世界 68 億人口共同使用的土地面積相當於南美洲，用於種植食物和飼養牲畜——這是一個驚人的農業足跡。人口統計學家預測，到 2050 年，地球將承載 95 億人口。由於我們每個人每天至少需要 1,500 卡路里，如果農業繼續以今天的方式進行，文明將不得不開墾相當於另一個巴西的土地——21 億英畝。如此多的新耕地根本不存在。正如偉大的美國幽默作家馬克·吐溫所說：“買地吧。他們不再生產土地了。”
農業還使用了世界可用淡水資源的 70% 用於灌溉，由於受到化肥、殺蟲劑、除草劑和淤泥的汙染，這些水變得無法飲用。如果目前的趨勢繼續下去，在某些人口稠密地區將無法獲得安全的飲用水。農業也涉及大量化石燃料的使用——佔美國所有汽油和柴油燃料消耗的 20%。由此產生的溫室氣體排放當然是一個主要問題，但食品價格也與燃料價格掛鉤，這種機制大致使 2005 年至 2008 年間全球大多數地區的飲食成本翻了一番。
一些農學家認為，解決方案在於更加密集的工業化農業，由越來越少的、高度機械化的農業聯合企業進行，這些企業種植產量更高的作物——這是基因改造和更強大的農用化學品的結果。即使這個解決方案得以實施，充其量也只是一個短期補救措施，因為氣候的快速變化繼續重新排列農業景觀，即使是最複雜的策略也無濟於事。奧巴馬政府上任後不久，能源部長朱棣文警告公眾，到本世紀末，氣候變化可能會摧毀加利福尼亞州的農業。
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更重要的是，如果我們繼續大規模砍伐森林以開墾新的農田，全球變暖將以更 катастрофический 的速度加速。更多的農業徑流很可能產生足夠的“水生死亡區”，將大多數河口甚至部分海洋變成荒蕪的荒地。
似乎所有這些還不足以讓人擔憂，食源性疾病在全球範圍內導致大量死亡——沙門氏菌、霍亂、大腸桿菌和志賀氏菌，僅舉幾例。更嚴重的問題是危及生命的寄生蟲感染，如瘧疾和血吸蟲病。此外，在東南亞大部分地區、非洲和中南美洲的許多地區，將人類糞便用作肥料的普遍做法（商業肥料太昂貴）助長了寄生蟲蠕蟲感染的蔓延，這種感染折磨著 25 億人。
顯然，需要進行徹底的變革。一項戰略性的轉變將消除幾乎所有上述弊病：在嚴格控制的條件下，在垂直農場中進行室內作物種植。在高層建築中種植植物，這些高層建築建在現在空置的城市地塊和大型多層屋頂溫室中，可以全年生產食物，用水量顯著減少，產生的廢物很少，傳染病風險較低，並且無需使用化石燃料驅動的機械或從遙遠農村農場運輸。垂直農業可以徹底改變我們養活自己和未來不斷增長的人口的方式。我們的飯菜也會更美味；“本地種植”將成為常態。
我即將解釋的工作描述乍一聽可能很離譜。但那些仔細研究過必要技術的工程師、城市規劃師和農學家都確信，垂直農業不僅可行，而且應該嘗試。
不造成傷害
在我們曾經是完整森林和草原的土地上種植食物正在殺死地球，為我們自身的滅絕設定了程序。最低要求應該是醫生信條的變體：“不造成傷害。” 在這種情況下，不要對地球造成進一步的傷害。人類以前曾崛起征服過不可能的困難。從查爾斯·達爾文在 19 世紀中期開始，隨著馬爾薩斯主義者對世界末日因人口增長而來的每一次預測，都出現了一系列技術突破，將我們從困境中解救出來。各種農業機械、改良的化肥和殺蟲劑、人工培育的產量更高和抗病性更強的植物，以及針對常見動物疾病的疫苗和藥物，都導致了比不斷增長的人口維持生存所需的更多食物。
