垂直农场与传统农田生菜生产的生命周期对比评估(LCA)：气候韧性食品系统的可持续发展路径

这篇综述通过生命周期评估(LCA)对比分析了英国垂直农场(VF)与传统农田(包括英国两种土壤类型和西班牙农场)生菜种植的环境影响。研究发现垂直农场在除水资源利用外的所有环境影响类别中均表现更高排放，但在使用可再生能源时其温室气体排放(0.93 kg CO2eq kg?1)与农田种植(0.58 kg CO2eq kg?1)更具可比性。研究特别强调了垂直农场高达97.3 kg m?2的土地利用效率及其带来的土地节约潜力。

　　

全球粮食系统面临严峻挑战

气候变化加速了农业用地退化，全球人口预计到2050年将增长至97亿，食品需求将增加56%。当前食品系统占全球排放的26%，实现巴黎协定1.5°C目标需要农业部门的战略减排。英国高度依赖进口新鲜果蔬，冬季生菜80%来自西班牙，而西班牙正面临严重水资源压力。

研究方法创新

本研究采用生命周期评估(LCA)方法，首次整合土壤地球化学模型(DNDC 9.5)计算农田土壤排放，对比分析了13种生菜生产情景。包括：

• •

  英国两个商业农场（矿质土壤和泥炭土壤）

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  西班牙四种种植情景

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  英国垂直农场三种能源情景（100%可再生能源、2022电网、2050电网）

关键研究发现

能源与土壤排放是核心影响因素：

1. 1.

   垂直农场VF2（当前电网）排放最高（4.71 kg CO₂eq kg^?1），但使用可再生能源(VF1)降至0.93 kg CO₂eq kg^?1

2. 2.

   英国泥炭土壤农场因耕作释放大量CO₂（10,179-11,965 kg ha^?1）

3. 3.

   西班牙农场因大量施用有机肥呈现负土壤排放(-0.36 kg CO₂eq kg^?1)

垂直农场的优势与挑战

显著优势：

• •

  单位面积产量达97.3 kg m^?2，是农田平均(3.3 kg m^?2)的30倍

• •

  可节约8,267公顷土地用于生态修复或可再生能源生产

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  水资源利用效率显著高于西班牙农场

主要挑战：

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  黄麻纤维种植模块贡献了96%的土地利用影响

• •

  当前电网供电下环境表现较差

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  在富营养化和酸化影响方面表现不佳

农田系统的关键发现

1. 1.

   柴油使用是英国农场主要热点（贡献气候变化的49-71%）

2. 2.

   西班牙农场运输排放占整体影响的48-128%

3. 3.

   泥炭土壤耕作深度(30cm+)导致高碳排放

未来发展方向

1. 1.

   垂直农场应：

   • •

     开发替代种植基质（如椰糠可将土地影响降至0.019 m²a kg^?1）

   • •

     与可再生能源设施共址

   • •

     优化昼夜生长周期以利用低谷电力

2. 2.

   农田系统需：

   • •

     电动农机具替代柴油设备

   • •

     保护性农业措施减少土壤扰动

   • •

     优化灌溉和施肥管理

研究意义

这项工作为理解不同农业生产系统的环境权衡提供了重要依据。垂直农场在实现完全可再生能源供电和优化种植基质后，其环境影响可与传统农业媲美，同时提供显著的土地节约和全年稳定生产优势。研究结果对制定可持续食品政策、应对气候变化和保障粮食安全具有重要参考价值。