垂直農(nóng)業(yè)及螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展與應(yīng)用
垂直農(nóng)業(yè)及螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展與應(yīng)用
隨著全球人口的不斷增加、城市化進(jìn)程加快和勞動(dòng)力成本不斷提高，發(fā)展新型農(nóng)業(yè)形態(tài)保障農(nóng)產(chǎn)品的有效供給日益受到世界各國(guó)的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2017年年底，世界總?cè)丝跀?shù)量約75億，世界范圍內(nèi)有88個(gè)國(guó)家缺乏糧食，近8億人因長(zhǎng)期饑餓而營(yíng)養(yǎng)不良。
我國(guó)是世界上人口最多的國(guó)家，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2017年底我國(guó)總?cè)丝跀?shù)量為13.9億，占世界總?cè)丝诘?8.5%，耕地面積150萬(wàn)hm2，僅占世界總耕地面積的8.7%，其比值遠(yuǎn)低于世界平均水平。
因此，我國(guó)發(fā)展新型農(nóng)業(yè)形態(tài)和提高農(nóng)產(chǎn)品供給保障的需求更加迫切。此外，作為我國(guó)第一產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)還存在諸如集約化水平低、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)差和化肥農(nóng)藥實(shí)施效率低等問(wèn)題，急需通過(guò)農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)模式的創(chuàng)新和機(jī)械化及智能化技術(shù)的集成予以解決。
在2017年出臺(tái)的《關(guān)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》中，發(fā)展農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體成為促進(jìn)鄉(xiāng)村振興的重要舉措之一。垂直農(nóng)業(yè)具有鮮明的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體的特征，因其高度的集約化、規(guī)?；凸S化運(yùn)營(yíng)特點(diǎn)，垂直農(nóng)業(yè)既涵蓋“公司+農(nóng)民合作社+家庭農(nóng)場(chǎng)”、“公司+家庭農(nóng)場(chǎng)”、“公司+市場(chǎng)”等聯(lián)合體經(jīng)營(yíng)模式，也有效地實(shí)現(xiàn)農(nóng)村一二三產(chǎn)業(yè)融合成為一種新型的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體，從而成為鄉(xiāng)村振興切入點(diǎn)之一。
1垂直農(nóng)業(yè)的應(yīng)用案例及發(fā)展趨勢(shì)
垂直農(nóng)業(yè)是一個(gè)新概念，是為了緩解城市熱島效應(yīng)、增加城市綠化、提升農(nóng)作物的產(chǎn)量和緩解人地矛盾而被探索出來(lái)的，是一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、人工光照技術(shù)和現(xiàn)代建筑技術(shù)等為依托并在城市樓宇等地方種植植物和飼養(yǎng)家畜的全新的農(nóng)業(yè)模式。垂直農(nóng)業(yè)有多種表現(xiàn)形式和應(yīng)用場(chǎng)景。
美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的教授迪克遜德斯帕米爾設(shè)計(jì)出能為5萬(wàn)人提供大約1年的食物和飲用水的垂直農(nóng)場(chǎng)，該設(shè)想由此使垂直農(nóng)業(yè)的概念進(jìn)入公眾視野。
2009年比利時(shí)的建筑師森特·卡勒鮑特為紐約羅斯福島設(shè)計(jì)了一款外形如同疊合著翅膀的蜻蜓狀的垂直農(nóng)場(chǎng)。農(nóng)場(chǎng)建在湖邊，共有132層，最高處達(dá)到了600~700 m，它共設(shè)了28個(gè)種植區(qū)域，人們可以根據(jù)不同植物的具體特性在不同的季節(jié)種植不同的植物。
由設(shè)計(jì)師拉胡爾·蘇林設(shè)計(jì)的綠洲大廈，由3座塔圍繞1個(gè)中心立柱螺旋上升形成，遠(yuǎn)處觀看如互相纏繞的2條藤條。除以上應(yīng)用外還有很多垂直農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用案例，如英國(guó)、法國(guó)、巴西和新加坡等國(guó)都建有全球知名的垂直農(nóng)場(chǎng)。
