论文标题：Toward Sustainable Agriculture: The Design of Environmentally Friendly, Economical, and Modular Vertical Farming Systems

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.07.043

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上海交通大学葛天舒教授团队与新加坡国立大学 Chi-Hwa Wang 教授团队联合在《Engineering》发表题为“Toward Sustainable Agriculture: The Design of Environmentally Friendly, Economical, and Modular Vertical Farming Systems” （迈向可持续农业：环境友好、经济实用与模块化垂直农业系统的设计）的研究性文章，上海交通大学吴俊晔为第一作者。文章提出了一种环境友好、经济实用且具备模块化特性的垂直农业系统设计方案。该系统集成直接空气碳捕集（DAC）、光伏光热（PVT）等核心技术，通过多参数协同调控实现高效蔬菜栽培，为应对粮食安全挑战、推动农业可持续发展提供了创新路径。

随着全球人口增长与城市化进程加速，粮食安全成为可持续发展的关键议题。预计到2050年，世界人口将增至约97亿，其中约70%居住在城市地区，粮食需求将大幅上升。与此同时，气候变化导致农作物减产、城市扩张侵蚀耕地、化学肥料过度使用引发土壤退化等问题，严重威胁粮食供应链，亟需探索低环境影响的高效农业模式。垂直农业作为传统农业的重要替代方案，通过垂直叠放种植缓解土地压力，提高单位面积产量，且能隔离外部环境影响，实现全年不间断种植，在城市地区部署还可降低食物供应难度。

该研究设计的垂直农业系统包含种植舱、照明单元、DAC单元、能量生产单元及暖通空调（HVAC）单元等核心组件，支持土壤栽培与水培两种模式。在土壤栽培中，研究团队采用生物炭作为土壤调节剂，生物炭由水葫芦与木屑按40 wt%:60 wt%比例通过共气化技术制备，可提高土壤养分密度和保水能力，减少化肥使用并增强碳封存。为探索高效栽培策略，研究搭建了实验装置，选取白菜和芥兰作为试验作物，通过调控光照类型、CO₂浓度、生物炭施用比例等参数开展栽培实验。

图1. 一种环境友好、经济实用且模块化的垂直农业系统设计。蔬菜在封闭式种植舱内采用垂直布局，可分别使用营养液或添加生物炭的土壤作为水培或土壤栽培的种植基质。土壤栽培中通过顶部灌溉单元分配水分；水培则无需额外灌溉。人工光照单元为作物生长提供照明，CO₂富集通过直接空气捕集（DAC）单元实现，室内环境由暖通空调（HVAC）单元调控，系统运行所需能量由能量生产单元供给。

实验结果显示，CO₂浓度对作物生长具有显著促进作用。与未进行CO₂富集的对照组相比，在700 ppm和1000 ppm CO₂浓度下栽培的芥兰，重量分别增加 30.9% 和 57.5%；白菜的增重幅度则分别为 25.2% 和 53.5%。LED光照与自然光照下的作物生长状态无显著差异，证实了人工光照栽培的可行性。生物炭施用方面，随着比例升高，蔬菜叶面积呈现先增后降趋势，峰值出现在6 wt%比例时，适量添加生物炭有助于叶片生长。

在CO₂富集技术上，研究采用自主开发的转轮式DAC装置，通过变温吸附方法从空气中捕集CO₂并输送至种植舱。测试表明，该装置能稳定高效实现CO₂富集，将种植舱内CO₂浓度从自然状态的300~500 ppm平均提升约300 ppm，浓度达到稳态仅需90分钟，调控响应迅速。连续运行实验中，舱内CO₂浓度虽因蔬菜光合速率变化出现波动，但整体维持在目标水平，且捕集的CO₂未发生显著气体泄漏。

为评估系统综合性能，研究团队开展了技术经济分析与生命周期评估（LCA）。对比四种系统配置发现，集成PVT单元与DAC单元的配置表现最优，其净现值（NPV）较传统电网供电且无DAC单元的设计提高157%。该配置下，单位蔬菜产量的碳足迹降至0.468 kg-CO₂当量（CO₂eq）kg^-1-蔬菜，降幅达一个数量级，远低于传统农业系统的环境影响。

系统的模块化特性使其具备广泛适应性与扩展潜力。最小化模块采用统一设计，可像搭积木一样堆叠组合，通过改变模块数量能轻松调整系统规模，降低施工复杂度与成本。敏感性分析表明，系统对蔬菜产量变化具有较强盈利韧性，销售价格处于常见波动范围内即可实现盈亏平衡；更大规模的系统能带来更显著的经济效益，单位产量碳足迹也随之降低。在作物选择上，生菜栽培的NPV最高、碳足迹最低，白菜和芥兰表现各有差异，番茄种植经济效益良好但单位碳足迹较高，需综合消费需求与栽培条件统筹选择。

水培与土壤栽培的对比分析显示，水培系统初始设备投资更高，但运营成本较低、产量更高，呈现出不同的环境影响特征，最优选择需依据当地条件决定。全球范围部署评估表明，该系统在上海、新加坡、巴塞罗那、纽约等七个气候特征各异的城市均能产生理想的经济与环境效益，其中新加坡因太阳能资源丰富、蔬菜售价较高，表现出最佳综合性能。

与现有研究相比，该系统的生产成本与传统温室相当，电力消耗虽较高但依赖可再生能源，碳足迹保持在较低水平，且单位面积产量达147 kg·m^-2·a^-1，显著高于传统温室的21.5 kg·m^-2·a^-1，凸显了紧凑高效的优势。其模块化设计、CO₂富集技术与可再生能源的集成应用，为提升粮食安全水平、推动农业可持续发展提供了切实可行的解决方案。未来，研究团队将进一步优化模块设计与堆叠构型，探索多样化能源利用，并结合信息技术实现环境精准调控，持续提升系统效率与可持续性。

论文信息：

Junye Wu, Yoke Wang Cheng, Guiying Lin, Dequan Xu, Yiying Wang, Clive Chong, Yanjun Dai, Chi-Hwa Wang, Tianshu Ge, Toward Sustainable Agriculture: The Design of Environmentally Friendly, Economical, and Modular Vertical Farming Systems, Engineering, Volume 55, 2025, Pages 229-240. DOI: 10.1016/j.eng.2025.07.043

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