武汉市温室内鱼菜共生循环农业案例调查

2023-10-30吴春红陈禅友

湖北畜牧兽医 2023年9期

吴春红，冯威，左乐，陈高，陈禅友

（1.江汉大学生命科学学院∕湖北省豆类（蔬菜）工程技术研究中心，武汉 430056；2.武汉乐川现代农业科技有限公司，武汉 430000）

湖北省水资源利用效率较低［1］，武汉市人均耕地面积不足0.03 hm2，只有全国人均的38.5%，部分耕种土地还存在重金属超标［2］。鱼菜共生系统（Aquaponics）是一种综合性的生产模式［3］，可以有效缓解土地和水资源紧缺问题。鱼菜共生的雏形最早可追溯到1 700 年前东汉时期的稻田养鱼［4］。随着近现代农业科学技术的进步，鱼与菜的共生从池塘转移到设施内，能控制内部的光照、温度、水分、气体、肥料等多项指标，受外部影响较小，具备节能、高效等特点。

乡村振兴是使乡村走上高质量发展道路，不是简单的脱贫［5］。都市农业是乡村振兴的重要支撑［6］，设施鱼菜共生是都市循环农业的一种新模式。研究鱼菜共生农场的可行性及其效益，对乡村高质量发展具有重要意义。本研究于2021 年12 月至2022 年4 月，对武汉市蔡甸区智顺现代农业生态园乐川鱼菜共生农场进行实地调查，分析了其水质状况、栽培植物营养需求及产生的效益，并提出都市温室鱼菜共生产业模式的发展建议，以期助力产业升级和乡村振兴。

1 鱼菜共生系统调查对象和内容

1.1 调查对象

调查对象为武汉市蔡甸区侏儒山街群力村智顺现代农业生态园乐川鱼菜共生农场。乐川鱼菜共生农场地处东经113°44′，北纬30°25′，气候条件属于典型的亚热带内陆湿地型，四季雨量充沛。该地区上半年以阴天为多，光照不足，早春温度变化幅度较大，喜温蔬菜生长缓慢，抗病性变差，温室适合种植半耐寒性蔬菜。下半年阴天减少，日照丰富，适合种植喜温蔬菜。

1.2 调查内容

2021 年12 月至2022 年4 月对乐川鱼菜共生农场进行实地调查。调查内容包括农场的区域规模、设施状况、主要种养品种、销售形式及价格等，同时开展鱼菜共生模式下的经济效益、生态效益和社会效益调查分析。

1.3 鱼菜共生系统水质检测和植物营养需求测定

1.3.1 水质样品 2022 年4 月11 日在乐川鱼菜共生农场采集循环系统各节点水样，分别为鱼池出水口、种植池进水口、果菜类种植池出水口、叶菜类种植池出水口、香料类种植池出水口、混种类种植池出水口，果菜类种植池、叶菜类种植池、香料类种植池、混种类种植池，共计10 处节点，并以当地自来水为对照。检测水样的溶氧度（DO）、pH、硝酸盐、亚硝酸盐、氨态氮、磷酸盐、钾盐的含量。

1.3.2 水培蔬菜样品随机取种植池内的水培蔬菜芹菜、生菜、薄荷各6 株，样本平均质量分别为（731.1±135.2）g∕株、（167.6±7.5）g∕株、（56.4±13.3）g∕株，然后分别取样检测其根、茎、叶中氮、磷、钾含量。

1.3.3 水质参数检测方法节点水样采集后，现场使用试剂盒（表1）进行pH、溶解氧（DO）、氨态氮、硝酸盐、亚硝酸盐、磷酸盐、钾盐含量的测定。

表1 试剂盒品牌、检测指标及其范围

1.3.4 蔬菜样品中氮、磷、钾含量的测定方法蔬菜中氮、磷、钾的测定，参考NY∕T 2017—2011 中的试验方法［7］。蔬菜样品采用H2SO4-H2O2消煮法进行消煮，氮含量的测定采用凯式定氮法，磷含量的测定采用钼锑抗吸光光度法，钾含量的测定采用火焰原子吸收分光光度法。

2 鱼菜共生系统调查结果

乐川鱼菜共生农场占地2 300 m2，为南北朝向的多脊型玻璃连栋温室，内部安装参数监控装置，通过物联网相互连接，调控温室内环境。

2.1 农场设施情况

鱼菜共生循环系统由鱼池、蔬菜种植池、机械过滤池、微生物反应池、水培管道5 个主要部分组成，布局如图1 所示。

图1 乐川鱼菜共生农场内部布局

系统内共有11 个鱼池，每个鱼池的容积为9 m3，可投喂500 kg 鱼，属于高密度养殖。鱼池结构为混凝土制掩埋式，长宽比接近1∶1 的平底方形槽，外部用蓝色涂刷，正面上部镶嵌一块透明亚克力板用于观察内部情况。因无曝气设备，内部鱼类活动情况清晰可见，观赏性比较好。

