垂直農業是在垂直和水平堆疊層中種植農作物的做法。[ 1 ]它通常包含旨在優化植物生長的受控環境農業和無土栽培技術，例如水耕法、魚菜共生法和氣耕法。[ 1 ]容納垂直農業系統的一些常見結構選擇包括建築物、貨櫃、地下隧道和廢棄礦井。
垂直農業的現代概念是由哥倫比亞大學公共與環境健康教授迪克森·德波米爾（Dickson Despommier）於1999年提出。 [ 2 ]Despommier 和他的學生設計了一個可以養活 50,000 人的摩天大樓農場。[ 3 ]雖然該設計尚未建成，但它成功普及了垂直農業的概念。[ 3 ]目前垂直農業的應用與其他最先進的技術（例如專門的LED燈）相結合，使作物產量比傳統農業方法高出 10 倍以上。[ 4 ]有幾種不同的方法可以在社區中實施垂直農業系統，例如：佩恩頓、[ 5 ] 以色列、[ 6 ] 新加坡、[ 7 ] 芝加哥、[ 8 ] 慕尼黑、[ 9 ] 倫敦、[ 10 ] 日本，[ 4 ]和林肯郡。[ 11 ]
利用垂直農業技術的主要優點是提高作物產量，同時減少單位面積的土地需求。[ 12 ] [ 13 ]由於農作物在生長時不共享同一塊土地，因此提高了同時種植多種農作物的能力，這是另一個受歡迎的優勢。此外，由於農作物放置在室內，因此能夠抵抗天氣幹擾，這意味著極端或意外天氣事件造成的農作物損失更少。最後，由於土地使用有限，垂直農業對本土動植物的破壞較小，進一步保護了當地動植物。[ 14 ]
與傳統農場相比，垂直農業技術面臨巨大的啟動成本的經濟挑戰。他們無法種植所有類型的農作物，但對於沙拉蔬菜等高價值產品來說可以具有成本效益。[ 15 ]由於使用 LED 等補充光源，垂直農場也面臨巨大的能源需求。這些建築物也需要對溫度、濕度和供水進行良好的控制。此外，如果使用不可再生能源來滿足這些能源需求，垂直農場可能會比傳統農場或溫室產生更多的污染。
類型
「垂直農業」一詞是由吉爾伯特·埃利斯·貝利於 1915 年在他的《垂直農業》一書中創造的。他對這個術語的使用與當前的含義不同——他在撰寫關於農業的文章時，對土壤起源、土壤營養成分以及植物生命作為「垂直」生命形式的觀點特別感興趣，特別是與其地下根部結構有關。[ 16 ]「垂直農業」一詞的現代用法通常指的是分層種植植物，無論是在多層摩天大樓、二手倉庫或貨櫃中。
混合用途摩天大樓
混合用途摩天大樓由建築師Ken Yeang提出並建造。楊建議，植物生命不應在密閉的大規模生產農業中種植，而應在露天、混合用途的摩天大樓中種植，以實現氣候控制和消費。這種版本的垂直農業是基於個人或社區使用，而不是渴望養活整個城市的批發生產和分銷。[ 17 ]
德波米耶的摩天大樓
生態學家迪克森·德波米爾 (Dickson Despommier)認為，出於環境原因，垂直農業是合法的。他聲稱，與在自然景觀中培育植物的某些方法相比，在摩天大樓內培育植物需要更少的能源，產生的污染也更少。德斯波米爾認為，透過轉向垂直農場，農地將恢復其自然狀態（即森林），這將有助於扭轉氣候變遷的影響。他還聲稱，自然景觀對於自然農業生產來說毒性太大。垂直農業將消除一些與農業相關的寄生風險。[ 18 ]
Despommier 的垂直農場概念於 1999 年在哥倫比亞大學提出。它促進摩天大樓中用於商業目的的植物生命的大規模種植。[ 19 ]
可堆疊的運輸貨櫃
幾家公司已經開發出在城市環境中堆放回收的貨櫃的技術。運輸貨櫃作為標準化、模組化的生長環境室。透過堆疊運輸貨櫃，可以提高每平方英尺產量的密度。但是，堆疊的貨櫃提出瞭如何有效且經濟地存取堆疊層的挑戰。 Brighterside Consulting 創建了一個完整的離網容器系統。[需要引用]
Freight Farms生產的「Greenery」是一個完整的從農場到餐桌的系統，配備垂直水耕系統、LED照明和直覺的氣候控制裝置，內建於 12m × 2.4m 的貨櫃內。[ 20 ]Podponics 在亞特蘭大建造了一個垂直農場，由 100 多個堆疊的「growpods」組成，但據報導於 2016 年5月破產。 [需要引用]
