随着世界城市人口的越来越多，要解决他们的吃饭问题，或意味着需要在城市里建立垂直种植的多层立体农场。
SPREAD垂直农场在托盘里种植生菜
在西班牙北部一个名叫阿雷尼利亚斯的村庄里，艺术家马里亚诺·L·赫拉斯（Mariano L.Heras）在一块土地上种植着一些足够维持自己生存的农作物。因为不使用农药，经常会有一些小动物不请自来地吃他种植的土豆、南瓜和番茄等。赫拉斯认为，这是一种循环回收的方式，也是理应为这种可持续的生活方式支付的合理账单。
到本世纪中叶，世界人口预计将达到90亿，其中80%的人口或将居住在城区中。然而，这90亿人并非都能像埃拉斯一样，开拓自己的一片小天地，过着自给自足的农耕生活。不过，要养活不断增长的城市人口，我们必须在城市边缘或中心城区种植农作物。
传统的工业化农耕不仅使世界有限的耕地负担过重，而且能源和运输成本很高。一个颇具建设性的解决方案就是在城市的高层建筑内种植农作物。在受控环境中种植果蔬并非什么新鲜事情，但在城市中发展大规模的室内农场，则是一项有着崇高目标的全新技术。
建立垂直农场
哥伦比亚大学环境健康科学系教授迪克森·德波米耶（Dickson Despommier）在2010年发表的关于垂直农场概念的最新阐释是缘于几十年前的屋顶农业，即在城市的屋顶上种植各种作物。受此启发，德波米耶和他的学生想到了将农业移入室内的想法。
愿景是在一个街区建立一个有三十层的室内立体农场，能够为五万人提供农作物：上层种植水培作物，即富含营养的水域而不是土壤；下层饲养鸡和鱼，以作物的废料为饲料；再通过可再生能源提供的光和热，包括从动物粪便和城市污水中提取氮或其他营养物质。利用废弃的仓库建立这种室内立体农场，几乎不怎么需要进行整修，而且可为当地创造数十个就业机会。
垂直农场的潜在优势包括：恢复退化的土地功能；减少农业径流；循环利用废弃物；作物生产不受风暴、干旱和其他自然灾害的影响。另外，城市垂直农场还可以减少运输作物过程中的碳排放。
2011年3月，发生在日本东北部由海啸引发的福岛核灾难后，当地的部分农产品受到了放射性污染，农业面临的压力进一步加剧。为了应对这一局面，日本政府鼓励那些参与垂直农场（当时规模较小）建设的人士积极拓展规模，勇于创新。总部设在京都的SPREAD农场的松本直树说：“日本大约有140家种植工厂，而且这一数量正在增加。”
利用无土栽培技术和照明网络，可以平衡LED（发光二级管）的光源，将植物暴露于更多的二氧化碳中以促进其光合作用。一个建在一栋四层建筑物里的SPREAD蔬菜农场，面积为3万平方英尺，可以提供5.7万平方英尺的作物生长环境。这种在环境控制技术下生长的蔬菜，不仅不会受到天气、气候或污染物的威胁，同时还增加了蔬菜生长的收益率。
继德波米耶关于垂直农场概念的最新阐释后，韩国于2011年建立了室内农场，并在其中进行照明、供给机制及种子发育能力等方面的试验。韩国农村发展局位于水原市的室内农场建在一栋三层高的建筑内，目标是开发出最佳的栽培方法，可以在市场上参与竞争，并在能源消耗方面逐步实现自给自足。
垂直农场的一个关键性因素是其独立于室外光线和气候条件。尽管室内农场所面临的挑战包括照明机制、水循环利用和能源效率。但这些问题都是可以解决的。环控农业的发展使得垂直农场的建立是可行的或有利可图，上述的实例就是一个证明。
尝试不同光照
在密歇根州新布法罗市的绿色精神农场，有作物生长的“旋转垂直生长站”（RVGS）和“垂直生长站”(VGS)，前者可以在36平方英尺的空间里栽培540棵有花植物，后者（即一个经过改良的托盘系统）在同样的空间里可以栽培1 013棵多叶作物。RVGS如同一个Ω形花园，其圆筒内所栽培的作物，都围绕着一个中央光源旋转。而作物生长在岩棉立方体里，其营养由一种矿物溶液供给，用水量少于其他的水培系统。
绿色精神农场的Ω形花园系统，内有一个作物生长的旋转圆筒，所有的植物都围绕着一个中央光源
在尝试过不同的光源，绿色精神农场创建者米兰·科库克（Milan Kluko）和丹·科库克（Dan Kluko）父子俩，选择了200瓦的电磁感应灯，即利用一个电磁铁激发氩气作为光源。“我们试着将能量消耗降到最低。”米兰说。一个高度为四层的VGS，每层耗电量800瓦（耗电量为3 200瓦），一个六个单位的VGS耗电量为1 200瓦。电磁感应灯可以提供全光谱光源以模拟阳光，可操作最高温度为华氏130度，不需要冷却管，也不会受到相关折射问题的影响。一个电磁感应灯可以持续使用八年。
