基于文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的垂直農(nóng)場(chǎng)研究現(xiàn)狀分析

邵一鳴，周志偉，胡振宇，LU Chungui，李加強(qiáng)

1.南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，南京 210003； 2.英國(guó)諾丁漢特倫特大學(xué)動(dòng)物、鄉(xiāng)村與環(huán)境科學(xué)院，NG25 0QF

當(dāng)前世界范圍內(nèi)，人口膨脹以及城鎮(zhèn)建設(shè)占用了大量的土地，導(dǎo)致了農(nóng)業(yè)耕地和建設(shè)用地矛盾的加劇[1]。而全球氣候變化導(dǎo)致的不確定性的極端氣候?qū)鹘y(tǒng)模式的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響巨大，引發(fā)了人們對(duì)食品保障的擔(dān)憂[2]。1999年，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Despommier教授提出了城市“垂直農(nóng)場(chǎng)”的概念[3]，并致力于倡導(dǎo)以這種全新的生產(chǎn)模式來(lái)應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)所面臨的一系列挑戰(zhàn)。

垂直農(nóng)場(chǎng)基本思路是把原本單層平鋪的農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)化為垂直方向多層疊放的模式，集成現(xiàn)代高科技農(nóng)業(yè)的無(wú)土栽培、人工LED光源、環(huán)境控制、可再生能源等技術(shù)，在城市建筑物內(nèi)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4]。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，垂直農(nóng)場(chǎng)的主要優(yōu)勢(shì)有：(1)高效利用土地資源，緩和人地矛盾。(2)室內(nèi)環(huán)境可控的模式在極大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的同時(shí)，避免使用農(nóng)藥，保證了食品安全。(3)利用可再生能源和資源循環(huán)利用技術(shù)，節(jié)水節(jié)能，極大降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染。(4)建立城市“地產(chǎn)食品供應(yīng)鏈”，作為對(duì)長(zhǎng)距離食品供應(yīng)鏈的補(bǔ)充和緩沖。(5)提供全新的就業(yè)模式和工作崗位[5]。目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有上百個(gè)技術(shù)方案不盡相同的垂直農(nóng)場(chǎng)建成運(yùn)行，其數(shù)量每年還在穩(wěn)步增加[6]。然而，對(duì)于垂直農(nóng)場(chǎng)的研究仍處于初級(jí)階段。

近年來(lái)，文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)發(fā)展迅速，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)學(xué)的方法，研究某一學(xué)科在一段時(shí)間內(nèi)的發(fā)展脈絡(luò)和狀況已經(jīng)成為各學(xué)術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要手段。一個(gè)學(xué)科文獻(xiàn)數(shù)量的多少及其變化一定程度上反映了這個(gè)學(xué)科的發(fā)展?fàn)顩r、進(jìn)展和趨勢(shì)[7]。筆者借助CNKI、Scopus以及Web of Science(WoS)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)方法對(duì)世界范圍內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了檢索和定量分析，對(duì)國(guó)內(nèi)外垂直農(nóng)場(chǎng)研究進(jìn)行分析，探究目前關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)研究的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)、面臨的挑戰(zhàn)和研究熱點(diǎn)，以期為國(guó)內(nèi)的垂直農(nóng)場(chǎng)研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和研究方法

數(shù)據(jù)主要來(lái)源為三大數(shù)據(jù)庫(kù)：CNKI庫(kù)是國(guó)內(nèi)權(quán)威的中文文獻(xiàn)收錄全面的數(shù)據(jù)庫(kù)；Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)廣泛收錄了世界范圍內(nèi)的英文文獻(xiàn)；而美國(guó)的Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)收錄了世界自然科學(xué)、社會(huì)科學(xué)、人文科學(xué)等領(lǐng)域的一流文獻(xiàn)，代表了世界最先進(jìn)的研究水準(zhǔn)。所有文獻(xiàn)的檢索過(guò)程分為3個(gè)步驟。

第1步：對(duì)CNKI全文數(shù)據(jù)庫(kù)中所有中文文獻(xiàn)進(jìn)行篇名搜索。檢索詞為“垂直農(nóng)場(chǎng)”或“垂直農(nóng)業(yè)”;第2步:對(duì)Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)和WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中所有文獻(xiàn)進(jìn)行篇名搜索。使用的主要檢索詞為“vertical farm”“vertical farming”以及“vertical agriculture”;第3步:將第2步檢索得到的外文文獻(xiàn)增加精簡(jiǎn)范圍為WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中的核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，得到核心文獻(xiàn)。

