垂直农业（Vertical Farm）

以城市建筑为平台，利用城市垂直空间、技术、资金等资源，借助城市销售网络进行农产品生产，并资源化处理城市有机废水废物——这种都市农业称之为垂直农业。

垂直农业分为两种应用方式，分别是垂直农场和表皮农业建筑。

1、垂直农场

(1)垂直农场概念

垂直农场概念由哥伦比亚大学环境健康学和微生物学教授迪克森·德斯珀米尔(Dickson Despommier)提出。根据他在《垂直农场》一文中的论述：垂直农场是城市中的大规模农业生产，或者摩天大楼里的农场。垂直农场利用资源化技术处理城市有机废物、废水，全年生产蔬菜，水果和可食用的菌类和藻类，并利用可再生能源技术获取能量。德斯珀米尔教授1999年在一节医学生态学课上提出垂直农场概念。在2001年，纽约哥伦比亚大学公共健康学院(Mailman School of Public Health at Columbia University)他创建并开展垂直农场的项目。德斯珀米尔教授认为，在现有的条件下的纽约，占地一个城市街区的30层建筑可以养活10000人——在其他一些文字中，他认为这个数字可以达到50000人。大约150个摩天大楼式垂直农场能提供纽约市民将近一年的食物。

在这样的数据支持下，可以认为垂直农场的生产能力远超过现有水平农业操作方式——垂直农场具有强大的农产品生产能力。(图2-1所示)

在其强大农业生产能力支持下，垂直农场不仅着眼于满足未来的粮食需求，并希望解放现有的农田，将耕地归还于自然界，以增强生态系统抵抗灾难的能力，缓解或解决全球性生态危机。此外，垂直农场还旨在处理城市有机废物和废水。德斯珀米尔教授希望以模仿自然界物质循环和能量层级流动的形式，对城市有机废物和废水加以利用，改变现有的城市能量循环系统，获取可再生能源以服务城市。所以，一般意义的垂直农场不仅具有农业生产功能，也具有城市有机废物废水资源化处理功能。

垂直农场不是纯粹建筑学概念，它包含着水生生物学，材料科学，结构和机械设计，工业微生物学，植物和动物基因，建筑设计，公共卫生，废物管理，物理和城市规划等学科知识和技术。以城市中有机废水处理为例，涉及到环境科学中废水处理技术，能源科学中生物质能利用技术等。垂直农场是多学科交叉合作的集合概念。

(2)几类垂直农场概念比较

在垂直农场的研究领域中，现有多个相关概念作为德斯珀米尔教授垂直农场概念的延伸与扩展。蒂芙尼·贝雷斯(Tiffany D. Broyles)提出的都市农业的建筑类型可以被认为其中的一种。此概念与德斯珀米尔垂直农场概念的不同之处在于，更加注重建筑设计手段的使用，而非通过人工环境控制手段，以达到保障全年农业生产的要求。蒂芙尼·贝雷斯主张充分研究建筑所在地的地域特点，包括全年全天气候变化和当地的太阳辐射特点。她希望借助建筑设计的手段，令建造适应太阳辐射变化，以最大限度的吸收利用太阳辐射；通过利用被动式太阳能技术的建筑，节省人工能源投入。在这一过程中，关键在于明确建筑和气候的关系，明确建筑的首要任务是保温或者通风降温。

澳大利亚昆士兰州理工大学的奥利弗·福斯特(Oliver Foster)提出O型垂直农场的概念，在功能上和德斯珀米尔教授的垂直农场概念相同。主要区别是，垂直农场功能布置以及垂直农场在城市中的选址。福斯特认为设立垂直农场的位置应当和城市人口密度建立联系，并且他将垂直农场中果树生产部分单独建立在城市环境中，以形成果树林，并在果树林和主体农场之间建立联系。

德斯珀米尔教授的垂直农场概念遵循设施农业技术和植物工厂技术对光环境、温度环境、湿度环境等提出的要求，为实现环境稳定，主要采用人工环境控制。蒂芙尼·贝雷斯提出的概念更多的考虑了建筑设计对于垂直农场帮助，可以作为建筑学在垂直农场建筑和建筑环境学方面的研究方向。

(3)垂直农场功能

垂直农场的农产品生产采用人工环境控制手段，控制动、植物生长所需的温度湿度环境，光环境等。部分垂直农场中采用自然生态系统中的“食物链”方式搭配植物、动物、微生物，以寻求物质和能量的最大利用率。植物生长涉及到农业学中的设施农业技术、无土栽培技术和植物工厂技术，在农产品生产过程中，可以采用水培种植，气培种植和其他介质种植方式，主要的农产品种类为蔬菜，水果类。在动物养殖过程中，一般以水产养殖、鸡养殖为主、部分涉及到猪、牛、羊大型牲畜养殖。(图2-2所示)

