农场电力的需求,必须有外源电网的接入,所以垂直农场最终供电解决发案还得依赖更为高效的绿色能源,如未来的核聚变发电,可以利用海水提取氘参予核聚变,目前我国的“人造太阳”就是核聚变装置;唯独只有能耗降低才是垂直农场走向实用的开始。

五、材料科学的研究

材料科学的应用也是构建高效节能垂直农场的关键技术,未来垂直农场基本都是以透亮的玻璃为外墙,以达到充分利用太阳光的效果,外墙覆盖材料一般选择真空玻璃,真空玻璃隔热隔音效果好,是低碳建筑的高科技材料,用于垂直农场,实现严寒与高温天气下垂直农场内外的热传导最小化,达到节能效果;建筑表面的纳米二氧化钛涂层处理,垂直农场表面覆盖物的透光性极为重要,城市粉尘等污染物会影响透光性,通过涂层处理达到自净化自分解效果,无需清洗外墙即可达到常年清洁;相变材料的应用,垂直农场内部空间的隔断及楼面材料,最佳解决方案就是采用相变材料,可以有效减小温度波动达到节能效果,节能效率可达60%-99%,是建筑材料领域的革命,利用相变材料巨大的潜热效应,缓减温度波动,促进作物稳定如期生长;发光材料的应用,在垂直农场的所有操作过道,可以采用发光材料处理,以达到节能效果;镜面材料的应用,在作物栽培场所,最大化的安装100%反射的镜面,以达到室内漫射反射光的充分利用,也是一项非常有效的节能措施。

六、智能化控制系统的研究

垂直农场或者垂直农业的环境与栽培管理,全面融入传感器技术、计算机技术、通讯与自动化控制技术,实现耕作过程与环境管理的数字化精准化智能化,是提高耕作效率与节省能耗综合科学利用资源的有效手段;作物栽培过程中的温光气热肥水,都通过数据流体现,都采用自动化模拟调控,结合远程物联网技术实现远程监控与操控。其间所涉的研究领域较广,较为核心的研究就是各类传感器技术的开发与研究,所涉的传感器数十种之外,外界的气候传感器包括风向、风力、雨量、光照、气温、湿度等;内部与栽培相关的传感器有空气温度、空气湿度、光照强度、土壤或基质水分含量、叶片水膜、营养液浓度、营养液PH值、营养液液温、营养液池水位、二氧化碳、水溶氧传感器等;还有与作物生理相关的传感器,测量径干粗度的微位移传感器、光合效率传感器、茎液流的流速传感器、重力传感器等。以及专家智能系统数据库的开发,数据库记录每种作物最佳的环境参数及管控方案,让非专业的都市人群可以轻松掌握;通讯技术与云控制技术的研究应用,让都市人群可以通过手机及远程客户端进行非现场的操控管理,再结合远程视频,达到农产品生产过程的可视化追溯。还可以结合APP端的云销售平台,实现生产与销售的快速高效线上对接。

七、栽培模式与种养循环模式研究

用于垂直农场的栽培应以轻巧型的气雾栽培为主,以解决摩天大楼的承重问题,以降低建筑成本;气雾栽培模式因不同的作物及株型的不同,开发多样化适合所有作物高效生长的栽培模式;如叶菜等小株型经济作物则采用立柱式与梯架式雾培,大株型的乔灌木则才用管道化或者桶式雾培,对于蔬菜树的培育可以采用钢构树种植,对于大空间的利用则采用雕塑树式气雾栽培,对于垂直面的利用则采用垂面雾培;对于可悬挂利用的空间则采用倒挂栽培,对于方便架设的可利用空间则采用PVC管架设的管道化气雾栽培;对于变化无规则的肤表表面则采用柔性的伸缩管来构建栽培系统。除了气雾栽培外,还可以适当结合水培与基质栽培,其中基质培一般选择轻型陶粒培,基质培可以结合水质过滤用途进行设计,一些水产养殖水通过基质培起到物理与生物净化的功效,其效率高于水培与气培;特别是城市的生污污水通过一级处理后,再进行基质培的生物滤化,起到水质很好的净化效果,同时又实现作物无需另外施肥的效果,形成共生循环模式的鱼菜共生就是该模式的具体应用。