檢索完畢后，借助Excel工具將文獻(xiàn)的載文量、國(guó)家、作者、研究學(xué)科以及引文等基本情況進(jìn)行可視化分析。然后，運(yùn)用傳統(tǒng)文獻(xiàn)分析方法，進(jìn)行描述性分析，發(fā)掘關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)研究發(fā)展的趨勢(shì)、活躍作者、各國(guó)研究的熱度以及世界垂直農(nóng)場(chǎng)的研究熱點(diǎn)等信息。最后，根據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，總結(jié)世界垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀并探究研究發(fā)展的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。另外，將中外垂直農(nóng)場(chǎng)的研究狀況進(jìn)行對(duì)比，為未來(lái)的研究者提供借鑒。

2 檢索結(jié)果

2.1 中文文獻(xiàn)檢索

第1步在CNKI數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索后，共計(jì)獲得99條記錄。剔除外文文獻(xiàn)和不相關(guān)文獻(xiàn)，得到66條符合要求的記錄。從文獻(xiàn)的發(fā)表時(shí)間上看(圖1)，國(guó)內(nèi)介紹垂直農(nóng)場(chǎng)最早的一篇文獻(xiàn)是2004年在《國(guó)際生態(tài)城市建設(shè)論壇文集》上發(fā)表的會(huì)議論文，篇名為“城市垂直農(nóng)場(chǎng)——及其在城市持續(xù)發(fā)展中的意義”。但2004-2006年間沒(méi)有論文發(fā)表。2007年才有第1篇關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)研究的期刊文獻(xiàn)發(fā)表。其后每年都有文獻(xiàn)發(fā)表，最多的是在2015年，達(dá)到13篇。往后每年的研究熱度有所降低，發(fā)表數(shù)量保持在6篇左右。從作者發(fā)文數(shù)量上看，作者分布比較分散，沒(méi)有發(fā)文5篇以上的作者。發(fā)文數(shù)量最多的是陳旭銘，共發(fā)表了3篇相關(guān)文獻(xiàn)。劉燁、黃曼、王敬華都是各發(fā)表2篇文獻(xiàn)，其余的54名作者都僅發(fā)表了1篇文獻(xiàn)。從學(xué)科分布上看，國(guó)內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)相關(guān)研究的學(xué)科分布主要集中在農(nóng)業(yè)科技、經(jīng)濟(jì)與管理科學(xué)以及工程科技，合計(jì)占比高達(dá)88.8%。從發(fā)表類型上看，絕大多數(shù)文獻(xiàn)都來(lái)自期刊，共55篇，占比83.3%；刊載在報(bào)紙上的文獻(xiàn)和會(huì)議文獻(xiàn)均為4篇，各占6.1%；剩下的3篇是學(xué)術(shù)論文，占4.5%。從發(fā)表文獻(xiàn)的水平等級(jí)上來(lái)看，核心及以上期刊為7篇，僅占總數(shù)的10.6%。對(duì)所有文獻(xiàn)進(jìn)行引文分析，數(shù)據(jù)可視化后得到引文關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜(圖2)?？梢钥闯?，在所有被引用文獻(xiàn)中出現(xiàn)最多的關(guān)鍵詞是垂直農(nóng)業(yè)。其他出現(xiàn)頻次較多的關(guān)鍵詞還有垂直農(nóng)場(chǎng)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)發(fā)展模式、生態(tài)環(huán)境等。

圖1 國(guó)內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)文獻(xiàn)數(shù)量按年度分布

圖2 國(guó)內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)文獻(xiàn)引文關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜

