魚菜共生復合系統研究進展

孫銳康， 付京花， 徐民俊

（華南農業大學海洋學院， 廣州 510642）

魚菜共生系統作為新型的生態種養模式，通過魚類養殖和水耕栽培的有機結合來實現高效的循環共生效應。隨著世界經濟的發展，全球面臨水資源短缺、土壤肥力退化和糧食供給不足等挑戰，而魚菜共生系統的應用可以緩解這些壓力。在魚菜共生系統中，未食用的飼料和魚類的代謝廢物被微生物分解并轉化成可供植物根部吸收的營養物質，同時通過植物的凈化作用將優質的水源再次供給魚類使用。目前國內外正對魚菜共生系統進行深入研究和積極探索，魚菜共生在未來有望成為新型農業的重要生產方式。

1 魚菜共生系統發展歷程

傳統魚菜共生技術的應用可以追溯到兩千多年前的農耕時代，亞洲居民在稻田里養殖田螺和鯉魚等淡水經濟種類，初步實現漁業和農業的有機結合。公元11 世紀，南美洲的阿茲特克人掌握“奇南帕（Chinampa）”技術，使用木筏等材料制作成人工浮島，并將農作物直接種植于浮島上，實現早期的無土栽培[1]。

魚菜共生技術在近幾十年迅猛發展。20 世紀70 年代，美國馬薩諸塞州的“新煉金術”研究中心開始探索水生植物和水生動物的養殖融合技術，成為現代魚菜共生技術的起源[2]。20 世紀80 年代初，美屬維爾京群島大學（University of the Virgin Islands, UVI）Rakocy 博士等[3]將植物栽培在可調節水深的浮閥上，首次提出適合戶外大規模生產的UVI 模式；美國北卡羅來納州立大學（North Carolina State University, NCSU）Mcmurtry博士等將植物栽培于固體基質（礫石或砂石），研發出在溫室生產的NCSU 模式[4]，后期這2 種模式被不斷地優化和完善，共同催生了現代魚菜共生技術的發展。20世紀90年代，魚菜共生系統正式被中國水產科學院引進國內，丁永良等[5]先后開展集約化魚菜共生系統以及庭院型設施和中試的專題研究，成功研發出國內首套實驗性魚菜共生裝置，該項新型復合養殖技術很快在國內推廣起來。

歐洲議會研究服務局在2010 年將魚菜共生技術認定為能夠改變人們生活的10 項技術之一[6]。自此，現代魚菜共生復合系統的研究出現爆發式增長。國外市場調查機構（Stratistics Market Research Consulting）的數據表明，2019年魚菜共生系統及相關設備在全球的市場規模達13.6 億美元，預計2027 年將達到49.5 億美元，并且在預測期內將以17.5%的年復合成長率穩步發展[7]，魚菜共生系統具備良好的發展趨勢。此外，相關調研機構預測2022—2026年，全球垂直農業市場的價值將達到124.9 億美元，復合年增長率為23.52%[8]，魚菜共生的垂直結構系統也將具備更大的市場潛力和經濟效益。

2 魚菜共生系統主要研究內容

2.1 魚菜選育及種養密度

養殖魚類和栽培植物的選取是魚菜共生體系的核心基礎。通常情況下，魚類的選取會根據各地區的氣候條件和飲食習慣，優先考慮生長周期短、抗病能力強、環境耐受力高的經濟魚類，目前魚菜共生體系常用的養殖魚類包括羅非魚、草魚、泥鰍、鯉魚和觀賞魚等。植物品種的選取需要結合栽培方式、養殖魚類、經濟價值和市場需求等多種因素共同確定，國內常用的魚菜共生植物包括白菜、西蘭花、卷心菜、茄子、油麥菜、草莓和芋頭等；而國外主要栽培西紅柿、羅勒和沙拉蔬菜[9]。

除了魚菜品種的多樣性選育外，魚類、植物和水體間的配比關系以及種養密度對于魚菜共生系統的能量平衡也起著重要作用。美國、日本和加勒比海等地區早期的典型魚菜比約為1∶2；張明華等[10]通過中試試驗發現，在1 m3的水體養殖100尾規格為75 g·尾-1的魚類，同時在1 m2內栽培25株番茄或66株萵苣，此時系統的氨氮吸收效果良好且pH趨于中性，系統整體穩定。如果魚類養殖密度過高，水體中的溶解氧減少且代謝廢物增多，魚類的生存環境變差而不利于生長；如果植物的栽培密度過高，水體中的營養物質無法充分滿足植物生長需求，植物的產量受限；只有在適合的種養密度下魚菜共生系統才能發揮最大的經濟效益。Goddek 等[11]研究表明，魚菜的最優種養密度也與魚菜的生長階段、飼料成分、投喂頻率和系統結構等因素緊密關聯，需要根據實際情況進行密度調整和配比優化。

