鱼菜共生系统主要模式及效益分析.pdf

畜牧经济180 2023.80 引言传统水产养殖模式中，残饵和鱼类排泄物会引起水体富营养化，水体中有害的氨和亚硝酸盐的浓度不断升高，对养殖动物的正常生长发育造成危害。养殖废水的排放还会污染环境，给生态修复带来巨大压力。鱼菜共生是一种区别于传统集约化养殖的生态种养模式，能达到“养鱼不换水、种菜不施肥”的效果。在鱼菜共生系统中，动植物和微生物能建立一种和谐共生的微环境，通过微生物的作用，水体中的有害氮盐能转变为水培植物可吸收利用的营养物质，达到净化水质、循环养殖的目的，最终实现水产养殖绿色、可持续发展。1 鱼菜共生系统概念及运行原理鱼菜共生系统是一种从种植到养殖的闭环多样化的新型种养模式1，它将循环水养殖技术和水培技术有机结合，实现优质鱼菜产品的生产。在鱼菜系统中，硝化细菌是连接养殖废弃物和植物养分的桥梁，养殖鱼类产生的排泄物及残饵等废弃物经过硝化细菌的硝化作用转变为植物可吸收利用的营养盐，使水体中有害物质浓度显著降低，水质得到净化。同时，植物光合作用产生充足的氧气，一定程度增加养殖水体的溶解氧，保证系统收稿日期：2023-06-09基金项目：鱼菜共生系统罗非鱼营养调控技术（H202203）作者简介：孟宸宇（2002-），女，汉族，山东淄博人，本科，研究方向：水产养殖学。*通信作者简介：申旭红（1980-），女，博士，讲师，从事水产动物营养与水体生态保护研究。孟宸宇，杨桂青，申旭红鱼菜共生系统主要模式及效益分析J现代畜牧科技，2023，99（8）：180-183doi：10.19369/ki.2095-9737.2023.08.050MENG Chenyu，YANG Guiqing，SHEN XuhongAnalysis of the Main Models and Benefits of Aquaponics SystemsJModern Animal Husbandry Science&Technology，2023，99（8）：180-183鱼菜共生系统主要模式及效益分析孟宸宇，杨桂青，申旭红*（中国农业大学烟台研究院，山东 烟台 264670）摘要：鱼菜共生系统是一种将植物水培技术与循环水养殖技术有机结合的复合型生态种养系统。以“鱼菜共生系统”为主要研究对象，概述其系统运行原理，并依据水培蔬菜种植方式的不同介绍4种主流鱼菜共生模式。将蔬菜种植于过滤基质中的基质填充生长床模式、将蔬菜种植于联通养殖尾水PVC管道中的营养膜技术模式、将蔬菜种植于泡沫等漂浮材料上的浮床栽培模式、将养鱼尾水雾化后喷洒于植物根系供植物吸收利用的气雾栽培模式。该文阐述鱼菜共生系统的构建方式和日常运行管理，并对其经济效益和生态效益进行客观分析。关键词：鱼菜共生；原理；效益；可持续；模式中图分类号：S964.9文献标识码：Bdoi：10.19369/ki.2095-9737.2023.08.050Analysis of the Main Models and Benefits of Aquaponics SystemsMENG Chenyu，YANG Guiqing，SHEN Xuhong*（China Agricultural University YanTai Institute，Yantai Shandong 264270，China）Abstract：Aquaponics system is a kind of composite ecological farming system that organically combines plant hydroponics and circulating water culture technology This paper takes“Aquaponics system”as the main research object，briefly describes its system operation principle，and introduces four mainstream Aquaponics models according to different hydroponic vegetable cultivation methods：substrate filled growth bed model where vegetables are