2.2 外文文獻(xiàn)檢索

第2步在Scopus數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，共計(jì)獲得117篇文獻(xiàn)。剔除重復(fù)和不相關(guān)的文獻(xiàn)，得到84條符合要求的記錄。為了與國(guó)內(nèi)的研究進(jìn)行更好地對(duì)比，將得到的這84篇文獻(xiàn)同樣按發(fā)表年代、作者、國(guó)家和地區(qū)、載文量和載文類型以及學(xué)科類別等數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析。從文獻(xiàn)的發(fā)表時(shí)間(圖3)上看，被收錄的英文文獻(xiàn)數(shù)量大體呈持續(xù)上升趨勢(shì)。從2008年的5篇，到2019年的24篇，增長(zhǎng)幅度明顯。從作者發(fā)文數(shù)量上看，活躍度較高的作者是Despommier(7篇)、Sivamani(4篇)、Cho(3篇)。另外，發(fā)表文獻(xiàn)2篇及以上的作者多達(dá)22位。文章來(lái)源國(guó)家或地區(qū)的地理空間分布的數(shù)量在一定程度上反映了世界范圍內(nèi)各個(gè)國(guó)家或地區(qū)的研究熱度分布情況。從國(guó)家和地區(qū)發(fā)文來(lái)看，發(fā)文量美國(guó)最多，共20篇，占總發(fā)文量的23.5%；韓國(guó)和英國(guó)各發(fā)表9篇，占10.7%；其后依次是馬來(lái)西亞(6篇，7.1%)、加拿大(5篇，5.9%)、德國(guó)和新加坡(各4篇，各4.8%)，中國(guó)、荷蘭和波蘭(各3篇，各3.6%)，其余17個(gè)國(guó)家和地區(qū)都是2篇及以下。從發(fā)表類型上看，50%的文獻(xiàn)是期刊論文，32.1%是國(guó)際會(huì)議報(bào)告，還包括評(píng)述(4.8%)、便簽及短評(píng)(2.4%)、書籍(1.2%)和信件(1.2%)等，類型較為豐富。從學(xué)科分布上看(圖4)，涉及的學(xué)科領(lǐng)域十分廣泛，其中占比10%以上的學(xué)科門類為工程技術(shù)(占比22%)、環(huán)境科學(xué)(占比13%)、社會(huì)科學(xué)(13%)、信息技術(shù)(12%)和農(nóng)業(yè)科學(xué)(11%)。其他涉及到的學(xué)科領(lǐng)域包括能量學(xué)、藝術(shù)人文學(xué)、物理學(xué)和材料學(xué)等。

圖3 垂直農(nóng)場(chǎng)外文文獻(xiàn)數(shù)量按年度分布

圖4 垂直農(nóng)場(chǎng)外文文獻(xiàn)數(shù)量按學(xué)科類別劃分

2.3 WoS核心合集數(shù)據(jù)文獻(xiàn)檢索

將第2步搜集到的英文文獻(xiàn)精簡(jiǎn)檢索范圍至WoS核心合集期刊后，得到核心文獻(xiàn)25篇。從國(guó)家地區(qū)發(fā)文數(shù)量來(lái)看(圖5)，歐美國(guó)家(美國(guó)、英國(guó)、德國(guó))領(lǐng)先。亞洲國(guó)家中，韓國(guó)和新加坡居于前列，我國(guó)僅1篇，居于較后位置。從學(xué)科分布來(lái)看(圖6)，集中分布的學(xué)科方向主要有：農(nóng)業(yè)(12篇，57.1%)、植物科學(xué)(10篇，47.6%)、環(huán)境科學(xué)(9篇，42.9%)、工程學(xué)(7篇，33.3%)、食品技術(shù)科學(xué)(6篇，28.6%)、地理學(xué)(5篇，23.8%)和商業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)(4篇，19%)等。

A.美國(guó) America； B.英格蘭 England； C.德國(guó) Germany； D.韓國(guó) Korea； E.加拿大 Canada； F.新加坡 Singapore； G.土耳其 Turkey； H.中國(guó)香港 Hong Kong； I.意大利 Italy； J.中國(guó)(大陸) China mainland.

A.農(nóng)業(yè) Agriculture；B.植物科學(xué) Plant science； C.環(huán)境科學(xué) Environmental science； D.科學(xué)技術(shù) Science and technology； E.工程學(xué) Engineering； F.食品科學(xué)技術(shù) Food science and technology； G.地理學(xué) Geography； H.商業(yè)經(jīng)濟(jì) Business economy； I.建筑結(jié)構(gòu) Building structure； G.能源燃料 Energy fuel； K.儀器設(shè)備 Equipment； L.計(jì)算機(jī)科學(xué) Computer science； M.漁業(yè) Fishery； N.林學(xué) Forestry； O.政府法規(guī) Government regulations； P.化學(xué) Chemistry； Q.物理學(xué) Physics； R.通信科學(xué) Communication science； S.生物多樣性保護(hù) Biodiversity conservation； T.交流學(xué) Communication.

