編者按：到2050年，全球人口預計將突破98億。然而，在過去的50年里，農業用地的數量一直保持穩定(約占總可用土地的37%)，預計在未來一段時間內，這一數字將不會發生顯著變化。這就不難理解，為什麼各國政府開始把糧食問題視為重中之重。
一份聯合國報告指出，全球糧食產量需要達到70%的增長才能跟上人口增長的步伐。與此同時，隨著經濟的發展，全球對肉類產品的需求也與日俱增。
目前，農業領域已經通過技術創新和先進的農藝實踐等方式，提高每公頃產量來應對這一挑戰（即實現集約化)。儘管這種方法在許多方面都取得了成功，但卻不可持續。如今的消費者也越來越關注農藥使用對健康的影響，以及塑料包裝、食品運輸和過度開發地球資源(包括農田)的環境代價。
未來的糧食生產和今天相比，將會有很大的不同。我們正進入一個以科技為導向的新時代，室內垂直農場，控制環境生產(CEP)，會大幅提高農作物的產量，質量，營養以及視覺上的吸引力，從而有助於提高全球普遍的生活水平。
同時，我們也看到了製藥行業尚未被開發的巨大潛力。在製藥行業，垂直農場提供受控的、潔凈的環境，在這種環境下，可以種植出更加有效的、天然的藥物成分。
雖然這是垂直農業發展的一個重要機遇，但作為一個處於起步階段的行業，許多室內垂直農場失敗的原因是缺乏規劃，缺乏對受控環境生長複雜性的理解，或無法擴大到確保長期盈利的水平。
本指南並非能解答所有的疑惑，比如具體何時何地建造垂直農場這類問題。而是旨在幫助大眾建立起對垂直農場的基本理解，探討其中的一些重要考慮事項及隱患。
垂直種植或使用垂直堆放的架子種植低矮的農作物，既適用於室內(沒有自然光的地方)，也適用於室外(太陽光單獨使用或與人工照明結合使用)。作為室內環境控制生產(CEP)的種植方式之一，垂直農場夠嚴格控制各生產環境要素：光、水、溫度、CO₂以及其他營養物質等，最大限度地增加農作物的產量。
在2017年的報告中，Global Market Insights Inc.預測垂直農業(室內和室外應用)的收入將從2017年的25億美元增長到2024年的139億美元。通過採用垂直農業技術，我們可以顯著地、實質性地增加可用的「可耕種土地」，並將這些農場安置在城市中，還可以在衰落的工業用地上進行再生產，以最短的時間和最低的運輸成本將新鮮的、富有營養的農產品從農場運到城市。此外，我們還可以減輕農藥過度使用、營養浸出、土壤侵蝕和生物多樣性減少給農田造成的壓力等問題。
垂直農場的主要優勢有：
•不受氣候、天氣、季節和地理條件的影響，一年365天、全天24小時不間斷培育作物；
•結合智能技術，植物科學家的實驗研究以及從種植者那裡獲得的知識，提高作物的自然產量(包括大小、重量、營養價值、外觀、味道等)；
•消除對新種植者的障礙——無需很大的種植面積來進行農場種植；
•可以在本地生產更多的食物——垂直農場正吸引著越來越多的關注，並在市場上吸引著越來越多的投資；
在更高層次上，垂直農場有助於：
•通過去除農藥，減少食品運輸的路程來減少食品供應鏈對環境的影響；
•確保糧食安全；
•提高現有食品的種類和質量，改善公眾的健康。
一、室內種植科學
每株植物都需要相同的成長要素：光、二氧化碳、水分和養分。然而，這些成長要素與許多附加因素怎樣結合，不僅取決於你想要種植什麼作物，還取決於你想要的營養價值、視覺外觀和味道。一旦失去平衡，這些要素也會對作物產生災難性的影響，甚至可能導致作物的產量下降。
種植者對每一種成長要素的有效控制，意味著可以真正確保每一種植物都能發揮其最大潛力。然而，每種要素都必須進行仔細監測，以優化其對作物形態的影響。
圖：室內和室外種植的區別
二、LED能取代太陽光嗎?