我國(guó)在發(fā)展垂直農(nóng)業(yè)方面也有很多積極的嘗試，早在十幾年前就已開(kāi)展對(duì)其的探索和研究，期間也建設(shè)了很多具有代表性的垂直農(nóng)業(yè)項(xiàng)目。其中較為典型的有深圳設(shè)計(jì)之都田面創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園的綠美人和浙江省永春縣的垂直農(nóng)場(chǎng)——“鳥(niǎo)巢”智能球型溫室等。
在永春版的“鳥(niǎo)巢”中，通過(guò)陶粒對(duì)玉米、南瓜、絲瓜、草莓和白菜等進(jìn)行無(wú)土栽培，并通過(guò)柱式栽培、管道栽培和三維耕作等立體栽培技術(shù)，將3 000 m2的鳥(niǎo)巢空間利用率提高了4倍。
金香等：垂直農(nóng)業(yè)及螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展與應(yīng)用農(nóng)業(yè)工程生物環(huán)境與能源隨著世界人口的不斷增多，人地矛盾不斷激化，在資源環(huán)境問(wèn)題越發(fā)升級(jí)的嚴(yán)峻形勢(shì)下垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展勢(shì)必會(huì)得到重視，信息技術(shù)、人工智能技術(shù)和新材料技術(shù)的高度融合將進(jìn)一步促進(jìn)垂直農(nóng)業(yè)的應(yīng)用和推廣。
1.1垂直農(nóng)業(yè)多技術(shù)有機(jī)融合特征明顯
垂直農(nóng)業(yè)的載體垂直農(nóng)場(chǎng)的正常運(yùn)營(yíng)依靠單一技術(shù)是不能支撐的，需要融合建筑、設(shè)施農(nóng)業(yè)、生態(tài)修復(fù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械等多方面因素。其關(guān)鍵技術(shù)主要涉及4大塊：建筑規(guī)劃技術(shù)、農(nóng)業(yè)設(shè)施技術(shù)、生態(tài)修復(fù)技術(shù)和信息技術(shù)。
建筑規(guī)劃技術(shù)主要包括材料、采光、節(jié)能和選址等，垂直農(nóng)場(chǎng)可采用新型材料、農(nóng)作物秸稈構(gòu)成的墻體材料和真空玻璃等。采光方面則可通過(guò)使用導(dǎo)光管、光導(dǎo)纖維等利用太陽(yáng)光的折射和衍射等特性的方式滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)所需能量，既綠色又節(jié)能。選址需考慮距離、運(yùn)輸及污水處理等問(wèn)題，這些技術(shù)基本決定了垂直農(nóng)場(chǎng)的成本。
設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)體現(xiàn)垂直農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效益，涉及無(wú)土栽培、LED光源、機(jī)具作業(yè)軌道和農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)?。無(wú)土栽培一般有水培、氣培和水產(chǎn)復(fù)合養(yǎng)殖法3種方式。LED光源是將發(fā)光二極管技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)場(chǎng)作光照補(bǔ)充；垂直農(nóng)場(chǎng)在運(yùn)輸過(guò)程中需要使用1個(gè)大型自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)用于禾苗運(yùn)輸及后續(xù)的施肥噴藥、采摘和農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)環(huán)節(jié)。
生態(tài)修復(fù)技術(shù)是垂直農(nóng)場(chǎng)能否長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展及推廣的關(guān)鍵，包含植物修復(fù)和污水處理等；利用植物的新陳代謝來(lái)固定和降解污染物質(zhì)進(jìn)行植物修復(fù)，灌溉可用城市中處理后的污水，使水源循環(huán)利用，保護(hù)農(nóng)場(chǎng)附近生態(tài)和優(yōu)化區(qū)域環(huán)境。
信息技術(shù)融入垂直農(nóng)場(chǎng)是大勢(shì)所趨，高度集約化、生產(chǎn)過(guò)程綠色環(huán)保和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量可溯源等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)要求對(duì)動(dòng)植物的生長(zhǎng)過(guò)程及環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)控。如垂直農(nóng)場(chǎng)內(nèi)從種子采集到果實(shí)收獲全程都用電腦記錄并上傳到云端，再通過(guò)云端數(shù)據(jù)分析澆灌和采摘的最佳時(shí)間，這種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)將云計(jì)算和大數(shù)據(jù)運(yùn)用到垂直農(nóng)業(yè)的過(guò)程稱之為流水線式的“云農(nóng)業(yè)”。
