垂直農(nóng)業(yè)及螺旋形垂直農(nóng)場發(fā)展與應(yīng)用
垂直農(nóng)業(yè)及螺旋形垂直農(nóng)場發(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的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計截至2017年年底，世界總?cè)丝跀?shù)量約75億，世界范圍內(nèi)有88個國家缺乏糧食，近8億人因長期饑餓而營養(yǎng)不良。
我國是世界上人口最多的國家，根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，截至2017年底我國總?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)藥實施效率低等問題，急需通過農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式的創(chuàng)新和機械化及智能化技術(shù)的集成予以解決。
在2017年出臺的《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》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化運營特點，垂直農(nóng)業(yè)既涵蓋“公司+農(nóng)民合作社+家庭農(nóng)場”、“公司+家庭農(nóng)場”、“公司+市場”等聯(lián)合體經(jīng)營模式，也有效地實現(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)村振興切入點之一。
1垂直農(nóng)業(yè)的應(yīng)用案例及發(fā)展趨勢
垂直農(nóng)業(yè)是一個新概念，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的，是一種以計算機技術(shù)、自動化技術(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)用場景。
美國哥倫比亞大學(xué)的教授迪克遜德斯帕米爾設(shè)計出能為5萬人提供大約1年的食物和飲用水的垂直農(nóng)場，該設(shè)想由此使垂直農(nóng)業(yè)的概念進(jìn)入公眾視野。
2009年比利時的建筑師森特·卡勒鮑特為紐約羅斯福島設(shè)計了一款外形如同疊合著翅膀的蜻蜓狀的垂直農(nóng)場。農(nóng)場建在湖邊，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)計師拉胡爾·蘇林設(shè)計的綠洲大廈，由3座塔圍繞1個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)場的應(yīng)用案例，如英國、法國、巴西和新加坡等國都建有全球知名的垂直農(nóng)場。
我國在發(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展對其的探索和研究，期間也建設(shè)了很多具有代表性的垂直農(nóng)業(yè)項目。其中較為典型的有深圳設(shè)計之都田面創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園的綠美人和浙江省永春縣的垂直農(nóng)場——“鳥巢”智能球型溫室等。
在永春版的“鳥巢”中，通過陶粒對玉米、南瓜、絲瓜、草莓和白菜等進(jìn)行無土栽培，并通過柱式栽培、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)境問題越發(fā)升級的嚴(yán)峻形勢下垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展勢必會得到重視，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)有機融合特征明顯
垂直農(nóng)業(yè)的載體垂直農(nóng)場的正常運營依靠單一技術(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。采光方面則可通過使用導(dǎo)光管、光導(dǎo)纖維等利用太陽光的折射和衍射等特性的方式滿足農(nóng)作物生長所需能量，既綠色又節(jié)能。選址需考慮距離、運輸及污水處理等問題，這些技術(shù)基本決定了垂直農(nóng)場的成本。
設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)體現(xiàn)垂直農(nóng)場的運營效益，涉及無土栽培、LED光源、機具作業(yè)軌道和農(nóng)產(chǎn)品運輸?shù)?。無土栽培一般有水培、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)運用到農(nóng)場作光照補充；垂直農(nóng)場在運輸過程中需要使用1個大型自動化運輸系統(tǒng)用于禾苗運輸及后續(xù)的施肥噴藥、采摘和農(nóng)產(chǎn)品運輸?shù)茸鳂I(yè)環(huán)節(jié)。
生態(tài)修復(fù)技術(shù)是垂直農(nóng)場能否長遠(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)場是大勢所趨，高度集約化、生產(chǎn)過程綠色環(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)要求對動植物的生長過程及環(huán)境進(jìn)行全面監(jiān)控。如垂直農(nóng)場內(nèi)從種子采集到果實收獲全程都用電腦記錄并上傳到云端，再通過云端數(shù)據(jù)分析澆灌和采摘的最佳時間，這種基于計算機技術(shù)將云計算和大數(shù)據(jù)運用到垂直農(nóng)業(yè)的過程稱之為流水線式的“云農(nóng)業(yè)”。
通過大數(shù)據(jù)分析、計算機監(jiān)測能使農(nóng)場中飼養(yǎng)和培育的動植物生長全程可控，還能及時發(fā)現(xiàn)異常問題并在第一時間解決，提前防范消除病蟲害等。通過機器人技術(shù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等引入垂直農(nóng)場代替人工管理監(jiān)控整個農(nóng)場，使得農(nóng)場中每個環(huán)節(jié)全部自動化。
