景觀式魚菜共生系統設計研究

陳 華，邱 磊

魚菜共生將水產養殖和水耕栽培兩種不同的農業工程技術融合起來，是一種生態型農業新技術[1-2]，主要原理是系統中魚的排泄物等雜質通過種植區利用陶粒基質將蛋質、有機氮等大分子物質通過消化分解作用轉化為硝酸鹽被植物吸收利用，從而實現養魚不換水、種菜不施肥的生態農業.國外對于魚菜共生的技術發展模式主要包括利用深水浮閥栽培方法、適用于室外大規模生產的UVI模式和溫室內采用固體基質栽培的NCSU模式，兩種模式較為簡單，適用范圍較窄[3].國內的研究主要偏向魚菜共生技術以及集約化循環生產的實現.目前魚菜共生系統研究方向正朝著兩種趨勢發展，一種是工業化養殖方向，為追求規模效益已開始產業化運作，因其系統結構復雜，易受環境、種植品種配比和系統工藝等多方面因素的影響，導致投資成本高，風險大；另一種是休閑“家庭版”養殖方向，近些年還研發運用納米等高新技術[4].家庭種植蔬菜一般采用陽臺種植形式，需要專人管理其生長過程，客廳里養殖觀賞魚類因為產生排泄物以及過量魚餌，需要間歇換水以凈化水環境.為了節約資源，低碳環保，將家庭種植蔬菜與養魚有機結合，景觀式“家庭版”的魚菜共生系統應運而生.但大量研究表明，該系統仍存在諸多問題，如水產養殖中所投放飼料僅有小部分被利用，系統中容易在微生物作用下分解有害物質，導致系統水體富營養化等[5-8].

在目前“家庭版”魚菜共生的基礎上，通過研究安全穩定的循環水處理方法、增設光伏發電節能系統，監測反饋魚菜系統中生長參數（溫度、總溶解固體量、pH值、氨氮等）技術手段，研發手機APP系統，實時監測魚菜生存環境，以保證魚類觀賞區和水培種植區兩個系統的正常運行，基本不需換水，無廢化運行景觀式魚菜共生系統.

1 系統總體設計

該系統整體采用屋頂式結構，包括水草種植區、魚類觀賞區、水培種植區、光伏發電區、水質監測控制系統（見圖1、圖2）.水草種植區為底層，一是作為儲水箱，二是可布置水中植物，通過造型可營造不同視覺深度和層次感的景觀.水培種植區和魚類觀賞區為上層，均采用L型設計，相互契合，水培種植區采用陶粒基質栽培.

為保證水質要求以供應魚菜正常生長，達到系統養魚不需換水，種菜不用施肥的生態共生效應，該系統設計了三重過濾、光伏發電、水質監測等關鍵性配置，以保證系統正常運行.

2 系統工作原理

2.1 三重過濾系統配置

圖1 系統結構圖

圖2 系統功能圖

在水循環自動過濾系統中，利用水泵把水草種植區中的潔凈水抽送到魚類觀賞區，當魚類觀賞區的液面高于限制水位時，在溢流區中形成壓力差，溢流區底部開了大量的小口，水流通過溢流口排出魚類觀賞區，將混有雜質的水體帶入水培種植區（原理如圖3），此為一重過濾；魚類觀賞區流出的水富含蛋白質等大分子物質，這些物質不能被植物直接消化利用，通過基質栽培，并設置硝化細菌，通過消化分解作用將蛋白質、有機氮等大分子物質轉化為硝酸鹽被植物吸收利用.通過植物的吸收，降低了水體中營養濃度，避免了水體富營養化，且水培種植區的溢流管利用平衡壓力原理，在水柱上有規律的開設小孔，控制水流并且在小孔外側纏繞尼龍紗布，可以有效的避免種植區域營養物質的流失，同時凈化流入到水草種植區的水質（原理如圖4），此為二重過濾；水草種植區作為系統中最大的分區空間，在其間種植水草，一方面極大的利用了空間，滿足美觀要求，一方面通過水草的光合作用，可以為循環的水體中補充大量的氧氣，并凈化水質，此為三重過濾，如此往復循環，實現魚菜共生系統中的水循環自動過濾（圖5）.

圖3 溢流循環原理圖

圖4 溢流套管結構圖

2.2 光伏發電補光配置

為滿足整體美觀要求，以及為魚缸水體質量提供保護，將太陽能搭載區設計成屋頂樣式，既不影響觀賞系統內的魚類、蔬菜花卉生長狀況，也解決了光伏發電與設備用地的矛盾，充分利用了系統內面積，太陽能電池板與魚菜共生設備有機結合在一起，并裝配可調光度LED照明燈，及時為系統補光（圖 6）.

