農業的未來紮根
隨著全球領導人正在應對如何養活接近 100 億的世界人口問題，永續農業正迅速成為未來的潮流。在美國亞利桑那州（以下簡稱 UA），研究人員正在尋找垂直農業的未來發展。
Stacy Pigott｜2018-03-21
美國農業和生物系統工程教授 Joel Cuello 說：「研究和開發引領創新和技術，我一直知道我想要朝著這個方向前進，這樣就可以為地球所面臨的一些重要問題做出貢獻。」（照片：Bob Demers / UA新聞）
關於 Joel Cuello
Joel Cuello 對小時候在菲律賓小學後面的一塊小土地有著美好的回憶。隨著當時從播種到植物發芽與成長，教科書上的發芽和光合作用課程也隨之誕生。他和同學們學習光照、二氧化碳、水和養分對植物生長的重要性，他們在收穫作物時看到植物與食物之間的關聯。
沒人能猜到他當時在園子裡學到的早期課程會培養終身的熱情。如今作為亞利桑那大學農業和生物系統工程系的教授， Joel Cuello 仍然在校園的狹小空間栽種植物，但他有更遠見的理想，他想要養活這個世界。
傳統農業是資源密集型的，需要大量的土地、水和能源來生產糧食作物。在該領域，生產一顆萵苣需要大約 3.5 加侖的水。在室內垂直農場，每顆萵苣僅需要四分之三加侖的水 - 這個數據在非研究機構中可能會進一步降低。
即將到來的糧食危機
根據聯合國的報告“世界人口前景： 2017 年修訂版”，目前全球 76 億人口預計到 2050 年將到達 98 億。 Joel Cuello 是美國的 BIO5 的成員，也是全球旱地策略農業倡議研究所所長，他說：「這相當於地球在人口方面增加另一個中國和一個印度的人口數量，這代表多人和很多個肚子要填飽，每天要餵三次的時間。」 「聯合國預測，為了能夠滿足本世紀中葉的糧食需求，我們必須將目前的糧食產量增加 70％ ，相應的作物產量必須翻倍，這是一個非常高的要求。」
隨著人口增長和社會變化，農業實踐在歷史上已經發生了顯著變化。在 20 世紀 60 年代的綠色革命期間，新技術導致全球農業生產顯著增加。但時至今日，農業生產已經停滯，有時甚至還下降。
世界許多地區的農業面臨著土地和水資源可用性下降的趨勢，同時仍然使用大量的土地、水和能源等資源。傳統農業使用 70％ 的淡水資源和 50％ 的地球土地。食品生產和供應鏈每年使用約 30％ 的全球能源支出。
Joel Cuello 說：「我們不能使用完僅剩的所有資源來實現糧食生產的增長。」他對永續農業感興趣，同時在美國國家航空暨太空總署（NASA）控制生態生命支持系統部門完成博士後工作。「 NASA 將我的興趣集中在生產食品的永續性方面，提供我以永續方式生產食品的想法和重要性。」
Joel Cuello 說：「我在 NASA 學到的東西基本上是我在研究中的指導原則，它實現永續性和最大化的生產性能，這意味著每單位資源使用的作物生產力。我們需要能夠提出創新，才能以更少的資源生產更多的食物。」
萵苣生長在市內垂直農場的水、環境與能源解決方案計劃和環境控制農業中心贊助的 UAg 農場的水培系統中，由行業合作者 Illumitex 、 HortAmericas 、 IndoorHarvest 、 Civic Farms 、 Enza Zaden 和 Grodan 提供實物支持。（照片由 Murat Kacira 提供）
糧食生產的永續農業
根據其最基本的定義，垂直農場是作物生產大樓。生長層架如貨架堆放，一個在另一個上面，充滿快速生長的綠葉作物，如生菜、羅勒和甜菜。一個真正的垂直農場是完全封閉的，就像一個倉庫一樣，可以全年運營，不受地理、氣候或季節的影響。在內部，每種資源都經過精心管理和控制，與傳統農業的不可預測性形成鮮明對比，傳統農業高度依賴於天氣。
Joel Cuello 說：「對我而言，垂直農業是一個剛好時機到來的奇想！由於戶外種植是在一個開放式的大氣空間，溫度、相對濕度和光照輻射都在一天內變動，生產力沒有得到優化或最大化，而且也不一致。而在垂直農場中，生產力可被優化或最大化，並且一致，極大地幫助食物生產，滿足需求。」
在垂直農場中，所需的資源都以最佳數量供應，實現高度的永續性。作物在營養豐富的水中進行水耕栽培。陽光被高效 LED 照明取代。控制溫度和相對濕度，並在許多情況下，空氣中的二氧化碳含量被聚集，以促進光合作用。這一切都是在人工智能的幫助下完成的。
