循環(huán)水養(yǎng)殖新模式-魚菜共生系統(tǒng)

文/饒偉 李道亮 位耀光 楊衛(wèi)中

循環(huán)水養(yǎng)殖新模式-魚菜共生系統(tǒng)

文/饒偉 李道亮 位耀光 楊衛(wèi)中

魚菜共生（Aquaponics）是一個(gè)融合了水產(chǎn)養(yǎng)殖(Aquaculture）與水耕栽培(Hydroponics）兩種不同的農(nóng)業(yè)工程技術(shù)所發(fā)展而來的新型循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)。美國早在上個(gè)世紀(jì)70年代最先開始研究此類技術(shù)。文章首先從魚菜共生系統(tǒng)歷史的發(fā)展演變展開敘述。先后介紹了國外和國內(nèi)兩部分魚菜共生系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀。然后分別從魚菜共生系統(tǒng)的工藝發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)研究兩個(gè)方面展開論述，并加以客觀的分析與評(píng)論。最后結(jié)合在我國山東壽光基地建立的國際合作魚菜共生項(xiàng)目的研究情況，從工藝、關(guān)鍵技術(shù)兩個(gè)角度總結(jié)了我國發(fā)展魚菜共生系統(tǒng)將面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)我國未來發(fā)展魚菜共生系統(tǒng)具有一定的借鑒作用。

隨著人們生活水平的進(jìn)步，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也進(jìn)入了工業(yè)化領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工業(yè)化在為人們帶來了大規(guī)模集成化生產(chǎn)的同時(shí)，也給人們生活帶來了巨大的影響。我國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量和面積均居世界首位，其中工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖提供了巨大貢獻(xiàn)，但與此同時(shí)工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的自身污染問題也較為嚴(yán)重。工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中會(huì)產(chǎn)生大量的污染物，其中包括未被食用的物質(zhì)和魚類的排泄物。有研究表明生產(chǎn)1kg體重的魚需要干重1kg～3kg飼料。36%的飼料將轉(zhuǎn)化成有機(jī)廢物被排泄出去，大約75%的氮磷飼料遺留在水中成為污染物。當(dāng)這些物質(zhì)濃度達(dá)到一定程度會(huì)使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。因此，水產(chǎn)養(yǎng)殖所造成污染問題已成為世界各地研究者們關(guān)注的焦點(diǎn)。水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水如果可以重新利用會(huì)有很大的意義，不僅可以降低水污染，又可高效利用水資源。循環(huán)型水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)（Recirculating Aquaculture System，RAS）系統(tǒng)是通過將養(yǎng)殖所產(chǎn)生的廢水進(jìn)行加工處理后再使用的系統(tǒng)。目前國內(nèi)外循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要分兩種，一是高集成循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式，其特點(diǎn)是高自動(dòng)化、高密度、高集成度，存在的問題是投資成本高、資源浪費(fèi)；二是經(jīng)濟(jì)型循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)模式研究，利用簡化的水處理工藝、自然條件對(duì)污水進(jìn)行過濾再利用，其特點(diǎn)是工藝簡單、經(jīng)濟(jì)效益高。不足是生產(chǎn)規(guī)模小，集成度低。針對(duì)以上的矛盾，很多學(xué)者也進(jìn)行了大量的研究。路易斯安那州立大學(xué)Malone教授根據(jù)多年的研究，認(rèn)為循環(huán)式水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠成功必須滿足五大條件：一是水的循環(huán)；二是懸浮顆粒物及時(shí)去除；三是高效的生物過濾；四是增氧設(shè)施；五是二氧化碳的去除。相關(guān)的理論研究已卓有成效，但是究竟采用什么方法來實(shí)現(xiàn)并且達(dá)到綠色環(huán)保的目的，成為研究和應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

魚菜共生系統(tǒng)（Aquaponics）整合了水產(chǎn)養(yǎng)殖和無土栽培技術(shù)，將高集成循環(huán)水養(yǎng)殖與生物處整合型養(yǎng)殖系統(tǒng)促進(jìn)了營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)利用也增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量。魚菜共生系統(tǒng)相比于那些導(dǎo)致水土流失、土壤荒漠化和污染的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式具有更高的可持續(xù)性。既滿足高集成循環(huán)水處理模式的高密度生產(chǎn)，又利用了自然消化工藝，使資源得到合理利用。

