《JS百科》第1148期，2025年5月15日， 新型农业技术向三维空间进发，都市圈中的垂直农场

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《JS百科》编者的话

（2024年9月1日）

时光荏苒，《JS每日百科》到今天巳整三年了。非常开心有三百多万人次的读者与我俩一起通过美篇平台浏览大千世界，开拓眼界。澳大利亚原住民有一句美丽的谚语：＂我们都是这个时代，这个地方的访客。我们只是路过。我们在这里的目的是观察，学习，成长，爱，然后我们回家。”（“We are all visitors to this time, this place. We are just passing through. Our purpose here is to observe, to learn, to grow, to love, and then we return home.”）。我们很辛运处在这个信息时代，让我们即使足不出户还能欣赏无尽的自然和人文美。无论编者，还是读者，本质上我们每个人看到的东西是一样的，只要有乐意发现真善美的心灵，而且愿意在爱中分享。在这个意义上说，百科就是我们人生路上一起收获美好事物的手记。

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《JS百科》第1148期，2025年5月15日

新型农业技术向三维空间进发，都市圈中的垂直农场

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New farming technology is moving into three-dimensional space: Vertical agriculture in urban areas

It’s no secret that the future of agriculture is concerning and needs a change. Overall, the global population is growing at about 1 percent per year, even faster in some countries. Feeding this growing population is sure to be a challenge as time progresses.

Adding to the problem, current and former agricultural practices are incredibly harmful to the planet. Agriculture has been implicated as a driving cause of climate change, deforestation, and soil degradation. The problem is so significant that we’ve lost a third of our arable land over the past 40 years.

We must find better ways of producing food for future generations. Fortunately, new farming technology, such as vertical agriculture, offers an excellent way to meet these challenges and produce the food needed for future generations.

新型农业技术向三维空间进发，都市圈中的垂直农场

农业的未来令人担忧，亟需变革，这已不是什么秘密。总体而言，全球人口每年增长约1%，一些国家的增速甚至更快。随着时间的推移，养活这些不断增长的人口无疑将是一项挑战。

此外，当前和以往的农业实践对地球环境的危害极大。农业被认为是气候变化、森林砍伐和土壤退化的主要原因。这个问题非常严重，以至于我们在过去40年里失去了三分之一的可耕地。

我们必须找到更好的方法为子孙后代生产粮食。幸运的是，垂直农业(vertical agriculture，见译注)等新型农业技术为应对这些挑战并为子孙后代生产所需粮食提供了一种绝佳的途径。

(译注：（一）概述

什么是垂直农业？简单来说，垂直农业就是在垂直和水平堆叠层中种植作物的做法，而不是传统的水平农业。它通常结合了旨在优化植物生长的受控环境农业 ，以及水培 、 鱼菜共生和气培等无土农业技术。可以容纳垂直农业系统的一些常见结构包括大楼建筑物、仓库或集装箱、温室、地下隧道和废弃的矿井等不适合水平农业的空间中。垂直农业不仅仅是空间叠放植物，而是需要科学地人工控制温度、光线、水和湿度，保持微妙的平衡，否则，也会像传统农场一样在发生干旱或洪水时，损失整个作物。

人们很容易将垂直农业视为一个新概念，尤其是考虑到当今涌现的许多新兴高科技的“垂直农业公司” 。其实不然，植物空间种植的做法可以追溯到几千年前的人类历史。今天已知的垂直农业的第一个例子是约2500年前古代世界七大奇迹之一的巴比伦空中花园。即使是水培农业也不是全新的。大约一千年前，墨西哥原住民阿兹特克人就发展了这种做法，称为“奇南帕斯”(chinampas)，他们在漂浮在河流和湖泊上的木筏上种植植物。在1600年代,法国和荷兰农民开发了一种技术更先进的垂直农业形式:在保留热量的石墙上种植温带气候水果，创造了自己的小气候。

垂直农业的现代概念则由美国哥伦比亚大学公共与环境健康教授 迪克森·德波米尔(Dickson Despommier) 于1999年提出。德波米尔和他的学生设计了一个可以养活5万人的30层由玻璃和钢筋建成的摩天大楼农场。建造160座这种建筑物，就能为纽约所有人提供全年的食粮。虽然该设计至今未付诸实践，但它成功地普及了垂直农业的理念。室内的垂直农业通常包括一种称为受控环境农业(CEA)的做法。CEA涉及一系列围绕为植物提供最佳条件而设计的技术，包括控制温度、照明和湿度等因素。