圖5 整體系統循環圖

圖6 光伏發電結構圖

2.3 系統水質智能監測配置

由傳感器、單片機、液晶顯示屏等組成環境監測系統，各類傳感器收集魚菜共生系統中環境因素，由單片機進行處理后，直觀地顯示在液晶顯示屏上（附圖7）.通過設備內的各種傳感器，時刻檢測系統內水體的酸堿度、溫度、氨氮濃度等數據.通過單片機將數據進行整合，時刻監測整套設備的運行情況，出現故障時報警系統會進行報警預示，可以及時處理，有效減少出現魚菜死亡的情況.

圖7 水質智能監測示意圖

3 系統性能檢驗與應用試驗

3.1 性能檢驗

為驗證魚菜共生系統中，水循環自動過濾子系統是否可以通過溢流區進行水循環實現系統水質凈化，實驗初期進行了系統運行，采用自來水20升放入魚菜共生模型中，且放入5條大小適當的金魚，進行30天的實驗，每天魚食固定投放2次，保證魚的正常生長，通過TDS測試筆進行魚類觀賞區的水質監測，并記錄數據，整理如下.

3.1.1 實驗分析

通過TDS測試筆記錄魚類觀賞區的水體總溶解固體量，進行數字化分析，從附圖8中可看出魚類觀賞區中，TDS含量初期因魚食魚糞等雜質的存在快速增加，隨著系統水循環自動過濾，TDS含量逐漸保持穩定，適合金魚生長.

3.2 應用試驗

系統設計出后，為探究魚菜共生系統的運行情況和經濟效益，進行了該系統的種養殖試驗.設置實驗組和對照組，實驗組為采用魚菜共生系統的種養殖，對照組采用傳統意義上的蔬菜種植和魚類養殖，除此條件，其他試驗條件適用金魚和生菜的正常生長.實驗組采用魚種為金魚，將5條適當大小的金魚放入水體積為20升的的魚類觀賞區內，試驗魚食采用市售含蛋白質含量32%，含水率10%的漂浮型魚糧，日喂飼量按載魚量2%計算，通過魚食自動投放器定時定量投放，對照組進行相同步驟；實驗組植物種植試驗蔬菜采用生菜，種植密度為100cm2/株，采用陶粒基質栽培，整個蔬菜栽培面積共900cm2，對照組也如此進行.經過30天的運行，觀察金魚和生菜的生長情況，并記錄數據，整理如下.

圖8 總溶解固體量變圖

3.3 試驗分析

（1）實驗初期，生菜對氨氮吸收的能力較差，水體中氨氮含量較高，實驗組和對照組的生菜狀況相似，隨著營養生理的加速，生菜的吸收和凈化能力增強，由于實驗組的營養循環，此組生菜較對照組長勢良好；魚類生長狀況和蔬菜大致相似.

（2）蔬菜栽培對系統水質有凈化作用，隨著循環次數增加，通過記錄數據，實驗組水體中氨氮含量在0.03mg/L～0.07mg/L，PH保持在7.02-8.09，溫度保持在21.5-26.90C，指標相對穩定，符合蔬菜和金魚的生長環境要求.

（3）通過水質監測可看出，魚菜共生系統平衡建立后，可實現不換水、不施肥的情況下，系統可自我調節，魚菜均可正常生長，達到了“養魚不換水而無水質憂患，種菜不施肥而正常成長”的生態共生效應.

4 系統發展前景

隨著城市農業不斷發展，綠色生態循環農業受到越來的關注，除了工廠化大型生態農業的研究，休閑農業也隨之流行.該系統采用水產養殖技術和無土栽培技術相互結合，具有營養物質再循環的生態效應特色，并具有以下三效益.

（1）魚菜共生可充分利用太陽能，使有限的水循環利用，且該裝置不僅在家庭陽臺、庭院，也可將水生動物養殖場、蔬菜作物種植園、花卉觀賞園和水族館等功能融合起來,作為城市景點建設，且該技術可與物聯網技術結合，通過無線智能傳輸將數據傳送到手機APP等智能終端，人們可隨時隨地接收系統數據，符合現代人生活方式，具有推廣價值，有一定的經濟效益；

（2）魚菜共生設施及配套技術的成功研發，使系統中的物質就地進行可持續循環，物盡其用，無廢化生產，最大幅度提高水資源利用率，具有一定的生態效益；

（3）魚菜共生是一種生態型可持續發展農業新技術，涉及魚類和植物的營養生理、環境、理化等學科，可以普及生態循環理念和技術知識，構建魚菜共生系統也是求證教育和體驗學習的方法，具有一定的社會效益.