蔬菜种植池共22 组，结构也是混凝土制掩埋式，平底长方形，外层涂蓝色，池中放置挖圆孔泡沫板，加上海绵塞用于承载蔬菜，两端分别设有进水口与出水口，蔬菜种植结构如图2 所示。根据不同的蔬菜种类进行了分区，分别为果菜类、香料类、叶菜类、混种类（用于特色成果的展示），种植池两侧设置液氧系统不间歇供氧，增加系统内的溶解氧。

图2 乐川鱼菜共生农场蔬菜种植池

微生物反应池是整个水循环系统的关键部分，养殖鱼类的废水经过微生物反应池转换为可供植物吸收利用的水分，且养分充足。机械过滤池处在鱼池与微生物反应池之间，与微生物反应池等长等宽，床内铺满陶砾，用于分离鱼池排出的水中的固体，如残饵，避免有害气体与有毒中间产物的产生。紧邻机械过滤池，与其等长等宽，池上盖塑料盖板营造黑暗环境，池内曝气，提供充足的氧水环境，内部放置塑料球形颗粒用于微生物定植。水培组件由水泵和管道组成，水泵提供动力，管道连接整个系统，使用塑料制成，将鱼池内废水连通到机械过滤池，过滤后通过管道进入微生物反应池，后分流至各蔬菜种植池，最后净化的水回流至鱼池内。

2.2 种养品种

乐川鱼菜共生农场鱼池内养殖的水产品主要有加州鲈鱼（Micropterus salmoides）、鳝鱼（Monopterus albus）、泥鳅（Misgurnus anguillicaudatus）、罗氏沼虾（Macrobrachium rosenbergii）和锦鲤鱼（Cyprinus carpio haematopterus）5 个品种。加州鲈鱼又称大口黑鲈，是棘臀鱼科黑鲈属鱼类，在鱼池内生长快且抗性好，能适应鱼菜共生农场的生长环境，容易饲养，在市场上受众广、收益好；鳝鱼又称黄鳝，是热带鱼，肉质鲜美，营养价值高；泥鳅是鳅科泥鳅属鳅类，属于底栖鱼类，对低溶氧的耐受性强，不喜光，昼伏夜出，肉质劲道，受东亚地区人民喜爱；罗氏沼虾是长臂虾科沼虾属动物，从幼虾到成虾阶段生活在淡水中，对溶解氧的要求很高，对养殖水体相对挑剔，是高级水产品，市场价值高；锦鲤属于鲤科，在鱼菜共生农场中主要供观赏用。

鱼菜共生农场内水培的作物种类见表2，其中生菜、芹菜、小白菜是食用绿叶嫩茎的速生蔬菜；花椰菜和红菜薹属于结球芸薹类，根系比较浅；番茄和茄子主要产品为果实，此类蔬菜根系比较发达；萝卜属于肉质直根类，对水分的需求大。薄荷和迷迭香是芬香类蔬菜，单分一类。叶菜类、果菜类和香料类分别种植在不同的区域（图1）。

表2 鱼菜共生农场主要水培作物

3 鱼菜共生系统效益分析

3.1 经济效益

鱼菜共生农场不施用营养液和农药，产品定位是洁净农产品。养殖的鱼类腹中无因应激反应而产生的黑膜，品质和价格都较高，符合消费者的需求。农场30 d 可以收获一批生菜，7～10 d 可以收获一批香料，5～6 个月可以上市一批鲈鱼、黄骨鱼等水产品，具体产品种类和价格见表3，投资回收期相对合理。从企业的收入分析报告来看，收益较为乐观。鱼菜共生农场具备设施园艺的特性和循环农业对化肥依赖性低的特点，避免了传统农业因为气候和化肥价格波动而产生的风险和收益波动。

表3 鱼菜共生农场售卖产品价格

一般鱼菜共生从业者被分为3 类［8］：第1 类是销售鱼菜共生的鱼和蔬菜；第2 类是销售鱼菜共生相关的服务和材料；第3 类同时销售鱼、蔬菜、服务与材料；第3 类的收入是第1 类的4 倍，第2 类的收入是第1 类的2 倍。乐川鱼菜共生农场属于第3 类，同时也在进行多元化的发展，提供农业科普和旅游观光服务，拥有良好的产品结构。

