12.5 垂直水上乐器
12.5.1 导言
虽然水生动物可以被视为以更可持续和生产性的方式提高粮食生产的全球解决方案的一部分，在城市地区种植更多的粮食现已被认为是解决粮食安全和全球粮食危机的一部分（Konig 等人，2016 年），但水生系统本身可以此可以成为通过采用替代种植技术，学习垂直耕作和生活墙等新兴技术，提高生产力和可持续性（Khandaker 和 Kotzen 2018）。 此外，通过节省空间，它们可以更好地融入城市地区。
在发达国家，大多数水生系统都放置在温室，以控制温度；例如，在北欧和北美，冬季气温过于寒冷，在西班牙、意大利、葡萄牙、希腊和以色列等地中海地区，夏季气温过于温暖。 当然，在受控温室种植食物还有许多额外的优势，例如能够调节相对湿度和控制空气流动，能够将鱼类和植物从疾病和害虫中隔离出来，并有可能添加 COSub2/Sub，以帮助植物生长。 然而，在温室中种植农产品可以很容易地通过以下方式提高成本：(a) 温室的资本成本（大致估计 2017 年美元/msup2/sup Arnold）和 (b) 包括供暖和冷却系统和照明在内的微气候控制等相关基础设施。 除了初始基础设施成本之外，还有具体的温室生产成本，其中包括供暖和冷却的能源/电力供应以及照明。
由詹姆斯·拉科奇博士及其同事设计的维尔京群岛大学（UVI）系统（图 12.1）等大多数水生系统都使用水平种植槽或床，仿效传统陆地耕种模式来生产蔬菜（Khandaker 和 Kotzen 2018）。 换句话说，该系统依赖于通常升高到腰部左右的水平行/植物阵列，以便能够随时完成与植物有关的管理任务。 生活墙和垂直耕作技术方面的平行发展几乎是在水生动物发展的同时发生的，同样处于青少年发展阶段。 同样，随着越来越多的人参与，系统和技术发展也随之增加，以提高生产力和降低成本。 垂直生长系统（垂直耕作系统和生活墙）而不是水平床与鱼类和过滤罐相结合，是提高生产力的一个关键方法，因为与典型的生产数量相比，应该有可能增加蔬菜种植的数量水平床水上乐器。 UVI 水生系统（图 12.2）每平方米生产大约 32 株植物（Al-Hafedh 等人，2008 年），具体取决于生长的物种和品种，但正如汉达克和 Kotzen（2018）所指出的，每平方米大约可以生长 96 株植物。密度为三倍以上的 LW 系统
** 图 12.2** 典型的 UVI 系统示意图，说明鱼缸/过滤器/植物种植罐的比率为 2:1:5。 这表明，最大的面积被植物包括在内，正是在这个区域可以考虑节省空间。 （汉达克和科岑 2018）
相比 UVI 横向增长系统 ‘. 保守的估计应至少将水平床生长的最大量增加一倍，达到 64 株植物 /msup2/sup。 在一个实验的生菜 (_L.CV. Touliatos 等人 (2016 年) 表明，“垂直耕作系统 (VFS) 提供了一个有吸引力的替代水平水培生长系统 (以及) 可以通过纳入人工照明在 VFS “。
** 垂直农业系统 (VFS) **
在我们讨论垂直系统的具体要求之前，我们需要讨论可用的系统类型。 在 VFS 中，有三种主要的泛型类型（图 12.3）：
- 堆叠式水平床：床不仅仅有一张水平生长床，而是堆叠在层叠上的架子上。 这种安排意味着，在温室中，只有上层床面朝直接自然光线，所有层面都需要提供补充光线。 这通常是从上面的生长床下直接提供的。 原则上，这可能意味着生长的床位可以堆叠在温室允许的高度，但当然，在高处种植物意味着系统的管理困难更大，包括种植、维护和收获，需要剪刀式升降机和额外的能量来泵送富含营养的水提高到所有级别。 根据光明农业技术（Stole 2015），多达四个层次是有利可图的，任何高于这是无利可图的。 Slovel（2015 年）进一步指出，当需要剪刀升降机时，第二、第三和第四层的劳动力增加了 25%（图 12.3，图解 A）。
