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空中的果实——“垂直农场”

2012-03-07 15:08:48

撰文:闵庆文 史媛媛

 

我们对垂直农场所倾注的精力和关注,并不亚于其他科学家所致力于登月的计划。毕竟我们所要解决的问题是很现实的,这将使全球人类不必再担心下一顿饭从何而来。——迪克森·德斯坡米尔

 

 

  提到农场,人们最先想到的是大片大片的土地,未来的农场或许会颠覆人们原来的印象。

 

  想象一下在纽约的闹市,竖立着一座座30层高的大厦,它们不仅是水果、蔬菜和谷物的生产基地,更能产生出清洁能源和净化废水。在这里,可以利用无土栽培法种植各种植物,将植物悬置在水中或者其他营养液中;使用阳光等可再生能源来生产热量和发电,以便昼夜不停地使植物的生长条件达到最优化。

 

  这些摩天大温室,类似巴比伦空中花园似的种植园,可以全年365天不间断地种植、收割,而不需要忍受大自然变幻无常的气候的困扰。其产量是普通农场的300多倍,不但能够解决人们的吃饭问题,还可以为都市提供源源不断的氧气和清洁水源。向天空要耕地,还土地于自然,精心修复地球家园生态圈,这该是多么美丽的神话。

 

  这个大胆的构想最初是由美国哥伦比亚大学环境科学和微生物学教授迪克森·德斯坡米尔提出的,他称其为“垂直农场(vertical farming)”。垂直农场也叫立体种植农场,被美国著名的《连线》杂志评为改造地球最疯狂的生态实验之一。

 

  垂直农场的构造模式完全颠覆了人类几千年来的耕种方式,粮食作物第一次离开其赖以生长的土地,在高楼中成长、收割。随着全球气候的恶化,自然灾害的威胁越来越大。“立体种植”这个颠覆传统的想法越来越受到人们的关注和重视。支持者认为它代表了人类农业的未来发展方向。

 

  不能承受的农业之重

 

  在了解垂直农场之前,我们先来看下面几个数据:

 

  1.全世界每年将84亿吨二氧化碳排放至大气。

 

  2.全球人口在未来40年可超过90亿。

  

  3.目前,有60%的人口居住在城市中;到2050年,全球80%的人口将居住在城市里,其中大多数在发展中国家。

 

  4.现在地球陆地表面上近37%的土地用于农业生产。

 

  5.全球每年有近1300万公顷的森林被砍伐,相当于希腊或尼加拉瓜的国土面积。

 

  6.目前全球的可耕作土地面积相当于整个南美洲的大小,供养着全世界60多亿人口,其中至少有上亿人挣扎在饥饿线上。

 

  7.2050年,随着人口的增加,我们需要在现有耕作面积上增加一个相当于巴西国土面积大小的耕地,来养活新增人口。

 

  为了自身的生存和繁衍,人类一直在进行着前所未有的征服:从19世纪初以来,每一次当马尔萨斯主义者预言的人口增长带来的“世界末日”逼近,都是科学技术的突破拯救了我们。各种类型的耕作机器、不断改进的肥料和杀虫剂、植物人工繁育获得的更高产量和抗病性,加上对抗常见动物病害的疫苗和药品,使农业生产的增长超过了不断增加的全球人口的基本生存需求。

 

  由此也带来了很多负面影响。

 

  到20世纪80年代,很多地方的农业生产远远超出了土地的承载能力,农业化学品已经破坏了营养物质恢复的自然循环(生态系统利用这种循环来进行自我维持)。

农业灌溉消耗了世界上可利用淡水资源的70%,由肥料、杀虫剂、除草剂及淤泥导致的污染使不少淡水无法被人类饮用。如果这种趋势持续下去的话,某些人口密集的地区将不再有足够多的安全饮用水。

 

  农业生产还消耗大量化石燃料仅美国就消耗了全球约20%的汽油和柴油。由此产生的温室气体排放令人担忧。更令人忧心的是,食品价格因此与燃料价格挂钩,导致全球许多地方的食品价格不断上涨。

 

  一些农学家认为,解决这些问题的方法在于采用更为集约化的工业化耕作方式,通过转基因技术和使用更高效的化肥、农药来提高作物产量。

 

  即使这些办法得以实施,充其量也只能作为短期补救方法,因为气候条件的快速变化改变了农业景观,甚至阻碍了最有效对策的应用。事实上,从古至今,人类的农业生产一直都有一个致命的弱点,那就是靠天吃饭。在自然灾害面前,人类的粮食供应来源依然非常脆弱,稍许的粮食减产就能令全球粮价波动不已,历史上亦不乏因自然灾害造成饥荒死人的事例。

 

  目前,世界上许多可耕地几乎已经满负荷运作,才勉强养活现在的60多亿人口。根据联合国发表的人口报告估计,到2050年全球人口将超过90亿,这样算来,未来40年多出来的近30亿人口,他们的下一顿饭从何而来将是个大问题。

 

  如果我们继续通过大量毁林来开垦新的农田,全球气候变暖将以灾难性的速度加快。而且更多的农业径流将造成大量水文“盲区”,足以使大部分河口、甚至部分海洋变成不毛之地。

 