通過(guò)大數(shù)據(jù)分析、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)能使農(nóng)場(chǎng)中飼養(yǎng)和培育的動(dòng)植物生長(zhǎng)全程可控，還能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常問(wèn)題并在第一時(shí)間解決，提前防范消除病蟲(chóng)害等。通過(guò)機(jī)器人技術(shù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等引入垂直農(nóng)場(chǎng)代替人工管理監(jiān)控整個(gè)農(nóng)場(chǎng)，使得農(nóng)場(chǎng)中每個(gè)環(huán)節(jié)全部自動(dòng)化。
1.2垂直農(nóng)業(yè)促進(jìn)無(wú)土栽培種植模式的集成創(chuàng)新
無(wú)土栽培具有加水高產(chǎn)、清潔衛(wèi)生無(wú)污染、省工省力、易于管理、不受地區(qū)限制和充分利用空間等特點(diǎn)，在垂直農(nóng)場(chǎng)內(nèi)采取如圖1所示的無(wú)土栽培的模式進(jìn)行植物種植還能有效擺脫干旱氣候以及缺水對(duì)植物的影響。
a
b
圖1垂直農(nóng)場(chǎng)中的立柱栽培與氣霧栽培裝置
無(wú)土栽培過(guò)程通過(guò)采用人造植物根系來(lái)取代土壤環(huán)境，有效避免了水分、空氣和養(yǎng)分供應(yīng)等在傳統(tǒng)土壤栽培中的矛盾，使作物根系處于最適宜的環(huán)境，并且充分發(fā)揮了作物的增產(chǎn)潛力。
許多學(xué)者通過(guò)大量的篩選試驗(yàn)總結(jié)了適合不同植物的營(yíng)養(yǎng)液配方，為無(wú)土栽培提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。
就目前我國(guó)的實(shí)際情況來(lái)看，在垂直農(nóng)場(chǎng)中應(yīng)用無(wú)土栽培是最佳的選擇和必然的趨勢(shì)。隨著最新科研成果的不斷出現(xiàn)以及人們對(duì)無(wú)土栽培這種全新種植模式認(rèn)識(shí)的不斷加深，無(wú)土栽培應(yīng)用也將會(huì)越來(lái)越廣泛。
1.3垂直農(nóng)業(yè)可形成新的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體
垂直農(nóng)業(yè)的載體垂直農(nóng)場(chǎng)作為一個(gè)全新綜合模式，可在農(nóng)場(chǎng)中心及周邊發(fā)展觀光旅游業(yè)、休閑度假和農(nóng)產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)直銷等。如中糧集團(tuán)公司在北京建的智慧農(nóng)場(chǎng)里有植物種植區(qū)、采摘體驗(yàn)區(qū)和學(xué)習(xí)實(shí)踐區(qū)，初步實(shí)現(xiàn)了一二三產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。
新加坡等國(guó)家建立的一些綜合性生態(tài)中心，都是以此帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這種以垂直農(nóng)場(chǎng)帶動(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)既是時(shí)代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果，也將是今后一段時(shí)期的發(fā)展趨勢(shì)。
都市農(nóng)業(yè)因不同需求發(fā)展出了庭院農(nóng)業(yè)、陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)和休閑農(nóng)業(yè)等形態(tài)，垂直農(nóng)業(yè)可實(shí)現(xiàn)上述形態(tài)的融合從而形成新的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體。其自身具有的減少運(yùn)輸里程、提供安全鮮蔬瓜果、改善城市環(huán)境、重塑城市田園特色和教育等功能在一定程度上能幫助解決城市發(fā)展面臨的問(wèn)題。在都市發(fā)展摩天大樓農(nóng)業(yè)或休閑觀光農(nóng)業(yè)是生態(tài)文明及人類回歸本性的一種體現(xiàn)，也是在鋼筋混凝土的森林中人與自然協(xié)同可持續(xù)發(fā)展的具體體現(xiàn)。垂直農(nóng)業(yè)為城市居民提供大量的休閑空間，滿足了城市居民不用長(zhǎng)途奔波就能享受自然的休閑需求。