光是植物生長最重要的元素之一。在室外，太陽的光線跨越了從紫外線到紅外線的廣泛光譜。綠色的波長比紅色和藍色的波長更強烈地被植物的葉子反射和透射，而紅色和藍色的波長在葉子中被更有效地吸收以進行光合作用。可用的光譜和強度將受到地理、天氣和季節的影響。除了光合作用和生長的核心功能外，光還可以作為植物的信號，以某種方式促進它的成長發育，如產生更高的莖或促進開花。
然而，不同的植物對光有不同的需求，它們對使用的光波也有不同的反應。以開花為例：有短日照植物和長日照植物，兩者需要不同的光周期來促使其實現最佳生長。
其次，在自然環境中，作物也可能與它們周圍的植物競爭光、營養和水等成長要素。現在，所有這些不確定性和猜測都可以通過垂直農場得以消除。
三、活用光譜
近年來，照明專家已經發現了如何有效地隔離和合併不同的波長。通過改變光譜「配方」，也可以更好地控制植物的生長方式。
增長譜的主要作用體現在:
（1）繁殖性
促進葉片覆蓋和果實產生。
（2）營養性
促進植物結構和葉質量。
（3）均衡性
提高所有作物的收成
螢光燈以往用於室內種植，但LED技術的進步，包括它們在光產生、光提取和再吸收方面的處理能力，使LED種植燈成為市場上的新寵。除了具備24小時全天候運行的潛力外，由於可以在三個主要的生長光譜類別中設計特定的燈光，LED還可以更好地進行控制，以最大化提高單個作物的收成。而且LED的使用壽命也比以前的照明技術要長得多，易於清潔、維護成本也較低。
在生長的最後階段，還可以使用不同的光照來增加花青素的合成和色素沉澱，比如培育紅色的生菜，因為相比綠色的生菜，人們更傾向於紅色的生菜。
然而，光不僅對最大化生長、控制顏色和縮短從播種到收穫的周期至關重要，還控制著害蟲、細菌和真菌病原體的晝夜節律。因此，光可以用來限制昆蟲的移動，或防止真菌孢子在作物中傳播。
四、熱度和濕度控制
溫度和濕度都有可能加速作物生長或毀掉作物，這可能是管理垂直農場最具挑戰性的兩個因素。首先，溫度對植物生長速度和生理機能都有重要影響。植物的理想溫度取決於多種因素，必須在氣溫、相對濕度和光照之間取得準確的平衡。此外，植物的生長習性也會影響這一過程。另外，當在一定範圍內提高溫度時，也會增加植物和環境之間的氣體和水的交換。當溫度上升時，會增加水分的流失，因而，即使溫暖的空氣可以容納更多的水分，我們也需要多加關注環境的濕度。
濕度影響光合作用。這是因為需要從植物中獲取水分，以保持植物的涼爽和細胞的活躍度。保持水分的能力部分取決於空氣的濕度，而濕度會增加蒸發蒸騰。濕度也會影響氣孔吸收二氧化碳、釋放氧氣和水的能力。濕度過高會導致植物在基礎的條件上無法成長。其次，室內地板上安裝的燈架是垂直農場的主要熱源，因而氣流和暖通空調系統對於減少植物燒灼和萎蔫的情況也很重要。
五、植物營養
植物需要一系列的營養物質才能正常生長，但是需要根據作物、生長周期、根質量和其他要素來調整營養組合。三種主要的營養物質是氮、磷和鉀，但是鈣、硫和鎂也很重要。關鍵營養物質的缺乏會導致從組織死亡、變色到異常生長等各種情況，所以在生長周期的正確時刻，以合適的濃度向根部輸送合適的營養物質是至關重要的。
當涉及到為植物提供營養時，有幾種方法和基底物質可供使用。這些物質可以是活的基質(土壤、泥炭)，也可以是惰性的(非生物)。在可預見的未來，水栽法灌溉和養分輸送被認為是最可行和最廣泛的室內垂直耕作方法。因而航空電子和水耕行業預計將保持相當的市場份額，2017年僅占27.1%和16.7%的市場份額，2024年將分別占28.7%和17.6%的市場份額。
循環水培系統的優點是，與傳統的耕作方法相比，我們可以減少90%的用水量，前提是重新濃縮和再利用生長環境中的濕度。這使得垂直農場成為水資源稀缺或價格昂貴地區的理想選擇，並幫助垂直農場在不影響產量的情況下減少投入的浪費，為環境的可持續性做出貢獻。
六、怎樣才能確保成功？
1.經過反覆試驗的設計方法
