世界 68 亿人口共同使用的土地面积相当于南美洲，用于种植食物和饲养牲畜——这是一个惊人的农业足迹。人口统计学家预测，到 2050 年，地球将承载 95 亿人口。由于我们每个人每天至少需要 1,500 卡路里，如果农业继续以今天的方式进行，文明将不得不开垦相当于另一个巴西的土地——21 亿英亩。如此多的新耕地根本不存在。正如伟大的美国幽默作家马克·吐温所说：“买地吧。他们不再生产土地了。”
农业还使用了世界可用淡水资源的 70% 用于灌溉，由于受到化肥、杀虫剂、除草剂和淤泥的污染，这些水变得无法饮用。如果目前的趋势继续下去，在某些人口稠密地区将无法获得安全的饮用水。农业也涉及大量化石燃料的使用——占美国所有汽油和柴油燃料消耗的 20%。由此产生的温室气体排放当然是一个主要问题，但食品价格也与燃料价格挂钩，这种机制大致使 2005 年至 2008 年间全球大多数地区的饮食成本翻了一番。
一些农学家认为，解决方案在于更加密集的工业化农业，由越来越少的、高度机械化的农业联合企业进行，这些企业种植产量更高的作物——这是基因改造和更强大的农用化学品的结果。即使这个解决方案得以实施，充其量也只是一个短期补救措施，因为气候的快速变化继续重新排列农业景观，即使是最复杂的策略也无济于事。奥巴马政府上任后不久，能源部长朱棣文警告公众，到本世纪末，气候变化可能会摧毁加利福尼亚州的农业。
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更重要的是，如果我们继续大规模砍伐森林以开垦新的农田，全球变暖将以更 катастрофический 的速度加速。更多的农业径流很可能产生足够的“水生死亡区”，将大多数河口甚至部分海洋变成荒芜的荒地。
似乎所有这些还不足以让人担忧，食源性疾病在全球范围内导致大量死亡——沙门氏菌、霍乱、大肠杆菌和志贺氏菌，仅举几例。更严重的问题是危及生命的寄生虫感染，如疟疾和血吸虫病。此外，在东南亚大部分地区、非洲和中南美洲的许多地区，将人类粪便用作肥料的普遍做法（商业肥料太昂贵）助长了寄生虫蠕虫感染的蔓延，这种感染折磨着 25 亿人。
显然，需要进行彻底的变革。一项战略性的转变将消除几乎所有上述弊病：在严格控制的条件下，在垂直农场中进行室内作物种植。在高层建筑中种植植物，这些高层建筑建在现在空置的城市地块和大型多层屋顶温室中，可以全年生产食物，用水量显着减少，产生的废物很少，传染病风险较低，并且无需使用化石燃料驱动的机械或从遥远农村农场运输。垂直农业可以彻底改变我们养活自己和未来不断增长的人口的方式。我们的饭菜也会更美味；“本地种植”将成为常态。
我即将解释的工作描述乍一听可能很离谱。但那些仔细研究过必要技术的工程师、城市规划师和农学家都确信，垂直农业不仅可行，而且应该尝试。
不造成伤害
在我们曾经是完整森林和草原的土地上种植食物正在杀死地球，为我们自身的灭绝设定了进程。最低要求应该是医生信条的变体：“不造成伤害。” 在这种情况下，不要对地球造成进一步的伤害。人类以前曾崛起征服过不可能的困难。从查尔斯·达尔文在 19 世纪中期开始，随着马尔萨斯主义者对世界末日因人口增长而来的每一次预测，都出现了一系列技术突破，将我们从困境中解救出来。各种农业机械、改良的化肥和杀虫剂、人工培育的产量更高和抗病性更强的植物，以及针对常见动物疾病的疫苗和药物，都导致了比不断增长的人口维持生存所需的更多食物。
