鱼菜共生发展历史、典型模式与发展趋势.pdf

第 47 卷 第 5 期 渔 业 现 代 化 Vol 47 No 5 2020 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct 2020 DOI 10 3969 j issn 1007 9580 2020 05 001 收 稿 日 期 2020 04 07 基 金 项 目 中 国 水 产 科 学 研 究 院 渔 业 机 械 仪 器 研 究 所 基 本 科 研 业 务 费 2017YJS009 中 国 水 产 科 学 研 究 院 科 技 创 新 团 队 项 目 2020TD78 作 者 简 介 徐 琰 斐 1986 男 硕 士 助 理 研 究 员 研 究 方 向 水 产 养 殖 工 程 E mail xuyanfei fmiri ac cn 通 信 作 者 倪 琦 1968 男 研 究 员 研 究 方 向 循 环 水 养 殖 装 备 工 程 E mail niqi fmiri ac cn 鱼 菜 共 生 发 展 历 史 典 型 模 式 与 发 展 趋 势 徐 琰 斐 张 宇 雷 顾 川 川 刘 晃 倪 琦 中 国 水 产 科 学 研 究 院 渔 业 机 械 仪 器 研 究 所 农 业 农 村 部 渔 业 装 备 与 工 程 技 术 重 点 实 验 室 上 海 200092 摘 要 鱼 菜 共 生 Aquaponics 是 利 用 水 产 养 殖 排 放 水 为 植 物 提 供 营 养 由 一 种 氮 源 鱼 饲 料 生 产 两 种 农 产 品 鱼 和 蔬 菜 具 有 水 和 氮 源 利 用 效 率 高 不 使 用 化 肥 和 抗 生 素 对 环 境 友 好 等 特 点 是 一 种 可 持 续 的 农 业 发 展 方 式 将 鱼 菜 共 生 的 发 展 历 史 进 程 分 为 理 念 起 源 阶 段 1970 年 之 前 萌 芽 阶 段 1970 1990 年 全 球 拓 展 阶 段 1990 2010 年 以 及 快 速 发 展 阶 段 2010 年 至 今 4 个 阶 段 分 析 了 鱼 菜 共 生 3 种 典 型 模 式 提 出 了 鱼 菜 共 生 系 统 构 建 向 解 耦 类 型 发 展 系 统 布 局 向 城 镇 化 立 体 化 发 展 硬 件 设 施 向 生 态 型 智 能 化 发 展 的 3 个 主 要 发 展 趋 势 提 出 了 加 强 氮 磷 转 化 机 制 研 究 建 立 系 统 理 论 模 型 加 强 人 工 智 能 技 术 应 用 和 加 强 商 业 规 模 系 统 研 究 4 条 发 展 建 议 关 键 词 鱼 菜 共 生 循 环 水 养 殖 水 耕 栽 培 历 史 进 程 发 展 趋 势 中 图 分 类 号 S964 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 1007 9580 2020 05 001 07 鱼 菜 共 生 Aquaponics 是 由 水 产 养 殖 Aquaculture 和 水 耕 栽 培 Hydroponics 组 成 的 复 合 词 汇 联 合 国 粮 食 及 农 业 组 织 FAO 对 水 产 养 殖 的 定 义 为 养 殖 水 生 有 机 物 包 括 鱼 类 软 体 动 物 甲 壳 类 和 水 生 植 物 等 的 养 殖 对 水 耕 栽 培 的 定 义 为 在 无 土 基 质 中 生 产 植 物 植 物 通 过 水 输 送 获 得 生 长 所 需 的 所 有 营 养 物 质 1 基 于 此 FAO 对 鱼 菜 共 生 的 定 义 为 循 环 水 养 殖 和 水 耕 栽 培 在 一 个 生 产 系 统 中 的 集 成 2 其 原 理 是 将 水 产 养 殖 排 放 水 经 微 生 物 硝 化 作 用 后 转 化 为 植 物 所 需 的 营 养 物 质 植 物 对 营 养 物 质 的 吸 收 又 可 为 水 产 养 殖 净 化 水 体 3 鱼 菜 共 生 的 主 要 特 点 一 是 水 资 源 利 用 效 率 高 根 据 FAO 统 计 全 球 农 业 生 产 消 耗 了 67 的 可 使 用 淡 水 在 中 东 北 非 地 区 比 例 更 是 达 到 了 90 4 在 鱼 菜 共 生 系 统 中 日 换 水 量 约 为 0 3 5 5 是 一 种 非 常 节 水 的 生 产 