1.2垂直農(nóng)業(yè)促進(jìn)無土栽培種植模式的集成創(chuàng)新
無土栽培具有加水高產(chǎn)、清潔衛(wèi)生無污染、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，在垂直農(nóng)場內(nèi)采取如圖1所示的無土栽培的模式進(jìn)行植物種植還能有效擺脫干旱氣候以及缺水對植物的影響。
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圖1垂直農(nóng)場中的立柱栽培與氣霧栽培裝置
無土栽培過程通過采用人造植物根系來取代土壤環(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)者通過大量的篩選試驗總結(jié)了適合不同植物的營養(yǎng)液配方，為無土栽培提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持。
就目前我國的實際情況來看，在垂直農(nóng)場中應(yīng)用無土栽培是最佳的選擇和必然的趨勢。隨著最新科研成果的不斷出現(xiàn)以及人們對無土栽培這種全新種植模式認(rèn)識的不斷加深，無土栽培應(yīng)用也將會越來越廣泛。
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)場作為一個全新綜合模式，可在農(nóng)場中心及周邊發(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)場里有植物種植區(qū)、采摘體驗區(qū)和學(xué)習(xí)實踐區(qū)，初步實現(xiàn)了一二三產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展。
新加坡等國家建立的一些綜合性生態(tài)中心，都是以此帶動其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這種以垂直農(nóng)場帶動周邊產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新業(yè)態(tài)的出現(xiàn)既是時代發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果，也將是今后一段時期的發(fā)展趨勢。
都市農(nóng)業(yè)因不同需求發(fā)展出了庭院農(nóng)業(yè)、陽臺農(nóng)業(yè)和休閑農(nóng)業(yè)等形態(tài)，垂直農(nóng)業(yè)可實現(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途奔波就能享受自然的休閑需求。
同時，滿足城市居民的菜籃子需要，從環(huán)保的角度來看垂直農(nóng)業(yè)是城市中的綠洲，既能帶來新鮮空氣和裝點城市景觀，也能實現(xiàn)多種能源的循環(huán)重復(fù)利用。垂直農(nóng)場因此變得形式多樣且隨處可見。
1.4垂直農(nóng)場可實現(xiàn)光熱資源利用最大化
相對與傳統(tǒng)農(nóng)場而言，垂直農(nóng)場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空調(diào)控制溫濕度不同，上述提到的鳥巢型垂直農(nóng)場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現(xiàn)溫濕度的控制將會是未來垂直農(nóng)場發(fā)展的趨勢。其中水體現(xiàn)了2大功能，即調(diào)節(jié)場內(nèi)的濕度和儲備熱量。冬天水體可以在白天將太陽光的熱量收集起來，晚上再將熱量釋放出來，夏天可以把水體中的水用來噴灑植物降溫。這樣就能確保農(nóng)場內(nèi)的農(nóng)作物不會受外界溫度的影響，農(nóng)作物也不會因溫度和季節(jié)的變化而出現(xiàn)產(chǎn)量和品質(zhì)的波動。
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)場發(fā)展長時間沒能被大范圍建設(shè)并應(yīng)用的原因之一。
2.1垂直農(nóng)場的建造及運營費用高
垂直農(nóng)場的建造成本相對較高，以鋼筋混凝土高層框架式垂直農(nóng)場為例，按目前國內(nèi)物價水平鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的高層建筑造價在900元/m2左右，建設(shè)一棟建筑面積為2 hm2的垂直農(nóng)場，設(shè)施成本大概在900萬/hm2左右，則可知整體結(jié)構(gòu)的設(shè)施成本基本達(dá)到了1 800萬元?？紤]到不同地區(qū)土地價格及垂直農(nóng)場內(nèi)部設(shè)施等差異，可以估算出垂直農(nóng)場的基建設(shè)施成本在450萬～1 050萬/hm2。而目前土地承包一年的價格為0.75萬～1.5萬元/hm2，相比租賃土地進(jìn)行傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)垂直農(nóng)場每公頃成本高出了約600～1 200倍。
同時垂直農(nóng)場正常生產(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，其運費成本很高。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)場的認(rèn)知度低
垂直農(nóng)場的發(fā)展受到傳統(tǒng)農(nóng)耕觀念的影響。我國是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，幾千年來一直崇尚農(nóng)耕文化，垂直農(nóng)場作為一種新型農(nóng)耕理念對國人固有的農(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，不能短時間進(jìn)行認(rèn)同。
2015年臺北科技大學(xué)建筑與都市設(shè)計研究所曾就60歲以上高齡人群對垂直農(nóng)場的認(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，受過大專以上教育人群中有27.9%的人認(rèn)同垂直農(nóng)場，37.7%的小學(xué)文化程度的人不了解垂直農(nóng)場，其中具有建筑、景觀與園藝等相關(guān)設(shè)計背景的人對于垂直農(nóng)場的了解并不多，而不具設(shè)計相關(guān)背景的受訪者中竟有93.5％的人不了解垂直農(nóng)場。
