魚菜共生立體高效生產系統研究進展

劉星 劉艷 虎治軍 穆曉國 周娟 高登國 薛小龍 葉林

摘要 魚菜共生系統是多學科交叉融合的一種循環水種養模式，是基于自然生態循環理念為基礎，將水產養殖和水耕栽培有機結合的復合型生產系統，該技術不僅是一種高效生產技術，而且也是綠色的生態型農業技術。魚菜共生整個系統呈現立體狀態，在同一空間、不同層次，高效產出2種產物，更符合現代農業集約高效的需求，隨著該技術的日趨成熟，逐步向植物工廠、家庭園藝、城市景觀及休閑農業中擴展和應用。針對魚菜共生系統的概念、國內外研究現狀、魚菜共生立體生產系統類型、特點及應用前景等方面進行了簡要概述，同時，針對魚菜共生系統目前存在的問題，提出解決對策，為魚菜共生技術現代農業發展提供科學參考。

關鍵詞 魚菜共生系統;研究現狀;類型;特點;應用前景

中圖分類號 S 964.9 ?文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2021）15-0014-04

Abstract Aquaponics system is a kind of recirculating water cultivation model with interdisciplinary integration.It is a compound production system that organically combines aquaculture and hydrotillage and cultivation based on the concept of natural ecological circulation.This technology is not only an efficient production technology，but also a green ecological agriculture technology.The whole aquaponics system presents a threedimensional state，producing two products efficiently in the same space at different levels，which is more in line with the intensive and efficient requirements of modern agriculture.With the gradual maturity of this technology，it is gradually extended and applied to plant factories，home gardening，urban landscape and leisure agriculture.This paper gave a brief overview of the concept，research status at home and abroad，types，characteristics and application prospects of the aquaponics system.At the same time，it proposed solutions to the existing problems of the aquaponics system，so as to provide scientific reference for the development of modern agriculture of aquaponics system technology.

Key words Aquaponics system;Research status;Types;Characteristics;Application prospects

基金項目 寧夏回族自治區重點研發計劃項目（2018BBF02009，2019BBF02005，2018BBF03001）;寧夏自然科學基金項目（NZ17012）。

作者簡介 劉星（1996—），女，陜西漢中人，碩士研究生，研究方向：設施園藝與蔬菜逆境生理生態。*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事設施園藝與蔬菜逆境生理生態研究。

收稿日期 2020-12-31

全球人口迅速增長，不僅使糧食安全面臨巨大壓力，同樣也使動物蛋白質的需求量逐步增加，而作為主要動物蛋白之一的水產品，其需求量也大增[1]。隨著我國社會經濟的不斷提高，人們對飲食的要求趨向健康化、營養化，消費方式也從數量導向型轉向質量導向型，水產品因其具有較高的營養價值和特殊的健康功能，被越來越多的消費者所選擇，促使水產品在我國膳食結構比例中的位置逐漸提高[2-3]。受供求關系的影響，水產養殖業迅猛發展，生產者一味地追求產量從而忽略了生態問題，大量的養殖廢水未經有效處理，直接排放到環境中，嚴重污染了生態環境[4]。將魚類養殖和蔬菜栽培相結合的魚菜共生立體模式，不僅具有高效的特點，還具有綠色健康和可持續的特點，近年來，隨著魚菜共生系統的發展，研究方向也從實現商業化運營向魚菜共生系統設備在家庭園藝和城市景觀中的應用轉變。筆者針對魚菜共生系統的概念、國內外研究現狀、魚菜共生系統類型、特點、應用前景等進行了簡要概述，同時，針對魚菜共生系統目前存在的問題，提出解決對策，為我國魚菜共生技術及現代農業發展提供科學參考。

