垂直农业及螺旋形垂直农场发展与应用

随着全球人口的不断增加、城市化进程加快和劳动力成本不断提高，发展新型农业形态保障农产品的有效供给日益受到世界各国的关注。据统计截至2017年年底，世界总人口数量约75亿，世界范围内有88个国家缺乏粮食，近8亿人因长期饥饿而营养不良。

我国是世界上人口最多的国家，根据国家统计局数据显示，截至2017年底我国总人口数量为13.9亿，占世界总人口的18.5%，耕地面积150万hm²，仅占世界总耕地面积的8.7%，其比值远低于世界平均水平。

因此，我国发展新型农业形态和提高农产品供给保障的需求更加迫切。此外，作为我国第一产业的传统农业还存在诸如集约化水平低、农产品品质差和化肥农药实施效率低等问题，急需通过农业经营模式的创新和机械化及智能化技术的集成予以解决。

在2017年出台的《关于促进农业产业化联合体发展的指导意见》中，发展农业产业化联合体成为促进乡村振兴的重要举措之一。垂直农业具有鲜明的农业产业化联合体的特征，因其高度的集约化、规模化和工厂化运营特点，垂直农业既涵盖“公司+农民合作社+家庭农场”、“公司+家庭农场”、“公司+市场”等联合体经营模式，也有效地实现农村一二三产业融合成为一种新型的农业产业化联合体，从而成为乡村振兴切入点之一。

1垂直农业的应用案例及发展趋势

垂直农业是一个新概念，是为了缓解城市热岛效应、增加城市绿化、提升农作物的产量和缓解人地矛盾而被探索出来的，是一种以计算机技术、自动化技术、人工光照技术和现代建筑技术等为依托并在城市楼宇等地方种植植物和饲养家畜的全新的农业模式。垂直农业有多种表现形式和应用场景。

美国哥伦比亚大学的教授迪克逊德斯帕米尔设计出能为5万人提供大约1年的食物和饮用水的垂直农场，该设想由此使垂直农业的概念进入公众视野。

2009年比利时的建筑师森特·卡勒鲍特为纽约罗斯福岛设计了一款外形如同叠合着翅膀的蜻蜓状的垂直农场。农场建在湖边，共有132层，最高处达到了600~700 m，它共设了28个种植区域，人们可以根据不同植物的具体特性在不同的季节种植不同的植物。

由设计师拉胡尔·苏林设计的绿洲大厦，由3座塔围绕1个中心立柱螺旋上升形成，远处观看如互相缠绕的2条藤条。除以上应用外还有很多垂直农场的应用案例，如英国、法国、巴西和新加坡等国都建有全球知名的垂直农场。

我国在发展垂直农业方面也有很多积极的尝试，早在十几年前就已开展对其的探索和研究，期间也建设了很多具有代表性的垂直农业项目。其中较为典型的有深圳设计之都田面创意产业园的绿美人和浙江省永春县的垂直农场——“鸟巢”智能球型温室等。

在永春版的“鸟巢”中，通过陶粒对玉米、南瓜、丝瓜、草莓和白菜等进行无土栽培，并通过柱式栽培、管道栽培和三维耕作等立体栽培技术，将3 000 m²的鸟巢空间利用率提高了4倍。

金香等：垂直农业及螺旋形垂直农场发展与应用农业工程生物环境与能源随着世界人口的不断增多，人地矛盾不断激化，在资源环境问题越发升级的严峻形势下垂直农业的发展势必会得到重视，信息技术、人工智能技术和新材料技术的高度融合将进一步促进垂直农业的应用和推广。

1.1垂直农业多技术有机融合特征明显

垂直农业的载体垂直农场的正常运营依靠单一技术是不能支撑的，需要融合建筑、设施农业、生态修复、农业物联网和智能农业机械等多方面因素。其关键技术主要涉及4大块：建筑规划技术、农业设施技术、生态修复技术和信息技术。

建筑规划技术主要包括材料、采光、节能和选址等，垂直农场可采用新型材料、农作物秸秆构成的墙体材料和真空玻璃等。采光方面则可通过使用导光管、光导纤维等利用太阳光的折射和衍射等特性的方式满足农作物生长所需能量，既绿色又节能。选址需考虑距离、运输及污水处理等问题，这些技术基本决定了垂直农场的成本。