方 式 二 是 氮 源 利 用 效 率 高 在 普 通 水 产 养 殖 模 式 中 鱼 类 生 长 只 利 用 了 约 25 的 氮 源 其 余 75 被 排 放 到 环 境 中 6 而 鱼 菜 共 生 由 一 种 氮 源 鱼 饲 料 生 产 两 种 农 产 品 鱼 和 蔬 菜 能 够 持 续 和 高 密 度 进 行 食 物 生 产 三 是 对 环 境 友 好 鱼 菜 共 生 系 统 不 使 用 化 肥 和 农 药 目 前 全 球 氮 肥 生 产 所 消 耗 的 能 源 占 农 业 生 产 所 需 能 源 的 57 6 同 时 地 球 上 的 磷 酸 盐 储 量 预 计 在 60 70 年 以 后 将 减 少 一 半 7 减 少 化 肥 使 用 对 保 护 环 境 具 有 重 要 意 义 鱼 菜 共 生 有 望 成 为 解 决 全 球 人 口 增 长 和 资 源 紧 缺 等 问 题 的 生 产 方 式 之 一 1 鱼 菜 共 生 的 历 史 进 程 1 1 理 念 起 源 阶 段 1970 年 之 前 鱼 菜 共 生 在 历 史 上 有 迹 可 循 人 们 利 用 鱼 的 排 泄 物 为 植 物 施 肥 的 概 念 已 经 存 在 了 数 千 年 亚 洲 和 南 美 洲 早 期 文 明 都 采 用 过 将 养 鱼 与 植 物 种 植 相 结 合 的 生 产 方 式 三 国 时 期 魏 武 四 时 公 制 记 载 郫 县 子 鱼 黄 鳞 赤 尾 出 稻 田 可 以 为 酱 意 思 是 在 稻 田 里 捕 到 了 鲤 鱼 8 公 元 1 100 1 350 年 南 美 洲 阿 兹 特 克 人 将 植 物 种 在 木 筏 等 材 料 做 成 的 浮 岛 上 利 用 人 工 浮 岛 的 方 法 发 展 农 业 称 之 为 奇 南 帕 Chinampa 9 但 是 直 到 20 世 纪 前 农 业 生 产 者 很 少 主 动 将 鱼 放 入 稻 田 进 行 养 殖 10 偶 有 一 些 低 密 度 的 水 产 养 殖 对 植 物 生 渔 业 现 代 化 2020 年 长 也 没 有 实 质 的 营 养 物 质 支 持 与 现 代 的 鱼 菜 共 生 还 有 较 大 的 差 异 但 这 些 营 造 共 生 环 境 的 方 式 可 以 认 为 是 现 代 鱼 菜 共 生 理 念 的 起 源 1 2 萌 芽 阶 段 1 9 70 1 9 9 0 年 20 世 纪 70 年 代 美 国 南 伊 利 诺 大 学 Lewis 教 授 首 先 在 伊 利 诺 斯 渔 业 和 水 产 养 殖 中 心 前 身 为 南 伊 利 诺 斯 合 作 渔 业 研 究 实 验 室 构 建 了 以 斑 点 叉 尾 鮰 I c t al u r u s p u nc t at u s 与 番 茄 So l a num l y c o p e r s i c um 结 合 生 产 的 鱼 菜 共 生 系 统 并 在 美 国 渔 业 学 会 American Fisheries Society 下 属 期 刊 发 表 了 数 篇 有 关 鱼 菜 共 生 的 论 文 11 13 20 世 纪 80 年 代 初 期 美 属 维 尔 京 群 岛 大 学 University of the Virgin Islands 的 James Rakocy 博 士 研 发 了 第 一 个 大 型 商 业 规 模 的 鱼 菜 共 生 研 究 系 统 UVI 模 式 开 展 罗 非 鱼 O r e o c hr o m i s ni l o t i c u s 和 水 培 生 菜 Lac t uc a s at i v a 生 产 试 验 后 续 又 进 一 步 提 出 了 UVI 模 式 的 生 产 标 准 完 善 了 鱼 菜 构 成 比 在 保 持 系 统 生 态 平 衡 的 同 时 较 大 程 度 地 提 高 了 鱼 和 蔬 菜 的 产 量 14 同 时 期 美 国 北 卡 罗 来 纳 州 立 大 学 的 Mcmurtry 博 士 研 发 了 温 室 鱼 菜 共 生 系 统 NCSU 模 式 采 用 固 体 基 质 细 沙 栽 培 植 物 是 小 规 模 鱼 菜 共 生 的 原 型 15 UVI 和 NCSU 模 式 的 出 现 催 生 了 现 代 鱼 菜 共 生 在 美 国 的 发 展 1 3 全 球 拓 展 阶 段 1990 2 010 年 20 世 纪 