《Sustainable Production and Consumption》：Life cycle assessment of hydroponic container farm use in U.S. urban food system transitions
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城市食物系统正面临日益增长的压力，既要维持不断增长的人口，又需平衡现代食品供应链固有的复杂环境、经济和社会维度。城市尺度的水培系统（hydroponic systems）被视为能够为城市提供可靠、全年粮食生产并促进更广泛的可持续发展目标的途径。然而，水培系统运
城市食物系统正面临日益增长的压力，既要维持不断增长的人口，又需平衡现代食品供应链固有的复杂环境、经济和社会维度。城市尺度的水培系统（hydroponic systems）被视为能够为城市提供可靠、全年粮食生产并促进更广泛的可持续发展目标的途径。然而，水培系统运行可能高度耗能，导致其气候影响抵消对城市区域的可持续性效益。本研究应用生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA），评估在美国城市食物系统转型的三种使用情景下水培集装箱农场（Hydroponic Container Farm, HCF）系统生产与使用的环境影响。结果表明，与传统田间种植方法相比，该系统耗水更少，但通常导致更高的气候影响。HCF影响与同尺度运行的其他城市农业选项相当。然而，影响在很大程度上取决于农场运营的地点、目标和特征，特别是能源使用量和电网碳强度，导致气候影响在5.0至25 kg CO?-eq/kg生菜之间变化。情景分析表明，通过整合可再生能源并优化运营效率和产量可以减轻环境影响。然而，在美国使用水培集装箱农场可能导致环境权衡，决策者必须相对于其在可持续城市转型中潜在的社会和经济效益进行评估。
**论文解读：美国城市食物系统转型中水培集装箱农场的生命周期评估**
**研究背景与问题提出**
随着全球超过半数人口居住在城市，城市食物系统正面临人口增长与可持续发展目标的双重压力。城市高度依赖农村地区供给能源、材料和食品，自身仅生产居民所需食物的极小部分，这使得城市食品供应链易受天气、政治经济变化以及供需波动等外部风险因素的冲击。同时，气候变化加剧了极端高温、降水模式改变和病虫害压力，进一步威胁城市粮食安全。在此背景下，城市和城郊农业被视作增强城市食物自给能力、减少食品浪费并增加果蔬获取途径的潜在方案。然而，传统土壤基城市农业受限于土地法规、土壤污染和灌溉用水等问题。控制环境农业（Controlled Environment Agriculture, CEA）通过调控光照、营养、温度和湿度等环境因子，可在非耕地空间内进行作物生产，为城市食物系统转型提供了新选项。其中，水培集装箱农场（Hydroponic Container Farm, HCF）作为一种模块化、自包含的集装箱式水培系统，具有部署灵活、无需大面积土地和土壤等优势，被宣传为可持续的城市食品生产方式。然而，HCF运行能源密集，可能导致较高的气候影响，与其可持续性宣称存在潜在矛盾。既有文献对HCF环境影响的评估结果差异巨大，且多聚焦于商业化食品生产场景，缺乏对社会目标导向型应用（如教育、社区参与、劳动力培训）的环境影响考量。因此，本研究旨在通过生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）系统评估HCF在不同城市食物系统使用情景下的环境影响，并与社会效益进行权衡分析，为城市决策者和社区组织提供科学依据。
**研究目标与结论概述**
研究人员以美国东北部城市区域一个实际运营的HCF为案例，该农场由社会导向型社区组织运营，生产蔬菜捐赠给本地食物银行，同时提供青少年教育项目。研究构建了涵盖HCF基础设施制造、耗材生产和运营阶段的全生命周期模型，以生产1 kg生菜为功能单位，采用ReCiPe 2016 v1.1（中点、层级主义）方法评估包括全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）、水消耗（Water Consumption, WC）在内的多种环境影响类别。研究设置了三个运营情景：中等情景（典型社区组织，兼顾食品生产与社会影响）、高效情景（商业农场，追求资源最小化和产量最大化）和低效情景（学校或培训机构，以社会成果为优先）。结果显示，HCF系统单位产量耗水量显著低于传统田间生菜种植，但气候影响通常更高。基线情景（中等运营、30年基础设施寿命、美国平均电网）下，生产1 kg生菜的气候影响为11.6 kg CO?-eq，其中电力贡献占88%。不同情景和电网碳强度组合下，气候影响范围为5.0至25 kg CO?-eq/kg生菜。尽管可再生能源整合和运营优化可降低影响，但在美国当前能源结构下，HCF的气候影响仍显著高于传统大田农业（0.105–0.7 kg CO?-eq/kg），但与具有类似社会参与度的土壤基城市农业（1.1–3.3 kg CO?-eq/kg）在某些高效低碳情景下开始接近。因此，HCF在美国的使用可能带来环境权衡，决策者需结合其社会经济效益进行综合评估。
