垂直农场的绿色承诺 | 智能农业

发布日期:2019-11-09 10:00
人工智能和LED照明的室内农场比田间农业效率更高,但它们能显著减少温室气体排放吗?

照片:Plenty

丰盛之墙:罗勒之墙沐浴在LED灯管的光线中,LED灯管通过丰盛专有的机器学习算法为这一特定作物进行了优化。

我从位于什瓦吉马的东京单轨火车站出来,什瓦吉马是东京湾的一个小岛,坐落在东京市中心和羽田机场之间。迷失方向和躲躲闪闪的货运卡车离开繁忙的立交桥,我躲在桥下,查阅我手机上的地图,这使我更深入仓库。我最终找到了spec-Mic公司的蔬菜农场,它位于一个印刷厂和一个啤酒经销商之间的破旧的60年代办公楼里走进二楼的玻璃墙大堂,我看到一排排绿叶莴苣和羽衣甘蓝在水培水溶液中生长,营养成分精确校准。节能型LED发出光谱范围为400至700纳米的粉红色光,这是光合作用的最佳场所。

我来这里是想了解西方国家称之为垂直农场或室内农场的工厂如何帮助减少与传统农田农业相关的温室气体排放。据世界银行(World Bank)统计,2015年,全球耕地面积为4860万平方公里总的来说,农业、林业和其他土地利用占全球温室气体排放量的21%,每2017份来自联合国粮食和农业组织的报告,主要是通过二氧化碳、甲烷和氧化亚氮的排放。

垂直农场避免了大部分的排放,尽管它们依赖于人工光,并且必须小心地控制气候。事实上,根据垂直农场的传道者迪克森·德斯波米尔(Dickson Despommier)的说法,他被广泛认为是新兴产业的主流,这类农场可以大大减少用于农业的土地数量,从而严重缓解我们的气候变化问题。

“如果每个城市都能在室内种植10%的粮食呢?他问道,然后回答自己:这一转变可以腾出价值88.1万平方公里的农田,然后这些农田可以恢复为阔叶林。Despommier声称,这足以“将价值25年的碳从大气中带走”。他补充说,日本从上世纪80年代开始试验植物工厂,现在已经是世界领先的国家,而且这些农场大多位于城市附近或城市内部。正如他在2010年出版的《垂直农场:21世纪养活世界》(thomas dunne books)一书中所指出的,垂直农场解决人为气候变化的方法既“简单”又“直截了当”。

但有多现实呢?

确定农业在温室气体排放总量中所占的份额是相当简单的。明尼苏达大学环境研究所全球景观倡议的首席科学家Paul West说,一半的农业温室气体排放来自南美洲的森林和南洋的大豆和森林中的棕榈油。另一大部分来自牲畜和稻田,它们释放出惊人数量的甲烷肥料中的氧化亚氮占了其余的一部分。


照片:哈里·戈尔茨坦
在(室内)农场工作:一个穿兔子服的农民在收成时盘绕着一盘盘卷心菜,特别是麦克的蔬菜农场。

我问韦斯特垂直农场是否有帮助。他指出,农田产生的绝大多数热量来自小麦、大米、玉米和大豆等谷物,这些谷物都不是室内农业的理想选择。

这是真的-我没有看到任何大米,小麦,玉米或大豆种植在蔬菜农场在东京取而代之的是,160平方米的空间里充满了丰富多彩的绿叶植物据生产经理兼植物科学家顺川崎(Shun Kawasaki)说,这个农场每天生产1000头莴苣。

为了进入农场,川崎和我没有干净的房间兔子套装,面罩和橡胶靴,踩在一个粘垫上,穿过一个空气簇射,然后进入植物房。六个架子中的每一个都有五层装满水的运河,上面漂浮着植物的木筏。两个穿兔子服的工人照看这个室内花园,偶尔把一盘新的幼苗推到架子的一端,另一盘准备收割。

