循环水养殖新模式-鱼菜共生系统

文/饶伟 李道亮 位耀光 杨卫中

循环水养殖新模式-鱼菜共生系统

文/饶伟 李道亮 位耀光 杨卫中

鱼菜共生（Aquaponics）是一个融合了水产养殖(Aquaculture）与水耕栽培(Hydroponics）两种不同的农业工程技术所发展而来的新型循环水养殖技术。美国早在上个世纪70年代最先开始研究此类技术。文章首先从鱼菜共生系统历史的发展演变展开叙述。先后介绍了国外和国内两部分鱼菜共生系统的应用现状。然后分别从鱼菜共生系统的工艺发展和关键技术研究两个方面展开论述，并加以客观的分析与评论。最后结合在我国山东寿光基地建立的国际合作鱼菜共生项目的研究情况，从工艺、关键技术两个角度总结了我国发展鱼菜共生系统将面临的挑战和发展趋势，对我国未来发展鱼菜共生系统具有一定的借鉴作用。

随着人们生活水平的进步，农业生产也进入了工业化领域。农业生产的工业化在为人们带来了大规模集成化生产的同时，也给人们生活带来了巨大的影响。我国是世界水产养殖大国，水产养殖产量和面积均居世界首位，其中工业化水产养殖提供了巨大贡献，但与此同时工业化水产养殖的自身污染问题也较为严重。工业化水产养殖过程中会产生大量的污染物，其中包括未被食用的物质和鱼类的排泄物。有研究表明生产1kg体重的鱼需要干重1kg～3kg饲料。36%的饲料将转化成有机废物被排泄出去，大约75%的氮磷饲料遗留在水中成为污染物。当这些物质浓度达到一定程度会使生态环境遭到破坏。因此，水产养殖所造成污染问题已成为世界各地研究者们关注的焦点。水产养殖废水如果可以重新利用会有很大的意义，不仅可以降低水污染，又可高效利用水资源。循环型水产养殖系统（Recirculating Aquaculture System，RAS）系统是通过将养殖所产生的废水进行加工处理后再使用的系统。目前国内外循环水养殖系统主要分两种，一是高集成循环水养殖系统模式，其特点是高自动化、高密度、高集成度，存在的问题是投资成本高、资源浪费；二是经济型循环水养殖系统模式研究，利用简化的水处理工艺、自然条件对污水进行过滤再利用，其特点是工艺简单、经济效益高。不足是生产规模小，集成度低。针对以上的矛盾，很多学者也进行了大量的研究。路易斯安那州立大学Malone教授根据多年的研究，认为循环式水产养殖系统能够成功必须满足五大条件：一是水的循环；二是悬浮颗粒物及时去除；三是高效的生物过滤；四是增氧设施；五是二氧化碳的去除。相关的理论研究已卓有成效，但是究竟采用什么方法来实现并且达到绿色环保的目的，成为研究和应用的技术关键。

鱼菜共生系统（Aquaponics）整合了水产养殖和无土栽培技术，将高集成循环水养殖与生物处整合型养殖系统促进了营养物质的循环利用也增加了农业生产的产量。鱼菜共生系统相比于那些导致水土流失、土壤荒漠化和污染的传统生产方式具有更高的可持续性。既满足高集成循环水处理模式的高密度生产，又利用了自然消化工艺，使资源得到合理利用。

鱼菜共生系统经过三十多年的理论研究和实际应用，经历早期的艰难探索、中期多种系统工艺演变，形成了较为完善的鱼菜共生工程体系。

一、鱼菜共生系统的循环工艺研究

鱼菜共生系统是从简单的自然循环概念演化过来的，最开始使用的工艺也相对简单，采用了鱼菜直接接触共存的方法，这种方法最为简单，但也存在着很大的问题。

（一）直接共生

直接共生就是直接在养殖池中栽培水生蔬菜，蔬菜对养殖水中鱼虾等排放的氨氮进行直接利用，既起到净化水质作用也获得了生长必须的营养。直接共生型鱼菜共生系统示意图如图1所示。