90 年 代 Rakocy 博 士 在 美 属 维 尔 京 群 岛 大 学 开 设 了 鱼 菜 共 生 培 训 课 程 推 动 了 鱼 菜 共 生 理 论 和 技 术 的 传 播 14 基 于 现 代 农 业 技 术 进 步 全 球 人 口 增 长 以 及 土 地 和 水 资 源 减 少 等 因 素 进 一 步 促 进 了 鱼 菜 共 生 在 全 球 的 发 展 据 统 计 至 少 有 43 个 国 家 和 地 区 开 展 了 鱼 菜 共 生 研 究 和 实 践 16 图 1 世 界 各 国 根 据 技 术 发 展 水 平 以 及 对 不 同 鱼 类 蔬 菜 品 种 的 需 求 对 鱼 菜 共 生 系 统 进 行 本 土 化 改 进 和 发 展 中 国 于 20 世 纪 90 年 代 由 中 国 水 产 科 学 研 究 院 渔 业 机 械 仪 器 研 究 所 丁 永 良 等 17 引 进 鱼 菜 共 生 系 统 并 开 展 实 验 研 究 设 计 了 国 内 首 套 实 验 性 鱼 菜 共 生 装 置 欧 洲 对 不 同 鱼 类 蔬 菜 种 类 以 及 不 同 水 培 单 元 形 式 开 展 技 术 研 究 18 优 化 鱼 菜 共 生 系 统 参 数 提 高 产 量 美 国 Nelson and Pade 公 司 19 改 良 了 UVI 模 式 研 发 了 成 熟 的 家 用 和 商 用 鱼 菜 共 生 系 统 并 出 版 书 籍 开 展 课 程 培 训 成 功 地 进 行 了 商 业 化 运 作 图 1 1990 2019 年 世 界 各 国 地 区 论 文 数 量 Fig 1 Number of papers by countries regions from 1990 2019 1 4 快 速 发 展 阶 段 2010 年 至 今 2010 年 欧 洲 议 会 研 究 服 务 局 的 一 项 报 告 将 鱼 菜 共 生 认 定 为 是 可 以 改 变 生 活 的 十 项 技 术 之 一 认 为 其 是 有 望 改 变 满 足 持 续 增 长 的 人 口 对 粮 食 需 求 的 生 产 方 式 20 Yep 等 6 研 究 显 示 关 于 鱼 菜 共 生 的 引 文 数 量 自 2010 年 后 逐 年 递 增 从 国 内 看 在 中 国 知 网 CNKI 以 鱼 菜 共 生 为 关 键 词 对 截 至 2019 年 的 相 关 中 文 期 刊 进 行 检 索 得 到 全 文 涉 及 鱼 菜 共 生 的 论 文 有 1 285 篇 论 文 发 表 数 量 自 2010 年 以 后 呈 现 出 快 速 增 长 的 趋 势 图 2 一 项 调 查 显 示 截 至 2017 年 全 球 鱼 菜 共 生 市 场 销 售 额 已 经 达 到 5 34 亿 美 元 此 后 预 测 将 以 年 复 合 成 长 率 15 9 成 长 至 2026 年 达 到 20 16 亿 美 元 21 调 查 认 为 基 于 对 有 机 水 果 及 蔬 菜 需 求 的 增 加 传 统 农 业 和 水 产 养 殖 技 术 的 进 步 以 及 对 可 持 续 发 展 的 要 求 等 因 素 鱼 菜 共 生 2 第 5 期 徐 琰 斐 等 鱼 菜 共 生 发 展 历 史 典 型 模 式 与 发 展 趋 势 市 场 将 快 速 发 展 并 在 未 来 进 一 步 扩 张 鱼 菜 共 生 技 术 自 20 世 纪 70 年 代 开 始 萌 芽 经 由 1990 2010 年 在 全 球 平 稳 发 展 期 在 近 10 年 迎 来 了 快 速 发 展 阶 段 图 2 发 表 论 文 年 度 变 化 趋 势 Fig 2 Annual trend of published papers 2 鱼 菜 共 生 系 统 典 型 模 式 分 析 2 1 耦 合 型 鱼 菜 共 生 系 统 耦 合 型 鱼 菜 共 生 系 统 是 指 由 水 产 养 殖 单 元 和 水 培 单 元 组 成 的 一 个 单 向 闭 路 水 循 环 系 统 系 统 中 所 有 水 池 只 有 一 个 水 流 方 向 Rakocy 博 士 建 立 的 UVI 模 式 是 典 型 的 耦 合 型 系 统 14 被 认 为 是 现 代 鱼 菜 共 生 的 原 型 该 系 统 由 鱼 池 沉 淀 池 过 滤 池 脱 气 池 水 培 槽 浮 筏 栽 培 和 蓄 水 池 等 组 