現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)建立與應(yīng)用＊

高 源，張 龍，吳宜文，鮑恩財,

（1.德清百源康生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司，浙江德清 313200；2.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，南京 210014）

魚菜共生是指通過巧妙的生態(tài)設(shè)計，讓魚、蔬菜、微生物之間形成一種生態(tài)平衡的復(fù)合種養(yǎng)模式，2020 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的水產(chǎn)綠色健康養(yǎng)殖“五大行動”通知中重點提出要大力推廣的9 大技術(shù)創(chuàng)新模式中就包含魚菜共生復(fù)合種養(yǎng)模式，其代表了未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。本文的現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)則是采用高科技現(xiàn)代化種養(yǎng)結(jié)合的復(fù)合生產(chǎn)方式，它將“工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖”與“無土栽培蔬菜種植”通過“魚菜共生”的模式實現(xiàn)了兩者間的完美結(jié)合，從而達(dá)到“養(yǎng)殖不換水，種菜不施肥”的目的，同時通過設(shè)施內(nèi)高精度環(huán)境控制，如植物生長所需的溫度、濕度、光照、CO2濃度及營養(yǎng)液及養(yǎng)殖水體溫度、溶氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽等環(huán)境條件的自動監(jiān)測和控制，使設(shè)施內(nèi)農(nóng)作物、水產(chǎn)品的生長發(fā)育不受或很少受自然條件制約，實現(xiàn)農(nóng)作物、水產(chǎn)品周年連續(xù)生產(chǎn)的高效農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。同時其是一種可持續(xù)、可循環(huán)、低碳高效、零污染零排放、全生命周期、全程可控的生態(tài)共生種養(yǎng)模式，整個生產(chǎn)全過程不使用農(nóng)藥、化肥、抗生素等對人體有害的添加物，確保蔬菜產(chǎn)品和水產(chǎn)品中各類有害物質(zhì)零檢出，保障消費(fèi)者的食品安全[1]。

系統(tǒng)概況

現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是集生物技術(shù)、工程技術(shù)和軟硬件系統(tǒng)技術(shù)于一體，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)從自然生態(tài)束縛中脫離出來，按計劃周年不間斷進(jìn)行動植物產(chǎn)品生產(chǎn)的工廠化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，其主要包括工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)、工廠化無土栽培種植系統(tǒng)、微生物硝化處理系統(tǒng)及智能化管控系統(tǒng)等內(nèi)容，自動化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化程度高，具有可移動、快速部署、高適應(yīng)性等特點，可應(yīng)用于極端天氣、沙漠鹽堿地區(qū)、廢棄廠房、城市樓頂?shù)葓鏊?，系統(tǒng)實景圖如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（山東德州項目）

系統(tǒng)生產(chǎn)工藝

本系統(tǒng)采用高科技現(xiàn)代化種養(yǎng)結(jié)合的復(fù)合生產(chǎn)方式，使“工廠化養(yǎng)殖”與“無土栽培技術(shù)”通過“魚菜共生”的模式實現(xiàn)了兩者間的完美結(jié)合，具體生產(chǎn)工藝如圖2 所示。魚排泄的廢水及殘餌是蔬菜生長的最好養(yǎng)料，而蔬菜的根系與微生物群落又是天然的水質(zhì)凈化過濾系統(tǒng)。在此循環(huán)系統(tǒng)中，水從魚池流出，經(jīng)過物理過濾后，再通過生物反應(yīng)器將氨氮等有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，然后流經(jīng)蔬菜種植床，蔬菜將養(yǎng)分吸收，水質(zhì)凈化后，最終回到魚池，從而實現(xiàn)養(yǎng)魚種菜的可持續(xù)與循環(huán)[2]。該系統(tǒng)突出表現(xiàn)為高產(chǎn)能、高自動化和高安全性等特點，可滿足市場和消費(fèi)者對健康、安全、綠色的蔬菜和魚類的需求。

圖2 魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝圖

特別說明的是魚菜共生生態(tài)循環(huán)主要是氮元素的循環(huán)，不同品種的蔬菜所需養(yǎng)分不同，養(yǎng)殖品種、養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖周期等對養(yǎng)分影響較大，環(huán)境溫度、水體pH 也會對微生物轉(zhuǎn)化影響較大，一般設(shè)計種植面積是養(yǎng)殖面積的2～3 倍，如養(yǎng)殖鱸魚50 kg/m2，可供2～3 m2的蔬菜種植，不需要額外添加肥料或營養(yǎng)液，也不需要單獨(dú)調(diào)控土壤EC。然而因為系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，水體pH 會降低，呈弱酸性，所以為了養(yǎng)殖的正常，要根據(jù)情況在循環(huán)水中加入小蘇打調(diào)控pH，使pH 保持在6.0 左右。

