基于养分循环的智慧农业系统组件——微型菜-豆-鱼水培子系统的设计和构建*

李剑峰 ，黎兴杨 ，张淑卿 *，郭金梅 ，丁 波 ，韩宝银

（1.贵州师范学院 喀斯特生境土壤与环境生物修复研究所，贵州 贵阳 550018；2.贵州师范学院 地理与资源学院，贵州 贵阳 550018）

随着城镇化的加速，城市居住及办公空间获得不断改善的同时，绿地及有限的栽培场地被建筑物所取代。原有依靠花盆、绿化带等空间开展的城区土壤平面种植栽培模式，已不适合于当前城市绿化和都市农业的发展。利用城市住房阳台、庭院、屋顶和墙体等闲置空间进行立体化栽培成为城市绿化和微农业系统发展的有效模式[1]。但伴随着城市居民生活节奏的加快和旅游、出差等短期外出活动的增多，植物水培中营养液的更换等措施难以由非专业人员配比操作而成为痛点问题。鱼菜共生栽培-养殖模式是近年来兴起的一种复合栽培模式[2]，整合到远程智能农业系统中具有投入少、产值高、低碳环保等特点[3]。豆类植物通过水培依旧可被根瘤菌侵染形成根瘤并向外部环境释放氮素[4]，连接菜-豆-鱼三者间的物质能量代谢形成整体的协同运作，实现养鱼不换水却无水质问题，种菜不施肥却能获取足量养分的微型生态循环体系[5]。本研究通过将复合栽培-养殖体系中动物、植物、固氮微生物三者间构建一种平衡关系。以秸秆浸提物（CSE，Corn stalk extract solutions）植物源营养液作为植物水培和鱼类生存的营养液[6]，以豆类根瘤菌共生固氮为营养液补充氮素。由于整个系统无需农药化肥，将是未来发展绿色无土农业生产的有效模式。本研究设计组装的家庭栽培装置利用这一原理，不仅保证了栽培蔬菜的养分供给，也为栽培设施赋予了教学、娱乐和观赏的多种功能。

1 材料与方法

1.1 实验场所概况

本研究以贵州师范学院求真苑4楼西端楼顶露台为设备安装场所。场地长864cm，宽768cm，从南面进入，东面是墙壁，西北侧是护栏。以东西方向轴线将试验阳台分为两部分，模拟建筑物封闭阳台和露天阳台环境。外侧保留露台格局模拟露天阳台，进行立体栽培设施的设计，安装和调试。用于检测及调试智能栽培装置的稳定性和可靠性。

1.2 设备及材料

水培设施PVC管材：11cm口径管材5根，每根380cm，直通10个；11cm变5cm转接头10个；5cm管材15根,每根300cm；5cm变2cm转接头20个；2cm管材80cm。根据场地把PVC管组装成水培架，12/16高压软管5m。栽培设施使用5m的潜水泵进行营养液的循环流动。

水培管道设计加工，以11cm直径的PVC管作为管道水培蔬菜的主要构件，管上直线开6cm孔，孔间距12cm，孔内放置定植篮。合理搭配鱼菜种类要注意保持鱼-菜间的养分需求平衡并考虑季节变化等因素[3]，可选用生长迅速的蔬菜和代谢旺盛的鱼类[7]进行实验。管道构架下置盛放植物源营养液的敞口水箱用于养鱼，用水泵把水箱中的水抽到水培管中形成半闭合的循环系统。制作栽培管时，在PVC管上每隔15.02cm开6.03cm的孔（如图1）。每根11cm直径PVC管以直径5cmPVC弯头管件上下连接，使每层栽培管道都有1-2cm的储水深度，并由上至下连通。栽培管组装完成后用铝合金支架支撑，考虑鱼池高度，支架与地面距离为75cm，栽培管间距为25cm。考虑到上下层栽培管间的采光效果，并且尽量节省阳台空间，支架与地面的夹角为77°，栽培管间距为25cm，整个支架高度220cm。设备系统的正、侧和实物图如图2-图4所示。

图1 菜-豆-鱼共生系统水培管件图

图2 菜-豆-鱼共生循环栽培系统正视图

图3 菜-豆-鱼共生系统侧视图

图4 菜-豆-鱼共生系统实物图

初始的菜-豆-鱼共生营养液采用CSE植物源营养液并参照李剑峰等的方法制备[6]，营养液配成20倍母液，高压湿热灭菌40min后保存备用，使用时加灭菌后的自来水稀释并调整pH为±7.0。水培管架各层间由弯管连通，顶部两层管道栽培拉巴豆，由拉巴豆-根瘤共生固氮为管道内的营养液进一步补充氮素，下面三排选择黑叶白菜和萝卜等水培蔬菜。水培管道底部为盛有菜-豆-鱼共生营养液的水箱作为鱼池，养殖可通过花色特征区分、大小相近的锦鲤20尾。鱼饲料为“统一”品牌的全营养鲤鱼饲料，采购自统一线上旗舰店。设备运行后，鱼的排泄物作为氮磷及有机质养分补充到鱼池营养液中并沉积在水池底部，由潜水泵将底部残渣抽提到栽培管道顶部，并依次流经管道拉巴豆栽培层，蔬菜栽培层，由水培植物根组织过滤后，再度进入鱼池水箱水体并通过下落过程溅落产生的气泡补充营养液的溶氧量（见表1）。

