垂直农业预示着，未来我们的食物，或将在我们城市的小块空间和我们的脚下种植。但它真的能撑起农业的未来吗？它究竟能走多远？
虽然垂直农业是一个现代概念，但其实，几个世纪以来，人们一直在寻求在更少的空间和更少的土壤中种植更多的食物。例如矮化苹果，甚至是古罗马的葡萄种植。
而目前，现代意义上的垂直农业正在世界各地迅速发展。在托盘或管道中种植食物，就像一个巨大的植物具有很多面，然后叠放在一起。这至少表明，随着时间的推移，垂直农业在未来可能会与传统农业竞争，并最终超越传统农业。
不过，虽然这项技术显示出了广阔的前景，但目前仍受到资金投入和能源成本较高的限制。这意味着到目前为止，只能种植一些较小的蔬菜和水果，如绿叶蔬菜、西红柿、草莓等。
但在垂直农场中，我们实际能种植作物的极限到底在哪里？如果我们最终找到了克服成本和能源使用问题的方法，那么我们所有的食物都可以在这样的农场里种植，到时候世界会是什么样子？我们是否可以完全转向垂直农业的无土栽培？
垂直农场没有严格的定义，但它们通常由堆叠在建筑物内的浅托盘组成，每层都有LED照明。许多垂直农场没有窗户，有些甚至建在地下。
这些农场必须人为地为植物提供一切—水、养分、阳光、授粉、病虫害防治。目前最常见的是建在巨大的温室里—充分利用太阳的光和热，但仍然通过人为控制水分、养分等的循环。虽然有时会使用土壤，但越来越多的垂直农场会采用更为先进的水培或气培系统，来注入含有营养物质的水（用于水培）或水蒸气（用于气培）直接在植物根部周围循环。
水培和气培的水分效率和养分效率非常高，因为根部能够更快地获取这些水分和养分，特定种植的植物不需要和其它植物竞争水分和养分。这意味着使用垂直农场可以大大减少种植粮食所需的水和化肥。同时，垂直农场封闭、受控的环境有助于阻止病虫害的发生，从而可能减少对农药的需求。
这项技术还可以让作物在传统农业不可能的地方生长。例如，国际空间站上的宇航员正在LED灯下的无土系统中种植自己的食物，如卷心菜、生菜和甘蓝等。但更为有意义的是，垂直农场可以实现无土栽培或仅使用少量土壤，这意味着可以在城市附近种植粮食，这可能会带来巨大的好处。
更短的供应链可以提高食品安全和食品质量，因为食物到达我们身边的速度越快，其营养物质的变质程度越低，霉菌毒素等隐形毒素的产生也就越少；这也将导致比许多进口或从远方运来的食品少得多的食物里程，有助于保证作物的原产地，同时也减轻了土壤、水和大气等自然资源的负担；更重要的是，借助先进的植物科学，作物可以被设计得更健康、更美味；当然，在城市中心建立垂直农场也有助于让我们更加了解食物的生产方式，如果人们知道生产食物需要付出多少代价时，可能会更加珍惜从而避免浪费。
一项对53个国家的城市农业进行的荟萃分析发现，菠菜、莴苣、甘蓝和花椰菜等叶菜类植物特别适合垂直农场。像菠菜这样的作物可以在30天内从种子种植到收获，这意味着一个垂直农场每年可以种植12茬作物，一年四季都会有几乎源源不断的食物供应，这是传统农业根本无法比拟的。
传统农业中的谷物种植，都是通过风力授粉，其实在垂直农场内，通过气流很容易复制风力。但目前大量种植谷物的情况很少见，尽管有一些垂直农场在试验种植谷物。主要是由于种植谷物耗费的时间较长，通常需要几个月，从成本角度讲并不划算。
成本高的原因是垂直农场广泛使用的最大障碍—它们需要大量的能源和基础设施。虽然能够全年种植作物可以提高垂直农场的效率，但这些农场面临的挑战是，在室外种植可以免费使用阳光和雨水等，但垂直农场需要人为提供，这种对能源的依赖也会使垂直农场极易受到能源价格波动的影响。
在许多地方，用于垂直农场的电力仍然来自化石燃料，这意味着总体温室气体排放量可能远高于露地种植。但从植物学上讲，小麦或其它谷物在垂直农业系统中种植是很有可能的，因为它们的根结构很短，这对在托盘中种植它们很重要。
虽然我们不太可能在垂直农场种植所有的谷物，但在某些情况下，它仍然可能被证明是有用的。2020年，美国几所大学的农业科学家发表了一篇文章，认为垂直农业有朝一日可能会在应对未来意外的供应链中断方面发挥作用。由于乌克兰持续的战争凸显了世界对东欧谷物的依赖，并引发了对替代来源的探索，这可能是一个值得考虑的建议。
除了谷物，实际上木本作物如果树，才是真正考验垂直农场的发展极限，因为它们需要大量的土壤支持。从植物学上讲，室内果园是不可能的。
一棵树已经是一种垂直农场，树木吸收含有营养物质的水分，并将其分配到一系列层级中，然后长出叶子和果实。但通过实践证明，在大自然中种植才具有优势。农学家在垂直农场中种植果树时发现失败率是惊人的：83%的树木在10年内死亡。
但也不是没有成功案例，例如，2021年，在英国开始的一个在气培系统中培育苹果树苗的项目，成功地培育出了比传统户外栽培生长快六倍的树苗。在亚洲，矮化果树也正在进行试验，因为较小的品种有助于采摘机采摘果实。
矮化作物使其更适合垂直农业。但是，在户外表现最好的品种不一定是在受控环境下表现最好的，因此，矮化一个成熟品种可能并不总是有效的。例如，某些品种可能在室外表现最好，因为它们对温度变化或疾病有抵抗力，而这可能不是室内栽培的重要因素。
垂直种植的树木和作物需要更长的时间才能成熟，这可能也很难保持无病。在种植叶菜类作物时，农民可以在种植下一茬作物之前对托盘等载体进行消毒。然而，例如种植芒果树，可能需要几年的时间才能成熟，在这段时间里真菌和细菌可以茁壮成长。不过，科学家表示，如果条件理想，垂直种植的果实可能会收获更多的果实。但这需要植物科学家解决一些长期存在的问题才能实现。
对于垂直农业的许多好处和局限性都是针对发达国家的大规模农业而言的。而世界上的小农生产了全球粮食供应的30-34%。一些国家严重依赖自给农业，因此，依靠电力运转的垂直农业可能不现实。不过，从理论上讲，通过将土地转移到垂直农场来减少工业、农业占用的土地，可以腾出空间用于恢复生态系统，甚至可以归还给这些小农户，或者用于再生农业方法进行种植。
垂直农场在未来也有可能会形成一个“智能供应链”，在这个供应链中，植物的生长周期可以加快或减缓，以应对需求的变化。在垂直农场进一步试验作物也可以为我们体验食物创造其他可能性，比如创造更多味道的化合物、维生素或抗氧化剂。在植物学中，这些都可以通过对作物施加压力来实现，例如减少水分，或在储存过程中将收获的食物暴露于某些气体中。
尽管这些创新可能在未来的可持续农业方法中找到一席之地，但如果考虑到资金，很难看到这些创新能够在短期内实现。但如果我们确实找到了克服成本和能源使用问题的方法，那么我们所有的食物都在这样的农场里种植，到时候世界会是什么样子？垂直农业能否撑起农业的未来，它究竟能走多远？