设施农业技术体现垂直农场的运营效益，涉及无土栽培、LED光源、机具作业轨道和农产品运输等。无土栽培一般有水培、气培和水产复合养殖法3种方式。LED光源是将发光二极管技术运用到农场作光照补充；垂直农场在运输过程中需要使用1个大型自动化运输系统用于禾苗运输及后续的施肥喷药、采摘和农产品运输等作业环节。

生态修复技术是垂直农场能否长远发展及推广的关键，包含植物修复和污水处理等；利用植物的新陈代谢来固定和降解污染物质进行植物修复，灌溉可用城市中处理后的污水，使水源循环利用，保护农场附近生态和优化区域环境。

信息技术融入垂直农场是大势所趋，高度集约化、生产过程绿色环保和农产品质量可溯源等现代农业生产技术要求对动植物的生长过程及环境进行全面监控。如垂直农场内从种子采集到果实收获全程都用电脑记录并上传到云端，再通过云端数据分析浇灌和采摘的最佳时间，这种基于计算机技术将云计算和大数据运用到垂直农业的过程称之为流水线式的“云农业”。

通过大数据分析、计算机监测能使农场中饲养和培育的动植物生长全程可控，还能及时发现异常问题并在第一时间解决，提前防范消除病虫害等。通过机器人技术、人工智能和物联网技术等引入垂直农场代替人工管理监控整个农场，使得农场中每个环节全部自动化。

1.2垂直农业促进无土栽培种植模式的集成创新

无土栽培具有加水高产、清洁卫生无污染、省工省力、易于管理、不受地区限制和充分利用空间等特点，在垂直农场内采取如图1所示的无土栽培的模式进行植物种植还能有效摆脱干旱气候以及缺水对植物的影响。

a

b

图1垂直农场中的立柱栽培与气雾栽培装置

无土栽培过程通过采用人造植物根系来取代土壤环境，有效避免了水分、空气和养分供应等在传统土壤栽培中的矛盾，使作物根系处于最适宜的环境，并且充分发挥了作物的增产潜力。

许多学者通过大量的筛选试验总结了适合不同植物的营养液配方，为无土栽培提供了关键的技术支持。

就目前我国的实际情况来看，在垂直农场中应用无土栽培是最佳的选择和必然的趋势。随着最新科研成果的不断出现以及人们对无土栽培这种全新种植模式认识的不断加深，无土栽培应用也将会越来越广泛。

1.3垂直农业可形成新的农业产业化联合体

垂直农业的载体垂直农场作为一个全新综合模式，可在农场中心及周边发展观光旅游业、休闲度假和农产品网络直销等。如中粮集团公司在北京建的智慧农场里有植物种植区、采摘体验区和学习实践区，初步实现了一二三产业的融合发展。

新加坡等国家建立的一些综合性生态中心，都是以此带动其他产业的发展。这种以垂直农场带动周边产业发展的新业态的出现既是时代发展和技术进步的必然结果，也将是今后一段时期的发展趋势。

都市农业因不同需求发展出了庭院农业、阳台农业和休闲农业等形态，垂直农业可实现上述形态的融合从而形成新的农业产业化联合体。其自身具有的减少运输里程、提供安全鲜蔬瓜果、改善城市环境、重塑城市田园特色和教育等功能在一定程度上能帮助解决城市发展面临的问题。在都市发展摩天大楼农业或休闲观光农业是生态文明及人类回归本性的一种体现，也是在钢筋混凝土的森林中人与自然协同可持续发展的具体体现。垂直农业为城市居民提供大量的休闲空间，满足了城市居民不用长途奔波就能享受自然的休闲需求。

同时，满足城市居民的菜篮子需要，从环保的角度来看垂直农业是城市中的绿洲，既能带来新鲜空气和装点城市景观，也能实现多种能源的循环重复利用。垂直农场因此变得形式多样且随处可见。

