鱼菜共生复合系统研究进展

孙锐康， 付京花， 徐民俊

（华南农业大学海洋学院， 广州 510642）

鱼菜共生系统作为新型的生态种养模式，通过鱼类养殖和水耕栽培的有机结合来实现高效的循环共生效应。随着世界经济的发展，全球面临水资源短缺、土壤肥力退化和粮食供给不足等挑战，而鱼菜共生系统的应用可以缓解这些压力。在鱼菜共生系统中，未食用的饲料和鱼类的代谢废物被微生物分解并转化成可供植物根部吸收的营养物质，同时通过植物的净化作用将优质的水源再次供给鱼类使用。目前国内外正对鱼菜共生系统进行深入研究和积极探索，鱼菜共生在未来有望成为新型农业的重要生产方式。

1 鱼菜共生系统发展历程

传统鱼菜共生技术的应用可以追溯到两千多年前的农耕时代，亚洲居民在稻田里养殖田螺和鲤鱼等淡水经济种类，初步实现渔业和农业的有机结合。公元11 世纪，南美洲的阿兹特克人掌握“奇南帕（Chinampa）”技术，使用木筏等材料制作成人工浮岛，并将农作物直接种植于浮岛上，实现早期的无土栽培[1]。

鱼菜共生技术在近几十年迅猛发展。20 世纪70 年代，美国马萨诸塞州的“新炼金术”研究中心开始探索水生植物和水生动物的养殖融合技术，成为现代鱼菜共生技术的起源[2]。20 世纪80 年代初，美属维尔京群岛大学（University of the Virgin Islands, UVI）Rakocy 博士等[3]将植物栽培在可调节水深的浮阀上，首次提出适合户外大规模生产的UVI 模式；美国北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University, NCSU）Mcmurtry博士等将植物栽培于固体基质（砾石或砂石），研发出在温室生产的NCSU 模式[4]，后期这2 种模式被不断地优化和完善，共同催生了现代鱼菜共生技术的发展。20世纪90年代，鱼菜共生系统正式被中国水产科学院引进国内，丁永良等[5]先后开展集约化鱼菜共生系统以及庭院型设施和中试的专题研究，成功研发出国内首套实验性鱼菜共生装置，该项新型复合养殖技术很快在国内推广起来。

欧洲议会研究服务局在2010 年将鱼菜共生技术认定为能够改变人们生活的10 项技术之一[6]。自此，现代鱼菜共生复合系统的研究出现爆发式增长。国外市场调查机构（Stratistics Market Research Consulting）的数据表明，2019年鱼菜共生系统及相关设备在全球的市场规模达13.6 亿美元，预计2027 年将达到49.5 亿美元，并且在预测期内将以17.5%的年复合成长率稳步发展[7]，鱼菜共生系统具备良好的发展趋势。此外，相关调研机构预测2022—2026年，全球垂直农业市场的价值将达到124.9 亿美元，复合年增长率为23.52%[8]，鱼菜共生的垂直结构系统也将具备更大的市场潜力和经济效益。

2 鱼菜共生系统主要研究内容

2.1 鱼菜选育及种养密度

养殖鱼类和栽培植物的选取是鱼菜共生体系的核心基础。通常情况下，鱼类的选取会根据各地区的气候条件和饮食习惯，优先考虑生长周期短、抗病能力强、环境耐受力高的经济鱼类，目前鱼菜共生体系常用的养殖鱼类包括罗非鱼、草鱼、泥鳅、鲤鱼和观赏鱼等。植物品种的选取需要结合栽培方式、养殖鱼类、经济价值和市场需求等多种因素共同确定，国内常用的鱼菜共生植物包括白菜、西兰花、卷心菜、茄子、油麦菜、草莓和芋头等；而国外主要栽培西红柿、罗勒和沙拉蔬菜[9]。

除了鱼菜品种的多样性选育外，鱼类、植物和水体间的配比关系以及种养密度对于鱼菜共生系统的能量平衡也起着重要作用。美国、日本和加勒比海等地区早期的典型鱼菜比约为1∶2；张明华等[10]通过中试试验发现，在1 m³的水体养殖100尾规格为75 g·尾-1的鱼类，同时在1 m2内栽培25株番茄或66株莴苣，此时系统的氨氮吸收效果良好且pH趋于中性，系统整体稳定。如果鱼类养殖密度过高，水体中的溶解氧减少且代谢废物增多，鱼类的生存环境变差而不利于生长；如果植物的栽培密度过高，水体中的营养物质无法充分满足植物生长需求，植物的产量受限；只有在适合的种养密度下鱼菜共生系统才能发挥最大的经济效益。Goddek 等[11]研究表明，鱼菜的最优种养密度也与鱼菜的生长阶段、饲料成分、投喂频率和系统结构等因素紧密关联，需要根据实际情况进行密度调整和配比优化。