成 图 3 水 从 鱼 池 经 重 力 作 用 通 过 沉 淀 池 和 过 滤 池 去 除 大 颗 粒 固 体 和 悬 浮 颗 粒 经 脱 气 池 后 进 入 水 培 槽 微 生 物 将 水 中 的 氨 氮 氧 化 为 亚 硝 酸 盐 氮 并 进 一 步 转 化 为 硝 酸 盐 氮 供 植 物 吸 收 利 用 水 中 营 养 物 质 被 植 物 吸 收 后 水 流 至 系 统 最 低 点 的 蓄 水 池 经 水 泵 抽 取 回 到 养 鱼 池 完 成 整 个 系 统 循 环 过 程 通 过 鱼 池 蒸 发 植 物 蒸 腾 和 排 污 而 损 失 的 水 通 过 蓄 水 池 收 集 雨 水 补 充 经 24 周 生 产 试 验 14 罗 非 鱼 收 获 时 平 均 养 殖 密 度 为 61 5 kg m 3 平 均 生 长 率 为 4 4 g d 饲 料 转 化 率 FCR 为 1 7 红 罗 非 鱼 收 获 时 平 均 养 殖 密 度 为 70 7 kg m 3 平 均 生 长 率 2 69 g d 饲 料 转 化 率 为 1 8 与 传 统 循 环 水 养 殖 效 果 相 当 水 培 罗 勒 O c i m u m b a s i l i c um 产 量 为 25 kg m 2 是 传 统 土 培 的 3 倍 证 明 了 耦 合 型 鱼 菜 共 生 系 统 的 生 产 力 该 类 型 系 统 的 主 要 优 点 是 能 够 充 分 有 效 地 利 用 饲 料 中 的 氮 元 素 氮 使 用 效 率 比 传 统 水 产 养 殖 高 水 培 槽 发 挥 了 与 人 工 湿 地 净 化 废 水 相 同 的 作 用 减 少 了 水 产 养 殖 排 放 对 环 境 的 影 响 但 是 仅 投 入 鱼 饲 料 作 为 鱼 和 植 物 营 养 的 来 源 对 植 物 而 言 在 营 养 供 给 的 质 量 和 数 量 上 还 有 欠 缺 可 能 因 营 养 不 足 导 致 植 物 生 长 缓 慢 或 枯 萎 因 此 水 培 品 种 的 选 择 通 常 被 限 制 在 一 些 低 营 养 需 求 的 生 菜 罗 勒 等 叶 菜 上 并 且 鱼 类 和 植 物 由 于 共 生 在 同 一 闭 路 循 环 系 统 下 植 物 生 长 对 高 营 养 盐 的 需 求 和 鱼 类 生 长 环 境 需 要 低 营 养 盐 之 间 存 在 难 以 协 调 的 矛 盾 彼 此 生 长 环 境 都 未 处 于 最 优 状 态 一 定 程 度 阻 碍 了 系 统 整 体 产 量 的 提 升 图 3 耦 合 型 鱼 菜 共 生 系 统 Fig 3 Coupled aquaponics system 2 2 解 耦 型 鱼 菜 共 生 系 统 解 耦 型 鱼 菜 共 生 系 统 是 近 年 在 欧 洲 兴 起 的 一 种 新 模 式 是 指 包 含 子 循 环 回 路 的 系 统 系 统 中 水 产 养 殖 和 水 培 单 元 具 有 独 立 循 环 回 路 各 单 元 水 质 能 够 得 到 更 精 细 的 调 控 Kloas 等 22 在 温 室 环 境 下 构 建 了 一 种 新 型 多 回 路 鱼 菜 共 生 系 统 图 4 该 系 统 由 罗 非 鱼 循 环 水 养 殖 和 基 于 营 养 膜 技 术 NFT 的 水 培 番 茄 两 个 独 立 的 循 环 单 元 组 成 并 通 过 单 向 阀 连 接 鱼 池 排 放 水 经 物 理 过 滤 和 生 物 反 应 器 后 进 入 水 培 调 节 池 水 培 调 节 池 可 根 据 植 物 生 长 所 需 的 最 佳 条 件 进 行 营 养 盐 添 加 pH 调 节 等 水 质 调 控 措 施 后 再 将 水 输 入 水 培 槽 用 于 植 物 生 长 在 水 培 单 元 后 端 设 置 冷 却 阱 用 于 凝 结 回 收 植 物 蒸 腾 的 水 分 再 与 经 植 物 吸 收 营 养 盐 后 的 水 一 同 返 回 鱼 池 研 究 表 明 22 罗 非 鱼 收 获 时 养 殖 密 度 为 75 9 kg m 3 饲 料 转 化 率 为 1 23 产 量 与 常 规 循 环 水 养 殖 相 当 番 茄 产 量 约 为 0 99 kg 株 月 比 耦 合 型 鱼 菜 共 生 系 统 0 83 kg 株 月 的 产 量 更 高 且 系 统 日 耗 水 量 仅 为 2 73 解 耦 