智能潮汐式鱼菜共生装置设计＊

铁建中，徐之奇，孟旭刚，刘亚昱，李雯琳(甘肃农业大学园艺学院，兰州 730070)

当前中国农业高速发展，人们正在探寻更具经济效益、更加节约能源、更加环保的生产方式，因此鱼菜共生模式备受关注[1-2,10]。鱼菜共生是在阳台和庭院等家庭闲置空间进行的养殖与种植结合的新型农业模式，具有栽培方式新颖，自动化程度高，兼具实用与观赏等特点。鱼菜共生系统的研究方向分两种。一是工业生产型，以大规模养殖为基础，集合无土栽培技术，整体系统结构复杂，鱼菜共生方式灵活，种养殖品种多样，养殖品种多为鲫鱼、鲤鱼、罗非鱼等经济型鱼类，种植品种多为茎叶类和藤蔓类蔬菜水果[3]，工业生产型鱼菜共生系统是在环境条件允许下追求更高的经济效益。二是休闲观赏型，综合运用纳米高新技术等[4]，养殖品种以观赏鱼为主，其中较为常见的为锦鲤，种植品种以景观型水生植物为主，包括美人蕉、梭鱼草等，目的是用于大型园区、景观庭院、休闲娱乐和家庭阳台美化[5]，休闲观赏型鱼菜共生系统是在环境条件允许下追求更高的休闲体验，随着鱼菜共生技术的发展，阳台农业已从传统的土壤栽培发展为无土栽培和立体种养相结合等多元化种植和养殖模式[2,9,12]。

本装置以潮汐灌溉（基于潮水涨落而设计的一种高效节水灌溉系统）为理论基础[6-7]，实现鱼菜共生装置自动化控制，兼顾节约能源，美化环境等功能。装置整体结构工整，坚固耐用。该装置可实现对水循环自动化控制，节省人力；过滤效果明显，鱼粪中的营养可被作物根系充分吸收；使用耐候性好的材料制作，使用寿命长，占地面积小；需清理养殖缸时，养殖缸可抽拉出来；补光、照明系统设计全面等。可实现“养鱼不换水，种菜不施肥”，应用于阳台农业可有效改善环境，提高生产效率，提升人们的生活质量[2,12]。开辟了园艺作物与水产养殖的新结合方式，为其他园艺作物与水产养殖的结合奠定了基础，在阳台农业的发展中具有广阔的前景[2,8]。

装置设计与制作

装置由支架、养殖缸、种植缸、水循环系统、过滤系统、补光、照明及测温系统组成。支架主体采用万能角钢，角钢之间用螺丝连接，坚固可靠。养殖缸和栽培槽采用亚克力板黏合而成，坚固耐用。种植缸上层种植层铺陶粒砂。多种过滤材料位于种植缸下层的过滤层。水循环系统由抽水泵、软管、电磁阀、时控开关组成，可按生产需要设定开关时间，抽水泵可将养殖缸中的水通过进水口抽入种植缸中，水依次通过生化棉等过滤材料后通过出水口流入到养殖缸中，当电磁阀关闭时水从种植缸溢水口流出进入到养殖缸，完成一次潮汐浇水。补光、照明及测温系统由特制波长灯管的补光灯、白光照明灯和电子探测温度计共同组成。照明灯架设在养殖缸上部用于提供更好的欣赏效果，补光灯位于种植缸顶部用于调节植物生长发育，温度计位于养殖缸外壁用于随时观测温度（图1）。

图1 整体构造图（左为正视图；右为侧视图）

支架的选材及制作方案

支架的材料选择及设计依据

装置全部承重都在支架上，下层需满足养殖缸抽出后整体稳定不倾斜，所以支架既要满足承重要求，又要保证稳固不散架；时控开关、补光灯等设备需装在支架上，且要满足家庭使用中易安装拆卸、方便移动等需求。综合以上基本要求，支架采用38 mm×38 mm×1.6 mm 规格的万能角钢，按设计要求测量、截取、拼接而成。因设计方案中种植缸和养殖缸的载荷由角钢的一边承载，所以对层板硬度要求不高，主要起填充水平角层间形成的空当和保护种植缸和养殖缸底的作用，故层板选用5 mm 厚的复合板，切割成一定大小后直接放置到支架上即可。在立柱角钢的底端安装万向轮使装置相对地面可灵活移动，不受地域环境的约束，可随时转移，避免突发的外力对整个系统造成伤害。