1 魚菜共生系統的概念

魚菜共生系統是多學科融合的一種循環水產養殖新模式，是基于自然生態循環理念為基礎，將水產養殖和無土栽培互利結合的復合型生產系統，同時也是具有綠色健康、可持續性等特征的生態型農業技術[5-7]。魚菜共生系統主要原理是魚類消化魚飼料產出排泄物以及殘留飼料，在養殖水體中產生氨氮，通過需氧微生物將氨氮先轉化為亞硝酸鹽，此時的亞硝酸鹽對魚類具有毒性，亞硝酸鹽再通過好氧微生物，最終轉化成植物可以吸收利用的硝酸鹽，此時的硝酸鹽對魚類毒害最弱，水體中的硝酸鹽被植物通過固氮作用同化吸收后，再作為養殖水體循環流入魚池使用，形成魚菜共生的氮循環，由此產生了營養物質再循環的魚菜共生系統[8-9]。魚菜共生系統與作為2個獨立系統運行時不同，將水產養殖和無土栽培相結合，水下水上不同層次整個系統呈現立體狀態，在有限的空間里，這種組合實質上最大限度地減少了對養分的輸入以及廢物的輸出，相對于單一的種養殖而言，同樣的養分輸入，同樣的空間，通過整個系統立體的生產模式，卻可同時高效生產出2種經濟產物。

2 魚菜共生系統的國內外研究現狀

魚菜共生系統雖然在近幾年變得很流行，但是傳統的魚菜共生早在1 500多年前在農耕社會生產中就已經存在，例如在中國南方以及東南亞等地區的稻田養魚、桑基魚塘等養殖模式，都是在依托當地環境資源自然條件下形成的生態循環養殖模式[10-14]。魚菜共生系統的研究始于20世紀70年代，其相關研究非常廣泛，過去30年來，大量科研人員對魚菜共生的結合種類以及試驗方案的設計進行了反復研究[5]。20世紀70年代，現代魚菜共生最早出現在美國，科研人員將養殖羅非魚的養殖廢水，用來灌溉沙地番茄床，這是第一個魚菜共生系統[15-17]。20世紀80年代中期，北卡羅萊納州立大學的Mark McMurtry博士開發了魚菜共生系統（the North Carolina State University System，簡稱NCSU系統）[18]。90年代末，國際學術界提出了“Aquaponics”一詞，即現代魚菜共生技術，并沿用至今。目前現代魚菜共生項目已遍布全球40多個國家或地區[19]。

丁永良等[20]通過對魚菜共生系統的水質和環境等相關研究，明確了鯽魚和萵苣可以構建魚菜共生系統。張明華等[9]探索了不同階段系統中氨氮、酸堿度、溶解氧、溫度等因子對魚菜共生系統的影響。蔡淑芳等[21-22]研究了魚菜共生系統中不同植物密度對氮素轉化、水質和魚菜生長的影響。鄒藝娜等[23]研究了魚菜共生系統中氮素遷移轉化和優化，結果表明，魚菜共生系統中的氨氮在微生物的作用下轉化成亞硝酸鹽和硝酸鹽，被植物吸收利用，提高了氮的利用效率。饒偉等[8]對魚菜共生系統水體溶解氧時空變化規律及其影響因素進行了研究，研究結果為魚菜共生系統溶解氧研究提供了一定的理論依據。丁小濤等[24]研究表明生態水培技術是結合水產養殖和水培種植蔬菜特點的一種資源節約、環境友好、可循環的生產模式，符合低碳農業和可持續發展的規律。宋紅橋等[25]在水培植物凈化對循環水養殖系統研究中表明，水培植物是循環水養殖系統凈水技術的選擇方向之一。王興等[26]研究魚腥草生態浮床，結果表明，水環境的改善使魚菜精養模式下的吉富羅非魚表現出較高的消化能力，可以適當地增加投喂量或投喂次數，以獲得高產。劉爽等[27]則具體詳細地概括了現代魚菜共生技術研究進展與展望，為我國魚菜共生技術發展提供了科學參考。徐琰斐等[28]則詳細地概括了魚菜共生系統的發展歷史，將發展歷史分為理念起源、萌芽、拓展和快速發展4個階段，并提出了多條具有發展意義的建議。邱楚雯等[29]則從魚菜共生系統中植物根系微生物及氮轉化影響因素等方面進行了研究，重點研究了魚菜共生系統中根系微生物群落的結構和作用、氮轉化的影響因素和微生物群落研究技術手段的研究進展等，并提出了多個有關魚菜共生系統中植物根系微生物的研究方向。