德斯珀米尔教授的垂直农场处理城市和农业有机废物，依靠厌氧发酵手段获得沼气，作为垂直农场运行过程中的能量。目前，垂直农场的农产品生产采用营养液培植，不能有效利用沼液沼渣中的营养成分。而在实际的农业实践活动中，厌氧发酵产物沼液、沼渣也有帮助农作物生长和储存蔬菜等能力。沼液作为农产品生长过程中的肥料，沼渣作为部分农作物的生长介质。基于后文中介绍的立体农业理念，存在将沼液沼渣用于农作物生产的潜力。另外，动物的粪便也可以作为厌氧发酵的原料。垂直农场中的城市有机废水由废水经过厌氧等环节净化，成为中水。中水可以作为垂直农场浇灌用水，也可以作为生活用水。这个环节中沉淀出的废渣，进入厌氧发酵环节。而中水进一步净化为饮用水。中水的进一步净化可以采用速生植物蒸发或者湿地净化。水在垂直农场中循环使用。

现阶段垂直农场一般以可再生能源作为自身巨大能耗的支持。生物质能是最主要能源。在垂直农场领域中，产生生物质能的生物质不仅包括城市有机废水废物，也包括垂直农场中农产品废弃部分，包括秸秆动物粪便等。经过发酵，生物质能变成沼气作为能源。除此之外，太阳能光伏发电和风电场也是垂直农场中常见的可再生能源。

2、表皮农业建筑

(1)表皮农业建筑概念

“表皮农业建筑”的概念源于詹姆斯·佩特(James Petts)的《表皮农业建筑的挑战、困境与机遇》。表皮农业建筑的定义是，利用建筑垂直方向上的空间——如阳台、屋顶、墙体和房前屋后的小型绿地——进行种植和养殖活动。然而，本文中所采用的表皮农业建筑概念针对于都市农业中的垂直农业类型，不包含房前屋后小型绿地。

在提出表皮农业建筑的概念之前，垂直绿化和屋顶花园概念作为改善城市环境的方式早已出现，二者是表皮农业建筑的前身。在长时间的发展过程中，垂直绿化和屋顶花园相关技术已经成熟，促进了表皮农业建筑的发展。

(2)表皮农业建筑功能

表皮农业建筑的功能定位是农业生产，包括植物种植和动物养殖两种。植物种植分为屋顶种植、阳台种植和墙体种植三种，动物养殖分为屋顶养殖和阳台养殖两种。植物种植主要采用土壤种植、水培种植两种，动物养殖一般为小型动物，多为鱼类和鸡。

在实践活动中，表皮农业建筑除农产品生产外还有沼气池或其他可再生能源利用功能。沼气池设计为处理生活废水或农产品残余，具有处理城市有机废水废物的能力。所以，表皮农业生产方式能够与垂直农场一样具有改善城市深层能量和物质流动的能力。

(3)表皮农业建筑垂直农业类型

表皮农业建筑包括屋顶种植、养殖，阳台种植、养殖和墙体种植三部分。根据《表皮农业建筑的挑战、困境与机遇》一文中所讲，屋顶种植主要涉及到蔬菜，果树等品种，以及小型动物饲养；阳台种植主要是蔬菜种植；墙体种植即植物生长器皿与建筑结构嵌合，可以采用多种植物如豌豆，黑莓，葡萄等等[1]。

据BCCresearch数据，2020-2023全球垂直农业市场规模将由20亿美元增至64亿美元，CAGR47.36%。全球规模由2013-2023，由4亿美元至64亿美元，其中近一半将源于美国市场的增长[2]。

1、美国Aero Farms农场

这家占地六千多平方米的工厂位于美国新泽西州纽瓦克，是世界上最大的垂直农场，名字是AeroFarms。它每年可以生产接近一百万公斤的食物，比户外农田生产量高75%，水量减少95%。

Aero Farms是美国领先的种植业工厂化行业领导者。2004年在新泽西州成立，早期种植的蔬菜被出售给附近的伊萨卡农贸市场，公司目前有五家工厂。在过去的十年里，Aerofarms在研发和技术方面投资了许多资本。自成立以来，Aero Farms对250多种蔬菜具有生产经验，并不断推进其技术。掌握独特的种植增长专利和先进的雾栽培技术，从播种、收获到包装，实施全程机械化，与传统的户外土地生产蔬菜相比，节约95%的水，并将土地利用效率提高100倍以上；采用全封闭经营，整个过程安全有保障，无重金属残留、农药、虫害及有害细菌，严格保障食品质量安全；利用大数据管理，实时跟踪数据，系统监控营养素的动态分配，并准确优化植物生长过程，以控制植物的生长速度和质量。凭借先进的研究理念、技术，Aero Farms得到了美国政府机构的认可，并受到新闻媒体的报道。

