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垂直农业:梦想能否照进现实?

作者:中国科学报记者 边慧

“想知道未来人们的食物可能会产自哪里吗?请向上看。”——这是“垂直农业”为我们描绘出的一幅图景。未来,人们周围的摩天大楼可能不再是酒店、写字楼或者商业中心,而是一座座农场——我们吃的瓜果蔬菜,甚至鸡鸭鱼肉,都将来自其中。

垂直菜园

垂直菜园

支持者们声称,地面农业转型成垂直农业后,人类再也不必担心耕地会耗尽。而且因为是在室内进行农业生产,人们全年都可以种植作物,不用担心坏天气、干旱或自然灾害的影响。如果将建筑物密封起来并仔细监控,就不需要使用杀虫剂来消灭害虫和寄生虫。

质疑者也大有人在。核心的反对观点是:传统农场是生产农作物最简单、最有效的地方。另外,利用人造光和其他特殊设备在室内种植农作物意味着更多的投入和花费,并且抵消了靠近消费者的好处。

设想:摩天大楼里种粮食

当传统的土地已经难以挖掘更多潜力时,人们将目光对准了空中。有科学家提出,可以将庄稼种到空中去——建造摩天大楼,令其变身为垂直农场。

由此可见,垂直农业的原则基础非常简单:不是把农作物从农场运到城市,而是尽可能在向上延伸而不是向外扩展的城市温室中种植作物。

1999年,纽约哥伦比亚大学的环境卫生学及微生物学名誉退休教授迪克森·戴斯波米尔称,垂直农场不仅能解决未来的粮食短缺问题,还可以阻止全球变暖,提高第三世界国家的生活水平,改变人类获取食物和处理废弃物的方式。

戴斯波米尔领导了“垂直农场项目”,该项目农场室内一亩的耕作产量等同于室外四到六亩的耕作产量。与此同时,美国佛罗里达州有个农场被改造成了室内水耕农场,用于大批量生产草莓。现如今,在这座农场中,每1亩暖房能产出相当于30亩地的草莓。

那么,摩天大楼到底如何种粮食?

据记者了解,垂直农场在农业生产过程中的重要技术主要有三种:滴灌、水培和气培。

滴灌法已经在传统农业生产中广泛应用,主要是利用塑料管道将水通过直径约10毫米的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉,对水的利用率可达95%。

水培法则是将植物种在溶解了各种营养物质的水槽中。在水培温室里,农作物可以全年生长,产量可以达到最大。只要有足够的水分和能量供应,室内种植可以在任何地方进行,而且空间利用非常灵活,不会破坏土壤的结构。

气培法是将农作物栽培在生物箱内,作物根部悬于营养液上方,营养液以气体的形式喷到作物根部。用这种方法种植农作物可以大量节约用水。有研究表明,气培法所生产的作物含有更高的钙和钾,对人体健康更有益。

而在能源供应方面,农业摩天大楼整体运作包括电力供应系统、水循环系统和智能化补光系统。

垂直农业无疑是一个美好的设想。理论上说,在室内从事农业生产,人们全年都可以种植作物,不用担心坏天气、干旱或自然灾害的影响, 更不用担心害虫和寄生虫。垂直农场里拥有高精度的环境控制——温度、光照、二氧化碳的浓度以及营养液的含量都由电脑全自动控制,能量的植物转化率是普通农业的2~3倍,而无土栽培也让人不用担心重金属污染等问题。

争议:成本、技术仍待解决

但事实上,不少业内专家都对《中国科学报》记者表示,垂直农业很难大面积推广开来。对于传统农业来说,这仅是一种补充和创新思维。具体的实施中,也有一些现实的困难和争议摆在眼前。

2015年,谷歌母公司Alphabet停止了谷歌X实验室的100多个“登月”项目,其中就包括自动化的垂直农业项目。

“在自动收割和提高光照效率等方面,我们取得了进展。但最终,我们无法以这种方式生产水稻和小麦等主要粮食作物,因此我们放弃了这一项目。如果有人能研究出植株较矮的水稻,请联系我们,因为这或许就是问题解决的关键。”在发表在博客网站Medium的TedX演讲中,谷歌X负责人阿斯特罗·泰勒这样解释项目中止的原因。

而在华南农业大学水利与土木工程学院讲师陈旭铭看来,垂直农业若要实现自身设定的目标,需要极高的农业发展水平。“目前看来,尤其是在中国,这种水平难以达到。”

陈旭铭告诉《中国科学报》记者,在戴斯波米尔的描述中,一座占地只有一亩、30 层高的垂直农场,可以为5 万人提供一年的食物和饮用水。如果按照正常情况下,一个人每年平均要消耗1 吨的食物与饮用水,5万人一年的需求是5万吨粮食,所需要的耕地面积是53960亩。而戴斯波米尔的农场建筑只有30亩,在建筑设计面积达到最大的情况下,种植平均亩产926.6公斤的“Y 两优2 号”超级杂交稻,一年只能提供27.79 吨粮食,仅能满足27.79人一年的粮食需要。如果要养活中国14亿人,就需要5000万座垂直农场。

陈旭铭进一步举例,假设农业发展水平极高,构想的垂直农场确实能养活5万人,由于人消耗的粮食不会有太大波动,所以5万人仍然需要5万吨粮食,那么垂直农场的亩产量必须达到166 吨,是中国目前最高粮食亩产量的179 倍。

不仅如此,在现阶段,垂直农业的成本和能耗也始终居高不下。

按照中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所环境工程研究室主任杨其长的估计,垂直农业的成本每平方米高达5000~10000 元。一栋高质量的垂直农场可能需要数十亿美元,这显然远超传统农业。第二个问题是能源的消耗。有数据显示,如果想利用垂直农业取代美国全年的小麦生产,仅照明用电需要的电量就是美国所有电站1 年生产总电量的8 倍,这显然背离了绿色的初衷。

实践:探索需要结合国情

尽管垂直农场的设想还存在着很多问题,但粮食安全问题的紧迫性和理论上的巨大优势,仍然吸引着各国竞相尝试这一新型农业模式。目前,在新加坡、日本、韩国、美国、古巴、荷兰以及我国都有了垂直农场的雏形。

中国农业大学水利与土木工程学院副教授王宇欣向《中国科学报》记者介绍,在荷兰,垂直农场生产的食品已经在超市中可以见到。当地一家名为“植物实验室”的公司栽培了各种作物,如草莓、豆角、黄瓜和玉米。更重要的是,它比传统农场减少了近90% 的用水量。

“中国城市规模的急速扩张与城镇化的不断推进,加剧了建设用地短缺与农田保障的矛盾。戴斯波米尔曾经表示,最应该实行垂直农业的国家是中国和印度。”王宇欣认为,探索垂直农业对于我国来说有着现实意义。

“垂直农场的优点与缺点同样明显。”陈旭铭认为,中国完全可以利用其长处,结合自身国情,发挥垂直农业应有的优势。

陈旭铭以城中村改造为例,提议可以将城中村改造成集居住和现代化生产结合的垂直农场。“城中村的改造一直是城市规划中面临的一个比较头疼的问题。城中村如何改造?改造后如何安置村民?改造后村民如何谋生?如果能在原来城中村的基础上,建成一栋栋立体农场,又能居住又能生产,就既可以解决村民安置的问题,又能使他们发挥一技之长,解决就业问题,同时还能为城市居民提供新鲜的农副产品,改善城市生态环境。”

文章来源:中国科学包

原文链接:http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2016/3/340063.shtm

图片来源:Pixabay

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