可見高齡人對垂直農(nóng)場的認(rèn)知都不太高。垂直農(nóng)業(yè)的發(fā)展沒有良好的文化認(rèn)知環(huán)境，并且發(fā)展垂直農(nóng)場的關(guān)鍵性技術(shù)——能量轉(zhuǎn)化效率低的問題使更多人更加不看好，甚至產(chǎn)生一種垂直農(nóng)場一旦大規(guī)模建成會使從事傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的農(nóng)民和農(nóng)產(chǎn)品運輸和包裝等行業(yè)工人產(chǎn)生大規(guī)模失業(yè)的疑慮。
2.3不能同時滿足不同生物生長對環(huán)境的要求和作物品種單一
植物生長離不開光合作用。雖然垂直農(nóng)場中在太陽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光。而且不同的植物對光的顏色需求不同，如冬青在紅色藍(lán)色混合光線下生長得最好，在紫色和黃色光線下容易營養(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，垂直農(nóng)場的LED人造燈光并不能滿足農(nóng)場內(nèi)所有植物對光的需求。
3螺旋形垂直農(nóng)場技術(shù)與應(yīng)用
盡管垂直農(nóng)場無論是在外形設(shè)計、文化內(nèi)涵、實現(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)用一直是個難題。借鑒我國傳統(tǒng)建筑福建土樓及北京鳥巢等結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計出的螺旋形垂直農(nóng)場，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)場結(jié)構(gòu)與運營效益
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)場都采用了分層式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的缺陷是對光的利用效率較低，無法實現(xiàn)空間利用最大化。球狀鳥巢式垂直溫室結(jié)構(gòu)不但造價成本低，而且還可以實現(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。
3.1.1螺旋形垂直農(nóng)場的結(jié)構(gòu)特點
螺旋形垂直農(nóng)場可以有效解決上述提到的垂直農(nóng)業(yè)建筑營運成本高和管理困難等問題。據(jù)測算，占地面積為2 700 m2高30 m螺距為3 m的螺旋式垂直農(nóng)場溫室其耕作面積約2萬m2，總造價為約200萬元，相比其他結(jié)構(gòu)的垂直農(nóng)場造價低的多。
螺旋形垂直農(nóng)場設(shè)計需要合理設(shè)定螺旋形垂直農(nóng)場連續(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，從而省去人工補光的費用。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)實現(xiàn)對場內(nèi)溫濕度的控制，也極大程度降低場內(nèi)管理費用；仿真模擬及建設(shè)實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動成長及進(jìn)化的普遍規(guī)律。圖2和圖3為該類型農(nóng)場的結(jié)構(gòu)圖。
圖2基于福建土樓造型的螺旋形垂直農(nóng)場結(jié)構(gòu)
圖3浙江永春版鳥巢螺旋形垂直農(nóng)場
3.1.2螺旋形垂直農(nóng)場的運營效益
在螺旋形垂直農(nóng)場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)場的承重問題得以解決，螺旋梯田只需承載栽培裝置的重量，無需基質(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)試驗數(shù)據(jù)顯示，此時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)開發(fā)區(qū)遼河高效農(nóng)業(yè)示范園區(qū)的螺旋形“鳥巢”垂直農(nóng)場，蔬菜采用立體式無土栽培，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)場內(nèi)可以栽種8/5 hm2的蔬菜。由此螺旋形垂直農(nóng)場具有較高的產(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，還可以通過進(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，并且能夠開發(fā)出有關(guān)螺旋形垂直農(nóng)場的一系列衍生產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)品。
3.2有關(guān)螺旋形垂直農(nóng)場的發(fā)展建議
3.2.1推廣小型螺旋垂直農(nóng)場為試點
1棟“垂直農(nóng)場”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)，短時間內(nèi)根本無法實現(xiàn)。短時間內(nèi)大力發(fā)展大型垂直農(nóng)場是很難實現(xiàn)的，但可在大型垂直農(nóng)場推廣前建立一些簡易小型螺旋形垂直農(nóng)場平臺，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，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)場及其電動遙控自走式作業(yè)平臺