（三）垂直农业类型

垂直农业利用多层结构和先进技术在可控环境中进行作物生产，根据技术、设施和种植方式的不同，可分为以下几种主要类型：

1）水培系统（Hydroponics）：作物根系浸泡在营养液中，无需土壤，通过水循环提供养分。水资源利用效率高（比传统农业节水约90%），适合叶菜（如生菜、菠菜）和草本植物。使用水培技术在多层架上种植叶菜，系统简单，产量稳定，但对水质和营养液管理要求高。

2）气培系统（Aeroponics）： 作物根系悬浮在空气中，通过喷雾装置定期喷洒营养液。比水培更节约水（节水95%以上），适合高附加值作物如草莓和药用植物。其优店=点是根系氧气充足，生长速度快，但喷雾系统维护成本高，技术复杂。

3）土壤基垂直农业（Soil-based Vertical Farming）：在多层架上使用土壤或类似基质（如椰糠）种植作物，结合人工光源和灌溉系统。适合多种作物，包括根茎类（如胡萝卜）和小型果树。其优势是技术门槛较低，适合传统农业转型，但土壤管理复杂，重量增加建筑负荷。

4）集装箱式垂直农业（Container Farming）：在改造后的集装箱内进行垂直种植，配备LED灯、气候控制和自动化系统。特点是模块化设计，适合城市环境和小规模生产，可快速部署。适合租赁模式，但空间有限，扩展性较差。

5）混合系统（Hybrid Systems）：结合水培、气培或土壤基技术，利用物联网（IoT）和人工智能优化生产。特点是灵活性高，可根据作物和市场需求调整。可以结合大数据分析优化光照和营养，技术先进，产量和质量可控，但初始投资和维护成本极高。

（四）垂直农业面临挑战

然而，与传统平面农场相比，目前垂直农业技术面临经济挑战，主要包括高昂的初始投资成本、运营成本（特别是能耗）、技术复杂性以及市场竞争压力。

首先，垂直农业需要建造高度技术化的设施，包括多层种植架、LED照明系统、气候控制系统、水培或气培设备等。这些设施的建设成本远高于传统农场的土地和基础设备投入。根据剑桥咨询公司2019年的报告，建造一个中等规模的垂直农场的初始成本通常在500万至2000万美元之间，具体取决于规模和技术复杂性，而传统农场的土地和基础设备成本通常仅为每平方米12至50美元。例如，美国垂直农业公司(Plenty)在2017年B轮融资中获得软银愿景基金的2亿美元投资，用于建设高科技垂直农场，显示了垂直农业其资本密集的特性。

其次，是它的高运营成本（特别是能耗）。垂直农业依赖人工照明（如LED）和气候控制系统，导致电费和维护成本显著高于传统农业。传统农场主要依赖自然光和降雨，运营成本较低。据维萨拉（Vaisala）2023年的研究，垂直农场的能耗成本占总运营成本的50%-70%，其中照明和空气管理（空调、除湿等）是主要开支。相比之下，传统农业的能耗成本通常仅占总成本的10%-20%。例如，一个1000平方米的垂直农场每年电费可能高达10万至50万美元（取决于电价和作物类型），而同等面积的传统农场可能仅需1万至5万美元用于灌溉和机械化操作。

再者，垂直农业需要精确控制温度、湿度、光照和营养液供应，涉及复杂的自动化系统和传感器技术。这些系统的维护和更新成本高，且需要专业技术人员支持。据估计，垂直农场的自动化和智能控制系统维护成本每年约占总运营成本的15%-25%，而传统农业的机械维护成本通常低于5%。例如，一个垂直农场可能需要投资10万至50万美元用于安装传感器和控制系统，且每年维护费用约2万至10万美元，而传统农场可能仅需简单灌溉系统，维护成本低至每年数千美元。