3 分析與討論

3.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

從發(fā)文時(shí)間來(lái)看，國(guó)內(nèi)關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)的研究萌芽于2004年，國(guó)外有關(guān)垂直農(nóng)場(chǎng)的概念開始引入國(guó)內(nèi)學(xué)界。2008年之后每年都有一定數(shù)量的文獻(xiàn)發(fā)表，到2015年文獻(xiàn)發(fā)表數(shù)量達(dá)到了歷年來(lái)的最高。說(shuō)明垂直農(nóng)場(chǎng)已經(jīng)愈發(fā)地得到國(guó)內(nèi)學(xué)界的關(guān)注。國(guó)際上對(duì)于垂直農(nóng)場(chǎng)的相關(guān)研究其實(shí)開始的也并不比國(guó)內(nèi)早，2008年后才有持續(xù)性上升趨勢(shì)，但不斷加速，近幾年屢創(chuàng)新高。可惜的是，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究熱度在2015年達(dá)到峰值后反而有較大幅度的回落。

從作者分布和發(fā)表文章的等級(jí)來(lái)看，國(guó)內(nèi)的66篇文獻(xiàn)共由58名作者完成，最活躍作者發(fā)文3篇，有54人僅發(fā)表1篇。這折射出國(guó)內(nèi)研究比較分散，缺少學(xué)科的領(lǐng)頭人和團(tuán)隊(duì)。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)進(jìn)入中國(guó)核心期刊的文獻(xiàn)數(shù)量?jī)H7篇(僅占10.6%)，其余相當(dāng)比例的文章為科普性質(zhì)，未取得一手?jǐn)?shù)據(jù)或取得的一手?jǐn)?shù)據(jù)較少，缺少原創(chuàng)的、較深入的量化分析。國(guó)外的研究團(tuán)隊(duì)則相對(duì)集中，除了垂直農(nóng)場(chǎng)概念創(chuàng)始人Despommier教授為未來(lái)垂直農(nóng)場(chǎng)的發(fā)展做出了方向性的指引外，同時(shí)有不少團(tuán)隊(duì)基于項(xiàng)目實(shí)踐，取得了很多第一手?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行了深入的研究，提供了更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。Scopus收錄的外文文獻(xiàn)中有近1/4都來(lái)源于WoS核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，證明了其研究質(zhì)量。

由Wnt/β-catenin信號(hào)通路對(duì)成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞的調(diào)節(jié)可以看出，Wnt/β-catenin信號(hào)通路激活時(shí)可以促進(jìn)成骨并抑制破骨，并積累破骨前體細(xì)胞，當(dāng)通路關(guān)閉時(shí)破骨細(xì)胞成熟開始骨的改建。OA患者該通路長(zhǎng)期的激活態(tài)可能是骨贅形成的機(jī)制。

從涉及的學(xué)科領(lǐng)域來(lái)看，國(guó)內(nèi)外存在一定的差異性。國(guó)內(nèi)由農(nóng)業(yè)科學(xué)主導(dǎo)，經(jīng)管類學(xué)科的發(fā)文量排名第2，超過(guò)了工程類，其他各類總和只有不到12%；國(guó)外工程類排名第1，涉及到的學(xué)科領(lǐng)域更廣，也更加均衡。

3.2 研究熱點(diǎn)和潛在的研究機(jī)會(huì)

高頻關(guān)鍵詞能夠反映出一個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過(guò)對(duì)引文關(guān)鍵詞分析可以發(fā)現(xiàn)，除了“垂直農(nóng)場(chǎng)”和“垂直農(nóng)業(yè)”兩個(gè)關(guān)鍵詞，其余出現(xiàn)頻次最高的關(guān)鍵詞為無(wú)土栽培、植物工廠、未來(lái)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等，這些關(guān)鍵詞一定程度上也揭示了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)。在對(duì)檢索得到的所有文章進(jìn)行梳理之后發(fā)現(xiàn)，大部分文獻(xiàn)僅僅是科普性的概述類文章，關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)的開發(fā)運(yùn)營(yíng)、技術(shù)細(xì)節(jié)、環(huán)境影響、資源利用等方面的第一手資料并不多。于是，我們對(duì)所有文獻(xiàn)進(jìn)行篩選，檢索出中文核心期刊和WoS數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)這些文獻(xiàn)進(jìn)行精讀和分類，結(jié)果如表1所示。

