垂直农业十问十答:2024年行业规模至140亿美元,如何实现产业化,谁在中国布局?

作者:35斗 2020-02-04 09:06

编者按:到2050年,全球人口预计将突破98亿。然而,在过去的50年里,农业用地的数量一直保持稳定(约占总可用土地的37%),预计在未来一段时间内,这一数字将不会发生显著变化。这就不难理解,为什么各国政府开始把粮食问题视为重中之重。

 

一份联合国报告指出,全球粮食产量需要达到70%的增长才能跟上人口增长的步伐。与此同时,随着经济的发展,全球对肉类产品的需求也与日俱增。

 

目前,农业领域已经通过技术创新和先进的农艺实践等方式,提高每公顷产量来应对这一挑战(即实现集约化)。尽管这种方法在许多方面都取得了成功,但却不可持续。如今的消费者也越来越关注农药使用对健康的影响,以及塑料包装、食品运输和过度开发地球资源(包括农田)的环境代价。

 

未来的粮食生产和今天相比,将会有很大的不同。我们正进入一个以科技为导向的新时代,室内垂直农场,控制环境生产(CEP),会大幅提高农作物的产量,质量,营养以及视觉上的吸引力,从而有助于提高全球普遍的生活水平。

 

同时,我们也看到了制药行业尚未被开发的巨大潜力。在制药行业,垂直农场提供受控的、洁净的环境,在这种环境下,可以种植出更加有效的、天然的药物成分。

 

虽然这是垂直农业发展的一个重要机遇,但作为一个处于起步阶段的行业,许多室内垂直农场失败的原因是缺乏规划,缺乏对受控环境生长复杂性的理解,或无法扩大到确保长期盈利的水平。

 

本指南并非能解答所有的疑惑,比如具体何时何地建造垂直农场这类问题。而是旨在帮助大众建立起对垂直农场的基本理解,探讨其中的一些重要考虑事项及隐患。

 

什么是垂直农业.png  

垂直种植或使用垂直堆放的架子种植低矮的农作物,既适用于室内(没有自然光的地方),也适用于室外(太阳光单独使用或与人工照明结合使用)。作为室内环境控制生产(CEP)的种植方式之一,垂直农场够严格控制各生产环境要素:光、水、温度、CO₂以及其他营养物质等,最大限度地增加农作物的产量。

 

在2017年的报告中,Global Market Insights Inc.预测垂直农业(室内和室外应用)的收入将从2017年的25亿美元增长到2024年的139亿美元。通过采用垂直农业技术,我们可以显著地、实质性地增加可用的“可耕种土地”,并将这些农场安置在城市中,还可以在衰落的工业用地上进行再生产,以最短的时间和最低的运输成本将新鲜的、富有营养的农产品从农场运到城市。此外,我们还可以减轻农药过度使用、营养浸出、土壤侵蚀和生物多样性减少给农田造成的压力等问题。

 

垂直农场的主要优势有:

•不受气候、天气、季节和地理条件的影响,一年365天、全天24小时不间断培育作物;

•结合智能技术,植物科学家的实验研究以及从种植者那里获得的知识,提高作物的自然产量(包括大小、重量、营养价值、外观、味道等);

•消除对新种植者的障碍——无需很大的种植面积来进行农场种植;

•可以在本地生产更多的食物——垂直农场正吸引着越来越多的关注,并在市场上吸引着越来越多的投资;

 

在更高层次上,垂直农场有助于:

•通过去除农药,减少食品运输的路程来减少食品供应链对环境的影响;

•确保粮食安全;

•提高现有食品的种类和质量,改善公众的健康。

 

一、室内种植科学

 

每株植物都需要相同的成长要素:光、二氧化碳、水分和养分。然而,这些成长要素与许多附加因素怎样结合,不仅取决于你想要种植什么作物,还取决于你想要的营养价值、视觉外观和味道。一旦失去平衡,这些要素也会对作物产生灾难性的影响,甚至可能导致作物的产量下降。

 

种植者对每一种成长要素的有效控制,意味着可以真正确保每一种植物都能发挥其最大潜力。然而,每种要素都必须进行仔细监测,以优化其对作物形态的影响。


图:室内和室外种植的区别

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二、LED能取代太阳光吗?


