垂直農業，未來城市︱地球永續

全球快速暖化與COVID-19大流行的影響，「垂直農業」已成為應對各種糧食作物危機的可行選擇；在土壤和水資源有限的城市地區，「垂直農場」擁有著光明的未來。

 ☆°．﹒☆°．﹒ ☆°．﹒ ☆°．﹒ ☆°．﹒ ☆°．﹒☆°．﹒ ☆°．

Vertical farming: The future of agriculture: A review

Article ∥ Mohd Salim Mir, Nasir Bashir Naikoo, Raihana Habib Kanth, FA Bahar, M Anwar Bhat, Aijaz Nazir, S Sheraz Mahdi, Zakir Amin, Lal Singh, Waseem Raja, AA Saad, Tauseef A Bhat, Tsultim Palmo and Tanveer A  Ahngar
The Pharma Innovation Journal 2022; SP-11(2): 1175-1195

📚推薦讀物：【The Vertical Farm (Tenth Anniversary Edition): Feeding the World in the 21st Century】(Despommier, Dickson)

「垂直農業」是在建築物上，或建築物中種植農作物，而不是在土地上 (所謂的建築物包含摩天大樓或老舊倉庫)，也因此，可以達到省水及消除對土壤的效益。因此開發低成本、易於操作的解決方法，以因應全球勞動力老化的趨勢，對於垂直農業技術能否成功實施至關重要，不過，要實現「垂直農業」，更必須考量”專業知識、經濟可行性、相關社會規範以及政策法規”等關鍵因素。

科技進步與都市化發展迅速為人類帶來便利的生活，卻也帶來環境污染、全球暖化、自然災害頻繁，以及土壤損害等問題。同時，在面臨2050年世界總人口將達到 89 億的窘迫局面下，引發的”糧食生產問題”已成為全球最大的困境。人均耕地面積不足的問題日益嚴重；研究中提及印度喀什米爾山谷在過去五年間，有超過 20% 的農地被轉變為商業或住宅用途，並且因為灌溉不善、排水不良、化肥施用過多，以及水土流失等問題，使得其農業受到了許多不良影響。未來喀什米爾山谷將面臨耕地及灌溉用水稀缺的重大挑戰，而「垂直農業」就會是一個很好的解決方案；

「垂直農業」中的無土壤栽培系統可能是解決農業永續問題的一個方法！可在城市中施行的無土壤栽培的技術包含：

• 屋頂農場

顧名思義就是在建築物的屋頂打造小規模農場，雖然不限於動物或植物，但礙於在建築物上飼育動物的推行難度，再加上成本、利潤，以及法規等問題的考量，目前各國多以農作物先行。

在缺乏合適的城市農業用地情況下，屋頂被視為城市農業的可行方法之一；許多文獻表明“屋頂綠化”認為有助於對抗熱島效應、減少雨水徑流問題，以及為建築物提供隔熱。

• 氣耕法 – Aeroponics

氣耕法以懸浮方式培育農作物，並時時在根部噴灑營養溶液。除了能減少作物對土壤的依賴、提升耕作空間的利用率，也能降低作物對水分的需求、免除耕種時的農藥使用，農作物的產量也能因此提高。 

• 魚菜共生法 – Aquaponics

結合“水產養殖”與”水耕栽培”形成循環生態的共生系統；食用魚的排泄物可提供蔬菜養分，蔬菜淨化”廢水”後可提供魚類生存，這樣的生態循環能明顯降低”廢水直接排放至河川或土壤”造成的污染。

• 水耕法 – Hydroponics

以”非土壤物質”來支撐農作物的根部 (ex. 泡棉、砂礫、木質纖維等等)，而植物生長所需要的養分，則是透過水來”注入運送”；這樣的做法能大幅降低對農藥及肥料的需求；水耕法幾乎被所有國家認為的最佳耕作方法，在美國跟中國的相關應用最是普及。