在戶外耕作時，有許多因素都受到自然條件的影響。每一種植物的灌溉是不同的，因為天氣模式隨時都在變化，甚至土壤中的營養也會隨著田地的不同而變化。因此，對垂直農場的具體要素進行控制，可以大大增加作物的成活率。
這些要素包括，農場的設施布局，比如種植空間的大小、植物分布、氣流等。此外，為了確定精確的光源，CO₂、營養物質和水等的組合，需要把時間和金錢投入在測試階段，以實現最大化產量和收入。一旦為垂直農場開發了一個固定的模式，就應該在一個更小的範圍內通過一個測試階段來確保它是可行的。
2.選擇合適的作物
如果已經清楚地知道作物的種植需求，那麼開發一個可盈利且可持續的垂直農場就容易得多。專注於一種類型的作物，對設施進行設計，選擇正確的生長範式和特定地作物，更好地進行優化灌溉，實現最佳的口味，營養含量，視覺吸引力以及保質期。
大多數人都試圖通過種植多種作物來規避風險。然而在通常情況下，很難有一個農場可以針對多種作物進行優化，因此每種作物的回報都低於應有的水平。甚至，工廠可能不得不面臨停止生產，這將侵蝕利潤並增加不必要的成本。
3.選址
「位置決定成敗」這句古話在如今的垂直農業中顯得尤為重要。垂直農場有一個關鍵的優勢，那就是它們能夠靠近客戶，無論它們是賣給食品加工商、超市還是當地商店。減少食品供應鏈相關的大量運輸物流可以降低成本，並有助於吸引顧客。運輸成本的降低也有助於抵消因能源和勞動力投入增加而導致的生產成本上升。
在城市規劃層面，將垂直農場與其他設施(如辦公樓、商店或住宅)安置在一起也有諸多好處，可以利用垂直農場的餘熱來減少對其他能源的需求。
4.簡化商業模式
無論是在食品還是製藥行業，靠近客戶並以可持續的速度全年生產作物，在市場上是一個很大的優勢。因此，要考慮通過與客戶簽訂固定費率的合同而獲得盈利，這樣也可以提供更多的財務保障。
5.合理看待運營成本
安裝和裝修費用對任何垂直農場企業家來說都是一筆高額的原始投入，但後續的運營成本(能源、勞動力、投入、維護等)也不少。企業不僅需要找到方法來降低這些風險(例如，當夜間能源價格較低，室外氣候較冷時，反而可以幫助HVAC系統提高效率)，還需要考慮不同配置和流程的成本效益。
6.基於客戶進行定價
在2017年開幕的安格蘭塔(AgLanta)會議上，PodPonics的執行長承認，該公司錯過了更高的潛在利潤率，因為他們在定價方面，為了能夠與傳統種植者競爭，忽略了食品可追溯性、無農藥種植和其他吸引消費者的價格溢價。
7.技能互補
通常情況下，那些敢於嘗試垂直農場的人並非傳統的種植者，而是技術企業家、工程師或業餘愛好者。垂直農場需要多種技能組合才能獲得成功：大數據科學家、系統集成商、項目經理、工程師、種植者和植物科學家等，除了一般企業成功所需的核心功能外(如財務策略師、營銷和業務開發等)，都可以發揮作用。
七、清楚自己要做什麼
為了利用垂直農場提供的新技術和增長模式，一些種植者往往忽略了一點，即他們應該種植和銷售質量最高的食品。相反，他們試圖通過將垂直農場的技術、流程和方法進行商業化來收回投資。然而，每個垂直農場都是不同的，可能需求也不同。關鍵是不要嘗試同時做很多不同的事情，而是要清楚地把注意力集中在儘可能好的做一件事情上。
儘管垂直農場目前仍處於早期發展階段，但許多企業已經開始躍躍欲試，在這個領域不斷探索試錯方法，投資巨額資金投入建設垂直農場設施，結果卻發現由於缺乏正確的照明，種植面積不夠，導致收穫的產量不夠用來回籠他們的資本支出。
一直以來，缺乏這方面的數據，都是影響垂直農業從「紙上談兵」到可推行的「商業模式」的主要障礙。需要牢記的是，在商業模式上，運營垂直農場就像經營一個工廠一樣，而非像經營傳統的農場。
八、對垂直農場進行規劃
要說這篇指南有什麼啟示的話，那就是在垂直農業方面，不存在「一刀切」的模式。從作物類型到種植區域，自動化程度和位置都會對設施的設置和商業機遇產生重大影響。這也是為什麼前期需要利用精確的模型，儘可能多地消除不確定性的原因，以便找到投入的最佳平衡點，從而使潛在產量和收益實現最大化。