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** 图 12.3** 垂直耕作系统及其照明装置
垂直塔系统 (VTS)：垂直塔系统包括在一个容器或一系列堆叠模块内的垂直阵列中种植工厂的系统。 根据系统的不同，植物种植面向一个方向，或者，例如，如果它们以管状的形式种植，那么它们可以安排面向任何方向。 垂直阵列系统的一个例子，其中植物面向单个方向生长的 ZipGrowSuptm/SUP 可以挂起或支撑成行（图 12.3，图示 B1）。 之间的行大约为 0.5 米（20 英寸）。 以更加立体的方式生长在堆叠系统或管状系统中可以生长更多的植物，但照明更复杂（图 12.3，图 B2）。
阶梯层：这些系统包含刚性或移动的工厂槽。 新加坡的 SkyGreenens VFS 使用旋转槽系统，将水槽向上移动并进入光线。 附加的自然光对顶部更显著，而底部则较少（图 12.3，图示 C1）。 其他层系统采用步进式设计，使每一层都有一个无障碍的接口，无论是来自温室屋顶的自然光还是人造光。 但是，这些系统必须相当低，才能让人们到达植物（图 12.3，图解 C2）。
** 生活墙 **
除了在伦敦格林威治大学（Khandaker 和 Kotzen 2018）等一些试验系统之外，生活墙尚未用于水上乐园。 虽然大多数 VFS 使用营养膜技术 (NFT) 生长通道或封装的矿棉块，但 LW 有时也会在盆或槽中使用土壤类型的基材，这些基质可以提供生根介质。 虽然这对于种植观赏植物以及蔬菜和草药都是很好的，但如果与鱼缸结合使用，系统中的任何土壤都可能会使系统的微生物特性复杂化，并对鱼类造成不利影响。 然而，这是未知的，需要进行研究。 在格林威治大学（Khandaker 和 Kotzen 2018）进行的实验表明，从多种单一的惰性基材（包括水利、珍珠岩、稻草、苔藓、矿棉和椰子纤维）中，椰子纤维和矿棉在根部渗透方面都有优越的优势和生菜根生长（__）。
** 垂直与横向：要考虑的因素 **
在比较垂直增长与横向增长相比的效益 (生产力和可持续性) 时，需要考虑四个关键方面。 这些是 (1) 空间，(2) 照明，(3) 能源和 (4) 生命周期成本。
- _ 空间 _
能够垂直、背靠背地种植农产品的好处需要与提供均匀分布照明所需的空间以及管理和维护所需的行空间进行平衡。 水培系统中一行的宽度会有所不同。 如前所述，标准的 ZipGrowSuptm/SUP 系统约为 0.5 米，而种植西红柿和黄瓜的通常行宽从 0.9 米到 1.2 米不等（巴杰里-帕克和詹姆斯 2010 年）。 种植较小的植物，如生菜和草药，如罗勒，可能允许更窄的行，但当然，行宽必须确保产品不会因移动推车和剪刀升降机等物品而受到影响。 垂直增长的一个关键问题是具有固定行和固定照明之间发生的冲突，这需要位于种植外墙之间的行。 这些灯会阻碍人们的移动，因此灯需要 (i) 生长结构的一部分，或 (ii) 可伸缩或移动，以便工人能够随时完成任务，或 (iii) 种植结构是可移动的，灯保持静止。
- _ 照明 _
蔬菜和其他植物的温室生产依赖于具体的空间安排，这些安排允许种植、通过生长进行管理，然后收获。 空间安排将取决于植物的类型和所安装的机械化类型。 此外，增长有效地依靠补充的额外光的不同类型，这些都有自己的优点和缺点。 一般来说，这些灯具的作用是为植物生长和水果或花卉生产提供特定的波长。 虽然水平生长的植物相对简单而且更常见，但对垂直表面均匀照亮更是一项挑战。
