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垂直农场被推向风口前,经历了这些你所不知道的前尘往事

36氪的朋友们 · 2020-09-18
回顾初心,寻找未来!

编者按:本文来自微信公众号“未来主议”(ID:futuretalking),作者:顾贝妮,36氪经授权发布。

免受自然环境变化的影响,同时也能极大削弱对环境的反作用力,垂直农场被看作未来可持续农业的理想模式。过于理想则可能无从实现。许多创新既是必然也有偶然,必然主导了方向,偶然造就了过程。

2010年以来,被近十亿美元投资灌溉着的垂直农场无法急速催熟。在此之前,垂直农场也已有五十年甚至超百年的过往,透过往事,我们将更深刻的理解它的初心与原生动力,更好地预见它的未来。

垂直,诞于城市危机

我们今天所说是的垂直农业,其关键词“垂直“形式的布局构想由来已久,撇开各种古老文明不说,在接近现代生活历史中溯源,这一构想并非出自从事农场耕作的农民,而是艺术家与城市规划学家。1909年3月在Life杂志上整版刊登了A.B. Walker的漫画作品,展示了一个多层空中花园式的城市家园。传统的房屋层层堆叠在一个开放式的摩天大楼似的框架上。而作品下配的阐释文字则出自于 一家地产公司。此后,整个20世纪出现了不少与此关联的建筑方面的讨论。

A.B. Walker漫画创作,1909年Life杂志

20世纪70年代,作为城市规划学及建筑师的Rem Koolhaas根据Walker的艺术性创作,融合城市建筑师的思维,将其看作摩天大楼的理想性能。以层叠框架的形式,构造一个集成多种生活场景的纵向延伸的空间。Koolhaas主张向垂直方向去思考,并将他的一些相关想法写进了1972年出版的著作《癫狂的纽约》((Delirious New York)),引起了广泛关注。

这里涉及当时的大背景。进入20世纪后,美国一直处于快速城市化的进程中,发展过快导致了诸多城市病,例如拥堵、污染、生活成本高昂等,各种城市弊端积累到70年代,引发了逆城市化运动。可见城市危机的严重。也是在上世纪70年代初,能源危机爆发,除了美国,欧洲各国领导人也非常担心不断增长的人口、加剧的污染和飙升的粮食价格,担心在21世纪初将造成严重的粮食危机。联合国成员国于1975年初在罗马召开了粮食会议,会议结论大意就是说:“来不及了,赶紧行动!” 

在这样的背景下,垂直布局构想的初衷与城市生活密切相关,与解决城市化带来的困境与危机有关。现如今所激烈探讨的,以垂直农场方式实现城市种植的理念本源一致。

城市的密集人口对食物需求量庞大,同时能用于耕种的土地稀缺,从外围运输粮食流通环节成本高,加重城市生活负担,以及城市人对不能兼得的宽敞田园的渴望,等等这些推进形成了垂直结构这样最大化利用土地资源的构想。

可控,破解极端条件下的不可为

进入20世纪70年代末期,美国国家航空航天局NASA开始运作一个名为CELSS(Controlled Ecological Life Support)的研究部门,后又演变为ALS(Advanced Life Support)项目,以研究在失去地球自然生态的太空中,如何以可行的人工方式种植作物。在完全封闭的人工控制系统中,优化光照、温度、相对湿度、空气流通及营养肥料组合,寻求粮食作物种植方法。从一下面的项目进程图中可以看到,所试验的作物范围广泛,包括小麦、稻米、大豆、土豆以及如今垂直农场主流的绿叶蔬菜。

NASA的CELSS和ALS项目推进

早在一百多年前,农民们开始尝试在类似容器装置中种植作物以免受环境变化影响。最早是一个简单的小盒子,上面放着一块玻璃,之后迅速发展成小规模温室。人们兴奋的发现,这一种植新技术为多种植物创造更好的生长条件,也是一定程度人为干预环境的室内种植的雏形。而NASA的CELSS可以说是一个极端情况,在自然条件极端不可为下而为之的探索。

这一探索中有一些意义深远的发现。当年CELSS部门开发了基于水培的高效作物营养系统,其用水量比常规地面栽培少约90%。这让研究者意识到在可控条件下种植作物,有可能极大节省资源。要知道农业生产占用了70%的水资源。原本用以破解极端自然环境下的不可为,变成了可持续性农业模式的探索方向,反向减少农业对环境资源的索取与破坏。

当时作为博士后在CELSS部门从事研究工作的Joel Cuello是因此对可持续农业产生信念的代表人物:“NASA使我明确了以可持续的方式生产食物的想法和重要性。” Cuello也由此成为可持续农业尤其垂直农业领域的著名倡导者和研究者,一直坚持至今。现今Joel Cuello是垂直农业协会(AVF)副主席,亚利桑那大学生物系统工程教授。