3.2 生态效益

鱼菜共生系统为闭环设计，只有自来水进水口，无排水口，日耗水量在1%～5%，无任何污染物排放。低耗水的特性不仅提高了水资源的利用效率，在水源相对缺乏的北方城市，鱼菜共生系统也可以在低耗水的情况下提供水产品和蔬菜作物。鱼菜共生系统中将蔬菜种植部分当作废水处理器，具有一定的生态价值，不仅提供多种无污染的蔬菜产品，还将原来高污染排放的传统水产养殖业和种植业升级为具有生态效益的新型农业。蔬菜的水培，同时节约了大量土地，减少了土耕栽培在施肥过程中因过量施肥造成的土地污染。

3.3 社会效益

乐川鱼菜共生农场可以提供约15 个工作岗位，解决了部分农民的就业问题，提高了当地居民收入，吸引大学生回乡创业，培养了新型农业人才，带动了当地发展，增加了政府税收。

农场的北侧紧挨蔡甸区成功中学，可为学校提供实践教学基地，科普现代农业知识。发展观光农业产业可满足人们对农产品的物质和精神需求，在一定程度上可改变人们对农业的传统认识，为当地乡村振兴的高质量发展助力。

鱼菜共生新型农业的发展推动了现代化农业设施的建设，各种监控调节系统的设计开发、精细化施肥的应用等，为高度依赖土地气候条件和化肥农药的传统农业向现代化转变提供了条件，改变了农业上游产业较为单一的现状，加快了农业技术与产业的发展进程。

4 鱼菜共生系统水质检测和植物营养需求分析

4.1 鱼菜共生系统各节点水质检测结果

4.1.1 pH 由表4 可知，整个系统pH 稳定在6～7，符合鱼类养殖和蔬菜生长环境要求，硝化细菌在pH 5.5～10.0 可进行硝化反应。鱼菜共生系统为循环结构，系统的pH 处在各部分均能稳定运行的范围是符合要求的。

表4 各节点水质参数检测结果

4.1.2 溶解氧（DO）除混种区外，溶解氧含量在6～8 mg∕L，混种区种植池内和出水口的溶解氧为5 mg∕L，可见混种类对溶解氧的消耗比其他分区多（表4）。鱼池内的溶解氧为7 mg∕L，符合鱼类生长的基本环境［9］，溶解氧在3～5 mg∕L 以下时会对鱼类的正常生长造成严重影响，可能导致其无法存活，高饱和的溶解氧对鱼类生长没有明显影响。

4.1.3 氨态氮含量氨态氮浓度太低会导致植物生长缓慢、叶片发黄等症状，当浓度在0.5 mg∕L 以上时，可以促使植物生长，但当浓度过高，达到1.0 mg∕L时会抑制生长，使根生长过短［10］。系统的氨态氮含量在0～0.4 mg∕L（表4），种植池进水口和香菜类出水口含量较高，在0.2～0.4 mg∕L，没有达到蔬菜生长的最适浓度。有研究表明，氨态氮达0.2～1.0 mg∕L 时会对鱼类产生毒害，氨态氮会破坏鱼类的鳃组织，使血液中的红细胞失去与氧结合的能力，导致呼吸功能下降。氨态氮主要侵入黏膜，特别是鱼的鳃表皮和肠黏膜，其次侵入神经系统，破坏鱼等水生动物的肝肾系统，导致体表脏器充血、肌肉增生和肿瘤［11］。

除香菜类出水口外，各出水口的氨态氮含量为0～0.2 mg∕L，虽未达到蔬菜生长最适浓度，但符合水产养殖的标准［12］。系统为循环结构，维持这样的氨态氮浓度符合鱼菜共生系统的要求。

4.1.4 硝酸盐含量种植池中的硝酸盐含量为10～20 mg∕L，且其对应的出水口硝酸盐含量也在10～20 mg∕L，大部分蔬菜对硝态氮有良好的吸收性［13］。硝酸盐浓度变化平稳，未对养殖系统造成影响。虽然硝态氮能增加植物生长、提高产量，但在循环系统内，硝态氮一旦过量，出现积累，则会抑制植物生长［14］。4.1.5 亚硝酸盐含量各节点的亚硝酸盐含量均低于0.10 mg∕L，其中果菜类出水口、叶菜类出水口、混种类出水口、香菜类种植池、混种类种植池为0.05～0.10 mg∕L。亚硝酸盐在系统中的含量小于0.10 mg∕L［15］，不会对鱼类造成毒害。稳定运行的鱼菜共生系统中的亚硝酸盐含量应趋近于0 mg∕L，乐川鱼菜共生农场系统内的亚硝酸盐含量还有待进一步优化。