类 型 系 统 拥 有 水 产 养 殖 单 元 水 培 单 元 和 鱼 菜 共 生 单 元 3 个 循 环 路 径 特 点 是 水 产 养 殖 和 水 培 单 元 可 相 互 独 立 循 环 运 行 能 够 为 两 个 生 产 单 元 分 别 提 供 良 好 的 生 长 条 件 解 决 植 物 和 鱼 类 生 长 对 不 同 营 养 盐 pH 的 需 求 实 现 鱼 3 渔 业 现 代 化 2020 年 和 菜 产 量 的 最 大 化 还 能 够 避 免 病 虫 害 等 问 题 在 两 个 单 元 之 间 互 相 作 用 造 成 的 不 利 影 响 22 23 系 统 稳 定 性 更 好 为 了 使 水 培 植 物 处 于 最 佳 生 长 条 件 解 耦 型 系 统 会 额 外 向 水 培 单 元 中 添 加 营 养 液 增 加 了 一 定 的 运 行 成 本 24 并 且 解 耦 型 系 统 构 建 方 式 更 复 杂 需 要 使 用 更 多 的 泵 管 和 水 池 占 用 更 多 的 空 间 等 14 经 济 可 行 性 和 盈 利 能 力 仍 需 要 进 一 步 研 究 图 4 解 耦 型 鱼 菜 共 生 系 统 Fig 4 Uncoupled aquaponics system 2 3 立 体 式 鱼 菜 共 生 系 统 Khandaker 等 25 将 垂 直 农 业 技 术 与 鱼 菜 共 生 相 结 合 研 究 了 基 于 种 植 墙 技 术 Living wall 的 鱼 菜 共 生 系 统 该 系 统 的 无 土 栽 培 单 元 采 用 立 体 种 植 方 式 由 1 m 2 垂 直 排 列 的 花 盆 组 成 花 盆 以 5 排 8 列 的 方 式 分 布 在 由 脚 手 架 支 撑 的 不 锈 钢 加 强 网 面 板 上 以 椰 壳 纤 维 矿 棉 等 基 质 种 植 40 棵 罗 勒 养 殖 排 放 水 通 过 灌 溉 管 抽 取 到 最 顶 部 一 排 的 花 盆 里 水 流 经 重 力 渗 透 基 质 后 从 花 盆 底 部 连 接 的 分 支 管 道 流 到 下 一 排 花 盆 里 以 此 为 植 物 生 长 提 供 养 分 研 究 表 明 25 罗 勒 的 平 均 生 长 高 度 为 10 5 cm 月 顶 部 和 边 缘 的 罗 勒 由 于 光 照 充 足 比 中 间 和 底 部 生 长 得 更 好 传 统 UVI 模 式 在 占 用 空 间 方 面 类 似 耕 地 种 植 养 殖 单 元 过 滤 单 元 和 水 培 单 元 的 面 积 占 比 是2 1 5 每 平 方 米 大 约 生 产 32 株 植 物 通 过 种 植 墙 等 立 体 化 生 产 方 式 可 以 增 加 蔬 菜 种 植 的 数 量 每 平 方 米 可 生 产 96 株 植 物 是 UVI 模 式 的 3 倍 25 26 显 著 提 高 生 产 效 率 证 明 鱼 菜 共 生 系 统 结 合 立 体 栽 培 技 术 具 有 良 好 的 前 景 但 是 立 体 化 生 产 方 式 建 设 投 入 和 能 源 消 耗 将 更 高 因 为 根 据 立 体 栽 培 的 高 度 和 种 植 分 布 情 况 为 保 持 光 照 均 匀 需 要 更 多 的 照 明 设 施 将 水 输 送 到 高 处 也 需 要 更 大 的 水 泵 功 率 基 质 栽 培 方 式 容 易 堵 塞 灌 溉 管 道 需 要 定 期 清 洗 增 加 了 劳 动 力 若 系 统 超 过 4 层 种 植 高 度 上 层 的 管 理 和 劳 动 力 成 本 将 增 加 25 27 3 鱼 菜 共 生 系 统 发 展 趋 势 3 1 系 统 构 建 向 解 耦 型 发 展 随 着 鱼 菜 共 生 系 统 越 来 越 多 地 扩 大 到 商 业 型 生 产 规 模 系 统 的 经 济 可 行 性 逐 步 受 到 关 注 传 统 的 耦 合 型 鱼 菜 共 生 系 统 由 一 个 单 向 的 封 闭 水 循 环 系 统 组 成 考 虑 到 鱼 类 和 植 物 生 长 对 营 养 和 环 境 的 不 同 需 求 难 以 同 时 满 足 水 产 养 殖 和 水 培 单 元 对 不 同 pH 温 度 和 营 养 盐 质 量 浓 度 的 要 求 阻 碍 了 系 统 整 体 生 产 效 率 的 进 一 步 提 高 2015 年 Goddek 等 28 提 出 