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农业

垂直农业

垂直农业是食品的未来吗？

向上而不是向外种食物，节省空间和用水，让食物留在本地。我们展示作物如何通过水培和气培，在没有土壤的情况下生长。它们由LED灯照亮，并靠自动化管理。我们看看城市中的哪些地方能发挥优势。然后我们梳理如今的限制：能源、作物种类、技能和高成本，以及可能有所帮助的途径，比如使用可再生能源和余热。收获大，占地小，是太空探索的好选择！

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影响速度成本成熟度自然影响

2.4总体

解决方案评分

  • 影响1 / 5能种的作物种类有限，而且照明很耗电。
  • 速度3 / 5农场可以很快建成，但高成本限制了更广泛的应用。
  • 成本1 / 5最贵的食物种植方式之一。
  • 成熟度3 / 5已投入商业运营，但主要种植沙拉菜和香草。
  • 自然影响4 / 5节省土地和水，但是否环保取决于它的电力来源。

指南

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测验

第 1 题，共 10 题

全球温室气体排放中，大约有多少来自农业？

得分 0 / 10

旁白稿

有两个事实让科学界警觉：第一，到2050年，全球人口将接近100亿[1,2,3]，第二，地球上可耕种的土地和水资源正越来越少[4-11]。

事实上，每年都有数十亿棵树被砍掉，为农业腾地方[12-15]。而且还不止这样，农业约占人类温室气体排放的20%[16-19]。那么，我们怎样才能在不破坏地球的情况下，养活不断增长的人口？嗯，也许有办法。

有一种叫垂直农业的新技术，可能让人类种出多到超乎你想象的食物，而且全靠AI和机器人帮忙。但有人觉得这就是未来，也有人觉得它根本行不通。所以，让我们来看看垂直农业的优缺点。

直到12,000年前，人类都还没有定居点。他们在大地上四处游走，靠狩猎和采集一切能找到的东西生存[20,21,22]。然后，一件彻底改变一切的事发生了：他们发现了农业[23,24]。这种做法迅速兴起和扩张，如今，耕地覆盖了地球全部陆地的大约12%[25-28]。

那么问题出在哪？

嗯，继续走这条路并不可持续。几个世纪以来，不可持续的耕作方式造成了大范围的土壤退化，再加上大规模森林砍伐、城市化，以及滥用化肥和农药[29-34]……你知道的，气候危机？这些因素都可能摧毁地球的生态系统。

除此之外，传统农业占全球淡水使用量的70%[35-41]，还会带来不可持续水平的CO2排放[16-19,42]。

那么未来，人类怎样才能更可持续地种田？

纵观历史，技术在满足不断增长的人口需求上一直很关键。好在，好几种可持续解决方案正在开发中，而其中比较大胆的一项技术就是垂直农业：一种在先进室内设施中种植作物的系统，水果和蔬菜植株一层层向上堆叠，环境受到保护，并且始终被监测和控制[43,44,45]。

垂直农业也不需要土壤。作物通常种在富含营养的水里。这叫水培[46,47,48]。或者种在空气中，这叫气培[49-53]。这些系统可能在缓解土地短缺和土壤退化方面发挥关键作用。

那么，它是怎么运作的？

因为室内没有阳光，垂直农业会使用LED灯[54]。

它还会用上传感器、AI和自动化这类先进智能技术，通过精准控制营养、光照、温度和湿度等所有影响植物生长的因素，来提高效率[54-59]。

所以，不管你在世界哪个地方，也不管是什么季节，现在都能随时随地种作物。

垂直农场已经装进了废弃建筑[60,61,62]、地下停车场[63,64,65]，甚至集装箱里[66-70]。这让人类能在东京和开罗这样的城市环境中种植食物[69-77]。

如今，大多数食物要走数千公里才能到达人们的餐桌，但在本地种植可以避免数亿吨CO2排放[78-81]。

对于某些作物，垂直农业的产量可能是传统农业的10到100倍[82-85]：传统农业中，1平方米土地在4个月的收获期大约能产9棵生菜；而垂直农业可以产出超过600棵！[85-88]

而最棒的一点是，这种干净的环境还能降低病虫害风险，减少对有害农药的需求，保护作物产量，并节省宝贵的水资源[45,55,85,89,90]。实际上，通过让水在封闭的灌溉循环中流动，用水量最多可减少95%[85,90]。