同時(shí)，滿足城市居民的菜籃子需要，從環(huán)保的角度來(lái)看垂直農(nóng)業(yè)是城市中的綠洲，既能帶來(lái)新鮮空氣和裝點(diǎn)城市景觀，也能實(shí)現(xiàn)多種能源的循環(huán)重復(fù)利用。垂直農(nóng)場(chǎng)因此變得形式多樣且隨處可見(jiàn)。
1.4垂直農(nóng)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)光熱資源利用最大化
相對(duì)與傳統(tǒng)農(nóng)場(chǎng)而言，垂直農(nóng)場(chǎng)除了能高效利用空間外，還高效利用光熱資源。和普通溫室利用電能通過(guò)空調(diào)控制溫濕度不同，上述提到的鳥(niǎo)巢型垂直農(nóng)場(chǎng)采用建立煙囪式的半截椎體結(jié)構(gòu)，讓熱空氣上升，熱量通過(guò)噴泉和水汽技術(shù)被帶走，使其有高效節(jié)能、通風(fēng)及降溫功能。
這種利用水的物理特性代替電能實(shí)現(xiàn)溫濕度的控制將會(huì)是未來(lái)垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。其中水體現(xiàn)了2大功能，即調(diào)節(jié)場(chǎng)內(nèi)的濕度和儲(chǔ)備熱量。冬天水體可以在白天將太陽(yáng)光的熱量收集起來(lái)，晚上再將熱量釋放出來(lái)，夏天可以把水體中的水用來(lái)噴灑植物降溫。這樣就能確保農(nóng)場(chǎng)內(nèi)的農(nóng)作物不會(huì)受外界溫度的影響，農(nóng)作物也不會(huì)因溫度和季節(jié)的變化而出現(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)的波動(dòng)。
2垂直農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析
盡管垂直農(nóng)業(yè)有非常好的發(fā)展前景，但這種新模式同樣也面臨著很多難題，也是垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)能被大范圍建設(shè)并應(yīng)用的原因之一。
2.1垂直農(nóng)場(chǎng)的建造及運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高
垂直農(nóng)場(chǎng)的建造成本相對(duì)較高，以鋼筋混凝土高層框架式垂直農(nóng)場(chǎng)為例，按目前國(guó)內(nèi)物價(jià)水平鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的高層建筑造價(jià)在900元/m2左右，建設(shè)一棟建筑面積為2 hm2的垂直農(nóng)場(chǎng)，設(shè)施成本大概在900萬(wàn)/hm2左右，則可知整體結(jié)構(gòu)的設(shè)施成本基本達(dá)到了1 800萬(wàn)元?？紤]到不同地區(qū)土地價(jià)格及垂直農(nóng)場(chǎng)內(nèi)部設(shè)施等差異，可以估算出垂直農(nóng)場(chǎng)的基建設(shè)施成本在450萬(wàn)～1 050萬(wàn)/hm2。而目前土地承包一年的價(jià)格為0.75萬(wàn)～1.5萬(wàn)元/hm2，相比租賃土地進(jìn)行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)垂直農(nóng)場(chǎng)每公頃成本高出了約600～1 200倍。
同時(shí)垂直農(nóng)場(chǎng)正常生產(chǎn)要投入人工照明設(shè)備、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、污水凈化系統(tǒng)和辦公系統(tǒng)等，這些都需要消耗大量的電能。另外固定資產(chǎn)折舊和設(shè)備的維護(hù)維修也需要大量的資金支持，其運(yùn)費(fèi)成本很高。因此，如果不能有效降低其建造成本，構(gòu)建良好的盈利模式將很難產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。
2.2垂直農(nóng)場(chǎng)的認(rèn)知度低
垂直農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展受到傳統(tǒng)農(nóng)耕觀念的影響。我國(guó)是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，幾千年來(lái)一直崇尚農(nóng)耕文化，垂直農(nóng)場(chǎng)作為一種新型農(nóng)耕理念對(duì)國(guó)人固有的農(nóng)耕觀念形成一種沖擊，尤其是經(jīng)歷了幾十年田間勞作的人民，不能短時(shí)間進(jìn)行認(rèn)同。
