都市农业新技术鱼菜共生系统及其立体化案例研究

萧蕾 洪彦

图01 桑基鱼塘的物质循环

20 世纪粮食、能源危机的爆发，使都市农业（Urban Agriculture）成为城市可持续发展运动中理想的食品生产模式和生态城市发展示范途径之一[1]。城市与农业的关系越来越紧密，大量城市农场（Urban Farm）在城市生活区中诞生[2]。然而城市中的农业种植必须面对空间、效能和环境问题，需要依靠现代技术支持才能实现，鱼菜共生系统便在此背景下产生。相较于一般城市农场将城市绿地变农田的功能置换方式，鱼菜共生系统（Aquaponics）是一种复合水产养殖（Aquaculture）和水耕栽培（Hydroponics）的应用技术，具有集成、高效的特点，能够实现都市农业种植的永续有机。

文章拟在简介鱼菜共生系统技术发展过程之后，解释其物质循环和要素组成，然后分别对3个空间尺度的鱼菜共生系统应用案例进行研究分析，探讨该技术在都市环境中运用的范围、方式和前景。

1 鱼菜共生系统的发展

鱼菜共生系统实际上是一个人工生态系统。类似方式在世界各地的农耕社会早有先例，特别是以水稻种植为主的地区，人们把螃蟹、泥鳅、黄鳝、田螺等水产养殖与稻田结合一起，以此达到作物、水产增收的目的[3]。我国明末清初珠三角地区出现的桑基鱼塘，则是通过塘基植桑、塘内养鱼、桑叶养蚕、蚕沙喂鱼、鱼粪肥基的物质循环利用，形成了有机高效的人工生态系统。

现代鱼菜共生系统的发展，普遍认为是基于1970年代美国马萨诸塞州的“新炼金术”生态学研究中心（New Alchemy Institute）关于生态方舟（The Ark）的研究推动。1980年代末期，美属维尔京群岛大学（UVI）詹姆斯·瓦克斯博士（Dr. James Rakocy）成功研发了鱼菜共生系统的UVI模式，该模式利用深水浮筏栽培（Deep Water Culture ）方法[4]，适于户外大规模生产。同一时期，北卡罗莱纳州立大学（NCSU）道格教授（Sanders Doug）及其研究生马克·麦克莫提（Dr. Mark McMurtry）也成功研究出NCSU模式，在温室内采用固体基质栽培（细砂）[5]，成为大多数家用养耕共生系统的原型。

图02 鱼菜共生系统运作原理

图03 鱼菜共生系统的基本组成

20 世纪第二次石油危机出现后，城市范围内的垂直种植探索脚步加快，并在都市农业中有所体现。近年鱼菜共生系统产品也呈现了立体化趋势，更符合都市农业集约高效的诉求，研究重点除了实现商业化运营外，还更关注设备在家庭、室内和城市景观中的应用效果。

2 鱼菜共生的生态系统构建

2.1 鱼菜共生系统的物质循环

以中国的桑基鱼塘为例，传统的人工生态系统利用了自然的生存关系和物质循环（图01），而鱼菜共生系统则依靠现代水耕栽培技术，摆脱了植物对土地依赖，将水耕栽培系统和水产养殖系统整合为一体。系统中以水为主体的生态环境，包含了鱼类、植物、水中微生物三者所建立的有机生态平衡关系[6]。在鱼类饲养过程中，鱼类排泄物和饲料残渣中的养分在细菌作用下，会产生氨和亚硝酸盐，令鱼类中毒死亡。鱼菜共生系统通过建立与植物种植结合的人工硝化环境，在水产饲养环境外，将鱼类排泄物和饲料残渣转化为亚硝酸盐和氨，再进一步在细菌作用下生成硝酸盐，继而成为养分让植物根系吸收，实现对鱼池水质净化（图02）。与传统人工生态系统相比，鱼菜共生系统的循环路径短且直接，利于高效集约。研究表明，鱼菜共生系统能协助水产的高密度养殖同时，也能让作物生长速度更快更节水。除了日照蒸发的水分需要适时补给以外，水资源基本可通过系统的自我净化功能实现更新循环，比传统种植方式节水80%-90%[7]。