广东惠州水产科学研究所采用的鱼菜共生系统，用泡沫板、竹架等作为浮体直接把蔬菜固定在漂浮的定植板上进行水培。曹豫、翟旭亮在重庆市水产引育种中心示范基地开展了直接共生模式与普通养殖模式对比试验研究。实现每公顷产空心菜36000kg以上，每公顷增收30000元以上，纯利润达每公顷2521元。广东省博罗县水产技术推广站采用的也是该种共生模式，保证了良好的水质，实现养殖水体良性循环。王水亮在中国河南省平顶山市新华区开展了水上种菜、水下养鱼试验，整个鱼塘面积10亩。该系统充分利用了水资源，节省了土地，提高了土地利用率，实现环境和农业双赢的生产模式。

图 1 直接共生型鱼菜共生系统示意图

蔬菜种于水上，采用浮筏移栽，这种方式十分的简单易于搭建，对水中的氨氮浓度也有一定的消去作用，但是植物对营养物质的吸收率只有40%，不能真正达到植物对氨氮等营养物质的需求。而且一些杂食性的鱼会有吃食根系的问题存在，需对根系进行围筛网保护，而且可栽培的面积小，效率不高。

（二）开环共生

养殖池与种植槽（或床）之间不形成闭路循环，由养殖池排放的废水作为一次性灌溉用水直接供应蔬菜种植系统而不形成返还回流，每次只对养殖池补充新水。在水源充足的地方可以采用该模式。开环型鱼菜共生系统如图2所示。

珠江三角洲“桑基鱼塘”，就是采用的这种开环模式进行种植养殖生产的。利用地区的水资源丰富的特点，实行一次性开环灌溉养殖模式。N.Vergote也做过类似的试验，整体依旧是采用开环生产模式，唯一不同是在水产养殖和水培种植两个系统各自建立了小循环系统，保证了水分在各自部分的充分利用。

开环共生工艺实现了鱼和菜在空间上的分离，系统上的共生。这种办法不仅让资源仍然可以高效的利用，而且基本实现了鱼和菜的互不影响的生长，简化了管理策略，增加了系统的稳定性。然而水的循环利用受到了阻碍。

图2 开环型鱼菜共生系统

（三）闭环共生

养殖池排放的水经硝化床微生物处理后，进入蔬菜栽培系统，再经蔬菜根系的生物吸收过滤，把处理后的废水返回至养殖池。水在养殖池、滤液床和种植槽之间形成一个闭路循环。闭环共生系统如图3所示。

图3 闭环型鱼菜共生系统

这种闭环共生工艺需要慎重考虑的是维护、管理的费用问题。而且水的循环会直接影响到鱼跟菜的生长。但这种闭锁环工艺的鱼菜共生系统可用于大规模生产，效率高，很大程度上减少水资源的使用。因此，国内外众多的研究都是基于闭环共生开展的。

美国、欧洲大部水产养殖研究机构都是采用温室内搭建的这种闭锁环循环系统，来完成水由鱼池到无土栽培槽过滤，再返回鱼池中的一个循环过程。并通过多路循环设计，对多种植物进行灌溉试验。Stefan M. PETREA在循环系统中增加了特制的过滤系统，提高了系统的稳定性，但系统存在着食品安全性问题。Andreas Graber和 Ranka Junge 采用养殖水体与种植系统之间通过消化滤床连接构成闭合循环结构的设计。该试验系统相比之前众多研究者来说，有较高的稳定性。丁永良搭建的鱼菜共生系统由鱼池、栽培盘和空气提水三个部分组成。池、盘结构采用由抗碱纤维和低碱水泥复合的新型材料(GRC)，整体构成一个封闭循环系统 。

