魚菜共生發(fā)展歷史、典型模式與發(fā)展趨勢(shì)

徐琰斐，張宇雷，顧川川，劉 晃，倪 琦

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

魚菜共生(Aquaponics)是由水產(chǎn)養(yǎng)殖(Aquaculture)和水耕栽培(Hydroponics)組成的復(fù)合詞匯。聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織(FAO)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的定義為養(yǎng)殖水生有機(jī)物，包括魚類、軟體動(dòng)物、甲殼類和水生植物等的養(yǎng)殖；對(duì)水耕栽培的定義為，在無(wú)土基質(zhì)中生產(chǎn)植物，植物通過(guò)水輸送獲得生長(zhǎng)所需的所有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[1]?；诖耍現(xiàn)AO對(duì)魚菜共生的定義為：循環(huán)水養(yǎng)殖和水耕栽培在一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的集成[2]。其原理是將水產(chǎn)養(yǎng)殖排放水經(jīng)微生物硝化作用后轉(zhuǎn)化為植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收又可為水產(chǎn)養(yǎng)殖凈化水體[3]。

魚菜共生的主要特點(diǎn)：一是水資源利用效率高。根據(jù)FAO統(tǒng)計(jì)，全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗了67%的可使用淡水，在中東、北非地區(qū)比例更是達(dá)到了90%[4]。在魚菜共生系統(tǒng)中，日換水量約為0.3%～5%[5]，是一種非常節(jié)水的生產(chǎn)方式。二是氮源利用效率高。在普通水產(chǎn)養(yǎng)殖模式中，魚類生長(zhǎng)只利用了約25%的氮源，其余75%被排放到環(huán)境中[6]，而魚菜共生由一種氮源(魚飼料)生產(chǎn)兩種農(nóng)產(chǎn)品(魚和蔬菜)，能夠持續(xù)和高密度進(jìn)行食物生產(chǎn)。三是對(duì)環(huán)境友好。魚菜共生系統(tǒng)不使用化肥和農(nóng)藥，目前，全球氮肥生產(chǎn)所消耗的能源占農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需能源的57%[6]，同時(shí)，地球上的磷酸鹽儲(chǔ)量預(yù)計(jì)在60～70年以后將減少一半[7]，減少化肥使用對(duì)保護(hù)環(huán)境具有重要意義。魚菜共生有望成為解決全球人口增長(zhǎng)和資源緊缺等問(wèn)題的生產(chǎn)方式之一。

1 魚菜共生的歷史進(jìn)程

1.1 理念起源階段(1970年之前)

魚菜共生在歷史上有跡可循，人們利用魚的排泄物為植物施肥的概念已經(jīng)存在了數(shù)千年，亞洲和南美洲早期文明都采用過(guò)將養(yǎng)魚與植物種植相結(jié)合的生產(chǎn)方式。三國(guó)時(shí)期《魏武四時(shí)公制》記載：“郫縣子魚黃鱗赤尾，出稻田，可以為醬”，意思是在稻田里捕到了鯉魚[8]；公元1 100～1 350年，南美洲阿茲特克人將植物種在木筏等材料做成的浮島上，利用人工浮島的方法發(fā)展農(nóng)業(yè)，稱之為“奇南帕(Chinampa)”[9]；但是，直到20世紀(jì)前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者很少主動(dòng)將魚放入稻田進(jìn)行養(yǎng)殖[10]，偶有一些低密度的水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)植物生長(zhǎng)也沒(méi)有實(shí)質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)支持，與現(xiàn)代的魚菜共生還有較大的差異。但這些營(yíng)造共生環(huán)境的方式可以認(rèn)為是現(xiàn)代魚菜共生理念的起源。

1.2 萌芽階段(1970—1990年)