1.4垂直农场可实现光热资源利用最大化

相对与传统农场而言，垂直农场除了能高效利用空间外，还高效利用光热资源。和普通温室利用电能通过空调控制温湿度不同，上述提到的鸟巢型垂直农场采用建立烟囱式的半截椎体结构，让热空气上升，热量通过喷泉和水汽技术被带走，使其有高效节能、通风及降温功能。

这种利用水的物理特性代替电能实现温湿度的控制将会是未来垂直农场发展的趋势。其中水体现了2大功能，即调节场内的湿度和储备热量。冬天水体可以在白天将太阳光的热量收集起来，晚上再将热量释放出来，夏天可以把水体中的水用来喷洒植物降温。这样就能确保农场内的农作物不会受外界温度的影响，农作物也不会因温度和季节的变化而出现产量和品质的波动。

2垂直农业发展的技术经济分析

尽管垂直农业有非常好的发展前景，但这种新模式同样也面临着很多难题，也是垂直农场发展长时间没能被大范围建设并应用的原因之一。

2.1垂直农场的建造及运营费用高

垂直农场的建造成本相对较高，以钢筋混凝土高层框架式垂直农场为例，按目前国内物价水平钢筋混凝土框架结构的高层建筑造价在900元/m²左右，建设一栋建筑面积为2 hm²的垂直农场，设施成本大概在900万/hm²左右，则可知整体结构的设施成本基本达到了1 800万元。考虑到不同地区土地价格及垂直农场内部设施等差异，可以估算出垂直农场的基建设施成本在450万～1 050万/hm²。而目前土地承包一年的价格为0.75万～1.5万元/hm²，相比租赁土地进行传统农业生产垂直农场每公顷成本高出了约600～1 200倍。

同时垂直农场正常生产要投入人工照明设备、农业物联网设备、污水净化系统和办公系统等，这些都需要消耗大量的电能。另外固定资产折旧和设备的维护维修也需要大量的资金支持，其运费成本很高。因此，如果不能有效降低其建造成本，构建良好的盈利模式将很难产生经济效益。

2.2垂直农场的认知度低

垂直农场的发展受到传统农耕观念的影响。我国是一个传统的农业大国，几千年来一直崇尚农耕文化，垂直农场作为一种新型农耕理念对国人固有的农耕观念形成一种冲击，尤其是经历了几十年田间劳作的人民，不能短时间进行认同。

2015年台北科技大学建筑与都市设计研究所曾就60岁以上高龄人群对垂直农场的认知度和偏好及满意度做了1次调研。调查结果显示，受过大专以上教育人群中有27.9%的人认同垂直农场，37.7%的小学文化程度的人不了解垂直农场，其中具有建筑、景观与园艺等相关设计背景的人对于垂直农场的了解并不多，而不具设计相关背景的受访者中竟有93.5％的人不了解垂直农场。

可见高龄人对垂直农场的认知都不太高。垂直农业的发展没有良好的文化认知环境，并且发展垂直农场的关键性技术——能量转化效率低的问题使更多人更加不看好，甚至产生一种垂直农场一旦大规模建成会使从事传统农业的农民和农产品运输和包装等行业工人产生大规模失业的疑虑。

2.3不能同时满足不同生物生长对环境的要求和作物品种单一

植物生长离不开光合作用。虽然垂直农场中在太阳光照射不到的地方安装了LED人造光源。但这并不代表LED人造光能从根本上代替太阳光。而且不同的植物对光的颜色需求不同，如冬青在红色蓝色混合光线下生长得最好，在紫色和黄色光线下容易营养不良，而其他植物有可能与冬青的习性刚好相反。由此可见，垂直农场的LED人造灯光并不能满足农场内所有植物对光的需求。

3螺旋形垂直农场技术与应用

尽管垂直农场无论是在外形设计、文化内涵、实现功能还是技术支撑上都已有了成熟的理论及解决方案，但局限于成本大和投入产出低等因素导致推广应用一直是个难题。借鉴我国传统建筑福建土楼及北京鸟巢等结构，创新设计出的螺旋形垂直农场，因其360°的连续螺旋种植面可获得高效的光热利用，较高的空间利用率以及较低的建设成本，提供了一种解决垂直农场推广普及难题的尝试。

