大楼种粮是天荒夜谈吗？

郑风田 许竹青

当传统农业遭遇极端气候变化时，农业生产就显得非常脆弱。世界银行预计到21世纪80年代，气候变化将会造成全球农业减产15%以上。与此同时，人口的增长又使得农民极度缺乏土地。根据联合国的人口报告估计，到2050年全球将有30亿新增人口，总人口达93亿。如果依然按照目前的传统农作物生产方式进行农业生产，将需要10⁹公顷的新土地来生产食物，但是目前全世界80%的适合农业生产的土地都已经被使用（FAO & NASA）。未来的“粮食安全”问题如何解决，成为全世界关注的焦点。

在此背景下，以迪克森·戴斯波米尔为代表的科学家们提出了“农业摩天大厦”的概念。农业摩天大厦是使用最先进的室内农业技术从经济性和环境友好性两个方面出发，将农业生产转移到摩天大楼里的一种创新型的农业生产方式。农业摩天大厦如果成功运作，将会为都市提供多种多样的健康食品，同时也能够修复被传统农业所损坏的生态环境。

当前，农业摩天大楼设计主要分为三类，一类为节能型、一类为新能源利用型，还有一类将社区生活和农业生产相结合。本文将对这三类农业摩天大楼的代表性设计进行介绍，对农业摩天大厦的技术运作方式进行说明，最后对农业摩天大厦的优势和问题进行介绍并对如何看待农业摩天大厦给出相关意见。

（一）农业摩天大厦的设计介绍

1. 节能型农业摩天大厦

（1）美国伊迪斯格林-温德尔怀亚特农业摩天大厦

据纽约时报报道，2010年2月美国俄勒冈州波特兰市计划将伊迪斯格林-温德尔怀亚特联邦大楼改造成为一座农业摩天大厦。这座大楼始建于1975年，楼高18层，楼的建筑风格乏善可陈，因此通过这次改造将大大提高其观赏性，同时这座楼将成为全世界最节能的建筑。

这个项目跟一般垂直花园所不同的是，俄勒冈州波特兰联邦政府大楼将由7个名为“植物鳍区”构成，“植物鳍区”从原有建筑内伸展出来，是植物生长的“花盆”。整个项目落成之后的面积是可以达到四分之三格足球场大小。项目的最初想法是利用植物绿墙为建筑物隔热保温降低噪音等。夏天高温天气时候植物可以很好遮蔽建筑物的，保持室内一个凉爽的环境，降低空调的使用；冬天植物休眠落叶之后，部分光线就是直接照射进室内，可以增加室内的温度，并且由于墙面有植物保护，室内的热量流失速度也被减慢，减少冬季室内加温对于能源的消耗。

（2）加拿大戈登·格拉夫的农业摩天大厦

加拿大安大略滑铁卢大学的戈登·格拉夫设计了一座59层的农业摩天大楼，多伦多星报的相关报道指出，这个采取水培法的农场每年估计消耗大约8200万度电，其中大约一半所需电量可由农场内一家沼气电厂(利用农场废物分解时产生的甲烷燃烧发电)提供，余下的电量则可利用城市垃圾获取。戈登的这座农业摩天大楼能够在合理的成本下产生足够的电量取代阳光，具有一定的可行性。

 

 

2. 新能源利用型农业摩天大厦

(1) 迪拜海水农业摩天大厦

 

　　纽约时报在2008年7月的一篇相关报道中提到，巴黎建筑设计师奥古斯丁·罗森斯提赫尔认为“农业摩天大厦必须适应一些特殊的区域，尽量建造在农作物种植较为缺乏的地区，这样更有意义。”

迪拜是一个缺少淡水和耕地的国家，意大利建筑师克里斯蒂纳·法弗莱托和安东尼奥·基拉迪设计的海水垂直农场将建造在迪拜，旨在当地在淡水和蔬菜等农作物极度匮乏的情况下满足人们对农产品的需求。他们的设计理念是将空气中的一些水蒸汽转换为淡水以灌溉农作物，在这个垂直农场中，圆盘形的结构就是一个个农场。海水流过建筑中心的管道，并在流动过程中实现冷却和补充水份。

（2）美国太阳能农业摩天大厦

根据《纽约》杂志报道，建筑师克里斯·雅各布斯与哥伦比亚大学的德波米耶合作设计了一家农业摩天大厦。这家农场是世界上首批农业摩天大厦之一，将建于洛杉矶，其最大特点当属安装于屋顶的一个巨型太阳能电池板。电池板可随着太阳移动，从而可以最大程度地捕获阳光。这座建筑物的窗户采用可阻隔污染物质并且防止水凝结成水珠的化学材料，后者能够让进入窗内的阳光实现最大化，从而帮助作物生长。