20世紀(jì)70年代，美國(guó)南伊利諾大學(xué)Lewis教授首先在伊利諾斯?jié)O業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖中心(前身為南伊利諾斯合作漁業(yè)研究實(shí)驗(yàn)室)構(gòu)建了以斑點(diǎn)叉尾鮰(Ictaluruspunctatus)與番茄(Solanumlycopersicum)結(jié)合生產(chǎn)的魚菜共生系統(tǒng)，并在美國(guó)漁業(yè)學(xué)會(huì)(American Fisheries Society)下屬期刊發(fā)表了數(shù)篇有關(guān)魚菜共生的論文[11-13]。20世紀(jì)80年代初期，美屬維爾京群島大學(xué)(University of the Virgin Islands)的James Rakocy博士研發(fā)了第一個(gè)大型商業(yè)規(guī)模的魚菜共生研究系統(tǒng)(UVI模式)，開(kāi)展羅非魚(Oreochromisniloticus)和水培生菜(Lactucasativa)生產(chǎn)試驗(yàn)，后續(xù)又進(jìn)一步提出了UVI模式的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，完善了魚菜構(gòu)成比，在保持系統(tǒng)生態(tài)平衡的同時(shí)，較大程度地提高了魚和蔬菜的產(chǎn)量[14]。同時(shí)期，美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)的Mcmurtry博士研發(fā)了溫室魚菜共生系統(tǒng)(NCSU模式)，采用固體基質(zhì)(細(xì)沙)栽培植物，是小規(guī)模魚菜共生的原型[15]。UVI和NCSU模式的出現(xiàn)催生了現(xiàn)代魚菜共生在美國(guó)的發(fā)展。

1.3 全球拓展階段(1990—2010年)

20世紀(jì)90年代，Rakocy博士在美屬維爾京群島大學(xué)開(kāi)設(shè)了魚菜共生培訓(xùn)課程，推動(dòng)了魚菜共生理論和技術(shù)的傳播[14]?；诂F(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)進(jìn)步、全球人口增長(zhǎng)以及土地和水資源減少等因素，進(jìn)一步促進(jìn)了魚菜共生在全球的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì),至少有43個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了魚菜共生研究和實(shí)踐[16](圖1)。世界各國(guó)根據(jù)技術(shù)發(fā)展水平以及對(duì)不同魚類、蔬菜品種的需求，對(duì)魚菜共生系統(tǒng)進(jìn)行本土化改進(jìn)和發(fā)展。中國(guó)于20世紀(jì)90年代由中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所丁永良等[17]引進(jìn)魚菜共生系統(tǒng)并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)首套實(shí)驗(yàn)性魚菜共生裝置。歐洲對(duì)不同魚類、蔬菜種類以及不同水培單元形式開(kāi)展技術(shù)研究[18]，優(yōu)化魚菜共生系統(tǒng)參數(shù)，提高產(chǎn)量。美國(guó)Nelson and Pade公司[19]改良了UVI模式，研發(fā)了成熟的家用和商用魚菜共生系統(tǒng)，并出版書籍、開(kāi)展課程培訓(xùn)，成功地進(jìn)行了商業(yè)化運(yùn)作。

圖1 1990—2019年世界各國(guó)/地區(qū)論文數(shù)量Fig.1 Number of papers by countries/regions from 1990-2019

1.4 快速發(fā)展階段(2010年至今)

2010年，歐洲議會(huì)研究服務(wù)局的一項(xiàng)報(bào)告將魚菜共生認(rèn)定為是“可以改變生活的十項(xiàng)技術(shù)”之一，認(rèn)為其是有望改變滿足持續(xù)增長(zhǎng)的人口對(duì)糧食需求的生產(chǎn)方式[20]。Yep等[6]研究顯示，關(guān)于魚菜共生的引文數(shù)量自2010年后逐年遞增。從國(guó)內(nèi)看，在中國(guó)知網(wǎng)(CNKI)以“魚菜共生”為關(guān)鍵詞，對(duì)截至2019年的相關(guān)中文期刊進(jìn)行檢索，得到全文涉及“魚菜共生”的論文有1 285篇，論文發(fā)表數(shù)量自2010年以后呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)(圖2)。一項(xiàng)調(diào)查顯示，截至2017年，全球魚菜共生市場(chǎng)銷售額已經(jīng)達(dá)到5.34億美元，此后預(yù)測(cè)將以年復(fù)合成長(zhǎng)率15.9%成長(zhǎng)，至2026年達(dá)到20.16億美元[21]。調(diào)查認(rèn)為，基于對(duì)有機(jī)水果及蔬菜需求的增加，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的進(jìn)步以及對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求等因素，魚菜共生市場(chǎng)將快速發(fā)展并在未來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)張。魚菜共生技術(shù)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始萌芽，經(jīng)由1990—2010年在全球平穩(wěn)發(fā)展期，在近10年迎來(lái)了快速發(fā)展階段。

