【科技.未來】新技術助降低成本 垂直農場有望普及

撰文:孔祥威
出版:更新:

垂直農場(vertical farm)利用溫室技術耕作,不受外在環境影響,佔地少而產量高,過去數十年一直被視為滿足不斷膨脹的人口的解決方案之一。
即使有好些先驅破產離場,但相關概念近年在全球仍備受追捧,不但吸引了亞馬遜(Amazon)創辦人貝佐斯(Jeff Bezos)和軟銀集團(SoftBank)創辦人孫正義等知名投資者進場,阿聯酋航空(Emirates)設於杜拜的全球最大垂直農場也於本月動工。
到底垂直農場可否在未來農業中佔一席位?

Spread在京都的新農場近日開始出貨,每日可出產30,000棵生菜。(Spread提供圖片)

在有日本矽谷之稱的京阪奈科技城,日本農業公司Spread興建了全球最大自動化垂直農場Techno Farm。進入這個農場卻像進入食物工廠:要換上保護衣,穿頭套、鞋套,戴手套前徹底清潔雙手,再經過消毒池、風淋室才可進內。

這種室內農場就如亞馬遜的貨倉,廣闊而不見天日,不靠自然陽光和泥土栽種。取而代之的是一列列層層堆疊的架,每層裝上白色或紫紅色的LED燈,在嚴密控制的溫度和濕度下,自動化的機械臂懂得以水耕(hydroponics)方法,密密麻麻栽種一層又一層綠葉蔬菜。Techno Farm在本月初開始出貨,每日可出產30,000棵生菜。

垂直農場耕作空間密集,提高生產效率。圖為Spread在龜岡的農場。(視覺中國)

省水慳地且免受蟲侵

聯合國估算,全球人口到2050年將達98億,未來30年,必須大幅增加食物產量才可應付。屆時,三分之二人口將會住在城市,如何把大量糧食迅速運送到城市人的餐桌上也是另一挑戰,而垂直農場可能是答案之一。

「我們的系統可穩定生產高質蔬菜,以固定價錢全年出售,毋須使用殺蟲劑,也不受天氣影響。」 Spread社長稻田信二說,其垂直農場系統在2016年獲頒有「創新界奧斯卡獎」美譽的愛迪生獎(Edison Awards)。相比傳統室外農場每平方米年產5棵生菜,Spread位於京都龜岡的垂直農場可產出約300棵,而Techno Farm的產量更可達每平方米648棵。生產過程中蔬菜散發的水蒸氣會液化重用,種植每棵生菜只需110毫升水,是室外農場的1%,重新設計的LED燈也比現時使用的節省30%能量。Spread正與電信公司NTT西日本合作,研究以人工智能及物聯網進一步增加產量,並計劃把這套系統輸出至100個海外城市。

AeroFarms的農場採取氣耕技術,聲稱比其他垂直農場更節省資源。(AeroFarms提供圖片)

除Spread之外,另有公司自行改良出獨特的垂直農場技術,例如位於美國新澤西州的AeroFarms就以氣耕(aeroponics)取代水耕,即以水蒸氣為農作物提供水分和養分,聲稱比水耕法節省40%用水。

當大部分垂直農場都在一個個像貨櫃般的層架上種菜,美國初創公司Plenty另闢蹊徑,把一條條20呎高的長管相隔4吋矗立平排,讓蔬菜在管上橫向生長,密密麻麻形成一幅幅蔬菜牆。營養和水分會從長管的頂部灌注,靠地心吸力自然向下流,方便把多餘的水回收重用。因為沒有使用層架,LED燈多餘的熱力能自然升到天花板風口。「我們順應而非對抗物理,節省不少金錢。」 Plenty創辦人Matt Barnard說。

Plenty聲稱,與一般農場相比,他們只需要用1%的水,產量卻可達350倍。難怪孫正義認為Plenty會「重塑現行食物系統」,軟銀集團旗下的「願景基金」更領投兩億美元,其他投資者還包括貝佐斯和Alphabet董事施密特(Eric Schmidt)。

Plenty的垂直農場內,密密麻麻種植的蔬菜形成一幅幅幅牆。(Plenty Blog圖片)

稻田透露,Spread的生菜每棵售198日圓(約14港元),比一般生菜大約貴兩至三成。但相比起更昂貴、又必須在室外土壤種植的有機蔬菜,垂直農場出品在價格上有一定吸引力。日本總合研究所(JRI)農業專家三輪泰史指出,日本夏天炎熱潮濕,有機農作物容易受昆蟲和疾病侵擾,垂直農場環境密封,沒有害蟲,自然毋須使用殺蟲劑。在Plenty的垂直農場中,仔細看的話或許見到一、兩隻瓢蟲,負責吃掉任何突破重重關卡的漏網之蟲。「牠們免費幫我們工作,而我們毋須用殺蟲劑。」 Barnard說。

日本食品宅配公司「Oisix ra daichi」發言人大熊拓夢指:「種植有機蔬菜需要農夫額外勞動,這應該反映在售價上。消費者接受(垂直農場出產的)無殺蟲劑蔬菜是安全的,並視之為較昂貴的有機蔬菜的替代品。」據JRI估算,Techno Farm在五年內能達至與一般生菜競爭的價格。