二、鱼菜共生系统技术模式综述

鱼菜共生系统融合了循环水养殖技术和无土栽培技术，属于复合型农业生产技术。

其中，消化技术属于鱼菜共生系统中最为核心的技术部分。因为它直接影响过滤水质的效果和植物营养吸收的效率。氨氮是随着鱼的粪便和腮部呼吸作用代谢产生。这些物质需要过滤掉，否则高浓度的氨氮会使得鱼生病死亡。虽然直接将水撒到水培蔬菜中可以降低一些氨氮浓度，但是并不能达到正常水平，所以一个高效的微生物分解系统是必不可少的。为此，国际上众多学者做了大量试验，并产生了不同的工程技术模式。

（一）NCSU模式

在早期，鱼菜共生系统水消化部分使用的是沙子、碎石等技术。美国北卡罗莱纳州立大学(NCSU)园艺系的Sanders Doug及其研究生Mark McMurtry研究了温室循环式生产型鱼菜共生系统。这个系统采用的就是沙土作为固定植物根部的介质，作物栽培采用固体基质栽培（细砂），这种方式被美国人规定为NCSU生产系统。后经双思水农场的汤姆斯潘尼奥夫妇改良，形成了新型NCSU系统。改良后的系统设计了相应的水循环管网，使整个系统便于操作和维护。同时将种植介质换成砾石，创造更利于微生物分解的环境。NCSU 系统采用的是固体基质栽培（细砂），经改良后的版本系统较简单经济，且组合形式多样适合各种形式的农业工程应用。该系统在美国的发展应用十分广泛而且更为系统化。NCSU系统采用的是固体基质栽培，属于单循环模式，系统较简单经济，且组合形式多样。总的来讲NCSU主要用于小规模封闭空间，采用砂石过滤，一般使用滴灌、重力回流技术。

（二）UVI模式

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，UVI 系统采用的是养液循环栽培,属于单循环模式，需水量大，产生的动力费较高，适合户外大型商业生产。UVI系统结构图如图4所示。整体上看UVI模式是大规模封闭式系统，使用了水耕水培分离式，漂浮水培，增氧，消毒，调节池等技术。随着工程技术的发展，漂浮水槽技术也开始进入实验阶段，并成功在鱼菜共生系统工程实验室中完成运转。美属维京群岛大学农业实验站詹姆斯拉克斯建立了大型商业化生产的户外封闭水循环鱼菜共生系统，该系统较复杂但相对稳定。作物栽培采用养液循环型（深水浮筏 deep water raft）的栽培。该系统也被当时公认为是较为官方的UVI标准系统。随后耐尔森佩德有限公司的耐尔森佩德夫妇将UVI系统进行了改良，改良后的UVI 系统，在结构和性能上都更加稳定，并很快进入课程培训，并出版相关杂志及书籍成功地进行商业运作。

图4 UVI模式的鱼菜共生系统

（三）ASTAF-PRO模式

之前提到的NCSU和UVI两种传统的鱼菜共生模式都是使用单循环结构在全球各地的研究已相当成熟，而pH、营养物质、主要矿物质难调节也是始终不能突破。ASTAF-PRO系统是柏林Leibniz-IGB研究出来的一个新型鱼菜共生系统。它将传统RAS系统和含有NFT技术的无土栽培系统融合到一起，克服了之前单循环的局限性，属于多循环复合模式。有研究表明单独的RAS系统和单独的水培系统生产1kg的罗非鱼和1.6kg的土豆总共需要水量约1100L。使用ASTAF-PRO生产同样数量需要220L水。而采用INAPRO系统工程生产同样数量的罗非鱼和土豆只需要不到100L水。

