垂直農(nóng)業(yè)是一種較為成熟的種植高價值蔬菜和水果的方法。然而，在垂直農(nóng)場中種植主糧作物仍然是一個嶄新的、需要不斷發(fā)展的問題。最近，在垂直農(nóng)場中栽培的小麥被報道可達到每平方米11.7公斤的年產(chǎn)量。垂直農(nóng)業(yè)指的是在高度控制的室內(nèi)環(huán)境中垂直堆疊種植作物，其具有多種好處，比如有實現(xiàn)更高的水分和養(yǎng)分利用效率，減少農(nóng)藥和除草劑的使用，以及減少農(nóng)業(yè)污染。為了通過垂直農(nóng)業(yè)實現(xiàn)主糧作物的大規(guī)模生產(chǎn)，可以通過優(yōu)化光合作用和生長動態(tài)以提高產(chǎn)量，培育更適合垂直農(nóng)業(yè)的作物降低能源成本等。將垂直農(nóng)業(yè)與光伏發(fā)電結(jié)合起來，大幅度提高生產(chǎn)系統(tǒng)的整體光能利用效率也是一條潛在的發(fā)展道路。

　　北京時間2023年3月31日，來自中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱新廣研究員以及荷蘭瓦赫寧根大學(xué)園藝與植物生理組的Leo Marcelis教授在Modern Agriculture期刊上發(fā)表了評論性文章，探討了通過垂直農(nóng)業(yè)實現(xiàn)主糧作物大規(guī)模生產(chǎn)的未來發(fā)展之路。

　　最近，Infarm宣布在垂直農(nóng)業(yè)方面取得了突破，成功在室內(nèi)農(nóng)場生產(chǎn)小麥，并取得了每平方米11.7公斤的驚人年產(chǎn)量（‐step‐towards‐a‐future‐where‐food‐insecurity‐is‐a‐thing‐of‐the‐past）。照此預(yù)測相當(dāng)于每年每公頃117噸，這將是通過垂直農(nóng)業(yè)主糧作物從而確保全球糧食安全的一個重要里程碑事件。

　　垂直農(nóng)業(yè)的概念最早由美國哥倫比亞大學(xué)的Dickson Despommier教授和日本千葉大學(xué)的Toyoki Kozai教授在二十多年前提出的。它利用傳感器、人工智能和機器人等現(xiàn)代技術(shù)，在高度控制的垂直堆疊環(huán)境中種植作物。垂直農(nóng)業(yè)為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)面臨的土地稀缺、水資源保護、氣候控制和糧食安全等挑戰(zhàn)提供潛在解決方案。它經(jīng)常被提議作為一種方法來滿足到2050年預(yù)計增加70%的糧食需求。根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織的數(shù)據(jù)，全球可耕地面積自1961年以來減少了33%，2019年約為13.8億公頃(‐rankings/arable‐land‐by‐country)。而1961年以來，南宮28登錄入口作物單位面積產(chǎn)量的年平均增幅約為1.5%，這不足以滿足不斷增長的糧食需求。垂直農(nóng)業(yè)通過多層種植作物最大限度地提高單位種植面積的產(chǎn)量，其有望大幅提高糧食產(chǎn)量。例如，就小麥生產(chǎn)而言，理論上垂直種植的產(chǎn)量可以達到傳統(tǒng)農(nóng)田產(chǎn)量的220-600倍。

　　除了擴大種植/種植面積，垂直農(nóng)業(yè)還可以提供許多額外好處。通過在室內(nèi)種植作物，它可以保護作物生產(chǎn)免受環(huán)境和天氣的干擾，同時通過優(yōu)化環(huán)境參數(shù)，如光、溫度、濕度和CO2水平，大幅度提高作物殘留。垂直農(nóng)業(yè)同時還可以通過對排水的循環(huán)利用和蒸騰回收，大幅度提高水分利用效率及養(yǎng)分利用率，并減少農(nóng)業(yè)污染和溫室氣體排放。由于作物與外界環(huán)境隔絕，農(nóng)藥和除草劑等化學(xué)品的使用可以大幅減少，進而提供了巨大的生態(tài)優(yōu)勢。此外，垂直農(nóng)業(yè)可以在城市地區(qū)進行，減少運輸和儲存成本，使作物更接近消費者。最后，垂直農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)也可用于太空探索。