根據研究資訊，「垂直農業」的農產量比傳統農業高10倍，除了能節省 70-95% 的水資源，甚至栽種出來的植物更健康、更有營養。

「垂直農業」不使用化學農藥，所以能大幅減少傳統農業的職業傷害，更可以在良好的室內環境中種植”無農藥的有機作物” (ex. 在室內控制不同的溫度與濕度，生產各式各樣的水耕植物)。不過，在溫室中種植蔬菜是一項重大挑戰，畢竟「建構標準化的解決方案」來管理灌溉用水，以提高收穫的品質和數量、減少對環境的影響，不是件容易之事。
(水耕系統已被證明可以提高蔬菜的產量，但使用水耕法所需的用水量、產出蔬菜的營養品質，以及現存的商業化瓶頸，更另學者們擔心，所以先以小型垂直農場試行，成功後再往摩天大樓農業推動是必要的途徑。)

研究當中提到：「垂直農業」的發展，也會需要匯集機器人技術的專家。雖然只有提到一句，但卻是十分有趣的議題，因為人工智慧和機器學習等前瞻技術的快速發展，定能加速普及農業機器，與相關全自動智慧型農耕機種，這也將對於上段所提的「建構標準化的解決方案」，與「農產品產出品質控管」有很大的幫助！

綜整需要推動垂直農業的原因包含：

1. 食品安全；在人口變遷及土地使用的問題下，未來必然會遭遇糧食的供需風險，更有可能導致全球飢荒。 「垂直農業」可以發展出密集、自給自足的生態系統，讓人們不受氣候、害蟲、污染，以及環境的影響而獲得充足的糧食，也能因此創造許多「綠領」工作機會。
2. 氣候變遷；由於氣候變化，頻繁的自然災害造成耕地面積減少，對全球經濟產生了負面影響。面對全球氣候治理困境，雖然各國政府啟動許多傳統農業的補貼機制 (ex. 因天然災害造成農損的農作物保險)，但仍無法從本質上解決大量土地將無法用於耕種的問題。極端氣候同時會造成「食物里程」飆升，這一點在論文中特別被提出來；將農產品從產地運送至城市中的商店、餐廳和醫院，都會需要一定的距離，這在美國、中國這類型領土廣大的國家而言更勝。並且隨著科技及人口變遷發展，ex. 美國的主要城市消費食品，就有 90% 以上是境外進口的→食品運輸和農業活動，造成的大量溫室氣體排放、加劇了氣候變遷！
3. 都市人口密度；有研究指出，如果只是單純地在城市中推行傳統農業，通勤時間就在”城市人口密度減少”的情況下就會延長 (有些地區需要變更為城市農業區，原本的住宅間隔就需要拉大)；而低人口密度的生活就會需要耗費更多能源，就會因此產生更多的空氣和水污染。
4. 健康；傳統的耕作方式大多不以生態做為考量，在侵蝕土壤、污染土壤，並浪費了大量的水資源等作為下，破壞了自然環境與生物健康。溫室農場雖可以減少因農藥和除草劑造成的污染，但在封閉環境中，害蟲反而更容易滲透並對農作物造成嚴重破壞，也會對身物健康造成影響。
5. 生態系統； Despommier 教授曾表示農業對地球生態系統的影響比任何活動都大！而透過「垂直農業」就可以恢復生物多樣性和減少氣候變遷的負面影響！另外，植被可以減少聲音反射，植被和土壤的組合可以作為聲音屏障，因此垂直農場的建置可以幫助吸收噪音。
6. 經濟；「垂直農業」因為設置在城市，擁有許多經濟上的好處，包含：

➀ 在"運輸成本面"使得食物價格更具有競爭優勢，

➁ 因為前瞻技術的導入，在”產業面及就業需求面”使當地經濟受益，

➂ 將閒置建築物作為「垂直農業」的施作場域，重新活化為整座城市提供服務，

➃ 居民透過從事農業活動重新建立與大自然的連結。 

當然，發展「垂直農業」，也會面臨許多挑戰：

1. 需要定期監測空氣品質、溫度和濕度，以確保農作物在最佳環境中生長。
2. 需要致力水質監測並消除水中的污染，並盡力利用所有可能的水資源，ex.雨水蒐集、魚菜共生。
3. 根據不同品種的農作物，以及不同的培育環境，給予不同的光源，與不同程度的光照控制。
4. 為垂直生態農業打好基礎：選用合適的土壤替代品，除了要能保留水分和養分，還必須是惰性介質。
5. 農作物養分的即時監測及管理；垂直生態農業系統透過直接向根部提供水溶性礦物質，來取代農作物對土壤的需求；這些營養液是垂直農業成功的關鍵因素，因為養分的內容以及pH值的決定都需要專業知識，一般是向特定廠商購買取得，或者自行充實知識後為植物”量身訂製”。
6. 垂直生態農業使用多種澆水系統，並且藉此提供各種作物所需的養分，包含滴灌、噴灑、排水、NFT養液薄膜技術等，所以如何選擇並維護這些系統，都需要謹慎為之。
7. 正確選擇要投資的農作物，包含植物本身的韌性、商業可行性、盈利能力、對病蟲害的抵抗力、技術可行性，以及可使用的耕作系統，都是需要考慮的因素。
8. 其他有助於實現農作物最佳生長的措施，ex.避免 ➀病原體侵襲、➁大量能源需求造成的窘境、➂過度澆水而引起的枯萎。