魚菜共生系統(tǒng)經(jīng)過三十多年的理論研究和實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)歷早期的艱難探索、中期多種系統(tǒng)工藝演變，形成了較為完善的魚菜共生工程體系。

一、魚菜共生系統(tǒng)的循環(huán)工藝研究

魚菜共生系統(tǒng)是從簡單的自然循環(huán)概念演化過來的，最開始使用的工藝也相對(duì)簡單，采用了魚菜直接接觸共存的方法，這種方法最為簡單，但也存在著很大的問題。

（一）直接共生

直接共生就是直接在養(yǎng)殖池中栽培水生蔬菜，蔬菜對(duì)養(yǎng)殖水中魚蝦等排放的氨氮進(jìn)行直接利用，既起到凈化水質(zhì)作用也獲得了生長必須的營養(yǎng)。直接共生型魚菜共生系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

廣東惠州水產(chǎn)科學(xué)研究所采用的魚菜共生系統(tǒng)，用泡沫板、竹架等作為浮體直接把蔬菜固定在漂浮的定植板上進(jìn)行水培。曹豫、翟旭亮在重慶市水產(chǎn)引育種中心示范基地開展了直接共生模式與普通養(yǎng)殖模式對(duì)比試驗(yàn)研究。實(shí)現(xiàn)每公頃產(chǎn)空心菜36000kg以上，每公頃增收30000元以上，純利潤達(dá)每公頃2521元。廣東省博羅縣水產(chǎn)技術(shù)推廣站采用的也是該種共生模式，保證了良好的水質(zhì)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體良性循環(huán)。王水亮在中國河南省平頂山市新華區(qū)開展了水上種菜、水下養(yǎng)魚試驗(yàn)，整個(gè)魚塘面積10畝。該系統(tǒng)充分利用了水資源，節(jié)省了土地，提高了土地利用率，實(shí)現(xiàn)環(huán)境和農(nóng)業(yè)雙贏的生產(chǎn)模式。

圖 1 直接共生型魚菜共生系統(tǒng)示意圖

蔬菜種于水上，采用浮筏移栽，這種方式十分的簡單易于搭建，對(duì)水中的氨氮濃度也有一定的消去作用，但是植物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的吸收率只有40%，不能真正達(dá)到植物對(duì)氨氮等營養(yǎng)物質(zhì)的需求。而且一些雜食性的魚會(huì)有吃食根系的問題存在，需對(duì)根系進(jìn)行圍篩網(wǎng)保護(hù)，而且可栽培的面積小，效率不高。

（二）開環(huán)共生

養(yǎng)殖池與種植槽（或床）之間不形成閉路循環(huán)，由養(yǎng)殖池排放的廢水作為一次性灌溉用水直接供應(yīng)蔬菜種植系統(tǒng)而不形成返還回流，每次只對(duì)養(yǎng)殖池補(bǔ)充新水。在水源充足的地方可以采用該模式。開環(huán)型魚菜共生系統(tǒng)如圖2所示。

珠江三角洲“?；~塘”，就是采用的這種開環(huán)模式進(jìn)行種植養(yǎng)殖生產(chǎn)的。利用地區(qū)的水資源豐富的特點(diǎn)，實(shí)行一次性開環(huán)灌溉養(yǎng)殖模式。N.Vergote也做過類似的試驗(yàn)，整體依舊是采用開環(huán)生產(chǎn)模式，唯一不同是在水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培種植兩個(gè)系統(tǒng)各自建立了小循環(huán)系統(tǒng)，保證了水分在各自部分的充分利用。

開環(huán)共生工藝實(shí)現(xiàn)了魚和菜在空間上的分離，系統(tǒng)上的共生。這種辦法不僅讓資源仍然可以高效的利用，而且基本實(shí)現(xiàn)了魚和菜的互不影響的生長，簡化了管理策略，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。然而水的循環(huán)利用受到了阻礙。

圖2 開環(huán)型魚菜共生系統(tǒng)

（三）閉環(huán)共生

養(yǎng)殖池排放的水經(jīng)硝化床微生物處理后，進(jìn)入蔬菜栽培系統(tǒng)，再經(jīng)蔬菜根系的生物吸收過濾，把處理后的廢水返回至養(yǎng)殖池。水在養(yǎng)殖池、濾液床和種植槽之間形成一個(gè)閉路循環(huán)。閉環(huán)共生系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 閉環(huán)型魚菜共生系統(tǒng)