国内金沙江创业投资公司已经投资了Aero Farms，成为该公司的第一大股东。 金沙江资本对国内现代农业未来发展趋势持乐观态度，在获取Aero Farms的技术授权情况下，结合自身在中国市场累计的资源，引进世界超前的种植技术，着力发展中国现代农业。

2、日本Spread农场

日本最大的垂直农场是Spread，它在京都郊区占地3000平方米的设施中每天生产两万棵生菜。在该设施中，蔬菜作物是无土的，也就是在不含土壤、持续含有适量营养素的栽培床上生长，它暴露在LED光源下，整个培养环境无菌且温度可控。

该农场拥有17500盏专门设计的LED灯，分布在18个种植架上，每个架都有16层。它可以模拟白天和黑夜，通过密切监测光合作用程序，使得生菜的生长速度快于户外农场快1.5倍。 并且，废品率也降低了40%，生产效率提高了100倍。这个室内农场比传统农场有许多优势，由于采用三维种植和水培技术，占地面积非常小，高达98%的水可以回收而无需喷洒杀虫剂。此外，人工照明和严格的温度和湿度控制，使得蔬菜生产不受天气影响，并且更容易控制和实施生产计划。

近年来，该公司还将开设另一个设备，利用机器人进行自动化管理，包括收获，这将使生菜的总产量增加到每天五万颗，产量提升1.5倍。富士通是日本众多科技公司之一，它也有涉及园艺行业，将以前用于制造半导体的工厂转变为蜜蜂的室内种植园，同时由具有相应操作技术的工程师管理。富士通的云软件允许工作人员通过监控传感器轻松跟踪农作物成长。此外，可以调整设施中的营养和护理，以开发新的生菜品种，例如适合肾病患者的低钾生菜。

3、迪拜“绿洲大厦”

综合设计工作室的Rahul Sruin为炎热干燥的迪拜设计了“绿洲大厦”，这座建筑也是垂直农场，位于Zabeel公园，由3座塔环绕而成，外形像极具特色的藤蔓。其外部由ETFE氟塑料覆盖，形成内部结构并充当内部绝缘层。将太阳能涂层施加到外部ETFE膜上以产生电能。位于楼层之间的垂直轴风力涡轮机也向建筑物供电。污水经处理后可再循环运用，厌氧池能够处理建筑有机废水废物，期间产生的甲烷也可用于供电。建筑物内部主要用于种植粮食作物，但也有部分楼层可用作生活空间。预估这个垂直农场将提供四万人的口粮，能在一定程度上缓解粮食危机，并为一些公民提供住房。该计划适用于迪拜，可以有效地解决迪拜农业用地短缺和粮食需求增长的问题。

4、国内案例——深圳“绿美人”

“深圳绿美人”是中国第一个垂直农场研发项目，由郑建平先生提出。它采用最新的国际技术解决方案，种植和生产农作物、花卉、水果、蔬菜，涵盖了新农业、服务和旅游的三大主题。它集农业种植、生态示范、旅游、酒店娱乐和展览办公，通过旅游经济和商业效应，缓解室内农业种植的高成本，使其成为一种多功能的综合资源和多种形式的投资价值。

它不受气候的影响，全年不断种植、收获、经营，并具有十多项高科技技术(太阳能、风能、肥料发酵、清洁水再生)，为自身提供经济持续、生态持续支持，这是人类应对粮食增产和耕地减少问题的积极探索。此外，该计划还将在半个塔区设计一个观光区和采摘区，还有绿色酒店、展览、科研办公室、文化表演和园林式餐厅等。其建设投资具有长期可靠的市场回报和附加值[3]。

垂直农业中利用立体农业的方式进行农产品生产，充分的利用能源和物质，并提高农产品产量。美国哥伦比亚大学的史密斯(J. R. Smith)教授认为，立体农业是“种植业、畜牧业与加工业有机联系的综合经营方式。”在垂直农业领域中，立体农业是指充分利用时间、空间进行种植、养殖的方式。

垂直农业中利用立体农业的方式进行农产品生产，充分的利用能源和物质，并提高农产品产量。美国哥伦比亚大学的史密斯(J. R. Smith)教授认为，立体农业是“种植业、畜牧业与加工业有机联系的综合经营方式。”在垂直农业领域中，立体农业是指充分利用时间、空间进行种植、养殖的方式。