直到 20 世纪 80 年代，情况才变得明显，在许多地方，农业对土地的压力远远超出了其支持可行作物的能力。农用化学品破坏了完整生态系统用于维持自身养分的自然更新循环。我们必须转向更具生态可持续性的农业技术。
正如著名的生态学家霍华德·奥杜姆所报告的那样：“大自然拥有所有的答案，所以你的问题是什么？” 我的问题是：我们如何才能都过上美好的生活，同时又允许对世界生态系统进行生态修复？许多气候专家——从联合国粮食及农业组织的官员到可持续环保主义者和 2004 年诺贝尔和平奖获得者旺加里·马塔伊——都认为，让农田恢复到其天然的草地或林地状态是减缓气候变化最容易和最直接的方法。这些景观自然地从周围空气中吸收二氧化碳，二氧化碳是最丰富的温室气体。让土地保持原样，让它治愈我们的星球。
例子比比皆是。朝鲜战争后于 1953 年建立的朝鲜半岛非军事区最初是一条 2.5 英里宽的严重受损土地，但今天却郁郁葱葱，充满活力，完全恢复了生机。曾经分隔东西德的荒芜走廊现在绿意盎然。20 世纪 30 年代美国尘暴区因过度耕作和干旱而变得荒芜，如今再次成为美国粮仓生产力极高的地区。自 18 世纪以来至少被砍伐过三次的新英格兰地区，如今已成为大片健康硬木林和北方森林的家园。
愿景
因此，出于多种原因，人口日益稠密的文明需要一种替代的耕作方法。但是，封闭的城市摩天大楼是一个可行的选择吗？
是的，部分原因是室内种植食物已经变得很普遍。滴灌、气雾培和水培这三种技术已在世界各地成功应用。在滴灌中，植物扎根于轻质惰性材料（如蛭石）的槽中，这些材料可以使用多年，从植物到植物的小管将富含营养的水精确地滴在每个茎的基部，从而消除了传统灌溉中浪费的大量水。在气雾培中，由 K. T. Hubick 于 1982 年开发，后来由 NASA 科学家改进，植物悬挂在充满水蒸气和养分的空气中，也无需土壤。
农学家威廉·F·格里克因在 1929 年开发出现代水培法而受到赞誉。植物被固定在适当的位置，使其根部位于无土槽中，并用溶解的营养物质的水循环流过它们。在第二次世界大战期间，在南太平洋岛屿上为盟军水培生产了超过 800 万磅的蔬菜。今天，水培温室为室内农业提供了原理证明：作物可以全年生产，避免了经常毁坏整个收成的干旱和洪水，由于理想的生长和成熟条件，产量最大化，人类病原体最小化。
最重要的是，水培法允许种植者选择业务地点，而无需担心土壤、降水或温度曲线等室外环境条件。室内农业可以在任何可以供应充足的水和能源的地方进行。在英国、荷兰、丹麦、德国、新西兰和其他国家/地区可以找到相当大的水培设施。一个主要的例子是位于亚利桑那州沙漠的 318 英亩的 Eurofresh Farms，它全年生产大量优质番茄、黄瓜和辣椒。
然而，这些业务中的大多数都位于半乡村地区，在那里可以找到价格合理的土地。将食物运输到许多英里之外会增加成本，消耗化石燃料，排放二氧化碳并导致严重的腐败。将温室农业转移到城市范围内的更高结构中可以解决这些剩余问题。我设想建造可能 30 层高、覆盖整个城市街区的建筑物。在这种规模下，垂直农场有望实现真正的可持续城市生活：城市废水将被回收以提供灌溉用水，剩余的固体废物以及不可食用的植物物质将被焚烧以产生蒸汽，蒸汽驱动涡轮机为农场发电。以目前的技术，可以在室内种植各种各样的食用植物。邻近的水产养殖中心还可以饲养鱼、虾和软体动物。