支架结构的设计

选用四根62 cm 长的角钢做装置的纵架，并于纵架从上往下15 cm 和45.5 cm 处放置36 cm和34 cm 长的角钢各两根作为横架，支架整体成型的同时也分成了上下两层，之后在两层横架上安装层板。下层养殖缸要进行换水和展览一系列动作，将养殖缸设计为可以向外抽动的形式，在下层原有横架基础上，在两根36 cm 支架两侧各安装一条30 cm 的滑轨，滑轨间用一块36 cm×22 cm×0.8 cm 复合板连接，养殖缸放置在该复合板上。因养殖缸周围环境湿度较高，滑轨选用30 cm 长不锈钢阻尼滑轨，承重约为50 kg（图2）。

图2 支架结构图（左为正视图；右为右视图）

种植缸选材及设计

本装置种植缸缸体选用亚克力板，亚克力板材透光率达92% 以上，用染料着色的亚克力板具有良好的展色效果。此外，亚克力板材具有较好的耐候性，较高的表面硬度和表面光泽以及较好的耐高温性能，也有良好的加工性能。种植缸规格35 cm×20 cm× 22.5 cm，因种植缸集中装置大部分重量，所以选用厚度5 mm 的亚克力板,在缸内底部用3 块14.5 cm×0.5 cm× 9.5 cm 大小的亚克力隔板粘结在内壁上，使缸体分成三个连通的小空间，延缓水流流速，为硝化细菌提供一个更好的生存繁殖环境的同时提高过滤效率，隔板也对上层种植层起了支撑作用（图3）。

图3 种植缸结构图（左为正视图；右为俯视图）

种植缸中介质材料的选择

本装置选择陶粒砂作为无土栽培介质，具有价格便宜、使用寿命长、可反复使用、性价比高等优点。陶粒砂经天然黏土烧结而成，安全无毒，不伤鱼草，长时间使用也不会硬化。pH 呈中性，自身多微孔，能提供给硝化菌栖息的空间[13]，养分和水分既得到很好的保持，又能对运输到栽培系统的水有净化作用。还具有挂膜能力，培菌同时能有效分解鱼虾粪便。

种植缸中种植层的设计及材料选择

种植缸上层为种植层，下层为过滤层，为防止陶粒砂落入下层过滤层，也为了保证植物的生长所需，选择过滤毯剪裁制成槽子形状的种植袋(图4)，种植袋大小为34 cm×21.5 cm×13 cm，用来盛放陶粒砂。过滤毯由涤纶制成，表面有细密毛丝，拥有透水性高、方便清洗、拦截细微杂质的特性，当栽培槽使用一定时间变色变脏时，能直接带过滤毯种植袋一同取出，清理方便且不影响过滤层。

图4 过滤毯种植袋(左为正视图；右为侧视图)

养殖缸选材及设计

养殖缸体（图5）也采用亚克力板剪裁黏合拼接而成，亚克力鱼缸的优点是一次成型、黏接少、造型多样、透明度高。养殖缸规格为35 cm×20 cm×22.5 cm，为了增强透光度，选用厚度0.3 mm 的亚克力板。

图5 养殖缸结构图(左为正视图；右为俯视图)

水循环系统的设计与制作

水循环系统的设计根据

良好的水循环系统可以提供源源不断的溶解氧，使植物和鱼儿生长的更好。养殖缸底吸水泵通过软管抽水进入上方种植缸，进水口位于种植缸右侧，分别距左右两边9 cm 处，口径10 mm，水流经过滤层过滤后通过与进水口相对位置的出水口流出再经软管进入到下面的养殖缸中，使水在回路中完成环形流动，完成一次水循环。水循环示意图如图6 所示。