系統(tǒng)區(qū)域構(gòu)成

以德清百源康生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司浙江湖州項目為例，本系統(tǒng)位于湖州某農(nóng)業(yè)科普觀光園二樓，地面采用水泥硬化的方式，但該系統(tǒng)建設(shè)時可不硬化地面，如使用設(shè)施農(nóng)業(yè)用地，在溫室大棚建設(shè)亦可，所以現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)建設(shè)對用地?zé)o特殊需求和限制。該系統(tǒng)主要包含植物工廠無土栽培種植系統(tǒng)、工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)、三產(chǎn)農(nóng)旅融合景觀休閑系統(tǒng)，可種植包含觀葉植物、觀花植物、藥食植物、垂吊植物、番茄、葉菜蔬菜等作物及養(yǎng)殖澳洲寶石鱸魚、加州鱸魚、淡水石斑魚等中高端水產(chǎn)品，打造集綠色種植、創(chuàng)新驅(qū)動、技術(shù)推廣、參觀展示、科學(xué)普及、教育培訓(xùn)為一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地，同時也方便游客采摘體驗。系統(tǒng)建設(shè)項目使用面積1000 m2，主要分為3 個區(qū)域。

無土栽培立體栽培區(qū)

栽培區(qū)包含100 套立體植物工廠栽培模組，分為葉菜栽培區(qū)和番茄栽培區(qū)，具體如圖3 所示。整個模塊對植物生長的溫度、濕度、光照、CO2濃度以及營養(yǎng)液等環(huán)境條件進(jìn)行自動控制，使植物的生長發(fā)育不受或很少受自然條件制約的省力型生產(chǎn)方式。同時使用LED 補(bǔ)光系統(tǒng)，最大限度降低生產(chǎn)能耗。另外水培種植模式杜絕土傳病害，全程不使用任何農(nóng)藥，生產(chǎn)的蔬菜都是真正意義上的“零農(nóng)殘”。

圖3 立體無土栽培區(qū)（百源康鎮(zhèn)江句容項目）

魚菜共生養(yǎng)殖區(qū)

養(yǎng)殖區(qū)包含水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)、生物硝化處理區(qū)、立體無土栽培種植區(qū)，配套微生物硝化系統(tǒng)、微濾機(jī)、制氧機(jī)、風(fēng)機(jī)、紫外線殺菌機(jī)、恒溫機(jī)、LED 補(bǔ)光系統(tǒng)等，如圖4 所示。魚菜共生養(yǎng)殖區(qū)的配套設(shè)備的參數(shù)及使用情況詳見表1。

表1 魚菜共生養(yǎng)殖區(qū)配套設(shè)備基本參數(shù)及使用情況表

圖4 魚菜共生綠色養(yǎng)殖區(qū)（百源康湖州德清項目）

農(nóng)旅融合多功能區(qū)

功能區(qū)旨在展示農(nóng)耕文化、漁業(yè)文化以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技知識，其中包含了中小學(xué)研學(xué)科普教育、農(nóng)業(yè)小課堂、農(nóng)產(chǎn)品采摘及觀賞魚和盆景等內(nèi)容，通過配置生態(tài)餐廳、輕食飲吧，提供會議團(tuán)建、垂釣棋牌等服務(wù)來促進(jìn)農(nóng)旅發(fā)展。同時功能區(qū)還開發(fā)了銷售城市農(nóng)業(yè)、空中農(nóng)場、庭院景觀魚菜、陽臺種菜、智能種菜機(jī)、景觀魚菜共生及桌面魚菜共生小系統(tǒng)等項目[3]，如圖5 所示。

圖5 農(nóng)旅融合之科普教育

系統(tǒng)應(yīng)用效果

系統(tǒng)采用智能化建設(shè)及先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可實時監(jiān)測植物生長所需的溫度、濕度、光照、CO2濃度、營養(yǎng)液及養(yǎng)殖水體溶氧、溫度、pH等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、分析，實現(xiàn)使用者及管理者對魚菜工廠進(jìn)行高效操作及管理。最終通過智能化技術(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)量、高產(chǎn)量以及高品質(zhì)等目標(biāo)，具體情況如下。

蔬菜種植

采用多層立體水培，蔬菜及瓜果平均每年總產(chǎn)量可高達(dá)50 kg/m2，以生菜為例，若采用3 層立體種植，每層可種植36 株/m2，移栽后生長期35 天左右，每株重量80 g，一年可收獲6～8 茬，產(chǎn)量高于傳統(tǒng)有機(jī)農(nóng)業(yè)種植5 倍以上。如圖6 所示，該系統(tǒng)可以常年穩(wěn)定生產(chǎn)紫霞生菜、綠蝶生菜、格林生菜、奶油生菜、小白菜、油麥菜、小青菜、快菜、菠菜、小松菜、韭菜、芹菜、苦苣、莧菜、茼蒿、荊芥、紫蘇、薄荷、香菜、羅勒等20 余種蔬菜，具有綠色安全、多汁爽脆、低纖維口感好等特點。

