室内农业的能源困境：全球能源需求的新兴驱动因素及其可持续性挑战

为解决室内农业（CEA）的可持续性争议，研究人员开展全球116项研究的荟萃分析，发现CEA能耗比露地栽培高5个数量级，且太阳能供电需3倍土地面积。研究表明能源效率提升受限，大宗作物生产不可行，呼吁政策制定者加强监管。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，传统农业面临土地资源稀缺、极端天气频发等挑战。受控环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）——包括机械化温室和无窗植物工厂——被广泛推崇为可持续农业的解决方案。然而，这种看似先进的种植方式是否真正环保？最新研究发现，CEA正成为全球能源需求的隐形驱动力量。

在《npj Sustainable Agriculture》发表的一项突破性研究中，研究人员通过荟萃分析揭示：CEA虽然仅提供美国不到1%的粮食作物，但其能耗已超过所有露地栽培的总和，若扩张十倍可能达到全国能源用量的7%。这项研究分析了覆盖40个国家及南极洲的116项研究，涉及23种作物类型，发现每单位产量的能耗差异高达五个数量级。

为开展这项研究，作者采用系统文献检索法从748篇文献中筛选出116篇具备完整能耗数据的研究，包含486个栽培试验的测量或模拟数据。研究重点分析农场层面的能源使用（通常占生命周期环境影响的主要部分），使用统一标准将能耗转换为MJ/kg产量和MJ/m²-年等可比指标。数据来源包括实测数据和模型计算，其中43%来自全球1686个生产基地的实测数据，总种植面积达1460万平方米。

结果

能源使用的数量级差异

研究发现不同作物类型、设施类型和地理区域间的能耗强度存在惊人差异。生菜和番茄的能耗强度部分重叠，草本植物和叶菜类能耗较高，黄瓜能耗最低，而大麻的能耗强度比其他作物高出数个数量级。接近大麻能耗下限的是大豆和小麦，研究发现即使使用LED照明、高效暖通系统和完善的保温设施，这些作物在经济上仍不可行。

按设施类型分组时，温室能耗强度最低（中位数27 MJ/kg），植物工厂次之（127 MJ/kg），其中大麻达到23,300 MJ/kg，非大麻作物为78 MJ/kg。相比之下，露地作物的能耗强度中位数仅为1 MJ/kg左右。

极端环境下的CEA：极地应用特别耗能

南极洲的CEA设施能耗强度达到约17,000 MJ/kg（混合蔬菜），比食品生产中位数高200多倍。加拿大北极地区的集装箱农场种植黄瓜的能耗强度约为6,000 MJ/kg，尽管照明和除湿的废热几乎满足所有供暖需求，但仍需要近50千瓦的可再生能源和电池存储来支持这个6.7平方米的种植区。

大麻困境：最耗能的作物

大麻成为能耗强度最高的作物，约占美国当前CEA作物价值的95%。其能耗高的可能原因包括：按干重而非鲜重计算产量、取缔和其他因素导致的高作物损失、未使用木质生物质比例高（低收获指数）、长栽培周期（约70天）和光周期（12-18小时/天）、较高的照明强度（PPFD高达1323 μmol/m²/s）导致冷却需求增加，以及比大多数粮食作物更高水平的CO₂富集（通常为1000-1200 ppm）。

能源是生产主要粮食作物的制约因素

多项研究发现，由于水果、谷物、豆类、种子、根茎作物和其他高蛋白/高热量的主要粮食作物比生菜和草本植物等作物的能耗强度显著更高，因此无法在CEA中实现成本竞争性生产。例如，即使规模化生产，CEA设施中的草莓价格也是露地种植等效产品的十倍。

提高能效技术应用前景受限

全球温室和植物工厂运营商调查显示，三分之二未采用任何能效策略。主要障碍包括：前期成本（利润微薄使问题加剧）、资本和融资渠道缺乏、知识不足、对高效技术性能的怀疑和缺乏信任、缺乏高管支持以及培训不足。即使种植能耗最高作物的栽培者平均也要求能效投资在4年内回收。

过程变更可能降低或提高能效

选择CEA设施类型（温室而非植物工厂）或许是影响能效的最重要决定因素。一些研究记录了其他有前景的过程变更形式，包括减少光周期和光照强度（如甜菊糖案例）、在将草莓枝条带入受控环境开花结果前先在户外生长，以及改变灌溉施肥技术、光照水平、照明位置和温室操作。