直到 20 世紀 80 年代，情況才變得明顯，在許多地方，農業對土地的壓力遠遠超出了其支援可行作物的能力。農用化學品破壞了完整生態系統用於維持自身養分的自然更新迴圈。我們必須轉向更具生態可持續性的農業技術。
正如著名的生態學家霍華德·奧杜姆所報告的那樣：“大自然擁有所有的答案，所以你的問題是什麼？” 我的問題是：我們如何才能都過上美好的生活，同時又允許對世界生態系統進行生態修復？許多氣候專家——從聯合國糧食及農業組織的官員到可持續環保主義者和 2004 年諾貝爾和平獎獲得者旺加里·馬塔伊——都認為，讓農田恢復到其天然的草地或林地狀態是減緩氣候變化最容易和最直接的方法。這些景觀自然地從周圍空氣中吸收二氧化碳，二氧化碳是最豐富的溫室氣體。讓土地保持原樣，讓它治癒我們的星球。
例子比比皆是。朝鮮戰爭後於 1953 年建立的朝鮮半島非軍事區最初是一條 2.5 英里寬的嚴重受損土地，但今天卻鬱鬱蔥蔥，充滿活力，完全恢復了生機。曾經分隔東西德的荒蕪走廊現在綠意盎然。20 世紀 30 年代美國塵暴區因過度耕作和乾旱而變得荒蕪，如今再次成為美國糧倉生產力極高的地區。自 18 世紀以來至少被砍伐過三次的新英格蘭地區，如今已成為大片健康硬木林和北方森林的家園。
願景
因此，出於多種原因，人口日益稠密的文明需要一種替代的耕作方法。但是，封閉的城市摩天大樓是一個可行的選擇嗎？
是的，部分原因是室內種植食物已經變得很普遍。滴灌、氣霧培和水培這三種技術已在世界各地成功應用。在滴灌中，植物紮根於輕質惰性材料（如蛭石）的槽中，這些材料可以使用多年，從植物到植物的小管將富含營養的水精確地滴在每個莖的基部，從而消除了傳統灌溉中浪費的大量水。在氣霧培中，由 K. T. Hubick 於 1982 年開發，後來由 NASA 科學家改進，植物懸掛在充滿水蒸氣和養分的空氣中，也無需土壤。
農學家威廉·F·格里克因在 1929 年開發出現代水培法而受到讚譽。植物被固定在適當的位置，使其根部位於無土槽中，並用溶解的營養物質的水迴圈流過它們。在第二次世界大戰期間，在南太平洋島嶼上為盟軍水培生產了超過 800 萬磅的蔬菜。今天，水培溫室為室內農業提供了原理證明：作物可以全年生產，避免了經常毀壞整個收成的乾旱和洪水，由於理想的生長和成熟條件，產量最大化，人類病原體最小化。
最重要的是，水培法允許種植者選擇業務地點，而無需擔心土壤、降水或溫度曲線等室外環境條件。室內農業可以在任何可以供應充足的水和能源的地方進行。在英國、荷蘭、丹麥、德國、紐西蘭和其他國家/地區可以找到相當大的水培設施。一個主要的例子是位於亞利桑那州沙漠的 318 英畝的 Eurofresh Farms，它全年生產大量優質番茄、黃瓜和辣椒。
然而，這些業務中的大多數都位於半鄉村地區，在那裡可以找到價格合理的土地。將食物運輸到許多英里之外會增加成本，消耗化石燃料，排放二氧化碳並導致嚴重的腐敗。將溫室農業轉移到城市範圍內的更高結構中可以解決這些剩餘問題。我設想建造可能 30 層高、覆蓋整個城市街區的建築物。在這種規模下，垂直農場有望實現真正的可持續城市生活：城市廢水將被回收以提供灌溉用水，剩餘的固體廢物以及不可食用的植物物質將被焚燒以產生蒸汽，蒸汽驅動渦輪機為農場發電。以目前的技術，可以在室內種植各種各樣的食用植物。鄰近的水產養殖中心還可以飼養魚、蝦和軟體動物。