其中，在對(duì)表1中相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行研讀后發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外關(guān)于垂直農(nóng)場(chǎng)的研究熱點(diǎn)主要集中在以下幾方面：

1)技術(shù)集成。在垂直農(nóng)場(chǎng)形式結(jié)構(gòu)方面，劉燁等[43]結(jié)合農(nóng)業(yè)綜合大樓和綠色社區(qū)2個(gè)設(shè)計(jì)案例，以圖解形式描述了垂直農(nóng)場(chǎng)的一般建筑結(jié)構(gòu)。在種植光源選擇方面，張莉等[44]研究了環(huán)境光對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響以及光照質(zhì)量對(duì)植物生理和形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)LED人工光源中波長(zhǎng)配比對(duì)植物生長(zhǎng)有重要意義。龍家煥等[45]研究表明不同單色光譜對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響不同，組合光譜將是今后植物補(bǔ)光中所應(yīng)用的主流光譜。在資源循環(huán)利用方面，Vaughan等[22]列舉了垂直農(nóng)場(chǎng)在污水處理方面的作用。垂直農(nóng)場(chǎng)可以充分利用經(jīng)過(guò)回收處理后的城市污水。一般處理的污水可用于農(nóng)作物的灌溉，二級(jí)處理的污水稀釋后添加適量的營(yíng)養(yǎng)液可以達(dá)到垂直農(nóng)場(chǎng)水培、氣培的水質(zhì)要求[31]。在可再生能源利用方面，垂直農(nóng)場(chǎng)中利用最多的可再生能源是太陽(yáng)能，使用太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能熱是2種最常見的方法[24]。Safikhani等[42]研究發(fā)現(xiàn)，將一座長(zhǎng)度為44 m、寬度為11.5 m的垂直農(nóng)場(chǎng)建筑的屋面裝配太陽(yáng)能電池板，則可以節(jié)約12%～22%的電能。在Despommier設(shè)計(jì)的“Skyfarm”中[46]，為建筑物和植物生長(zhǎng)每年提供照明需要消耗8 200萬(wàn)kW·h的電能，相當(dāng)于燃燒45 000 t濕肥料所產(chǎn)生的能量。如果將農(nóng)場(chǎng)廢物中的甲烷產(chǎn)品燃燒，則可以節(jié)約一半的能量。在農(nóng)作物選擇方面，Khalil等[47]研究表明只要滿足一定的溫濕度條件，垂直農(nóng)場(chǎng)幾乎可以種植所有的農(nóng)作物。但是由于建筑樓層的高度、植物生長(zhǎng)需要的空間和儀器設(shè)備的高度等條件的限制，目前垂直農(nóng)場(chǎng)生產(chǎn)最常見的產(chǎn)品是生菜、綠葉蔬菜、草藥、番茄和草莓等[27]。在耕作策略方面，垂直農(nóng)場(chǎng)的耕作策略不同于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)，通常采用水培技術(shù)。水培法是一種將植物根部直接浸入營(yíng)養(yǎng)液中的無(wú)土栽培法。相關(guān)研究表明，水培法可以充分利用城市污水，所以其節(jié)水率可達(dá)95%。相比于土壤種植，其產(chǎn)量提高近10倍。此外，水培法營(yíng)養(yǎng)液中所含的養(yǎng)分比土壤中更多且更好調(diào)配[13,48]。魚菜共生系統(tǒng)也是垂直農(nóng)場(chǎng)研究的關(guān)注點(diǎn)之一。徐偉忠等[49]從螺旋梯田和無(wú)土栽培設(shè)施的構(gòu)建以及耕養(yǎng)技術(shù)的管理等方面分析了魚菜共生技術(shù)的構(gòu)建和應(yīng)用前景。螺旋梯田式垂直農(nóng)場(chǎng)模式提高了單位面積的空間利用率，且更符合節(jié)省材料和節(jié)能的要求。魚菜共生模式，采用生態(tài)平衡原理，是生產(chǎn)安全綠色農(nóng)產(chǎn)品的有效方法。耕養(yǎng)結(jié)合的魚菜共生技術(shù)，結(jié)合螺旋式垂直農(nóng)場(chǎng)模式擁有很好的推廣前景。