4.1.6 磷酸盐含量磷在系统中为非生物循环［16］，以磷酸根的形式存在，植物根系对磷有过滤和沉淀作用，根系在水中的接触面越大，吸附作用就越强［17］，各节点中磷酸盐的含量为10～25 mg∕L，说明磷在系统中有一定积累，系统中蔬菜根系未能将磷从水中有效分离。

综上所述，该鱼菜共生系统各节点水质检测结果中，系统pH 在6～7，各节点均可检测出亚硝酸盐，说明该系统的硝化反应未能完全进行。磷酸盐含量在10～25 mg∕L，在此检测区间内未发生变化。硝酸盐应该由微生物反应池中产生，各出水口的硝酸盐含量在10～20 mg∕L，鱼池出水口和种植池进水口的硝酸盐含量在20～40 mg∕L，说明硝酸盐在鱼池中累积。

4.2 蔬菜样品营养成分测定结果

4.2.1 3 种水培蔬菜中氮、磷、钾的含量乐川鱼菜共生农场系统内水培的芹菜、生菜、薄荷3 种蔬菜各器官中氮、磷、钾的含量如表5 所示。3 种水培蔬菜根中氮、磷、钾平均含量分别为29.339、4.959、31.117 g∕kg，茎中氮、磷、钾平均含量分别为22.896、4.335、35.324 g∕kg，叶中氮、磷、钾平均含量分别为33.416、6.359、23.881 g∕kg。

表5 水培蔬菜中氮、磷、钾含量（单位：g∕kg）

由表5 可知，水培蔬菜中氮含量，除芹菜茎为18.195 g∕kg，其余均较高，薄荷叶中氮含量最高，达41.202 g∕kg。3 种蔬菜中磷的含量均较高，芹菜叶中高达9.520 g∕kg。蔬菜中钾含量，芹菜茎最高，达60.271 g∕kg，最低为薄荷的茎，含量为11.443 g∕kg。除芹菜叶和薄荷茎缺钾外，鱼菜共生系统可以提供3 种蔬菜生长基本所需的氮、磷、钾元素。

4.2.2 植物营养需求分析据研究，氮浓度为108.276 mg∕L、磷含量为24.8 mg∕L、钾含量为363.012 mg∕L 时最合适芹菜水培［18，19］；生菜的最佳营养元素供应，氮浓度为123.81～125.15 mg∕L［20］，钾的浓度为144.3 mg∕L［21］，磷浓度为15.5 mg∕L［22］。氮是影响萝卜高产的主要限制因素，氮、磷、钾含量的最优搭配为氮352.24 mg∕L、磷46.5 mg∕L、钾315.9 mg∕L，可以兼顾生物产量、可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量［23］。精油含量及品质与氮、磷、钾含量相关，氮浓度在210 mg∕L 时薄荷精油产量可达最大；磷含量与精油产量成正比，磷浓度为15.5 mg∕L、钾含量为117.22 mg∕L 时薄荷精油主要成分柠檬烯含量及品质最佳［24］。小茴香在氮浓度为312 mg∕L、磷浓度为41 mg∕L、钾浓度为243 mg∕L 时精油品质最佳［25］。

由图3、图4、图5 可知，乐川鱼菜共生农场系统内各种作物对营养物质的最佳需求不同，水培区内萝卜的氮需求量为番茄的2.3 倍。萝卜的氮需求量最高，为352.24 mg∕L，水芹的氮需求量最低，为108.28 mg∕L，前者是后者的3.3 倍。可见，该鱼菜共生系统水质中氮含量只能满足部分蔬菜生长发育的需求，对于氮素营养需求较高的作物，如不增加系统内氮的含量，则无法达到最佳品质。培养槽中磷含量水平中等，基本可满足水芹、生菜、薄荷的需求，番茄的磷需求量最高，达50.69 mg∕L，生菜的磷需求量最低，为15.50 mg∕L。系统中钾的含量可以满足大部分作物的需求，叶菜区水芹对钾的需求量是生菜的2.5倍。水芹对钾的需求量最高，为363.012 mg∕L，薄荷对钾的需求量最低，为117.22 mg∕L，前者是后者的3.1倍。因此，在同一个鱼菜共生系统内很难兼顾各类蔬菜的最佳营养需求。