2015年臺(tái)北科技大學(xué)建筑與都市設(shè)計(jì)研究所曾就60歲以上高齡人群對(duì)垂直農(nóng)場(chǎng)的認(rèn)知度和偏好及滿意度做了1次調(diào)研。調(diào)查結(jié)果顯示，受過(guò)大專以上教育人群中有27.9%的人認(rèn)同垂直農(nóng)場(chǎng)，37.7%的小學(xué)文化程度的人不了解垂直農(nóng)場(chǎng)，其中具有建筑、景觀與園藝等相關(guān)設(shè)計(jì)背景的人對(duì)于垂直農(nóng)場(chǎng)的了解并不多，而不具設(shè)計(jì)相關(guān)背景的受訪者中竟有93.5％的人不了解垂直農(nóng)場(chǎng)。
可見(jiàn)高齡人對(duì)垂直農(nóng)場(chǎng)的認(rèn)知都不太高。垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展沒(méi)有良好的文化認(rèn)知環(huán)境，并且發(fā)展垂直農(nóng)場(chǎng)的關(guān)鍵性技術(shù)——能量轉(zhuǎn)化效率低的問(wèn)題使更多人更加不看好，甚至產(chǎn)生一種垂直農(nóng)場(chǎng)一旦大規(guī)模建成會(huì)使從事傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的農(nóng)民和農(nóng)產(chǎn)品運(yùn)輸和包裝等行業(yè)工人產(chǎn)生大規(guī)模失業(yè)的疑慮。
2.3不能同時(shí)滿足不同生物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的要求和作物品種單一
植物生長(zhǎng)離不開(kāi)光合作用。雖然垂直農(nóng)場(chǎng)中在太陽(yáng)光照射不到的地方安裝了LED人造光源。但這并不代表LED人造光能從根本上代替太陽(yáng)光。而且不同的植物對(duì)光的顏色需求不同，如冬青在紅色藍(lán)色混合光線下生長(zhǎng)得最好，在紫色和黃色光線下容易營(yíng)養(yǎng)不良，而其他植物有可能與冬青的習(xí)性剛好相反。由此可見(jiàn)，垂直農(nóng)場(chǎng)的LED人造燈光并不能滿足農(nóng)場(chǎng)內(nèi)所有植物對(duì)光的需求。
3螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)技術(shù)與應(yīng)用
盡管垂直農(nóng)場(chǎng)無(wú)論是在外形設(shè)計(jì)、文化內(nèi)涵、實(shí)現(xiàn)功能還是技術(shù)支撐上都已有了成熟的理論及解決方案，但局限于成本大和投入產(chǎn)出低等因素導(dǎo)致推廣應(yīng)用一直是個(gè)難題。借鑒我國(guó)傳統(tǒng)建筑福建土樓及北京鳥(niǎo)巢等結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出的螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)，因其360°的連續(xù)螺旋種植面可獲得高效的光熱利用，較高的空間利用率以及較低的建設(shè)成本，提供了一種解決垂直農(nóng)場(chǎng)推廣普及難題的嘗試。
3.1基于光熱資源優(yōu)化利用的螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與運(yùn)營(yíng)效益
傳統(tǒng)的溫室種植空間高度有限且不能自上而下垂直分層生態(tài)化利用，而現(xiàn)有的大部分垂直農(nóng)場(chǎng)都采用了分層式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的缺陷是對(duì)光的利用效率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)空間利用最大化。球狀鳥(niǎo)巢式垂直溫室結(jié)構(gòu)不但造價(jià)成本低，而且還可以實(shí)現(xiàn)空間和自然光熱資源的高效利用，讓垂直農(nóng)業(yè)在大城市普遍應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。
3.1.1螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)可以有效解決上述提到的垂直農(nóng)業(yè)建筑營(yíng)運(yùn)成本高和管理困難等問(wèn)題。據(jù)測(cè)算，占地面積為2 700 m2高30 m螺距為3 m的螺旋式垂直農(nóng)場(chǎng)溫室其耕作面積約2萬(wàn)m2，總造價(jià)為約200萬(wàn)元，相比其他結(jié)構(gòu)的垂直農(nóng)場(chǎng)造價(jià)低的多。
螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)需要合理設(shè)定螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)連續(xù)種植面的梯面寬及螺距，利于每層旋面上所有植物都能滿足光照需求，從而省去人工補(bǔ)光的費(fèi)用。另外利用水的物理特性在其內(nèi)部設(shè)置相應(yīng)循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)內(nèi)溫濕度的控制，也極大程度降低場(chǎng)內(nèi)管理費(fèi)用；仿真模擬及建設(shè)實(shí)踐顯示螺旋形有很好的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，即使選擇普通溫室型材也能使其具有足夠的穩(wěn)定性和承重性。