在下文中将以“四位一体”和“桑基鱼塘”为代表介绍立体农业概念。

1、四位一体

“四位一体”农业由日光温室，沼气池和禽畜舍组成。禽畜粪便通过厌氧发酵产生沼气。沼气用于生活用能，还可以用于日光温室中提升温室温度和二氧化碳浓度。发酵产生的沼液用于叶面施肥，沼渣用于施肥和栽培蘑菇等。禽畜产生废气可以直接作为植物的二氧化碳肥料，而植物产生的氧气可以为禽畜提供新鲜空气。

这种农业模式利用食物链原理，充分利用食物链中物质和能量，减少对生态环境的影响，减少肥料和能源投资。禽畜、沼、农作物分属食物链的消费者、分解者和生产者，共同构成一个生态循环系统。在现代农业种植和养殖过程中，应当遵循食物链关系构建综合农业模式。在垂直农业领域中，沼气池担当分解者的角色是常见的技术手段。在农业功能布置时，应当整体考虑能量和物质的流动关系，有机结合养殖和种植，形成生态循环。这种模式不仅减少了对生态环境的影响，减少能源利用，也节省投资以提高经济效益。

前，有很多以沼气为纽带的生态农业模式，例如在立体农业中提到的“四位一体”模式。除此以外，在具体实施过程中，有以沼气为纽带的生态果园模式和生态农场模式。以沼气为纽带的生态果园模式的主要组成要件包括：沼气池，禽畜舍和果园。禽畜粪便作为生物质，经由沼气池发酵产生沼气和沼肥。沼气和沼肥作为肥料，为果园生产提供帮助。以沼气为纽带的生态农场模式是伴随着养殖业发展而产生的生物质利用方式。一般包括，禽畜养殖业，沼气池，鱼塘、果园、农田或者菜园，以及生产或民用用能端口。禽畜养殖业产生的粪便发酵产生沼气、沼液和沼渣。其中沼气用于生产或民用燃气。沼液用于鱼塘、果园、农田或者菜园生产，可用于叶面施肥或者灭菌灭虫。沼渣作为有机肥料用于生产中。

“四位一体”的农业模式应用于目前的垂直农业领域存在一定问题。垂直农场的农产品生产采用精密农业种植方式，农作物生长摄取养分来自营养液；表皮农业建筑的种植一般处于城市开放空间中，厌氧发酵产生的气味对城市环境一定影响，另外表皮农业建筑在并不配备厌氧发酵系统。然而，在日常生活中，很多动物养殖厂已经将动物养殖和沼气厌氧发酵结合起来，利用动物粪便发电，具有较好的效益。这说明，“四位一体”的立体农业在未来发展中很有潜力。

2、桑基鱼塘

利用两种不同生态系统之间的边缘地带(段)，通过两个系统的连接、渗透作用，以扩大能量转换与物质循环规模，从而使两个系统的生态经济效益共同提高，这种功能原理在生态学上称“边缘效应”或“边际效应”。

中国传统的“桑基鱼塘”是一个典型例子。“桑基鱼塘”是广东省珠江三角洲独有的农业生产形式，是顺应当地气条件和自然环境的基础上生成的生态农业。珠江三角洲全年气候温和，降水充沛，日照时间长，且地势低洼，河网密布。为了防止洪涝灾害，更好的利用土地，当地人在低洼土地处挖深为鱼塘，饲养淡水鱼；将挖出的泥土堆积在鱼塘四周为塘基，使得塘基高于当地地下水位，从而种植桑树。桑叶是蚕的食物来源，蚕粪是鱼塘里鱼的食物来源，而鱼塘里堆积的泥是桑树的肥料。

“桑基鱼塘”由鱼，鱼塘里的微生物，桑树和蚕四者共同构成。其中，桑树是生产者，鱼塘里的微生物是分解者，鱼和蚕为消费者。四者形成了相对闭合的食物链，能量在其中流动，环环相扣。

“桑基鱼塘”是特定生态环境中的特定传统农业的案例，对于垂直农业来说，其借鉴意义并非特定的操作方式，而是蕴含于其中的养殖和种植的关系。首先，“桑基鱼塘”遵循生物圈内的食物链关系，对生态环境影响较小。“桑基鱼塘”中桑树、鱼塘内的微生物、蚕和鱼，分别为食物链中的生产者、分解者和消费者，形成一个相对完整的物质循环过程。在这个相互促进的系统中，物质流动和能量流动得到了最大程度的利用。其次，“桑基鱼塘”可以立体化利用土地的空间。在不同垂直高度上分别进行养殖和种植，在有限的土地中获得更多的产品[4]。

[1][4]刘烨.垂直农业初探[G].天津大学，2010.

[2]英飞特(300582)：LED驱动电源龙头，率先受益植物照明需求爆发

[3]黄燕华.广东垂直农业发展研究[G].仲恺农业工程学院，2019.