Joel Cuello說：「就蔬菜而言，或者像草莓這樣的水果，在垂直農場種植它們更有效率，你可以回收營養物質，並利用太陽輻射來獲取能量。一些城市的土地非常昂貴，但是您可以在城市周圍發展垂直農場，距離相當可控。」（照片：Bob Demers / UA新聞）
Joel Cuello 在農業與生物系統工程系的同事 Murat Kacira ，在北部農業與生命科學學院環境控制農業中心的 750 平方英尺的城市農業-垂直農場（簡稱 UAg 農場）進行研究。的校園。他的一個重點是改善垂直農場作業中的氣流分配系統。
Murat Kacira 解釋說：「通常在垂直農場種植的萵苣等作物由於缺乏適當或動態的氣流，而無法正常發芽，也不能吸收鈣，造成作物頂燒現象，並影響作物的銷售潛力。」他使用實驗和計算機模擬的研究來開發替代系統設計，以便均勻分佈空氣流過每個生長層架，為作物生長創造理想的環境。
本科生 Robert Swartwout （左）和生物系統工程研究生 Brian Caplan 在 UAg 農場評估試驗作物。（照片由 Murat Kacira 提供）
Murat Kacira 還研究監測垂直農場環境中所有關鍵變量的監測系統，包括空氣溫度、濕度、光照強度、二氧化碳、 Ph 值和導電率。希望透過使用人工智能（AI）來完善一個系統。在這個系統中，植物會反應需求給計算機。
Murat Kacira 說：「我們正在研究攝像系統，可以透過查看作物生長相關特徵來監測植物生長情況。之後，我們還希望透過使用相機和其他傳感器來研究作物的健康狀況，並將這些數據資訊作為反饋，來控制其他系統，例如：補光照明系統，而不是僅僅在開關中操作的照明模式。這裡的想法基本上是讓作物能以更智能和節約資源的方式來管理其生長環境。」
垂直農業操作通常使用高能效 LED 照明，這種照明可以以特定光色提供給植物進行光合作用。（照片由 Murat Kacira 提供）
Brian Caplan 和 Murat Kacira 檢查垂直農場設施中的一個環境傳感器。 Caplan 的部分研究生研究植物對光和氣流的反應。 （照片：Bob Demers / UA新聞）
把它付諸實踐
由於 Cuello 和 Kacira 等研究人員致力於改善垂直農業背後的技術，私營公司正在慢慢地開始進入商業垂直農業領域。日本的 Mirai 有限公司是第一家。 Miria （意為日本的“未來”）在 2004 年開設第一個垂直農場，並發布一些令人印象深刻的統計數據。
在 Mirai 的“植物工廠”，每天在一個不到足球場一半大小的設施中生產 1 萬顆生菜，使用的水不到露地栽培水量的 1％ 、能源消耗減少 40％ 。所得到的作物不含農藥、無除草劑、 95％ 可食。
透過改善資源使植物生長最大化，縮短生長時間。萵苣從幼苗生長到收穫，在垂直農場僅需 28 天，而在露地栽培則為 60-70 天。實驗結束後，每批約 1800 顆萵苣由學生收穫，並捐贈給當地的食品銀行，包括 Campus Pantry 或送給學生俱樂部在農貿市場出售。
在新澤西州和紐約，購物者可以購買 AeroFarms 種植的“ Dream Greens ” ，該公司聲稱是在新澤西州紐瓦克市最大的垂直農場。這邊的“大”不是指場地面積很大。垂直農場只需傳統耕作所需土地的 1％ 即可達到相同的收穫量 AeroFarms 比露地栽培還要節水 95％ ，同時每年收穫 30 次。
投資者正關注
在舊金山， Plenty公司 成為頭條新聞，這都要歸功於 Amazon 企業的 Jeff Bezos 和 Eric Schmidt 等人的 2.26 億美元投資。幾家食品銀行，包括加拿大不列顛哥倫比亞省的第二大食品銀行- Surrey 公司 和美國俄克拉何馬州東部社區的食品銀行也正在進行垂直農場試驗，提供新鮮農產品。
儘管如此，垂直農業的商業化並非沒有挑戰。美國最大的垂直農場之一被迫關門大吉，有傳言說另一個將在未來幾週內也是。
Joel Cuello 說：「要讓垂直農業蓬勃發展，需要技術；同時也需要一個可行的商業模式。在 Tech Launch Arizona 的幫助下 V-Hive Green Box 獲得專利，並相信最低限度結構化，模組化和預製垂直農場，如亞利桑那州綠箱（Arizona Green Box）。一個在新澤西州肯頓地區，20英畝土地上開發城市農場的小組目前正在與 Cuello 就這類垂直農場進行應用諮詢。