此結(jié)構(gòu)一方面能在有限狹小空間內(nèi)最大化利用垂直空間和節(jié)約資金成本，另一方面也遵循了生物生命運(yùn)動(dòng)成長(zhǎng)及進(jìn)化的普遍規(guī)律。圖2和圖3為該類型農(nóng)場(chǎng)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2基于福建土樓造型的螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)
圖3浙江永春版鳥(niǎo)巢螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)
3.1.2螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)效益
在螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)中采用水培栽培和氣霧栽培技術(shù)相結(jié)合，可以使垂直農(nóng)場(chǎng)的承重問(wèn)題得以解決，螺旋梯田只需承載栽培裝置的重量，無(wú)需基質(zhì)與水，負(fù)荷明顯降低。且氣霧培又能以最低成本實(shí)現(xiàn)每層螺旋面的耕作分層，如搭架或氣霧柱式栽培，如圖1所示。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，此時(shí)每層的利用率可以提高4倍之多。
假設(shè)以總高24 m梯面寬6 m的螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)為例，作4層旋轉(zhuǎn)，螺距為6 m，可知相比平面種植提高了16倍利用效率。另外，采用氣霧培方式能促進(jìn)種植物生長(zhǎng)速度，單位土地面積上的產(chǎn)能則至少可提高至20倍以上。如通遼經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)遼河高效農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的螺旋形“鳥(niǎo)巢”垂直農(nóng)場(chǎng)，蔬菜采用立體式無(wú)土栽培，人工木架層層盤旋而上，占地面積1/5 hm2的螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)內(nèi)可以栽種8/5 hm2的蔬菜。由此螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)具有較高的產(chǎn)投比。
廣泛應(yīng)用不僅能充分發(fā)揮垂直農(nóng)業(yè)本身優(yōu)勢(shì)，還可以通過(guò)進(jìn)一步結(jié)構(gòu)和技術(shù)創(chuàng)新的方式在城市廣泛應(yīng)用，并且能夠開(kāi)發(fā)出有關(guān)螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)的一系列衍生產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品。
3.2有關(guān)螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展建議
3.2.1推廣小型螺旋垂直農(nóng)場(chǎng)為試點(diǎn)
1棟“垂直農(nóng)場(chǎng)”可能需要數(shù)10億美元，以目前的經(jīng)濟(jì)水平及相關(guān)技術(shù)，短時(shí)間內(nèi)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。短時(shí)間內(nèi)大力發(fā)展大型垂直農(nóng)場(chǎng)是很難實(shí)現(xiàn)的，但可在大型垂直農(nóng)場(chǎng)推廣前建立一些簡(jiǎn)易小型螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)平臺(tái)，如圖4a所示。作為藥材或其他具有高附加值特殊種苗的培育基地試點(diǎn)，也可為一些高端產(chǎn)品提供原材料等。
圖4螺旋式垂直農(nóng)場(chǎng)及其電動(dòng)遙控自走式作業(yè)平臺(tái)
通過(guò)這些方式使垂直農(nóng)場(chǎng)逐漸進(jìn)入公眾視野，增加社會(huì)認(rèn)知度。也可建立小型螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)做大型垂直農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展實(shí)驗(yàn)基地，測(cè)試相關(guān)動(dòng)植物的生長(zhǎng)環(huán)境及特點(diǎn)，建立動(dòng)植物生長(zhǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，服務(wù)于大型農(nóng)場(chǎng)種植區(qū)的科學(xué)布局，促進(jìn)垂直農(nóng)場(chǎng)信息化程度。同時(shí)，可開(kāi)發(fā)其作為科研平臺(tái)，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人才及促進(jìn)垂直農(nóng)場(chǎng)各項(xiàng)新技術(shù)的出現(xiàn)。