表1 中文核心期刊和WoS期刊文獻(xiàn)內(nèi)容分類 Table 1 Content classification of Chinese core journals and WoS journals

2)經(jīng)濟(jì)性或可行性分析。Touliatos等[29]通過(guò)將生菜在直立圓柱中生長(zhǎng)與在水平水培系統(tǒng)中生長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比，分別測(cè)算了兩者單位建筑面積的產(chǎn)菜量和種植量之比。結(jié)果表明，在不考慮柱間距對(duì)單位面積產(chǎn)量的影響時(shí)，由于垂直種植法將植物的種植空間擴(kuò)大到了垂直維度，其單位建筑面積上植物的種植量是水平種植法的20倍，所以使用垂直種植法時(shí)單位面積的產(chǎn)菜量提高了13.8倍。這表明了垂直農(nóng)業(yè)相對(duì)于傳統(tǒng)的水平生長(zhǎng)系統(tǒng)提高了空間利用效率，從而增加了單位面積的產(chǎn)量。Shao等[50]開發(fā)了世界上第一個(gè)專門用于垂直農(nóng)場(chǎng)效益評(píng)估的軟件，用來(lái)模擬評(píng)估不同地區(qū)、不同類型、不同技術(shù)水平等多因素影響下，垂直農(nóng)場(chǎng)的投資額、投資回報(bào)率、蔬菜產(chǎn)量、水電氣消耗量等。在對(duì)上海、倫敦、紐約等國(guó)際大城市進(jìn)行模擬評(píng)估分析，結(jié)果表明，垂直農(nóng)場(chǎng)應(yīng)對(duì)蔬菜價(jià)格高、能源成本低、人力成本高的地區(qū)有較強(qiáng)的推廣價(jià)值，反之則投資回報(bào)率沒(méi)有吸引力。

3)生態(tài)環(huán)境效益。Yuan等[41]將蔬菜建模為多孔介質(zhì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)流體力學(xué)(CFD)軟件模擬，研究了垂直農(nóng)場(chǎng)對(duì)住宅建筑自然通風(fēng)的影響。研究表明，蔬菜的阻隔率顯著地影響了建筑外墻的自然通風(fēng)性能，調(diào)整蔬菜的阻隔率可以改變建筑外墻的通風(fēng)性能。當(dāng)3/4的建筑外墻被植物覆蓋，即阻隔率為0.75時(shí)，最小下風(fēng)風(fēng)速為0.2 m/s，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為2.0 m/s，此時(shí)外墻的自然通風(fēng)效果非常有限；當(dāng)阻隔率為0.5時(shí)，一半的進(jìn)風(fēng)氣流流失，即進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為1.0 m/s，此時(shí)外墻通風(fēng)效果良好。此外，適當(dāng)改變蔬菜的排列方式和種類，也可以改善具有相同阻隔率的外墻的自然通風(fēng)性能。施偉[51]以江蘇省農(nóng)科院農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心改造為例，針對(duì)垂直農(nóng)業(yè)表皮建筑本身特征及南京市氣候特征進(jìn)行了模擬分析，研究了垂直農(nóng)業(yè)表皮對(duì)室內(nèi)物理環(huán)境的影響。研究結(jié)果表明，以垂直農(nóng)業(yè)表皮進(jìn)行改造后建筑內(nèi)部第5層的采光系數(shù)從96.48%下降到88.48%，自然采光照度由52.89%提高到97.22%，解決了窗口眩光和室內(nèi)光線分布不均勻的問(wèn)題。夏季5層建筑室內(nèi)風(fēng)速在1.5 m/s左右，且分布均勻；冬季在窗戶全打開的情況下，走道風(fēng)速較大，但分布比較均勻。

