到2050年，世界人口预计将增长到97亿，而养活它将是一个巨大的挑战。由于工业发展和城市化，我们每天都在失去耕地。2015年，科学家报告说，在过去的40年中，地球已经失去了三分之一的耕地。

我们不知道在未来40年中我们还会损失多少。由于人口增加造成的粮食需求增加，耕地面积不断减少，这是我们面临的最大挑战之一。许多人认为，垂直农业可以解决这一挑战。纵向农业会成为农业的未来吗？让我们找出答案！

什么是垂直农业？

垂直耕作是在垂直倾斜的表面上生产食物的实践。这种方法不是在田间或温室等单一级别上种植蔬菜和其他食物，而是以垂直堆叠的层级生产食物，通常将这些层级集成到其他结构中，例如摩天大楼，运输集装箱或改建后的仓库。

通过使用可控环境农业（CEA）技术，这种现代理念采用了室内耕作技术。温度，光，湿度和气体的人为控制使得在室内生产食品和药品成为可能。在许多方面，垂直耕作类似于温室，在温室中金属反射器和人造照明增强了自然光。垂直耕作的主要目标是在有限的空间内最大限度地提高农作物的产量。

垂直农业如何运作？

在理解垂直耕作的工作方式时，有四个关键领域：1. 物理布局，2. 照明，3. 生长中的植物和 4.可持续性特征。

首先，垂直农业的主要目标是每平方米生产更多的食物。为了实现这一目标，在塔式生活结构中将农作物堆叠起来进行耕种。

其次，自然光和人造光的完美结合被用于维持房间内的完美照明水平。诸如旋转床之类的技术用于提高照明效率。

第三，代替土壤，使用气培，水培或水培生长培养基。在垂直农业中，泥炭藓或椰子壳以及类似的非土壤介质非常普遍。最后，垂直耕作方法利用各种可持续性特征来抵消耕作的能源成本。实际上，垂直农业用水减少了95％。

纵向农业的利弊

垂直农业有很多前途，听起来像是未来的农场。但是，在全速前进到垂直耕作之前，需要考虑一些绊脚石。

优点         

1. 它提供了应对未来粮食需求的计划
2. 它可使农作物全年生长
3. 它使用的水少得多
4. 天气不会影响农作物
5. 可以种植更多的有机农作物
6. 减少接触化学药品和疾病

缺点         

1. 建设成本可能很高，经济可行性研究尚未完成
2. 授粉将非常困难且代价高昂
3. 这将涉及更高的人工成本
4. 它过分依赖技术，一天的断电将是毁灭性的

垂直农业的优势

在较小的耕地上获得更大的产量并不是垂直农业的唯一优势。

以下是垂直农业的一些主要好处：为未来做准备：到2050年，预计将有约68％的世界人口生活在城市地区，而不断增长的人口将导致对食物的需求增加。有效利用垂直农业可能在应对这一挑战中发挥重要作用。

全年增加的作物产量：垂直种植使我们能够在相同的种植面积上生产更多的作物。实际上，一英亩的室内面积相当于至少4-6英亩的室外容量。根据一项独立的估算，一栋30层，基础面积为5英亩的建筑可能会产生相当于2400英亩的常规水平耕作。此外，在受控的室内环境中可以全年进行作物生产，而室内环境完全由垂直耕作技术控制。

减少用水： 垂直耕作使我们生产的水比正常耕作所需的水少70％至95％。

不受不利天气条件的影响：自然灾害如暴雨，旋风，洪灾或严重干旱会对田地的作物造成不利影响，由于全球变暖，这些事件变得越来越普遍。室内垂直养殖场不太可能受到不利天气的冲击，从而使全年的收获量具有更大的确定性。

有机农作物产量的增加：由于农作物是在良好控制的室内环境中生产的，无需使用化学农药，因此垂直种植使我们能够种植无农药和有机农作物。

对人类和环境友好：室内垂直种植可以大大减轻传统种植带来的职业危害。农民没有受到与重型耕作设备，疟疾，有毒化学物质等疾病相关的危害的威胁。由于它不会干扰内陆地区的动植物，因此对生物多样性也有好处。

纵向农业的局限性

纵向农业有利有弊。有时，强调了垂直农业的优点，而不是缺点。以下是垂直耕作的主要限制：

没有确定的经济学：这种新的耕作方法的财务可行性仍然不确定。但是，随着行业的成熟和技术的进步，财务状况正在发生变化。例如，总部位于新泽西州的室内农业创业公司Bowery在2018年12月宣布，它已经筹集了9000万美元的新资金。2017年，西海岸垂直种植商Plenty宣布获得软银2亿美元的投资。