 

3.农业与现代社区结合型摩天大楼

（1）美国华盛顿设计师的生态实验室

美国西雅图贝尔镇社区自20世纪80年代起就开始建设城市社区花园项目。由美国Weber Thompson建筑师事务所所设计的“生态实验室”虽然仍在继续该社区传统的农业生产，但同时也对其进行了拓展。“生态实验室”集成了居住区、教育区和公共市场等要素，整栋建筑的能量消耗和水消耗均接近为零。　

这个农业摩天大厦是一座12层的生态实验室，拥有居住和农业生产双重功能，建在大楼内的花园可为当地社区提供食品。据Weber Thompson估计，在将基本生产成本从收入中扣除后，采用水栽法栽种在生态实验室菜园内的马铃薯和莴苣每年可带来大约100万美元收入，生态实验室具有一定的经济可行性。

（2）纽约的生活型农业摩天大厦

 

　　生活型农业摩天大厦由纽约建筑师布莱克·库拉塞克设计，库拉塞克的设计理念为，将城市农场建在居住性公寓外部边缘。Living Skyscraper的一些楼层将种植温室农作物，这样农业生产得以贯穿全年。包括阳台在内的其它一些楼层则种植果树等季节性作物。第一层将建有一个农民市场，建筑物内的居民可以在市场彼此交易或者将收获的粮食卖给普通大众。

　 （3）“蜻蜓”农业摩天大厦

 

比利时建筑设计师文森特-卡尔博特根据蜻蜓的双翼设计了一种所谓的“蜻蜓垂直农场”。这种设计方案或许可以解决纽约罗斯福岛食品长途运输的问题。在这栋132层的巨型建筑中，包括了28个不同的农业生产领域，可以供应水果、蔬菜、肉类、牛奶和鱼类等各种农副产品。这栋建筑还包含有多个实验区、办公区和居住区等生活空间。

 

（二）农业摩天大厦的运作方式

从理论上来说，无论是从生产技术还是从能量利用方面，农业摩天大厦都能够有效运作。

1. 农业摩天大厦生产技术

农业摩天大厦在农业生产过程中的重要技术主要有三种：滴灌、气培和水培。

滴灌法已经在传统农业生产中广泛应用，主要是利用塑料管道将水通过直径约10mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉。对水的利用率可达95％，能够有效节约水资源。

水培法是农业摩天大厦采用的主要技术，它将植物种在不含土壤的水槽中，溶解了各种营养物质的水则在水槽内循环。在水培温室里，室内农作物可以全年生长，时常造成绝收的旱涝灾害得以避免，作物产量可以达到最大。水培法使种植者不用担心室外环境条件，只要有足够的水分和能量供应，室内种植可以在任何地方进行，而且空间利用非常灵活，不会破坏土壤的结构。

气培法是将农作物栽培在温室的没有土壤的生物箱内，作物根部悬于营养液上访，通过将营养液用气体的形式喷到作物根部或者是搅拌营养液使其产生薄雾以供其生长。用此方法种植农作物可以大量节约用水，且已有研究表明，气培法所生产作物含有更高的钙和钾。从营养的角度来看，对人体健康更有益。

2. 农业摩天大厦能量循环过程

农业摩天大厦整体运作包括电力供应系统、水循环系统和智能化补光系统（grow light）。

（1）电力供应系统

传统农业是依赖于消耗化石、煤炭等枯竭型能源为代表的靠天吃饭型农业生产体系；但是以垂直农业为代表的现代农业是以太阳能、风能、液体内能、地热能、生物质能等可循环、可再生的清洁型能源形成的可控可循环的农业生产体系。

农业摩天大厦的主要能源来自顶楼太阳能板吸收的太阳能（如右图所示）。此外，楼顶还可以安装风力风涡轮，使用风电控制器为大楼提供电力供应。农场的另外一个重要电力来源，是将不可食用的植物颗粒(如玉米麸皮)变成燃料，植物废料先是被加工成粉末状，接着压缩成可全部烧掉的燃料颗粒。