總的來(lái)看，在垂直農(nóng)場(chǎng)的研究熱點(diǎn)中，技術(shù)集成方向發(fā)展最快，涵蓋的子方向也最多，相對(duì)全面，采用的研究方法主要為實(shí)驗(yàn)測(cè)試法和案例分析法。對(duì)于單項(xiàng)的關(guān)鍵技術(shù)，如LED種植燈、水培和氣培技術(shù)、智能監(jiān)控技術(shù)等，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試法進(jìn)行量化測(cè)試。對(duì)于系統(tǒng)集成則多選擇技術(shù)綜合性集成的案例進(jìn)行研究分析。經(jīng)濟(jì)性和可行性分析方面，目前實(shí)際案例中鮮有具體運(yùn)營(yíng)成本、能耗和利潤(rùn)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)和較完整的信息披露。全球范圍內(nèi)垂直農(nóng)場(chǎng)這種新型開發(fā)項(xiàng)目還屈指可數(shù)，因此相關(guān)信息很大程度上涉及了商業(yè)秘密。一些研究人員或利用小規(guī)模的實(shí)驗(yàn)性種植取得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，或利用構(gòu)建分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬分析，對(duì)不同類型的垂直農(nóng)業(yè)進(jìn)行效益評(píng)估分析，并以陸續(xù)獲取的最新數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，從而預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)。而對(duì)生態(tài)環(huán)境效益的研究方法主要是通過(guò)實(shí)驗(yàn)配合計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)作為計(jì)算機(jī)模擬準(zhǔn)確度的驗(yàn)證，而多次重復(fù)性的參數(shù)化研究則由計(jì)算機(jī)模擬完成。

伴隨著世界上不同地區(qū)植物工廠的建成，垂直農(nóng)場(chǎng)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性已經(jīng)部分得到了驗(yàn)證[52]。而生態(tài)效益也是其相比于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一大優(yōu)勢(shì)，其研究的重點(diǎn)側(cè)重于生態(tài)和環(huán)境方面。但是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于其生態(tài)環(huán)境效益方面的研究還非常缺乏。由于垂直農(nóng)場(chǎng)主要是以城市建筑為載體，利用豎向空間發(fā)展立體種植，所以，從建筑環(huán)境的視角去研究垂直農(nóng)業(yè)對(duì)于微氣候調(diào)節(jié)、微環(huán)境的改善、室內(nèi)景觀品質(zhì)的提升也是十分必要的[53]。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有學(xué)者正在進(jìn)行垂直農(nóng)場(chǎng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量影響的研究，相信很快會(huì)有相關(guān)的研究成果出現(xiàn)。

3.3 存在問(wèn)題與挑戰(zhàn)和解決的途徑或預(yù)期

垂直農(nóng)場(chǎng)的概念自誕生起，同樣伴隨著質(zhì)疑、甚至是批評(píng)的聲音。目前，垂直農(nóng)場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)主要來(lái)自3個(gè)方面，即：技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和可行性以及對(duì)室內(nèi)環(huán)境和城市環(huán)境的影響。挑戰(zhàn)和解決的途徑或預(yù)期分析如表2所示。

技術(shù)性方面，垂直農(nóng)場(chǎng)所包含的多種技術(shù)，如光源系統(tǒng)、可再生能源、水資源循環(huán)利用、種植系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的發(fā)展已經(jīng)成熟，完全可以整合入垂直農(nóng)場(chǎng)中。所以，技術(shù)手段已經(jīng)不再是垂直農(nóng)場(chǎng)發(fā)展的主要障礙。

經(jīng)濟(jì)性和可行性方面，雖然垂直農(nóng)場(chǎng)理論上可以種植各種農(nóng)作物，但是出于成本考慮，垂直農(nóng)場(chǎng)大多選擇生長(zhǎng)速度快且含水率大的葉菜類經(jīng)濟(jì)作物。而馬鈴薯和小麥等糧食作物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)且經(jīng)濟(jì)性低，不適合在垂直農(nóng)場(chǎng)中種植。因此，作物的選擇對(duì)垂直農(nóng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)性方面具有明顯的影響。目前垂直農(nóng)場(chǎng)能耗大、運(yùn)營(yíng)成本高的問(wèn)題將會(huì)隨著技術(shù)的進(jìn)步而逐步得到緩解或徹底解決，如人工光源能效提升、價(jià)格降低[54-59]，甚至是當(dāng)人類核聚變發(fā)電取得突破后徹底得到解決。屆時(shí)，垂直農(nóng)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)——節(jié)地、高產(chǎn)將得到極大的彰顯，在性價(jià)比方面將一舉擊敗傳統(tǒng)耕作方式。