planted in filtering substrate，nutrient film technology model where vegetables are planted in PVC pipes connected to culture water，floating bed cultivation model where vegetables are planted on floating materials such as foam，and aerosol cultivation model where vegetables are planted in PVC pipes connected to culture waterIn the floating bed cultivation model，vegetables are planted on floating materials such as foam，and in the aerosol cultivation model，water is atomized and sprayed on the plant roots for absorption and utilization At the same time，the scientific construction method and daily operation and management are explained，and the economic and ecological benefits are objectively analyzedKeywords：aquaponics，principles，benefits，sustainable，mode畜牧经济1812023.8中各组分的正常代谢和生长。鱼菜共生系统运行原理见图1。图1 鱼菜共生系统生态原理2 鱼菜共生系统模式2.1 基质填充生长床模式基质填充生长床模式是当下鱼菜共生系统应用最为广泛的一种模式，它将水培蔬菜种植于由不同基质如沙砾、火山石等构成的栽培区，养殖尾水通过管道直接联通于栽培区，经过附着于栽培区基质上硝化细菌的生物过滤后，又重新流回鱼类养殖区，实现养殖水体的循环利用。基质填充生长床技术适用于小型鱼菜共生系统，该模式的前期投入较少，是我国普通农民由传统水产养殖技术转变为新型种养结合技术的首选2。同时，该模式下的生物量增益和产量效益均高于其他3种模式，Lennard W A等3用墨瑞鳕鱼、虫纹雪鲈（Mitchell）和绿橡生菜、莴苣4种生物测试基质填充生长床、营养膜、浮筏鱼菜共生3种不同水培子系统的差异，证明各处理之间存在显著差异，且生物量增益遵循基质填充生长床鱼菜共生浮筏鱼菜共生营养膜鱼菜共生的关系。但该模式下闭环系统的运转具有极大的不稳定性，如管道易于堵塞、栽培区基质的微生态系统极易失衡，一个环节的失误便会导致整个系统的崩溃，该技术并不适合工厂化和产业化养殖。2.2 营养膜技术模式营养膜技术模式是一种立体种养系统4，该模式下，蔬菜种植于平行排列的PVC管道的孔洞内。该PVC管道与鱼类养殖区排水泵和排水管道相通，水培蔬菜可以直接吸取净化处理后养殖尾水中的营养物质，使蔬菜生长完全摆脱土壤的限制，减轻水产品和蔬菜的重金属污染。该模式和基质填充生长床模式一样具有高效利用空间环境资源、产量效益大的特点。Castillo-Castellanos D等5分别采用黄瓜、莴苣和罗非鱼构建2个NFT鱼菜共生系统，并采用单一的水培技术作为对照，比较得出鱼菜共生系统下水培蔬菜的叶干重、产量均较高，且罗非鱼存活率显著提高，高达（97.22.4）%。但是该技术需要大量的实操经验，并要求具备一定的专业知识，普通农民很难具备该素质。同时，由于孔洞内水培植物的生长空间有限，需要专业人士提前进行蔬菜品种的筛选、鱼种的搭配和生长管道高度、直径的确定6，前期工作较为繁琐。2.3 浮床栽培模式浮床栽培模式是将蔬菜直接种植在漂浮于水体上的浮筏、泡沫板等材料上。水面种植、水下养鱼，可充分利用水资源、节约空间资源。该模式下水体温度、pH等较稳定，操作简单、成本低，已经广泛应用于工厂化、产业化养殖。这种模式虽然被广泛应用，但其产率却不高、水培植物生理状况较差。Roosta H R等7将薄荷分别种植在浮筏和珍珠岩基质中，在筏式系统中生长的植株表现出矿物质元素缺乏，叶片焦黄。