2.2 物質循環利用及系統動態平衡

Neori 等[12]研究表明，零排放的魚菜共生循環系統具備可行性。為了實現真正意義上的零排放，需要深入研究魚菜共生系統的循環機制，保持營養物質的動態平衡。在魚菜共生系統中，魚類未食用的飼料和代謝廢物含有大量的氨氮和礦物質，其中大部分氨氮會被異養細菌和硝化細菌分解轉化成植物根部易于吸收的硝酸鹽，而礦物質所涉及的微生物分解機制目前尚不清楚[13]，并且在這個過程中30%～65%的磷會以魚類固體排泄物的形式流失[14]，難以實現礦物質的高效循環利用。為加強磷的循環利用，Jung 等[15]往富含固態磷的滲透液中加入可分解磷的特定微生物，經過缺氧消化后將其重新排回系統以供植物吸收，為營養物質的循環再利用提供了發展思路。

對于如何保持魚菜共生系統的動態平衡仍存在諸多難題，除氮磷的轉化吸收外，系統還受pH、光照強度、溶解氧含量、構成比、溫濕度、投喂頻率和水流率等多種因素的影響[16]。因此，在確保魚菜共生系統各單元正常運行的前提下，也要基于各參數的實時數據來分析其對系統穩定性的影響，使魚菜共生系統更加高效且穩定地循環運作。

2.3 魚菜共生系統結構設計

現代魚菜共生系統主要由水產養殖、蔬菜種植、運行動力和過濾分解4 個單元組成。水產養殖和蔬菜種植是主要的生產單元；運行動力單元可分為人工動力和重力動力，貫穿魚菜共生系統的所有環節[17]；過濾分解單元主要包括排污除雜和微生物反應池，國內主要采用構造簡易的單通道底排模式進行排污，該技術難以有效消除水體泡沫和油污；而國外主流的排污技術為養殖池分路排污模式，不僅能夠有效清除沉淀性顆粒和油污泡沫，同時還能保持水位穩定。以上各個單元還能夠通過改變循環通路的閉合方式來形成不同的系統。

目前，國內仍存在較多小規模的魚菜共生系統，其中以耦合型或半閉合系統為主。耦合型系統只存在1 個水流方向，屬于單向閉路水循環系統，主要由養殖池、水培槽、過濾池、沉淀池、蓄水池和脫氣池等構成[18]，該系統能夠加強氮磷的吸收循環，但由于閉路循環的限制，很難同時協調不同單元構建出各自生長所需的最佳環境。

近年來，國外逐步研究解耦型魚菜共生系統，歐盟對魚菜共生復合系統進行優化并形成INAPRO 系統（圖1）[19]。該系統打破了單循環的限制，將循環水養殖系統（recirculating aquaculture system, RAS）和基于營養液膜技術（nutrient film technique, NFT）的水耕栽培相互融合，形成具有獨立子循環回路的系統。該系統比耦合型系統更節約水資源，并且能滿足不同單元對不同pH 和營養鹽的需求，整體穩定性更高[20]。但是由于解耦型系統構建更復雜且需要更多泵管和添加營養液，其成本也更加昂貴。

圖1 INAPRO系統概述Fig. 1 Overview diagram of INAPRO system

2.4 魚菜共生系統智能化發展

伴隨著物聯網市場規模的增大，信息技術開始推動傳統農業發生根本性變革和模式創新，物聯網技術被廣泛應用于集成化魚菜共生智能系統的環境監測、資源利用和生產循環等，國內外在智能化系統的研究中都取得了一定進展。

2016 年，國內建成第1 代魚菜共生生產試驗系統，但試驗基地僅有0.022 hm2；2019 年，在有關院校及機構的技術支持下建成面積0.067 hm2的第2 代模塊化魚菜共生生產試驗系統；2020 年，成功研發第3 代具有自主知識產權的數字模塊化魚菜共生系統，現代魚菜共生系統趨向智能化[21]。趙月玲等[22]基于傳感器技術研發了魚菜共生實時監測系統，初步實現了對系統的智能化監管。近年來，我國也從國外引入魚菜共生系統的智能化設備，并在廣東、北京和山東等省市開展魚菜共生示范項目，推動了集成化魚菜共生系統的發展。