表1 植物水培植株数

共生水培系统于2017年10月1日开始运行，对鱼饲喂量按其体重5%投放，最初2天饲喂一次，2周后每7天投放1次饲料。之后不再更换营养液，也不再补充鱼饲料，仅以自来水补充鱼池中蒸发耗散的水。期间菜-豆-鱼生长始终保持正常，至12月份天气转冷，菜、豆植株渐次凋零，试验于同年12月20日终止，总计生长时间50天，生长期结束后收集供试动植物材料称重。

1.3 数据统计分析

实验数据采用Excel2003收集和整理数据。利用SPSS17.0统计分析软件进行数据分析（Ducan法，P<0.05），其中，不同小写字母代表处理间差异显著。

2 结果与分析

2.1 水培植株生物量

由表2可见，水培植株中黑叶白菜在50天的生长期内100%成活，拉巴豆和水培萝卜植株成活率均超过92%。表明水培方式不仅可用于两种蔬菜，也适用于拉巴豆植株的水培。其中拉巴豆植株在整个实验期间生长良好，单株根瘤数12～30个，根瘤的横切面呈粉红色或褐红色，表明其有固氮能力，可作为菜-豆-鱼体系中的供氮植物。黑叶白菜和萝卜（叶片）生长良好，叶片鲜绿、平均单株鲜重均达到可食用的标准。仅就生物积累而言，黑叶白菜显著高于拉巴豆和萝卜，可作为最适合的水培材料。

表2 水培植株生长量

2.2 共生系统中鱼鲜重的增加量

本研究中，在共生水培系统中投放的20尾鱼在50天内全部存活并正常生长。由表3可见，随机选取的8尾锦鲤在50天内鲜重增加12.5%～20.8%，这表明所使用的CSE植物源营养液在50天内无明显的毒素积累，适用于观赏锦鲤的养殖。进一步证实营养液在鱼池和水培管道间的流动，能实现共生栽培系统中氮、磷养分及动植物产生的残渣等有机质的稳定循环。而观察发现，鱼池底部的鱼体排泄物随营养液被水泵提升至上方栽培管道中，流经植株根系时被层层阻滞，而植株凋落的残根、叶片等有机质随水流进入鱼池后可被鱼采食，实现了该栽培-养殖系统中营养液水体的自净和养分补充。同时，在设备运行初期CSE营养液在最初2周内有酸化的趋势，pH值一度降低到6.0左右，但在无人为干预调节下营养液的酸碱度逐渐恢复到中性，表明该系统对酸碱度有自我调节恢复的作用。

表3 共生系统中鱼的生长增加量*

2.3 共生系统运行中出现的问题

本研究中，设备露天安置、采光良好。日常的维护操作并不多。主要是在室外管道栽培时要防止风雨过大时吹落定植杯，及时给储存营养液的鱼池内维持到正常水位。尤其是气温过高或植物生长最为旺盛的时期，营养液水份耗散迅速，需防止营养液内养分浓度过高，对于鱼及蔬菜植株产生毒害[5，7]。

3 结论

立体水培不同于传统的土耕模式，便于利用立体空间，节约土地资源[8]。鱼菜共生可在控制条件下利用鱼的分泌、排泄物、植物根系及饲料残渣等转化为可供蔬菜利用的营养物质，并将蔬菜生长中对营养液中养分、残渣和盐类的吸收净化水质的循环利用模式[9]。本研究中的菜-豆-鱼循环栽培系统将种植装置和养殖水体分离，将养鱼箱中循环的植物源营养液经潜水泵由管道运输至水培蔬菜根系，鱼产生的排泄物等被根系持留，为蔬菜提供养分。水流被植株吸收净化后又返回养鱼水箱，利用高度落差使水流进入鱼池时激起气泡为鱼补充氧气，水流带来的植物残根等作为鱼的食物。这一封闭的循环系统，效率高且系统稳定，可最大限度简化操作流程实现养分和物质循环，实现水培蔬菜的不间断生产，无杂草隐患。由于装置清洗便捷，对于虫害生长抑制效果明显，在生长维护中免去了大量除草剂、农药的使用。极为适宜远程无人管护智能农业的发展需求，而植物源营养液的使用也使水培蔬菜脱离了化学配方营养液的限制，实现了蔬菜无土栽培的无化肥模式。这一过程中，植物源营养液的养分浓度和pH控制是技术的关键。以沼液进行蔬菜水培优于化学配方营养液，能显著提高叶片面积和生物量积累，但60%以上浓度的沼液会提高生菜体内的亚硝酸盐积累量[10]。综上，菜-豆-鱼共生水培装置相比现有菜-鱼共养体系，具有通过豆类植物的快速生长和固氮缓冲或调节营养液中磷、氮的过量积累或亏缺，并具有能持续补充速效氮素养分的优点。本研究所试制的水培设备原理简单实用，易于操作，适用于空间较小的家居阳台或办公、展示和休闲场所，也更容易实现养分、水分的监控和智能化升级。尽管初期需要一定设备、材料和技术的投入，装置也需要低强度的维护和管理。但这种设备在一次性安装运行后控制简单、稳定性好，易于推广使用。目前，该设备已获专利授权，专利授权号ZL201521122912.2[11]，已接入贵州师范学院智能阳台农业教学点的远程无人值守水培/养殖系统，其循环自持力可实现长达45天的无人现场值守操作，具有良好的发展前景和应用潜力。