3.1基于光热资源优化利用的螺旋形垂直农场结构与运营效益

传统的温室种植空间高度有限且不能自上而下垂直分层生态化利用，而现有的大部分垂直农场都采用了分层式的结构，这种结构的缺陷是对光的利用效率较低，无法实现空间利用最大化。球状鸟巢式垂直温室结构不但造价成本低，而且还可以实现空间和自然光热资源的高效利用，让垂直农业在大城市普遍应用成为现实。

3.1.1螺旋形垂直农场的结构特点

螺旋形垂直农场可以有效解决上述提到的垂直农业建筑营运成本高和管理困难等问题。据测算，占地面积为2 700 m2高30 m螺距为3 m的螺旋式垂直农场温室其耕作面积约2万m2，总造价为约200万元，相比其他结构的垂直农场造价低的多。

螺旋形垂直农场设计需要合理设定螺旋形垂直农场连续种植面的梯面宽及螺距，利于每层旋面上所有植物都能满足光照需求，从而省去人工补光的费用。另外利用水的物理特性在其内部设置相应循环系统实现对场内温湿度的控制，也极大程度降低场内管理费用；仿真模拟及建设实践显示螺旋形有很好的稳定结构，即使选择普通温室型材也能使其具有足够的稳定性和承重性。

此结构一方面能在有限狭小空间内最大化利用垂直空间和节约资金成本，另一方面也遵循了生物生命运动成长及进化的普遍规律。图2和图3为该类型农场的结构图。

图2基于福建土楼造型的螺旋形垂直农场结构

图3浙江永春版鸟巢螺旋形垂直农场

3.1.2螺旋形垂直农场的运营效益

在螺旋形垂直农场中采用水培栽培和气雾栽培技术相结合，可以使垂直农场的承重问题得以解决，螺旋梯田只需承载栽培装置的重量，无需基质与水，负荷明显降低。且气雾培又能以最低成本实现每层螺旋面的耕作分层，如搭架或气雾柱式栽培，如图1所示。相关试验数据显示，此时每层的利用率可以提高4倍之多。

假设以总高24 m梯面宽6 m的螺旋形垂直农场为例，作4层旋转，螺距为6 m，可知相比平面种植提高了16倍利用效率。另外，采用气雾培方式能促进种植物生长速度，单位土地面积上的产能则至少可提高至20倍以上。如通辽经济技术开发区辽河高效农业示范园区的螺旋形“鸟巢”垂直农场，蔬菜采用立体式无土栽培，人工木架层层盘旋而上，占地面积1/5 hm²的螺旋形垂直农场内可以栽种8/5 hm²的蔬菜。由此螺旋形垂直农场具有较高的产投比。

广泛应用不仅能充分发挥垂直农业本身优势，还可以通过进一步结构和技术创新的方式在城市广泛应用，并且能够开发出有关螺旋形垂直农场的一系列衍生产业及产品。

3.2有关螺旋形垂直农场的发展建议

3.2.1推广小型螺旋垂直农场为试点

1栋“垂直农场”可能需要数10亿美元，以目前的经济水平及相关技术，短时间内根本无法实现。短时间内大力发展大型垂直农场是很难实现的，但可在大型垂直农场推广前建立一些简易小型螺旋形垂直农场平台，如图4a所示。作为药材或其他具有高附加值特殊种苗的培育基地试点，也可为一些高端产品提供原材料等。

图4螺旋式垂直农场及其电动遥控自走式作业平台

通过这些方式使垂直农场逐渐进入公众视野，增加社会认知度。也可建立小型螺旋形垂直农场做大型垂直农场的发展实验基地，测试相关动植物的生长环境及特点，建立动植物生长数据库，服务于大型农场种植区的科学布局，促进垂直农场信息化程度。同时，可开发其作为科研平台，培养相关技术人才及促进垂直农场各项新技术的出现。