但是，垂直农业确实也有缺点。

首先，它需要大量能源，比传统农业多得多，主要是因为要用人工照明[48,91,92]。而如果这些能源来自化石燃料，就会产生CO2[93,94,95]。

其次，虽然垂直农业很适合叶菜、香草和较小的蔬菜，但目前不适合需要大量空间或更长生长周期的密集型作物[95-98]。

此外，这些农场还依赖受过新技能培训的人。所有这些因素都意味着需要大量投资[95,98,99,100]。

那么该怎么办？

嗯，世界各地的专家正在想办法让垂直农场使用太阳能或风能等可再生能源，[100-111]并回收余热和CO2[112-116]。

必须找到解决方案，因为到2050年，大约70%的人类将生活在规模越来越大的城市里[117-120]。在这种情况下，垂直农业可能成为一位宝贵盟友。

毕竟，数千年的农业创新已经让人类生活变得更好[121,122,123]。

虽然它目前还有局限，但垂直农业有可能再次重塑农业。NASA的实验甚至表明，有一天，垂直农业或许能让人类在空间站，甚至火星上种植食物[124,125]。

但与此同时，回到地球上，垂直农业或许能应对两个超级重要的挑战：减少CO2，以及种出足够让所有人吃的食物！

专家顾问

我们要感谢

Prof. Emeritus Dickson Despommier

哥伦比亚大学

环境健康科学系

Prof. Leo Marcelis

瓦赫宁根大学与研究中心

园艺与产品生理学研究组讲席教授

Prof. Chungui Lu

安格利亚鲁斯金大学

农业、动物与环境科学学院

更多视频

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延伸阅读

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农业的影响

农业历史

城市垂直农业

进一步创新

参考资料

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  105. [105] 欧洲垂直农业市场规模与增长报告（至2033年） | Market Data Forecast
  106. [106] 新加坡可借助可再生能源和创新推动城市农业脱碳：专家观点（视频） | CNA
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  108. [108] 中国公布“首个由模块化反应堆供电”的垂直农场 | VerticalFarm Daily
  109. [109] “全球最大垂直农场”安装太阳能系统 | Solar Power Portal
  110. [110] 新加坡的太阳能垂直农业 | Planetary Care Grant Agency
  111. [111] 垂直农场：它们可持续吗？ | RSIS
  112. [112] 垂直农场与建筑环境之间的资源共享 | TUDelft
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  115. [115] 将直接空气碳捕集（DAC）技术用于室内农业 | Agritecture
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参考注释

12-15

为农业腾出空间而砍伐的树木数量

[12]“每年有150亿棵树被砍伐”

-（2015）全球尺度树木密度制图 | Nature（引自 OurWorldinData 的森林砍伐与森林损失）

14

“联合国粮农组织估计，每年有1000万公顷森林被砍伐” - （2020）《全球森林资源评估》（引自《森林砍伐与森林损失｜Our World in Data》）：

- 净森林损失率常被说成每年约500万公顷：“2010-2020年，全球森林净损失为每年470万公顷。不过，森林砍伐率要高得多。”

15

“其中至少四分之三由农业推动 - 为种植作物、饲养牲畜，以及生产纸张等产品而砍伐森林” - 森林砍伐的驱动因素 | Our World in Data：

- 文献中有多项估计，说明农业造成的森林砍伐占多大比例。不同估计往往是因为对森林砍伐与森林退化的界定不同。农业占热带森林砍伐的70-80% - 即把林地永久转为其他用途。若将退化（即森林暂时消失或森林质量永久下降）计入，这一比例会略低。Noriko Hosonuma 等人（2012）估计，农业推动了73%的热带森林砍伐。

更多信息见这里和这里

16-19

农业占全球温室气体排放的百分比

（这里的农业指陆地上的食物生产，因此不包括渔业、水产养殖和非食品产品）

16

指出，食品生产和消费占全球温室气体排放量的26%，具体分项如下：土地利用占24%（人类食物占8%，牲畜占16%）；作物生产占27%；畜牧和鱼类养殖占30%（野生渔业另占1%）；供应链占18%。若不计农业后的供应链和渔业相关排放，这相当于全球温室气体排放量的约20%。

17

摘自原始摘要：“2015年，全球粮食系统排放量为每年180亿吨 CO2当量，占温室气体排放总量的34%。其中，农业和土地利用/土地利用变化活动贡献最大（71%），其余来自供应链活动：零售、运输、消费、燃料生产、废物管理、工业流程和包装”。

OurWorldinData解释了[16]和[17]之间估算差异的原因：[17]将全球所有森林砍伐（及归因的 CO2）都算入农业，同时承认实际上只有80%的森林砍伐由农业驱动（其余是城市扩张）。排除城市扩张、但纳入渔业相关排放和部分非食品相关产品后，他们对不含供应链排放的估算会降至更接近全球温室气体排放量的23.5%。[16]对非食品农业产品给出了单独估算，加在一起会使其总估算从26%升至33%。

18

2017年，农业占全球所有人类活动CO2eq排放的20%，相当于11.1 Gt CO2eq yr-1。其中，耕作和畜牧活动产生6.1 Gt CO2eq yr-1（11%），农业用地利用产生5.0 Gt CO2eq yr-1（9%），主要是由于森林砍伐和泥炭地退化。

19

2022年排放的53.5 Gt CO2eq中，农业粮食系统占29.7%。 农业和相关土地利用变化分别占这一比例的48%和19%，合计占全球温室气体排放的19.9%。

