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)

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(1970—1990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(Ictaluruspunctatus)与番茄(Solanumlycopersicum)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(Oreochromisniloticus)和水培生菜(Lactucasativa)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—2010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/m3，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/m3，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(Ocimumbasilicum)产量为25 kg/m2，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/m3，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 m2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/m2[30]，中国约为400～450元/m2，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、CO2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。

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