圖2 發(fā)表論文年度變化趨勢(shì)Fig.2 Annual trend of published papers

2 魚菜共生系統(tǒng)典型模式分析

2.1 耦合型魚菜共生系統(tǒng)

耦合型魚菜共生系統(tǒng)是指由水產(chǎn)養(yǎng)殖單元和水培單元組成的一個(gè)單向閉路水循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有水池只有一個(gè)水流方向。Rakocy博士建立的UVI模式是典型的耦合型系統(tǒng)[14]，被認(rèn)為是現(xiàn)代魚菜共生的原型。該系統(tǒng)由魚池、沉淀池、過(guò)濾池、脫氣池、水培槽(浮筏栽培)和蓄水池等組成(圖3)。水從魚池經(jīng)重力作用通過(guò)沉淀池和過(guò)濾池去除大顆粒固體和懸浮顆粒，經(jīng)脫氣池后進(jìn)入水培槽，微生物將水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮供植物吸收利用，水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)被植物吸收后，水流至系統(tǒng)最低點(diǎn)的蓄水池，經(jīng)水泵抽取回到養(yǎng)魚池，完成整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)過(guò)程。通過(guò)魚池蒸發(fā)、植物蒸騰和排污而損失的水通過(guò)蓄水池收集雨水補(bǔ)充。經(jīng)24周生產(chǎn)試驗(yàn)[14]，羅非魚收獲時(shí)平均養(yǎng)殖密度為61.5 kg/m3，平均生長(zhǎng)率為4.4 g/d，飼料轉(zhuǎn)化率(FCR)為1.7；紅羅非魚收獲時(shí)平均養(yǎng)殖密度為70.7 kg/m3，平均生長(zhǎng)率2.69 g/d，飼料轉(zhuǎn)化率為1.8，與傳統(tǒng)循環(huán)水養(yǎng)殖效果相當(dāng)；水培羅勒(Ocimumbasilicum)產(chǎn)量為25 kg/m2，是傳統(tǒng)土培的3倍，證明了耦合型魚菜共生系統(tǒng)的生產(chǎn)力。該類型系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是能夠充分有效地利用飼料中的氮元素，氮使用效率比傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖高；水培槽發(fā)揮了與人工濕地凈化廢水相同的作用，減少了水產(chǎn)養(yǎng)殖排放對(duì)環(huán)境的影響；但是僅投入魚飼料作為魚和植物營(yíng)養(yǎng)的來(lái)源，對(duì)植物而言,在營(yíng)養(yǎng)供給的質(zhì)量和數(shù)量上還有欠缺，可能因營(yíng)養(yǎng)不足導(dǎo)致植物生長(zhǎng)緩慢或枯萎，因此，水培品種的選擇通常被限制在一些低營(yíng)養(yǎng)需求的生菜、羅勒等葉菜上；并且，魚類和植物由于共生在同一閉路循環(huán)系統(tǒng)下，植物生長(zhǎng)對(duì)高營(yíng)養(yǎng)鹽的需求和魚類生長(zhǎng)環(huán)境需要低營(yíng)養(yǎng)鹽之間存在難以協(xié)調(diào)的矛盾，彼此生長(zhǎng)環(huán)境都未處于最優(yōu)狀態(tài)，一定程度阻礙了系統(tǒng)整體產(chǎn)量的提升。

