可控环境垂直农场小麦产量潜力研究

由德国波茨坦波茨坦气候影响研究所的Dieter Gerten编辑，并由编辑委员会成员Hans J.Schellnhuber于2020年6月19日接受(2020年2月11日收到供审查)。

扩大目前的谷物产量以适应不断增长的全球人口将是一个挑战。小麦为人类提供了大约五分之一的卡路里和蛋白质。垂直耕作是增加未来小麦产量的一个可能的有前途的选择。结果表明，在适宜的温度、强烈的人工光照、较高的CO2水平和最大可达收获指数的条件下，在10层室内垂直设施中种植小麦，每年的粮食产量可从700±40t/hm2(实测)增加到最高1940±230t/hm2(估计)。这样的产量将是目前世界小麦平均年产量3.2吨/公顷的220至600倍。室内小麦种植不受气候、季节和地区的影响，可能具有环境优势，因为它需要的土地面积更少，大部分水都可以重复使用，杀虫剂和除草剂的使用量最少，而且没有养分损失。尽管在不久的将来，室内小麦种植在当前市场价格下不太可能在经济上具有竞争力，但它可能在对冲未来气候或其他食品体系意外中断方面发挥至关重要的作用。然而，最大的生产潜力仍有待实验证实，需要进一步的技术创新来降低此类设施的资本和能源成本。

2020年世界人口78亿，到2050年将增加到90亿以上，到本世纪末可能达到约110亿的峰值(1)。虽然目前世界上每九个人中就有一个面临饥饿(2)，但预计人口和粮食需求的增加将要求全球粮食产量增加60%(3)。建议通过减少粮食需求、增加粮食产量、减少粮食浪费、保持生产能力等多种途径相结合，满足2050年预计的粮食需求(4、5)。然而，许多农业区已经因侵蚀而退化，大量化肥和杀虫剂正在污染地下水和水生系统(6，7)。需要更可持续的粮食生产的新方法，以显著减少未来作物生产对环境的影响(8，9)。虽然所有这些因素都给农业带来了巨大的挑战，但观测到的和预测的气候变化加剧了这一困难，导致世界许多地区的作物产量下降(10)。

从世界范围来看，小麦是最重要的农作物之一，提供了人类饮食中20%的卡路里和蛋白质(11)。田间种植的小麦至少需要半年的时间才能成熟，因此每年只有一次收成。小麦年产量从1t；1t/ha/y不等，在较凉爽、水分充足(通过高降雨量或灌溉)和大部分长季节(8至11mo)生长环境中，水分或养分限制在>；10t/ha/y之间(图1A)。当小麦生长在室内温度恒定的受控室内环境中时，作物的物候发育较快(12)。这最初是为部署在月球或火星上的航天器或表面栖息地的未来植物生长系统而探索的。例如，Monje和Bugbee(13)表明，在23°C的小麦生长季从种植到成熟只持续70d(图1B)。在人工照明增加光的强度和持续时间的情况下，在1m2的边缘保护试验面积(13)(图1B)的基础上，在11%的谷物水分条件下，较短的室内生长周期产生了平均每次收获14±0.8t/ha的粮食产量(图1B)。这一产量与其他报道的田间小麦产量相比很好，但理论上一年可以收获5种这样的作物，导致相同的室内空间粮食产量为70±4吨/公顷/年(在11%谷物水分的情况下为14吨/公顷×每年5次收成)。这一累计年产量将远远高于目前3.2t/ha/y的全球小麦平均产量，以及爱尔兰最高的全国小麦平均产量∼9吨/ha/y，以及2017年新西兰农民田地17吨/ha/y的世界纪录小麦产量(图2)。

捕捉小麦作物生态生理相互作用的作物模拟模型-这里是DSSAT-N小麦模型-可以紧密地再现在不同田间条件下观察到的广泛的生物量生长和产量，如澳大利亚、荷兰和中国的三个地点(15)(图1A)。在这里，我们表明DSSAT-N小麦也非常接近地模拟了室内条件下快速生长的小麦作物的生长和产量(图1B和SI附录，图1)。S1 A)。为了考虑模型的不确定性，我们用另一个更简单的作物模型SIMPLE(16)重复模拟，发现相似的RE