最近10年，魚菜共生領域的研究一直處于發展的趨勢，國外大量科研人員對其進行了研究[30]。 Palm等[31]研究了關于魚菜共生的歷史和分類;Junge等[30，32]研究了共生系統的種類和技術特性;Lennard等[33-34]研究了魚菜共生系統中魚類的養殖密度，植物生長所需的營養物質中，至少80%（通常更多）來源于魚類排泄物，然而魚類排泄物的多少取決于魚類的養殖密度。Villarroel等[35]提出在歐洲的魚菜共生設施中種植多種蔬菜作物，主要作物為葉菜類植物。Liang等[36]研究表明隨著光照時間的延長和攝食頻率的增加，魚和植物的產量都有所增加。Wilson等[37-38]在研究魚菜比例中提出，在魚菜共生系統中，植物與魚類的比例對改善養殖水質以及魚菜共生系統內營養物質的轉化利用起著關鍵作用;魚菜比例不合適，將會對魚菜共生系統營養物質的循環利用造成一定的影響，若比例較高，則會因為水體營養過多，導致系統循環中養分浪費，甚至會產生水體富營養化;若比例較低，則會因為營養物質不足，導致蔬菜和魚類減產，造成經濟效益損失。Bittsnszky等[39-40]研究了魚菜共生營養動力學和養分需求量;Forchino等[41-42]從魚菜共生系統的可持續性評估方面進行了研究;Goddek等[43-44]研究了魚菜共生系統所面臨的挑戰;Joly等[45-46]研究了魚菜共生政策需求等方面。Tilley等[47]在研究魚菜共生系統中提出，魚菜共生同時具有較高的科技含量和較強的自我調節功能，是生態型、集約化的綜合性生產模式，是今后農業發展的必由之路。

3 魚菜共生立體生產系統的類型

整個立體生產系統，根據水上部分蔬菜水培方式的不同，主要類型包括以下幾種：

（1）深水栽培式魚菜共生系統（deep water culture technique aquaponics）。又稱直接漂浮法，蔬菜被固定在如泡沫板定、植板等浮體上，直接放置在養殖水域面上進行水培的一種方法，而水下養魚。這種方法水量恒定、結構簡單、投資較少、便于操作、易于清潔，但需水量大，需額外添加單獨的生物濾池以及采取一些保護蔬菜根系的額外措施[6]。這種模式常栽培葉菜類植物，適用于南方溫帶地區，與池塘養魚相結合，一般在室外，光照充足，栽培面積較大，但是易遭受自然災害，病蟲害較多，產量較低。該模式也可在北方溫室內進行，室內的魚菜共生系統環境可控，蔬菜病蟲害較少，但投資較南方相比較大。

（2）基質栽培式魚菜共生系統（media bed technique aquaponics）。也叫分離滴灌栽培法。將養殖魚類產生的養殖廢水直接連接到蔬菜栽培容器中，經過由基質固定蔬菜的栽培區吸收過濾后，又循環回到養殖區，形成一個循環的水產養殖系統，基質種類繁多，如陶粒、蛭石、礫石、火山石、麥飯石等都可作為魚菜共生系統的基質。這種方法擁有大量的微生物群落，生物過濾和固體基質雙重過濾，同時生長床中還具有礦化作用。不足之處需要大量重型基礎設施組件、投資較大、管道易于堵塞、維護清潔困難等，是目前小型魚菜共生系統比較流行的一種栽培方法[43]。這種模式常用于室內，無需考慮環境因子，南北方皆可采用，常栽培果菜類等株形或根系較大的植物。