2.2 物质循环利用及系统动态平衡

Neori 等[12]研究表明，零排放的鱼菜共生循环系统具备可行性。为了实现真正意义上的零排放，需要深入研究鱼菜共生系统的循环机制，保持营养物质的动态平衡。在鱼菜共生系统中，鱼类未食用的饲料和代谢废物含有大量的氨氮和矿物质，其中大部分氨氮会被异养细菌和硝化细菌分解转化成植物根部易于吸收的硝酸盐，而矿物质所涉及的微生物分解机制目前尚不清楚[13]，并且在这个过程中30%～65%的磷会以鱼类固体排泄物的形式流失[14]，难以实现矿物质的高效循环利用。为加强磷的循环利用，Jung 等[15]往富含固态磷的渗透液中加入可分解磷的特定微生物，经过缺氧消化后将其重新排回系统以供植物吸收，为营养物质的循环再利用提供了发展思路。

对于如何保持鱼菜共生系统的动态平衡仍存在诸多难题，除氮磷的转化吸收外，系统还受pH、光照强度、溶解氧含量、构成比、温湿度、投喂频率和水流率等多种因素的影响[16]。因此，在确保鱼菜共生系统各单元正常运行的前提下，也要基于各参数的实时数据来分析其对系统稳定性的影响，使鱼菜共生系统更加高效且稳定地循环运作。

2.3 鱼菜共生系统结构设计

现代鱼菜共生系统主要由水产养殖、蔬菜种植、运行动力和过滤分解4 个单元组成。水产养殖和蔬菜种植是主要的生产单元；运行动力单元可分为人工动力和重力动力，贯穿鱼菜共生系统的所有环节[17]；过滤分解单元主要包括排污除杂和微生物反应池，国内主要采用构造简易的单通道底排模式进行排污，该技术难以有效消除水体泡沫和油污；而国外主流的排污技术为养殖池分路排污模式，不仅能够有效清除沉淀性颗粒和油污泡沫，同时还能保持水位稳定。以上各个单元还能够通过改变循环通路的闭合方式来形成不同的系统。

目前，国内仍存在较多小规模的鱼菜共生系统，其中以耦合型或半闭合系统为主。耦合型系统只存在1 个水流方向，属于单向闭路水循环系统，主要由养殖池、水培槽、过滤池、沉淀池、蓄水池和脱气池等构成[18]，该系统能够加强氮磷的吸收循环，但由于闭路循环的限制，很难同时协调不同单元构建出各自生长所需的最佳环境。

近年来，国外逐步研究解耦型鱼菜共生系统，欧盟对鱼菜共生复合系统进行优化并形成INAPRO 系统（图1）[19]。该系统打破了单循环的限制，将循环水养殖系统（recirculating aquaculture system, RAS）和基于营养液膜技术（nutrient film technique, NFT）的水耕栽培相互融合，形成具有独立子循环回路的系统。该系统比耦合型系统更节约水资源，并且能满足不同单元对不同pH 和营养盐的需求，整体稳定性更高[20]。但是由于解耦型系统构建更复杂且需要更多泵管和添加营养液，其成本也更加昂贵。

图1 INAPRO系统概述Fig. 1 Overview diagram of INAPRO system

2.4 鱼菜共生系统智能化发展

伴随着物联网市场规模的增大，信息技术开始推动传统农业发生根本性变革和模式创新，物联网技术被广泛应用于集成化鱼菜共生智能系统的环境监测、资源利用和生产循环等，国内外在智能化系统的研究中都取得了一定进展。

2016 年，国内建成第1 代鱼菜共生生产试验系统，但试验基地仅有0.022 hm2；2019 年，在有关院校及机构的技术支持下建成面积0.067 hm2的第2 代模块化鱼菜共生生产试验系统；2020 年，成功研发第3 代具有自主知识产权的数字模块化鱼菜共生系统，现代鱼菜共生系统趋向智能化[21]。赵月玲等[22]基于传感器技术研发了鱼菜共生实时监测系统，初步实现了对系统的智能化监管。近年来，我国也从国外引入鱼菜共生系统的智能化设备，并在广东、北京和山东等省市开展鱼菜共生示范项目，推动了集成化鱼菜共生系统的发展。