2.2 鱼菜共生系统的要素组成

鱼菜共生系统中包含了水产养殖、蔬菜种植、过滤分解、运行动力四大组成(图03)。水产养殖多为养殖池。蔬菜种植可采用不同的水耕栽培方式，从而形成不同类型的鱼菜共生系统，常用水耕栽培技术包括基质栽培、NFT（Nutrient Film Technique，薄层营养液膜技术）循环栽培、气雾栽培（Aeroponics）等。过滤分解目的是为植物吸收水中微小分子和离子前，微生物分解有机物创造有利条件，除自然沉淀分解外，基质栽培方法中颗粒状固态基质，例如陶粒、砾石也达到了类似效果；而气雾栽培等其他方法，往往需要经过硝化床等过滤净化辅助装置来实现过滤分解。运行动力主要包含重力动力和人工动力，贯穿了鱼菜共生技术的各个环节，从水产养殖的水质调节、植物灌溉，到水循环过程，运行动力供应是人工生态系统区别于自然生态系统的特殊需求。

图04 城市农夫集装箱结构

图05 生长集装箱在伦敦

3 立体化鱼菜共生系统案例

3.1 都市农夫集装箱（Urban Farmers Box）——社区农场新趋势

在居民家庭和社区内产出食物，能有效地缩短食物的运输能耗，也更能保障食品安全。未来的都市农业，社区农业占据了重要的地位。都市农夫集装箱就是针对鱼菜共生系统在家庭和社区应用而产生的项目，推动者希望创造一个任何家庭成员都能操作又能节约空间的综合装置，代表未来社区农场的趋势。

都市农夫集装箱是由瑞士应用科学大学（ZHAW）名下的都市农夫（Urban Farmers）公司所研发的概念产品。整个装置结构由两部分组成，分别为一层放置了养鱼池的20ft敞顶集装箱盒子和二层垂直种植温室，总高5m，重约3.5t，是一个小规模，便于移动、拆卸的社区家庭型鱼菜共生装置。

装置通过一个密封水循环系统，在一个完整的室内空间实现鱼菜共生的构建，避免了城市环境与农业产出的相互干扰。养殖箱用水经过细菌过滤器处理后形成植物用肥水，利用水泵将肥水供至二层无土栽培温室供植物使用后，净化用水在水质监控装置的监测下输送回养殖箱（图04）。人们在一层养鱼，也可以通过爬梯进入二层屋面料理温室庭院。在瑞士经过实践，整个装置在夏季3个月时间中，能产出60kg鱼和200kg的蔬菜[8]。

都市农夫集装箱这个概念性产品自推出以后，得到了广泛的认同支持，都市农夫也因此获得了联合国自然基金会的资助（The Hub Zurich's WWF Fellowship 2011）。出于其可移动性，常在世界各地城市作为当代装置6作品进行展出。

图06 餐厅与市集模型

图07 户外市集中城市农场的现场图片

在英国伦敦，企业管理背景的凯特·霍夫曼（Kate Hofman）和可持续环境评价背景的汤姆·威伯斯特（Tom Webster）于2013年成立“生长—都市农场”（Grow Up，London），也借鉴都市农夫集装箱概念，推出生长集装箱，在英国伦敦街头展出，获得极大关注（图05）。

3.2 莫约新餐馆与非洲集贸市场（Moyo's New Restaurant and African Food Market）——休闲餐饮新体验

莫约新餐馆与非洲集贸市场是都市农业在城市休闲区内商业化、景观化的典型项目，完全采用新能源作为鱼菜共生系统的动力。

这座由蔡氏设计工作室（Tsai Design Studio）规划设计的新概念餐厅坐落于南非开普敦著名景点维多利亚与阿尔弗雷德滨水区（V & A Waterfront）。整个项目包含一个二层餐厅和户外市集，餐厅销售有机非洲特色菜式，而户外市集则由20余个小型摊档、休闲廊和城市农场组成 （图06-07）。设计团队希望在这热闹的旅游目的地，向人们展示一条完整的、可循环的餐厅食物链——从食物的产出、商品化、烹调、享用，到厨余向有机肥料的转化，借此推广都市农业和可持续发展技术[9]。