對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響方面，有正面影響也有負(fù)面影響。正面影響有對(duì)室內(nèi)二氧化碳、顆粒物和部分可揮發(fā)性有機(jī)物的吸收和吸附作用，提高了室內(nèi)空氣質(zhì)量；綠色生態(tài)設(shè)計(jì)對(duì)人視覺的放松作用；窗口的遮陽(yáng)和光線調(diào)節(jié)作用等。不利的影響包括：室內(nèi)濕度有一定幅度的升高，尤其是夏季環(huán)境濕度已經(jīng)較高的情況下，進(jìn)一步的升高對(duì)人的舒適度有一定影響，吸水性強(qiáng)的物品容易發(fā)霉損壞[56，59]；水循環(huán)系統(tǒng)有一定噪音，對(duì)靜謐性要求高的空間不宜使用[42，60]；可能會(huì)引起少量過(guò)敏體質(zhì)的人群的不適[47，60]；人工光源的散熱會(huì)提高室內(nèi)溫度，于夏季炎熱地區(qū)來(lái)說(shuō)是不利因素[56，61-62]。不利因素的解決途徑主要是利用多系統(tǒng)協(xié)同工作，抵消負(fù)面影響[42，46-47，58-62]。

對(duì)城市環(huán)境的影響方面，可能產(chǎn)生的負(fù)面影響主要是垂直農(nóng)場(chǎng)所排出的廢氣、廢水、廢物、廢熱等對(duì)城市環(huán)境的影響。解決的途徑主要有三個(gè)：(1)通過(guò)合理調(diào)配、多次利用等方式，減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生[22，30-31]；(2)通過(guò)技術(shù)手段，使廢棄物循環(huán)再利用[48，60，63-65]；(3)利用城市的廢棄物處理基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)剩余的廢棄物進(jìn)行處理[47，56]。

表2 垂直農(nóng)場(chǎng)目前面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)以及可能的解決途徑 Table 2 Current problems and challenges facing vertical farming and possible solutions

續(xù)表2 Continued Table 2

綜上，垂直農(nóng)場(chǎng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)目前已經(jīng)基本成熟，不存在大的障礙。制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素是經(jīng)濟(jì)性及效費(fèi)比。通過(guò)慎重選擇作物品種以及不斷提升設(shè)備和系統(tǒng)的能效，將極大提升垂直農(nóng)場(chǎng)的性價(jià)比。至于如何應(yīng)對(duì)垂直農(nóng)場(chǎng)對(duì)環(huán)境可能產(chǎn)生的不利影響，一方面應(yīng)通過(guò)系統(tǒng)協(xié)同工作，抵消一部分負(fù)面影響；另一方面則需要通過(guò)技術(shù)手段對(duì)廢棄物進(jìn)行收集和循環(huán)利用。

4 結(jié) 論

垂直農(nóng)場(chǎng)研究相對(duì)于其他已經(jīng)成熟的研究領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，是一個(gè)相對(duì)年輕的新興領(lǐng)域，存在著相當(dāng)大的潛力等待挖掘。垂直農(nóng)場(chǎng)研究需要多學(xué)科參與，數(shù)據(jù)表明目前國(guó)內(nèi)的大部分發(fā)表文獻(xiàn)的研究?jī)?nèi)容仍停滯在概念推廣階段，對(duì)于農(nóng)業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性的研究先于對(duì)生態(tài)環(huán)境、建筑環(huán)境方面，而對(duì)后者的研究才剛剛起步。目前國(guó)際上高水平的研究熱點(diǎn)主要在3個(gè)方面，即：技術(shù)集成、經(jīng)濟(jì)性或可行性分析、生態(tài)環(huán)境效益。技術(shù)方面的研究涵蓋較為全面，而經(jīng)濟(jì)性分析和對(duì)環(huán)境的影響方面還存在一定的不確定性，亟待研究。相較于國(guó)外研究的廣泛性和均衡性，國(guó)內(nèi)的研究還存在著一定的差距。我們應(yīng)把握國(guó)際最新研究動(dòng)態(tài)，努力開展多學(xué)科的合作，促進(jìn)研究的深入和方向的轉(zhuǎn)變，理論和實(shí)踐雙管齊下，在垂直農(nóng)場(chǎng)的研究領(lǐng)域取得突破。