了 解 耦 型 鱼 菜 共 生 系 统 的 概 念 改 进 了 耦 合 型 系 统 单 一 水 循 环 路 径 的 设 计 方 法 解 耦 型 系 统 中 养 鱼 池 和 水 培 槽 根 据 需 要 被 设 计 为 多 个 水 流 出 口 建 立 了 水 产 养 殖 和 水 培 单 元 各 自 独 立 的 子 循 环 回 路 目 的 是 对 各 个 单 元 的 水 质 进 行 更 精 细 的 调 控 比 如 调 节 pH 和 营 养 盐 质 量 浓 度 能 够 达 到 在 改 变 水 培 单 元 水 质 参 数 的 同 时 不 直 接 影 响 鱼 池 水 质 的 效 果 可 以 有 效 提 升 产 量 正 是 因 为 具 有 这 种 特 点 欧 洲 近 年 来 逐 步 转 向 以 解 耦 型 为 代 表 的 鱼 菜 共 生 系 统 研 究 例 如 罗 斯 托 克 大 学 University of Rostock 建 造 了 一 个 实 验 性 的 半 商 业 化 规 模 鱼 菜 共 生 解 耦 系 统 Fish Glass House 28 研 究 了 不 同 规 模 和 品 种 组 合 的 运 行 成 本 和 生 产 效 益 德 国 荷 兰 西 班 牙 肯 尼 亚 等 国 家 也 围 绕 解 耦 型 系 统 的 产 量 提 高 营 养 盐 质 量 浓 度 调 节 营 养 盐 积 累 去 除 等 方 面 开 展 学 术 研 究 和 商 业 化 运 行 3 2 系 统 布 局 向 城 镇 化 立 体 化 发 展 据 统 计 农 业 用 地 约 占 全 球 可 利 用 土 地 面 积 的 33 至 2050 年 随 着 人 口 增 长 对 食 物 需 求 的 增 加 农 业 用 地 预 计 将 增 加 7 31 29 因 此 农 业 生 产 在 减 轻 环 境 负 担 的 同 时 还 需 要 发 展 集 约 化 生 产 方 式 提 高 可 利 用 土 地 的 单 位 产 量 增 加 农 产 品 供 应 目 前 规 模 化 鱼 菜 共 生 系 统 通 常 在 温 室 内 建 设 以 控 制 环 境 提 升 产 量 和 经 济 效 益 避 免 自 然 灾 害 但 温 室 建 设 具 有 较 高 的 投 资 成 本 如 在 美 国 建 造 费 用 约 为 350 美 元 m 2 30 中 国 约 为 400 450 元 m 2 提 高 了 行 业 进 入 门 槛 Touliatos 等 31 认 为 垂 直 农 业 是 替 代 传 统 农 业 的 一 个 极 具 吸 引 力 的 方 案 鱼 菜 共 生 的 生 产 能 力 盈 4 第 5 期 徐 琰 斐 等 鱼 菜 共 生 发 展 历 史 典 型 模 式 与 发 展 趋 势 利 性 和 可 持 续 发 展 的 特 点 可 以 结 合 垂 直 农 业 技 术 获 得 进 一 步 提 升 立 体 化 种 植 生 产 系 统 包 括 托 盘 层 叠 垂 直 的 管 柱 面 板 墙 壁 等 方 式 占 地 面 积 较 小 能 够 在 屋 顶 废 旧 工 厂 等 闲 置 区 域 或 者 住 宅 区 学 校 等 离 市 场 更 近 的 城 市 区 域 建 设 减 少 土 地 使 用 和 物 流 成 本 提 高 集 约 化 程 度 32 例 如 美 国 AeroFarms 公 司 新 建 的 垂 直 农 场 通 过 层 叠 方 式 提 升 土 地 的 使 用 效 率 通 过 垂 直 空 间 利 用 与 环 境 控 制 技 术 单 位 面 积 产 量 预 计 是 传 统 农 业 的 390 倍 33 英 国 琼 斯 食 品 公 司 Jones Food Company 的 垂 直 种 植 设 施 17 层 种 植 架 堆 叠 到 11 m 高 34 极 大 提 高 了 土 地 使 用 效 率 鱼 菜 共 生 系 统 结 合 城 镇 化 和 立 体 化 生 产 方 式 有 望 替 代 传 统 水 平 生 产 方 式 进 一 步 提 高 农 产 品 的 生 产 效 率 和 可 持 续 性 3 3 硬 件 设 施 向 生 态 型 智 能 化 发 展 对 鱼 菜 共 生 成 本 结 构 分 析 显 示 劳 动 力 饲 料 和 鱼 苗 能 源 约 各 占 成 本 的 1 3 27 减 少 劳 动 力 使 用 和 能 源 消 耗 将 是 提 升 系 统 整 体 生 产 效 益 的 重 