（3）營養液膜栽培式魚菜共生系統（nutrient film technique aquaponics）。這是一種溶液栽培法，該模式一般采用立體式栽培，最大限度地節省了空間。這種模式通常采用PVC管作為種植載體，根據蔬菜大小不同，在PVC管道上設置了大小不同的小孔，將蔬菜定植在PVC管道的小孔里，植物通過根系吸收過濾流入PVC管道中營養豐富的養殖廢水，供蔬菜生長。這種模式主要用于葉類蔬菜，該系統需要較小的水量、水流恒定、使用方便、維護簡單，一般采用植物工廠管理，其出產的經濟產物一年四季均可正常上市，經濟效益穩定，適合大型的魚菜共生系統[48]。

（4）氣霧栽培（aeroponics）。這是近幾年逐漸興起的一種栽培模式，直接將養殖產生的廢水經過人工霧化后，噴灑到植物的根系，制作成“A”字型或柱狀“蔬菜墻”，既可以做到營養物的二次利用，以達到營養充分吸收的目的，又可以最大程度地做到節省水資源。這種模式也主要用于葉類蔬菜，基于魚菜共生的眾多優點，魚菜共生結合氣霧栽培將成為未來農業發展的重要方向[46]。

魚菜共生系統類型靈活多樣，可繁可簡，可大可小，生產者可以因地制宜，選擇適合的魚菜共生系統模式。其栽培植物和養殖魚類也多種多樣，可根據不同的需求選擇合適的蔬菜品種和魚類品種，使其產生最大的經濟或生態效益。

4 魚菜共生立體高效生產系統的特點

水產養殖廢棄物的處理是具有挑戰性的，懸浮污染物可通過沉淀或過濾等物理分離方法進行去除，可是大量溶解在水中的污染物卻難以凈化。魚菜共生是為數不多的能夠有效去除養殖過程中產生氨氮的技術之一，巧妙地通過植物來去除養殖廢水中的污染物。在整個養殖過程中，通過科學指導、良好管理、有效控制，可以做到養魚不換水、種菜不施肥、防病不噴藥，同時雙豐收。但是魚菜共生系統也有一定的弊端，在生產過程中需要注意和解決。

魚菜共生系統的優勢：①占地面積小，通常在有限的空間里，通過合理的設計，做到最大的空間利用;②用水量少，水體循環使用，提高水體利用率，節約水資源;③排放養殖廢水廢物較少，對環境污染小;④經濟效益高，在同一時間和空間，可同時產出2種商品，并且生產過程受外界環境影響較小，生長周期短，可實現周年生產，持續供應市場，產生長期的經濟效益;⑤對土地資源要求低，無土壤病害，不存在連作障礙，減少土壤污染;⑥生產過程中省去了中耕、除草、追肥等工作，減少了勞動量，可省去大量勞動力的支出;⑦生態效益好，觀賞價值高，整個系統還可做觀光旅游和科普教育;⑧魚飼料的利用率較高，生產過程不噴施任何化肥和農藥，生產的商品綠色健康、口感好、品質高[49]。

魚菜共生系統的弊端：①整個系統生產過程中不添加任何肥料，系統中的植物可能出現缺素癥;②生產過程不能使用化學防治，采用生物防治或物理防治成本較高，植物病蟲害控制有一定難度;③較單一的漁業養殖和無土栽培相比，設備較多，一次性投資較大;④系統結構復雜，運行過程中使用水電，一旦發生漏電現象，對魚對人都會造成嚴重傷害;⑤整個系統管理需更加仔細認真，一旦任何一個環節出現問題，魚和菜都將產生巨大損失。

