垂直农业是一种较为成熟的种植高价值蔬菜和水果的方法。然而，在垂直农场中种植主粮作物仍然是一个崭新的、需要不断发展的问题。最近，在垂直农场中栽培的小麦被报道可达到每平方米11.7公斤的年产量。垂直农业指的是在高度控制的室内环境中垂直堆叠种植作物，其具有多种好处，比如有实现更高的水分和养分利用效率，减少农药和除草剂的使用，以及减少农业污染。为了通过垂直农业实现主粮作物的大规模生产，可以通过优化光合作用和生长动态以提高产量，培育更适合垂直农业的作物降低能源成本等。将垂直农业与光伏发电结合起来，大幅度提高生产系统的整体光能利用效率也是一条潜在的发展道路。
北京时间2023年3月31日，来自中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员以及荷兰瓦赫宁根大学园艺与植物生理组的Leo Marcelis教授在Modern Agriculture期刊上发表了评论性文章，探讨了通过垂直农业实现主粮作物大规模生产的未来发展之路。
最近，Infarm宣布在垂直农业方面取得了突破，成功在室内农场生产小麦，并取得了每平方米11.7公斤的惊人年产量（‐step‐towards‐a‐future‐where‐food‐insecurity‐is‐a‐thing‐of‐the‐past）。照此预测相当于每年每公顷117吨，这将是通过垂直农业主粮作物从而确保全球粮食安全的一个重要里程碑事件。
垂直农业的概念最早由美国哥伦比亚大学的Dickson Despommier教授和日本千叶大学的Toyoki Kozai教授在二十多年前提出的。它利用传感器、人工智能和机器人等现代技术，在高度控制的垂直堆叠环境中种植作物。垂直农业为现代农业面临的土地稀缺、水资源保护、气候控制和粮食安全等挑战提供潜在解决方案。它经常被提议作为一种方法来满足到2050年预计增加70%的粮食需求。根据联合国粮食及农业组织的数据，全球可耕地面积自1961年以来减少了33%，2019年约为13.8亿公顷(‐rankings/arable‐land‐by‐country)。而1961年以来，作物单位面积产量的年平均增幅约为1.5%，这不足以满足不断增长的粮食需求。垂直农业通过多层种植作物最大限度地提高单位种植面积的产量，其有望大幅提高粮食产量。例如，就小麦生产而言，理论上垂直种植的产量可以达到传统农田产量的220-600倍。
除了扩大种植/种植面积，垂直农业还可以提供许多额外好处。通过在室内种植作物，它可以保护作物生产免受环境和天气的干扰，同时通过优化环境参数，如光、温度、湿度和CO2水平，大幅度提高作物残留。垂直农业同时还可以通过对排水的循环利用和蒸腾回收，大幅度提高水分利用效率及养分利用率，并减少农业污染和温室气体排放。由于作物与外界环境隔绝，农药和除草剂等化学品的使用可以大幅减少，进而提供了巨大的生态优势。此外，垂直农业可以在城市地区进行，减少运输和储存成本，使作物更接近消费者。最后，垂直农业相关技术也可用于太空探索。
垂直农业因其巨大的潜在效益而受到学术界、投资界和工业界的广泛关注。在过去的20年里，利用垂直农业技术生产绿叶蔬菜的技术取得了巨大的进步。然而，以成本低廉的方式生产主粮作物仍具有重大挑战。高昂的运营成本，尤其是与LED照明相关的电力成本，阻碍了其在该领域的发展。通过垂直农业生产蔬菜或作物的成本估计大大高于传统的农业生产。为了克服这一挑战，必须同时促进作物生长和降低能源成本。
首先，通过优化光合作用以提高产量：垂直农业中的环境因素都可以进行优化调整。比如可以优化光配方，这包括优化光周期、光强和光质（光谱，光照强度和光照频率）同样还可以调节营养配方，可以优化CO2浓度、空气流动速度和温度，以优化光合效率。
第二，提高育种效率：归功于现代育种和栽培技术的发展，使农作物产量在过去半个世纪来得到显著提高：主要粮食作物平均产量从1961年的每公顷1.35吨提高到2020年的每公顷4.07吨。然而，迄今对适于垂直农业的作物培育目前研究仍较少。这类作物的一些理想特征包括紧凑的株型、生长周期短、开花早等，而对生物和非生物胁迫的耐受性则不再重要。在这个方面，生长周期短、株型紧凑的水稻已经被开发出来。
第三，优化生长动态：开发表型平台以有效获取垂直农业中植物的形态和生理信息，进而创建精准的作物预测模型，从而支持对生长动态的优化，从而实现更高产量。这些平台和模型将为采用各类算法（比如机器学习算法）优化环境参数以提供数据基础。
第四，降低能源成本：在垂直农业中，能源被用于产生特定光、温度和空气质量，并支持水和营养系统的运行；其中，约有一半的能源用于支持人工照明。为使垂直农业能支持规模化的主粮作物生产，利用太阳能和风能等可再生能源十分关键。在这个方面，一种解决方法是将基于光伏的产电系统与垂直农业设施结合起来，从而提供比单独的光伏系统或作物生产系统都更有效的生产系统。在这种情况下，对通过光伏发电和通过LED将电能转化为光的技术的需求很大。在这种背景下，优化LED光谱以满足最佳光合作用和改善光伏系统的需求需要大量研究。
从农田耕作到温室耕作，再到垂直农业，这一进程代表着人类对生长环境控制水平的逐步提高。虽然垂直农业可以获得高产量，但这需要更高的初期建设成本，而且具有较高的能量消耗。在目前，垂直农业还是适合与种植单位鲜重价值较高的新鲜植物产品。垂直农业用于大规模生产主粮作物的巨大潜力需要有更多的农业研究人员的参与研发。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员是该论文的通讯作者，荷兰瓦赫宁根大学园艺与植物生理组Leo Marcelis教授为共同作者。研究得到了中国科学院（CAS）和荷兰研究理事会（NWO）的联合资助。
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