由於全球氣候與水資源危機、土壤養分枯竭造成的生產力下降，農業需要更有效率的發展；
垂直農場的糧食生產不受天氣或其他自然因素的影響，是以人為控制溫度、光線、濕度和氣體，來實現室內食品和藥品生產；
由於使用了封閉式的生長系統，也同時阻絕了化學物質進入耕種環境。

「垂直農業」的推動源於城市糧食安全問題的考量，並用以確保人類的永續生存。垂直農場能為每種植物提供理想的生長環境，並能從而提高作物產量、減少二氧化碳的排放，對生態環境更會產生正向的影響。研究最後，提出了在「小型空間內種植玉米、馬鈴薯和蔬菜等短期作物」的試行建議，期以在不久的未來，優先讓貧窮、無土地，或者土壤和水資源有限的地區優先受惠。

註

• 美國哥倫比亞大學教授 Dickson Despommier 於1999年提出了「垂直農業」的概念，被稱為「垂直農業之父」。 
• 所謂的土壤(受)損害，不僅僅是只有養分流失，更包含化學藥品的污染，以及病菌的侵襲。 
• 屋頂農場並不是一個全新的概念，古代世界七大奇蹟之一「巴比倫空中花園(Hanging Gardens of Babylon) 」廣被認為就是這個概念的起點。 
• (暴)雨水徑流；Stormwater runoff；ex. 污染物”搭便車”流入溪流、大量雨水奔向河流而引發洪水、過量與湍急的水流造成侵蝕河岸與生態破壞 等等現象。 
• 有關氣耕法，一個很不錯的說明影片，列在備註之後。 
• 有關水耕法，科技發展觀測平台中有一篇「垂直農業技術與市場現況」值得細讀。 
• 根據統計，在發展中的國家裡，每年有 2 萬人死於農藥中毒。 
• 有關於”用人工智慧來管理垂直農業”的議題，農業科技決策資訊平台中有一篇可以延伸閱讀的文章，當中並提到歐洲新創Gaia Growth的範例作法。 
• 「食物里程」是指農作物從產地運送到食用者手上所經歷的路程；2008 年Carnegie Mellon University的一項研究發現：每年的家庭食品配送所造成的碳排，高達 0.4 噸。 
• 根據美國國家公路交通安全管理局 NHTS 數據：➀城市人口密度降低 50%，每個家庭每年將多採購 100 加侖的汽油。 ➁如果將農地遷移到城市，每個家庭每年將額外產生 1.77 噸的二氧化碳。 
• Despommier 教授曾提出一個30 層高的垂直農場設計，並在其中提及以人工照明、實施氣耕法與水耕法等方式，能生產5萬人所需的糧食。 
• 「垂直農業」需要農業和工程領域的專家共同努力。ex. 在LED 照明技術的進步下，可以提高垂直農業農產品的產量，因為 LED 會發出特定波長的光，有助於實現各種作物的最佳光合作用。而隨著這類型的前瞻技術發展，更會產生專業技術領域的人才需求。 
• 不使用土壤，適合「垂直農業」的介質有：

☑珍珠石 (火山噴發後急速冷卻形成的球狀玻璃質岩石，排水性佳)、

☑蛭石 (富含鉀與鎂的礦物質，排水性及空氣流通性佳)、

☑椰殼纖維、

☑泥炭土 (溼地區植物死亡分解而成，保水性佳)、

☑沙子 (多被用於種植胡蘿蔔和馬鈴薯)、

☑石棉 (又稱礦物棉，自由排水和再循環系統中最常被使用的媒介)。 

• 加強額外照明以及執行環境保護措施都會需要耗費大量能源。