事实上,早于NASA近20年,当时的苏联太空计划从1961年开始着手发展自己的生物再生空间生命维持系统。1968年,苏联首次实现在完全封闭的称之为Bios-2的可控环境系统中种植作物。Bios-2位于西伯利亚城市克拉斯诺亚尔斯克,在那里他们成功地种植了小麦、胡萝卜、黄瓜和其他蔬菜作物。此后苏联在1972年建造了一个经过改进的地下试验设施Bios-3。

美苏两国的太空计划为后来商业性室内种植工厂奠定了基础。在美国General Mills公司, Castle & Cooke, Whittaker 以及GE等都尝试了水培种植工厂。其中多数在20世纪70年代建立的,并在80年代运营,但最终都因成本过高而以失败告终。

2009,垂直农场的兴起

以垂直的方式要空间,以人工控制的方式应对自然环境的不利,这两个思路结合起来就成了今天的垂直农场。

到2009年有一起引起广泛关注的事件,成为了垂直农场发展的触发器。在英国一家名为Valcent的公司开发了VertiCrop™商业化垂直农场系统,在2009年开始正是启用,当年号称是世界第一个商业应用的垂直农场系统。当年,著名的时代杂志将其选入50个世界顶尖发明之一。

Time时代杂志将Valcent的垂直农场系统评为50个顶尖发明之一

而VertiCrop™第一个实际应用项目,居然是在一家动物园Paignton Zoo ,用来种植喂养动物的作物,称可以减少动物饲料成本。什么?恐怕不得不乍舌一下。之后似乎发展艰难,2014年有该公司正寻求融资的消息,此后就没有更多消息了。目前VertiCrop™在Crunchbase上显示为关停状态。当然,当时人们并没有预见到其命运,在媒体的助推下,反而因此开启了垂直农场的一波浪潮。

2009年11月哥伦比亚大学微生物及生态学家Dickson Despommier发表了著作《垂直农场的兴起(The Rise of Vertical Farms)》。Despommier的视角也从大都市城市人口的食品需求入手。他举例说,纽约的人口达800万,为满足大众的食物需求,需要从弗吉尼亚州等地区运输进城,为什么不构想在本地种植的方式呢。Despommier的概念在于建造一座由不同楼层田地和果园组成的玻璃大厦,整体耕种面积将可以满足5万人的粮食需求。为了营造植物种植最适宜的环境,在内部,气温、湿度、气流、日照和养分等因素都会被控制。而Despommier教授称他书中这个垂直农场的想法实际上来自在他在1999年教学课堂的学生探讨。十年前的构想到2009年才付诸笔端,想必也于VertiCrop™有些关系吧。

Despommier文章发表在2009年11月Scientific American(左),各界人士好评如潮(右)

Despommier的垂直农场设计设想好评如潮,虽然更多的还是愿景蓝图阶段,但各种评论将其看作解决一系列危机的出路,包括环境问题、能源危机、粮食缺口等等,有评论这样称:“He didn't just think big - he thought up. Despommier's stroke of genius, the vertical farm, has excited scientists, architects, and politicians around the globe.” 此后Despommier也被称为垂直农场之父。如今检索互联网,还能看到2009~2010年间充斥着各知名媒体对Despommier垂直农场构想的介绍和评论。可以想象当时人们热情洋溢地对此构想寄予厚望并打算大干一场。如果要说一个爆发点,垂直农场元年,恐怕应该是2009年。

Despommier的设想中,有一条传送带,用于将作物按设置移动到玻璃窗附近,以确保植物对自然日照的均衡汲取。避免距离窗户最远的植物因吸收最少的阳光而生长过慢。可以看出,Despommier意识到,在垂直结构中,获取均衡可靠、可持续的光源是一个棘手问题。但当时的设想似乎停留在对自然光源获取上,虽然自然光是免费的,但可控性却差很多。

如今十年过去,光源及能源成本仍是垂直农业能走得更远的关键瓶颈。当LED灯大量使用、能提供更廉价且高效的光源之后,室内垂直农场在经济上变得有一定可行性。此前,垂直农场产生了大量的热量,因此冷却成本和电费都是天文数字。

日本,压力产生动力

从前面的历程不难看出,垂直农场的初衷很大程度是未来应对危机的“权宜之计”。而VertiCrop™将其看作为一个可能实现更低成本的种植模式来替代传统方式,这样的思路至少在当时言之过早。但既然是用来应对危机,相比较危机带来的潜在巨大风险,高成本的垂直农场未必不可选。这在日本的表现特别突出。日本一直是个危机感超强的国家,也许正是因为强烈的危机感,促使日本的垂直农场能坚持发展,并更早的获得大规模商业化。