室内小麦种植现在成本很高，未来可能还会继续如此。尽管潜在产量非常高，但在正常市场条件下，运营1公顷、10层室内小麦设施不太可能收回成本(图3和SI附录，表S6和S7和图2)。(S2)。在田间，考虑到全球每年在农业生产上花费的大量补贴，大多数谷物生产系统在经济上已经不可行(29)。即使在没有补贴的高效农业生产系统中，小麦的单位面积利润率通常也很低(30)。对于室内小麦生产来说，产生恒定的光照、维持温度和空气质量、运行养分和浇水系统的能耗很高。事实上，目前超过一半的成本是为人工照明提供电力(图3A和SI附录)。此外，最大化产量不是最具能源成本效益的方案(31)，使用较少的光，因此产量较低(1,120±100吨/公顷/年，大约是全球平均产量的350倍，总体模拟的±平均值为第10和90百分位数)，可以提高能源效率和降低成本(SI附录，表S6和S7)。然而，太阳能加储能系统已经在提供0.02美元/千瓦时(https://www.utilitydive.com/news/los-angeles-solicits-record-solar-storage-deal-at-199713-cents-kwh/558018/)，)的∼零排放电力，未来在发光效率和劳动力自动化方面的改进将进一步降低成本。室内单层温室小麦农场，在某些情况下，阳光补充人工照明可能更经济，但对这种选择的详细调查超出了本研究的范围(32)。也可以考虑其他可持续能源，因为它们可以更有效地利用空间，但这也超出了本研究的范围。由于全球粮食供应问题，小麦的商品价格在过去有所不同，在2008年和2010年又临时上涨了三到四倍(2)。如果气候变化降低了该领域未来的产量，这样的危机可能会变得更加频繁或产生后果(33)。可以想象，更低的成本和更高的回报可以将成本：回报比从现在的46：1降低到未来的∼6：1(图3B)，但这在商业上仍然是不可行的。

粮食安全目前受到8亿营养不良人口(2)、日益增长的需求(3)和人口增长(1)的挑战，可能会影响国家安全，甚至会在国际上产生影响。例如，2008年小麦价格上涨导致全球20多个发展中国家发生广泛的粮食骚乱(34起)，2010年小麦价格上涨被认为引发了阿拉伯之春起义(35起)。因此，在室内、靠近用户和消费者、不受日常天气和气候趋势影响、排除杀虫剂和除草剂、回收大部分水和消除养分径流(26)的情况下，可靠地生产大量小麦的潜力可能足以成为开发和安装一些室内小麦生产设施的理由。例如，中东的大部分小麦都是进口的，因为它的农业土地和水资源有限(2)。将室内垂直小麦添加到已经实施的实现可持续沙漠农业的发展计划中(36，37)，可能有助于稳定地区粮食供应。未利用的沙漠地区潜在地为该地区的太阳能发电场提供了巨大的能源供应(38)。在任何国家，室内垂直小麦设施在缓冲气候相关事件或其他粮食生产异常的影响方面可能特别有价值；然而，这种系统变得足够经济可行以取代传统粮食生产手段的可能性很低(图3)。

一些关于室内种植小麦的研究问题仍未得到回答。通过室内小麦对照试验进行的新研究应该尝试确认最大生产潜力及其对营养价值和烘焙质量的可能影响。室内实验应该探索降低能源成本的方法，管理无病的生长条件，并使这样的设施完全自动化。应该进行受控环境研究，以确定不同的光照配方是否有可能增加光合作用(39)；控制环境条件，如灌浆期间的根区水势；以及改善小麦的收获指数(22)。未来的研究可能会对不同的生长环境选项进行定量的比较和评估。利用生物量和收获指数性状的战略杂交育种计划，在最优的室内生长条件下改善室内小麦的生长、产量和籽粒品质(40)。

值得一提的是，媒体

作者投稿：S.A.、M.R.、O.M.、G.K.、D.、F.M.M.和P.P.G.G.设计研究；S.A.、J.R.G.、M.R.、O.M.、G.K.、F.M.M.和P.P.G.G.进行研究；M.R.、O.M.和G.K.贡献新的试剂/分析工具；S.A.、J.R.G.、M.R.和P.P.G.G.分析了数据；S.A.、J.R.G.、M.R.、O.M.、G.K.、D.和P.P.G.G.撰写了这篇论文。

本文是一个PNAS直接提交。D.G.是编辑委员会邀请的客座编辑。

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