经过光合作用和水分参数分析表明，在珍珠岩中生长的植物的光合速率、气孔导度、蒸腾作用速率、叶绿素转化效率、水分利用效率和光合作用有效辐射均高于筏式鱼菜共生系统。气孔导度、叶片温度和气孔下珍珠岩中生长的植物的水分利用效率和光合作用有效辐射均高于筏式鱼菜共生系统。2.4 气雾栽培模式气雾栽培模式与上述3种鱼菜共生系统主要区别于蔬菜种植区的设计，根据雾化原理，水培蔬菜种植装备被密闭的雾化池所替代，养殖尾水经过过滤装备的净化处理后被特殊的喷雾装置雾化为小液滴直接喷洒于作物根部。在雾化的过程中，会有大量的氧气渗入水中，为鱼类养殖提供充足氧气。该技术实现了对水资源的充分利用，在相同的生长条件下，气雾栽培只需要普通水培1/10的用水量即可达到相同的生物增长量8，可有效缓解我国水资源紧缺的问题。但是气雾栽培管理异常精细、雾化技术难度高、成本投入巨大，导致气雾栽培模式在我国并不常见。3 鱼菜共生系统科学构建与运行管理3.1 鱼、菜品种选择选择合适的蔬菜和鱼类品种是鱼菜共生系统能稳定、高效运行的基石。不同鱼类需要投喂的饲料量及配比不同；不同鱼类排泄物及残饵溶于水会导致水体中氮、磷等元素含量不同；蔬菜种类的不同也会影响养殖水体氮素的转化。目前，鱼菜共生系统常选用罗非鱼、鲤鱼、鲈鱼、鲢鱼搭配生菜、芹菜、空心菜，品种选择较为单一，经济可行性也有待分析。李天沛等9分别研究圣女果、线椒、芹菜、紫背菜与鲢鱼共生系统中各自的生长状况及对养殖水体氮素转化的影响，得出圣女果与鲢鱼组合效果更好，共生系统的净生产量最大，且对养殖尾水水质和氮素的转化效果最显著。刘东姣等10比畜牧经济182 2023.8较水雍菜和罗莎生菜的净水能力，得出水雍菜与麦穗鱼组合效果较好，水雍菜降低麦穗鱼养殖水体的总氮的能力优于罗莎生菜且吸收硝酸盐的效率明显高于罗莎生菜。不同生长阶段的植物对水质的净化能力也不同。高霞婷等11探究不同生长阶段的芹菜、生菜与罗非鱼共生36 d内的水质变化情况，得出小芹菜对TAN、NO2-N、NO3-N的净化率最强，且明显强于大芹菜、小生菜、大生菜。水培蔬菜的营养参数应与养殖鱼类的生长参数相吻合。水培蔬菜应选择根系发达、净水能力强的品种，养殖鱼类应选择抗病能力强、适应性强、饲料来源广的鱼种。3.2 鱼菜生物量配置除选择合适的鱼菜品种，还要特别关注鱼-菜的比例，即鱼菜生物量配置。如果鱼菜共生系统中鱼类占比过高，水体中的氨氮和亚硝酸盐含量大幅增加，超过了水培作物吸收的阈值，容易造成水体富营养化。如果蔬菜占比过高，则无法保证每株蔬菜生长所需的营养，同时因影响到气体交换而降低水体中溶氧含量，最终影响系统总体产量。徐琰斐等12根据氮平衡原理成功构建出鱼-菜科学配比的数学模型，即A=BT/(G/1 000)，其中A为蔬菜生物量、B为最大载鱼量的80%、T为饲料系数、G为每100株蔬菜对氮元素需求量所对应的饲料投喂量，一般为300 g/100株；优化后系统的生态效益和经济效益均有显著提高。鱼-菜配比的不同还可能影响鱼肠道内菌群的多样性，肠道内的菌群与养殖鱼类的营养功能、免疫调节、防御敌害等环节都具有紧密联系，可小丽等13发现鱼腥草种植密度为450 g/m2的鱼腥草-罗非鱼生态系统中罗非鱼肠道内的菌群数量要远多于种植密度为350、600 g/m2的实验组且该配比下鱼腥草、罗非鱼生长状况最好。3.3 系统运行与系统环境监测稳定系统运行条件和实时监测养殖环境是日常管理工作的关键环节。鱼菜共生系统的运行条件包括水温、水量、pH值、溶氧、温度、湿度、光照等。调控系统环境条件的装备有很多，其中最常用的有微滤机、制氧机、紫外线杀菌剂、水产养殖恒温机、LED补光系统等维持生态系统运行的基本装置14。随着智能化识别技术和物联网的应用，数据自动收集系统成为实时监测养殖环境的有力工具。仇宇俊等15基于GPRS设计出一款多参数环境信息监测系统，该数据监测系统可对水产养殖区和种植区的环境参数进行实时监测，并将整合后的数据信息传送至PC端以实现远程调控、环境监测等功能。Sambandh Bhusan Dhal等16基于Bolstered误差估计技术设计一个计算模型，该模型会根据实时监测系统传递的数据分析鱼菜共生系统内各组分的生理状况，运用线性算法在小型数据集内进行营养优化计算，以期获得该生理状态下养殖水体各成分的最适养分浓度，根据植物的需求来调节水体各养分含量，获得最大产量。