项目 - 百万立方

科技模块3 — 农业设计

1. 农业区概览

1.1. 设计思路

用新型农业代替传统农业，充分利用纵向空间，贯彻立体农业的思路，提高光照与空间的利用率，封闭式培育，减少对外界环境的影响；舍弃传统的畜牧业方式，采用高新技术，利用技术手段造肉，以减少畜牧对空间的占用及对于环境的影响。

1.2. 技术概览

雾培、细胞培养肉。

2. 农业区

2.1. 培养方式

采用全封闭、单元式的培养方式，建筑材料均采用全透明材料，提高光照的利用率。

2.2. 培养技术、材料及设计思路

2.2.1. 雾培

2.2.1.1. 技术介绍

雾培又称喷雾栽培，雾培又称喷雾栽培和雾培。是利用喷雾装置将营养液雾化为小雾滴状，直接喷射到植物根系以提供植物生长所需的水分和养分的一种无土栽培技术。根据植物根系是否有部分侵没在营养液层而分为喷雾培和半喷雾培；根据设施不同可分为“A”形雾培、梯形雾培、移动式雾培、立柱方程式雾培等形式。雾培需要合适的种植槽，喷雾栽培的种植槽可用硬质塑料板、泡沫塑料板、木板或水泥混泥土制成，形状可多种多样。种植槽的形状和大小要考虑到植株的根系伸入到槽内之后，由安装在槽内的喷头将营养液均匀喷射到各株的根系上。根据作物的大小，雾培又可分为以下几种种植方式：金字塔式气雾培，适合叶菜类的生产并且可以大大的提高单位面积的栽培数量，能够更为有效的利用空间进行生产。拱棚式气雾培，是一种建造结构简单，灵活性大成本低的生产模式，既可以栽培瓜果类大型的植株，也可以栽培一些叶菜类蔬菜。桶式气雾培，是一种简易桶作为根域空间，以大空间雾化作为供液方式的栽培系统，这种栽培方式多作为培养植物生长发挥最大潜能，培养较大植株的一种方式。超声波雾化栽培，大多用于植物工厂较为稳定的环境与室内蒸发量较小的场所。它可以用在小面积的室内栽培及植物工厂，也可用于高度集约化的气雾增殖育苗。

2.2.1.2. 技术应用细节

叶菜类等小型植株使用金字塔式气雾培，中型植株使用拱棚式气雾培，大型植株采用桶式气雾培，育苗工作主要采用超声波雾化培养；供液系统：供液系统主要包括营养液池、水泵、管道、过滤器、喷头等部分组成，有些喷雾培不用喷头，而用超声气雾机来雾化营养液。

2.2.1.3. 技术优缺点

优点

1、可很好的解决根系氧气的供应问题，几乎不会出现由于根系缺氧而生长不良现象。

2、养分及水分的利用率高，养分供应快速而有效。

3、可充分利用温室的空间，提高单位面积的种植数量和产量。温室空间的利用要比传统的平面式栽培提高2-3倍。

4、易实现栽培管理的自动化

缺点

1、生产设备投资较大，设备的可靠性要求高，否则易造成喷头堵塞、喷雾不均匀、雾滴过大等问题。

2、在短时间停电的情况下，喷雾装置就不能运转，很容易造成对植物的伤害。

3、作为一个封闭的系统，如控制不当，根系病害易于传播，蔓延。

对于该技术，我们充分利用其优点，采取有效措施规避其缺点，具体措施如下：针对生产设备的老损问题，我们在农业区安排了足够的工作人员进行日常的检查与设备的更新；针对短时间停电的情况，生物圈三号有着充足的储电，在供电系统出现问题时，我们会及时调用储电恢复农业区的工作，对于农业区线路的中断问题，我们配置了相关的工作人员，对故障进行及时的修理；针对出现病虫害的问题，我们采用育苗区与种植区分隔的方式，在育苗阶段，一方面检查作物本身的健康，另一方面育苗阶段和种植阶段严格分隔并封闭，防止外部污染源进入或两个区域间的病害互相传播。（详见2.4.2）

2.2.2. 设计思路

立体农业

2.2.2.1. 立体农业

又称层状农业，就是利用光、热、水、肥、气等资源，同时利用各种农作物在生育过程中的时间差和空间差，在地面地下、水面水下、空中以及前方后方同时或较互进行生产，通过合理组装，粗细配套，组成各种类型的多功能、多层次、多途径的高产优质生产系统，来获得最大经济效益