當然，這種模型還應包括運營成本，如預估的能源使用量、勞動力、投入成本以及將農產品直接送到消費者或附近食品加工商手中所需的物流。
九、成本最小化，面向未來
垂直農業的兩項主要投資是能源和勞動力，前者通常占總成本的20%-50%，後者占每公斤作物的10%-40%。因此，在設備的初始投資和單位產出投入成本的降低之間取得適當的平衡至關重要。
為了將成本降至最低，種植者需要依靠現有技術，新興的科技以及系統規劃來提高運營效率。比如，與老式的鈉燈相比，LED燈能更好地控制能源的使用，因為它們消耗的能量相對較少。LED燈仍將消耗大量電力並產生必須加以處理的熱量，但這或許會創造新的機遇，通過熱量回收來減少總體能源需求的負擔。
未來，結合了LED和太陽能電池板進行室內種植的作物，將比在室外種植更有效地利用太陽能，因為光伏太陽能電池板可以捕獲並將更多的太陽能轉化為電能，而LED燈具將這些轉化為最有效的波長來刺激植物生長的能力。
瑞典公司Plantagon12在辦公樓發展垂直農場，利用農場生成的能量為辦公區提供熱源，創建一個可持續的低碳足跡設施，完美融入現代城市規劃。
通過仔細的規劃和精確的建模，我們會對整個垂直農場的運營成本有更進一步的了解。此外，智能管理系統也可以幫助我們監控和調整，以實現最高收益與最低成本之間的微妙平衡，並根據基準評估追蹤設備性能。
十、財政與投資
垂直農業不僅對農業，還能對環境和生態系統產生積極影響，許多地方政府和非部門公共機構正在提供一系列補貼和激勵措施，以協助促進該行業的發展。這些激勵措施可以採取初始安裝補貼的形式，以幫助降低農場的建造成本，以及從能源支出到勞動力成本等一切方面的額外退稅。
每個國家的扶持政策均有不同，投資者需要花點時間研究能夠獲得的政策資源。
雖然垂直農場的發展仍處於早期階段，但仍然有許多額外的資源可以幫助我們找到適合垂直農場設計和建造的信息。
十一、相關的協會和組織
1.Current是通用電氣（紐約證券交易所：GE）旗下的首家同類公司，目前他們已經花費數年時間用以完善其照明技術，並研究了園藝行業的特殊需求。
2.斯托克布里奇技術中心（STC）於2001年4月成立，以助力園藝行業的持續技術發展。這個研究機構以種植者為主導，創建了一個獨立的園藝中心，並得到了該行業生產和供應部門的支持。
3.同時，垂直農業協會是由個人、公司、研究機構和大學共同組成的國際非營利組織，致力於領導和促進垂直農業運動的可持續增長和發展。
4.歐洲農業經濟學家協會（EAAE）匯集了農業經濟學家和其他對歐洲農業和食品工業以及農村發展問題感興趣的人士。
5.AmericanHort是領先的綠色產業全國協會，旨在促進各州和各部門的園藝技術交流。成員遍及整個行業市場鏈，包括育種者、溫室和苗圃種植者、零售商、分銷商、教育者、研究人員以及製造商等。
6.美國園藝科學學會（ASHS）成立於100年前，致力於促進和鼓勵全球範圍內對園藝分支領域的科學研究和教育。該學會成員專注於如何改善糧食安全，發展城市農場以及解決國家在作物可持續性方面面臨的重大問題。
7. PennWell LEDl實際上是一個提供信息源網絡的企業，他們會定期在照明和園藝行業舉辦活動，目的是了解360度全方位的全球市場趨勢。
十二、垂直農業行業大事記
1.農業科技會議（Agriculture Technology），該活動在麻薩諸塞州波士頓舉行，匯集了來自學術界和工業行業的專家，研究人員和決策者，一起探討研究創新。本次活動的各個方面都突出了農業綜合企業的發展，包括專門介紹溫室和園藝發展以及技術如何協助農作物可持續地生產。
2.中國國際現代農業展覽會是一個旨在跨價值鏈進行貿易與合作的國際盛會，重點關注行業的最新技術，材料和創新。
3.Cultivate19由AmericanHort運營，由該行業各個領域的園藝專業人員組成，包括零售商、生產商和安裝商。該活動旨在提供交流和教育的機會，是園藝行業最大的全行業貿易展覽和會議。