　　垂直農(nóng)業(yè)因其巨大的潛在效益而受到學(xué)術(shù)界、投資界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。在過去的20年里，利用垂直農(nóng)業(yè)技術(shù)生產(chǎn)綠葉蔬菜的技術(shù)取得了巨大的進步。然而，以成本低廉的方式生產(chǎn)主糧作物仍具有重大挑戰(zhàn)。高昂的運營成本，尤其是與LED照明相關(guān)的電力成本，阻礙了其在該領(lǐng)域的發(fā)展。通過垂直農(nóng)業(yè)生產(chǎn)蔬菜或作物的成本估計大大高于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為了克服這一挑戰(zhàn)，必須同時促進作物生長和降低能源成本。

　　首先，通過優(yōu)化光合作用以提高產(chǎn)量：垂直農(nóng)業(yè)中的環(huán)境因素都可以進行優(yōu)化調(diào)整。比如可以優(yōu)化光配方，這包括優(yōu)化光周期、光強和光質(zhì)（光譜，光照強度和光照頻率）同樣還可以調(diào)節(jié)營養(yǎng)配方，可以優(yōu)化CO2濃度、空氣流動速度和溫度，以優(yōu)化光合效率。

　　第二，提高育種效率：歸功于現(xiàn)代育種和栽培技術(shù)的發(fā)展，使農(nóng)作物產(chǎn)量在過去半個世紀來得到顯著提高：主要糧食作物平均產(chǎn)量從1961年的每公頃1.35噸提高到2020年的每公頃4.07噸。然而，南宮28登錄入口迄今對適于垂直農(nóng)業(yè)的作物培育目前研究仍較少。這類作物的一些理想特征包括緊湊的株型、生長周期短、開花早等，而對生物和非生物脅迫的耐受性則不再重要。在這個方面，生長周期短、株型緊湊的水稻已經(jīng)被開發(fā)出來。

　　第三，優(yōu)化生長動態(tài)：開發(fā)表型平臺以有效獲取垂直農(nóng)業(yè)中植物的形態(tài)和生理信息，進而創(chuàng)建精準(zhǔn)的作物預(yù)測模型，從而支持對生長動態(tài)的優(yōu)化，從而實現(xiàn)更高產(chǎn)量。這些平臺和模型將為采用各類算法（比如機器學(xué)習(xí)算法）優(yōu)化環(huán)境參數(shù)以提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

　　第四，降低能源成本：在垂直農(nóng)業(yè)中，能源被用于產(chǎn)生特定光、溫度和空氣質(zhì)量，并支持水和營養(yǎng)系統(tǒng)的運行；其中，約有一半的能源用于支持人工照明。為使垂直農(nóng)業(yè)能支持規(guī)?；闹骷Z作物生產(chǎn)，利用太陽能和風(fēng)能等可再生能源十分關(guān)鍵。在這個方面，一種解決方法是將基于光伏的產(chǎn)電系統(tǒng)與垂直農(nóng)業(yè)設(shè)施結(jié)合起來，從而提供比單獨的光伏系統(tǒng)或作物生產(chǎn)系統(tǒng)都更有效的生產(chǎn)系統(tǒng)。在這種情況下，對通過光伏發(fā)電和通過LED將電能轉(zhuǎn)化為光的技術(shù)的需求很大。在這種背景下，優(yōu)化LED光譜以滿足最佳光合作用和改善光伏系統(tǒng)的需求需要大量研究。

　　從農(nóng)田耕作到溫室耕作，再到垂直農(nóng)業(yè)，這一進程代表著人類對生長環(huán)境控制水平的逐步提高。雖然垂直農(nóng)業(yè)可以獲得高產(chǎn)量，但這需要更高的初期建設(shè)成本，而且具有較高的能量消耗。在目前，垂直農(nóng)業(yè)還是適合與種植單位鮮重價值較高的新鮮植物產(chǎn)品。垂直農(nóng)業(yè)用于大規(guī)模生產(chǎn)主糧作物的巨大潛力需要有更多的農(nóng)業(yè)研究人員的參與研發(fā)。

　　中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心朱新廣研究員是該論文的通訊作者，荷蘭瓦赫寧根大學(xué)園藝與植物生理組Leo Marcelis教授為共同作者。研究得到了中國科學(xué)院（CAS）和荷蘭研究理事會（NWO）的聯(lián)合資助。

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