种养模式是循环利用资源的可持续耕作方式,利用养殖的动物排泄物作为肥源,来构建耕作系统,形成养殖无废物,种植无需另外施肥的效果;对于动物排泄物的利用方式有直接利用与间接处理利用两种方式;直接利用就是水产养殖与耕作结合的鱼菜共生模式;间接利用如发酵床养猪、养禽、养牛、养羊,这些动物的排泄物先通过充分发酵,再利用发酵料作为有机基质型无土栽培的原料,或者通过包纱布滤出浸出液的方式用于水培及气雾栽培的营养液;也有采用浸出液先进行绿藻培养,培养的绿藻作为子循环系统罗非鱼养殖的饲料,鱼的排泄物再进行鱼菜共生栽培;或者动物的废液先进行微生物或者贻贝等软体动物的生物处理后进入种菜循环;也有对垂直农场的植物茎干枝叶进行发酵处理加工成草食动物羊的饲料,再进行下一循环,让废料得以最充分利用,总之通过种养结合、鱼菜共生及微生物处理技术实现零排放的利用。

八、种苗工厂化培育技术研究

垂直农场所栽培的作物,其种苗全部通过人工光室内育苗的方式生产,不管种子苗还是无性苗及嫁接苗,全部采用人工光闭锁式育苗的方式获取,以达到种苗商品性及遗传稳定性要求。一些带病毒的作物还可以结合组培室脱毒,如草莓与马铃薯类,经脱毒后再行工厂化无性扩繁,以获取品质优良的种苗;一些瓜果类为了提高抗性可以结合断根育苗法;一些木本果树类,可以采用气雾增殖与气雾快繁结合的方式快速生产自根苗。总之,垂直农场的种苗通常采用无土化育苗手段获取,为了缩短育苗周期,还可以结合高压育大苗的方式为垂直农场提供种苗,以达到快速挂果投产的目的。

九、生物工程技术的研究应用

未来垂直农场将结合人工种子技术,培育出遗传基础可控制的优良品种,而且是快速获取种子的途径;目前该技术美国的孟山都农业公司已作为企业发展的主导开发项目,并于生产上得以应用;人工种子的优势是生产成本低,种子胚胎在发酵罐内实现快速增殖,种子的遗传优势与稳定性通过人工细胞融合完成,种子所需的营养通过人工包衣方式实现,这种新型的育种技术将是未来垂直农场种子供应的主要手段。一些转基因品种是垂直农场栽培的安全方式,在垂直农场可控的人工环境下,可以避免自然逃逸而产生的生态危害,转基因品种重点在于观赏类的绿化植物与花卉,或者药物提取型植物的靶原料培育。当然还包括动物良种的克隆式培育,及未来的肉类定向克隆技术,在工厂内直接生产所需的动物蛋白;在前沿科技领域,目前也有科学家对藻类进行改良,有望培养出未来可替代小麦及水稻碳水化合物营养的作物,到那时垂直农场重点只需培育瓜果蔬菜药材即可,定向克隆肉解决蛋白需求,改良藻取代了粮食作物,食用菌则全面采用工厂化集约化的层式高效栽培,将大大提升了垂直农场的意义与功能。

十、设施技术的研究

设施技术包括围障设施的研究及育苗与栽培设施的研究。用于垂直农场的围障设施有前面所述经典型垂直农场的高楼建筑,也有在温室基础上改造的设施型垂直农场,设施型垂直农场的研究,将是实现垂直农场实用化与商业化的首要与关键,具有投资省商业回报高的效果,解决了当前垂直农场投入与产出不匹配的问题,这也是当前垂直农场无法落地的主要原因;在未来较长时期内设施型的垂直农场与垂直农业将是科研与生产的重点,开展该方面的研究意义重大,作为垂直农场1.0版在生产推广应用。温室型围障设施的垂直农场有当前丽水市农科院开发的土楼温室与螺旋梯田,这是当前为止最为高效而且低成本的实用型垂直农场