**主要技术方法**
本研究遵循ISO 14040/44指南开展生命周期评估。数据以2025年5–8月在美国东北部一个运营中的HCF现场采集的一次数据为主，包括产量、水耗、电力、肥料、种子、育苗介质、包装材料等运营参数，以及通过直接测量和观察获得的HCF基础设施材料清单。运营数据映射至ecoinvent v3.11背景数据库，并使用SimaPro Craft 10.2软件建模。电力假设为美国平均电网组合。为填补数据缺口和构建情景，研究人员筛选了4篇可比的同行评审文献（Bafort et al., 2022; Farfan et al., 2019; Liebman-Pelaez et al., 2021; Sambor et al., 2020），这些文献报告了40英尺HCF系统种植生菜的技术数据。情景参数基于一次数据和文献数据的分布推断，采用均匀分布的第一、第三四分位数分别代表高效和低效情景。敏感性分析考察了基础设施寿命（15、30、50年）和电力来源（美国平均电网、高碳强度HICC区域、低碳强度NPCC区域、全太阳能光伏）的影响。
**研究结果**
**4.1 HCF基础设施和运营的环境影响**：电力使用是HCF大部分环境影响的主导因素，中等运营情景下，生产1 kg生菜消耗约21 kWh电力，贡献了88%的总气候影响。基础设施制造对气候影响贡献小于10%，但对人体致癌毒性、矿物资源稀缺和陆地生态毒性等类别贡献显著，其中集装箱结构（约4980 kg不锈钢）是主要来源。其他耗材（水、种子、肥料、二氧化碳等）在多数类别中贡献低于6%，但补充二氧化碳在14个影响类别中占比最大，肥料生产则主导土地利用、臭氧层消耗和矿物资源稀缺。若使用“免负担”二手集装箱，气候影响最多可降低37%，但未计入翻新过程的实际影响。
**4.2 不同城市食物系统使用情景下HCF环境影响比较**：从高效到低效运营，气候影响变化约±30%。高效情景（商业农场）相比中等情景，GWP和WC约降低30%；而低效情景（学校或培训项目）使GWP比基线增加约30%。对于受电力影响较小的类别（如人体致癌毒性），运营效率变化的影响较小（约15%差异），因为此类影响更多来自基础设施。
**4.3 敏感性分析**：HCF寿命从30年变为15年或50年，GWP分别变化+4%和?1.5%，影响较小，因为集装箱结构是基础设施影响的主要贡献者。电力来源是更敏感的因素：在低碳强度NPCC区域，GWP相比美国平均电网降低18–57%；在高碳强度区域，GWP增加10–115%。若完全采用太阳能光伏供电，GWP可降至2.7 kg CO?-eq/kg生菜（降低82%），但矿物资源稀缺仅减少7%，陆地生态毒性反而增加77%，源于太阳能板生产过程。研究指出，HCF在夏威夷、阿拉斯加等高碳电网但地理隔离区域具有特殊价值，体现了社会效益与环境成本的现实权衡。
**4.4 解释与启示**：本研究HCF生菜气候影响（8–15 kg CO?-eq/kg）与美国三区域（3.7–13.0 kg CO?-eq/kg）以及英国和南非（8.9–17.8 kg CO?-eq/kg）的研究相当，但远高于挪威和瑞典（0.89–1.24 kg CO?-eq/kg），后者得益于低碳电力。与传统大田生菜（0.105–0.7 kg CO?-eq/kg）相比，即使高效运营HCF也难以达到同等气候表现；但HCF耗水量（3.0–6.4 L/kg）远低于传统方法（>90 L/kg）。与具有相似社会参与度的土壤基城市农业（1.1–3.3 kg CO?-eq/kg）相比，HCF在最高效、最长寿命和低碳电力组合下（2.1–5.0 kg CO?-eq/kg）开始接近其范围。HCF的小型固定尺寸限制了产量和规模扩展，案例农场为提供参观学习空间牺牲了部分种植面积，这也是环境表现相对较差的原因之一。然而，HCF的灵活部署和近距离供应可减少运输损失，其社会功能难以用单纯食品生产功能单位衡量。
**4.5 局限与未来研究需求**：结果不能推广到电网结构与美国显著不同的地区，也不适用于大型垂直农场等其他CEA类型。电力消耗测量存在挑战，尤其当HCF与城市基础设施共用电表时。未来应推动制造商和软件开发商在监控系统中集成能源、水和耗材追踪功能。HCF的多功能性（食品生产与社会影响并存）导致难以用单一功能单位进行LCA比较，需要开发社会指标和多准则分析方法，综合评估城市食物系统解决方案的社会、经济和环境成效。
**结论**
水培集装箱农场作为分散式系统，有潜力增强城市食品生产，尤其适用于土壤、气候和基础设施选址受限的地区。然而，本研究的LCA结果表明，在美国使用HCF可能导致显著高于传统田间农业的GWP影响，与其它类型城市农业相当或略高。大多数环境影响与HCF运行期间消耗的电力相关，用于LED生长灯、水循环和温湿度控制；少数毒性及矿物需求相关影响则主要来自集装箱制造及其配套基础设施。通过重复利用集装箱和延长农场寿命可降低基础设施影响，通过选址低碳电网区域、接入微电网或使用可再生能源可缓解电力相关影响，但这些解决方案在HCF可能带来最大食物系统效益的地区或城市空间受限时难以实施。同时，提高种植者培训水平、优化系统设计和照明可提升产量并降低能耗。值得注意的是，造成HCF环境影响的材料和过程也恰恰是其实现全年、离网运行独特功能所必需的，气候影响可能成为城市决策者为换取水耗降低和本地新鲜食品稳定供应而接受的合理代价。鉴于HCF可能通过教育、研究、社区参与和社会影响间接增强城市食物系统，未来需开发合理分配食品生产与社会影响功能的方法或多准则分析工具，以全面评估其综合效益与成本。