国外在鱼菜共生智能化监测技术上已渐趋成熟，主要包括营养液成分监测、温室环境监测和水质参数监测[23]。Morimoto 等[24]基于神经网络和遗传算法实现了智能化控制营养液水平，能够使系统内各参数快速达到设定的最优值，为植物营造最理想的生长环境。Savidov 等[25]基于集成化信息技术，利用特定的探头对温室和系统内的重要参数进行实时监测与控制，大大提高了鱼菜共生系统的稳定性。Silva等[26]针对循环水养殖系统设计了1 套用于监测水质的新型毒性预警传感器，通过建立毒性预测模型实现对水体质量的把控，便于随时更换优质水源。与传统鱼菜共生系统相比，新型的集成化鱼菜共生系统能够更加精准且快速地监测各项重要参数，并且实现远程调控和多渠道监管，为鱼菜共生系统的大规模商业运营和全自动化运作提供了坚实基础。

2.5 鱼菜共生系统大规模化及经济可行性分析

大规模鱼菜共生系统具备更加复杂的解耦型或半解耦型循环回路，是高度集成多单元多装置的大型多循环系统，因此也需要占据更大的空间位置。Palm 等[27]将占地面积100～500 m2的系统称为中型鱼菜共生系统，将占地面积超过500 m2的系统称为大规模鱼菜共生系统。目前，国内大规模鱼菜共生系统的具体案例还十分有限，而国外也处于初步发展阶段。2015 年，罗斯托克大学建成实验性的大规模鱼菜共生半解耦系统（fish glass house），该系统基于RAS 系统和NFT 技术，主要结构包括6 个耦合型水培舱、300 m2的水产养殖单元和600 m2的植物栽培单元等，属于耦合型和解耦型鱼菜共生系统的混合体。随着不断地研究发展，大规模鱼菜共生系统逐渐被应用于工业化商业运营。

经济效益是决定鱼菜共生系统能否商业化运营的关键因素，由于目前国内外成功发展大规模商业鱼菜共生系统的案例较少，且很多研究机构不公开鱼菜共生系统的经济效益数据，所以对于其经济可行性仍存在较大争议，但更多人认为鱼菜共生系统具备良好的经济效益。在国内，上海某庄园基于基质栽培模式运行鱼菜共生系统，最终成本收益率为1.17，表明该庄园鱼菜共生系统存在盈利空间，并且后续通过推广鱼菜共生池塘养殖技术在2020年达到年净收益1 652.1万元[28]。除了系统运营模式，国外也深入研究了系统规模和产品类型对于经济效益的影响。多项研究发现，更大的生产规模和更丰富的产品种类能够为鱼菜共生系统创造更高的经济收益[29]。此外，鱼菜共生系统的经济效益也与当地环境、市场需求和维护成本等息息相关，对于系统的经济可行性分析仍需结合多个实际因素综合评估。

3 鱼菜共生系统国内外发展趋势

3.1 鱼菜共生系统构建趋向解耦型、生态型

Goddek 等[30]在2015 年正式提出解耦型鱼菜共生系统理念，该系统独立的子循环回路能使各单元维持稳态，并且更加高效稳定地调控系统循环水。近年来，为了实现鱼菜共生系统的大规模工业生产，欧洲等国家逐渐转向研究解耦型系统，该系统具备良好的经济价值和发展潜力。与此同时，中国、美国和日本等国家逐步构建生态型鱼菜共生模式，如使用清洁能源、加强资源利用、减少有害物质排放等，生态模式的研究促进了现代鱼菜共生系统的结构优化和可持续发展。

尽管国内外对鱼菜共生系统的构建模型有了深入的研究，但系统构建单元仍然存在过滤系统不完善、物质利用效率低等问题。水体中经常含有难以直接过滤的鱼类代谢产物，并且由于技术限制很多营养物质利用率很低，系统难以形成高效稳定的生态循环体系。对此可以尝试生物辅助，如引入蚯蚓或特定的益生菌进行辅助消化，加强代谢废物的分解循环；同时发展水耕栽培的创新模式，如应用现代气雾栽培生态循环种植技术，直接将营养液以雾状形式精准喷洒在植物根部，能够节省约60%的化肥用量和用水量[31]，极大提高营养物质的利用率和生态效应。