2.2.2.2. 应用的具体措施

为了最大地利用空间、光照，我们采用了悬挂式可移动的支架设计，具体见2.3模块

2.2.2.3. 调光玻璃

2.2.2.3.1. 材料介绍

根据控制手段及原理的异同，调光玻璃可由电控、温控、光控、压控等等各种方式实现玻璃之透明与不透明状态的切换。

2.2.2.3.2. 应用目的

一是防止火灾的发生，二是为了减少作物的午休现象，（午休现象：中午没有供给到足够的水分，导致作物的气孔关闭；二氧化碳供应不足；光合产物（比如淀粉）来不及分解以及运输，积累在作物的叶肉细胞中，导致阻碍了二氧化碳的运输；）归根结底，午休现象是因为中午光照过强，气温过高，导致水分流失过快导致的，所以采用调光玻璃，能有效减少作物午休现象带来的负面影响。

2.3. 农业区整体设计及与整体设计的融合

2.3.1. 悬挂式可移动式培养支架

为了提高种植效率，以及对于光照的充分利用，我们采用悬挂式可移动式培养支架。在日常培养中，我们根据不同角度的光照强度以及不同作物所需要的光照强度，实时将相应的农作物移动至最适宜的位置，在材料收集以及采摘阶段，每个单元会有配套的处理装置，我们只需通过移动支架的方式，将作物一次通过相应的处理装置，完成作物的采摘处理，最后打包进行运输。

2.3.2. 单元式培养

为了提高培养效率、装置的配套、减少病虫害的传播，我们采取单元式培养方式。所谓单元式培养，就是相应作物有一个对应的封闭的培养空间，该封闭区域会根据各个角度的光照条件以及作物自身的需要进行选址。每一个作物种植单元会有相应的处理装置。

2.3.3. 农产品的运输

农业区在整个世界处于最上方的位置，我们采用胶囊式向下运输的方式。首先我们在各个作物的选址阶段就会考虑运输的问题，比如蔬果的培养单元，水稻的种植单元我们尽量安排在餐厅的上方，棉花的种植单元我们尽量安排在工业区上方，从而减少运输压力与能耗。对于作物的打包装箱阶段，均在每个培养单元的处理装置中完成。

2.4. 相关数据

占用空间：保守来看，立体农业对于土地的利用率相比于传统农业可达4到5倍，根据国际人均耕地警戒线的值来看（人均0.8亩，即711。104平方米）传统农业养活1260人需671993.28平方米的土地，而该方案只需133875平方米的面积，再算上设备及其他面积，农作物种植区大约需要15万平方米的面积，层高三米，则大约需占用45万立方米的空间。

能耗：以生物实验室一年的能耗标准1瓦每平方米来估算，农业区一年用电输水的耗能约为150千瓦，根据食品加工工厂的平均能耗，大致估计我们的农产品收割加工用时为两个月，这一阶段每年耗能3000千瓦

2.5. 其他方面

2.5.1. 农业区生产废物处理办法

农业区产生的废物主要是不能使用的秸秆等，我们在处理阶段会将这些废物装箱打包，运输到工业区，进行造纸等工作。对于实在不能处理的农业区废物（量很少），我们采用填埋的处理方式，农业区产生的废物一般都对自然无明显影响，采用填埋的方式不会对自然造成严重的污染。

2.5.2. 农业区的防灾应急

2.5.2.1. 火灾

农业区的火灾主要是由光照光强导致秸秆燃烧导致的，为了减少光照过强的负面影响，我们在整体农业区的玻璃材料上采用了调光玻璃，在光照过强时及时调光，防止火灾的发生。

2.5.2.2. 断电问题

针对短时间停电的情况，生物圈三号有着充足的储电，在供电系统出现问题时，我们会及时调用储电恢复农业区的工作，对于农业区线路的中断问题，我们配置了相关的工作人员，对故障进行及时的修理

2.5.2.3. 病虫害

针对出现病虫害的问题，一是我们采用育苗区与种植区分隔的方式，在育苗阶段，一方面检查作物本身的健康，另一方面育苗阶段和种植阶段严格分隔并封闭，防止外部污染源进入或两个区域间的病害互相传播；二是我们采用单元式培养方式，这种培养方式能够极大地减少病虫害爆发造成的损失。（一个单元内爆发病虫害不会影响别的单元）

2.5.2.相关就业

科研人员10到20人，日常培养工作10人（主要负责检查产品的正常种植以及种植基地的正常运行）

2.5.2. 科研方向

研发更为高效节能的植物培养技术，尤其是找到植物培养液更为环保可降解的配方，以及种子等繁殖体的保存技术

3. 肉类培养培养储存区

3.1. 培养方式

利用细胞培养技术对肉类直接进行培养，从而省去宰杀、饲养等过程。

3.2. 培养技术、材料及设计思路

3.2.1. 细胞培养

3.2.1.1. 技术介绍

细胞培养肉是指利用细胞培养工程和组织工程等技术，在体外培养动物肌肉组织作为食用材料。这种构想在二十世纪30年代就有了，90年代末和21世纪初国外还出现了相关专利。2013年荷兰人Mark Post组织了世界首个细胞培养牛肉汉堡公开试吃活动并公布了技术细节。2019年底我国南京农业大学周光宏教授团队也培养出中国第一块肌肉干细胞培养肉。