光是植物生长最重要的元素之一。在室外,太阳的光线跨越了从紫外线到红外线的广泛光谱。绿色的波长比红色和蓝色的波长更强烈地被植物的叶子反射和透射,而红色和蓝色的波长在叶子中被更有效地吸收以进行光合作用。可用的光谱和强度将受到地理、天气和季节的影响。除了光合作用和生长的核心功能外,光还可以作为植物的信号,以某种方式促进它的成长发育,如产生更高的茎或促进开花。

 

然而,不同的植物对光有不同的需求,它们对使用的光波也有不同的反应。以开花为例:有短日照植物和长日照植物,两者需要不同的光周期来促使其实现最佳生长。

 

其次,在自然环境中,作物也可能与它们周围的植物竞争光、营养和水等成长要素。现在,所有这些不确定性和猜测都可以通过垂直农场得以消除。

 

三、活用光谱


 

近年来,照明专家已经发现了如何有效地隔离和合并不同的波长。通过改变光谱“配方”,也可以更好地控制植物的生长方式。

 

用光.png

 

增长谱的主要作用体现在:

(1)繁殖性

促进叶片覆盖和果实产生。

(2)营养性

促进植物结构和叶质量。

(3)均衡性

提高所有作物的收成

 

荧光灯以往用于室内种植,但LED技术的进步,包括它们在光产生、光提取和再吸收方面的处理能力,使LED种植灯成为市场上的新宠。除了具备24小时全天候运行的潜力外,由于可以在三个主要的生长光谱类别中设计特定的灯光,LED还可以更好地进行控制,以最大化提高单个作物的收成。而且LED的使用寿命也比以前的照明技术要长得多,易于清洁、维护成本也较低。

 

在生长的最后阶段,还可以使用不同的光照来增加花青素的合成和色素沉淀,比如培育红色的生菜,因为相比绿色的生菜,人们更倾向于红色的生菜。

 

然而,光不仅对最大化生长、控制颜色和缩短从播种到收获的周期至关重要,还控制着害虫、细菌和真菌病原体的昼夜节律。因此,光可以用来限制昆虫的移动,或防止真菌孢子在作物中传播。

 

四、热度和湿度控制


温度和湿度都有可能加速作物生长或毁掉作物,这可能是管理垂直农场最具挑战性的两个因素。首先,温度对植物生长速度和生理机能都有重要影响。植物的理想温度取决于多种因素,必须在气温、相对湿度和光照之间取得准确的平衡。此外,植物的生长习性也会影响这一过程。另外,当在一定范围内提高温度时,也会增加植物和环境之间的气体和水的交换。当温度上升时,会增加水分的流失,因而,即使温暖的空气可以容纳更多的水分,我们也需要多加关注环境的湿度。


湿度影响光合作用。这是因为需要从植物中获取水分,以保持植物的凉爽和细胞的活跃度。保持水分的能力部分取决于空气的湿度,而湿度会增加蒸发蒸腾。湿度也会影响气孔吸收二氧化碳、释放氧气和水的能力。湿度过高会导致植物在基础的条件上无法成长。其次,室内地板上安装的灯架是垂直农场的主要热源,因而气流和暖通空调系统对于减少植物烧灼和萎蔫的情况也很重要。

 

五、植物营养

 

植物需要一系列的营养物质才能正常生长,但是需要根据作物、生长周期、根质量和其他要素来调整营养组合。三种主要的营养物质是氮、磷和钾,但是钙、硫和镁也很重要。关键营养物质的缺乏会导致从组织死亡、变色到异常生长等各种情况,所以在生长周期的正确时刻,以合适的浓度向根部输送合适的营养物质是至关重要的。

 

当涉及到为植物提供营养时,有几种方法和基底物质可供使用。这些物质可以是活的基质(土壤、泥炭),也可以是惰性的(非生物)。在可预见的未来,水栽法灌溉和养分输送被认为是最可行和最广泛的室内垂直耕作方法。因而航空电子和水耕行业预计将保持相当的市场份额,2017年仅占27.1%和16.7%的市场份额,2024年将分别占28.7%和17.6%的市场份额。

 

循环水培系统的优点是,与传统的耕作方法相比,我们可以减少90%的用水量,前提是重新浓缩和再利用生长环境中的湿度。这使得垂直农场成为水资源稀缺或价格昂贵地区的理想选择,并帮助垂直农场在不影响产量的情况下减少投入的浪费,为环境的可持续性做出贡献。

 

六、怎样才能确保成功?