Spread的生菜無需使用殺蟲劑,比日本一般生菜貴兩至三成,但比有機菜便宜,或可成消費者新選擇。(Spread提供圖片)

適合氣候環境差地區

傳統農業產量易受天氣影響,農產品價格隨之而波動。當極端天氣隨氣候變化愈趨頻密,垂直農場或更顯吸引。日本今年經歷了最熱夏天、連場暴雨、颱風、洪水氾濫,超級市場生菜售價暴升至Spread出產生菜的兩倍。自1990年代起極力推廣垂直農場的美國哥倫比亞大學公共及環境健康榮休教授Dickson Despommier直言:「氣候變化幾乎影響每處的糧食生產。若再不做點什麼減緩氣候轉變,垂直農場可能是城市人獲得食物的最後希望。」

一些耕作條件不佳的國家成為垂直農場進軍之處,中東富國阿聯酋是重要目標之一。阿聯酋缺乏水源和可耕作土地,高達85%食物依賴進口,Plenty看準需求,在當地興建首個海外農場,明年初供應蔬菜予阿布扎比和杜拜的社區。阿聯酋航空機上餐飲公司(Emirates Flight Catering)亦與美國加州垂直農場營運商Crop One集團合資4,000萬美元,本月在杜拜動工興建佔地13萬平方呎的垂直農場,預計於2019年12月供應蔬菜到其航班及機場貴賓室。法國初創公司Agricool也於本年6月在杜拜設置了首個垂直農場貨櫃。

阿聯酋航空本月在杜拜動工興建垂直農場,預計在2019年12月為旗下125條航線及25個候機室供應食物。(視覺中國)

除阿聯酋外,Plenty亦計劃在中國建造300個垂直農場,滿足那些願意為安全食品付更多錢的中產人士。「在中國,殺蟲劑用量是其他國家的兩倍。很多人都沒有機會吃新鮮農產品,他們要煮熟過才覺得安全。」Barnard說,他還透露會在北京和上海設立體驗中心,讓當地市民親嘗生吃新鮮蔬菜。

垂直農場亦適用於氣候更極端的地方。例如德國在南極設置的考察站Neumayer Station III,冬天要補給十分困難,考察站職員今年便自行垂直種植生菜、青瓜、蘿蔔等。就連國際太空站也設有名為Veggie的迷你農場。

極端氣候地區也可以垂直農場耕作,例如德國設於南極的考察站Neumayer-Station III。(Wikimedia Commons)

此外,密集的耕作方式令垂直農場不再限於郊區土地,而可設於都市周邊甚至其中。Bain&Co.去年市場調查顯示,即使是農業大國美國,亦有35%蔬果從外地輸入。此外,該國出產的菜葉植物大多種於加州、亞利桑那州等西部地區,平均需要經過3,200公里運輸才能到達東部的超市,部分農產品更需兩星期才送到,途中或流失高達45%營養價值。因此,Barnard認為垂直農場可節省金錢:「現時傳統方式耕作的農作物,最終價格有30%至45%是源於貨車和倉庫的費用。」

Barnard還聲稱,新鮮、運輸路程短代表味道更好:「現時農產品由農場到消費者手中要經歷數千公里,這是為什麼很多生菜都味如嚼蠟。我們的生菜多汁、爽脆、鮮甜,顧客驚訝居然可以不用拌沙律醬。」 Plenty的烹飪顧問Anthony Secviar是美國餐廳French Laundry前副總廚,該餐廳長年獲得米芝蓮三星。他試食過Plenty的羅勒和蝦夷葱後讚不絕口:「我從未嘗過這種達到廚師每一項要求的蔬菜:質素、賣相、質感、口味、可持續、價錢。」

農場大國如美國,農產品到達貨架前經歷長途東西岸運輸,甚至從海外運來,營養價值因而減少。(視覺中國)

都市耕作潛力巨大

垂直農場每單位產量高,雖然整體產量無法取代傳統農業,但仍有一定價值。美國亞利桑那州立大學(Arizona State University)地理科學及城市規劃教授Matel Georgescu,與北京清華大學、加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)等合作,利用Google Earth Engine程式及人口、氣象等數據分析,發現全球城市若全面實行都市耕作,每年將可生產1.8億公噸食物,相當於現時全球豆莢類、根菜類和薯芋類蔬菜的10%產量。而且,每年可節省高達150億千瓦小時能量,相當於全美國太陽能板所產生的一半能量。研究還認為都市耕作可固氮、減少熱島效應、防止雨水溢流、控制害蟲等,全球都市耕作價值每年可達1,600億美元。

有學者認為,垂直農場耕作密集,生產高效,雖不至於取代傳統農業,仍有一定經濟和環保發展潛力。圖為AeroFarms的大型垂直農場。(AeroFarms提供圖片)

