受控环境农业：为全球未来提供食粮

世界人口正在迅速增长，随之而来的是对粮食需求的增加。与此同时，传统农业面临着来自气候变化、水资源短缺、土地退化和供应链中断等日益严峻的挑战。受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）为应对这些挑战提供了一个充满希望的解决方案，它提供了一种更可持续、更高效的方式，在本地实现全年无休的粮食生产，而不受外部环境条件的影响。

什么是受控环境农业（CEA）？

CEA 指在封闭结构内进行的农业实践，其中温度、湿度、光照和养分输送等环境因素都受到精确控制。这些结构可以从简单的温室到高度复杂的垂直农场。其目标是优化植物生长、最大化产量的同时，最大限度地减少资源消耗和环境影响。CEA 系统能够精确控制生长条件，从而实现可预测的收成、减少用水量，并最大限度地减少或完全不使用农药。

CEA 系统类型

CEA 包含多种技术和方法。以下是一些常见系统的概述：

温室

温室是应用最广泛的 CEA 形式。它们使用玻璃或塑料覆盖物来捕捉太阳能，为植物生长创造一个更温暖、更湿润的环境。现代温室通常集成了自动化气候控制、补充照明和水培生长系统等先进技术。

示例：荷兰是温室农业的全球领导者，即使在北方气候条件下，也利用先进技术生产西红柿、黄瓜、辣椒和花卉等多种作物。

垂直农场

垂直农场是室内种植设施，作物在堆叠的层次中种植，从而最大限度地利用空间。它们通常使用人造照明、水培、气雾栽培或鱼菜共生系统，并且通常位于城市地区，靠近消费者。

示例：美国的垂直农业公司 Plenty 使用先进的机器人技术和人工智能来优化生长条件，生产高质量的绿叶蔬菜。

水培

水培是一种无土栽培方法，植物生长在营养丰富的水溶液中。水培系统有几种类型，包括：

• 深水培养（DWC）：植物根系悬浮在营养液中，营养液经过充气以提供氧气。
• 营养液膜技术（NFT）：一层浅浅的营养液流持续流过植物根系。
• 潮汐式（淹没与排放）：植物定期被营养液淹没，然后营养液再排回蓄水池。

