当城乡边界日渐消弭，城市与自然融为一体，现代农业就开始走出田野，走进城市居民的生活场景，人们在城郊建成各种工厂化农业设施，在城市中心划出一片片小型社区农场，在摩天大楼中打造种养一体的循环农场……
这样的场景，在现代科技和装备的支持下，正在变成现实。未来的城市，不仅可以拥有田园风光，也有充满科幻感的超级植物工厂。
探访1
全球首座20层的垂直农场
12月1日，位于成都的中国农科院都市农业研究所垂直农业大楼。新京报记者 周怀宗摄
一座20层的植物工厂，或许可以称为植物的“摩天大楼”。
12月初，四川成都，中国农业科学院都市农业研究所的一座大楼中，一座20层的垂直植物工厂中，一层层的架子上，翠绿的蔬菜长势正好，传送带将成熟的蔬菜运出，并将移栽的新苗送入。每一层架子上都被紫色的灯光笼罩，这是科学家们专门给出配方的光源，为植物的光合作用提供最合适的光照。
这是全球首座20层的垂直农场，总高9.3米，包括两大部分，人工光育苗室和垂直立体栽培区。所有功能区全程采用自动化作业，播种育苗、移栽定植、间苗、生长、收获、包装，全过程无人作业。
光、温、水、气、肥等，在这里完全精准可控，而其中的led光源，是作物快速生长的核心奥秘之一。
万物生长靠太阳，光合作用是作物生长的基础。当人类解析太阳光的秘密之后，人工制造光源就成为了可能。中国农业科学院都市农业研究所研究员李清明，是设施园艺光生物学与光环境调控创新团队首席专家，他告诉记者，通过led光源，科学家们不但可以模拟自然光，而且可以通过精准配比，给作物提供最好的光合作用环境。
李清明说：“红橙黄绿青蓝紫，自然界的光，包含着很多不同的部分，有的是光合作用必需的，有的和植物生长无关，有的可能还有害，比如红光、蓝光、黄光、近紫外光或者是近红外光，这些光对作物是有用的。同时，自然界的光照时间也难以控制，如果遇到连日阴雨，光照就可能不足，如果长时间晴天，对某些作物来说，光照又可能太长了。我们则通过精准配比，设计出可以提供各种光源的设备，同时精准控制光照时间，促进作物生长。”
20层的垂直工厂如何建成？中国农业科学院都市农业研究所助理研究员、垂直农场项目参与者许亚良介绍，垂直农场自2020年开始，最初进行的是无人化生产工艺流程的设计，“从工艺上看，20层垂直植物工厂与传统工艺有较大区别，包括一些设备也是前所未有的，需要特别设计和制造。”
为什么是20层？20层的难处又在哪里？许亚良介绍，植物工厂的建设中，层数越高，难度就越大，当前全球植物工厂的建设和研究中，尚无20层以上的，“自动化生产的工艺是难题之一，比如栽培架，20层有9米多高，自动输送、管理的流程非常复杂，任何一处水平度不够，或者衔接有问题，都可能影响自动化生产。但更难的是环境调控的均匀性，底层和顶层之间，由于空间高度的不同，环境其实是不一样的，尤其是温度。20层的栽培架，顶层温度要比底层高5℃左右，这会直接影响垂直农场的生产，所以我们通过攻克空间内环境均匀调控技术，解决了这个问题。”
攻克20层难关，意味着攻克了工厂化种植向上发展的一道瓶颈。“未来建设更高的、真正摩天大楼一样的垂直农场，技术上就可以实现了。”许亚良说。
2023年初，垂直农场正式开始建设，目前已开始运行，这座20层的农场，占地面积只有100平方米，但总种植面积达到2000平方米左右。以占地面积而言，相比露地生产，垂直植物工厂的产能超过露地100倍。许亚良说，“其实很容易算出来，从生产速度看，垂直农场生产环境完全可控，生长速度很快，而且是周年生产。以生菜等叶菜为例，一年可以生产12茬左右，而露地只有2茬，这就是6倍。从生产面积看，20层就是20倍，两者相乘，就是120倍，刨除一些意外因素，至少是100倍以上。”