Joel Cuello 說：「當你擁有一個生態系統時，商業模式就發揮作用 - 你有你的生產設施、供應鏈、市場。通常在有公共、私人和學術合作關係時，該生態系統最有效。」
位於校園中心的航運集裝箱作為亞利桑那綠箱的所在地， Joel Cuello 在 UA 的垂直農場實驗室。 UA 綠色基金和 Green Box 投資贊助 UA 的兩個垂直農業操作。（照片：Bob Demers / UA新聞）
羅勒在 V-Hive Green Box 原型的熒光照明下生長， Joel Cuello 在 Tech Launch Arizona 的幫助下獲得專利。 他們現在正在共同努力將 V-Hive 商業化。 （照片由 Joel Cuello 提供）
Joel Cuello 和生物系統工程師 Adrian Valois 高級研究人員在亞利桑那綠箱中研究羅勒。 Cuello 希望使用機器人技術來實現垂直農場運營中的許多系統的自動化。 （照片：Bob Demers / UA新聞）
Joel Cuello 認為，最低限度結構化、模組化、預製的垂直農場設計系統將使垂直農場在未來商業可行性上發揮很大的作用。 （照片：Bob Demers / UA 新聞）
規劃未來
隨著 UA 的科學家們繼續研究、開發垂直農業技術和企業進入商業領域，世界各國政府也在加緊研究。 Cuello 談到農業在增加糧食和作物生產方面面臨的迫近期限：「到 2050 年還有 30 年的時間。 現在有一些國家在糧食安全方面存在問題，即使是海灣地區的富裕國家也是如此，如沙烏地阿拉伯、卡塔爾和阿聯酋。」
三年前， Cuello 拜訪卡塔爾，這個進口 90％ 以上食物的國家與卡塔爾國家糧食安全計劃官員討論垂直農業問題，因為他們考慮採取方法減少其國家的糧食不安全狀況。全球推廣給 Cuello 一個獨特的視角，作為高級/研究生課程的教育者，他傳授全球化，永續性和創新的知識給大眾。
Joel Cuello 說：「要讓全球化繼續下去，你需要創新和永續發展！」「沙烏地阿拉伯政府正在積極尋找有助於他們實現糧食安全的技術和創新。他們不僅建立研發部門，還為他們的企業家和農民建立示範設施，鼓勵他們以商業的眼光進入這個領域。 作為亞利桑那大學的教授，我的這一切都是為了幫助他們利用這些技術來提高他們的能力。」
快速生長的綠葉植物，如：唐萵苣，是垂直耕種的理想選擇。Joel Cuello 說 ：「在這一點上，我不建議在垂直農場生產穀物，因為穀物需要非常大的土地面積。才能生長更好。」（照片：Bob Demers / UA 新聞）
隨著垂直農業在政府和企業中紮根， Cuello 和 Kacira 認為，更重要的是像 UA 這樣的研究型大學繼續專注於開發技術以推動行業向前發展。
Joel Cuello 說：「我們可以繼續設計，讓垂直農業可以提高資源利用效率 - 更節水、營養高效、節能。」「當我們這樣做時，它不僅在環境上可永續發展，而且在經濟上也是可行的！」
Kacira 補充道：「透過技術和自動化提高勞動力和能源利用效率的研究與開發，對解決行業可行性和盈利能力非常重要。」「此外，環境控制農業研究和教育計畫可以助於解決對提供熟練的勞動力問題，讓他們在受控環境中了解作物生產的生物學和工程技術，從而獲得成功。其中一項機器人技術的進步可能有助於垂直農業的成功。」
如果人工智能可以與機器人技術相結合， Cuello 設想一個完整的 AI 垂直農場，可以在永續性生產上得到優化。雖然垂直農業目前尚未發展成熟，但 Cuello 說這只是時間問題。
Joel Cuello 說：「必須有經濟永續性、環境永續性和社會永續性。」「當這些事情得到滿足時，垂直農業系統不僅變得可行，而且從長遠來看，它將蓬勃發展，變得穩健和可持續。」
就永續農業而言， Cuello 從長遠來看絕對是其中的一部分，可以追溯到很多年前在學校的一小塊土地。他回憶起在早上當學校開門時，他和幾個同學會直奔食物園，興奮地察看他們種的植物在一夜之間長高了多少。
Joel Cuello 說：「我非常著迷『植物以一定的比例增長的想法』，儘管受到環境波動的影響，我仍然非常努力。很高興，透過垂直耕作，我們現在擁有實用的方法，使植物能夠最大限度地發展和生產，不僅始終如一，而且是以節能的方式。這對於有效解決方案來說是一個真正有利的開端，以幫助餵飽飢餓的世界。」
參考原文：https://goo.gl/kbXiKD