要 方 向 目 前 自 动 化 技 术 已 经 覆 盖 照 明 环 境 控 制 灌 溉 监 测 分 级 和 包 装 等 方 面 35 一 些 温 室 作 业 生 产 已 经 基 本 实 现 自 动 化 新 加 坡 格 拉 斯 哥 大 学 Kyaw 等 36 设 计 并 开 发 了 一 种 小 型 智 能 鱼 菜 共 生 系 统 集 数 据 采 集 单 元 包 括 水 温 流 速 pH 光 照 测 距 仪 报 警 单 元 系 统 整 改 单 元 中 央 处 理 单 元 web 应 用 移 动 应 用 云 服 务 器 于 一 体 该 系 统 可 以 根 据 收 集 到 的 数 据 和 用 户 预 设 值 不 间 断 监 控 水 质 照 明 和 饲 料 投 喂 传 感 器 检 测 到 异 常 情 况 时 不 需 要 人 工 干 预 便 可 自 动 纠 正 用 户 可 通 过 摄 像 监 控 系 统 进 行 实 时 观 察 并 在 移 动 端 进 行 操 作 初 步 实 现 了 无 人 化 生 产 通 过 建 筑 农 业 一 体 化 Building Integrated Agriculture BIA 技 术 实 现 温 室 与 主 建 筑 之 间 的 水 能 源 和 空 气 循 环 利 用 具 有 进 一 步 提 升 资 源 和 能 源 使 用 效 率 的 潜 力 巴 塞 罗 那 自 治 大 学 UAB Campus 建 立 屋 顶 温 室 实 验 室 RTG Lab 37 将 水 培 植 物 系 统 与 建 筑 物 环 境 控 制 技 术 进 行 整 合 集 成 太 阳 能 和 雨 水 收 集 技 术 循 环 水 处 理 技 术 气 候 控 制 技 术 等 使 空 气 水 和 能 源 在 温 室 与 建 筑 物 之 间 循 环 利 用 提 升 了 温 室 与 建 筑 的 能 源 和 水 资 源 使 用 效 率 经 济 可 持 续 性 未 来 随 着 工 业 规 模 鱼 菜 共 生 系 统 的 发 展 生 态 型 和 智 能 化 生 产 方 式 对 降 低 劳 动 力 和 能 源 成 本 的 作 用 将 进 一 步 凸 显 4 发 展 建 议 4 1 加 强 氮 磷 转 化 吸 收 机 制 研 究 鱼 菜 共 生 系 统 是 一 个 闭 路 循 环 系 统 日 换 水 量 不 足 5 控 制 不 当 会 造 成 系 统 中 的 氮 磷 等 重 要 营 养 盐 物 质 缺 乏 或 积 累 不 利 于 系 统 稳 定 运 行 和 产 出 建 议 利 用 同 位 素 标 记 或 分 子 标 记 等 技 术 方 法 开 展 氮 磷 转 化 吸 收 与 pH 流 速 溶 氧 碳 氮 比 微 生 物 群 落 等 影 响 因 素 变 化 的 定 量 研 究 阐 明 氮 磷 等 重 要 营 养 盐 迁 移 转 化 的 潜 在 反 应 过 程 揭 示 氮 磷 等 重 要 营 养 盐 转 化 和 吸 收 机 制 4 2 建 立 鱼 菜 共 生 系 统 理 论 模 型 鱼 菜 共 生 系 统 构 建 和 运 行 涉 及 多 变 量 参 数 掌 握 鱼 菜 品 种 选 择 和 生 物 量 配 比 水 温 pH 溶 氧 营 养 盐 质 量 浓 度 等 水 质 参 数 以 及 光 照 温 湿 度 CO 2 等 环 境 参 数 相 互 作 用 关 系 对 构 建 稳 定 成 熟 的 鱼 菜 共 生 系 统 具 有 重 要 意 义 建 议 开 展 鱼 菜 共 生 系 统 理 论 模 型 研 究 基 于 多 变 量 参 数 进 行 统 计 分 析 数 学 建 模 和 仿 真 试 验 建 立 鱼 菜 共 生 系 统 状 态 的 数 学 模 型 为 鱼 菜 共 生 系 统 构 建 提 供 理 论 依 据 4 3 加 强 人 工 智 能 技 术 应 用 鱼 菜 共 生 涉 及 鱼 植 物 微 生 物 是 一 个 多 种 生 物 相 互 作 用 的 复 杂 生 态 系 统 系 统 运 行 维 护 和 管 理 技 术 门 槛 较 高 劳 动 力 和 能 源 成 本 也 较 大 加 强 人 工 智 能 技 术 与 鱼 菜 共 生 领 域 的 融 合 应 用 能 够 减 少 人 力 和 能 源 消 耗 提 升 生 产 效 率 和 经 济 性 例 如 研 发 集 成 基 于 计 算 机 控 制 的 智 能 设 施 实 现 温 度 照 明 和 通 风 系 