圖3 耦合型魚菜共生系統(tǒng)Fig.3 Coupled aquaponics system

2.2 解耦型魚菜共生系統(tǒng)

解耦型魚菜共生系統(tǒng)是近年在歐洲興起的一種新模式，是指包含子循環(huán)回路的系統(tǒng)，系統(tǒng)中水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培單元具有獨(dú)立循環(huán)回路，各單元水質(zhì)能夠得到更精細(xì)的調(diào)控。Kloas等[22]在溫室環(huán)境下構(gòu)建了一種新型多回路魚菜共生系統(tǒng)(圖4)，該系統(tǒng)由羅非魚循環(huán)水養(yǎng)殖和基于營(yíng)養(yǎng)膜技術(shù)(NFT)的水培番茄兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)單元組成，并通過(guò)單向閥連接。魚池排放水經(jīng)物理過(guò)濾和生物反應(yīng)器后進(jìn)入水培調(diào)節(jié)池。水培調(diào)節(jié)池可根據(jù)植物生長(zhǎng)所需的最佳條件，進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)鹽添加、pH調(diào)節(jié)等水質(zhì)調(diào)控措施后再將水輸入水培槽用于植物生長(zhǎng)；在水培單元后端設(shè)置冷卻阱，用于凝結(jié)回收植物蒸騰的水分，再與經(jīng)植物吸收營(yíng)養(yǎng)鹽后的水一同返回魚池。研究表明[22]，羅非魚收獲時(shí)養(yǎng)殖密度為75.9 kg/m3，飼料轉(zhuǎn)化率為1.23，產(chǎn)量與常規(guī)循環(huán)水養(yǎng)殖相當(dāng)；番茄產(chǎn)量約為0.99 kg/株月，比耦合型魚菜共生系統(tǒng)0.83 kg/株月的產(chǎn)量更高，且系統(tǒng)日耗水量?jī)H為2.73%。解耦類型系統(tǒng)擁有水產(chǎn)養(yǎng)殖單元、水培單元和魚—菜共生單元3個(gè)循環(huán)路徑，特點(diǎn)是水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培單元可相互獨(dú)立循環(huán)運(yùn)行，能夠?yàn)閮蓚€(gè)生產(chǎn)單元分別提供良好的生長(zhǎng)條件，解決植物和魚類生長(zhǎng)對(duì)不同營(yíng)養(yǎng)鹽、pH的需求，實(shí)現(xiàn)魚和菜產(chǎn)量的最大化；還能夠避免病蟲害等問(wèn)題在兩個(gè)單元之間互相作用造成的不利影響[22-23]，系統(tǒng)穩(wěn)定性更好；為了使水培植物處于最佳生長(zhǎng)條件，解耦型系統(tǒng)會(huì)額外向水培單元中添加營(yíng)養(yǎng)液，增加了一定的運(yùn)行成本[24]；并且解耦型系統(tǒng)構(gòu)建方式更復(fù)雜，需要使用更多的泵管和水池，占用更多的空間等[14]，經(jīng)濟(jì)可行性和盈利能力仍需要進(jìn)一步研究。

圖4 解耦型魚菜共生系統(tǒng)Fig.4 Uncoupled aquaponics system

2.3 立體式魚菜共生系統(tǒng)