啟動補助金和政府資助的研究中心將是啟動垂直農業的一種方式。大學與嘉吉、孟山都、ADM 和 IBM 等公司的合作也可以解決問題。這兩種方法都將利用許多農業、工程和建築學院的巨大人才庫，並催生可能五層樓高、佔地一英畝的原型農場。這些設施可以成為研究生、研究科學家和工程師進行必要的反覆試驗的“遊樂場”，然後在完全功能化的農場出現之前進行測試。公寓樓、醫院和學校中規模較小的屋頂設施也可以作為試驗床。包括加州大學戴維斯分校、賓夕法尼亞州立大學、羅格斯大學、密歇根州立大學以及歐洲和亞洲的學校在內的許多學校都已存在研究裝置。其中最著名的是亞利桑那大學控制環境農業中心，由吉恩·賈科梅利運營。
將食品生產融入城市生活是朝著使城市生活可持續發展邁出的巨大一步。新興產業將會增長，城市就業崗位也將以前所未有的速度增長——苗圃服務員、種植者和收割者。大自然將能夠從我們的侮辱中恢復過來；將鼓勵傳統農民種植草和樹木，並因固碳而獲得報酬。最終，選擇性伐木將成為一個龐大的木材行業的常態，至少在美國東半部是如此。
實際問題
近年來，我一直在定期談論垂直農場，在大多數情況下，人們都會提出兩個主要的實際問題。首先，懷疑論者想知道，考慮到芝加哥、倫敦和巴黎等城市房地產的經常被抬高的價值，這個概念如何才能在經濟上可行。市中心商業區可能負擔不起，但每個大城市都有大量不太理想的地點，這些地點經常乞求能夠帶來急需收入的專案。
例如，在紐約市，前弗洛伊德·貝內特海軍機場基地處於休耕狀態。該基地於 1972 年廢棄，佔地 2.1 平方英里，迫切需要利用。另一個大型地塊是總督島，這是一個位於紐約港佔地 172 英畝的地塊，美國政府最近將其歸還給該市。曼哈頓市中心一個未充分利用的地點是第 33 街鐵路貨場。此外，還有散佈在整個城市中常見的空地和危樓。幾年前，我的研究生對紐約市的五個行政區進行了調查；他們發現不少於 120 個廢棄地點等待著改變，其中許多地點將垂直農場帶給最需要它的人們，即市中心貧民區的弱勢居民。世界各地的城市都存在無數類似的地點。再說一遍，屋頂無處不在。
有時用於反對垂直農場概念的簡單數學實際上有助於證明其可行性。典型的曼哈頓街區覆蓋約五英畝。批評家說，因此一棟 30 層的建築只會提供 150 英畝的土地，與大型戶外農場相比不算什麼。然而，種植是全年進行的。例如，萵苣可以每六週收穫一次，即使像玉米或小麥這樣生長緩慢的作物（從種植到採摘需要三到四個月），每年也可以收穫三到四次。此外，為 NASA 開發的矮玉米植物比普通玉米佔用更少的空間，並且長到只有兩到三英尺的高度。矮小麥的植株也很矮小，但營養價值很高。因此，植物可以更緊密地排列，使每英畝產量翻倍，並且每層可以種植多層矮稈作物。“堆垛機”植物支架已經用於某些水培作物。
將這些因素綜合到一個粗略的計算中，假設垂直農場的每一層都提供四個生長季，植物密度是原來的兩倍，並且每層有兩層——乘數為 16 (4 × 2 × 2)。一棟佔地一個城市街區的 30 層建築每年可以生產 2,400 英畝的食物（30 層 × 5 英畝 × 16）。同樣，醫院或學校頂部一英畝的屋頂，僅種植一層，就可以為內部的食堂生產 16 英畝的食物。當然，透過 24 小時照明可以進一步加速生長，但目前不要指望這一點。
其他因素放大了這個數字。每年，乾旱和洪水都會毀壞整個縣的農作物，尤其是在美國中西部地區。此外，研究表明，收穫的作物中有 30% 在儲存和運輸過程中因腐敗和蟲害而損失，其中大部分將在城市農場中消除，因為由於需求旺盛，食物幾乎可以即時且就地出售。不要忘記，我們將大大消除戶外農業的巨大危害：化肥徑流、化石燃料排放以及樹木和草原的損失。