25-28

全球耕地总面积（占地球全部陆地面积的百分比）

26

地球全部陆地的2% - 具体来说，是所有农业用地（37%）中的耕地（2021年）。

25

显示地球上所有无冰陆地的14%（2014年），而[27]显示地球上所有无冰陆地的12%（2008年）- 可能已过时。

28

引自2007年的数据，占除格陵兰和南极洲外所有陆地的12%

60-70

垂直农业企业 - 目前运营中（2025年）与近期破产情况

值得一提的是，近年已有多家垂直农场企业和商业项目倒闭，而这里提到的项目未来几年会如何发展，仍不得而知。评论指出了这些失败的常见原因：在核心运营稳定和经济可行性尚未建立前，就试图扩张得太快，或采用并展示先进但成本高昂的技术，把创新放在基本农业和财务原则之前。

常见挑战包括高能耗、作物种类有限、产量估计过高，以及商业策略不够成熟。许多农场过度追求技术先进，却牺牲了简单性、效率和市场契合度。

不过，也强调不应把这些失败解读为垂直农业整体不可行的证据。相反，它们是一个新兴领域在早期遇到的挫折。垂直农业仍是增强气候韧性和粮食安全的有前景工具，尤其适用于城市环境以及土地或水资源受限的地区。早期失误带来的教训提供了学习机会，也为未来发展中更务实、更可持续的做法带来宝贵见解。

例如，可参阅更多视频“值得学习的经验”中的评论。

78-81

减少食物运输里程带来的排放减少

近期全球研究估计，食物里程约占整个食物系统排放的19%，即每年约3 Gt CO₂eq [79]。水果和蔬菜等易腐、又常靠进口的商品，运输排放尤其高，货运排放甚至可能超过生产排放。

早期聚焦美国的研究 [81] 发现，运输只占食物相关排放的11%（大部分排放来自生产），但较新的全球评估显示，国际贸易的作用比过去认为的更大，尤其是在富裕、进口量大的国家。

不过，完全转向本地食物系统并非处处可行：全球只有11%-28%的人口能在100 km半径内采购特定作物来满足需求，而超过四分之一的人依赖运输距离超过1,000 km的食物 [80]。不过，这仍相当于大量可避免的排放。虽然全球贸易对粮食安全依然重要，尤其是在自给能力较弱的地区，但提高本地生产食物的比例 - 在离消费地更近的地方种植，尤其是在富裕国家 - 可以避免数亿吨CO₂排放，也能让食物系统更有韧性。

85-88

传统与垂直农业种植生菜的比较

传统露地种植中，生菜的预计种植密度和收获频率基于常见生菜类型（散叶生菜、奶油生菜和罗马生菜）的农艺指南（平均田间种植间距建议）：

每畦的行距通常为40-80英寸，设有2-6条播种行，因此平均行距约为37-50厘米。

株距因品种而异，充分长成的菜球为23-30厘米，罗马生菜心为13-15厘米。按这些配置，标准生菜类型的密度约为6.9-9.7株/m²，罗马生菜心则为14-19.6株/m²。

生菜通常每3.5-4个月收获一次，具体取决于气候和品种，而且无法多层叠种或频繁重新种植。不过，全年收获并不稳定 - 在温暖条件下，生长期有时只需约2-2.5个月（夏季种植为65-80天，冬季/早春种植最长可达130天）。

我们选取每4个月每平方米约9株，作为传统农业系统中较保守的中间基准。相比之下，垂直农业系统可通过多层叠种（如10层或更多）和更快的种植周转（如18-30天一个周期）实现高得多的生产率，在相近的4个月内达到600多株/m²的产量。

科学文献中引用的其他数据大体支持这一产量规模[82-85]（网上也能找到更多行业说法）。Jin等人（2022）A报告称，在最佳光照条件下，每层垂直农场生菜的年产量可达每m2 700kg（数月内每m2可产数百个菜球，取决于种植周期和菜球大小）。与此同时，Ptak、Wasieńko和Makula（2024）B描述的一种新方法，在旋转式垂直农场系统中实现了相当于每m3 597个菜球的报告产量。除了高效利用空间，这些例子还凸显了垂直农场可通过提高光利用效率进一步增产的机会。研究显示，持续光照可带来接近持续的光合作用，但也会增加能源需求，并有光抑制、热胁迫和扰乱植物昼夜节律过程的风险A。相比之下，多腔室明暗循环可让每层作物获得足够的每日光照，同时节约资源，并降低运营成本以及对植物和设备的压力。这类方法有望在保留垂直农业产量优势的同时降低能源需求。

121-123

农业对人类的益处

尽管“农业发展改善了人类生活” - 让人口增长、粮食有余，并推动技术进步 - 但也值得看到，随之而来的定居文明带来了更广泛的健康和社会后果。 这些后果包括：与采集狩猎者的饮食相比，饮食多样性减少；因人口密度更高且更接近家养动物，传染病传播增加；社会分层；以及有组织冲突的风险上升。 这些结果并非农业本身固有的，而是源于伴随永久定居出现的社会结构。

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