LED灯下的立体种植

 “一走进这里，你似乎就可以闻到香蒜酱的味道，”Leo Marcelis 说。我们正位于瓦大校区的一个气候室中。园艺和产品生理学教授 Marcelis 正在这里进行“垂直园艺”的实验。罗勒和生菜一层叠一层地生长着。这些植物没有接收任何自然日光，但温室里有很多明亮的LED 节能灯。每个温室都有单独的红蓝光交织的 LED 灯带。“我们想知道这些植物需要多少光照才能达到最佳的产量，”Marcelis 说。“我们不仅可以改变灯光的强度和颜色，还可以将灯光悬挂在植物上方或放在植物之间。我们正在对植物的生长以及风味、营养价值和保质期等方面的问题进行研究。垂直园艺或垂直农业越来越多的在全球范围内得以运用。2021 年 12 月，Marcelis 和同事们在 《自然食物》期刊上发表了一篇关于垂直园艺的评论文章，这篇文章概述了垂直园艺的众多优势。通过将装满生菜、萝卜或草莓的容器一层一层地叠放起来，我们便可以在相同的空间内种植出比温室中更多的食物。精心控制的生长条件保证了全年稳定的产量和较高的作物质量。植物生长在人造基质填充的容器中，因此种植也不需要土壤。

在冻土层上进行种植

通过这种方法，在人口稠密的城市地区和靠近消费者的地方，例如废弃的工厂或办公楼、空荡荡的地下室和集装箱中，也可以种植新鲜的水果和蔬菜。Marcelis表示，“这样一来，我们不仅可以在城市郊区和大型超市配送中心附近种植新鲜农产品，还可以在冻土层上、沙漠中，甚至在宇宙飞船上，在前往火星的路上种植农产品。”在垂直园艺中，植物蒸发的水被循环利用。“每收获一公斤的番茄只需要两到四升水，” Marcelis说。“在炎热国家进行户外种植则至少需要 60 升的水；在荷兰温室中，大约需要 16 升。此外，如果苗圃是密封的，则几乎不受害虫或疾病的侵扰，因此几乎不需要使用杀虫剂，只要种植者严格遵守卫生规定并仔细监控作物。封闭系统中的营养物也不会流失到环境中。

大量投资

然而，无自然光多层种植的缺点在于其高能耗和所需的大量投资。“与温室相比，你需要更多的灯、更多的架子和更昂贵的气候控制系统，”Marcelis说。“但LED 照明正在彻底改变温室园艺。LED 灯在将电转化为光方面的效率越来越高，而且价格也越来越便宜。它们有多种颜色可供选择，这些颜色的灯光可用来优化植物的生长和生产。”光合作用是植物在光的参与下产生糖分的过程，红光可有效促进光合作用。但是一株植物仅在红光下不会长得好；它至少还需要一些蓝光。除光合作用外，植物中的某些其他过程也受到光的强烈影响。植物有许多感受器，它们可以感知不同颜色的光，进而影响许多生理过程。瓦赫宁根大学及研究中心所研究的一个重要问题，是植物对光的需求是否全天保持不变，以及幼苗和成熟植物的对光照的需求多大程度上有所不同。光照需求与其他生长因素密切相关，例如温度和二氧化碳水平、湿度和气流。Marcelis表示，“还有很多可以优化的地方。例如，我们知道植物天生对红光与远红光的比例非常敏感，尤其是在日落时分。有了智能照明，种植者可以让植物在更长的时间内更快地生长。”