3.2.1.2. 技术应用细节

针对肉类培养，我们按照肉的种类分为单元式培养，在培养结束后，通过相应的装置运输到冷库进行储存。

3.2.1.3. 技术优缺点

传统肉类生产方式是以消耗大量粮食和水资源、严重污染环境为代价的。原因在于，大量的能量在动物成长过程中以热能散失掉了，并且人类投喂的饲料中的能量不能被动物完全吸收，还有一部分能量流入了人类无法食用的部分，如骨骼、皮毛等。

细胞培养技术完美地解决了这些问题，细胞作为一种高效的用能体系，可以充分利用人类供给的物质和能量，并且这些能量都会用于生产人类所需要的肉类部分，

值得一提的是这个方法也有利于解决宗教之间的差异以及食肉的伦理问题，如伊斯兰教的教徒只能食用采用伊斯兰宰杀方式杀死的动物的肉，并且食肉伦理问题的产生源自宰杀过程的残忍与动物的痛苦，而利用细胞培养技术，我们可以直接略过宰杀的过程，从而消除这些问题。

3.3. 肉类培养储存区整体设计及与整体设计的融合

3.3.1. 选址

肉类培养区的选址位于食堂与居民区附近，方便食材的运输与供给，肉类培养区紧挨着肉类储存区，在肉类培养结束后直接用相应的运输装置运输到肉类储存区。

3.4. 相关数据

占用体积：根据以往数据，中国年人均需肉量为63千克，1262人一年大约要吃掉79.83吨的肉。按照我国现标准，建造一个可以储存世界4个月所需的肉量，所需的低温冷库容量约为140.175立方米我们建设200立方米的冷库，除储存的空间用于细胞培养。

能耗方面：容量为两百立方米左右的低温冷库日耗电量约为85千瓦，年耗电量为31025千瓦。

3.5. 其他方面

3.5.1. 肉类培养区的防灾应急

3.5.1.1. 火灾

肉类培养区的火灾防护采用我国生物实验室的防火标准。

3.5.1.2. 断电问题

针对短时间停电的情况，生物圈三号有着充足的储电，在供电系统出现问题时，我们会及时调用储电恢复肉类培养区的工作，对于肉类培养区线路的中断问题，我们配置了相关的工作人员，对故障进行及时的修理

3.5.2. 相关就业

科研人员10-20人，日常培养工作10人（主要负责检查产品的正常种植以及种植基地的正常运行）

科研方向：

研发更为高效节能的肉类培养技术

伐木业
1. 理念

我们选择在外界的树林中进行砍伐（具体理由见后文），整个伐木过程采用较为原始的方式，旨在减少伐木行为对于外界的影响

运输方式

马车与驴车，相关工作人员会配有少量武器进行保护（如声波等），根据树林的远近，工作人员可携带帐篷等装置。

砍伐方式

我们采用分散式砍伐，移动式砍伐的方式，具体来说，就是我们每个一段时间就会更换砍伐的树林，每次砍伐时不会集中地把一块地上的所有树木都砍伐掉，而是分散式地在树林中进行砍伐。（这样的方式可以形成林窗）

可行性
1. 林窗

森林群落中林冠层乔木的死亡必然导致森林内部形成林窗。对于树木的死亡原因有其内部因素与外部因素。内部因素包括生理效率的降低、树木的衰老、生长状况变差、林分分层结构中优势树种的腐朽等；外部因素包括自然灾害（如火灾、台风、暴雨、地震、干旱）、人为干扰（砍伐森林、盗伐）等。这些因素中的某一方面或几个方面共同造成了森林中树木的折干、枯立、风倒或死亡等事件的发生，从而导致森林中相对连续的林冠层面出现间断的现象。这种空间上的不连续现象，在形态上就表现为一定尺度的空隙，即林窗。

林窗的创造者（gapmaker）一般是指创建林窗的树木，其组成一般是占据主林层的多年生优势树种。可以说，林窗的形成主要是由于林冠层乔木树种的根拔、枯朽、倒伏或死亡等原因所造成。

我们的砍伐理念有利于在树林中形成林窗。

林窗是森林内普遍存在的干扰方式之一。林窗干扰是植被演替和更新的主要动力，对森林的结构、动态和生物多样性的维持起着重要作用. 林窗是造成森林环境异质性的重要因子，林窗形成后，内部小环境特征必将发生相应的变化，并随着林窗形状、大小及位置的不同而表现出不同的特点，可能给更新幼苗及其它植物或其它生命形式提供有利条件. 林窗的大小是林窗的重要特征，直接影响着林窗的光照、温度和其它生态环境因子，提供了林窗内更新种类所能利用的空间资源，将对植物的生长与物种更新产生不同的作用.