启动补助金和政府资助的研究中心将是启动垂直农业的一种方式。大学与嘉吉、孟山都、ADM 和 IBM 等公司的合作也可以解决问题。这两种方法都将利用许多农业、工程和建筑学院的巨大人才库，并催生可能五层楼高、占地一英亩的原型农场。这些设施可以成为研究生、研究科学家和工程师进行必要的反复试验的“游乐场”，然后在完全功能化的农场出现之前进行测试。公寓楼、医院和学校中规模较小的屋顶设施也可以作为试验床。包括加州大学戴维斯分校、宾夕法尼亚州立大学、罗格斯大学、密歇根州立大学以及欧洲和亚洲的学校在内的许多学校都已存在研究装置。其中最著名的是亚利桑那大学控制环境农业中心，由吉恩·贾科梅利运营。
将食品生产融入城市生活是朝着使城市生活可持续发展迈出的巨大一步。新兴产业将会增长，城市就业岗位也将以前所未有的速度增长——苗圃服务员、种植者和收割者。大自然将能够从我们的侮辱中恢复过来；将鼓励传统农民种植草和树木，并因固碳而获得报酬。最终，选择性伐木将成为一个庞大的木材行业的常态，至少在美国东半部是如此。
实际问题
近年来，我一直在定期谈论垂直农场，在大多数情况下，人们都会提出两个主要的实际问题。首先，怀疑论者想知道，考虑到芝加哥、伦敦和巴黎等城市房地产的经常被抬高的价值，这个概念如何才能在经济上可行。市中心商业区可能负担不起，但每个大城市都有大量不太理想的地点，这些地点经常乞求能够带来急需收入的项目。
例如，在纽约市，前弗洛伊德·贝内特海军机场基地处于休耕状态。该基地于 1972 年废弃，占地 2.1 平方英里，迫切需要利用。另一个大型地块是总督岛，这是一个位于纽约港占地 172 英亩的地块，美国政府最近将其归还给该市。曼哈顿市中心一个未充分利用的地点是第 33 街铁路货场。此外，还有散布在整个城市中常见的空地和危楼。几年前，我的研究生对纽约市的五个行政区进行了调查；他们发现不少于 120 个废弃地点等待着改变，其中许多地点将垂直农场带给最需要它的人们，即市中心贫民区的弱势居民。世界各地的城市都存在无数类似的地点。再说一遍，屋顶无处不在。
有时用于反对垂直农场概念的简单数学实际上有助于证明其可行性。典型的曼哈顿街区覆盖约五英亩。批评家说，因此一栋 30 层的建筑只会提供 150 英亩的土地，与大型户外农场相比不算什么。然而，种植是全年进行的。例如，莴苣可以每六周收获一次，即使像玉米或小麦这样生长缓慢的作物（从种植到采摘需要三到四个月），每年也可以收获三到四次。此外，为 NASA 开发的矮玉米植物比普通玉米占用更少的空间，并且长到只有两到三英尺的高度。矮小麦的植株也很矮小，但营养价值很高。因此，植物可以更紧密地排列，使每英亩产量翻倍，并且每层可以种植多层矮秆作物。“堆垛机”植物支架已经用于某些水培作物。
将这些因素综合到一个粗略的计算中，假设垂直农场的每一层都提供四个生长季，植物密度是原来的两倍，并且每层有两层——乘数为 16 (4 × 2 × 2)。一栋占地一个城市街区的 30 层建筑每年可以生产 2,400 英亩的食物（30 层 × 5 英亩 × 16）。同样，医院或学校顶部一英亩的屋顶，仅种植一层，就可以为内部的食堂生产 16 英亩的食物。当然，通过 24 小时照明可以进一步加速生长，但目前不要指望这一点。
其他因素放大了这个数字。每年，干旱和洪水都会毁坏整个县的农作物，尤其是在美国中西部地区。此外，研究表明，收获的作物中有 30% 在储存和运输过程中因腐败和虫害而损失，其中大部分将在城市农场中消除，因为由于需求旺盛，食物几乎可以实时且就地出售。不要忘记，我们将大大消除户外农业的巨大危害：化肥径流、化石燃料排放以及树木和草原的损失。