图6 水循环示意图

潮汐系统

由养殖缸底吸水泵抽水进入上方种植缸，经种植缸的过滤材料过滤杂质后供植株灌溉使用，不在灌溉期时，电磁阀时常开启，养殖缸污水经过滤后回流到下方养殖缸。灌溉开始时，电磁阀关闭，使种植缸水位上升，达到灌溉目的。灌溉结束后，电磁阀再度开启，种植缸水位下降，灌溉后水流入下方养殖缸，完成水循环(图7)。在此循环系统中所用电磁阀为常闭型电磁阀，通电打开，断电关闭，动作方式为直动式膜片式，因考虑常用于用水场所，材料为锻压黄铜，电磁阀阀体采用锻压阀体设计，锻压阀体的优点是形状美观，并且能改善铜内部组织，提高黄铜机械性能和物理性能，从而整体提高电磁阀的性能，使阀门防漏防裂性能更完美，寿命更长。电磁阀由KG316T 微电脑电源控制器，即时控开关控制，控制电磁阀的打开和关闭时间。所选电源定时器每天可订制16 组开关，可以满足循环系统的工作需要，经过计算，电磁阀关闭后，水位经13 min 后达到灌溉需求，为了达到灌溉需求，将灌溉时间定为23:45，灌溉时间段为15 min，在此期间，电源控制器控制电磁阀关闭，水位上升，开始灌溉，15 min 后，电源控制器控制电磁阀开启，水位下降恢复正常，灌溉完毕。使用电磁阀和电源控制器的组合，可以满足大部分供水工作需求，并且操作简单，成本较低，大大提高了工作效率[11]。

图7 潮汐系统示意图

过滤系统

过滤系统材料的选择及设计依据

水是鱼菜共生系统的关键所在。构建并保持一个健康良好的生态系统，水质需同时满足鱼类、蔬菜和细菌的需求[9]。日常养鱼过程中经常发生水体发黄浑浊不清、养殖缸腥臭难闻等现象，既影响鱼儿生存，又影响观赏性。因此装置设计中应选择具有培菌、过滤、抑菌、除臭去腥、强效净水等特性的材料。经比对市面上现有的过滤材料，选择了以下过滤材料。

过滤球是一种塑料材料制成的中空球体，里面带有生化棉滤芯，其表面积较大，可大量的附着硝化细菌。水流经过时不会产生阻力，中空的结构可将水分成细流，并将大块的污垢击碎，过滤效果极好。水流通过分布在内部曲折的空间中，延长水流的时间，促进有机物质快速氧化还原，加上里面错落有致的多柱结构附着的硝化菌来达到生化过滤的效果[13]。由于生物球重量轻，携带方便，它不但可用在海水中生化过滤系统，而且还可用在淡水中生化过滤系统。本装置中，使用直径16 mm 过滤球（图8）60 个，放置在最底层即过滤隔板下方，便于硝化细菌的培养。

图8 过滤球

过滤隔板（图9）下层空间内放置过滤球，为过滤球提供充分的活动空间，上层用于放置滤材，起支撑和防止上层滤材底部杂质堆积的作用。隔板规格33 cm×18 cm×1 cm，脚撑高度1.5 cm、孔径7 mm、格子宽15 mm。

图9 过滤隔板

火山岩是火山爆发后形成的一种多孔石材，含丰富的矿物质。结构紧凑不易粉化，表面是培养水中硝化细菌的温床，亲水性强，能把水中各种原因产生的有害氨氮分解掉。麦饭石是多种矿物的集合体，孔隙结构复杂，溶解性能稳定，有良好的吸附和分解能力。可用在水质净化和污水处理，用于吸附水中的金属离子、氨氮及有害细菌、水体过滤和水质调控等方面。多孔呼吸生物环经过高温烧结制成的细密微孔材料，可在过滤中迅速发挥培菌力，降低养殖缸换水频率，使用寿命长，大量的细微孔为硝化细菌提供适宜的繁殖场所（图10）。

图10 从左至右依次为火山岩、麦饭石、白多孔呼吸生物环、红多孔呼吸生物环

超微玻璃环滤材是去除水中有害的重金属元素，为有益硝化细菌提供居所,稳定水质，特别是pH 及GH，为鱼儿提供良好的生长环境。过滤活性炭是富含碳的有机材料加工而成，外观为黑色、圆柱状，具有孔隙发达、吸附性能好、经济耐用等优点。活性炭含有大量微孔，具有较大的表面积，能去除色度，有害重金属等，广泛用于水族箱的过滤(图11)。

