Quantitative review of environmental life cycle assessments of vertical farms – aligning reported impacts, and energy outlook for 2050
本研究对生菜垂直农场的环境生命周期评估进行了首次定量综述，揭示了报告中显著的影响差异源于数据报告和系统边界的不一致，同时表明通过统一这些评估并向 2050 年前实现脱碳电网转型，可将环境影响降低 30–70%。
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在寻求喂饱不断增长的人口并同时保护地球的过程中，一种新型农业从仓库和集装箱的阴影中脱颖而出。这些是垂直农场，即在电灯照射下，作物（如生菜）在堆叠的层级中生长，远离了传统田地中的阳光和土壤。其承诺是引人入胜的：这些系统可以全年生产食物，使用的水量远少于露天农田，并将新鲜农产品直接送到城市中心。然而，维持这些植物生存所需的机械——灯具、风扇和气候控制系统——几乎完全依靠电力运行。这在关于其可持续性的辩论中产生了一个核心矛盾：虽然它们节省了水和土地，但它们的能耗是否高到足以抵消其带来的益处？为了回答这个问题，科学家们依赖于一种被称为“生命周期评估”的方法，这是一种全面的核算工具，追踪产品从农场建设所需的原材料开采，到食用后废物处理的每一个环境影响。由于缺乏一种标准化的方法来比较这些复杂的系统，公众和政策制定者一直处于一种混乱的说法之中，有些声称近乎零排放，而另一些则警告存在巨大的能源成本。
一个研究小组致力于通过收集并重新审查现有的关于种植生菜的垂直农场的十一项研究，来消除这种困惑。该团队并没有直接接受这些研究的结果，而是充当了审计员的角色，提取每个设施的原始数据，并使用一套统一且一致的规则重新计算环境影响。他们将测量农场规模、用水量以及最关键的——驱动灯具和风扇的电力来源的方式进行了标准化。通过这种方式，他们可以观察到，如果同一座农场使用的是荷兰当前的电网，或者使用的是依赖风能和太阳能的未来 2050 年电网，其表现会如何。这种方法使他们能够将农业技术本身的性能与该农场所在地特定能源结构的影响区分开来。
调查显示，这些农场的表现因经营方式和建设地点而异，差异巨大。研究中的农场每年每平方米种植面积产出 7 到 97 公斤生菜，典型农场的产量约为 62 公斤。为了生产这些产量，农场每公斤生菜消耗 10 到 39 千瓦时电力，中位数为 18 千瓦时。用水量同样不一致，每公斤在 1.4 到 52 升之间波动，不过典型农场的使用量约为 15 升。研究人员发现，这些巨大的差异不仅是因为技术原因，还因为原始研究中数据的报告方式。一些研究未能明确说明他们测量的是建筑物的总面积还是仅为植物覆盖的面积，而另一些研究则忽略了关于清洗用水或设备寿命的细节。这些缺口使得在研究人员统一数据之前，很难对一个农场进行比较。
当研究小组使用相同的电力来源——2020 年的荷兰电网——重新计算所有 11 个农场的碳排放量时，结果变得清晰得多。每公斤生菜的二氧化碳当量排放量在 4.8 到 16 公斤之间，中位数为 7.6 公斤。这一发现强调了，选择能源类型是决定垂直农场环境影响的最主要因素。当研究人员观察如果这些农场由不同类型的电力驱动会发生什么时，差异非常显著。由煤电驱动的农场产生的排放量最高，而由核能或风能驱动的农场产生的排放量最低。事实上，煤电驱动的农场与核能驱动的农场之间的排放差异如此之大，对于某些特定设施而言，其差距甚至可能超过一百倍。这证实了垂直农场本身并非天生对气候“好”或“坏”；其影响几乎完全取决于它所接入的电网的清洁程度。
展望未来，研究人员模拟了如果中国、荷兰和美国等主要国家实现其 2050 年实现电网脱碳的宏伟目标，将会发生什么。预测结果是乐观的。如果这些农场由 2050 年更清洁的电网驱动，其对气候变化的影响与 2020 年水平相比可能会下降 30% 到 70%。累计能源需求和土地利用也将显著减少。然而，研究也揭示了一个隐藏的权衡。随着世界从化石燃料转向可再生能源，建造风力涡轮机、太阳能电池板和电池所需的矿物和金属需求也急剧增加。研究人员估计，这种转变将导致矿物和金属的使用量增加 200% 以上。这表明，虽然垂直农业在脱碳世界中的空气和气候效益可能会大幅提升，但对地球矿产资源的压力将会加剧。
研究结论认为，垂直农业具有巨大的潜力，但前提是该行业改进其数据报告方式，并且为其提供动力的电网持续向清洁化转型。研究人员强调，为了让这些农场实现真正的可持续发展，它们需要提高效率。在他们的审查中，表现最好的农场每公斤使用 10 千瓦时，但理论模型表明，通过更好的技术和管理，这最终可以降至低至 3.3 千瓦时。在此之前，垂直农业的环境定论仍然是一个取决于背景的问题。在一个以煤炭为主的电网国家的垂直农场，其碳足迹可能比传统的温室更大；但在一个以风能为主的国家，同一座农场则可能成为一种气候解决方案。未来的道路不仅需要更好的农业技术，还需要全球对更清洁电力以及建设这些室内农场的公司进行更透明报告的承诺。
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