TerraFarms 提供 40 英尺貨櫃系統，其中包括與人工神經網路整合的電腦視覺，用於監控植物；[ 22 ]並從加州進行遠端監控。據稱，TerraFarm 系統“已經實現了與傳統戶外農業的成本平價” [ 23 ]，每個單元生產相當於“三到五英畝的農田”，透過水回收和收集，用水量減少了 97% [ 24 ]透過空調蒸發的水。[ 25 ]截至2017年12月，TerraFarm系統已投入商業營運。
在廢棄礦井中
廢棄礦井中的垂直耕作被稱為“深度耕作”，建議利用穩定的地下溫度和城市地區附近或城市地區的位置。它還可以使用附近的地下水，從而降低向農場供水的成本。[ 26 ]
科技
照明可以是自然光，也可以是 LED 燈。截至 2018 年，商用 LED 的效率約為 28%，[需要更新]，這使得生產成本居高不下，並阻礙垂直農場在廉價蔬菜豐富的地區進行競爭。[ 27 ]由於不需要全光譜白光，因此可以降低能源成本。相反，可以用更少的電力產生紅光、藍光或紫光。
歷史
最早的一幅關於種植糧食的高層建築的圖畫於2009 年在《生活》雜誌上發表。這個提議可以在雷姆·庫哈斯的《瘋狂的紐約》中看到。庫哈斯寫道，這個定理是「摩天大樓作為烏托邦裝置，在大都市地區生產無限數量的處女地」。[ 29 ]
水耕植物
對 VF 做出貢獻的早期建築方案包括Le Corbusier的 Immeubles-Villas (1922) 和 SITE 的 Highrise of Homes (1972)。[ 30 ] SITE 的高樓住宅幾乎是 1909 年生活雜誌定理 的復興。[ 31 ]塔式水耕植物的建造範例記錄在John Hix 的《玻璃屋》。奧地利朗根洛伊斯園丁學校的垂直農場和維也納國際園藝博覽會（1964 年）玻璃塔的圖像顯示垂直農場的存在。[ 32 ]使垂直農業成為可能的技術先例可以追溯到園藝歷史上溫室和水耕技術的發展。早期的水耕植物將水耕技術整合到建築系統中。這些園藝建築系統是從溫室技術演變而來的。英國星際協會開發了一種適合月球條件的水耕植物，而其他建築原型則是在太空探索的早期開發的。第一個塔式水耕裝置是在亞美尼亞開發的。[ 33 ]
亞美尼亞塔式水耕植物是第一個垂直農場的例子，並在 Sholto Douglas 的《水耕法：孟加拉系統》中進行了記錄，該書於1951 年首次出版，數據來自當時的東巴基斯坦、今天的孟加拉國和印度西孟加拉邦。[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]
後來出版或建造的前身是 Ken Yeang 的生物氣候摩天大樓（Menara Mesiniaga，建於 1992 年）； MVRDV 的 PigCity，2000； MVRDV 的 Meta City/ Datatown (1998–2000)；皮奇-阿奎萊拉的花園塔 (2001)。[ 30 ]
Ken Yeang 也許是最廣為人知的建築師，他提出了將居住單元和食品生產結合起來的「混合用途」生物氣候摩天大樓的理念。
垂直農場
迪克森·德波米爾 (Dickson Despommier)是環境健康科學和微生物學教授。 1999年，他在醫學生態學課上與研究生重新討論了室顫的話題。他推測，一個街區的一座 30 層樓的農場可以為 5 萬人提供食物，包括蔬菜、水果、雞蛋和肉類，並解釋說，水耕作物可以在較高的樓層種植；而較低的樓層則適合吃植物廢物的雞和魚。
儘管德波米爾的許多建議受到了環境科學和工程角度的挑戰，但德波米爾成功地推廣了他的糧食生產可以改變的主張。批評者聲稱，人工照明、暖氣和其他操作所需的額外能源將超過建築物靠近消費區域的好處。[ 37 ] [ 38 ]
德斯波米爾最初向他的班級提出挑戰，要求僅使用 5 公頃（13 英畝）的屋頂花園來養活整個曼哈頓人口（約 2,000,000 人）。班級計算出屋頂園藝方法只能養活百分之二的人口。德斯波米爾對結果不滿意，即興建議在室內垂直種植植物。到 2001 年，第一個垂直農場的輪廓被引入。 Despommier 在一次訪談中描述了垂直農場的運作方式：
