通过城市农业在城市中种植食物在全球北方地区迅速发展（Cohen & Wijsman, 2014）。这种扩张既受到个人动机的影响，也受到制度因素的推动。参与者表示，他们从城市农业中获得了情感和身体健康上的益处（Kirby et al., 2021, Newell et al., 2022），而非营利组织则致力于促进社区能力建设、环境教育和粮食安全（Reynolds & Cohen, 2016）。尽管农场和菜园对当地社区和参与者的积极影响已有充分记录（Ilieva et al., 2022），但城市农业对城市食物-能源-水（FEW）系统的影响仍不明确（Caputo et al., 2020, Newell et al., 2019）。尽管如此，越来越多的城市将城市农业视为危机时期保障粮食供应的策略（Lal, 2020, Slater and Birchall, 2022），期望实现更可持续的城市物质流动（Goldstein et al., 2016），并绿化城市景观（Limerick et al., 2023）。本研究探讨了城市农业在不同背景下改变城市FEW循环的潜力。
关于“扩大规模”的评估（即对城市农业潜在增长的分析）主要集中在单个城市（例如，Goldstein et al., 2017, Newell et al., 2022），通常仅限于探讨其对粮食供应的潜在影响（Ackerman et al., 2014, Hara et al., 2018）。这些研究的结果差异很大，对其普遍适用性提出了质疑。已发表的研究估计，城市农业的产量可能占新鲜蔬菜需求的7%（Hara et al., 2018, Sioen et al., 2017）到超过100%（Grewal and Grewal, 2012, Saha and Eckelman, 2017）不等。
一个可能的解释是城市形态的差异（例如，曼哈顿与后工业时代的克利夫兰），但类似城市的研究结果却大相径庭（例如，多特蒙德的城市农业可能满足31%的蔬菜需求，而克利夫兰则能达到100%），这表明方法论上的差异是造成这种差异的主要原因。这种差异可能阻碍了对城市农业扩大效果进行普遍性结论的得出。改进方法论的一致性有助于揭示城市间的共性趋势，例如城市形态的影响。以往的研究评估了城市的各种生物物理特征（如坡度、阳光可用性、土地覆盖类型、土壤适宜性和建筑类型）对城市农业潜力的影响。本研究通过在五个不同城市应用相同的方法，进一步扩展了这一领域。
尽管有些研究尝试在两个城市之间应用相同的基本扩大规模方法，但这些评估往往较为有限，例如仅关注城市中的公共或闲置土地（Hara et al., 2018, Mendes et al., 2008）。学者们通常关注城市之间的差异，无论是对于城市农业的解释或立法，还是其粮食生产结果。这限制了我们识别出可推广的政策建议的能力，这些建议可能有助于指导多城市规划工作，如《植物基条约》或《米兰城市食品政策公约》（The Milan Pact, 2024, The Plant Based Treaty, 2024）等倡议。
方法论上的不一致性因城市农业系统中产量和资源使用数据的有限性而加剧（Caputo et al., 2020），导致分析受到简化假设的约束，例如将城市农业的产量与传统农业系统进行比较（Uludere Aragon et al., 2019）。例如，唯一一项关于全球城市农业扩大规模、生产力和生态系统服务潜力的多城市评估依赖于国家级产量数据，并假设材料消耗与传统农业相当（Clinton et al., 2018）。传统农业和城市农业的物质和社会足迹存在显著差异（Dorr et al., 2023, Hawes et al., 2024），不同气候条件下不同形式的城市农业的物质和社会足迹也存在差异（Dorr et al., 2023, Mcdougall et al., 2020）。
许多现有分析对城市农业类型的关注过度集中在将其视为解决闲置或未充分利用土地的手段上（Hara et al., 2018, Thapa et al., 2021），这掩盖了城市农业在更多场景下的潜力，包括在家庭、公共空间和本地企业中的应用。相比之下，商业背景下的城市农业研究往往侧重于高科技农业生产，而忽视了低技术农业这一更为普遍且社会效益更高的形式（Appolloni et al., 2021, Cameron et al., 2012）。纽约市最近的研究发现，将城市农业限制在公共闲置土地上严重限制了居民的参与（Limerick et al., 2023）。
本文通过使用一致的数据和方法，在五个代表不同城市类型的城市（德国多特蒙德、波兰戈尔佐夫-维埃尔科波尔斯基、英国伦敦、美国纽约市和法国巴黎）探讨了低技术城市农业的扩大潜力。为此，我们建立了迄今为止最大的城市农场、集体菜园和个人菜园资源投入与产出的数据集（参见Caputo et al., 2020关于数据集开发的讨论）。我们结合空间分析（即通过城市代谢模型追踪物质和社会流动的变化，参见Newell & Cousins, 2015），以探索低技术城市农业扩张可能产生的影响范围。具体来说，我们回答了三个问题：
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城市农业能在多大程度上扩展？哪些关键的土地利用或生物物理因素可能限制这一过程？（第3.1节）
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城市农业扩大可能对城市的水资源、能源需求、粮食供应和养分循环（即城市代谢）产生何种影响？（第3.2节）
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支持大规模城市农业扩张需要何种程度的参与（即劳动力或志愿者参与），这又将如何限制城市农业的总体影响？（第3.3节）
为回答这些问题，我们从城市代谢的角度对城市农业进行了建模。在代谢框架下，我们将城市农业视为一种多功能土地利用方式，分析不同部门（如食品、水、经济）受到的影响，随着城市农业面积的增加。虽然我们采用了空间多标准分析（一种常见的扩大规模方法）来探索不同适宜性情景，但通过协调美国和欧洲的异构数据，使这些模型更加完善。这使我们能够理解不同城市特征如何影响城市农业的扩大。
我们的研究结果表明，即使在大型密集城市中，低技术城市农业也能从根本上改变粮食供应、水资源需求和废物管理。在所有五个城市中，家庭菜园都是最未被充分利用的城市农业资源，表明房主和家庭可能是城市农业扩张政策中未被充分研究的群体。但要激发他们的积极性，特别是在较小的研究城市中，需要大幅提高参与率。在较大的城市中，只需2-6%的人口在家庭或集体层面从事农业活动，就可以实现大规模扩张。假设未来出现大量农场和菜园，我们预计这些城市的粮食供应、食物废弃物回收和绿色空间利用将发生重要变化。
本文解决了城市农业文献中的关键局限性，包括跨城市分析的复杂性、土地使用和菜园管理的动态、影响菜园选址的生物物理因素、超出粮食层面的物质代谢影响，以及实现有意义影响所需的参与率。我们利用这一分析来确定在不同背景下扩大城市农业的机会，以及应解决的知识障碍，以帮助规划者、创新者和决策者更有效地推动菜园发展。