鱼菜共生数字化、自动化的主要挑战是缺乏足够的数据且必须通过大量的预测因子进行推断，这极易造成“维数灾难”，导致可用数据变得更加“稀疏”。在不丢失有效数据的前提下降低数据维度变得十分重要，应加强相关方面的算法分析及科学研究。4 鱼菜共生系统效益分析4.1 鱼菜共生系统对水质的影响鱼菜共生系统能有效地降低水体氨氮和亚硝酸盐氮的含量，显著提高水体透明度和溶解氧，对水质具有净化作用。鱼菜共生系统从根本上说是以鱼类养殖为主体，通过鱼-菜-微生物联合作用构建的氮、磷营养循环系统。养殖过程中的饲料残饵、鱼类代谢废物易溶于水，会升高养殖水体中氮和磷的浓度，浓度过高对鱼类生长有不利影响，且易导致水体富营养化。系统中的硝化细菌等微生物，可将氨氮分解为亚硝酸盐氮，最终转化为水生植物可以吸收利用的硝酸盐氮，从而降低水体营养盐浓度。Enduta A等17通过比较空心菜罗非鱼共生系统与单一养殖罗非鱼系统，评估鱼菜共生系统对养殖废水的净化能力，得出空心菜能够显著降低养殖尾水中总氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐和正磷酸盐的量，效率分别为78.32%85.48%、82.93%92.22%、79.17%87.10%和75.36%84.94%。植物根系发达，可提供更多的微生物附着位点，延长废水停留时间，捕获和沉降悬浮颗粒，加强组织的同化作用从而净化水质。4.2 鱼菜共生系统对生态环境的影响鱼菜共生系统利用渔业和农业的联合种养方式可以改善生态系统结构，促进原有生态系统的优化，改善生态空间。一方面，鱼菜共生系统在提高渔业产量的同时，能有效地解决水污染问题。渔业和农业的有机结合可降低排放到河流、湖泊的养殖尾水中氮、磷含量，减少水体中污染物的聚集，防止污染物在水体流动过程中的转移，达到净化水环境的目的；另一方面，鱼菜共生系统对减少农药使用有很大帮助18，采用鱼菜共生系统能大大降低病害的发生，从源头上减少农药和抗生素的使用，有利于保护环境。鱼菜共生系统可提供多样化的生态空间，在陆地、水域既有的生物之间建立起良好的协同关系，通过食物链的形式构建出完善的生态系统，为鱼类、水生植物及其他生物创造适宜的生存环境，让物种在自然环境中健康成长，促进生物多样性的建设，以维持生态系统的平衡。4.3 鱼菜共生系统对社会经济的影响目前鱼菜共生系统在提升经济效益方面有巨大潜畜牧经济1832023.8力。鱼菜共生系统的经济效益与养殖规模、养殖品种、前期成本投入等因素有关。刘爽等19指出其经济效益与生产规模呈明显正相关关系，规模越大，收益越高。从市场方面分析，消费者可以买到“绿色、健康、有机”食品以满足对食品安全日益增长的需求；且有研究显示，人们更愿意为“无公害”产品多支付37%的产品溢价20。刘慧等21研究发现，鱼菜共生系统作为一种新型的生态养殖系统，将农场种植作物和养殖鱼类相结合，一方面提高农作物产量，另一方面增加了产业附值，提高农民收入，带动了社会经济的发展。在过去几年中，国内外大规模工厂化鱼菜共生养殖实验不断开展，说明这种模式正受到越来越多的企业、农户关注，而其对社会经济的影响也越来越受到重视。5 结语鱼菜共生作为一种潜力巨大的生产模式，为水产养殖中减少环境污染、提高生产效率、节约资源及农业的绿色可持续发展提供了可行方案。但也存在一些不足，如共生体系易失衡、水产品及植物品种局限、初期建设成本及维护管理投入高、种养环境监测不易、专业人才缺乏等。未来，应加强对鱼-菜-微生物三者协同共生联系、新品种水培蔬菜和养殖鱼种开发、智能化调控监测技术等方向的研究。参考文献1刘俊文鱼菜共生系统氮迁移与模型构建D上海：上海海洋大学，20212张柯新可持续鱼菜共生系统模式构建及功能初探D杨凌：西北农林科技大学，20213Lennard W A，Leonard B VA Comparison of Three Different Hydroponic Sub-systems（gravel bed，floating and nutrient film technique）in an Aquaponic Test SystemJAquacult Int，2006，14：539-5504张振东技术模式创新引领水产养殖业转型升级概述J科学养鱼，2019，359（7）：1-2 5Castillo-Castellanos D，Zavala-Leal I，Ruiz-Velazco