随后欧盟在ASTAF-PRO项目的基础上进行进一步的性能优化，形成了较为完善的欧盟（INAPRO）系统。其目的是更好的顺应市场需求，从而普及推广。

欧盟INAPRO鱼菜共生系统工程是一个汇集了高智能传感器、智能控制和远程无线网络管理系统于一身的综合性封闭式鱼菜共生系统。增添了光伏、沼气等辅助单元。在ASTAF-PRO模式上有进一步的优化了各部分的功能分配以及相互的衔接。使得系统具有较高的集成、扩展、可持续性。较适合我国大部分地区进行研究发展。

图 5 ASTAF-PRO模式的鱼菜共生系统

有不少学者专门真对不同的模式进行了水质测试比较。Wilson A. Lennard、Brian V. Leonard等人将UVI、NCSU、NTF三种不同的模式进行了比较，采用了对照试验。结果表明净化效果最好的是漂浮型鱼菜共生系统。Graves等人通过实验发现NFT水培子系统的转换效率明显的少于碎石床和漂浮筏水培系统技术。NFT技术虽不是效果最明显，资金投入也比较高，但是系统的稳定性较高，适于长期工作，有较大发展前景。综合来看UVI和NCSU模式虽然较为简单，但是试用范围比较窄，不适于大规模高适应性的发展研究。而ASTAF-PRO、INAPRO等模式采用了模块化的研究方式，运用更为科学的技术使得系统具有高适应性，适合各种地区不同地形气候的发展研究，符合未来该项目的发展研究趋势。

三、我国鱼菜共生系统未来发展趋势与面临的挑战

（一）鱼菜共生系统工艺发展的趋势

鱼菜共生系统工艺是保证鱼菜共生系统正常运转的关键工程。上文所介绍的直接共生、开环共生、闭环共生都是根据不同地区，不同资源需求所搭建的系统工艺。根据我国目前的农业生产类型，在北方一些较为缺水的地区可以参照上文开环共生的工艺进行工程建设。对于相对水源比较充足的南方地区，推荐使用闭环共生的工艺进行工程建设。

我国是世界上人口第一大国，农业生产中大规模集约化生产是主要趋势。鱼菜共生系统未来也要向大规模工业化生产方向发展。上述工艺中满足大规模生产的工艺是闭环共生系统工艺，该工艺可以在我国北方的日光温室内大规模建设生产。

山东寿光基地所搭建的欧盟INAPRO鱼菜共生系统就属于温室中建设的鱼菜共生系统工程。该工程采用了闭环共生工艺，采用了冷凝水循环技术和ASTAF-PRO的生产技术模式。该系统对于我国未来的鱼菜共生系统发展具有很高的研究借鉴意义。

（二）鱼菜共生系统技术研究所面临的挑战

鱼菜共生系统作为一种循环水养殖的新兴生产模式对于我国农业生产既是机遇也是一种挑战。

在我国大规模建设鱼菜共生系统，将大幅度减少水资源的使用，并且减少水处理的费用。然而鱼菜共生系统结构复杂，易受环境、种植品种配比和系统工艺等多方面因素的影响，难以形成集约化循环生产。需要进一步推进鱼菜共生系统技术研究水平，以达到科学、绿色、可持续的农业生产。

从目前来看，国内研究主要偏重于鱼菜共生的技术实现上，对于国外，该领域研究已深入到系统水、营养、能源利用效率及系统性能影响因素等方面，较国内超前一些。本文作者建议我国在技术研究领域需特别关注以下几个方面。第一，研究安全稳定的循环水处理方法和相关技术手段，以保证水产养殖和无土栽培两个系统的正常运行。第二，模型方面的研究，包括鱼菜共生系统中大量生长参数，如二氧化碳、温湿度、光照强度、溶解氧、pH值、氨氮等，这些参数在系统中会相互影响，深入了解其相互转化机制，对鱼菜共生系统工程建设有很好的指导性意义。第三，集成装备与系统研究。加深对鱼菜共生系统中测控管理系统的研究，针对鱼菜共生系统的工程特性，研究开发末端智能装备、装置的研发增加系统科学性、安全性和可靠性。

作者单位：中国农业大学信息与电气工程学院