這種閉環(huán)共生工藝需要慎重考慮的是維護(hù)、管理的費(fèi)用問題。而且水的循環(huán)會(huì)直接影響到魚跟菜的生長。但這種閉鎖環(huán)工藝的魚菜共生系統(tǒng)可用于大規(guī)模生產(chǎn)，效率高，很大程度上減少水資源的使用。因此，國內(nèi)外眾多的研究都是基于閉環(huán)共生開展的。

美國、歐洲大部水產(chǎn)養(yǎng)殖研究機(jī)構(gòu)都是采用溫室內(nèi)搭建的這種閉鎖環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，來完成水由魚池到無土栽培槽過濾，再返回魚池中的一個(gè)循環(huán)過程。并通過多路循環(huán)設(shè)計(jì)，對(duì)多種植物進(jìn)行灌溉試驗(yàn)。Stefan M. PETREA在循環(huán)系統(tǒng)中增加了特制的過濾系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但系統(tǒng)存在著食品安全性問題。Andreas Graber和 Ranka Junge 采用養(yǎng)殖水體與種植系統(tǒng)之間通過消化濾床連接構(gòu)成閉合循環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。該試驗(yàn)系統(tǒng)相比之前眾多研究者來說，有較高的穩(wěn)定性。丁永良搭建的魚菜共生系統(tǒng)由魚池、栽培盤和空氣提水三個(gè)部分組成。池、盤結(jié)構(gòu)采用由抗堿纖維和低堿水泥復(fù)合的新型材料(GRC)，整體構(gòu)成一個(gè)封閉循環(huán)系統(tǒng) 。

二、魚菜共生系統(tǒng)技術(shù)模式綜述

魚菜共生系統(tǒng)融合了循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)和無土栽培技術(shù)，屬于復(fù)合型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。

其中，消化技術(shù)屬于魚菜共生系統(tǒng)中最為核心的技術(shù)部分。因?yàn)樗苯佑绊戇^濾水質(zhì)的效果和植物營養(yǎng)吸收的效率。氨氮是隨著魚的糞便和腮部呼吸作用代謝產(chǎn)生。這些物質(zhì)需要過濾掉，否則高濃度的氨氮會(huì)使得魚生病死亡。雖然直接將水撒到水培蔬菜中可以降低一些氨氮濃度，但是并不能達(dá)到正常水平，所以一個(gè)高效的微生物分解系統(tǒng)是必不可少的。為此，國際上眾多學(xué)者做了大量試驗(yàn)，并產(chǎn)生了不同的工程技術(shù)模式。

（一）NCSU模式

在早期，魚菜共生系統(tǒng)水消化部分使用的是沙子、碎石等技術(shù)。美國北卡羅萊納州立大學(xué)(NCSU)園藝系的Sanders Doug及其研究生Mark McMurtry研究了溫室循環(huán)式生產(chǎn)型魚菜共生系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)采用的就是沙土作為固定植物根部的介質(zhì)，作物栽培采用固體基質(zhì)栽培（細(xì)砂），這種方式被美國人規(guī)定為NCSU生產(chǎn)系統(tǒng)。后經(jīng)雙思水農(nóng)場(chǎng)的湯姆斯潘尼奧夫婦改良，形成了新型NCSU系統(tǒng)。改良后的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的水循環(huán)管網(wǎng)，使整個(gè)系統(tǒng)便于操作和維護(hù)。同時(shí)將種植介質(zhì)換成礫石，創(chuàng)造更利于微生物分解的環(huán)境。NCSU 系統(tǒng)采用的是固體基質(zhì)栽培（細(xì)砂），經(jīng)改良后的版本系統(tǒng)較簡單經(jīng)濟(jì)，且組合形式多樣適合各種形式的農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用。該系統(tǒng)在美國的發(fā)展應(yīng)用十分廣泛而且更為系統(tǒng)化。NCSU系統(tǒng)采用的是固體基質(zhì)栽培，屬于單循環(huán)模式，系統(tǒng)較簡單經(jīng)濟(jì)，且組合形式多樣?？偟膩碇vNCSU主要用于小規(guī)模封閉空間，采用砂石過濾，一般使用滴灌、重力回流技術(shù)。