授粉困难：垂直耕作是在受控环境中进行的，没有昆虫。因此，授粉过程需要手动完成，这将是劳动密集型且成本高昂的。

劳动力成本：由于垂直农业的能源成本高昂，劳动力成本甚至可能更高，这是因为它们集中在工资较高的城市中心，并且需要更多的熟练劳动力。但是，垂直农场的自动化可能导致需要更少的工人。手动授粉可能会成为垂直农场中劳动密集型功能之一。

对技术的依赖性太大：开发更好的技术总是可以提高效率，降低成本。但是整个垂直种植都极其依赖于各种照明技术，维持温度和湿度的技术。对于垂直农场来说，仅一天的断电可能会造成巨大的损失。许多人认为，当今使用的技术还没有为大规模采用做好准备。

垂直农业能解决什么问题？

我们先来看一组数据：全球农业生产占用了人类70%用水，每年消耗320万吨农药和2亿吨化肥，与此同时，与40年前相比，全球耕地却减少了30%……去年 Biological Conservation 上发表了一篇很有影响力的研究，该研究表明，全球昆虫中40％的物种正在减少，许多物种将在几十年内灭绝，而导致这一物种危机的主因是农业生产导致的昆虫栖息地流失，特别是化肥和农药的过度使用，更是加剧了这一危机。

农业生产的可持续性性，成了全球关注的焦点问题。那么什么样的农业才是可持续的？又如何发展可持续农业呢？

垂直农业可能是未来的一个重要方向，垂直农场最明显的优势在于——资源与空间、时间的充分利用。垂直农业节水、不用担心病虫灾害和自然灾害，一年365天可以收获，同时可以大大提高相同面积土地的作物生产力。有研究者这样描述垂直农业：作物产量提高390倍、用水却比一般种植少95%，无需太阳光、没有土壤、不使用农药，不会引发农业污染。

垂直农业若能普及，两类区域将受益匪浅。一类是类似日本、新加坡这样人口密集，但土地资源极其缺乏的地方。当然，在这些地方，垂直农业已经生根发芽，日本的植物工厂、新加坡的城市农业，都是特定模式的垂直农业体系，或另一个名称；另一类区域则是类似像中东和非洲这些高度缺水、干旱的地区，以及俄罗斯这些常年高冷、不适合种植蔬菜的地区，垂直农业结合室内种植，可以突破自然环境的不足。


美国的垂直农业

美国的垂直农业增长迅速，在2018年至2024年之间的复合年增长率超过24％，届时预计每年将达到30亿美元。相比之下，2016年美国水果和蔬菜产业的总价值超过1047亿美元。根据一个帐户，“现在，购物者可以在20多个连锁超市中的23多个大型垂直农场在室内种植产品在该国几乎每个主要的大都市地区”。

然而，当生存取决于扩张，而扩张是如此资本密集时，该产业仍然保持着很高的杠杆率，引发了人们对其生存能力的担忧。据同一消息人士称，“尽管行业领导者说规模化为该业务的盈利能力提供了最大希望，但许多垂直农场在开始计划增加额外的生产设施时遇到了问题。”

以下13种创新技术及其应用代表了垂直农业领域值得关注的最新进展：

1.水培法——无需土壤的植物生长方法

水培法是一种在水基营养丰富的溶液中种植植物的方法，在垂直农业中得到广泛使用。这种方法的基本前提是允许植物根与营养液直接接触，同时也可以获得氧气，有效杜绝土壤中的细菌和有害物质，从而实现真正的绿色食品生产。

由于植物的根部浸没在营养液中，通过传感器可以轻松实现植物生长与营养液中营养成份的监测，由于水培法植物根系较小，从而生长更丰富。它比开放式农业用水少70％。最大的优点是它可以随处堆叠。都市农业的最佳实践之一。在快速城市化的世界中，水培系统可以集成到任何空间中。

2.气雾栽培——没有土壤和很少水的植物栽培

气雾栽培是一种新型的栽培方式，它是利用喷雾装置将营养液雾化为小雾滴状，直接喷射到植物根系以提供植物生长所需的水分和养分的一种无土栽培技术。气雾栽培技术最早是美国NASA在20世纪90年代发明，以寻找有效的太空植物种植技术。后来这种技术被称为“Aeroponics”，意思是“生长在没有土壤和很少水的空气/雾环境中的植物”。