日本的商业性室内种植工厂于80年代起步,晚于美国,但却比美国更有坚持。这实际上与日本土地等自然资源更稀缺,城市人口密度更大息息相关。受限于地理环境,鉴于国家粮食安全等考量,日本政府对本土农业种植有大力而长期的政策倾向。这些特有国情,使得在日本即便是用传统模式种植的蔬果,其零售价格也十分昂贵。如此意味着削弱了垂直农场成本过高的劣势,为其留下了一定生存空间,得以持续摸索前进。2000年COSMO公司建起了全球第一家LED光源的垂直农场,让该领域逐渐显示出了商业盈利的希望。

再之后,另一黑天鹅事件成了加速发展的催化剂。2011年3月,大地震引发了福岛核电站核泄露惨剧。核泄露给以福岛为核心的环境造成了难以逆转的长期影响,严重破坏了农业生产所依靠的自然条件。人们也极度担心户外种植的粮食是否受到核污染。受此影响,日本政府开始在福岛核灾难发生地附近规划垂直农场,再加上日本政府对创新农业提供优越的补贴计划。

日本开始加速推进以不受自然资源短缺,恶劣环境影响为优势的垂直农场产业。不少日本本土废弃的一些制造业厂房被改造成了高科技农场。最著名的之一,是富士通公司创建了的沼津种植园,用于栽培种植低钾生菜,提供给患有肾部感染问题的人们。

据称作为2011年福岛核电站危机重建工作的一部分,将这些废弃工厂改造为高科技农场的过程中日本政府给了大力度的支持。Vertical Farm Institute总结了日本垂直农场的大致状况,如下图所示。

垂直农场再日本的发展 (Vertical Farm Institute)

日本长期存在的粮食安全压力,使得其更有动力积极采用和吸收新兴技术创新,不断寻求提高产量和种植效率,从而使得日本的种植工厂模式能得到长久发展。如今日本拥有世界上最先进的垂直农场,且有的已实现盈利。

其中之一坐落在日本古都奈良以北几公里处的一个科技园内,看起是个生产汽车变速器或电子元件的工厂,但这是一家种植生菜的农场。机械手臂将生菜幼苗移植到巨大的架子上,在LED灯下,接近无菌环境中生长。目前若满负荷运行,每天将生产约3万棵生菜。

这家工厂为Spread公司旗下,品牌名为Nuvege,是世界上最复杂的垂直农场之一。Spread从2007年就已开始大规模生产,据悉在2013年实现了盈利。Spread称:其种植的生菜目前比传统种植成本大约高20~30%,而其可能是大规模垂直农场中唯一能实现盈利的例子,并还有较好的市场增长趋势。

危机,越来越近

过去三十年,世界范围内的灾害显著增加,特别是干旱、洪水、飓风等与气候有关的灾害事件数量攀升,持续扩大着经济损失,农业损失首当其冲。“来不及了,赶紧行动!”70年代时的呼声,在近十年来,喊越响。根据FAO的数据,2004~2014年间331起,相比本1980~1990年间149起与气候相关的灾害事件数量增长一倍有余;而年度经济损失则从140亿美元规模增长到千亿美元,达七倍多。

2011年,哥伦比亚大学经济学家Wolfram Schlenker 和斯坦福大学生态学家研究了1980~2008年间的气温变化对作物种植的影响,结论是作物产量受气温变化影响显著,在此期间美国以外地区玉米产量下降3.8%,小麦下降5.5%。

而美国作为农业大国,为全球供给卡路里,其核心产地在美国中西部地区。Schlenker 2012年的研究称,如果按照气候学家预计的本世纪末气温变化走势模拟,美国中西部地区的玉米产量可能下降25%,大豆产量下降10%。这意味着全球热量供给总量将下降了4%至5%,在这种情况下,预期食品价格将飙升30%之多。危机感油然而生。

今世界人口还在不断增长中,且2/3的人口居住于城市。农业生产对环境的破坏力也在近年来被划上重点。无论是鉴于需求端日趋紧张的粮食缺口压力,还是传统农业种植与自然环境之间难以化解的双向破坏力,都将垂直农业推向了风口。

今日所叙述,多是陈年往事,或者老调重弹,但且回顾初心,寻找未来。

补记

垂直农业英文原词Vertical Farming,早在1915年,美国地质学家吉尔伯·特埃利斯·贝利(Gilbert Ellis Bailey)曾以此为名,出版了一本著作。但有趣的是,当时垂直的方向并非向上,而是向下寻求空间。贝利以地质学家的视角,所关注的是土壤的起源、养分含量以及植物 “垂直”向下的根系结构。

美国地质学家Gilbert Ellis Bailey 1915年出版著作《垂直农业Vertical Farming》

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