通过他的面具,川崎告诉我,除了控制温度,HVAC管道和风扇在搁架下蜿蜒,还泵送二氧化碳以保持在百万分之1000左右的水平,大约是典型室外水平的2.5倍。一盘盘生菜和羽衣甘蓝吸收来自LED灯管的光线,LED灯管每天持续16到17小时,每天消耗的600到700千瓦时中有70%是用光的。

如果你有100万美元,你可以买一个中型蔬菜农场,像这个从特别麦克风,包括机架,控制系统,暖通空调和照明除了莴苣和羽衣甘蓝,东京农场还种植白菜、薄荷、水松和石松,并正在试验罗勒和萝卜。在田间种植的莴苣从种子到收获大约需要60天在蔬菜农场,需要40天其他工厂声称30天内的速度更快。因此,与中纬度地区的传统农场每年收获一至三次不同,一个植物工厂大约每月可以收获一次与一次收获的大田莴苣不同,室内收获是连续的,产量极高,没有虫害或恶劣天气造成的损失。


照片:哈利·戈德斯坦
多汁绿色:在海水泵浦底下生长,海水泵浦从800米深,矿物的文学是美味的,装饰着营养物。

参观结束后,川崎给了我一份spec-mic公司的矿物绿莴苣样品,当天新鲜收获并现场包装。植物工厂的一个主要好处是,你可以调整植物的化学成分来设计它的营养成分和风味。这家公司在800米高的海水中种植其矿盐生菜,这使得一片柔软可口的叶子可能是我吃过的最美味的生菜,而且富含钙、钾和镁。一个100克的包裹售价约200日元(约合2美元)在这个包裹上,你可能会看到一个郁郁葱葱的田野或是一个欢快的绿色巨人的图像,里面有植物在粉色灯光下晒太阳的照片。

城市室内农业的支持者兜售许多好处,如增加城市居民获得新鲜农产品的机会,振兴破旧的仓库区但最大胆的主张集中在室内农场相对于传统农田农业的环境效益上,包括消除杀虫剂和更有效地利用水。千叶大学名誉教授、日本植物工厂协会主席Toyoki Kozai说,植物工厂的用水效率是传统温室的30到50倍许多工厂甚至不清洗他们的产品。取而代之的是,在蔬菜农场,收获的植物直接进入包装,它们干净到可以吃。

科扎伊说,当一个垂直农场的产出在农场几公里内被新鲜消耗时,它在经济上是最可行的。这减少了运输和加工的燃料,也减少了产品在运往消费者途中的损失。

减少用于运输食物的燃料,即食物里程,是城市垂直农场的一个明显好处然而,韦斯特说,碳排放的减少相对较小。“80%或更多的农业排放发生在农场,而不是在加工过程中,不是在运输中,”他说。温室气体的真正减少将来自于“我们如何管理我们的土壤,我们如何管理土地上的作物,使用的机械化类型,肥料类型。”韦斯特说他完全支持“城市园艺和垂直系统但我不认为它的规模足以满足粮食需求或对环境产生大规模影响。”

当然,日本的垂直农业仍然很小,尽管已经存在了几十年。日本工厂协会(japan plant factory association)国际关系和咨询部主任林瑞希(eri hayashi)说,日本有182家工厂。其中最大的一家是Spread公司在京都附近的Kameoka工厂两座900平方米的塔楼,总种植面积为25200平方米,每天生产21000头莴苣今年晚些时候,Spread将在京都开设一家技术农场,该公司表示,该农场将利用先进的自动化技术,将生产率提高一倍以上,达到每平方米648头。



LED是增长的关键:日本工厂协会在千叶大学校园内经营一家工厂原型。在这里,它研究不同的作物和照明系统,如先进农业,未来绿色,京瓷,飞利浦,昭和丹科,东芝。

根据雅诺研究所(Yano Research Institute)2014年的市场研究报告,2013年日本垂直农业总收入为34亿日元(约合3120万美元)日本内务通信省统计局的数据显示,当年日本国内蔬菜市场规模为22530亿日元,这意味着垂直农场在日本蔬菜市场的份额不足0.15%。