讨论与结论

研究发现农场层面的CEA能源使用通常是作物生产生命周期环境影响的主要贡献者，其总能耗超过美国露地栽培，但提供的收成不足全国1%。CEA现在的能耗已经超过加密货币挖矿、饮料和烟草产品制造以及建筑部门的许多细分领域（超市、餐厅、医院、酒店或仓库）。

CEA最具吸引力的应用场景是那些进口依赖度和运输能耗需求高，或气候不适合户外作物生产的地区。这些通常是极端或偏远地区，可能对应低收入国家。然而在这些背景下，CEA实践往往特别耗能，对化石燃料依赖性最强，并且在技术支持获取和操作员技能方面问题最大。

分析揭示了CEA能源使用和效率模式的巨大差异。虽然最高产量通常出现在无窗多层植物工厂中，但温室通常每单位产量的能耗要低得多。能耗强度最低的是简单的"开放式"温室（即机械设备和人工照明最少）。逐步提高产量可能导致收益递减和其他意外环境影响。

露地栽培仍然是能耗最低的作物生产形式。虽然CEA设施往往高度优化，但尚未发现有关能源的研究将室内最佳实践与室外最佳实践进行比较，后者从旨在减少能源使用的研究和开发中获益较少。更长距离的运输系统也可以实现显著的碳减排，从而改变CEA农场靠近市场的好处计算。

CEA过程进一步提高能效的潜力有限。虽然本研究回顾的文献时间跨度达三十年，但一半是2020年以后发表的，四分之三是2017年以后发表的。因此结果在很大程度上代表了当前的技术、实践和市场状况。模型研究通常假设理想条件和最先进技术，甚至尚未在实践中证明的做法。

一些作者提出了CEA的宏伟愿景，但仅用定性和规范陈述来解决能源问题，认为可再生能源和能源效率就足够了，或者明确表示CEA的碳足迹低于露地栽培，并推断这些方法在目前形式下是可行的。其他人引用的一些文献被某些人称为旨在培养合法性，并不加批判地关注该行业的"拯救世界"潜力。

这表明追求CEA仍然是显著技术热情的表现，甚至是非理性繁荣。如今，在温室出现两千多年和电照明引入CEA环境一个多世纪后，产量确实显著提高。然而，主要由于能源需求，主要粮食作物无法通过CEA经济有效地生产，因为这些高热量作物需要几个数量级的更多能源投入。即使就当前实践而言，CEA业务开发人员正面临与资本和运营（主要是能源）成本相关的经济负担增加（和破产）。

为更有效应对这些挑战，并与其他综述结果一致，CEA能源评估需要更多方法上的细微差别、透明度和严谨性。最广泛引用的研究之一在能源使用的简化模型近似方面也是最基础的。方法论需求包括更清晰和更严格定义的系统边界、更详细的能源核算（包括能源类型和用途的分类）、明确识别省略的能源用途、单独报告运输和加热燃料，以及记录嵌入式热转换因子。

关键研究需求包括：为设施间比较制定更精细的基准，更多分析运输和其他农场外能源使用，将过程变更作为有前景的节能途径，区域和国家层面的能源和排放建模，低收入国家的技术经济评估，以及露天栽培的能源优化。由于开发现有文献的作者团队往往只擅长能源、农学或生命周期评估（LCA）中的某一个，很少同时精通三者，更多跨学科工作可能会产生新的见解。

政策制定者应倡导农业规划和能源规划更紧密结合，例如促进过程级能耗强度降低，并根据当地电网条件和太阳能可利用性选址CEA设施。研究和激励措施应同时关注露天和CEA策略。需要更全面的市场和行业结构数据：对许多国家来说，估计当前国家能源使用和排放或进行预测的信息不足，从而束缚了政策制定者。在美国无疑还有其他地方，大麻案例尤其问题严重，因为联邦层面禁止研究，地方层面也有限制，依赖联邦支持其他机构的机构感到不安。

农业产业面临一个内在矛盾：一方面是CEA倡导者承诺的气候韧性诱惑，另一方面是CEA能源使用对气候的不利影响（如果基于化石燃料），或其他环境因素（如果基于土地密集型可再生能源，特别是在垂直农场案例中）。一个或许更实际的担忧是CEA的商业目标与失败CEA公司模式的并列，后者在很大程度上归因于高能耗系统的高成本和它们产生的能源账单。增强露天农业韧性和效率的新努力可能会产生更好的经济和社会结果。