建築設計由設計師克里斯·雅各布斯（Chris Jacobs）、安德魯·克拉尼斯（Andrew Kranis）和戈登·格拉夫（Gordon Graff）獨立完成。[ 40 ] [ 41 ]
大眾媒體的關注始於紐約雜誌上的一篇文章，[需要引用]，隨後是其他文章，[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] [ 45 ]以及廣播和電視專題。
2011年，芝加哥工廠正在大樓內建造厭氧消化池。這將使農場能夠脫離能源網運作。此外，厭氧消化器將回收附近企業的廢棄物，否則這些廢棄物將進入垃圾掩埋場。[ 46 ]
截至 2014 年，Vertical Fresh Farms 在紐約州布法羅運營，專門生產沙拉蔬菜、香草和豆芽。[ 47 ]三月，當時世界上最大的垂直農場在賓夕法尼亞州斯克蘭頓開業，由 Green Spirit Farms (GSF) 建造。該公司坐落在一棟佔地 3.25 公頃的單層建築內，貨架堆放六層高，可容納 1700 萬株植物。農場每年種植 14 種生菜作物，以及菠菜、羽衣甘藍、番茄、辣椒、羅勒和草莓。水是用除濕機從農場的大氣中吸取的。[ 27 ]
總部位於京都的 Nuvege（發音為“new veggie”）經營著一個沒有窗戶的農場。它的 LED 照明經過調整，可以為兩種類型的葉綠素提供服務，一種更喜歡紅光，另一種更喜歡藍光。 Nuvege 每年生產 600 萬顆生菜。[ 27 ]
美國國防高級研究計劃局 ( DARPA ) 運作一個 18 層樓高的項目，生產基因改造植物，使蛋白質可用於疫苗。[ 27 ]
Plenty 設計了一種新的人工智慧控制的模組化種植系統，適用於多種作物；他們正在弗吉尼亞州切斯特菲爾德開設一家農場，每年將種植超過 400 萬磅的草莓。與傳統農業相比，農場減少了 97% 的土地使用量和 97% 的用水量。[ 48 ]
優點
VF 的許多潛在好處都是透過擴大水耕或氣培種植方法而獲得的。[ 49 ]
2018 年的一項研究估計，城市地區現有植被提供的四種生態系統服務的價值每年約為 330 億美元。研究的定量架構預計每年糧食產量為100-1.8億噸，節能14-150億度，固氮10萬-17萬噸，雨水徑流減少45-570億立方公尺。糧食生產、固氮、節能、授粉、氣候調節、土壤形成和生物害蟲防治每年的價值可能高達 800-1600 億美元。[ 50 ]
減少對農田的需求
預計到2050年，世界人口將增加30億，其中近80%將居住在城市地區。[ 51 ]垂直農場有可能減少或消除創造額外農地的需要。[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]
農作物產量增加
與非熱帶地區的傳統農業不同，室內農業可以全年生產農作物。根據作物的不同，全季節耕作可將耕作面積的生產力提高 4 至 6 倍。對於草莓等農作物，此係數可能高達30 。
此外，由於農作物將在其種植地被消耗，長途運輸及其伴隨的時間延誤應該會減少腐敗、蟲害和能源需求。全球約 30% 的收穫作物因腐敗和蟲害而被浪費，但已開發國家的數字要低得多。[ 45 ]
Despommier 認為，一旦考慮到矮化作物（例如，矮化小麥，其尺寸較小，但營養更豐富[ 56 ]）、全年作物和「堆疊式」植物支架，一座 30 層的建築，其底座為建築塊（2 公頃（5 英畝））每年的產量相當於1,000 公頃（2,400 英畝）傳統農業的產量。[ 45 ]
天氣幹擾
傳統戶外農業種植的農作物依賴有利的天氣，並會遭受惡劣的氣溫、降雨、季風、冰雹、龍捲風、洪水、野火和乾旱的影響。[ 49 ]「最近的三場洪水（1993年、2007年和2008年）給美國造成了數十億美元的農作物損失，表土損失更是慘重。降雨模式和氣溫的變化可能會使印度的農業產量減少30%世紀末。[ 57 ]