4.GreenTech是阿姆斯特丹所有從事園藝行業的專業人士的全球聚會。主要專注於園藝鏈的早期階段以及與種植者相關的生產問題。
5.Growtech Eurasia吸引了來自溫室、農業技術和設備、灌溉系統、種子種植、幼苗栽培、植物營養與保護、生物控制、農業機械和畜牧設備等眾多領域的領先企業參加此次會議。
6.園藝照明會議（Horticulture Lighting Conference）將種植者和製造商集中在一起，共同討論了LED對園藝市場的影響。
7.室內工業會議（Indoor Ag-Con），該活動吸引了亞洲和Antipodean室內農業領域中最出色的企業，重點討論人工智慧，LED燈和控制系統等一系列技術。
8.Rethink Agri-Food Innovation Week，這是一場為期三天的活動，著眼於技術在建立高效，彈性和可持續的農產品供應鏈中所扮演的角色，該供應鏈可以為當今瞬息萬變的消費者市場提供新鮮營養的食品。
9.垂直農業協會峰會（The Association for Vertical Farming Summit），該活動是垂直農業協會的年度峰會，該協會是一家全球性的非營利組織，致力於在國際上推進垂直農業運動。
10.垂直農業會議（Vertical Farming Conference）是為期兩天的農業食品創新活動之一，該活動包括四場會議：健康營養會議、垂直農業會議、3D食品列印會議和智能農業會議。
由此可見，得益於政策支持和資本市場的敏銳嗅覺，垂直農業的確未來可期，也吸引了大量投資者的目光。但隨之而來的一些問題，例如為了實現真正的盈利，如何在前期選址，作物選擇等方面上下功夫，亦是投資者和種植者們需要思考的最緊要的問題。
附：中國垂直農業行業概況和相關企業
高原等的研究指出，垂直農場是指通過在建築物內部空間中利用人工技術營造出各種適合植物和動物生產、繁殖所需的環境，並利用各種先進技術控制和調節各類生產者的生長環境，使其始終處於生長發育的最佳狀態，從而不斷地為人類提供各種農副產品。絕大部分垂直農場都採用模擬大自然生態系統中「食物鏈」體系，進而合理地搭配擬態化的植物、動物和微生物系統，以提高垂直農場的生產效率。各類作物都以「植物工廠」的形態存在，通過各類無土栽培提高植物產量，並減少對土壤和空間的消耗和依賴，而在畜牧業生產中大多以魚類和禽類養殖為主，少數涉及牛羊豬等畜牧業養殖。
目前在國內開展植物工廠業務的企業和機構包括中科院體系的昂科豐、京東植物工廠、松下集團中國華錄、農眾物聯等，其他一些農業物聯網、大數據企業亦有涉及。國家智慧植物工廠創新聯盟是聚焦於該行業的一個聯盟，成員單位包括上海第六產業研究中心、珠海（橫琴）食品安全研究院、中國農業院環發所、國家現代農業光伏產業協同創新戰略聯盟等，其主要目的即在於促進國家智慧植物工廠產業快速健康發展，組織了教育培訓、產業聯動、國際合作、論壇峰會等活動。
政策方面，《國務院關於加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》提出，到2025年，設施農業、畜牧養殖、水產養殖和農產品初加工機械化率總體達到50%左右，這意味著設施農業將得到較大的政策鼓勵。
從技術角度而言，垂直農業或植物工廠的關鍵技術包括整體規劃設計、能源採光、營養管理、病蟲害管理、智能化控制、農產品品質管控、周年供應能力、倉儲供應鏈等，系統性解決方案的提出是行業變遷關鍵節點來臨的標誌。垂直農場又常常與無土栽培等生產經營方式相聯繫，二者的耦合能夠幫助創造更大價值。
整體而言，國內垂直農業尚處於早期探索階段，在借鑑歐美日等國家的經驗的同時也引入了成套的生產設備和管理標準，未來隨著技術成熟度提高和本地化經驗的積累，會逐步進入產業化開發的階段。
參考資料：
THE FUTURE OF FARMING IS VERTICAL
蔣衛傑.我國無土栽培主要模式與國外技術動態