我經常收到的第二個問題涉及為大型垂直農場供能和供水的經濟性。在這方面，位置至關重要（驚喜，驚喜）。冰島、義大利、紐西蘭、南加利福尼亞州和東非部分地區的垂直農場將利用豐富的地熱能。陽光充足的沙漠環境（美國西南部、中東、中亞許多地區）實際上將使用兩層或三層結構，可能寬 50 到 100 碼，但長達數英里，以最大限度地利用自然陽光進行生長，並利用光伏發電。風力穩定的地區（大多數沿海地區、中西部地區）將捕獲風能。在所有地方，收穫作物產生的植物廢棄物都將被焚燒以產生電力或轉化為生物燃料。
另一種經常被忽視的資源也非常有價值；事實上，社群花費了大量的能源和金錢只是為了安全地擺脫它。我指的是液態城市垃圾，俗稱黑水。紐約市居民每天產生 10 億加侖的廢水。該市花費巨資對其進行淨化，然後將由此產生的“灰水”傾倒入哈德遜河。相反，這些水可以灌溉垂直農場。同時，富含能量的固體副產品也可以焚燒。在彈式熱量計中焚燒時，典型的半磅排洩物含有 300 千卡熱量。推算到紐約的 800 萬人口，理論上每年可以僅從人體排洩物中獲得高達 1 億千瓦時的電力，足以執行四個 30 層高的農場。如果可以將這種物質轉化為有用的水和能源，城市生活將變得更加高效。
前期投資成本將會很高，因為實驗者需要學習如何最好地整合所需的各種系統。這就是為什麼必須首先建造較小的原型，就像任何新技術的應用一樣。現場可再生能源生產的成本不應高於使用昂貴的化石燃料來驅動大型鑽機犁地、播種和收穫作物（並排放大量汙染物和溫室氣體）。在我們獲得運營經驗之前，很難預測垂直農場的盈利能力。當然，另一個目標是使農產品的價格低於目前的超市價格，這應該可以實現，這主要是因為本地種植的食物不需要長途運輸。
渴望
自從我首次在我拼湊的網站（www.verticalfarm.com）上釋出一些關於垂直農場的粗略想法和草圖以來，已經五年了。從那時起，建築師、工程師、設計師和主流組織越來越注意到這一點。今天，許多開發商、投資者、市長和城市規劃師已成為倡導者，並表示強烈希望實際建造一個原型高層農場。紐約市、俄勒岡州波特蘭市、洛杉磯市、拉斯維加斯市、西雅圖市、不列顛哥倫比亞省薩里市、多倫多市、巴黎、班加羅爾、迪拜、阿布扎比、仁川、上海和北京的規劃人員都與我聯絡過。伊利諾伊理工學院目前正在為芝加哥制定詳細的計劃。
所有這些人意識到，如果我們想為下一代建立可靠的食物供應，就必須儘快採取行動。他們提出了關於成本、投資回報率、能源和用水量以及潛在作物產量的棘手問題。他們擔心結構梁會隨著時間的推移因潮溼而腐蝕，為各處抽水和空氣提供動力，以及規模經濟。詳細的答案將需要工程師、建築師、室內農學家和商人的大量投入。也許有抱負的工程師和經濟學家會喜歡開始進行這些估算。
由於該網站，垂直農場倡議現在掌握在公眾手中。它的成功或失敗僅僅取決於那些建造原型農場的人以及他們投入的時間和精力。位於亞利桑那州圖森郊外的臭名昭著的生物圈 2 號封閉生態系統專案，最初於 1991 年有 8 人居住，是關於不應採取的方法的最佳例證。它建築規模太大，沒有經過驗證的試點專案，並且完全沒有意識到大規模地基的固化水泥會吸收多少氧氣。（亞利桑那大學現在擁有重新審查該結構潛力的權利。）
如果要使垂直農業取得成功，規劃者必須避免這種和其他非科學性的輕率行為的錯誤。訊息令人鼓舞。根據生態工程領域的領先專家（如彼得·海德，他是倫敦國際設計和工程公司奧雅納的全球規劃總監）的說法，建造大型高效的城市垂直農場不需要任何新技術。許多愛好者都問：“我們還在等什麼？” 我沒有很好的答案來回答他們。
注：本文最初以標題“垂直農場的興起”印刷。