“我们不会全天候不间断地为作物提供光源，”科库克说，“每天休息6到8个小时，作物会生长得更好。户外植物（白天接受光合作用）晚上也在生长。作物的光合作用从白天开启到夜间关闭，中间有两个小时的转换时间。”通过一组红色或绿色LED灯模拟晨光，将作物从睡眠状态中唤醒，使其进入活跃期，绿色精神农场将作物产量增加了20%。该农场的运作完全独立于日光，在离峰时间电价便宜时运作。
据来自德波米耶的证据显示，模拟日光模式将会成为种植业革命的一个热门话题。一位德国研究人员为此提议，通过调节三灯丝的灯泡来模拟日出、中午和日落时的阳光，而不是反复地开关，以达到节能的目的。
虽然科库克主张使用电磁感应灯或全光谱光源，但其他室内农场很多使用的是LED灯。从物理学角度看，LED的效率有可能接近100%，但由于其能量以发热形式被消耗掉，可实现的效率远远达不到100%（2013年初，飞利浦照明公司将标准LED灯从原来的每瓦50~70流明发展为每瓦200流明）。
如果LED灯性能提高且价格下降，室内农场作物的生产率就有望提高。基于对盐水、硝酸盐、氧气、照明和其他变量的矩阵分析（从红色到蓝色的LED波长组合的照明方案），荷兰一家名为“植物实验室”的公司开发出的一种配方，能够使室内作物生产效率最大化。“可以把它想象成是专为初级园艺类学生安排的一组室内实验。”德波米耶说。即改变所有的参数来优化作物的生长与产量，你就会得到一个关于如何种植不同作物的配方。
芝加哥Farmed Here在托盘里栽培绿叶蔬菜
作为LED技术应用的又一例证，美国亚利桑那大学的环控农业研究中心，利用特定波长来优化作物的生产力，其中包括嫁接法。例如，将抗性砧木与另一种口感较佳的水果结合，以繁殖所需的基因。远红外光谱（波长700~800毫微米）能够使作物伸展，其茎被拉得很长，非常适于嫁接；红光（波长600~700毫微米）可以导致作物的茎变短，使嫁接后的植物更好地生长。寻找LED波长的最佳组合，即蓝色与红色的具体比例，可以使光合作用、生长率或花的发育达到最佳状态，为植物栽培创造新的机会。
提高作物产能
当然，除了光，作物的生长还需要水。“我们不需要水滋润土壤。”科库克说。他列举了加州大学戴维斯分校和亚利桑那大学的户外农场，其栽培每一棵莴苣所需用水量分别为6.5加仑和25加仑。相比之下，绿色精神农场每棵仅需0.33加仑。“在一个VGS的作物生长周期，我们向其注入150加仑的水即可。”在水被完全消耗之前，作物就已经成熟了，而含有营养的水则可以在系统中回收利用。
系统使用岩棉浸泡在酸碱度适宜的水中，再将种子放置于其中，经过7~10天的培育之后，作物就在VGS中生长。承载作物生长的营养槽一直处于循环状态，每个VGS只需配有一个泵。系统会不间断地记录水的循环量，包括水的pH值以及溶解氧的含量。
位于芝加哥的垂直农场Farmed Here建在一个三层的后工业化仓库里，采用了作物和罗非鱼在水中共生培养的方式，也是一个营养完全循环的系统。Farmed Here农场将作物种植在一个堆叠的托盘里（六层），通过一系列机械泵对鱼槽和托盘进行水循环，使作物的根部保持在富含营养的水雾中，减少了淡水的使用量，也减轻了上层托盘的重量。该农场淡水使用量是户外每英亩地的97%，但产出量却是后者的十二倍。2013年3月，Farmed Here农场的一个新的种植场开始运营，面积达9万平方英尺。
在绿色精神农场的生长空间里，每平方英尺可以种植28棵芝麻菜，而在户外只能种植0.72棵。以芝麻菜为例，其通常有5~6个收割季，每次收割后会在7天内重新生长。而羽衣甘蓝则有7~8个收割季，收割后会在6~10天内重新生长。一般而言，种植在托盘里的绿叶菜其生长周期为20天左右。
目前，一时还难以对室内农场的产能、肥料、水、能源使用等参数与传统农场进行比较。“就像对狭义相对论和广义相对论进行比较一样！”德波米耶说，“（传统）农业并非是一个好的商业模式，你可能有50%的亏损几率，但还是会继续运作。”很多环境问题，包括干旱、洪水或气候变化等突发事件，会导致许多意想不到的事件的发生。
然而，室内垂直农场被证明是较为成功的。在2012年飓风“桑迪”登陆期间，纽约市的一家占地2 000平方英尺的室内水培农场Gotham Greens依然运作正常，而附近的布鲁克林屋顶农庄却因此遭到了毁灭性的损失。在实际运作中，许多垂直农场基本解决了能源和产能的问题，并且为自己的产品找到了市场。“垂直农场的成功运作，使我们期待在未来的十年中，能够帮助类似菲律宾那样经常遭遇台风侵袭的地区。”德波米耶说。
像其他激进理念一样，城市高楼垂直农场是在近几年才出现的新生事物，其发展过程有成功也有失败。考虑到气候变化和突发事件对作物产量的影响，现在正是推广垂直农场的最佳时期。尽管垂直农场看似与赫拉斯的纯天然农场绝然不同，但最终目标是一致的：在需要的地方生产需要的东西，以提升空间利用度和减少碳排放。
责任编辑 则 鸣