科研人员预计，垂直农场年叶菜产量可以达到50吨左右，以每人每天500克蔬菜的需求计算，可供10万人一天的供给，而它所需要的地方，只是一个底面积100平方米、高9.3米的栽培架而已。
随着城市规模的持续扩大，物资的需求也越来越高，尽管现代物流可以实现物资通畅流动，但城市内部的食物供给，仍然是全球关注的问题。“垂直农场、植物工厂，是未来大城市食物供给的重要途径之一，垂直农场的研究，则可以帮助我们用更少的空间，生产出更多的食物。”许亚良说。
探访2
高楼里的立体种养循环农业系统
11月30日，从垂直农场外观看，每一层阳台上都种满了无土栽培的蔬菜。新京报记者 周怀宗摄
20层的垂直植物工厂，位于一栋7层的大楼中，植物工厂共有3层楼高。其余的4层，则是不同的种植养殖区，科学家们在这栋大楼中，设计了一整套种养循环的农业生态系统。
大楼的4层，是一座智慧水产工厂，面积约268平方米，层高6米。根据设计，养殖区将安置一个个巨大的圆形水池，养殖石斑鱼、南美对虾等水产品。水产工厂采用高密度养殖及虾蟹垂直立体养殖技术，同时采用循环养殖的方式，可以实现“零排放”，是一种未来城市绿色高效养殖模式。
在都市中是否可以实现规模化养殖？近年来，高楼养猪、工厂化虾蟹养殖等越来越多，在北京延庆区，一家大闸蟹工厂中，穴居的螃蟹，被养殖在几乎全封闭的养殖箱中，每个养殖箱约30厘米见方，密密麻麻的养殖箱摞在一起，仿佛螃蟹的“公寓”。在这里，30平方米的养殖箱，可以养殖1000只螃蟹，循环养殖的模式，用水只需要5吨。特别营造的环境和精心配比的饲料，让螃蟹只需要30天就可以长成上市。
高楼养猪的模式，近年来在我国多个地方落地。在湖北鄂州市，两栋26层的养殖场中，生猪居住在真正的高楼中，这里最大的存栏量，可以达到100万头。在广州，2023年初投产的一处“楼房猪舍”中，年出栏量预计可以达到36万头。
城市的大楼中，不仅可以种菜，也可以实现所有的农业生产。中国农业科学院都市农业研究所副所长甘炳成介绍，建成后的水产工厂，一年中可以多次下苗，实现不间断养殖。同时由于工厂化生产的环境可控性更强，生长周期稳定，可以专门设计下苗时间，实现反季节上市、节假日集中销售等，达到利润的最大化，200多平方米的养殖区，年经济效益极为可观。
水产工厂的上方，则是一座菌类智能生产工厂。据介绍，未来正式投产后，整个工厂中，温度、湿度、二氧化碳浓度都将被严格调控，可以培育冬虫夏草、鹿茸菇、黑皮鸡枞等珍稀菌类，也可以生产杏鲍菇、香菇等大宗传统菌类。与普通食用菌工厂使用的密封菌棒不同，这里的菌棒都是特殊设计的，适合全自动的工厂化生产。
记者看到，整个7层的大楼，不仅每一层都有特别设计的种植、养殖工厂，在走廊、阳台、露台上，也都有利用各自特点设计的生产模式。从大楼的外面看进去，透明的玻璃幕墙内，一排排各种形态的种植架，整齐地排列在阳台上，种植架上种着不同的蔬菜，在冬日里依然翠绿。
“这些园艺栽培，主要依靠自然光生产，不需要特别补光，这些设备和技术，适用于家庭、商场、办公楼、学校、医院、餐厅、楼顶等环境，对创造都市居民新生活方式、提高人民生活幸福指数、改善城市生活环境、降低城市碳排放等，都有很好的帮助”。农科院都市农业研究所科研人员王芳介绍。
探访3
全球独有的育种加速器
11月30日，育种加速器中，每一个种植架上，都标注了材料名称、定植时间等。新京报记者周怀宗摄