垂直农业生产的作物（如叶菜、草莓）通常面向高端市场，价格较高，例如，垂直农场生产的生菜成本约为每公斤5-10美元，而传统农场仅为每公斤0.5-1.5美元，价格差距显著。因此，垂直农场面临传统农业和温室农业的竞争。2021年，美国垂直农业公司AeroFarms因高运营成本和市场竞争压力申请破产重组，尽管其技术先进，但难以与传统农业的低价作物竞争。还有，虽然垂直农业在水资源利用上具有优势（水耗比传统农业低90%），但其高成本导致投资回报周期（ROI）较长，增加了经济风险。垂直农场的投资回报周期通常为5-10年，而传统农场的回报周期一般为2-5年。例如，一个投资1000万美元的垂直农场可能需要7-8年才能实现盈利，而传统农场投资100万美元的设施可能在3-4年内即可收回成本。目前，对于沙拉蔬菜等高价值产品来说可能具有成本效益，但它们还不能种植所有类型的作物。所以规模化生产以降低单位成本仍是垂直农业面临的重大挑战。

（五）垂直农业前景

尽管垂直农业面临上述多重挑战，其前景依然被广泛看好，主要基于以下原因和趋势：

1）城市化与本地化需求：全球城市人口预计到2050年将达到68%（联合国数据），城市对新鲜、可持续农产品的需求激增。垂直农业可实现“从农场到餐桌”的短供应链，减少运输成本和碳足迹。同时，垂直农业生产的无农药、高品质作物（如有机生菜、微型蔬菜）迎合了健康饮食趋势。据2024年数据，全球有机食品市场规模预计到2028年达到5000亿美元，垂直农业可占据一定份额。此外，在土地资源有限或气候恶劣的地区（如中东、沙漠地区），垂直农业提供可靠的粮食生产方案。例如，迪拜的Bustanica垂直农场2023年成为全球最大室内农场，占地33万平方米，日产3000公斤叶菜，却减少用水量95%。

2.) 技术进步降低成本：LED照明技术不断进步，能耗降低且光谱优化促进作物生长。根据2023年《农业工程学报》，新型LED灯的能效比五年前提高了30%-40%，显著降低电费（占运营成本50%-70%）。另外，物联网和人工智能的应用减少人工成本并优化资源利用。例如，许多公司使用机器人管理种植，人工成本降低约20%。未来，规模化生产有望进一步摊薄单位成本。垂直农场还开始采用太阳能和风能。例如，荷兰的PlantLab农场2024年宣布其新设施50%的电力来自可再生能源，降低长期运营成本。

3. 政策支持与投资热潮：目前，世界上已有多国政府通过补贴和税收优惠支持垂直农业。例如，新加坡2023年推出“30 by 30”计划，目标到2030年本地生产30%的食品，垂直农业获大量资金支持。据PitchBook数据，2020-2024年全球垂直农业初创公司累计融资金额超过50亿美元，显示投资者对其长期潜力的信心。再如，Bowery Farming 2023年融资3亿美元用于扩展。此外，零售商（如沃尔玛）和科技公司（如微软）开始与垂直农业企业合作，整合供应链和技术资源，增强市场竞争力。

4. 环境与社会效益：垂直农业用水量仅为传统农业的5%-10%，在水资源短缺地区优势明显。垂直农业不受天气和季节限制，可全年生产，应对气候变化带来的农业风险。垂直农业创造高技能就业机会（如数据分析、系统维护），并推动农业教育的现代化。通过模块化设计（如集装箱农场）和共享设施降低初始成本，缩短回报周期（目前5-10年，目标3-5年）。可再生能源和能效技术（如热回收系统）逐步降低电费负担。聚焦高附加值作物和本地化市场，避开传统农业的低价竞争。例如，垂直农场生产的微型蔬菜每公斤售价可达20-50美元，远高于普通蔬菜。模块化设备和云端管理平台（如FarmOS）降低技术门槛，吸引中小型企业进入。

总之，尽管垂直农业面临经济和技术挑战，但未来，随着成本下降和市场接受度提高，垂直农业有望在全球农业中占据重要地位，尤其在城市和资源匮乏地区。据Statista预测，到2030年，全球垂直农业市场规模将从2023年的约50亿美元增长至200亿美元。2022年，美国《福布斯》列出了驱动农业发展的四大技术：垂直农业与人工智能、区块链和自主机器及机器人。围绕垂直农业进行的理论探索和技术研发，不仅事关一个地区的农业现代化水平，也将成为企业乃至国家科技竞争的前沿阵地之一，是一个世界级的技术对决主战场。目前，垂直农业集中度还不高，以初创企业为主，呈区块链分布特点，美国成熟度较高，中国日本发展速度较快。在垂直农业的技术领域，中国丝毫没有落后。许多由跨学科年轻专家组成的企业已取得技术突破和成本优化，生产高附加值作物，提供城市附近的高端市场。