  此外,植物间疾病的传播也是一个严重问题。这些病毒往往能使农作物大面积遭受感染而导致粮食减产和歉收。为了保存“干净”的种子,人们甚至采取建立类似“末日种子库”这样的极端方式。

 

  显然,我们需要一种根本的解决方法。一个有效应对几乎所有上述问题的战略性改变。

 

  城市农业狂想曲

 

  为应对激增的城市人口需求,越来越多的国家开始研究城市农业技术。然而,城市的绿化空间本来就极为有限,不可能再有多余的水平空间用于农业种植。

 

  于是,人们提出了垂直农场的设想:把摩天大楼变成生产中心,构建一个自给自足的良性循环生态系统。

 

  垂直农场是在已有的温室耕作技术的基础上设计和发展起来的一种新型的农业种植模式,主要应用技术包括滴灌、气培和水培法在内,主要能量来源是太阳能和风能,太阳能由位于垂直农场顶层和侧面的太阳能面板所吸收而来,风能来自于楼顶所安装的风力螺旋叶。

 

  在垂直农场中,谷物,如小麦、玉米等作物被种植在由惰性材料(例如蛭石)制成的水槽中,它们之间皆用细小的管子相互连接,作物所需的营养物质就是通过这些细小的管子进行运输并准确而快捷地滴灌到每株植物的根茎上。这样做的好处是,既保证了作物生长所需的营养物质,还避免了传统耕作中大面积灌溉、施肥等对水资源和肥料的浪费,经济高效而且非常环保。

 

  气培法是由K·T·胡比克于1982年首次提出的,后来由美国航空航天局(简称NASA) 的专家进行了改进。主要是将植物的根部悬垂倒吊在空中,使其处于充满水汽和营养的环境之中,这种栽培方式特别适用于土豆、胡萝卜的种植。

 

  现代水培法是由农学家威廉·F·格里克实验发明的,是把植物种植在不含土壤的水槽中,将富含植物生长所需的营养物质溶解在水体中供植物生长使用。这种栽培方式对一些蔬菜生产特别管用,例如西红柿、菠菜和浆果等。

 

  那么,在整幢高楼里该如何种植农作物呢?

 

  迪克森·德斯坡米尔教授曾经设计出了一个30层楼高的垂直农场模型。根据这个模型,在整个农场的地下,装有一个大型焚化装置,用来将农场产生的废弃物进行焚化从而减少对城市环境的污染并产生出能源,作为垂直农场甚至整座城市的电力来源。另外,环绕着焚化装置有很多钢管,用来输入净化后的城市废水,以缓解水资源的短缺。高楼的一、二层分别是食品店和餐厅,为市民、游客及农场工作人员提供方便快捷的服务。38层为滴灌种植层,924层是水培种植层,2530层为气培种植层,根据不同作物的种植特点进行科学的分层种植。

 

  垂直农场的大多数种植层都是由一个大型的自动化运输带作为主要基础建筑,将禾苗从一端运送到另一端,并进行分层种植。到了收获季节,成熟的作物通过传送带被运送到后端的收割机前。

 

  在作物的不同生长阶段,人们通过精准的计算将环境里的水分和光照调整到最适合作物生长的状态。

 

  在农场顶层的阳面装有大型的太阳能电池板,为作物的生长提供热能。农场顶层的阴面是一个巨大的雨水收集池,可以将收集的雨水用于整个农场的灌溉。

 

  沿着整幢农场大厦,在南面垂直装有太阳能电池薄膜,在北面每一层都装有植物垃圾下落斜道,直接通向地下的焚化装置。在西侧建有农作物育种室和质量监测实验室,用于科学家做一些相关的研究。在西北侧建有一个大型水箱,用于储存水源供垂直农场循环利用。在东北侧是大型的货物集散中心,将生产出的农产品通过货车拉到附近的超市、便民市场或者直接销售给附近居民区的人们。

 

  按照设计,垂直农场是一个整体的、自身可持续的循环系统。农场的每一层楼都是一片农地,具有高度集成的高效灌溉系统,所有农作物都在受控制的环境中生长,并使用电子监控来检验是否成熟,全年365天不间断地种植、收割,避免了不利自然环境条件的影响,也不用担心土壤污染的威胁,同时还节省了资源,减少了对环境的破坏。

 

  经过收割机加工后不适合食用的部分将通过最后一个斜道滑落到地下的焚化层。这些不可食用的植物茎须、颗粒(如玉米秆和麦麸)等植物废料先是被加工成粉末状,接着经过压缩变成能全部燃烧的颗粒。农场底部的污水处理池可以处理城市污水,污水将会集中到一部被称作“泥炭”的机器,将污水处理成炭和水用来作为蒸汽机发电的原料,被处理提取过的污水经过滤后,用于植物灌溉或排放。

 

  整个设计看来并不复杂,与到处可见到的屋顶花园和室内绿化类似。据相关实验室的研究表明,垂直种植方法的用水量只有传统种植方法的5%,一栋30层高的透明墙面垂直农场,可生产5万人的口粮。

 

