漁菜共作技術發(fā)展現狀與前景分析＊

萬瀟陽，拜艷玲，余宏軍，李 強，路 濤，李 陽，蔣衛(wèi)杰（中國農業(yè)科學院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

由于生態(tài)環(huán)境和自然資源限制,中國農業(yè)現代化發(fā)展面臨嚴峻的挑戰(zhàn),不可持續(xù)的化學農業(yè)急需轉型為循環(huán)可持續(xù)的生態(tài)農業(yè)。漁菜共作是新興的循環(huán)可持續(xù)的環(huán)境友好型農業(yè)生產模式，可以兼顧蔬菜、水產品的產量和品質安全，減少了水和化學肥料的使用，促進可持續(xù)農業(yè)的發(fā)展?，F代漁菜共作技術(Aquaponics) 是以循環(huán)水養(yǎng)殖技術(Recirculating Aquaculture) 和水耕栽培技術(Hydroponics) 為基礎的集成系統(tǒng)，采用生物和有限的化學手段，智能化或自動化進行循環(huán)流水水產養(yǎng)殖和水耕栽培。目的是使水產養(yǎng)殖廢水中的廢棄物經微生物作用轉化成可以直接供植物吸收的營養(yǎng)元素，確保提供蔬菜最佳生長所需營養(yǎng)元素的50% 以上，養(yǎng)殖廢水的水質也得到凈化[1-3]。

傳統(tǒng)池塘養(yǎng)魚，效益低，而且養(yǎng)殖廢水排放對環(huán)境的污染大；高密度循環(huán)水水產養(yǎng)殖，能耗高；高密度循環(huán)水水產養(yǎng)殖技術融合現代無土栽培技術而形成的漁菜共作技術，具有低能耗、廢水零排放的優(yōu)點，其需求將在未來逐步擴大。本文期望為建立大規(guī)模生態(tài)高效和經濟可行的漁菜共作系統(tǒng)提供一定的理論參考。

發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的漁菜共作技術在世界各地分別獨立起源。阿茲特克人三千多年前在墨西哥發(fā)明了“浮動花園”(chinampa)，利用人工浮島的方法養(yǎng)魚和種植植物[4]。中國人從漢朝起就利用稻田環(huán)境養(yǎng)殖鯉魚、螃蟹、鴨子等淡水動物[5]?，F代漁菜共作技術通常被認為是起源自美國北卡羅萊納州立大學于20 世紀70 年代啟動的生態(tài)方舟項目(The Ark)[6]。20 世紀80 年代，北卡羅萊納州立大學的Mark McMurtry 博士和美屬維爾京群島大學James Rakocy 博士分別研發(fā)出了砂培型(NCSU) 和漂浮筏型(UVI) 的漁菜共作系統(tǒng)，成為最先嘗試商業(yè)化應用的漁菜共作系統(tǒng)[7-8]。20世紀90 年代末，國際學術界正式提出現代漁菜共作技術(aquaponics) 一詞[9]。

2010 年以后漁菜共作技術的研究迎來了快速發(fā)展階段[9]。目前，全球已有40 多個國家或地區(qū)開展了現代漁菜共作技術的研究和實踐[10]?，F在漁菜共作系統(tǒng)的研究主要來自于美國、中國與歐洲各國，其中美國對漁菜共作系統(tǒng)研究最廣泛，涉及管理、病蟲害和商業(yè)化應用。歐洲國家(如荷蘭、德國、意大利) 的研究人員研討了法律和政策。中國現代漁菜共作技術的研究起步較晚，20 世紀90 年代開始引進研究。近年來中國的漁菜共作研究快速發(fā)展，國內漁菜共作研究論文逐年上升，相關文章涉及漁菜共作系統(tǒng)中的分子生物學、栽培生理、元素轉化、微生物培養(yǎng)、結構改進、智能化和物聯網技術以及經濟效益研究等方面，且研究方向逐步深入，已開始追趕國外先進水平的研究[11-19]。各級政府及社會各界也紛紛投入，多個省市已開展或推廣商業(yè)化漁菜共作項目，各地政府將漁菜共作技術作為生態(tài)農業(yè)和脫貧攻堅的重要方法，紛紛出臺政策，建立農業(yè)示范園或以農業(yè)技術推廣站進行推廣。農業(yè)農村部將池塘漁菜共作循環(huán)種養(yǎng)技術列入2021 年農業(yè)主推技術，北京、山東、重慶、甘肅等多地也陸續(xù)出現一些達到一定的產業(yè)規(guī)模的漁菜共作企業(yè)，甘肅天水市魚菜共生示范面積達到12 hm2，平均產量達到12225 kg/hm2，平均純收入達到15萬元/hm2。山東煙臺的艾維農場發(fā)明旋轉立柱式氣霧栽培，在國內外有較高知名度[20-22]。成都漁耕田農場則號稱擁有亞洲最大的生產型漁菜共作農場。國內已涌現出如北京大地圃園農業(yè)科技公司、廣東天菜農業(yè)有限公司等一批各具技術特色的漁菜共作企業(yè)。國內漁菜共作產業(yè)方興未艾。