圖6 蔬菜種植實景

水產(chǎn)養(yǎng)殖

系統(tǒng)采用了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖，各種魚類平均產(chǎn)量每年可達(dá)50 kg/m3，高于池塘養(yǎng)殖20 倍以上，主要出產(chǎn)澳洲寶石鱸、加州鱸、淡水石斑等高質(zhì)名貴水產(chǎn)，具有無抗生素、無重金屬、清潔無異味、營養(yǎng)成分高、嫩滑口感好的特點，養(yǎng)殖產(chǎn)品如圖7 所示。同時，整個系統(tǒng)保證了源頭投放魚飼料的安全性，其他環(huán)節(jié)不投入任何農(nóng)藥、化肥、激素和抗菌素等有害身體健康的化學(xué)物質(zhì)，真正生產(chǎn)出了安全、健康的綠色有機(jī)蔬菜和有機(jī)魚類。

圖7 水產(chǎn)養(yǎng)殖優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品

收益情況

本系統(tǒng)總投資500 萬元，新建魚菜工廠1000 m2，其中600 m2用于工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)，400 m2用于植物工廠系統(tǒng)建設(shè)。計劃年產(chǎn)蔬菜25 t，平均售價20 元/kg，以高品質(zhì)沙拉生菜、水果番茄為主；水產(chǎn)品年產(chǎn)60 t，平均售價70 元/kg，主要為澳洲寶石鱸、加州鱸魚、石斑魚等中高端淡水魚。根據(jù)項目長期投產(chǎn)經(jīng)營情況，年產(chǎn)值可達(dá)470 萬元，其中水產(chǎn)品年產(chǎn)值達(dá)420 萬元，蔬菜年產(chǎn)值 50 萬元，除去生產(chǎn)原料成本和勞力等各項費(fèi)用約200 萬元，預(yù)計年利潤可達(dá)270 萬元，約2 年可收回全部投資。

未來發(fā)展

現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)圍繞“循環(huán)利用”“綠色環(huán)?！钡默F(xiàn)代化發(fā)展理念，通過研究應(yīng)用魚菜共生技術(shù)，依據(jù)布局需要，重點建設(shè)工業(yè)化循環(huán)水養(yǎng)殖區(qū)、蔬菜種植區(qū)及相關(guān)設(shè)施配套等內(nèi)容，實現(xiàn)水產(chǎn)品和蔬菜整個生長周期的裝備智能化生產(chǎn)，打造出集綠色種養(yǎng)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新驅(qū)動、技術(shù)推廣為一體的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)項目[4]。為此，筆者所在團(tuán)隊未來研究重點有以下3 個方面。

（1）以循環(huán)化、生態(tài)化、設(shè)施化、標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)理念，通過1 年的初步建設(shè)、3～5 年的推廣應(yīng)用，打造國內(nèi)領(lǐng)先的集綠色養(yǎng)殖、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、創(chuàng)新驅(qū)動、技術(shù)推廣等為一體的現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新中心，建成國家魚菜共生技術(shù)龍頭企業(yè)，突出循環(huán)化、智能化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化，引領(lǐng)種植業(yè)、漁業(yè)管理發(fā)展新趨勢，種養(yǎng)結(jié)合業(yè)態(tài)融合新方向。

（2）通過近幾年的實踐探索，團(tuán)隊已掌握了成熟的工廠化魚菜共生設(shè)計建設(shè)運(yùn)營管理經(jīng)驗，通過魚菜共生技術(shù)、智能化識別技術(shù)、數(shù)據(jù)自動收集信息系統(tǒng)、高效漁業(yè)技術(shù)裝備、設(shè)施農(nóng)業(yè)高效種養(yǎng)殖技術(shù)、蔬菜水產(chǎn)病蟲害防控技術(shù)等的應(yīng)用，研究起草魚菜共生技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每年開發(fā)2～5 種新技術(shù)、新模式和新裝備等科研成果。

（3）在高品質(zhì)蔬菜和水產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)以魚菜共生為切入點，布置水產(chǎn)魚類、植物花卉等景觀元素。同時借助農(nóng)旅融合多功能區(qū)這一平臺，以安全、綠色、高效的標(biāo)準(zhǔn)來推動此現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)項目實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

總結(jié)

現(xiàn)代工廠化魚菜共生綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)一種高投入、高技術(shù)、精裝備的生產(chǎn)體系，是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中吸收應(yīng)用高新技術(shù)成果最具活力和潛力的領(lǐng)域之一，代表著未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。通過結(jié)合“工廠化養(yǎng)殖”與“無土栽培技術(shù)”，不僅為社會提供了綠色的蔬菜和水產(chǎn)品，還促進(jìn)了循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。