示例：水培农场在中东等水资源短缺是主要挑战的干旱地区越来越受欢迎。这些农场可以用比传统农业少得多的水生产新鲜农产品。

气雾栽培

气雾栽培是一种无土栽培方法，植物根系悬浮在空气中，并定期喷洒营养液。这种方法可以为根部提供极佳的氧气和高效的养分输送。

示例：另一家总部位于美国的垂直农业公司 Aerofarms 利用气雾栽培技术，以最少的水和无农药的方式种植绿叶蔬菜。

鱼菜共生

鱼菜共生是一种将水产养殖（养鱼）和水培相结合的共生系统。鱼的排泄物为植物提供养分，而植物则过滤水，形成一个闭环系统。该系统最大限度地减少了水和肥料的使用。

示例：从澳大利亚的城市学校到非洲的农村，鱼菜共生系统正在世界各地的社区中实施，以提供新鲜食物和教育机会。

受控环境农业的优势

与传统农业相比，CEA 具有广泛的优势：

提高产量

CEA 系统的单位面积产量可以远高于传统农业。这是由于优化的生长条件、全年生产以及能够更密集地种植植物。

减少用水量

水培、气雾栽培和鱼菜共生系统比传统灌溉方法使用的水要少得多。水可以在系统内循环利用，从而最大限度地减少水资源浪费。

消除或减少农药和除草剂

CEA 系统的受控环境减少了对农药和除草剂的需求。这带来了更健康、更安全的食品，并减少了环境污染。

全年生产

CEA 允许全年生产作物，不受外部天气条件的影响。这确保了新鲜农产品的持续供应。

降低运输成本和食物里程

CEA 设施可以设在城市地区，靠近消费者。这减少了从遥远农场运输食物所产生的运输成本、燃料消耗和碳排放。

改善粮食安全

CEA 可以通过提供可靠和可持续的食物来源来增强粮食安全，尤其是在气候恶劣或可耕地有限的地区。这对于依赖粮食进口的国家尤为重要。

创造就业机会

CEA 在农业、技术及相关行业创造了新的就业机会。这些工作通常需要专业技能，有助于经济增长。

营养优化

CEA 允许精确控制养分输送，确保植物获得生长和发育所需的最佳养分量。这可以产生营养更丰富、风味更佳的农产品。

受控环境农业的挑战

尽管 CEA 带来了许多好处，但它也面临一些挑战：

高昂的初始投资成本

建立一个 CEA 设施需要在基础设施、设备和技术方面进行大量的初始投资。这可能成为小规模农民进入的障碍。

能源消耗

CEA 系统，特别是垂直农场，在照明、供暖、制冷和通风方面会消耗大量能源。如果不使用可再生能源，这会增加运营成本并导致温室气体排放。

技术专业知识

运营一个 CEA 设施需要在植物科学、工程和技术方面拥有专业的知识和技能。在某些地区，获得受过培训的人员可能是一个挑战。

病虫害管理

虽然 CEA 减少了对农药的需求，但在封闭环境中仍可能发生病虫害爆发。预防措施和综合病虫害管理策略至关重要。

作物品种有限

目前，CEA 最适合种植绿叶蔬菜、香草和浆果等特定类型的作物。扩大能够在 CEA 系统中经济地种植的作物品种范围是一项持续的挑战。

市场准入

CEA 生产商在进入成熟市场和与传统农民竞争方面可能面临挑战。与零售商和消费者建立牢固的关系对成功至关重要。

推动 CEA 创新的技术

几项技术正在推动 CEA 领域的创新：

LED 照明

LED 照明在 CEA 中越来越受欢迎，因为它节能、寿命长，并允许精确控制光谱。可以使用不同的光谱来优化植物的生长和发育。

传感器和自动化

传感器用于监测温度、湿度、光照和养分水平等环境条件。然后可以使用自动化系统自动调整这些条件以优化植物生长。

人工智能（AI）和机器学习（ML）

人工智能和机器学习正被用于分析来自传感器的数据并实时优化生长条件。这些技术还可用于预测产量、检测病虫害和改善资源管理。

机器人技术

机器人技术正被用于自动化种植、收获和包装等任务。这可以降低劳动力成本并提高效率。

气候控制系统

先进的气候控制系统用于在 CEA 设施中维持最佳的温度、湿度和通风。这些系统可以与传感器和自动化系统集成，以实现精确控制。

数据分析平台

数据分析平台用于收集、分析和可视化来自 CEA 设施的数据。这些信息可用于改进决策和优化性能。

CEA 成功的全球案例

CEA 正在世界各地成功实施：

• 荷兰：温室农业的全球领导者，为国内消费和出口生产多种作物。
• 新加坡：面对有限的土地和资源，新加坡正大力投资于垂直农业和其他 CEA 技术以增强粮食安全。
• 美国：像 Plenty 和 Aerofarms 这样的垂直农业公司正在利用先进技术在城市地区生产高质量的绿叶蔬菜。
• 日本：日本拥有悠久的温室农业历史，现在正拥抱垂直农业以解决粮食安全问题。
• 阿拉伯联合酋长国：阿联酋正在投资 CEA，以克服恶劣的沙漠气候挑战，并在当地生产新鲜农产品。
• 加拿大：由于冬季漫长，加拿大正利用 CEA 技术延长生长季节并提高粮食供应。

受控环境农业的未来

在未来几年，CEA 必将在全球粮食生产中扮演越来越重要的角色。随着世界人口持续增长和气候变化加剧，CEA 提供了一种可持续和高效的方式，在本地实现全年无休的粮食生产，而不受外部环境条件的影响。

CEA 的未来趋势包括：

• 增强的自动化和机器人技术：种植、收获和包装等任务的进一步自动化将提高效率并降低劳动力成本。
• 开发新作物品种：研究人员正在努力开发专门适应 CEA 环境的新作物品种。
• 与可再生能源整合：CEA 设施将越来越依赖太阳能和风能等可再生能源来减少其碳足迹。
• 向新地区和新作物扩张：CEA 将扩展到新的地区，并用于种植更广泛的作物，包括大米和小麦等主食。
• 发展闭环系统：CEA 设施将越来越多地采用闭环系统，以最大限度地减少浪费和回收资源。
• 更加关注可持续性：CEA 将继续发展，变得更具可持续性，减少其对环境的影响并促进资源节约。

结论

受控环境农业不仅仅是一种趋势；它是可持续和安全粮食未来的一个关键组成部分。通过拥抱创新、克服挑战和促进合作，我们可以释放 CEA 的全部潜力，为世界提供食粮并保护我们的地球。CEA 技术的全球应用对于应对粮食安全挑战和为后代建立一个更具弹性和可持续性的粮食系统至关重要。从干旱的沙漠到人口稠密的城市中心，CEA 为实现一个更公平、更环保的粮食未来提供了一条道路。这是一项对技术、创新以及最终对我们星球及其人民福祉的投资。

进一步研究：

• 探索垂直农业协会（AVF）以获取全球见解：https://vertical-farming.net/
• 查阅荷兰瓦赫宁根大学与研究所关于温室技术的研究：https://www.wur.nl/en.htm
• 调查新加坡有关粮食安全和 CEA 的政府倡议：https://www.sfa.gov.sg/