摘要：引言系统梳理了垂直农业在作物生长、产品品质、自动化、环境可持续性、社会经济及公共政策等方面的关键瓶颈与发展路径，为实现垂直农业的规模化应用提供了全面的科学视角。
引言
系统梳理了垂直农业在作物生长、产品品质、自动化、环境可持续性、社会经济及公共政策等方面的关键瓶颈与发展路径，为实现垂直农业的规模化应用提供了全面的科学视角。
研究背景与科学问题
快速城市化、气候变化、土地退化和供应链中断等全球性问题，对传统农业构成了严峻挑战。消费者对本地生产、健康安全、环境友好的植物性食品的需求日益增长。在此背景下，垂直农业系统（Vertical Farming Systems, VFS）作为气候适应性强的食物生产方式，展现出巨大潜力。其能够在受控室内环境中进行多层级作物种植，实现零农药、低水耗和低土地占用的集约化生产，尤其适合在人口密集的城市区域部署，满足消费者对新鲜农产品的日常需求。
因此，全面评估垂直农业的最新技术水平，并系统性地识别和分析其实施与推广过程中，从植物科学到社会经济层面所面临的多维度挑战，为推动其成为未来食物系统的重要组成部分提供科学依据和前瞻性思考。
研究设计与核心方法
本综述对垂直农业系统进行了全面的文献回顾与综合分析，聚焦于无太阳光、多层室内种植系统。研究框架围绕垂直农业价值链核心技术与社会经济环节展开。在作物生长层面，探讨了如何通过优化光照、温度、二氧化碳浓度和营养供给等环境因素，最大化资源利用效率（RUE），特别是光能利用效率（LUE）。在产品品质层面，分析了如何利用精准环境控制技术，提升产品的营养价值、风味、外观和货架期。
进一步，评估了自动化与机器人技术的应用现状，旨在解决高昂的劳动力成本问题。在环境可持续性方面，重点分析了能源消耗瓶颈，并探讨了水和养分循环利用的潜力。从社会经济与公共政策的视角，审视了垂直农业的经济可行性、消费者接受度以及不同国家和地区的政策支持差异。
核心结果与讨论
在作物生长方面，最大化光能利用效率（LUE）是降低成本和能耗的关键。研究指出，通过动态调整种植密度、优化冠层结构以改善光分布、以及应用功能-结构植物模型（FSPM）设计理想株型等策略，可以显著减少光损失。此外，动态调控光照、温度和二氧化碳浓度，以匹配植物不同生长阶段和一天内的生理节律，是提升光合量子产率的有效途径。
垂直农业在产品品质精准调控方面，通过在生产末期施加特定的光质、光强或营养胁迫处理，可以在不显著影响产量的前提下，有效提升产品的抗氧化物、维生素C等含量，改善其营养价值、风味和货架期。例如，特定的红蓝光组合能够显著促进生菜中花青素的积累，使其呈现更吸引人的紫红色。
自动化是决定垂直农业经济可行性的重要因素。目前，播种、移栽和物料运输等环节已实现较高程度的自动化，但果蔬的采收、修剪等复杂操作仍是技术瓶颈。开发能够应对复杂环境、识别成熟果实并进行精细操作的机器人系统，是未来研发的重点。能降低占总成本25-30%的劳动力支出，实现无菌化生产，降低病害风险。
能源消耗是垂直农业最主要的环境和经济挑战，LED照明和环境调控系统（HVAC）消耗大量电力。分析显示，利用光伏发电支持一个九层的垂直农场，所需的太阳能电池板占地面积约为垂直农场占地面积的28倍。因此，垂直农业的实际环境可持续性高度依赖于当地能源结构的清洁化程度。提升LED光电转换效率和作物光能利用效率是降低能耗的根本路径。
社会经济和政策环境对垂直农业的推广至关重要。高昂的初始投资和运营成本导致其盈利困难，使其产品主要面向高端市场。公众对“非自然”生产方式的接受度在不同区域文化背景下差异显著。此外，全球范围内的相关公共政策尚不完善且零散，缺乏统一的行业标准和有力的政策支持，尤其是在欧盟地区，相关农业政策尚未将垂直农业等新型生产方式充分纳入。
研究展望
垂直农业未来的研究应致力于开发集成化的解决方案，将植物生理学、人工智能、机器人技术与系统工程学紧密结合，以显著提升能源效率和经济效益。培育专为垂直农业环境设计的作物品种、建立循环利用的资源管理系统，以及构建支持性、连贯性的公共政策框架。
Current status and future challenges in implementing and upscaling vertical farming systems
垂直农业系统实施与规模化的现状及未来挑战
S. H. van Delden, M. SharathKumar, M. Butturini, L. J. A. Graamans, E. Heuvelink, M. Kacira, E. Kaiser, R. S. Klamer, L. Klerkx, G. Kootstra, A. Loeber, R. E. Schouten, C. Stanghellini, W. van Ieperen, J. C. Verdonk, S. Vialet-Chabrand, E. J. Woltering, R. van de Zedde, Y. Zhang and L. F. M. Marcelis*
Wageningen University & Research (荷兰瓦赫宁根大学与研究中心)
Nature Food, 2021
10.1038/s43016-021-00402-w
来源：云阳好先生做实事