图11 超微玻璃环滤材(左)与过滤活性炭(右)

生化过滤棉(图12) 从上至下，分别由竹炭层、生化棉层、椰壳炭层组成，椰壳炭层吸附并分解鱼便垃圾、余氯、病菌等有害物质，生化棉层具有微小孔洞，是培养繁殖水中硝化细菌的良好温床，并可抑制有害病菌、稳定水质，竹炭层吸附异色异味、净化水质，保留有利于鱼儿的微量元素。并可用于平整过滤层并支撑上层种植层。

图12 生化过滤棉

过滤系统的原理

养殖缸中的水被底吸水泵抽取到种植缸的过滤层中，水流依次经过生化过滤棉层，生物环、玻璃环层，火山岩、麦饭石层，活性炭层，在此过程中分解有害氨氮，吸附水中的金属离子、有害细菌和异色异味等，最终在底层过滤球层培养硝化细菌，在水位上升过程中再经过一次过滤层，达到双重过滤的效果。

补光、照明及测温系统

补光系统由补光灯构成，补光灯选用防水式植物补光灯，可根据植物生长需求调节红蓝光比例。照明系统由养鱼池照明用灯构成，选用防水鱼缸展示用灯，补光灯和照明灯数量据装置大小均使用一支。测温系统由温度计构成，选用吸附式数显温度计。

补光、照明及测温系统的设计依据及参数

植物生长最不可或缺的条件便是光照，适当的光照可促进植物的生长，达到增产、优质、高效的目的。植物补光灯（图13）可以调节植物的生长发育，提高作物光合速率，增加叶面积。因鱼菜共生装置是利用水培，作物很容易发生徒长，补光灯可以防止徒长，还可进行植物营养品质的调控，促进有益化学物质的生成。所以补光灯选用可调节红蓝光比例的植物补光灯，光源类型为LED 灯管，功率10 W，LED 红光和蓝光结合使用，可以作为非常有效的光源进行栽培生产[16-17]。正常照明用灯(图14) 选用长0.3 m 防水鱼缸展示用灯，拥有正白光、自然光、暖白光三种光源，光线充足，让水草生长更旺盛，夜间更清晰，提供更好的观赏效果，而且可根据观赏需要和养殖缸内植物生长需求进行调节。测温系统以养鱼池水温为主，选用长5 cm，宽3 cm 的LED 数显温度计。

图13 植物补光灯

图14 照明灯

装置运行流程

运行时的操作说明

参照无土栽培方法在育苗盘中培育种植层所需幼苗，育苗完成后直接移栽于种植缸。养殖缸用水经过滤后为种植缸提供用水并提供营养，根据植株生长需要开启或关闭补光灯，照明用灯常开，便于养殖缸鉴赏。系统中水循环可人为调控时控开关加以控制，当周围环境发生改变时，可移动装置至植株适应的环境下，不受地域环境束缚。

装置的日常管理

鱼菜共生装置（图15）水循环由电源定时器与电磁阀控制，设定好工作时间后让其自行运转便可，但需人为在早晨或下午在养殖缸中投喂适量鱼食，并观察各系统生长状况，根据不同系统情况所给反馈及时调节水质和电机情况。根据蒸发量，需每隔3 天为养殖缸补给用水，并根据植株生长需求开启补光灯。共生装置中，水质尤为重要，所以需每隔一周检测水质，根据水质反应问题寻求原因，及时进行换水处理和滤材清理。同样，为保装置美观，需每隔一段时间对养殖缸和种植缸进行清洁处理。如果植物营养不足时可直接喷施营养液或在养殖缸中添加低浓度营养液以供植株营养补给。当养殖缸用水溶氧量不足时，可安装氧泵，增加溶氧量。以陶粒为栽培基质试验结束后用清水清洗陶粒，以便循环使用，以岩棉、蛭石为栽培基质试验结束后更换基质。