项目运用了多种生态环保措施，如太阳能面板发电兼用遮阳、可拆卸预制件摊档、鱼菜共生技术、有机肥料制作等（图08）。鱼菜共生系统中，动力完全使用太阳能，水耕栽培技术运用了垂直化的基质栽培，通过垂直PVC管中的基质和蔬菜根系对水质进行过滤净化，整个水系统采取封闭式循环，降低了对环境的影响（图09）。垂直种植的蔬菜绿墙在餐厅内部和户外市集均有分布，成为独特的绿化形象，人们可以在用餐的同时，也能看到盘中食物的来源，体验绿色科技带来的城市生活变化。

3.3 芝加哥海军码头（Chicago Navy Pier）景观概念方案旧城改造新手段

都市农业和城市的融合度越来越高，包括鱼菜共生系统在内的都市农业设施将成为城市公共景观的一部分，不仅为城市提供物质产出，更创造出丰富有趣的空间体验。

芝加哥海军码头始建于1916年，位于芝加哥密歇根湖湖畔，是芝加哥最热门的城市聚会场所，内有公园、庭院、商场、餐饮和其他娱乐设施，总面积超过20hm2。自1989年第四轮改造结束，距今已有数十年，为了将码头空间打造世界顶尖旅游目的地，2012年举办了复兴规划竞赛，在入围作品中，AECOM/BIG合作团队的概念景观方案大胆地在海关码头的水晶花园，运用了鱼菜共生系统来营造标志性都市景观[10]。

面积约为1英亩（约4.05km2）的水晶花园，除了部分的公共空间，还有派对、餐饮的功能（图10）。6层通高的玻璃屋顶之下，是70多棵高大的棕榈树、四季变幻的花卉和喷泉，游客可以在其中以独特的视角欣赏码头景观。团队认为未来的海军码头主要改造手段是增加非盈利的公共空间和充分利用垂直空间，以丰富公众活动和吸引更多游客。在此原则下，新方案将水晶公园打造成一个超级都市农场，既保留了现有的餐饮、观光功能，又植入了食材生产、生态教育和科技体验的现代理念。垂直鱼菜共生系统成为这个概念的重要技术支撑：养殖池上垂直种植了当季蔬果，为餐饮持续提供新鲜食材，高大的垂直绿化管道延续了现状棕榈树构成的景观特征，庞大的种植结构更利于在管道内包裹着水质过滤基质，协助微生物分解和让植物得到更多阳光照射。而水晶花园的巨型玻璃穹顶结构，则是一个现成的温室，为蔬菜种植提供了稳定的微气候条件。人们可以通过穿梭的悬空栈道逐步走到屋顶，参观都市农场，并以一览无遗的芝加哥天际线作为体验的高潮（图11-12）。以引入垂直鱼菜共生系统为技术手段，结合景观设计手法，水晶花园的立体空间功能结构突破了现状只在地面或屋面观光、餐饮的限制，实现了多个功能在立体空间上的交织，大大增加了空间的利用率和产出（图13）。这一理念不仅演绎了水晶花园“种植、烹调、饮食”的绿色生活主题，还体现了未来都市空间美观、立体和多功能集约的发展趋向。