甚至可以吸引對(duì)垂直農(nóng)場(chǎng)有興趣的投資者或因垂直農(nóng)場(chǎng)造價(jià)較高而放棄相關(guān)研究者，更好促進(jìn)垂直農(nóng)場(chǎng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。也因此避免一旦失敗而造成的巨大資金損失。
3.2.2發(fā)展螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)全程機(jī)械化作業(yè)及配套智能化作業(yè)平臺(tái)
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不斷地對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及控制技術(shù)理論的探索、研究與創(chuàng)新，加快農(nóng)業(yè)裝備的機(jī)械化和自動(dòng)化進(jìn)展，改善傳統(tǒng)農(nóng)耕效率低的狀況，并促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式向智能化和人性化發(fā)展。
然而到目前為止，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)機(jī)具以及相應(yīng)農(nóng)耕配套設(shè)備應(yīng)用于螺旋梯田垂直農(nóng)場(chǎng)的研究案例還尚未出現(xiàn)，螺旋垂直農(nóng)場(chǎng)中因缺乏與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)相適應(yīng)的專用機(jī)械作業(yè)機(jī)具及智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，導(dǎo)致農(nóng)場(chǎng)內(nèi)植物播種、精準(zhǔn)施肥、農(nóng)藥噴灑、農(nóng)田灌溉和采摘果實(shí)等勞動(dòng)強(qiáng)度大的農(nóng)業(yè)作業(yè)過(guò)程以及在生產(chǎn)過(guò)程中各種小型生產(chǎn)機(jī)具、肥料、果實(shí)及農(nóng)藥等在不同區(qū)域之間的搬運(yùn)依然是靠人力操作完成，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低下，在某種程度上還會(huì)對(duì)操作者的身體存在一定傷害。
如噴施農(nóng)藥過(guò)程，除因噴藥機(jī)具與噴灑環(huán)境開(kāi)發(fā)的不兼容而造成的勞動(dòng)強(qiáng)度大外，農(nóng)藥本身就具一定毒性對(duì)人體和農(nóng)場(chǎng)環(huán)境都有一定危害。另外因螺旋垂直農(nóng)場(chǎng)內(nèi)螺旋面間距有限，并且種植物密集還會(huì)對(duì)種植物造成一定損傷。又由于農(nóng)場(chǎng)中缺少對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程和生長(zhǎng)環(huán)境信息的反饋環(huán)節(jié)，無(wú)法按照?qǐng)鰞?nèi)農(nóng)作物的實(shí)際需求進(jìn)行及時(shí)調(diào)控，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，作物產(chǎn)量和品質(zhì)無(wú)法得到有效保證。
因此，急需研發(fā)出與螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)空間相配套且具有協(xié)同作業(yè)和監(jiān)控植物生長(zhǎng)功能的智能化作業(yè)平臺(tái)及運(yùn)行機(jī)具，其大致設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4b所示。還可結(jié)合各類溫室中移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人如采摘機(jī)器人、噴藥機(jī)器人和移栽機(jī)器人等的功能及特點(diǎn)共同促進(jìn)螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)中智能化作業(yè)平臺(tái)及配套作業(yè)機(jī)具的開(kāi)發(fā)。
4前景展望及建議