國外在魚菜共生智能化監測技術上已漸趨成熟，主要包括營養液成分監測、溫室環境監測和水質參數監測[23]。Morimoto 等[24]基于神經網絡和遺傳算法實現了智能化控制營養液水平，能夠使系統內各參數快速達到設定的最優值，為植物營造最理想的生長環境。Savidov 等[25]基于集成化信息技術，利用特定的探頭對溫室和系統內的重要參數進行實時監測與控制，大大提高了魚菜共生系統的穩定性。Silva等[26]針對循環水養殖系統設計了1 套用于監測水質的新型毒性預警傳感器，通過建立毒性預測模型實現對水體質量的把控，便于隨時更換優質水源。與傳統魚菜共生系統相比，新型的集成化魚菜共生系統能夠更加精準且快速地監測各項重要參數，并且實現遠程調控和多渠道監管，為魚菜共生系統的大規模商業運營和全自動化運作提供了堅實基礎。

2.5 魚菜共生系統大規模化及經濟可行性分析

大規模魚菜共生系統具備更加復雜的解耦型或半解耦型循環回路，是高度集成多單元多裝置的大型多循環系統，因此也需要占據更大的空間位置。Palm 等[27]將占地面積100～500 m2的系統稱為中型魚菜共生系統，將占地面積超過500 m2的系統稱為大規模魚菜共生系統。目前，國內大規模魚菜共生系統的具體案例還十分有限，而國外也處于初步發展階段。2015 年，羅斯托克大學建成實驗性的大規模魚菜共生半解耦系統（fish glass house），該系統基于RAS 系統和NFT 技術，主要結構包括6 個耦合型水培艙、300 m2的水產養殖單元和600 m2的植物栽培單元等，屬于耦合型和解耦型魚菜共生系統的混合體。隨著不斷地研究發展，大規模魚菜共生系統逐漸被應用于工業化商業運營。

經濟效益是決定魚菜共生系統能否商業化運營的關鍵因素，由于目前國內外成功發展大規模商業魚菜共生系統的案例較少，且很多研究機構不公開魚菜共生系統的經濟效益數據，所以對于其經濟可行性仍存在較大爭議，但更多人認為魚菜共生系統具備良好的經濟效益。在國內，上海某莊園基于基質栽培模式運行魚菜共生系統，最終成本收益率為1.17，表明該莊園魚菜共生系統存在盈利空間，并且后續通過推廣魚菜共生池塘養殖技術在2020年達到年凈收益1 652.1萬元[28]。除了系統運營模式，國外也深入研究了系統規模和產品類型對于經濟效益的影響。多項研究發現，更大的生產規模和更豐富的產品種類能夠為魚菜共生系統創造更高的經濟收益[29]。此外，魚菜共生系統的經濟效益也與當地環境、市場需求和維護成本等息息相關，對于系統的經濟可行性分析仍需結合多個實際因素綜合評估。

3 魚菜共生系統國內外發展趨勢

3.1 魚菜共生系統構建趨向解耦型、生態型

Goddek 等[30]在2015 年正式提出解耦型魚菜共生系統理念，該系統獨立的子循環回路能使各單元維持穩態，并且更加高效穩定地調控系統循環水。近年來，為了實現魚菜共生系統的大規模工業生產，歐洲等國家逐漸轉向研究解耦型系統，該系統具備良好的經濟價值和發展潛力。與此同時，中國、美國和日本等國家逐步構建生態型魚菜共生模式，如使用清潔能源、加強資源利用、減少有害物質排放等，生態模式的研究促進了現代魚菜共生系統的結構優化和可持續發展。

盡管國內外對魚菜共生系統的構建模型有了深入的研究，但系統構建單元仍然存在過濾系統不完善、物質利用效率低等問題。水體中經常含有難以直接過濾的魚類代謝產物，并且由于技術限制很多營養物質利用率很低，系統難以形成高效穩定的生態循環體系。對此可以嘗試生物輔助，如引入蚯蚓或特定的益生菌進行輔助消化，加強代謝廢物的分解循環；同時發展水耕栽培的創新模式，如應用現代氣霧栽培生態循環種植技術，直接將營養液以霧狀形式精準噴灑在植物根部，能夠節省約60%的化肥用量和用水量[31]，極大提高營養物質的利用率和生態效應。