气雾栽培技术主要是将作物悬挂在一个密闭的栽培装置（槽、箱或床）中，而根系裸露在栽培装置内部，营养液通过喷雾装置雾化后喷射到根系表面,减少栽培植物硝酸盐含量。

这种技术使作物产量成倍增长，它是不用土壤或基质来栽培植物的一项农业高新技术，其因以人工创造作物根系环境取代了土壤环境，可有效解决传统土壤栽培中难以解决的水分、空气、养分供应的矛盾，使作物根系处于最适宜的环境条件下，从而发挥作物的增长潜力，使植物生长量、生物量得到大大提高。

气雾栽培除了加快植物生长速度，使农业生产上栽培的瓜果蔬菜生长发育进程加快外，在垂直农业技术中，气雾栽培是最节水、节肥的一种栽培技术，可以减少或者避免化学农药的使用，是其它任何技术无法比拟的，只要有电有水有光照的地方就可以进行气雾栽培，做到最大化的实施立体种植，而且没有任何土壤或其它污染所致的污垢发生，可完全做到工厂式的洁净化生产。

3.鱼菜共生—一种整合植物和鱼类养殖的生态系统

鱼菜共生（Aquaponics）是一种新型的复合耕作体系，鱼菜共生系统很像水培系统，但更优化。它把水产养殖(Aquaculture)与水耕栽培(Hydroponics)这两种原本完全不同的农耕技术，通过巧妙的生态设计，达到科学的协同共生，从而实现养鱼不换水而无水质忧患，种菜不施肥而正常成长的生态共生效应。

在传统的水产养殖中，随着鱼的排泄物积累，水体的氨氮增加，毒性逐步增大。而在鱼菜共生系统中，水产养殖的水被输送到水培栽培系统，由细菌将水中的氨氮分解成亚硝酸盐然后被硝化细菌分解成硝酸盐，硝酸盐可以直接被植物作为营养吸收利用。鱼菜共生让动物、植物、微生物三者之间达到一种和谐的生态平衡关系，是可持续循环型零排放的低碳生产模式，也是有效解决农业生态危机的有效方法，鱼菜共生系统简化了生产和经济问题，可以使生产效率最大化。

4.Lokal——自给自足的小型家庭蔬菜系统

2017年9月，宜家创新实验室Space10提出了使用水培农业系统的Lokal的想法。通过营养液替代土壤，用LED灯取代太阳光，让人们可以在室内无阳光或土壤的地方种植并收获作物。这项创新可以真正帮助人们在自己的家中种植新鲜食物。

据SPACE 10介绍，该系统可以使植物生长速度比传统种植方法快三倍，用水量减少90%。用过传感器，用户在手机上就可以随时掌握作物的生长状态。从长远来看，宜家希望利用机器学习来收集和分析人们使用Lokal的数据。

5.AeroFarms——智能垂直农业创新


成立于2004年的美国垂直农场AeroFarms是室内农业领域的领导者，通过使用LED照明、气雾栽培技术和气候控制等最新技术，可以在没有阳光、土壤和农药的环境下种植蔬菜。这种高度精细化管理可以控制植物的产量、形状、质地、颜色、风味及营养成分。目前公司已经可以种植250多个蔬菜品种。

AeroFarms从田间采集完全相同的种子，并会监控作物的整个生长过程，确保可以不间断地供给作物生长发育所需要的一切营养。与传统农场相比，AeroFarms每平方英尺的作物产量要高出390倍。

通过传感器，该公司可以实现作物生长全流程的智能化数字管理，可以缩短作物收获期，并提高食品质量，并减少对环境的影响，使作物的生长与收获更加可控高效。该公司已经在世界各地建造了多个农场，包括2016年在美国纽瓦克市建立的世界上最大的垂直农场。该农场面积为69000平方英尺，每年可以生产200万磅的蔬菜和香料，并比普通田地里种植的作物节约95％的水。AeroFarms公司已累计融资1.38亿美元。

6.Plantscapers——为住户提供食物的建筑

瑞典食品科技公司Plantagon提出一种创新的解决方案，直接让办公空间和建筑物为人们提供食物。为此，Plantagon购买了名为Åke Olsson的农民发明的垂直温室的专利，该专利使用一种架式运输系统，逐渐将种植箱从垂直温室的地板移动到天花板，而不需要人工照明。

Plantagon将该专利融入到办公楼中，该建筑将被命名为World Food Building，目标是每年生产至少550吨蔬菜，预计可以为近5000人提供日常所需。为了保持低成本，该建筑将采用高度自动化技术来维护和收获。此外，阳光、温度、营养以及空气质量等都将通过自主系统进行监控。