（二）UVI模式

1980年代末期，美屬維爾京群島大學(xué)(UVI)詹姆斯·瓦克斯博士(Dr. James Rakocy)成功研發(fā)了魚菜共生系統(tǒng)的UVI模式，UVI 系統(tǒng)采用的是養(yǎng)液循環(huán)栽培,屬于單循環(huán)模式，需水量大，產(chǎn)生的動(dòng)力費(fèi)較高，適合戶外大型商業(yè)生產(chǎn)。UVI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整體上看UVI模式是大規(guī)模封閉式系統(tǒng)，使用了水耕水培分離式，漂浮水培，增氧，消毒，調(diào)節(jié)池等技術(shù)。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，漂浮水槽技術(shù)也開始進(jìn)入實(shí)驗(yàn)階段，并成功在魚菜共生系統(tǒng)工程實(shí)驗(yàn)室中完成運(yùn)轉(zhuǎn)。美屬維京群島大學(xué)農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)站詹姆斯拉克斯建立了大型商業(yè)化生產(chǎn)的戶外封閉水循環(huán)魚菜共生系統(tǒng)，該系統(tǒng)較復(fù)雜但相對(duì)穩(wěn)定。作物栽培采用養(yǎng)液循環(huán)型（深水浮筏 deep water raft）的栽培。該系統(tǒng)也被當(dāng)時(shí)公認(rèn)為是較為官方的UVI標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。隨后耐爾森佩德有限公司的耐爾森佩德夫婦將UVI系統(tǒng)進(jìn)行了改良，改良后的UVI 系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)和性能上都更加穩(wěn)定，并很快進(jìn)入課程培訓(xùn)，并出版相關(guān)雜志及書籍成功地進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作。

圖4 UVI模式的魚菜共生系統(tǒng)

（三）ASTAF-PRO模式

之前提到的NCSU和UVI兩種傳統(tǒng)的魚菜共生模式都是使用單循環(huán)結(jié)構(gòu)在全球各地的研究已相當(dāng)成熟，而pH、營養(yǎng)物質(zhì)、主要礦物質(zhì)難調(diào)節(jié)也是始終不能突破。ASTAF-PRO系統(tǒng)是柏林Leibniz-IGB研究出來的一個(gè)新型魚菜共生系統(tǒng)。它將傳統(tǒng)RAS系統(tǒng)和含有NFT技術(shù)的無土栽培系統(tǒng)融合到一起，克服了之前單循環(huán)的局限性，屬于多循環(huán)復(fù)合模式。有研究表明單獨(dú)的RAS系統(tǒng)和單獨(dú)的水培系統(tǒng)生產(chǎn)1kg的羅非魚和1.6kg的土豆總共需要水量約1100L。使用ASTAF-PRO生產(chǎn)同樣數(shù)量需要220L水。而采用INAPRO系統(tǒng)工程生產(chǎn)同樣數(shù)量的羅非魚和土豆只需要不到100L水。

隨后歐盟在ASTAF-PRO項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行進(jìn)一步的性能優(yōu)化，形成了較為完善的歐盟（INAPRO）系統(tǒng)。其目的是更好的順應(yīng)市場(chǎng)需求，從而普及推廣。

歐盟INAPRO魚菜共生系統(tǒng)工程是一個(gè)匯集了高智能傳感器、智能控制和遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)于一身的綜合性封閉式魚菜共生系統(tǒng)。增添了光伏、沼氣等輔助單元。在ASTAF-PRO模式上有進(jìn)一步的優(yōu)化了各部分的功能分配以及相互的銜接。使得系統(tǒng)具有較高的集成、擴(kuò)展、可持續(xù)性。較適合我國大部分地區(qū)進(jìn)行研究發(fā)展。

圖 5 ASTAF-PRO模式的魚菜共生系統(tǒng)

有不少學(xué)者專門真對(duì)不同的模式進(jìn)行了水質(zhì)測(cè)試比較。Wilson A. Lennard、Brian V. Leonard等人將UVI、NCSU、NTF三種不同的模式進(jìn)行了比較，采用了對(duì)照試驗(yàn)。結(jié)果表明凈化效果最好的是漂浮型魚菜共生系統(tǒng)。Graves等人通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)NFT水培子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率明顯的少于碎石床和漂浮筏水培系統(tǒng)技術(shù)。NFT技術(shù)雖不是效果最明顯，資金投入也比較高，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，適于長期工作，有較大發(fā)展前景。綜合來看UVI和NCSU模式雖然較為簡單，但是試用范圍比較窄，不適于大規(guī)模高適應(yīng)性的發(fā)展研究。而ASTAF-PRO、INAPRO等模式采用了模塊化的研究方式，運(yùn)用更為科學(xué)的技術(shù)使得系統(tǒng)具有高適應(yīng)性，適合各種地區(qū)不同地形氣候的發(fā)展研究，符合未來該項(xiàng)目的發(fā)展研究趨勢(shì)。

