一、前言

在世界面臨氣候變遷風險、水資源短缺及糧食危機的多重挑戰下，垂直農業 (Vertical Agriculture) 提供更彈性的糧食生產解決方案，成為傳統農業的替代生產方式之一。垂直農業為一種在城市中以垂直方向種植農作物的技術，透過多層次的室內植物生產系統，精確控制所有影響植物生長的因素，如光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度、水和養分等，以利在獨立於陽光及其他戶外條件下，全年生產農產品。本文著重於介紹垂直農業的關鍵技術、市場趨勢、主要國家發展動態以及成長機會。

二、垂直農業關鍵技術

水耕 (Hydroponics) 循環系統為垂直農業之關鍵技術。水耕為一種不使用土壤種植農作物的技術，只透過營養液攜帶植物生長所需的養分 (如氮、磷)，並藉由無機介質 (如棉岩、珍珠石、砂) 或有機介質 (如泥炭土、椰纖土) 等材料，支撐植物根部以及穩定水質 (包括pH質與水中離子濃度)。水耕循環系統主要由照明、水耕系統、空調、施肥等多個結構組成 (圖一) 。且依照營養液的供給機制，可區分為以下數種方式：(1) 深水栽植式 (Deep Water Culture, DWC)：把農作物固定在浮體上，並使根部浸泡於營養液中；(2) 養液薄膜式 (Nutrient Film Technique, NFT) ：作物根部上方曝露於空氣中，僅底部接觸到薄層的營養液 (其高度僅約1-2公分)；(3) 潮汐式 (ebb and flow)：規率性的以幫浦注入與抽出營養液，使根部反覆浸泡營養液以及曝露於空氣中；(4) 氣霧式 (nutrient mist)：透過噴霧器噴灑營養液等。

營養液成分改變為水耕循環系統常面臨的挑戰。營養液在循環使用的過程中，養分組成比例與濃度會因作物的吸收而發生變化，嚴重時會造成離子組成失衡，產生沉澱、毒性或者非預期的化學反應，進而影響生物利用度 (bioavailability)。例如：不同作物對硝酸離子 (NO3−) 與氨離子 (NH4+) 的吸收程度有所差異，然而此種差異會導致營養液中的 NO3−/NH4+ 比例失衡，進而產生毒性。另外，儘管鈉離子 (Na+) 為營養液之重要成分，但由於作物對鈉離子吸收率普遍較低，因此在循環過程中，鈉離子濃度將會逐漸增加。同時，離子濃度失衡會加劇拮抗效應 (antagonism)，抑制植物對養分的獲取，例如氨離子 (NH4+) 過高會嚴重抑制鉀離子 (K+) 的吸收。

受限於離子感測器過於昂貴，且維護不易，至今水耕循環系統仍多以頻繁更換營養液的方式，以最大限度地減少作物營養缺乏的情況發生。

三、垂直農業之市場概況

土地與水等資源的限制、全年作物生產的需求，以及照明技術的進步等因素，推動垂直農業市場的成長。根據Markets and Markets 市場預測報告顯示，2020 年全球垂直農業市場規模為 29.0 億美元，預計至2026年將達到 97.3 億美元， 2021 年至 2026 年的複合年均增長率為25.0%。 

(一) 區域性市場趨勢
亞太地區至2026年將以 41 億美元的市場規模主導垂直農業市場，複合年均增長率達28.4% (圖二)。在歐洲的部分，2020年垂直農業市廠規模約為7.4億美元，預計至2026 年將達到 23.6 億美元，複合年均增長率達23.8%。歐洲的垂直農業公司在生態系統中佔領先地位，而極端天氣事件和消費者對新鮮農產品不斷增長的需求，將有助於歐洲垂直農業市場持續增長。

(二) 常見作物市場規模預測
由於垂直農場的生產成本較高，目前主要以種植高度低、且生長快速的作物為主，尤其以葉菜類最具成本效益，如萵苣、羽衣甘藍、瑞士甜菜、青花菜、菠菜、捲心菜、羅勒和捲心萵苣等，透過垂直農場種植，產量及品質更佳。水果類作物由於生長期短、需水及需光量低，部分作物也相當適合以垂直農業的方式種植。草莓和石榴是垂直農場中種植最多的水果，尤其是草莓。下圖為垂直農業不同作物的市場規模預測 (圖三)。

四、主要國家發展趨勢

以下針對美國、荷蘭、中國、日本、新加坡等主要國家之垂直農業發展趨勢與代表性廠商作介紹 (市場預測請參閱圖四) ：

(一) 美國
美國為許多垂直農業市場領導企業總部之設立地點，如Plenty、AeroFarms。2021年5月，Plenty 在北加州開設了17家垂直農場Safeway商店，並預計拓展至全國。2020年4月，室內垂直農業的市場領導者之一 AeroFarms 宣佈在維吉尼亞州建成世界上最大、技術最先進的氣霧式室內垂直農場。其他代表性公司有Green Sense Farms、American Hydroponics、Freight Farms及Bowery Farming等。