 

1.经过反复试验的设计方法

在户外耕作时,有许多因素都受到自然条件的影响。每一种植物的灌溉是不同的,因为天气模式随时都在变化,甚至土壤中的营养也会随着田地的不同而变化。因此,对垂直农场的具体要素进行控制,可以大大增加作物的成活率。

 

这些要素包括,农场的设施布局,比如种植空间的大小、植物分布、气流等。此外,为了确定精确的光源,CO₂、营养物质和水等的组合,需要把时间和金钱投入在测试阶段,以实现最大化产量和收入。一旦为垂直农场开发了一个固定的模式,就应该在一个更小的范围内通过一个测试阶段来确保它是可行的。

 

2.选择合适的作物

如果已经清楚地知道作物的种植需求,那么开发一个可盈利且可持续的垂直农场就容易得多。专注于一种类型的作物,对设施进行设计,选择正确的生长范式和特定地作物,更好地进行优化灌溉,实现最佳的口味,营养含量,视觉吸引力以及保质期。

 

大多数人都试图通过种植多种作物来规避风险。然而在通常情况下,很难有一个农场可以针对多种作物进行优化,因此每种作物的回报都低于应有的水平。甚至,工厂可能不得不面临停止生产,这将侵蚀利润并增加不必要的成本。

 

3.选址

“位置决定成败”这句古话在如今的垂直农业中显得尤为重要。垂直农场有一个关键的优势,那就是它们能够靠近客户,无论它们是卖给食品加工商、超市还是当地商店。减少食品供应链相关的大量运输物流可以降低成本,并有助于吸引顾客。运输成本的降低也有助于抵消因能源和劳动力投入增加而导致的生产成本上升。

 

在城市规划层面,将垂直农场与其他设施(如办公楼、商店或住宅)安置在一起也有诸多好处,可以利用垂直农场的余热来减少对其他能源的需求。

 

4.简化商业模式

无论是在食品还是制药行业,靠近客户并以可持续的速度全年生产作物,在市场上是一个很大的优势。因此,要考虑通过与客户签订固定费率的合同而获得盈利,这样也可以提供更多的财务保障。

 

5.合理看待运营成本

安装和装修费用对任何垂直农场企业家来说都是一笔高额的原始投入,但后续的运营成本(能源、劳动力、投入、维护等)也不少。企业不仅需要找到方法来降低这些风险(例如,当夜间能源价格较低,室外气候较冷时,反而可以帮助HVAC系统提高效率),还需要考虑不同配置和流程的成本效益。

 

6.基于客户进行定价

在2017年开幕的安格兰塔(AgLanta)会议上,PodPonics的首席执行官承认,该公司错过了更高的潜在利润率,因为他们在定价方面,为了能够与传统种植者竞争,忽略了食品可追溯性、无农药种植和其他吸引消费者的价格溢价。

 

7.技能互补

通常情况下,那些敢于尝试垂直农场的人并非传统的种植者,而是技术企业家、工程师或业余爱好者。垂直农场需要多种技能组合才能获得成功:大数据科学家、系统集成商、项目经理、工程师、种植者和植物科学家等,除了一般企业成功所需的核心功能外(如财务策略师、营销和业务开发等),都可以发挥作用。

 

七、清楚自己要做什么

 

为了利用垂直农场提供的新技术和增长模式,一些种植者往往忽略了一点,即他们应该种植和销售质量最高的食品。相反,他们试图通过将垂直农场的技术、流程和方法进行商业化来收回投资。然而,每个垂直农场都是不同的,可能需求也不同。关键是不要尝试同时做很多不同的事情,而是要清楚地把注意力集中在尽可能好的做一件事情上。

 

尽管垂直农场目前仍处于早期发展阶段,但许多企业已经开始跃跃欲试,在这个领域不断探索试错方法,投资巨额资金投入建设垂直农场设施,结果却发现由于缺乏正确的照明,种植面积不够,导致收获的产量不够用来回笼他们的资本支出。

 

一直以来,缺乏这方面的数据,都是影响垂直农业从“纸上谈兵”到可推行的“商业模式”的主要障碍。需要牢记的是,在商业模式上,运营垂直农场就像经营一个工厂一样,而非像经营传统的农场。

 