Khandaker等[25]將垂直農(nóng)業(yè)技術(shù)與魚菜共生相結(jié)合，研究了基于種植墻技術(shù)(Living wall)的魚菜共生系統(tǒng)。該系統(tǒng)的無(wú)土栽培單元采用立體種植方式，由1 m2垂直排列的花盆組成(花盆以5排、8列的方式分布在由腳手架支撐的不銹鋼加強(qiáng)網(wǎng)面板上)，以椰殼纖維、礦棉等基質(zhì)種植40棵羅勒，養(yǎng)殖排放水通過(guò)灌溉管抽取到最頂部一排的花盆里，水流經(jīng)重力滲透基質(zhì)后，從花盆底部連接的分支管道流到下一排花盆里，以此為植物生長(zhǎng)提供養(yǎng)分。研究表明[25]，羅勒的平均生長(zhǎng)高度為10.5 cm/月，頂部和邊緣的羅勒由于光照充足，比中間和底部生長(zhǎng)得更好。傳統(tǒng)UVI模式在占用空間方面類似耕地種植，養(yǎng)殖單元、過(guò)濾單元和水培單元的面積占比是2∶1∶5，每平方米大約生產(chǎn)32株植物；通過(guò)種植墻等立體化生產(chǎn)方式，可以增加蔬菜種植的數(shù)量，每平方米可生產(chǎn)96株植物，是UVI模式的3倍[25-26]，顯著提高生產(chǎn)效率，證明魚菜共生系統(tǒng)結(jié)合立體栽培技術(shù)具有良好的前景。但是，立體化生產(chǎn)方式建設(shè)投入和能源消耗將更高，因?yàn)楦鶕?jù)立體栽培的高度和種植分布情況，為保持光照均勻需要更多的照明設(shè)施，將水輸送到高處也需要更大的水泵功率；基質(zhì)栽培方式容易堵塞灌溉管道，需要定期清洗，增加了勞動(dòng)力；若系統(tǒng)超過(guò)4層種植高度，上層的管理和勞動(dòng)力成本將增加25%[27]。

3 魚菜共生系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

3.1 系統(tǒng)構(gòu)建向解耦型發(fā)展

隨著魚菜共生系統(tǒng)越來(lái)越多地?cái)U(kuò)大到商業(yè)型生產(chǎn)規(guī)模，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可行性逐步受到關(guān)注。傳統(tǒng)的耦合型魚菜共生系統(tǒng)，由一個(gè)單向的封閉水循環(huán)系統(tǒng)組成，考慮到魚類和植物生長(zhǎng)對(duì)營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境的不同需求，難以同時(shí)滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培單元對(duì)不同pH、溫度和營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度的要求，阻礙了系統(tǒng)整體生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高。2015年，Goddek等[28]提出了解耦型魚菜共生系統(tǒng)的概念，改進(jìn)了耦合型系統(tǒng)單一水循環(huán)路徑的設(shè)計(jì)方法。解耦型系統(tǒng)中，養(yǎng)魚池和水培槽根據(jù)需要被設(shè)計(jì)為多個(gè)水流出口，建立了水產(chǎn)養(yǎng)殖和水培單元各自獨(dú)立的子循環(huán)回路，目的是對(duì)各個(gè)單元的水質(zhì)進(jìn)行更精細(xì)的調(diào)控，比如調(diào)節(jié)pH和營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度，能夠達(dá)到在改變水培單元水質(zhì)參數(shù)的同時(shí)不直接影響魚池水質(zhì)的效果，可以有效提升產(chǎn)量。正是因?yàn)榫哂羞@種特點(diǎn)，歐洲近年來(lái)逐步轉(zhuǎn)向以解耦型為代表的魚菜共生系統(tǒng)研究。例如，羅斯托克大學(xué)(University of Rostock)建造了一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的半商業(yè)化規(guī)模魚菜共生解耦系統(tǒng)(Fish Glass House)[28]，研究了不同規(guī)模和品種組合的運(yùn)行成本和生產(chǎn)效益；德國(guó)、荷蘭、西班牙、肯尼亞等國(guó)家也圍繞解耦型系統(tǒng)的產(chǎn)量提高、營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度調(diào)節(jié)、營(yíng)養(yǎng)鹽積累去除等方面開(kāi)展學(xué)術(shù)研究和商業(yè)化運(yùn)行。