  垂直农场带来什么

 

  虽然人们关于是否在繁华的都市中建造摩天大楼式的垂直农场还存在着很大争议,但这种垂直农场一旦得以应用将产生巨大的效益。

 

  首先,垂直农场可以有效缓解人均耕地面积日益减少造成的农产品供给不足的困境。据统计,近30年来人均耕地面积已从0.33公顷下降到0.22公顷。但是我们不难发现,每一个大都市都有许多闲置的空间,这些都可以用来建造垂直农场。据研究,一幢58层的“农场”,占地仅1.3万平方米,却可以提供74.32万平方米的农作物生长面积,具有相当于一个414.4万平方米传统农场的生产能力。德斯坡米尔曾经估算,只需15030层的垂直农场,便可以供应纽约全市人口一年的饮食所需。这样一来,垂直农场轻而易举地解决了目前我们所面临的粮食短缺危机。

 

  其次,垂直农场将改变传统农业“靠天吃饭”的状况。传统的农业生产严重依赖于天气气候条件,而垂直农场依靠精准科学的农业技术,可以使农作物全年不间断生长。农田生产的自动化控制,可以促进农作物的改良和优化,使农作物向高产、优质、高效方向发展。我们可以将命运真正掌握在自己手里,不再受制于自然界的无常变化。

 

  第三,垂直农场中所有的农业生产都可以通过有机方式进行,减少除草剂、杀虫剂、农药等有害化学品的使用,大大减少了有害农业废物和化学物质的产生及排放,不仅减少了对水和土地的污染,也保障了食品安全。

 

  第四,垂直农场可以实现资源的高效利用。据统计,农业灌溉用水已经占人类可利用淡水资源的70%,浇灌后的水却成了污水、废水,含有大量泥沙、杀虫剂和其他化学成分,难以进行二次利用。垂直农场能够利用科技手段将生活废水处理为达到标准的灌溉用水,减少了水资源的浪费,提高了水资源利用效率。垂直农场通过使用可再生能源等方式,不仅减少了能源的消耗,大大提高了能源的使用率,而且还能够产生清洁能源,解决城市面临的日益严重的能源紧缺问题。

 

  第五,垂直农场可以缩短农产品运输环节,降低运输成本和减少交通污染。传统上,由于农作物全部种植在郊区和乡村,而生产的农产品大部分都要运送到城市,这不仅会增加成本,而且在运输过程中还会消耗能源,排放二氧化碳,造成环境污染。将温室栽培引入大都市中,通过“就地生产”,可以减少农产品由农村向都市的运输环节,具有极高的经济效益和环境效益。

 

  垂直农场不仅将彻底变革和改善城市的生活,还能使被传统农业损害的土地恢复元气。1英亩垂直农场可以使1020英亩户外农地恢复原始生态。城市从远处看,也将像“空中花园”。

 

  可以说,垂直农场是我们自己养活自己、养活将不断增加的人口的一场革命。

 

  发展瓶颈和争议

 

  尽管垂直农场为城市发展和农业发展提供了一种新的模式,但目前它还处于概念开发和实验设计阶段。有一些瓶颈需要克服,主要表现在下面几方面:

 

  首先,垂直农场建设的最初投资金额相对较高。据估算,建设一个最小、最简单的垂直农场也需要两亿美元。由此可见,建造一个真正的垂直农场需要巨大的财力支持。

 

  其次,经营者需要学习系统整合和农场发展的技术。必须先建造一个小型的垂直农场作为试点,来进行各种技术的研究和实验。特别是对于不同楼层的农作物要获得相同的光照、水分、养分等,需要科学地计算。垂直农场不同于传统的农业耕种,它更加依赖于科学技术的支持和人才的储备,需要寻找并培训合格的现代农民,使他们能够应对复杂而缜密的内部操作系统。

 

  第三,与传统农业文化的传承有冲突。历经千百年发展起来的农业技术体系和知识体系,是传统文化的重要组成部分,凝聚着世世代代劳动人民的智慧。随着垂直农场的发展,可能会带来传统农业文化的消逝。

 

  第四,公众对于垂直农业还存在着疑虑。例如,人们会担心垂直农场长期潮湿的条件会使建筑结构受到锈蚀,在垂直农场中饲养动物会增加公众对于卫生条件的担心,污水处理后用于灌溉会否引发安全问题,垂直农场的实际规模效益究竟如何等等。

 

  自从垂直农场的概念提出之后,围绕它的争论从来没有停止过。支持者认为,这种生产方式可以更有效地利用空间、提升农作物生长效率。然而,一些环保主义者认为,把农作物放入建筑物,用发光二极管(LED)帮助植物进行光合作用,需要耗费大量资源,并且城市的功能是有限的,不能把城市的功能无限放大。

 

  尽管如此,垂直农场不乏追随者。纽约、迪拜等地都已有设计师正在逐步将垂直农场概念变为现实。

 

  人类的发展过程中,总是经历各种各样的改变。人类想生存,就必须有能力和勇气来预期并适应那些改变。“垂直农场”这一概念被许多人看成是堂吉诃德式的幻想,或许正是人类农业的未来方向。
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