图15 装置整体实物图

结果分析

为了使装置成功运行，团队进行了相关试验。通过观察记录装置在长时间的运行情况，电控潮汐装置的运行一旦不稳定，断电时，出水口关闭，水会一直从溢水口流出，造成植株烂根徒长。或抽水泵的抽水速率大于出水口出水速率时，会造成种植槽中的水一直增加，虽然水会也从溢水口流出，但影响了植物的生长，长时间下去会打破过滤和水循环系统的平衡，生态循环的理念就无法实现。在装置中的水质测试中，甘肃水质偏碱，初始值为8，pH 平均为6.4，pH 从7天开始下降，随着天数增加一直保持在6～7 的合理范围；因为装置使用的是自来水，初始亚硝酸含量极高，达到了1 mg/L，但经过水循环过滤系统后，在4 天时就大幅下降，16 天后一直维持在0.01 mg/L；余氯始终在0～0.05 mg/L范围内，氨氮在0～0.5 mg/L 范围内；硫化物初始值为0.1 mg/L，从7 天开始下降，并能稳定的保持在0～0.05 mg/L 的范围内；磷酸盐从1 天开始下降，这是因为上层植物生长开始吸收磷酸盐，4 天后开始上升，这是由于在4 天时投入鱼食，观赏鱼增加排泄，磷酸盐上升。7～31 天水中的磷酸盐含量在水循环过滤系统下始终保持在0.4～0.5 mg/L 范围内；溶解氧均在10 mg/L 以上，维持在10～12 mg/L，平均值为11.36 mg/L；总硬度最高时在7 天为3.9°dH最低时在4 天为3.0° dH,值为3.49° dH；总碱度最低为120 mg/L，高值为180 mg/L，平均值约为147.27 mg/L；可溶性盐含量EC 基本维持在0.8～1.2 mS/cm。观赏鱼各项生理指标分析中，观赏鱼鱼长和鱼重呈上升趋势，鱼苗存活率为100%。说明水循环过滤系统能有效增加鱼重，并能提高鱼苗的存活率。基本实现不换水、不施肥的情况下，系统可自我调节，鱼菜均可正常生长，达到了“养鱼不换水而无水质忧患，种菜不施肥而正常成长”的生态共生效应[14]。

讨论

本次设计的智能潮汐式鱼菜共生装置系统，通过时控开关控制电磁阀开闭实现潮汐来给植物浇水，底吸抽水泵和过滤材料完成对水的过滤。抽水泵将养殖缸中底部的水抽到栽培有蔬菜和装有陶粒的种植缸中，带有鱼固体排泄物的水，经过过滤层的过滤分解后转变成干净的并含有易被植株根系吸收离子的水，然后将净化完成的水通过出水口排到养殖缸中。而种植缸中的潮汐系统，在达到设定时间后开启，水位上升到溢水口时流出，完成一次潮汐（浇水），实现了养鱼不换水；种菜不施肥，吸收肥靠分解后鱼的排泄物。

在装置试验中发现由于用的是陶粒作为无土栽培的介质，因此不能够直接将种子播种到种植缸中，待幼苗长至1～2 片真叶时移栽到装有陶粒砂的种植缸中[15]。另一方面，陶粒砂蓄水能力一般，起初试验过程中，种植层厚度设计为5 cm，当室温过高或补水不及时时，装置蒸发量过大，陶粒砂变干速率加快，易造成植物缺水，后期把种植层厚度加到10 cm 深，增强了陶粒砂蓄水能力，减缓了水的蒸发速率，还把陶粒砂换成了蛭石，进一步加强了疏松透气和排水性能，也大大降低了烂根的几率。

其次，当水泵抽水流速过快时，种植缸进水速度会大于出水口流速，容易造成种植缸水位上升，导致植物根系长时间泡在水中发生徒长烂根等。最后，装置在断电状态下，不能长时间维持内部生态平衡，在遇到长时间断电时养殖缸和种植缸水循环系统、潮汐系统停止运行，水质变差、植物发黄等。本装置主要依靠电能运行，因此，在家庭和大型蔬菜生产中都适用，大型生产中采用二级负荷供电，不易断电；另外，在底吸水泵的管道中间加入回流阀，既能防止回流，又能解决抽水速率过快的问题。最后，在移栽栽培苗时可以用小定植篮直接插入陶粒砂中，方便简洁。