儘管地震和龍捲風仍然構成威脅，但 VF 生產力基本上不受天氣影響。
惡劣天氣條件的問題對於阿拉斯加和加拿大北部等北極和亞北極地區尤其重要，這些地區基本上不可能進行傳統農業。糧食不安全一直是北方偏遠社區長期存在的問題，新鮮農產品必須長途運輸，導致成本高昂和營養不良。[ 58 ] 貨櫃農場可以全年提供新鮮農產品，其成本比從更南部地區運輸供應的成本更低，許多農場在 馬尼托巴省丘吉爾和阿拉斯加州烏納拉斯加等地運營[ 59 ] [ 60 ]由於農作物生長受到干擾，與將傳統種植的農產品運送到偏遠社區所需的長供應鏈相比，當地貨櫃農場也更不容易受到干擾。 2017 年 5 月和 6 月的洪水迫使邱吉爾鐵路線關閉，這是邱吉爾與加拿大其他地區之間唯一永久的陸路連接，此後，邱吉爾的食品價格大幅上漲。[ 61 ]
保護
由於 VF 生產力的提高， 每單位 VF 最多 20 單位的室外農地可以恢復其自然狀態，[ 62 ] [ 63 ] 。
因此，垂直農業將減少農田數量，從而節省許多自然資源。[ 45 ]農業對自然生物群落的侵占所造成的森林砍伐和沙漠化是可以避免的。在室內生產食物減少或消除了傳統的農機耕作、種植和收穫，保護了土壤並減少了排放。
資源稀缺
磷等肥料成分的稀少[ 64 ]對工業化農業構成威脅。垂直農場系統的閉路循環設計最大限度地減少了養分的損失，而傳統的田間農業則因徑流和水蛭而損失養分。[ 65 ]
大規模滅絕
為了解決人為大規模滅絕問題，可能有必要從地球陸地表面的大片區域撤回人類活動。
傳統農業擾亂了野生族群，如果有可行的替代方案，可能是不道德的。一項研究表明，收穫後，木鼠數量從每公頃 25 隻下降到每公頃 5 隻，估計傳統農業每年每公頃有 10 隻動物被殺死。[ 66 ] 相較之下，垂直農業會對野生動物造成名義上的傷害。[ 66 ] [ 67 ]
人類健康
傳統農業是一種危險職業，常常影響農民的健康。這些風險包括：接觸瘧疾和血吸蟲等傳染源以及土傳微生物、接觸有毒農藥和殺菌劑、與毒蛇等野生動物發生衝突，以及使用大型工業化農業設備時可能發生的傷害。 VF 降低了其中一些風險。[ 49 ]現代工業食品體系讓不健康的食品變得便宜，而新鮮農產品則更昂貴，從而助長了不良的飲食習慣。這些習慣會導致肥胖、心臟病和糖尿病等健康問題。
貧窮與文化
糧食不安全是導致絕對貧窮的首要因素之一。建造農場將使具有文化意義的食物持續成長，而不會犧牲永續性或基本需求，這對社會擺脫貧窮具有重要意義。[ 68 ]
城市發展
垂直農業與其他技術和社會經濟實踐結合使用，可以使城市擴張，同時保持糧食基本自給自足。這將使大型城市中心能夠在不受糧食限制的情況下發展。[ 49 ]
能源永續性
垂直農場可以利用甲烷消化器來產生能量。可以在現場建造甲烷消化器，將農場產生的有機廢物轉化為沼氣，沼氣通常由 65% 的甲烷和其他氣體組成。然後可以燃燒這些沼氣來為溫室發電。[ 69 ]
問題
經濟學
垂直農場需要大量的啟動資金，一些新創公司在破產前未能實現盈利。[ 70 ] 反對者質疑垂直農業的潛在獲利能力。[ 71 ]其經濟和環境效益部分取決於最小化食物里程（食物從農場到消費者的距離）的概念。【原創研究？ ]然而，最近的一項分析表明，交通運輸只是城市人口供應食品的經濟和環境成本的一小部分。分析得出的結論是「食物里程充其量只是一種行銷時尚」。[ 72 ]因此，該設施必須降低成本或收取更高的價格，以證明留在城市的合理性。
同樣，如果透過化石燃料滿足電力需求，對環境的影響可能是淨損失；[ 73 ]即使建造低碳發電能力為農場供電，也可能不如簡單地保留傳統農場，同時減少燃煤那麼有意義。
一座佔地 60 公頃的垂直農場的初始建設成本將超過 1 億美元。[ 74 ]主要城市的辦公室入住成本可能很高，東京、莫斯科、孟買、杜拜、米蘭、蘇黎世和聖保羅等城市的辦公室入住成本從每平方公尺 1850 美元到 880 美元不等。[ 75 ]
TerraFarm 系統的開發人員使用二手 40 英尺貨櫃生產，聲稱他們的系統「已實現與傳統戶外農業的成本相當」。[ 23 ]