5 應用前景及展望

近年來，發達國家的環境政策指令越來越嚴格，其政府采取了一些相應的措施來改善水產養殖對環境污染的情況，這給水產養殖業帶來了嚴重的影響，但是對循環水產養殖系統（RAS）的發展是積極的，大多數發達國家都將該系統作為進一步發展水產養殖可能解決問題的方案和機會之一[46，48-51]。西方發達國家，近年來都在向生態型的魚菜共生系統的模式發展和轉變，在系統模式和蔬菜配置上也越來越多樣化[52]。

在我國，魚菜共生系統最早出現在漁業養殖方面，以直接漂浮法為主，將蔬菜直接放置在養殖水域面上進行水培，后期建立魚菜共生溫室以及家庭園藝版魚菜共生等模式，但大多屬于初級階段。隨著人們對綠色無公害農產品的日趨重視，推動了魚菜共生系統都市農業的發展，提高了魚菜共生系統的技術和水平。研究表明，該技術在以后可能朝著2個方向發展：一方面朝著低技術解決方案發展，主要是在發展中國家和愛好者中，例如陽臺魚菜共生、桌面擺件、創意家庭園藝、微景觀等;另一方面是發展高效的高科技設施，例如大型植物工廠魚菜共生系統，主要在發達國家，并與專業或者商業合作伙伴合作[30]。

Ngo等[34]研究表明，在水資源有限的地區，將魚菜共生系統應用于水產養殖系統是可行的，所得結果代表了水產養殖業節約用水的環境觀點，也對水產養殖業和獲得最低經濟支持的農民做出了重要貢獻。魚菜共生系統不僅實現了養殖廢水的凈化，還使污水中的營養物質再次循環利用，因此被認為是一種可持續性的綠色生產模式[8]。魚菜共生在任何階段都不使用殺蟲劑或抗生素，魚體分泌的廢液具有抑制菜蟲害發生的作用，而植物根系分泌出的有機酸，能有效地抑制魚病的發生，因此，也被視為有機農業的一部分[53]。聯合國糧食及農業組織在2014年提出詳細的魚菜共生系統比傳統農業和漁業更適合當前農業的發展，是今后農業發展的必由之路[47]。

魚菜共生系統具有多學科融合、綠色健康、可持續發展、零排放等特征。最近幾年，科研人員對魚菜共生的研究日益增長，包括系統設計、水培組件、養殖魚類、栽培蔬菜、微生物、經濟可行性等方面。雖然魚菜共生系統受到廣泛關注，發展已經較為成熟，并且作為可持續糧食生產系統來說，變得越來越重要。但是，該系統還有許多其他挑戰需要解決[30]，在魚菜共生系統中，關于魚菜共生系統生產總體可行性的許多關鍵問題仍未得到解答，今后可以從以下幾個方面進行研究：①魚菜共生系統在戶外和熱帶地區操作簡單，生產成本相應較低，但是在室內和干旱地區則需要增加大量支出來穩定共生系統正常運行，可以考慮結合新能源作為系統運行動力來減少開支，并且在魚菜共生機電設備的基礎上，可開發利用相關的智能管控裝備和裝置，增強系統的“高端化、綠色化、智能化、融合化”，從而增強魚菜共生系統的可調控性和穩定性。②大量的研究表明，系統內氨氮轉換存在一個波動的過程，魚飼料是該系統唯一的營養來源，同時也是污染水質的來源，改變魚飼料營養物質的配比，從而改善水質是一個需要解決的挑戰，除此以外，還可以采取混養以及輪作的方式，來保證共生系統營養物質的穩定性、水環境的健康性以及商品產出的可持續性。③魚菜共生系統經濟投入和回報一直備受爭議，可以嘗試將該系統發展名貴花卉和優特觀賞魚類方面，通過提高共生系統的觀賞價值和經濟價值，從而提高經濟回報。并且根據當地的市場條件，魚菜共生系統需要制定明確的水產品標準以及一套完整高效的供應鏈，將新鮮的產品送到消費者的餐桌，以幫助建立一個更為成熟的魚菜共生系統。

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