甚至可以吸引对垂直农场有兴趣的投资者或因垂直农场造价较高而放弃相关研究者，更好促进垂直农场的长远发展。也因此避免一旦失败而造成的巨大资金损失。

3.2.2发展螺旋形垂直农场全程机械化作业及配套智能化作业平台

经过长期不断地对现代科学技术及控制技术理论的探索、研究与创新，加快农业装备的机械化和自动化进展，改善传统农耕效率低的状况，并促使农业生产方式向智能化和人性化发展。

然而到目前为止，将农业生产作业机具以及相应农耕配套设备应用于螺旋梯田垂直农场的研究案例还尚未出现，螺旋垂直农场中因缺乏与其结构特点相适应的专用机械作业机具及智能化监测系统，导致农场内植物播种、精准施肥、农药喷洒、农田灌溉和采摘果实等劳动强度大的农业作业过程以及在生产过程中各种小型生产机具、肥料、果实及农药等在不同区域之间的搬运依然是靠人力操作完成，不仅费时费力效率低下，在某种程度上还会对操作者的身体存在一定伤害。

如喷施农药过程，除因喷药机具与喷洒环境开发的不兼容而造成的劳动强度大外，农药本身就具一定毒性对人体和农场环境都有一定危害。另外因螺旋垂直农场内螺旋面间距有限，并且种植物密集还会对种植物造成一定损伤。又由于农场中缺少对农作物生长过程和生长环境信息的反馈环节，无法按照场内农作物的实际需求进行及时调控，农业生产效率低下，作物产量和品质无法得到有效保证。

因此，急需研发出与螺旋形垂直农场空间相配套且具有协同作业和监控植物生长功能的智能化作业平台及运行机具，其大致设计结构如图4b所示。还可结合各类温室中移动作业机器人如采摘机器人、喷药机器人和移栽机器人等的功能及特点共同促进螺旋形垂直农场中智能化作业平台及配套作业机具的开发。

4前景展望及建议

垂直农场是现代多技术集成创新的农业生产形态，因其高度的集约化、信息化和智能化可实现一二三产业的无缝融合，可发展为一种新型的农业产业化联合体，成为乡村振兴切入点之一。

螺旋形垂直农场具有光热资源利用率高、建筑成本低和易于全程机械化作业管理而成为发展垂直农场的理想结构形态，可充分借鉴我国福建土楼等建筑结构空间布局的基础上，结合垂直农场农业生产全程机械化配套作业机具的研究，进一步优化其结构并进行集成创新。以下针对垂直农场的发展提出3点可行的前景展望与建议，为其今后的发展与研究及应用提供参考。

4.1将垂直农场发展成为农业产业化联合体的新模式

垂直农场项目建成之后应发展具有地方特色的亮点垂直农业农产品深加工产业，实现产业结构的优化升级。借助其营养价值高和口感好的特点深挖产品卖点，明确产品定位。通过网络营销和电子商务等方式向所在都市区域辐射服务。

垂直农业可以将种植业、养殖业和旅游业无缝隙对接起来，通过特色旅游项目结合采摘体验、夏令营、野营和建设休闲度假区等方式将农场周边打造成新商圈并引入更多新服务项目，以优质高端特色的产品和优良的服务吸引游客消费垂直农场产出的农产品及深加工后的相关食品。

4.2扩展垂直农场的应用

垂直农业这种适应性强和灵活性高的新农业模式可应用于军队补给，不仅降低补给物资的运输成本和、损伤度，而且减少运输环节带来的二氧化碳排放。使边远地区的驻防部队不受恶劣气候的影响就能吃上绿色、安全、有机和新鲜的食物。

还可以在水资源不足、土地贫瘠和土壤破坏严重的地区发展无土栽培方式的垂直农场。垂直农场不仅可以减少农作物对气候和土壤的依赖性（以最小的土地占比产出最高的产量），还可以因地制宜节约大量水源。

4.3发展螺旋形垂直农场配套机具

螺旋形垂直农场具有成本低、种植面连续、机械化、智能化集成作业平台易开发和可复制等特点，将有很好的应用前景。随着螺旋形垂直农场的推广及人们对其要求的提高，仅有种植平台是不够的，还需要进一步开发相应功能的机具配合完成场内的种植、施肥、喷洒、除草、采摘和运输等。

（作者：金香 杨自栋）