J M J，et alImplementation of an experimental nutrient film technique-type aquaponic systemJ Aquacult Int，2016，24，637-6466Knaus U，Zimmermann J，Appelbaum S，et alSpearmint（mentha spicata）cultivation in decoupled aquaponics with three hydro-components（grow pipes，raft，gravel）and african catfish（clarias gariepinus）production in northern germanyJSustainability，2022，14（1）：3057Roosta H R，Sajjadinia A RInvestigating physiological characteristics of mint in the Raft aquaponic system and perlite mediumJJournal of Science&Technology of Greenhouse Culture，2010，1（3）：51-618凌利宏，黄丹青，张蕊鱼菜共生系统气雾栽培模式的构建J安徽农业科学，2022，50（19）：198-199，2049李天沛，汪小旵，丁为民，等鱼菜共生系统中不同种类蔬菜对养殖尾水氮素转化的影响J 农业工程学报，2022，38（9）：247-25210 刘东姣，杜新科，王世兴，等水蕹菜和罗莎生菜对麦穗鱼养殖系统水质的影响J水产学杂志，2023，36（1）：89-9411 高霞婷，宋红桥，张海耿，等不同生长阶段的芹菜与生菜的净水能力比较J中国农学通报，2021，37（23）：125-13212 徐琰斐，单建军，顾川川，等菜-鱼复合设施种养系统构建与运行试验分析J农业工程学报，2023，39（2）：150-15613 可小丽，李庆勇，黄秋标，等罗非鱼-鱼腥草共生系统中鱼菜不同配比对池塘水质及细菌群落结构的影响J水产学报，2022，46（9）：1 604-1 619 14 黄一心，田昌凤，孟菲良，等中国池塘养殖设施装备历史、现状和发展研究J渔业现代化，2020，47（3）：10-1515 仇宇俊，汪小旵，李天沛，等鱼菜共生环境中多参数监测系统设计与试验J中国农机化学报，2022，43（12）：67-7416 Sambandh Bhusan Dhal，Muthukumar Bagavathiannan，Ulisses Braga-Neto，et alNutrient optimization for plant growth in Aquaponic irrigation using Machine Learning for small training datasetsJArtificial Intelligence in Agriculture，2022（6）：68-7617 Enduta A，Jusoh A，Ali N，et al Wan Nik Nutrient removal from aquaculture wastewater by vegetable production in aquaponics recirculation systemJDesalination and Water Treatment，2011，32（1-3）：422-43018 邹艺娜，胡振，张建，等鱼菜共生系统氮素迁移转化的研究与优化J环境工程学报，2015，9（9）：4 211-4 21619 刘爽，安诗琦，严子微，等现代鱼菜共生技术研究进展与展望J中国农业科技导报，2020，22（3）：160-16620 Thai L，McDonald S，Dooley M，et alEvaluation and development of aquaponics production and product market capabilities in AlbertaJAquacult Int，2004，20：638-640 21 刘慧，汪小旵，施印炎，等鱼-菜共生种养技术模式研究现状J中国农机化学报，2022，43（12）：75-82编辑：韩若