尽管如此,人们对垂直农场的兴趣从未如此之高除了日本,最活跃的市场是中国、台湾和美国,林说。随着这一概念的推广,新的混合动力车也应运而生。其中包括室内水养农场(鱼粪为植物施肥),以及位于新泽西州纽瓦克的“空气养农场”(Aeroponics),该农场采用专利喷嘴,用水和营养喷雾植物根部。投资公司Newbean Capital最近的一份白皮书统计了美国2017年的56个商业仓库、水上运动场和屋顶温室农场,高于2015年的15个,并指出至少有3个6500平方米的农场正在建设中。

丰盛农场位于西雅图南部,占地9300平方米,是计划今年开业的最大农场之一。丰盛的联合创始人兼首席科学官内特•斯托瑞(Nate Storey)表示,与大多数在多层机架上种植托盘植物的室内农场不同,丰盛将在“垂直平面”上种植植物他解释说:“想象一下,一排排的塔楼,两边的产品都在生长“这样的定位使我们在一个给定的空间里投入的产品大约是我们堆叠产品的三倍。”



彩虹墙上方:一名工人倾向于在普伦特的一个设施内用彩虹墙建造双面墙为这些特定植物调谐的LED灯管从多个角度照亮叶子,传统的垂直农场现在开始通过从下面和上面照亮叶子来进行试验。

据彭博社报道,软银首席执行官Masayoshi Son's Vision Fund以及投资亚马逊杰夫•贝佐斯(Jeff Bezos)(他也拥有Whole Foods)的基金已经吸引了2亿美元的投资。有了贝佐斯的参与,很多人可以做迄今为止其他室内农业公司无法做的事情:在全球范围内室内种植农产品。

很多人把赌注押在了一系列技术上,而斯托里认为这些技术可以开创一个新的农业时代,一个由可再生能源驱动、LED照明的农业时代,传感器网络收集了数万个数据点,这些数据点被输入机器学习算法,以优化特定植物在其生命阶段的生长条件。循环。

“我们逐渐意识到,这些农场的未来真的掌握在人工智能的手中,”斯托里告诉我“我们正在努力提高给定成本或能源单位的产量,同时也提高产品质量。”大量的水果将从绿色和草本植物开始,但在接下来的12到18个月内,该公司打算将业务扩展到迄今为止只在室内试验种植的水果斯托里说:“我认为,整个行业将对我们开始引进历史上只能在田间生存的作物的速度感到惊讶。”

他还关心延长农产品的保质期,以及节省食品里程“人们买的东西有一半都是扔进垃圾桶里的,对吧?这是一个巨大的碳成本,”斯托里说“通过送一些超新鲜的东西,冰箱的保质期比你买的要长两周,我们基本上把碳成本减半……如果我们能让消费者吃到他们买的所有东西,我们就做得更好。”

垂直农场适合种植叶菜,但不能取代世界上数亿公顷的谷物和豆类。

但超新鲜的文学能拯救森林吗?“苹果树”是将农民转化为硬木森林的一种联系。为了免除881000平方公里的土地,你需要一个等值的面积,以扩展25200-M2 Kameoka厂乘以3500万。Despommier对摩天大楼规模的垂直农场的设想,再加上较短的生长季节,肯定会将这一数字从数百万减少到数万,但即使是乐观主义者也无法想象本世纪会出现这样的建筑热潮。如果不太可能出现这样的繁荣,你只能得到一小部分传统农场种植的蔬菜和水果,没有小麦、玉米、大豆或大米,至少在可预见的未来是这样垂直农场也不会饲养牲畜或种植油棕榈树,这主要是人们为了腾出空间砍伐阔叶林。

正如韦斯特所说,“我们听说人们不能仅靠面包生活好吧,如果他们不能做到这一点,他们也不会以羽衣甘蓝作为主要的卡路里来源。”