三、我國魚菜共生系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)

（一）魚菜共生系統(tǒng)工藝發(fā)展的趨勢(shì)

魚菜共生系統(tǒng)工藝是保證魚菜共生系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵工程。上文所介紹的直接共生、開環(huán)共生、閉環(huán)共生都是根據(jù)不同地區(qū)，不同資源需求所搭建的系統(tǒng)工藝。根據(jù)我國目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型，在北方一些較為缺水的地區(qū)可以參照上文開環(huán)共生的工藝進(jìn)行工程建設(shè)。對(duì)于相對(duì)水源比較充足的南方地區(qū)，推薦使用閉環(huán)共生的工藝進(jìn)行工程建設(shè)。

我國是世界上人口第一大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模集約化生產(chǎn)是主要趨勢(shì)。魚菜共生系統(tǒng)未來也要向大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)方向發(fā)展。上述工藝中滿足大規(guī)模生產(chǎn)的工藝是閉環(huán)共生系統(tǒng)工藝，該工藝可以在我國北方的日光溫室內(nèi)大規(guī)模建設(shè)生產(chǎn)。

山東壽光基地所搭建的歐盟INAPRO魚菜共生系統(tǒng)就屬于溫室中建設(shè)的魚菜共生系統(tǒng)工程。該工程采用了閉環(huán)共生工藝，采用了冷凝水循環(huán)技術(shù)和ASTAF-PRO的生產(chǎn)技術(shù)模式。該系統(tǒng)對(duì)于我國未來的魚菜共生系統(tǒng)發(fā)展具有很高的研究借鑒意義。

（二）魚菜共生系統(tǒng)技術(shù)研究所面臨的挑戰(zhàn)

魚菜共生系統(tǒng)作為一種循環(huán)水養(yǎng)殖的新興生產(chǎn)模式對(duì)于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)既是機(jī)遇也是一種挑戰(zhàn)。

在我國大規(guī)模建設(shè)魚菜共生系統(tǒng)，將大幅度減少水資源的使用，并且減少水處理的費(fèi)用。然而魚菜共生系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易受環(huán)境、種植品種配比和系統(tǒng)工藝等多方面因素的影響，難以形成集約化循環(huán)生產(chǎn)。需要進(jìn)一步推進(jìn)魚菜共生系統(tǒng)技術(shù)研究水平，以達(dá)到科學(xué)、綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

從目前來看，國內(nèi)研究主要偏重于魚菜共生的技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，對(duì)于國外，該領(lǐng)域研究已深入到系統(tǒng)水、營養(yǎng)、能源利用效率及系統(tǒng)性能影響因素等方面，較國內(nèi)超前一些。本文作者建議我國在技術(shù)研究領(lǐng)域需特別關(guān)注以下幾個(gè)方面。第一，研究安全穩(wěn)定的循環(huán)水處理方法和相關(guān)技術(shù)手段，以保證水產(chǎn)養(yǎng)殖和無土栽培兩個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。第二，模型方面的研究，包括魚菜共生系統(tǒng)中大量生長參數(shù)，如二氧化碳、溫濕度、光照強(qiáng)度、溶解氧、pH值、氨氮等，這些參數(shù)在系統(tǒng)中會(huì)相互影響，深入了解其相互轉(zhuǎn)化機(jī)制，對(duì)魚菜共生系統(tǒng)工程建設(shè)有很好的指導(dǎo)性意義。第三，集成裝備與系統(tǒng)研究。加深對(duì)魚菜共生系統(tǒng)中測(cè)控管理系統(tǒng)的研究，針對(duì)魚菜共生系統(tǒng)的工程特性，研究開發(fā)末端智能裝備、裝置的研發(fā)增加系統(tǒng)科學(xué)性、安全性和可靠性。

作者單位：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院