与 INFARM 合作

今年一月，瓦赫宁根大学与研究中心宣布与 Infarm 进行一项新的合作。这家总部位于柏林的国际化公司已经在北美、欧洲和亚洲11个国家的超市和大型园艺中心建立了1400个垂直农场。在全球范围内，Infarm 正在开展关于75 种不同作物的实验。实验中，计算机远程控制植物种植，通过传感器和摄像头对植物进行监控，并通过云网络持续共享数据。数据科学家分析测量数据以实时调整生产。“自 2018 年以来，我们的苗圃管理成本降低了 82%，产量提高了240%，”Infarm 发言人称。“另外值得一提的是，我们的栽培系统是模块化的。我们的客户可以从小处着手，逐步扩展系统。这意味着一开始的投资成本更低。荷兰 Albert Heijn 的一些 XL 分店已经应用了 Infarm的垂直农业系统，在超市里种植新鲜的香料植物。
在接下来的四年里，Infarm 将资助两名瓦大博士生和一名博士后展开关于番茄多层种植的研究。Marcelis表示，“我们将使用矮番茄植物，它们的高度一般不超过 20 到 50 厘米。我们想知道如何在没有日光和尽可能少能源的情况下种植出最健康、营养丰富的番茄。我们将使用传感器和 3D 扫描仪评估这些番茄的生长速度、健康状况和营养价值。”

吸引资本

投资者相信垂直园艺的潜力。2021 年 12 月，Infarm 筹集了 2 亿美元资金，用于扩大其全球业务。2023 年，该公司将在沙漠之州卡塔尔设立研究中心。2022 年 1 月，来自旧金山的竞争对手 Plenty 从软银集团（SoftBank）和连锁超市沃尔玛（Walmart）筹集了 4 亿美元。Plenty 向超市出售垂直农业系统。该公司声称，其系统在一公顷的土地上生产的食物与传统农场在 360 公顷的土地上生产的食物一样多，而用水量可减少 95%。在阿姆斯特丹，垂直农业公司 GROWY 已经为餐馆和熟食店种植了 50 种生菜、香料和微型蔬菜。在 Poeldijk，Future Crops 正在率先垂直种植香料。Marcelis表示，“大约 10 年前，我对垂直园艺持怀疑态度。荷兰温室园艺具有强大的竞争力。虽然我们经常抱怨荷兰的气候，但全年来看，温带气候实际上非常有利于温室园艺的发展。”再往北太黑，再往东冬天太冷，再往南夏天又热又干。荷兰的温室园艺也高度发达，园艺家可以控制温室里的各项参数。当变得太冷时，加热系统会被打开。当天气太热时，窗户就会打开。当温室内太暗时，还有额外的照明。Marcelis说，“下一步发展垂直园艺是合乎逻辑的。温室和垂直农业这两个种植系统会同时并存，并有部分重叠。已经有种植者使用垂直园艺来种植幼苗，并在植物生长的最后阶段，即对光需求最大的时候再将它们放进温室中。

蓬勃发展

垂直园艺在美洲和亚洲迅速普及。Marcelis 称，荷兰种植者的工作效率非常高，并且密切关注成本。“这就是为什么他们可以以较便宜的成本进行生产。垂直园艺将不得不与之竞争。但更多的不仅仅是成本价格。垂直园艺更有可能在园艺不发达且气候通常不太有利的国家蓬勃发展，”Marcelis认为， “具有气候控制功能的节水种植系统在炎热的沙漠国家尤其受欢迎。”但Marcelis无法明确评估垂直农业的成本。但由于涉及投资，他不认为垂直农业适用于谷物等大宗作物。“这个系统仍然很新，一切都在不断变化。这就是为什么我们还没有较好的客观数据的原因。当然，消费者会很高兴看到超市柜子里种植的薄荷和香菜，但这只是市场的一小部分。包括垂直园艺在内的整个园艺产业都在研究自主耕作系统，并且规模越来越大。

理想的植物形状

理想植物的叶子是整齐展开，没有重叠的，这样一来，所有的光线都能被捕获并均匀地分布在叶面上。但实际上仍然有很多光落在地面，未能被使用。在瓦大，研究人员将使用 3D 扫描仪来描绘植物的株型。植物可以或应该多紧凑？光线是如何被各层叶片拦截和分配的？另一个重要的问题是光合作用产生的糖是如何在叶子和果实之间分布的。研究人员还为每个设想的品种制作了光拦截、光合作用、植物形状和营养供应的模拟模型。可以通过将光照射到植物的特定部分来影响植物的形状。植物育种者还可以进一步优化叶片的位置。