系統(tǒng)主要構成

漁菜共作系統(tǒng)的主要結構包括養(yǎng)殖池、蔬菜種植床，還包括一些輔助結構，如水處理設備（機械或生物濾器等）、能源供應設備、調控設備（用于增氧、消毒、恒溫、補光、水循環(huán)等）、介質床（基質、砂石等)、檢測設備（檢測pH、溶解氧、硬度、鹽度、氯氣以及其他污染源）和輔助管理的機械設備（圖1）。

圖1 漁菜共作系統(tǒng)主要構成系統(tǒng)示意圖

關鍵環(huán)境參數及調控技術

為了確保漁菜共作系統(tǒng)正常運行，需要綜合調節(jié)對動植物和微生物存活生長有關的環(huán)境因子在系統(tǒng)中處于動態(tài)平衡。相較于水產養(yǎng)殖技術已經有相當成熟的國家標準，漁菜共作技術的水質參數調控標準還不完善[23]。國內外絕大部分研究僅從自身出發(fā)，未有統(tǒng)一的標準。表1 為現有研究的環(huán)境調控參數匯總[1,3,5,24-29]。

表1 漁菜共作系統(tǒng)主要環(huán)境參數

漁菜共作系統(tǒng)中的物理參數如溫度、水循環(huán)流量、溶氧量等需通過機械設備(增氧泵、鍋爐和水泵等) 進行調控。系統(tǒng)應該使用絕大多數的化學參數在安全范圍內的水源，且在系統(tǒng)正常運轉下應當可以保持動態(tài)平衡。漁菜共作系統(tǒng)的正常運行的關鍵，就是構建完善且平衡的氮素轉化。在系統(tǒng)中氮的主要來源是魚飼料，飼料經魚消化后排出的糞便和魚飼料殘渣進入水體，分解轉化以總氨氮(TAN) 形式存在，然后通過硝化細菌的好氧硝化作用將有毒的總氨氮(NH3和NH4+) 氧化。一部分NH3會轉化為NH4+，大部分總氨氮會被氨氧化菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB) 轉化為亞硝態(tài)氮(NO2-)，再經亞硝酸鹽氧化菌(Nitrite-oxidizing bactreia,NOB) 轉化為無毒的硝態(tài)氮(NO3-)，硝酸鹽和部分離子態(tài)的NH4+被植物吸收利用，從而保持系統(tǒng)良好的水質[1,25-34]。但在氮同位素標記證明此循環(huán)中氮素并不能被植物完全吸收，系統(tǒng)環(huán)境條件不適宜硝化反應進行時，反硝化作用進行，異養(yǎng)菌將硝酸鹽(NO3-) 還原，產生一部分的氣態(tài)氮損失(相對于魚飼料輸入的氮損失為20%～60%) 和N2O 排放(相對于魚飼料輸入的N 的0.6%～2.0%)[25,33]。N2O 全球變暖潛力是二氧化碳(CO2) 的310 倍，是嚴重的溫室氣體[35]。因此需要保證漁菜共作系統(tǒng)處于適宜硝化反應的環(huán)境中。高溶氧量、特定基質和適宜的pH 和溫度都能夠顯著降低水體中的氮損失和亞硝酸鹽濃度，而改變水中栽培的植物種類僅能改變氮利用率，對減少水體氮損失無顯著影響[1,30,32,36]。如果一些水質參數不能平衡，則需要人工調控，需要綜合調節(jié)對動植物存活生長有關的水質參數。有時水質偏硬或蒸發(fā)率高，大幅提升pH 時，需要添加酸降低pH，可以定量少量添加磷酸、硫酸和硝酸降低水體pH[37]。另外，由于硝化作用和呼吸作用，魚菜共生系統(tǒng)的水會自然酸化，會有大量CO2的產生，當水體pH＜6，通過氣浮處理可以脫去部分CO2，還可加堿或者增加碳酸硬度(KH)，以緩沖下降中的pH。常用強堿氫氧化鉀和氫氧化鈣或者更安全的的碳酸鈣和碳酸鉀提升pH[38]。