Georgescu認為,研究可以量化把土地用作都市耕作的好處,有助城市規劃。芝加哥大學全球環境計劃總監Sabina Shaikh補充:「生態系統因地而異,研究可助官員更好地進行比較,尤其是思考一個公園相比生產食物有何效益。這不是說農場可生產食物,就必然比公園更有價值,只是提供了另一種思考工具。」

目前,垂直農場成了城市廢置地方的新用途。例如在日本,隨着勞動人口老化和企業轉往海外設廠,當地留下了大量廢置工廠,能源公司JXTG旗下加工所JX ANCI,正計劃利用Spread的系統,在2020年前於其位於東京成田的工廠興建室內農場。三菱瓦斯化學也將與Spread前員工創立的農業初創公司Farmship合作,在福島縣興建農場。英國倫敦市地下33米的二戰防空洞亦化身成當地首個地下農場Growing Underground,出產蔬菜到馬莎百貨(Marks & Spencer)的貨架。

垂直農場是都市棄置地方的新用途,英國公司Growing Underground的垂直農場建於二戰時的防空洞。(Growing Underground Flickr圖片)

然而,並不是所有地方的人都歡迎都市耕作。美國加州在2014年就通過了《Urban Agriculture Incentive Zones》法案,地主以都市土地耕作可獲稅項優惠,但三藩市住屋緊張,法案被批評除了會令租金上漲之外,更被指或會妨礙房屋規劃,降低住屋密度,迫使市民更頻密駕駛汽車,從而增加碳足跡。

電力問題礙持續發展

是否有效運用能源,是垂直農場揮之不去的老問題。美國密歇根州立大學(MSU)可持續農業教授Michael Hamm質疑,節省的運輸成本或不足以彌補消耗的電力:「你在用電力來取代太陽。

這並非空穴來風。根據日本設施園藝協會(JGHA)的資料,小型垂直農場自1970年代已在日本營運,但直至2010年,垂直農場行業因為採用了省電的LED燈,加上政府支持和補助才快速發展。協會統計,現時日本有六成垂直農場業者都因為電力成本問題而無法盈利,能盈利的大部分都是依靠政府補助,或以不使用化學劑作招徠,把成本轉嫁到消費者。

電力成本是垂直農場揮之不去的難題。(視覺中國)

不少早期投身垂直農場的業者,如美國的PodPonics和FarmedHere、加拿大的Local Garden、日本的Mirai等,近年也因控制成本不當相繼結業。面對此一困境,部分業者選擇使用可再生能源作回應。例如Crop One和瑞典的Plantagon將使用太陽能為垂直農場供電,同時改良LED燈效能,以減少碳足迹。

另一個老問題是:除了生菜,垂直農場還可以種什麼?其實不多。根據農場數據公司Agrilyst去年報告,垂直農場最常種稙的五種蔬菜為葉菜類植物、番茄、花、菜苗和香草,小麥、稻米、粟米、大豆等主食都無法在垂直農場內種植。美國康奈爾大學(Cornell University)植物科學助理教授Neil Mattson是一項國家科學基金會資助研究的首席調查員,負責多方面分析垂直農場的可行性,他稱其同事Lou Albright曾計算,若要在室內種小麥並製成麵包,光是電力成本,每塊就要11美元。「Albright說這種室內種植完全不合理,除非完全使用再生能源。」 Mattson說。

受限於成本,現時垂直農場可種植的農產品種類有限。圖為AeroFarm出產的羽衣甘藍。(視覺中國)

Plenty現時主要種植生菜、羽衣甘藍、芥菜、羅勒等。Barnard透露,他們已嘗試過栽種400種農作物,如士多啤梨、紅蘿蔔、番茄、西瓜等,根莖類蔬菜和樹上水果無法大規模種植:「我們基本上可以種任何植物,問題在於成本。人人都可以買層架、光管、灌溉裝置,只是看你有沒有辦法令農作物成本由每磅40美元降至1美元。」

Hamm認為這是垂直農場的局限,「不能只靠綠葉來餵飽整個城市」。Despommier亦認為,一些新農場可能大而無當:「老實說,誰管你廠房是不是最大?我只想知道誰最有效率,誰可種最多大家會吃的植物種類,而不只是菜葉。這是現時你能否由不盈利轉為盈利的黃金準則。」

這些垂直場還可以如何再進一步?一些業者正以人工智能和機械化嘗試,請詳見另文《【科技.未來】人工智能促進生產 垂直農場的新型農夫》。

上文節錄自第137期《香港01》周報(2018年11月12日)《新技術助降低成本 垂直農場有望普及化》。

【科技.未來】專題相關農業科技文章:
多國乾旱鬧水源荒 空氣取水研發競賽展開
用水陋習與利益衝突 解決水荒如何困難?
類尼古丁成蜜蜂殺手 如何拯救蜜蜂?
拯救蜜蜂 也應拯救其他授粉者
美國不規管 歐洲不放行 基因編輯重燃基改爭議
食肉不環保 未來要食科學怪肉?
人造肉有得食未?先要克服三大難關
農場停用抗生素 超級惡菌就能防?

更多周報文章︰【01周報專頁】
《香港01》周報,各大書報攤及便利店有售。你亦可按此訂閱周報,閱讀更多深度報道。