能源使用
在生長季節，陽光以極端角度照射在垂直表面上，因此農作物獲得的光線比種植在平地上時要少得多。因此，需要補充光線。Bruce Bugbee聲稱，垂直農業的電力需求與僅使用自然光的傳統農場沒有競爭力。[ 37 ] [ 76 ]環境作家George Monbiot計算出，為單塊麵包提供足夠的補充光照來種植穀物的成本約為 15 美元。[ 77 ]《經濟學人》的一篇文章認為，“即使在玻璃摩天大樓裡種植的農作物在白天會得到一些自然陽光，但這還不夠”，“人造燈的供電成本將使室內農業變得異常昂貴” 。[ 78 ]
由於「垂直農場」提出了一個受控環境，加熱和冷卻成本將類似於任何其他塔。管道和電梯系統對於分配養分和水是必需的。在美國北部大陸，化石燃料供暖成本可能超過每公頃 20 萬美元。[ 79 ]
英國格洛斯特郡的瓊斯食品公司於 2024 年開設了一家農場，種植面積達 14,500 平方米（156,000 平方英尺），僅由可再生電力供電。[ 80 ] [ 81 ]
污染
根據所使用的發電方法，溫室農產品比田間農產品產生更多的溫室氣體，[ 82 ]主要是因為每公斤能源消耗更高。與普通溫室相比，垂直農場每公斤所需的能源要多得多，主要是透過增加照明來實現。產生的污染量取決於能源的產生方式。
溫室通常將CO 2水平補充至大氣水平的三到四倍。 CO 2的增加使光合作用速率提高了 50%，從而提高了產量。[ 83 ]有些溫室純粹為此目的燃燒化石燃料，因為其他CO 2來源（例如來自熔爐的CO 2 來源）含有二氧化硫和乙烯等污染物，會對植物造成嚴重損害。[ 83 ] 這意味著垂直農場需要 CO 2來源，最有可能來自燃燒。此外，必要的通風可能會使CO 2洩漏到大氣中。
溫室種植者通常利用植物的光週期來控制植物處於營養階段還是生殖階段。作為此控制的一部分，燈光在日落之後和日出之前保持亮起，或整個晚上定期亮起。單層溫室因光污染而招致批評。[ 84 ]
水耕溫室定期換水，產生的水中含有必須處理的肥料和農藥。對於城市垂直農場來說，將污水擴散到鄰近農田或濕地的最常見方法會更加困難。[ 85 ]
技術與設備
垂直農業依靠各種物理方法的使用來發揮作用。將這些技術和設備結合成一個整體對於使垂直農業成為現實是必要的。各種方法被提出並正在研究中。建議最常見的技術是：[ 86 ]
計劃與實現
多個城市的開發商和地方政府表示有興趣建立垂直農場：仁川（韓國）、阿布達比（阿拉伯聯合大公國）、東灘（中國）、[ 88 ] 紐約市、波特蘭、俄勒岡州、洛杉磯、拉斯維加斯維加斯，[ 89 ]西雅圖、薩裡、不列顛哥倫比亞省、多倫多、巴黎、班加羅爾、杜拜、上海和北京。[ 90 ]
2009年，世界上第一個試生產系統在英國佩恩頓動物園環境公園安裝。該計畫展示了垂直農業，並為研究永續城市糧食生產提供了物理基礎。產品用於餵養動物園的動物，而該計畫可以對系統進行評估並提供教育資源，以倡導改變影響全球生物多樣性和生態系統服務的不可持續土地利用做法，[ 91 ]
2010年，綠色猶太復國主義聯盟在第36屆世界猶太復國主義大會上提出一項決議，呼籲Keren Kayemet L'Yisrael（以色列猶太國家基金會）在以色列發展垂直農場。[ 92 ]
2012年，世界上第一個商業垂直農場在新加坡開幕。 Sky Greens Farms 開發了它，三層樓高。[ 93 ] [ 94 ]他們目前擁有超過 100 座九公尺高的塔樓。[ 95 ]
2013年，垂直農業協會（AVF）在慕尼黑（德國）成立。到 2015 年 5 月，AVF 的區域分會已擴展到歐洲、亞洲、美國、加拿大和英國。[ 96 ]該組織將種植者和發明家聯合起來，以改善糧食安全和永續發展。 AVF 致力於透過舉辦國際資訊日、研討會和高峰會來推進垂直農業技術、設計和業務。[ 97 ]
參見
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—— Matthew 22:37 —— 馬 太 福 音 22:37