八、对垂直农场进行规划


要说这篇指南有什么启示的话,那就是在垂直农业方面,不存在“一刀切”的模式。从作物类型到种植区域,自动化程度和位置都会对设施的设置和商业机遇产生重大影响。这也是为什么前期需要利用精确的模型,尽可能多地消除不确定性的原因,以便找到投入的最佳平衡点,从而使潜在产量和收益实现最大化。

 

当然,这种模型还应包括运营成本,如预估的能源使用量、劳动力、投入成本以及将农产品直接送到消费者或附近食品加工商手中所需的物流。

 

运营成本.png

 

九、成本最小化,面向未来

 

垂直农业的两项主要投资是能源和劳动力,前者通常占总成本的20%-50%,后者占每公斤作物的10%-40%。因此,在设备的初始投资和单位产出投入成本的降低之间取得适当的平衡至关重要。

 

为了将成本降至最低,种植者需要依靠现有技术,新兴的科技以及系统规划来提高运营效率。比如,与老式的钠灯相比,LED灯能更好地控制能源的使用,因为它们消耗的能量相对较少。LED灯仍将消耗大量电力并产生必须加以处理的热量,但这或许会创造新的机遇,通过热量回收来减少总体能源需求的负担。

 

未来,结合了LED和太阳能电池板进行室内种植的作物,将比在室外种植更有效地利用太阳能,因为光伏太阳能电池板可以捕获并将更多的太阳能转化为电能,而LED灯具将这些转化为最有效的波长来刺激植物生长的能力。

 

瑞典公司Plantagon12在办公楼发展垂直农场,利用农场生成的能量为办公区提供热源,创建一个可持续的低碳足迹设施,完美融入现代城市规划。

 

通过仔细的规划和精确的建模,我们会对整个垂直农场的运营成本有更进一步的了解。此外,智能管理系统也可以帮助我们监控和调整,以实现最高收益与最低成本之间的微妙平衡,并根据基准评估追踪设备性能。

 

十、财政与投资

 

垂直农业不仅对农业,还能对环境和生态系统产生积极影响,许多地方政府和非部门公共机构正在提供一系列补贴和激励措施,以协助促进该行业的发展。这些激励措施可以采取初始安装补贴的形式,以帮助降低农场的建造成本,以及从能源支出到劳动力成本等一切方面的额外退税。

 

每个国家的扶持政策均有不同,投资者需要花点时间研究能够获得的政策资源。


太阳能板.png 

虽然垂直农场的发展仍处于早期阶段,但仍然有许多额外的资源可以帮助我们找到适合垂直农场设计和建造的信息。

 

十一、相关的协会和组织

 

1.Current是通用电气(纽约证券交易所:GE)旗下的首家同类公司,目前他们已经花费数年时间用以完善其照明技术,并研究了园艺行业的特殊需求。

 

2.斯托克布里奇技术中心(STC)于2001年4月成立,以助力园艺行业的持续技术发展。这个研究机构以种植者为主导,创建了一个独立的园艺中心,并得到了该行业生产和供应部门的支持。

 

3.同时,垂直农业协会是由个人、公司、研究机构和大学共同组成的国际非营利组织,致力于领导和促进垂直农业运动的可持续增长和发展。

 

4.欧洲农业经济学家协会(EAAE)汇集了农业经济学家和其他对欧洲农业和食品工业以及农村发展问题感兴趣的人士。

 

5.AmericanHort是领先的绿色产业全国协会,旨在促进各州和各部门的园艺技术交流。成员遍及整个行业市场链,包括育种者、温室和苗圃种植者、零售商、分销商、教育者、研究人员以及制造商等。

 

6.美国园艺科学学会(ASHS)成立于100年前,致力于促进和鼓励全球范围内对园艺分支领域的科学研究和教育。该学会成员专注于如何改善粮食安全,发展城市农场以及解决国家在作物可持续性方面面临的重大问题。

 

7. PennWell LEDl实际上是一个提供信息源网络的企业,他们会定期在照明和园艺行业举办活动,目的是了解360度全方位的全球市场趋势。

 

十二、垂直农业行业大事记

 

1.农业科技会议(Agriculture Technology),该活动在马萨诸塞州波士顿举行,汇集了来自学术界和工业行业的专家,研究人员和决策者,一起探讨研究创新。本次活动的各个方面都突出了农业综合企业的发展,包括专门介绍温室和园艺发展以及技术如何协助农作物可持续地生产。