3.2 系統(tǒng)布局向城鎮(zhèn)化、立體化發(fā)展

據(jù)統(tǒng)計(jì)，農(nóng)業(yè)用地約占全球可利用土地面積的33%，至2050年，隨著人口增長(zhǎng)對(duì)食物需求的增加，農(nóng)業(yè)用地預(yù)計(jì)將增加7%～31%[29]。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的同時(shí)，還需要發(fā)展集約化生產(chǎn)方式，提高可利用土地的單位產(chǎn)量，增加農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)。目前，規(guī)?；~菜共生系統(tǒng)通常在溫室內(nèi)建設(shè)，以控制環(huán)境、提升產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益、避免自然災(zāi)害。但溫室建設(shè)具有較高的投資成本，如在美國(guó)建造費(fèi)用約為350美元/m2[30]，中國(guó)約為400～450元/m2，提高了行業(yè)進(jìn)入門檻。Touliatos等[31]認(rèn)為垂直農(nóng)業(yè)是替代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的一個(gè)極具吸引力的方案，魚菜共生的生產(chǎn)能力、盈利性和可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)可以結(jié)合垂直農(nóng)業(yè)技術(shù)獲得進(jìn)一步提升。立體化種植生產(chǎn)系統(tǒng)，包括托盤層疊、垂直的管柱/面板/墻壁等方式，占地面積較小，能夠在屋頂、廢舊工廠等閑置區(qū)域，或者住宅區(qū)、學(xué)校等離市場(chǎng)更近的城市區(qū)域建設(shè)，減少土地使用和物流成本，提高集約化程度[32]。例如，美國(guó)AeroFarms公司新建的垂直農(nóng)場(chǎng)，通過(guò)層疊方式提升土地的使用效率，通過(guò)垂直空間利用與環(huán)境控制技術(shù)，單位面積產(chǎn)量預(yù)計(jì)是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的390倍[33]。英國(guó)瓊斯食品公司(Jones Food Company)的垂直種植設(shè)施，17層種植架堆疊到11 m高[34]，極大提高了土地使用效率。魚菜共生系統(tǒng)結(jié)合城鎮(zhèn)化和立體化生產(chǎn)方式，有望替代傳統(tǒng)水平生產(chǎn)方式，進(jìn)一步提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和可持續(xù)性。

3.3 硬件設(shè)施向生態(tài)型、智能化發(fā)展

對(duì)魚菜共生成本結(jié)構(gòu)分析顯示，勞動(dòng)力、飼料和魚苗、能源約各占成本的1/3[27]，減少勞動(dòng)力使用和能源消耗將是提升系統(tǒng)整體生產(chǎn)效益的重要方向。目前，自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)覆蓋照明、環(huán)境控制、灌溉、監(jiān)測(cè)、分級(jí)和包裝等方面[35]，一些溫室作業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。新加坡格拉斯哥大學(xué)Kyaw等[36]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一種小型智能魚菜共生系統(tǒng)，集數(shù)據(jù)采集單元(包括水溫、流速、pH、光照、測(cè)距儀)、報(bào)警單元、系統(tǒng)整改單元、中央處理單元、web應(yīng)用、移動(dòng)應(yīng)用、云服務(wù)器于一體。該系統(tǒng)可以根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)和用戶預(yù)設(shè)值不間斷監(jiān)控水質(zhì)、照明和飼料投喂，傳感器檢測(cè)到異常情況時(shí)不需要人工干預(yù)便可自動(dòng)糾正，用戶可通過(guò)攝像監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，并在移動(dòng)端進(jìn)行操作，初步實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化生產(chǎn)。通過(guò)建筑-農(nóng)業(yè)一體化(Building-Integrated-Agriculture,BIA)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫室與主建筑之間的水、能源和空氣循環(huán)利用，具有進(jìn)一步提升資源和能源使用效率的潛力。巴塞羅那自治大學(xué)(UAB Campus)建立屋頂溫室實(shí)驗(yàn)室(RTG-Lab)[37]，將水培植物系統(tǒng)與建筑物環(huán)境控制技術(shù)進(jìn)行整合，集成太陽(yáng)能和雨水收集技術(shù)、循環(huán)水處理技術(shù)、氣候控制技術(shù)等，使空氣、水和能源在溫室與建筑物之間循環(huán)利用，提升了溫室與建筑的能源和水資源使用效率、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性。未來(lái)隨著工業(yè)規(guī)模魚菜共生系統(tǒng)的發(fā)展，生態(tài)型和智能化生產(chǎn)方式對(duì)降低勞動(dòng)力和能源成本的作用將進(jìn)一步凸顯。