如果不是羽衣甘蓝,那又怎样?纽约康奈尔大学(cornell university)植物科学副教授尼尔•马特森(neil mattson)一直在研究哪些作物最适合在室内种植。他是国家科学基金会(National Science Foundation)240万美元拨款的首席研究员,他和他的团队正在分析植物工厂如何在“能源、碳和水足迹、盈利能力、劳动力发展和可扩展性”等方面与农田农业抗衡。迄今为止对室内农场进行的最全面的研究,将有助于量化它们能在多大程度上缓解气候变化。

例如,马特森指出,在室内种植小麦是没有意义的他的康奈尔大学同事卢·奥尔布赖特(Lou Albright)在2015年的一次演讲中研究了垂直农场的照明成本,他计算出,如果你在室内种植小麦,那么用这种小麦制成的面包每面包的电费就要11美元。

“Lou Albright会说,在你得到完全可再生能源之前,这样的室内生产是没有意义的,”Mattson说。

而富力则致力于将可再生能源整合到其电力结构中。西雅图发电厂将提供水力发电。但要想通过室内种植水稻来减少甲烷的排放,你需要的可再生能源量将是巨大的:在4860万平方公里的耕地中,161万平方公里用于水稻种植。

普伦蒂斯的故事并不气馁“我们可以种水稻、小麦和高粱之类的东西。我们可以种植大宗商品,”他说。“这对我们现在不起作用,但我不排除将来会有意义。”

很可能在未来到来之前,我们会在工厂里种植更多的食物绝望者希望的是10%吗?即使工厂和垂直农场最终只是短期内减少温室气体排放的整体解决方案的一小部分,它们也可能是我们的保险单随着气候变化开始侵蚀农田的生存能力,我们可能被迫在室内种植,那里的气候仍在我们的控制之下。

二楼的农场

照片:顺川崎

哈里·戈尔茨坦的垂直农业冒险始于东京湾一个岛屿上荒芜的什瓦吉马单轨火车站IEEESpectrum在线编辑总监戈尔茨坦(Goldstein)在预约参观SpecMicVegetaFarm工厂前一个小时。

三月一日是一个温暖、阳光明媚的下午。但是农场在哪里它不够垂直,从火车站台上看不见幸运的是,他下载了一个PDF地图来说明这一情况。

戈尔茨坦在一条塞满了半成品的便道上蹦蹦跳跳,从一座天桥下走了出去,他走进了一片混乱的仓库,里面停着铲车,把啤酒桶装上卡车,戴着安全帽的工人把废金属扔成一堆。对于戈尔茨坦来说,这是一种令人安慰的似曾相识的感觉,他在明尼苏达州和威斯康星州也遇到过同样的场景,那是2013年他最后一次为Spectrum报道室内农场(您可以在本期和我们的Instagram账户@ieeespectrum上看到戈尔茨坦日本之行的图片。)

这座建筑本身有点令人失望。“垂直农场”这个词充满了未来主义色彩,让人联想到绿塔在阳光下闪闪发光的景象但是蔬菜农场原来是一座破旧的办公楼,前面的装饰门上挂着特别麦克的牌子。在和一个看门人进行了简短的、主要是手势式的交流之后,戈尔茨坦被护送进了生长室,这是一个安静、潮湿、温暖的沃伦,就像一个有植物而不是书的图书馆。听说有些工厂要求工人在进入种植室前洗个澡,他松了一口气,因为他唯一要脱的衣服就是他的鞋子,他只需要吹一阵风就可以把他必须穿的兔装掸掉。

旅行结束后,戈尔茨坦走下楼梯。在楼梯平台上,他拍下了最后一张照片:靠在窗户上的梯子,旁边支撑着的拖把,中间横档上挂着一条男式长裤他悄悄地绕过下一个拐角,从空荡荡的大厅溜了出去,避开了那个半裸的看门人。