發(fā)展前景

相較于循環(huán)水養(yǎng)殖和水培高耗水、高耗能、高資源消耗，漁菜共作的水損耗大大減少，循環(huán)水養(yǎng)殖每天需更換5%～10% 的水，漁菜共作系統(tǒng)每天僅使用系統(tǒng)總水量0.3%～5.0%[39-40]，Al-Hafedh 等[41]發(fā)現半集約化漁菜共作系統(tǒng)在生產1 kg 魚需要320 L 的水，而半集約化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生產同樣的生物量需要2000 L 以上的水。漁菜共作的作物所需的營養(yǎng)元素50% 以上都可以通過養(yǎng)殖廢水獲得[24]，減少了磷、鉀等面臨枯竭的化學肥料消耗，從節(jié)省氮肥的角度，預計可以減少28.5% 的農業(yè)能源消耗，同時系統(tǒng)集成度高，更節(jié)省空間、資源和其他間接能源消耗[43-44]。Kloas 等[45]通過溫室漁菜共作系統(tǒng)種植番茄和養(yǎng)殖羅非魚，每日淡水使用量僅為同等循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的3.83%，并估算得出該漁菜共作系統(tǒng)的規(guī)模下具有560.6 kg 的CO2的潛在碳匯。還有研究估計半曝氣基質漁菜共作系統(tǒng)可以降低超過46.93% 的因能耗間接排放的CO2[15]。因此漁菜共作技術無疑更具有較好的生態(tài)效益和可持續(xù)性，在實現碳中和方面也更具潛力。

盡管漁菜共作具有良好的生態(tài)效益，但其經濟可行性上仍需進一步確定。由于漁菜共作的系統(tǒng)復雜性，很難對漁菜共作進行準確的經濟評價，目前還不存在一個普遍適用的估算系統(tǒng)，需要根據季節(jié)、市場、氣候等外部條件評估后進行評價[25,46]。從現有研究來說，在外界條件允許的前提下，漁菜共作具有經濟可行性，因為系統(tǒng)降低了同等產出的生產成本和間接環(huán)境成本，提高了單位面積產出價值[47]。Rupasinghe 等人[48]的研究中計算出，種植萵苣和養(yǎng)殖梭魚，凈現值(未來收入現值與支出現值的差額) 提高了4.6%。上海某商業(yè)化漁菜共作系統(tǒng)進行成本收益分析，經濟凈現值(784242.975 元)、投資回收期(Pt=3.86 年)、經濟內部收益率(30.97%) 等方面說明漁菜共作系統(tǒng)雖然投資大，但具有經濟可行性[49]。總體來說漁菜共作具備盈利潛力和巨大的生態(tài)效益，但仍需從生產、銷售、政策多方面優(yōu)化經濟可行性。

漁菜共作具有節(jié)約空間、水、肥、能源等自然資源，減少環(huán)境污染和溫室氣體排放，降低單位生產成本和人力，兼顧蔬菜、水產品的產量和品質安全等顯著優(yōu)勢。然而漁菜共作技術的發(fā)展仍不完善，存在一些問題值得思考。首先，中美歐三大漁菜共作技術研究區(qū)的政府均無完善的漁菜共作技術的指導政策。第二，標準模糊。漁菜共作產品的定義模糊，無明確的標準。美國和歐洲暫不認可漁菜共作產品作為有機食品出售。因此，許多國內外研究者轉向漁菜共作政策和標準上的研究，美國和歐洲許多研究者研究制定標準和呼吁政府出臺優(yōu)惠政策，國內也逐漸有研究者關注這方面。第三，漁菜共作的從業(yè)者較年輕，缺乏專業(yè)培訓，生產效率低下，技術落后。國內外研究者不斷改進漁菜共作技術，逐步推廣試點。歐洲研究者趨向解耦型的研究，國內外研究者研究方向具體朝向智能化、基質、動植物種類、微生物作用、曝氣、病蟲害、氮以外其他養(yǎng)分轉移規(guī)律以及海水漁菜共作技術等方面。另外，真正商業(yè)化生產的漁菜共作系統(tǒng)投入大，產出不穩(wěn)定，經濟可行性和生態(tài)效益未知，還未有專門精確的估算，歐洲的一份調查中僅有1/3 的漁菜共作從業(yè)者盈利[10,44,50]。未來，漁菜共作系統(tǒng)想要走向大規(guī)模商業(yè)化應用，還需對商業(yè)化漁菜共作系統(tǒng)進行進一步的研究和集成。