蔬果的育苗设施重点开发可提高效率的适合海绵块基质的自动化播种机,及适合海绵块育苗的补光型植物工厂;栽培设施的研究包括作物支撑载体的各种架型的构建研究,及各种类型灌溉系统的研究;以及节能低功耗的补光灯研究,与空间杀菌处理的物理杀菌技术研究;用于病害防治的电功能水技术研究,该防治方式可以达到零残留安全生产的效果,而且对环境无任何排放污染;物理促控技术包括电磁声波场等在垂直农场上的应用研究,如声波促长技术,可以结合栽培环境安装音箱播放1000赫兹声波的音乐,以达到促进光合作用与叶肥吸收的效果。磁处理技术与碳农法的结合,可以改善与优化电磁环境达到促进水的活化与矿质元素吸收的效果;纳米增氧技术的研究与应用,可以让水培养液水达到超饱和溶氧效果,大大激发作物的生长潜力;营养液加温与致冷设备及技术的研究应用,可以实现根温的高效控制,达到节能与作物促长的效果。

十一、营养液配方及栽培技术研究

垂直农场是各学科高度集成的技术,在垂直农场内可以生产出各种气候带环境下的可食用植物,采用环境模拟与控制气候创造出热带、温带、寒带植物所需的温光气热条件,实现所有植物的垂直农场泛耕作;栽培技术的研究重点立足适合工厂化环境能体现高效化高品质的栽培模式,一般果树类在采用无土化的同时结合高密度低矮化篱壁架栽培,甚至未来可以实现工业化生产,包括整枝修剪都可以实现自动化,达到最大化省人工效果;至于品质的调控除了环境模拟最优化达到品质优化效果外,针对不同作物进行营养液配方最优化的研究,也是获取高产优质及特色化栽培的重点;可以结合原子吸光光普仪的应用,对每种植物花茎根果等进行元素的精准化分析,再按照分析结果比配出最佳的营养液配方,为生产优质农产品实施精准化供肥;还可以通过配方中添加对人体有益的助益元素如硒元素,以开发出更为健康的农产品。对于温带植物的南方栽培则结合休眠期的人工致冷破眠技术,以实现热带地区栽培苹果、大樱桃等温带果树,或者结合植株的冷库保存以达到产期灵活调控的抑制栽培或促成栽培效果,实现每种水果可以不分季节全年应市。

十二、智能机器人的研究

垂直农场的栽培管理除了上述结合计算机传感器技术外,针对人工管理操作的简化是未来垂直农场及垂直农业研究的重点,如移苗定植与采收机器人的研究,将是减免蔬果耕作劳动力的关键,设施化栽培实现气雾化无土化管理后,定植与收获当前主要依靠人工作业,占据了劳动力成本的主要;如蔬菜的栽培如果结合种菜与采菜机器人,基本可以实现无人化管理;水果的采摘也同样,这里涉及水果成熟度相关传感器的开发,如感觉香味来判断成熟度类的传感器,或者通过果实大小与颜色来判断是否成熟的识别系统;以及采摘方式的研究,木本的果树类可以采用高频震动法收获,而瓜果类的采摘得开发有较高智能水平的机器人方可完成,大多采用压缩空气结合柔性吸盘的方式采摘以减少损果率;目前在实用化上还存在问题,还得较长时间的研发熟化。病虫害与缺素病的识别机器人开发,该系统开发重点在于各类病虫害症状图谱的数据采集,建立数据高分辨扫描对比识别判断,目前该方面的研究各科研院所已初有成效。嫁接机器人的应用已相当成熟,可以移植至垂直农场中应用,总之智能机器人是未来垂直农场实现无人化管理的趋势,也是实现清洁化管理的重要技术手段。

 总之,垂直农场与垂直农业是集成多学科交叉的成果集成应用,是各学科与专业协同配合的结果,单凭某几个专业无法完成庞大的系统工程,所涉的相关领域其专业程度要求较高,系统之间的整合是否匹配到位都影响垂直农场的运行;当前虽然建筑设计师设计出款式多样的垂直农场概念模型,但离可落地或操作确保运行来说,还相差甚远;大多只从建筑学的角度认知垂直农场,至少环境与作物栽培之间的细分设计及技术手段处理涉及较少,但不管什么产业早期肯定都得经历过概念期阶段,尔后才有细分化的操作与执行及系统整合解决方案的出炉,这是创新不可逾越的过程;但人类只要有想象,通过科学技术的创新实践都将会实现,垂直农场构想无疑是解决人口增长与耕地减少矛盾的可行方案,相信通过上述技术的不断突破,不久终将会实现,耸立于大都市的一座座绿塔与大厦将是人们获取安全食品的重要途径,也将是城市环境优化与生态文明构建的重要生物组件。

 

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