3.2 鱼菜共生系统布局迈向城镇化、立体化

目前，国内外的鱼菜共生系统除了中小型的开放式池塘养殖或者家庭式都市阳台等，较大规模的鱼菜体系通常在温室中搭建。然而在城市建设温室的投资成本远高于城镇，所以鱼菜共生系统的布局逐步转向城镇化建设，以此来有效控制经济成本。此外，为了进一步提升鱼菜共生系统单位面积的经济效益，Khandaker 等[32]将鱼菜共生系统与现代垂直农业相结合，研创出种植墙技术，推动了系统的立体化发展。常见的立体化结构包括托盘层叠、垂直管柱和垂直面板等，通过重力作用和水泵输送来实现立体化循环。虽然立体化结构能够极大地节约占地空间，但是高层管理和水泵运输等也会产生额外成本。

在实际的城镇化建设和立体化搭建中，往往还需要结合实际情况对系统结构进行优化调整。例如当温室建设在热带地区，可以增设热吸收装置以充分利用太阳能和地热能；若建设在严寒地区，则应额外增加供暖设备来保护鱼菜成长。在垂直化鱼菜体系的搭建中，需要充分考虑高度规模、植物间种比例和光照等的影响，可以为底层植物增设可持续照明设施，并且探索不同间种比例下植物的生长状况，以不断调整和优化最适的立体化结构。

3.3 鱼菜共生系统推行大规模智能化、商业化

现代集成化鱼菜共生系统渐趋成熟，国内外研发了多个基于现代信息技术的智能化监测系统，实现了系统内多项重要参数的实时监测，并能够以此为依据进行远程调控，例如自动化喷水、智能投喂饲料以及更换营养液等，完成鱼菜共生系统的半自动化监管。未来鱼菜共生系统仍将与现代信息技术交互融合，形成集成智能化和自动化的监测管理体系。

随着鱼菜共生建设规模的壮大，商业化鱼菜共生系统的理念开始被大家熟知。近年来，国内外在商业化鱼菜系统的建设中都取得了不错成果，现代鱼菜共生系统向商业化转型已成为未来发展的主流趋势。但由于缺乏可视化数据和实际生产案例，并且经营者需要高昂的投资成本和极强的管理能力，所以商业化鱼菜共生系统目前的规模发展十分缓慢。为此，可考虑以下发展方式：①深入研究商业模式，分析多模型下的经济可行性；②尝试鱼菜新搭配，优化系统构成，增加系统的经济效益；③加强政府支持，优化鱼菜共生市场结构，推广鱼菜共生技术的应用。

3.4 鱼菜共生系统呈现多元化融合创新

在研究现代鱼菜共生系统的同时，国内外也积极探索鱼菜共生的多元化发展。美国和阿肯色州亚利桑州的研究表明，鱼菜共生的多元化发展有利于发挥自身的潜在价值，创造更高的经济收益，增值服务包括开展与鱼菜共生相关的农业旅游、农场参观、技术培训和研讨会等[33-34]。作为集成多学科的现代化体系，鱼菜共生被赋予了创造经济价值的多种可能。我国黑龙江省的农垦山河农场结合市场需求和园区模式，成功形成“观光+采摘+私人订制”的多元化鱼菜共生发展格局[35]，创造了显著的经济收益。

此外，也可以结合地域文化和市场需求等，打造个性化的生态餐厅或科普讲座，并且通过线上渠道推广鱼菜共生，形成多元化发展的特色鱼菜共生体系。同时，还可以将盐生植物和海洋养殖鱼类进行创新结合，尝试构建新型“咸水鱼菜共生”培育体系，初步实现海洋农业化生产。

4 展望

鱼菜共生系统是极具创新的新型综合种养模式，能在植物、动物和微生物间达成互利共生的协调发展，是解决现代农业生态危机、资源匮乏和粮食安全危机的有效途径。国内在鱼菜共生系统的研究中起步较晚，目前更多集中在中小型鱼菜共生体系的应用上；而国外逐步转向发展大规模商业鱼菜共生体系，大部分理论基础和现代技术相较于国内更为成熟。整体而言，目前国内外对于鱼菜共生的研究与发展仍存在较大不足，未来需要深入研究系统的物质转化及循环机制、优化系统结构和配比关系、建立全面智能化和自动化集成体系、提高系统经济效益以发展大规模商业化鱼菜共生系统，推动鱼菜共生系统的多元化融合创新发展。