2.中国国际现代农业展览会是一个旨在跨价值链进行贸易与合作的国际盛会,重点关注行业的最新技术,材料和创新。


3.Cultivate19由AmericanHort运营,由该行业各个领域的园艺专业人员组成,包括零售商、生产商和安装商。该活动旨在提供交流和教育的机会,是园艺行业最大的全行业贸易展览和会议。


4.GreenTech是阿姆斯特丹所有从事园艺行业的专业人士的全球聚会。主要专注于园艺链的早期阶段以及与种植者相关的生产问题。


5.Growtech Eurasia吸引了来自温室、农业技术和设备、灌溉系统、种子种植、幼苗栽培、植物营养与保护、生物控制、农业机械和畜牧设备等众多领域的领先企业参加此次会议。


6.园艺照明会议(Horticulture Lighting Conference)将种植者和制造商集中在一起,共同讨论了LED对园艺市场的影响。


7.室内工业会议(Indoor Ag-Con),该活动吸引了亚洲和Antipodean室内农业领域中最出色的企业,重点讨论人工智能,LED灯和控制系统等一系列技术。


8.Rethink Agri-Food Innovation Week,这是一场为期三天的活动,着眼于技术在建立高效,弹性和可持续的农产品供应链中所扮演的角色,该供应链可以为当今瞬息万变的消费者市场提供新鲜营养的食品。


9.垂直农业协会峰会(The Association for Vertical Farming Summit),该活动是垂直农业协会的年度峰会,该协会是一家全球性的非营利组织,致力于在国际上推进垂直农业运动。


10.垂直农业会议(Vertical Farming Conference)是为期两天的农业食品创新活动之一,该活动包括四场会议:健康营养会议、垂直农业会议、3D食品打印会议和智能农业会议。

 

由此可见,得益于政策支持和资本市场的敏锐嗅觉,垂直农业的确未来可期,也吸引了大量投资者的目光。但随之而来的一些问题,例如为了实现真正的盈利,如何在前期选址,作物选择等方面上下功夫,亦是投资者和种植者们需要思考的最紧要的问题。

 

附:中国垂直农业行业概况和相关企业


高原等的研究指出,垂直农场是指通过在建筑物内部空间中利用人工技术营造出各种适合植物和动物生产、繁殖所需的环境,并利用各种先进技术控制和调节各类生产者的生长环境,使其始终处于生长发育的最佳状态,从而不断地为人类提供各种农副产品。绝大部分垂直农场都采用模拟大自然生态系统中“食物链”体系,进而合理地搭配拟态化的植物、动物和微生物系统,以提高垂直农场的生产效率。各类作物都以“植物工厂”的形态存在,通过各类无土栽培提高植物产量,并减少对土壤和空间的消耗和依赖,而在畜牧业生产中大多以鱼类和禽类养殖为主,少数涉及牛羊猪等畜牧业养殖。

 

目前在国内开展植物工厂业务的企业和机构包括中科院体系的昂科丰、京东植物工厂、松下集团中国华录、农众物联等,其他一些农业物联网、大数据企业亦有涉及。国家智慧植物工厂创新联盟是聚焦于该行业的一个联盟,成员单位包括上海第六产业研究中心、珠海(横琴)食品安全研究院、中国农业院环发所、国家现代农业光伏产业协同创新战略联盟等,其主要目的即在于促进国家智慧植物工厂产业快速健康发展,组织了教育培训、产业联动、国际合作、论坛峰会等活动。

 

政策方面,《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》提出,到2025年,设施农业、畜牧养殖、水产养殖和农产品初加工机械化率总体达到50%左右,这意味着设施农业将得到较大的政策鼓励。

 

从技术角度而言,垂直农业或植物工厂的关键技术包括整体规划设计、能源采光、营养管理、病虫害管理、智能化控制、农产品品质管控、周年供应能力、仓储供应链等,系统性解决方案的提出是行业变迁关键节点来临的标志。垂直农场又常常与无土栽培等生产经营方式相联系,二者的耦合能够帮助创造更大价值。

 

整体而言,国内垂直农业尚处于早期探索阶段,在借鉴欧美日等国家的经验的同时也引入了成套的生产设备和管理标准,未来随着技术成熟度提高和本地化经验的积累,会逐步进入产业化开发的阶段。

 

参考资料:

THE FUTURE OF FARMING IS VERTICAL

蒋卫杰.我国无土栽培主要模式与国外技术动态

注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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