3.2 魚菜共生系統布局邁向城鎮化、立體化

目前，國內外的魚菜共生系統除了中小型的開放式池塘養殖或者家庭式都市陽臺等，較大規模的魚菜體系通常在溫室中搭建。然而在城市建設溫室的投資成本遠高于城鎮，所以魚菜共生系統的布局逐步轉向城鎮化建設，以此來有效控制經濟成本。此外，為了進一步提升魚菜共生系統單位面積的經濟效益，Khandaker 等[32]將魚菜共生系統與現代垂直農業相結合，研創出種植墻技術，推動了系統的立體化發展。常見的立體化結構包括托盤層疊、垂直管柱和垂直面板等，通過重力作用和水泵輸送來實現立體化循環。雖然立體化結構能夠極大地節約占地空間，但是高層管理和水泵運輸等也會產生額外成本。

在實際的城鎮化建設和立體化搭建中，往往還需要結合實際情況對系統結構進行優化調整。例如當溫室建設在熱帶地區，可以增設熱吸收裝置以充分利用太陽能和地熱能；若建設在嚴寒地區，則應額外增加供暖設備來保護魚菜成長。在垂直化魚菜體系的搭建中，需要充分考慮高度規模、植物間種比例和光照等的影響，可以為底層植物增設可持續照明設施，并且探索不同間種比例下植物的生長狀況，以不斷調整和優化最適的立體化結構。

3.3 魚菜共生系統推行大規模智能化、商業化

現代集成化魚菜共生系統漸趨成熟，國內外研發了多個基于現代信息技術的智能化監測系統，實現了系統內多項重要參數的實時監測，并能夠以此為依據進行遠程調控，例如自動化噴水、智能投喂飼料以及更換營養液等，完成魚菜共生系統的半自動化監管。未來魚菜共生系統仍將與現代信息技術交互融合，形成集成智能化和自動化的監測管理體系。

隨著魚菜共生建設規模的壯大，商業化魚菜共生系統的理念開始被大家熟知。近年來，國內外在商業化魚菜系統的建設中都取得了不錯成果，現代魚菜共生系統向商業化轉型已成為未來發展的主流趨勢。但由于缺乏可視化數據和實際生產案例，并且經營者需要高昂的投資成本和極強的管理能力，所以商業化魚菜共生系統目前的規模發展十分緩慢。為此，可考慮以下發展方式：①深入研究商業模式，分析多模型下的經濟可行性；②嘗試魚菜新搭配，優化系統構成，增加系統的經濟效益；③加強政府支持，優化魚菜共生市場結構，推廣魚菜共生技術的應用。

3.4 魚菜共生系統呈現多元化融合創新

在研究現代魚菜共生系統的同時，國內外也積極探索魚菜共生的多元化發展。美國和阿肯色州亞利桑州的研究表明，魚菜共生的多元化發展有利于發揮自身的潛在價值，創造更高的經濟收益，增值服務包括開展與魚菜共生相關的農業旅游、農場參觀、技術培訓和研討會等[33-34]。作為集成多學科的現代化體系，魚菜共生被賦予了創造經濟價值的多種可能。我國黑龍江省的農墾山河農場結合市場需求和園區模式，成功形成“觀光+采摘+私人訂制”的多元化魚菜共生發展格局[35]，創造了顯著的經濟收益。

此外，也可以結合地域文化和市場需求等，打造個性化的生態餐廳或科普講座，并且通過線上渠道推廣魚菜共生，形成多元化發展的特色魚菜共生體系。同時，還可以將鹽生植物和海洋養殖魚類進行創新結合，嘗試構建新型“咸水魚菜共生”培育體系，初步實現海洋農業化生產。

4 展望

魚菜共生系統是極具創新的新型綜合種養模式，能在植物、動物和微生物間達成互利共生的協調發展，是解決現代農業生態危機、資源匱乏和糧食安全危機的有效途徑。國內在魚菜共生系統的研究中起步較晚，目前更多集中在中小型魚菜共生體系的應用上；而國外逐步轉向發展大規模商業魚菜共生體系，大部分理論基礎和現代技術相較于國內更為成熟。整體而言，目前國內外對于魚菜共生的研究與發展仍存在較大不足，未來需要深入研究系統的物質轉化及循環機制、優化系統結構和配比關系、建立全面智能化和自動化集成體系、提高系統經濟效益以發展大規模商業化魚菜共生系統，推動魚菜共生系統的多元化融合創新發展。