按照戴斯波米尔教授的设想，垂直农业的电力供应系统主要采用蒸汽动力发电的方式，通过收集城市里残存的固体废弃物以及收集垂直农业系统内所产生的不可食用的植物体，来进行焚烧制造驱动涡轮的蒸汽，为农场供电。同时也可以通过农业摩天大厦底部的下水道将整个城市的污水都可以流入这个农业摩天大厦，其中一半进入一部被称作“泥碳”的机器，这部机器对其进行加压加热，将其分解成基本物质：碳和水。“泥碳”提取水和煤状的淤泥作为蒸汽机的动力用来发电。剩下的另一半污水通过消毒灭菌处理，再加上一个加热脱水的过程变成上层土。

这些方式所收集到的能源都储存至蓄电池中，再通过智能总控器向室内高效补光照明系统、温控系统等控制系统传输运行所必须的能量，维持整个农场的正常运转。

    （2）水循环系统

农业摩天大厦的水循环系统一方面通过自身的循环系统对雨水进行收集和利用，另一方面也通过自然过滤的方式（如利用斑马贻贝、香蒲等媒介进行过滤）回收利用城市废水用于灌溉，甚至可以继续净化过滤变成饮用水。虽然工厂内部的水资源主要来源于自身的循环系统，但是由于植物、动物生长必然会消耗掉系统中一部分水，因此垂直农业的水循环系统也要具备外部深加工废水、地下水的功能。

（3）智能化补光系统

智能化补光系统是采用能够发出特定电磁频谱光谱灯为植物光合作用创造光照条件。科学研究表明植物正常发育过程都是通过光合作用、光形态反应、光周期调节来完成的。植物在光合作用中吸收光能主要由叶绿素a、叶绿素b和类胡罗卜素完成，其吸收光谱是确定的，而且只吸收特定波段的光谱。但是，目前在植物生长中应用的人造光源有荧光灯、高压钠灯、金属卤灯等，在垂直农业中将不再使用这些照明方式提供光源。因为这些光源发射白光光谱或线状谱线，光谱匹配不理想，能够被植物吸收的只是个别波段的光，其他波段的光都被浪费，不节能；另外，这些光源产生较多热量，不利于植物生长，不能近距离照射植物，光能的利用效率不高。因此，在农业摩天大厦中将采用特殊的光谱灯光利用农场内部产生的电能为作物光合作用创造条件，以实现最大化节能。

（三）农业摩天大楼的优势及问题

迪克森·戴斯波米尔认为与传统农业相比，农业摩天大楼有着很多优点：1.高产，1亩室内农场的产量相当于4-6室外英亩；2. 生产具有稳定性。垂直农场不会遭受由于气候所引起的干旱、洪涝和虫害等威胁而导致产量下降；3.由于不适用除草剂、除虫剂、或者化肥，因此垂直农场所生产的产品将完全为健康有机农产品；4. 垂直农场几乎消除了污水循环所导致的农业浪费；5. 垂直农场将传统的农场生产回归自然，有助于原有生态系统功能的恢复；6. 垂直农场极大的减少了由于农业生产所导致的传染性疾病的发生几率；7. 垂直农场将不可使用的植物和动物的部分制成甲烷增加能量利用；8. 由于不再使用拖拉机等农业机械，垂直农场将极大的减少化石燃料的使用。

但是仍有不少专家对农业摩天大厦存在质疑。有人认为，农业摩天大厦用于蔬菜水果的种植具有经济可行性，但是种植主要农作物，比如小麦等，生产成本就会过高。也有人指出，由于这种农业摩天大厦的造价、能源消耗本身就非常高，在成本上不合算，经济可行性差。尽管如此，大多数专家相信，这种农业摩天大楼的耕作方式将成为人类未来农业发展的唯一出路。迪克森·戴斯波米尔认为未来的农业摩天大厦将不仅是农业种植场所，而是兼具室内农场、宾馆、学校、医院等社区功能的综合性农业摩天大厦。在这种情况下，其经济可行性将会大大提高。虽然农业摩天大楼仍然处于设计和实验阶段，但是随着科学技术的逐渐发展，以及环境问题、资源问题、气候问题的日益严峻，农业摩天大楼将逐渐具有经济可行性。

笔者认为，农业摩天大楼是一种新兴事物，是面向未来的现代农业生产设计。因此，对其进行经济核算不能使用当前的价格水平，对其可操作性进行认识也不能局限于现有的经济利益的角度，而是应该放眼未来，站在“环境保护、能源利用和粮食安全”的更高更综合的层面上来认识这一可能引发一场新的农业革命的设计。因此，对于农业摩天大厦我们应该鼓励其相关研究和设计，期待能够一步步解决技术性问题，最终使得预想的节能高效经济的农业摩天大厦在未来变为现实。