通過這些方式使垂直農(nóng)場逐漸進(jìn)入公眾視野，增加社會認(rèn)知度。也可建立小型螺旋形垂直農(nóng)場做大型垂直農(nóng)場的發(fā)展實驗基地，測試相關(guān)動植物的生長環(huán)境及特點，建立動植物生長數(shù)據(jù)庫，服務(wù)于大型農(nóng)場種植區(qū)的科學(xué)布局，促進(jìn)垂直農(nóng)場信息化程度。同時，可開發(fā)其作為科研平臺，培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人才及促進(jìn)垂直農(nóng)場各項新技術(shù)的出現(xiàn)。
甚至可以吸引對垂直農(nóng)場有興趣的投資者或因垂直農(nóng)場造價較高而放棄相關(guān)研究者，更好促進(jìn)垂直農(nóng)場的長遠(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)場全程機械化作業(yè)及配套智能化作業(yè)平臺
經(jīng)過長期不斷地對現(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)裝備的機械化和自動化進(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)場的研究案例還尚未出現(xiàn)，螺旋垂直農(nóng)場中因缺乏與其結(jié)構(gòu)特點相適應(yīng)的專用機械作業(yè)機具及智能化監(jiān)測系統(tǒng)，導(dǎo)致農(nóng)場內(nèi)植物播種、精準(zhǔn)施肥、農(nóng)藥噴灑、農(nóng)田灌溉和采摘果實等勞動強度大的農(nóng)業(yè)作業(yè)過程以及在生產(chǎn)過程中各種小型生產(chǎn)機具、肥料、果實及農(nóng)藥等在不同區(qū)域之間的搬運依然是靠人力操作完成，不僅費時費力效率低下，在某種程度上還會對操作者的身體存在一定傷害。
如噴施農(nóng)藥過程，除因噴藥機具與噴灑環(huán)境開發(fā)的不兼容而造成的勞動強度大外，農(nóng)藥本身就具一定毒性對人體和農(nóng)場環(huán)境都有一定危害。另外因螺旋垂直農(nóng)場內(nèi)螺旋面間距有限，并且種植物密集還會對種植物造成一定損傷。又由于農(nóng)場中缺少對農(nóng)作物生長過程和生長環(huán)境信息的反饋環(huán)節(jié)，無法按照場內(nèi)農(nóng)作物的實際需求進(jìn)行及時調(diào)控，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，作物產(chǎn)量和品質(zhì)無法得到有效保證。
因此，急需研發(fā)出與螺旋形垂直農(nóng)場空間相配套且具有協(xié)同作業(yè)和監(jiān)控植物生長功能的智能化作業(yè)平臺及運行機具，其大致設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4b所示。還可結(jié)合各類溫室中移動作業(yè)機器人如采摘機器人、噴藥機器人和移栽機器人等的功能及特點共同促進(jìn)螺旋形垂直農(nóng)場中智能化作業(yè)平臺及配套作業(yè)機具的開發(fā)。
4前景展望及建議
垂直農(nóng)場是現(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現(xiàn)一二三產(chǎn)業(yè)的無縫融合，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)村振興切入點之一。
螺旋形垂直農(nóng)場具有光熱資源利用率高、建筑成本低和易于全程機械化作業(yè)管理而成為發(fā)展垂直農(nóng)場的理想結(jié)構(gòu)形態(tài)，可充分借鑒我國福建土樓等建筑結(jié)構(gòu)空間布局的基礎(chǔ)上，結(jié)合垂直農(nóng)場農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全程機械化配套作業(yè)機具的研究，進(jìn)一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)并進(jìn)行集成創(chuàng)新。以下針對垂直農(nóng)場的發(fā)展提出3點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)場項目建成之后應(yīng)發(fā)展具有地方特色的亮點垂直農(nóng)業(yè)農(nóng)產(chǎn)品深加工產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級。借助其營養(yǎng)價值高和口感好的特點深挖產(chǎn)品賣點，明確產(chǎn)品定位。通過網(wǎng)絡(luò)營銷和電子商務(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)無縫隙對接起來，通過特色旅游項目結(jié)合采摘體驗、夏令營、野營和建設(shè)休閑度假區(qū)等方式將農(nóng)場周邊打造成新商圈并引入更多新服務(wù)項目，以優(yōu)質(zhì)高端特色的產(chǎn)品和優(yōu)良的服務(wù)吸引游客消費垂直農(nóng)場產(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)場的應(yīng)用
垂直農(nóng)業(yè)這種適應(yīng)性強和靈活性高的新農(nóng)業(yè)模式可應(yīng)用于軍隊補給，不僅降低補給物資的運輸成本和、損傷度，而且減少運輸環(huán)節(jié)帶來的二氧化碳排放。使邊遠(yuǎn)地區(qū)的駐防部隊不受惡劣氣候的影響就能吃上綠色、安全、有機和新鮮的食物。
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)展無土栽培方式的垂直農(nóng)場。垂直農(nóng)場不僅可以減少農(nóng)作物對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)場配套機具
螺旋形垂直農(nóng)場具有成本低、種植面連續(xù)、機械化、智能化集成作業(yè)平臺易開發(fā)和可復(fù)制等特點，將有很好的應(yīng)用前景。隨著螺旋形垂直農(nóng)場的推廣及人們對其要求的提高，僅有種植平臺是不夠的，還需要進(jìn)一步開發(fā)相應(yīng)功能的機具配合完成場內(nèi)的種植、施肥、噴灑、除草、采摘和運輸?shù)取?/p>
（作者：金香 楊自棟）
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