7.VertiCrop——城市可持续农业技术

总部位于加拿大温哥华的VertiCrop公司推出了一项用于城市的农业种植技术专利，在2009年被时代杂志评为世界上最伟大的发明之一。

该技术基于水培技术，通过输运系统移动特制的悬浮托盘，为植物提供最佳的人工光和自然光。

该设计使作物能够在受控和封闭环境中健康生长，完全不需要除草剂和杀虫剂，且产量为普通农田作物产量的20倍，只需土壤耕作所需的8%的水。

8.模块化农场——在世界任何地方生产新鲜植物

模块化农场系统是加拿大公司ModularFarms的一项重大创新。它是一个完全室内的垂直农业系统，能够在任何气候和任何地方生产健康和新鲜的植物。

该模块化农场是一个基于城市农场理念的定制设计，提供可用于各种目的的模块，用户可以根据农业需求定制系统并扩展其功能。模块化农场系统专注于农民的投资回报和植物健康，该系统是集装箱农场的完美配对，也是垂直农业的试验性技术。

9.立方农业系统——下一代可持续农业系统

加拿大公司Cubic Farms的CEO Dave Dinesen曾在TED演讲中指出，公司是下一代一致性、可预测的和有利可图的农场产品开发商。

公司开发的立方农业系统通过输送机旋转法、自动营养输送系统和LED照明进行工作，为绿色植物创造最佳的生长环境，用水量仅为传统农业的1/26。

该公司的技术完全消除了普通农业的风险，通过控制投入实现标准化产出。农场生产出的产品在大小、味道和颜色上都非常一致，还可以提供更长的保质期和更高的营养成分。这也意味着稳定且更可预测的收入。

10.ZipGrow——现代农民的垂直耕作美国

公司ZipGrow把垂直农业与无土栽培相结合。其垂直种植塔的工作原理，是利用传统的水培技术结合垂直重力供给系统，实现有限空间的利用最大化，增加单位面积的效益。

ZipGrow公司基本上彻底改变了垂直农业产业，包括系统控制、垂直平面生长技术和高科技工作流程设计。

11.Bowery——世界上技术最先进的商业室内农场

美国室内养殖公司Bowery开发的技术先进的农业系统BoweryOS，可以控制作物的全室内生长过程而不使用杀虫剂，产量是传统种植方式的30倍以上，可以种植100多种草本植物和绿叶蔬菜。

该技术将自动生成植物的理想条件，同时收集生长数据，并为植物提供精准的光照强度和时间、营养和纯净水。通过自动灌溉系统可以测量和维持蔬菜生长所需水量的最佳水平，比传统农业节省95%的用水。

12.Skyfarm - 风力垂直农场塔

英国建筑公司Rogers Stirk Harbour + Partners在2014年世界建筑节期间提出了一个名为Skyfarm的概念。意图打造一个双曲面塔，采用不同的耕作技术，包括鱼菜共生和传统的土壤种植方法，适合在高密度城市地区或土地供应较少的地方生产作物。

这座多层建筑采用竹子制作一个坚固的圆形框架，同时最大限度地将阳光照射到农场。通过循环系统支持作物和鱼类的生长，其中来自鱼类的养分被输送到作物，而作物为鱼类提供经过过滤的水。

塔的底部设计有一个大型透明水箱，用于养殖鲈鱼、罗非鱼和澳洲肺鱼等鱼类。塔的中间，通过水培法种植植物。再往上，植物通过气雾和无土生长，塔顶由水箱和涡轮机组成。该塔旨在为城市居民全年提供保持期短的农作物产品，是农业可持续解决方案的一个典型案例。

13.Sky Greens——世界上第一个液压垂直农场

新加坡公司Sky Greens开发了革命性的垂直农业系统，该系统也是世界上第一个低碳水力驱动的农场。蔬菜种植在货架上，可以全天候不停地旋转。

在该农场，底部的植物吸收水，而顶部的植物获得阳光，整个过程不断循环。与传统的耕作技术相比，这种方法最大限度地减少了水、土地和能源的消耗。

此外，与传统农场相比，该系统的产量可提高10倍。虽然该系统目前用于种植亚洲蔬菜，但也可用于种植各种水果和其他蔬菜。

结论

纵向农业技术仍然相对较新。公司尚未成功大规模生产农作物，使其在经济上可以满足不断增长的粮食需求。像AeroFarms这样的农场的表现将决定垂直农业在未来面对日益增长的粮食需求挑战中的重要作用。但是，值得注意的是，为垂直农场开发的技术也被室内农业领域的其他部门所采用，例如温室，尽管需要更多的房地产和更长的销售途径，但它们可以利用自然的阳光。