(二) 荷蘭
荷蘭為世界最大的農產品出口國之一，也是環境控制農業 (Controlled-Environment Agriculture) 技術的領導者。Signify為荷蘭領先全球的照明的供應商，為垂直農業提供各類型的照明產品及系統，並與該地其他垂直農業公司如 Ljusgarda、Planet Farms等合作，提供LED植物燈。Future Crops為垂直農業室內技術市場的重要公司，為市場增長提供重大貢獻。

(三) 中國
由於城市人口增加、農業用地減少，垂直農業的概念正在中國迅速發展，並期望能成為垂直農業系統供應的世界領導者。Panasonic等知名國際企業已在大連、蘇州投資建設垂直農場，並投入營運。其他中國垂直農業市場參與者包含：Crop One、三安生物、及中國山西的裕豐農業等，其中裕豐農業正與 Mary Agrotech展開垂直農業之硬體及人工智慧自動化軟體之試點合作。

(四) 日本
近幾年日本垂直農業市場顯著成長，且目前該生態圈已有超過150家業者參與，包含Panasonic、富士通 (Fujitsu) 等全球知名公司。其中，Spread為日本領先的垂直農場運營商，其農場每天可生產超過2噸的生菜。另外，Toshiba近期也積極涉足垂直農業，並於東京郊外設置工廠，每年可生產約300萬顆結球萵苣。同時，Toshiba亦表示其科學家正在研究不同類型的照明，對植物結構、味道和營養的影響。

(五) 新加坡
由於政府積極提升該國糧食自給率，並大力資助興建垂直農業相關設施，促使新加坡成為垂直農業應用的全球領導者。新加坡垂直農業的主要參與者包含：Sky Greens、Sustenir Agriculture、&ever等。其中&ever 更是將新加坡定位為全球研發中心，規劃於2021年底在新加坡完成大型垂直農場建設，此農場高15公尺，預計年產50萬公斤綠葉蔬菜。

五、垂直農業之成長機會與限制

(一) 垂直農場單位面積經濟效益佳，並有在地生產之優勢，然而其初始建置成本尚高

與傳統農業相比，垂直農業每單位的生菜產量可達傳統露天農業的80倍、溫室的12倍以上，產量具有優勢。且室內生長系統使植物免受外部天氣和氣候變化的影響，得以實現全年作物生產。垂直農業另一項經濟優勢為減少食品的運輸。將垂直農場設立於靠近消費者的地方，可大幅減少運輸時間，及貯藏、冷藏和運輸的成本。
然而，垂直農場的初期投資成本非常高，每單位空間的投資與營運成本可達到先進溫室的五倍以上。其中人工照明及空調 (HVAC) 的能源消耗是垂直農業的主要成本，因此垂直農場較適合在能源價格較低的地區發展。
為了促進垂直農業的發展與普及，在行銷上，可透過強調可追溯性、無農藥、無除草劑、新鮮且在地生產等優勢，以提高消費者購買誘因。此外，育種公司亦可研發矮性、生長週期短、高產量、高品質及易收穫之作物，以增加垂直農場的作物選擇與產量。
 

(二) 垂直農場之水耕循環系統可使水份及養分資源再循環利用，減少環境汙染，但卻也造成大量的電力消耗

傳統的露天農業，常使用過量的磷肥和氮肥，易導致水域及陸地生態系統的優養化。然而，垂直農場水耕循環系統，可回收及再利用營養液，大幅提高了用水效率，並且可減少化學肥料和農藥的排放，降低優養化的發生機率。
此外，儘管垂直農場可選在更靠近消費者的地方設置，減少運輸過程中的溫室氣體排放。然而，垂直農場本身需消耗大量的電力，使整體碳排放量仍高於傳統農業。因此，垂直農業若欲在環境發展上具有永續性，使用的能源需要朝向再生能源發展。
 

(三) 垂直農場目前之社會接受度仍不高，但其可創造新的就業機會，促進在地產業發展

垂直農業可以改善作物的可追溯性，減少對農藥的需求，提升食品安全。此外，垂直農業亦可為農民、技術人員、營銷人員等創造新的就業機會，促進當地產業的發展，並且可提高城市、資源匱乏或氣候惡劣地區的糧食自給率，以保障糧食安全。
然而，垂直農場在城市區域的接受度仍不高，城市居民普遍認為無土栽培作物為不自然和不健康的產品，拒絕在社區實施高科技垂直農業項目。因此，政府與相關組織應對此類作物之優勢進行更好的宣傳和教育，以提高垂直農場的普及率。另外，目前使用閒置建物作為垂直農場之相關法規仍不完善，為垂直農場發展之重要限制。