垂直農(nóng)場(chǎng)是現(xiàn)代多技術(shù)集成創(chuàng)新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)形態(tài)，因其高度的集約化、信息化和智能化可實(shí)現(xiàn)一二三產(chǎn)業(yè)的無(wú)縫融合，可發(fā)展為一種新型的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體，成為鄉(xiāng)村振興切入點(diǎn)之一。
螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)具有光熱資源利用率高、建筑成本低和易于全程機(jī)械化作業(yè)管理而成為發(fā)展垂直農(nóng)場(chǎng)的理想結(jié)構(gòu)形態(tài)，可充分借鑒我國(guó)福建土樓等建筑結(jié)構(gòu)空間布局的基礎(chǔ)上，結(jié)合垂直農(nóng)場(chǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機(jī)械化配套作業(yè)機(jī)具的研究，進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)并進(jìn)行集成創(chuàng)新。以下針對(duì)垂直農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展提出3點(diǎn)可行的前景展望與建議，為其今后的發(fā)展與研究及應(yīng)用提供參考。
4.1將垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)合體的新模式
垂直農(nóng)場(chǎng)項(xiàng)目建成之后應(yīng)發(fā)展具有地方特色的亮點(diǎn)垂直農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品深加工產(chǎn)業(yè)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。借助其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高和口感好的特點(diǎn)深挖產(chǎn)品賣點(diǎn)，明確產(chǎn)品定位。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)營(yíng)銷和電子商務(wù)等方式向所在都市區(qū)域輻射服務(wù)。
垂直農(nóng)業(yè)可以將種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)無(wú)縫隙對(duì)接起來(lái)，通過(guò)特色旅游項(xiàng)目結(jié)合采摘體驗(yàn)、夏令營(yíng)、野營(yíng)和建設(shè)休閑度假區(qū)等方式將農(nóng)場(chǎng)周邊打造成新商圈并引入更多新服務(wù)項(xiàng)目，以優(yōu)質(zhì)高端特色的產(chǎn)品和優(yōu)良的服務(wù)吸引游客消費(fèi)垂直農(nóng)場(chǎng)產(chǎn)出的農(nóng)產(chǎn)品及深加工后的相關(guān)食品。
4.2擴(kuò)展垂直農(nóng)場(chǎng)的應(yīng)用
垂直農(nóng)業(yè)這種適應(yīng)性強(qiáng)和靈活性高的新農(nóng)業(yè)模式可應(yīng)用于軍隊(duì)補(bǔ)給，不僅降低補(bǔ)給物資的運(yùn)輸成本和、損傷度，而且減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)帶來(lái)的二氧化碳排放。使邊遠(yuǎn)地區(qū)的駐防部隊(duì)不受惡劣氣候的影響就能吃上綠色、安全、有機(jī)和新鮮的食物。
還可以在水資源不足、土地貧瘠和土壤破壞嚴(yán)重的地區(qū)發(fā)展無(wú)土栽培方式的垂直農(nóng)場(chǎng)。垂直農(nóng)場(chǎng)不僅可以減少農(nóng)作物對(duì)氣候和土壤的依賴性（以最小的土地占比產(chǎn)出最高的產(chǎn)量），還可以因地制宜節(jié)約大量水源。
4.3發(fā)展螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)配套機(jī)具
螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)具有成本低、種植面連續(xù)、機(jī)械化、智能化集成作業(yè)平臺(tái)易開(kāi)發(fā)和可復(fù)制等特點(diǎn)，將有很好的應(yīng)用前景。隨著螺旋形垂直農(nóng)場(chǎng)的推廣及人們對(duì)其要求的提高，僅有種植平臺(tái)是不夠的，還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)相應(yīng)功能的機(jī)具配合完成場(chǎng)內(nèi)的種植、施肥、噴灑、除草、采摘和運(yùn)輸?shù)取?/p>
（作者：金香 楊自棟）
聲明：農(nóng)機(jī)大全所有（圖文、音視頻）均由用戶自行上傳分享，僅供網(wǎng)友學(xué)習(xí)交流，版權(quán)歸原作者。若您的權(quán)利被侵害，請(qǐng)聯(lián)系 56325386@qq.com 刪除。
載注明出處：http://m.97661a.com/news/180979.html