统 与 环 境 变 化 实 时 联 动 基 于 大 数 据 分 析 技 术 建 立 鱼 和 植 物 的 营 养 需 求 生 长 模 型 研 发 智 能 投 喂 水 质 调 控 采 收 技 术 和 装 置 以 期 实 现 无 人 生 产 4 4 加 强 商 业 规 模 系 统 研 究 经 济 可 行 性 是 鱼 菜 共 生 产 业 发 展 的 前 提 已 有 研 究 多 基 于 小 规 模 研 究 型 系 统 缺 乏 商 业 规 模 系 统 研 究 经 济 可 行 性 仍 有 争 议 38 建 议 加 强 商 业 规 模 系 统 研 究 开 展 综 合 性 经 济 评 价 例 如 针 对 中 国 不 同 气 候 环 境 不 同 生 活 水 平 区 域 开 展 本 土 化 的 商 业 规 模 系 统 试 验 研 究 不 同 区 域 市 场 条 件 下 不 同 种 养 模 式 产 品 类 型 生 产 规 模 下 鱼 菜 共 生 的 经 济 可 行 性 和 商 业 模 式 5 渔 业 现 代 化 2020 年 参 考 文 献 1 DIVER S Aquaponics Integration of Hydroponics with Aquaculture EB OL 2020 04 07 http backyardaquaponics com Travis aquaponic pdf 2 SOMERVILLE C COHEN M PANTANELLA E et al Small scale aquaponic food production Integrated fish and plant farming M Rome Food and Agriculture Organization of the United Nations 2014 3 杨 清 富 郑 安 秀 鱼 菜 共 生 系 统 原 理 与 方 法 M 中 国 台 湾 行 政 院 农 业 委 员 会 台 南 区 农 业 改 良 场 2017 4 FRENKEN K Irrigation in Africa in figures AQUASTAT survey 2005 M Rome Food and Agriculture Organization of the United Nations 2005 5 MAUCIERI C NICOLETTO C JUNGE R et al Hydroponic systems and water management in aquaponics a review J Italian Journal of Agronomy 2018 13 1 11 6 YEP B ZHENG Y Aquaponic trends and challenges A review J Journal of Cleaner Production 2019 228 1586 1599 7 OELKERS E VALSAMI JONES E Phosphate mineral reactivity and global sustainability J Elements 2008 4 2 83 87 8 潘 伟 彬 庄 东 萍 中 国 稻 田 养 鱼 的 发 展 历 史 和 主 要 模 式 J 闽 西 职 业 大 学 学 报 1999 3 69 70 9 KOMIVES T JUNGE R On the aquaponic corner section of our journal J Ecocycles 2015 1 2 1 2 10 HALWART M GUPTA M V Culture of fish in rice fields M Penang Food and Agriculture Organization of the United Nations and The WorldFish Center 2004 11 LEWIS W M YOPP J H SCHRAMM H L et al Use of hydroponics to maintain quality of recirculated water in a fish culture system J Transactions of the American Fisheries Society 1978 107 1 92 99 12 LEWIS W M WEHR L