在照明类型方面，许多生产商已经转向或试图安装 LED（发光二极管），因为它们的使用寿命长达 50,000 小时或更长（Gupta 2017），其低功耗要求以及最近降低了成本。 Virsil 等人在 Gupta（2017）中指出，LED 照明在温室中的大多数应用都选择红蓝波长的组合，具有高光子效率，但绿色和白色光对植物有积极的生理影响。 然而，蓝色和红色的灯光组合产生了一个紫灰色的图像，这妨碍了对植物健康的视觉评估。 选择波长的类型是复杂的，可以在植物的生命的不同阶段，甚至根据品种，例如，生菜。 红叶生菜，例如，对蓝色 LED 照明作出反应，增加了色素沉着（Virsile 等人，2017 年 Gupta）。 此外，蓝色 LED 照明可以改善绿色蔬菜的营养品质，减少硝酸盐含量，增加抗氧化剂和酚类等有益化合物。 光谱也会影响味道、形状和质地（Virsile 等人，2017 年 Gupta）。 LED 的成本显著下降，并且 LED 的功效提高，因此投资盈亏平衡回报时间缩短了（Bugbee 2017 年 Gupta）。
当然还有其他照明，其中包括荧光照明、金属卤化物（MH）照明和高压钠（HPS）照明。 在垂直耕作中使用的照明类型和生活墙壁，因规模和位置的不同而有很大差异。 紧凑型荧光灯 (CFL) 相对较薄，可以很容易地装入狭小的空间，但它们需要一个电感镇流器来调节通过管道的电流。 CFL 仅使用 20—30% 的白炽灯泡，它们的使用寿命延长 6 到 8 倍，但它们的效率比 LED 低近 50%。 它们是迄今为止最便宜的三种主要类型的生长灯。 HPS 种植光技术已经超过 75 年，是在玻璃下生长的良好基础，但它们产生大量的热量，因此不适合垂直耕作和生活墙壁，在这些地方需要将光线传送到相当靠近植物。 另一方面，LED 生长灯产生的热量是最小的。 然而，成本高于其他两种类型，需要对长期暴露于 LED 进行眼睛保护，因为长期暴露于光谱可能对眼睛造成损害。 VFS 装置的布局将决定照明布局，但总体而言，这些灯光是由 LED 点亮的。 照明生活墙壁的方法将取决于墙壁的高度。 墙壁越高，就越难以在表面上施加均匀的散布，尽管应该指出的是，使用的灯光数量应该与水平生长床中使用的灯光数量没有什么不同，如果墙高，那么灯可能需要交错。 由于大多数生活墙壁都是为了美学目的，因此需要尽可能保持照明，而且照明不仅要为植物的生长和健康提供足够的光线，还要使植物看起来很好（图 12.4）。
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** 图 12.4** 一个 4 米高、5 米长的生活墙可以用六个高效放电灯充分照明。 请注意，这些选择不仅是为了提供足够的光线为生长，但也使植物在生活墙上看起来不错。 (格林威治生活墙大学. 资料来源：奔驰 Kotzen）
LED 技术的进步，照明频率和强度可以根据个别物种和品种以及它们的不同生命周期进行设计，这意味着 LED 将在不久的将来成为首选技术。 减少费用将进一步加强这一点。
- _ 能源 _
VFS 和 LW 可能需要更多的照明能源，因为即使是自然光线也无法在垂直表面上实现。 此外，还需要更多的抽水功率来进行灌溉，这将与 VFS 或 LW 的高度相对。
- _ 比较生命周期分析 (LCA) _
虽然有许多关于水生物的生命周期分析和水生生态系统的各个方面的研究，但没有比较研究可以比较垂直与水平水生物学。 这项工作尚未完成。 我们正在达到这样一个地步，即垂直水生物很可能需要进一步的测试和研究，并且在时间上将垂直耕作系统或活壁系统与鱼缸和过滤装置相结合的垂直水生生物学有可能成为更加主流，只要这些可能是有利可图的可持续发展.