我经常收到的第二个问题涉及为大型垂直农场供能和供水的经济性。在这方面，位置至关重要（惊喜，惊喜）。冰岛、意大利、新西兰、南加利福尼亚州和东非部分地区的垂直农场将利用丰富的地热能。阳光充足的沙漠环境（美国西南部、中东、中亚许多地区）实际上将使用两层或三层结构，可能宽 50 到 100 码，但长达数英里，以最大限度地利用自然阳光进行生长，并利用光伏发电。风力稳定的地区（大多数沿海地区、中西部地区）将捕获风能。在所有地方，收获作物产生的植物废弃物都将被焚烧以产生电力或转化为生物燃料。
另一种经常被忽视的资源也非常有价值；事实上，社区花费了大量的能源和金钱只是为了安全地摆脱它。我指的是液态城市垃圾，俗称黑水。纽约市居民每天产生 10 亿加仑的废水。该市花费巨资对其进行净化，然后将由此产生的“灰水”倾倒入哈德逊河。相反，这些水可以灌溉垂直农场。同时，富含能量的固体副产品也可以焚烧。在弹式热量计中焚烧时，典型的半磅排泄物含有 300 千卡热量。推算到纽约的 800 万人口，理论上每年可以仅从人体排泄物中获得高达 1 亿千瓦时的电力，足以运行四个 30 层高的农场。如果可以将这种物质转化为有用的水和能源，城市生活将变得更加高效。
前期投资成本将会很高，因为实验者需要学习如何最好地整合所需的各种系统。这就是为什么必须首先建造较小的原型，就像任何新技术的应用一样。现场可再生能源生产的成本不应高于使用昂贵的化石燃料来驱动大型钻机犁地、播种和收获作物（并排放大量污染物和温室气体）。在我们获得运营经验之前，很难预测垂直农场的盈利能力。当然，另一个目标是使农产品的价格低于目前的超市价格，这应该可以实现，这主要是因为本地种植的食物不需要长途运输。
渴望
自从我首次在我拼凑的网站（www.verticalfarm.com）上发布一些关于垂直农场的粗略想法和草图以来，已经五年了。从那时起，建筑师、工程师、设计师和主流组织越来越注意到这一点。今天，许多开发商、投资者、市长和城市规划师已成为倡导者，并表示强烈希望实际建造一个原型高层农场。纽约市、俄勒冈州波特兰市、洛杉矶市、拉斯维加斯市、西雅图市、不列颠哥伦比亚省萨里市、多伦多市、巴黎、班加罗尔、迪拜、阿布扎比、仁川、上海和北京的规划人员都与我联系过。伊利诺伊理工学院目前正在为芝加哥制定详细的计划。
所有这些人意识到，如果我们想为下一代建立可靠的食物供应，就必须尽快采取行动。他们提出了关于成本、投资回报率、能源和用水量以及潜在作物产量的棘手问题。他们担心结构梁会随着时间的推移因潮湿而腐蚀，为各处抽水和空气提供动力，以及规模经济。详细的答案将需要工程师、建筑师、室内农学家和商人的大量投入。也许有抱负的工程师和经济学家会喜欢开始进行这些估算。
由于该网站，垂直农场倡议现在掌握在公众手中。它的成功或失败仅仅取决于那些建造原型农场的人以及他们投入的时间和精力。位于亚利桑那州图森郊外的臭名昭著的生物圈 2 号封闭生态系统项目，最初于 1991 年有 8 人居住，是关于不应采取的方法的最佳例证。它建筑规模太大，没有经过验证的试点项目，并且完全没有意识到大规模地基的固化水泥会吸收多少氧气。（亚利桑那大学现在拥有重新审查该结构潜力的权利。）
如果要使垂直农业取得成功，规划者必须避免这种和其他非科学性的轻率行为的错误。消息令人鼓舞。根据生态工程领域的领先专家（如彼得·海德，他是伦敦国际设计和工程公司奥雅纳的全球规划总监）的说法，建造大型高效的城市垂直农场不需要任何新技术。许多爱好者都问：“我们还在等什么？” 我没有很好的答案来回答他们。
注：本文最初以标题“垂直农场的兴起”印刷。