4 發(fā)展建議

4.1 加強(qiáng)氮磷轉(zhuǎn)化吸收機(jī)制研究

魚菜共生系統(tǒng)是一個(gè)閉路循環(huán)系統(tǒng)，日換水量不足5%，控制不當(dāng)會(huì)造成系統(tǒng)中的氮磷等重要營(yíng)養(yǎng)鹽物質(zhì)缺乏或積累，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和產(chǎn)出。建議利用同位素標(biāo)記或分子標(biāo)記等技術(shù)方法，開(kāi)展氮磷轉(zhuǎn)化吸收與pH、流速、溶氧、碳氮比、微生物群落等影響因素變化的定量研究，闡明氮磷等重要營(yíng)養(yǎng)鹽遷移、轉(zhuǎn)化的潛在反應(yīng)過(guò)程，揭示氮磷等重要營(yíng)養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化和吸收機(jī)制。

4.2 建立魚菜共生系統(tǒng)理論模型

魚菜共生系統(tǒng)構(gòu)建和運(yùn)行涉及多變量參數(shù)，掌握魚菜品種選擇和生物量配比、水溫、pH、溶氧、營(yíng)養(yǎng)鹽質(zhì)量濃度等水質(zhì)參數(shù)，以及光照、溫濕度、CO2等環(huán)境參數(shù)相互作用關(guān)系，對(duì)構(gòu)建穩(wěn)定成熟的魚菜共生系統(tǒng)具有重要意義。建議開(kāi)展魚菜共生系統(tǒng)理論模型研究，基于多變量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)學(xué)建模和仿真試驗(yàn)，建立魚菜共生系統(tǒng)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，為魚菜共生系統(tǒng)構(gòu)建提供理論依據(jù)。

4.3 加強(qiáng)人工智能技術(shù)應(yīng)用

魚菜共生涉及魚、植物、微生物，是一個(gè)多種生物相互作用的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)和管理技術(shù)門檻較高，勞動(dòng)力和能源成本也較大。加強(qiáng)人工智能技術(shù)與魚菜共生領(lǐng)域的融合應(yīng)用，能夠減少人力和能源消耗，提升生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性。例如，研發(fā)集成基于計(jì)算機(jī)控制的智能設(shè)施，實(shí)現(xiàn)溫度、照明和通風(fēng)系統(tǒng)與環(huán)境變化實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)；基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立魚和植物的營(yíng)養(yǎng)需求、生長(zhǎng)模型，研發(fā)智能投喂、水質(zhì)調(diào)控、采收技術(shù)和裝置，以期實(shí)現(xiàn)無(wú)人生產(chǎn)。

4.4 加強(qiáng)商業(yè)規(guī)模系統(tǒng)研究

經(jīng)濟(jì)可行性是魚菜共生產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提，已有研究多基于小規(guī)模研究型系統(tǒng)，缺乏商業(yè)規(guī)模系統(tǒng)研究，經(jīng)濟(jì)可行性仍有爭(zhēng)議[38]，建議加強(qiáng)商業(yè)規(guī)模系統(tǒng)研究，開(kāi)展綜合性經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)。例如，針對(duì)中國(guó)不同氣候環(huán)境、不同生活水平區(qū)域開(kāi)展本土化的商業(yè)規(guī)模系統(tǒng)試驗(yàn)，研究不同區(qū)域、市場(chǎng)條件下，不同種養(yǎng)模式、產(chǎn)品類型、生產(chǎn)規(guī)模下魚菜共生的經(jīng)濟(jì)可行性和商業(yè)模式。

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