除了生产食物、美化环境外，城市里的农场还能做什么？
在成都，科学家们建成了一个特殊的育种加代工厂，被称为“育种加速器”，这也是全球首个育种加速器。
无论是作物还是禽畜，育种都是一个漫长的过程，需要一代代选育，而每一代都需要数月去完成。如水稻，一年最多只能种2到3季，玉米一年只能种1到2季，每季都需要120天以上。从上世纪六十年代开始，我国科学家们在海南进行“加代”育种，海南的热带气候，可以让作物多种一季，也就是在一年中增加一代，这种加速育种过程，也被称为“南繁加代”。
但对需要越冬的冬小麦、一部分喜凉的蔬菜来说，海南并不适宜加代繁育，因此科学家们会在青海、宁夏等地加代育种，被称为“北繁加代”。
无论是“南繁”还是“北繁”，每年只能增加一代，而一个品种的育成，可能需要十多代甚至更多代的选育。是否有一种更快的方式呢？
2020年，中国农业科学院都市农业研究所博士李宗耕，开始尝试在植物工厂中种植水稻。在以往，植物工厂更多种植速生的蔬菜，很少有人种植水稻、小麦等粮食作物，一方面成本太高、收益太低，一方面也有许多难题未能解决。
水稻是水生作物，在植物工厂中，通过水培，生长得很顺利，李宗耕的实验，种了四个架子，每个架子都是两层，一共6平方米左右。他在实验室里育苗，2020年“五一”左右，转移到水培的架子上，到当年7月份，水稻顺利成熟，从定植到收获，全程用了63天。
这是一个惊人的数字，水稻的生长期一般需要170到175天，除去育苗的35到40天，一般需要130天左右，在国际上，最快的水稻生长，也在120天以上。而在植物工厂中，这个时间缩短了一半。
“实验并不是为了育种，但这个时间出来后，我们就开始想，这种模式是不是可以用到育种上？”农科院都市农业研究所智能园艺装备团队研究员王森说。
随后，一个名为“育种加速器”的平台开始建设，而更多的科技攻关也开始进行。
植物工厂为何生长更快？王森介绍，这是因为，植物工厂里，几乎所有和生长相关的因素都是可控的，“植物生长需要哪些营养元素，需要多少，光合作用需要多少波长的光线，光照时间多久最好？这些都可以在植物工厂中进行精细的调控，相当于植物在最佳的环境中生长，同时没有冷害、旱情、高温等负面环境的影响，甚至病虫害都极少。这是它生长更快的重要原因。”
在农科院都市农业研究所，记者看到，建成的育种加速器，大约有2000平方米，分成一个个不同的实验室，每一个实验室，都有独立的温度、光照、湿度等控制系统。
实验室里，油菜刚刚开出黄色的花朵，棉花枝头的棉桃正在吐絮，旁边的玉米正在抽穗。一间种着各种水稻的实验室中，有些水稻已经开始灌浆，有些则刚刚移栽。
所有实验室中，每一个架子上，都标注了种植的品种、定植时间。王森介绍，这些作物都是各个科研单位在进行育种的材料，如今，这座全球首个育种加速器中，已经入驻了数十家育种单位。
和水稻不同，小麦、大豆、玉米等作物，并不喜欢过多的水，甚至怕涝，怎样在实验室的水培环境中实现快速生长？是这座育种加速器中的核心技术之一。
“确实很难种，我们做了很多实验，花了两年多的时间，才攻克了这些难关。”王森说。
两年多的时间，一座全球独有的育种加速器建成。如今，在这里进行育种加代的，包含了大部分常见作物，而每一种作物的生长时间，几乎都缩短了一半。“小麦大概65天成熟，缩短了63%，一年可以繁育5代以上。大豆53天左右，缩短了51%，一年可以繁育6代以上。玉米75天左右，缩短了50%，一年可以繁育4代以上。棉花83天左右，缩短了50%，一年可以繁育4代以上。还有辣椒、苜蓿等，也都缩短了一半甚至更多。”王森说。