图08 餐厅与市集分层结构

图09 市集内餐厅的鱼菜共生装置

图10 水晶花园现状照片

图11-12 水晶花园概念方案效果图

图13 水景花园竖向空间功能前后对比示意：原有竖向空间功能（左），设计方案的竖向空间功能（右）

4 结语

目前，国际上涌现了众多鱼菜共生技术在都市农业中的应用案例。尽管大部分应用处于实验性阶段，但还是反映了现代都市农业以技术先导，复合立体的发展趋势。在中国，该系统的应用尝试以渔农业生产为主，包括直接在养殖塘水面放置种植浮床、建立鱼菜共生温室等[11]，家庭版的产品也开始有研发，但多属于初级版的水平化应用案例，少见复合立体化应用，亦未见结合城市公共空间的设计。

因此，随着中国人民对可持续绿色生活方式以及创造低碳城市的日益重视，应将鱼菜共生系统这一资源自循环、自净化的生态农业技术结合立体景观设计，在中国进行研究推广。随都市农业向城市内部延伸的步伐，中国风景园林师们应致力简化操作和立体形态的灵活运用；充分挖掘资源的循环利用；高度重视产品的设计细节；量化分析系统的生态效益，并深入研究应用的地域差别。推动鱼菜共生系统走出专业农业种植机构，广泛出现在社区、商业和公共场所，最终成为城市景观空间体验和生态教育的一种重要途径。

注释：

图01、03、13作者自绘；图02改绘自www.indiegogo.com/projects/lowlands-community-garden/[EB/0L][2013-03-27]；图04引自都市农夫公司官网.http://urbanfarmers.com/[EB/0L][2014-02-27];图05引自生长都市农场公司官网http://www.growup.org.uk[EB/0L][2014-02-27];图06、07、09 引自蔡氏设计工作室官网http://www.tsaidesignstudio.com[EB/0L][2014-02-27];图08改绘自蔡氏设计工作室官网http://www.tsaidesignstudio.com[EB/0L][2014-02-27];图10引自http://www.chicagoillinoisweddingphotogr aphy.com[EB/0L][2014-02-27];图11-12引自http://www.inhabitat.com[OB/EL][2014-02-27].

[1]孙艺冰,张玉坤.国外城市与农业关系的演变及发展历程研究[J].城市规划学刊,2013,(3):15-21．

[2](美)伯杰合伙公司.邝嘉儒,译.富饶的社区西雅图城市农业探索项目案例研究[J].风景园林,2013,(3):28-37．

[3]Guo Yi-xian.Rice-Fish Systems in China[C].Integrated Agriculture-Aquaculture: A Primer. FAO Fisheries Technical Paper 407,Rome:FAO,2001:73-76.

[4]Rakocy,James E,Thomas M L,Michael P M.Recirculating Aquaculture Tank Production Systems: Integrating Fish and Plant Culture[M].Southern Region Aquaculture Center Publication No.454, Mississippi State University,1992.

[5]Sanders,Doug,Mark McMurtry.Fish increase greenhouse profits[J].American Vegetable Grower,1988,(2):32–33.

[6]Rakocy,James E,Donald S Bailey,R CharlieShultz,Eric S Thoman.Updateon tilapia and vegetable production in the UVI aquaponic system[M]//New Dimensions on Farmed Tilapia: Proceedings of the Sixth International Symposium on Tilapia in Aquaculture.Manila: American Tilapia Association,2004:676-690.

[7]Steve Diver.Aquaponics—Integration of hydroponics with aquaculture,A Publication of A Publication of ATTRA[Z].2006[8]Urbanfamers [EB/OL].[2014-03-09]. http://urbanfarmers.com/productsservices/box-globe/

[9]TSAI DESIGN STUDIO.Moyo Souk & Restaurant, V & A[EB/OL].[2014-03-09] http://www.tsaidesignstudio.com/architecture/moyo_va/

[10]Mark Boyer.AECOM + BIG Unveil Plans to Revamp Chicago's Navy Pier with a Vertical Farm and Roof Gardens [EB/OL].[2014-03-09].http://inhabitat.com/aecom-big-unveil-plans-to-revampchicagos-navy-pier-with-a-vertical-farm-and-roof-gardens/

[11]王雅敏.鱼菜共生系统的研究及其开发（上）[J].渔业机械仪器,1991,(10):2-4.