魚菜共生發展歷史、典型模式與發展趨勢

徐琰斐，張宇雷，顧川川，劉 晃，倪 琦

(中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，農業農村部漁業裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092)

魚菜共生(Aquaponics)是由水產養殖(Aquaculture)和水耕栽培(Hydroponics)組成的復合詞匯。聯合國糧食及農業組織(FAO)對水產養殖的定義為養殖水生有機物，包括魚類、軟體動物、甲殼類和水生植物等的養殖；對水耕栽培的定義為，在無土基質中生產植物，植物通過水輸送獲得生長所需的所有營養物質[1]。基于此，FAO對魚菜共生的定義為：循環水養殖和水耕栽培在一個生產系統中的集成[2]。其原理是將水產養殖排放水經微生物硝化作用后轉化為植物所需的營養物質，植物對營養物質的吸收又可為水產養殖凈化水體[3]。

魚菜共生的主要特點：一是水資源利用效率高。根據FAO統計，全球農業生產消耗了67%的可使用淡水，在中東、北非地區比例更是達到了90%[4]。在魚菜共生系統中，日換水量約為0.3%～5%[5]，是一種非常節水的生產方式。二是氮源利用效率高。在普通水產養殖模式中，魚類生長只利用了約25%的氮源，其余75%被排放到環境中[6]，而魚菜共生由一種氮源(魚飼料)生產兩種農產品(魚和蔬菜)，能夠持續和高密度進行食物生產。三是對環境友好。魚菜共生系統不使用化肥和農藥，目前，全球氮肥生產所消耗的能源占農業生產所需能源的57%[6]，同時，地球上的磷酸鹽儲量預計在60～70年以后將減少一半[7]，減少化肥使用對保護環境具有重要意義。魚菜共生有望成為解決全球人口增長和資源緊缺等問題的生產方式之一。

1 魚菜共生的歷史進程

1.1 理念起源階段(1970年之前)

魚菜共生在歷史上有跡可循，人們利用魚的排泄物為植物施肥的概念已經存在了數千年，亞洲和南美洲早期文明都采用過將養魚與植物種植相結合的生產方式。三國時期《魏武四時公制》記載：“郫縣子魚黃鱗赤尾，出稻田，可以為醬”，意思是在稻田里捕到了鯉魚[8]；公元1 100～1 350年，南美洲阿茲特克人將植物種在木筏等材料做成的浮島上，利用人工浮島的方法發展農業，稱之為“奇南帕(Chinampa)”[9]；但是，直到20世紀前，農業生產者很少主動將魚放入稻田進行養殖[10]，偶有一些低密度的水產養殖對植物生長也沒有實質的營養物質支持，與現代的魚菜共生還有較大的差異。但這些營造共生環境的方式可以認為是現代魚菜共生理念的起源。

1.2 萌芽階段(1970—1990年)

20世紀70年代，美國南伊利諾大學Lewis教授首先在伊利諾斯漁業和水產養殖中心(前身為南伊利諾斯合作漁業研究實驗室)構建了以斑點叉尾鮰(Ictaluruspunctatus)與番茄(Solanumlycopersicum)結合生產的魚菜共生系統，并在美國漁業學會(American Fisheries Society)下屬期刊發表了數篇有關魚菜共生的論文[11-13]。20世紀80年代初期，美屬維爾京群島大學(University of the Virgin Islands)的James Rakocy博士研發了第一個大型商業規模的魚菜共生研究系統(UVI模式)，開展羅非魚(Oreochromisniloticus)和水培生菜(Lactucasativa)生產試驗，后續又進一步提出了UVI模式的生產標準，完善了魚菜構成比，在保持系統生態平衡的同時，較大程度地提高了魚和蔬菜的產量[14]。同時期，美國北卡羅來納州立大學的Mcmurtry博士研發了溫室魚菜共生系統(NCSU模式)，采用固體基質(細沙)栽培植物，是小規模魚菜共生的原型[15]。UVI和NCSU模式的出現催生了現代魚菜共生在美國的發展。

1.3 全球拓展階段(1990—2010年)

20世紀90年代，Rakocy博士在美屬維爾京群島大學開設了魚菜共生培訓課程，推動了魚菜共生理論和技術的傳播[14]。基于現代農業技術進步、全球人口增長以及土地和水資源減少等因素，進一步促進了魚菜共生在全球的發展，據統計,至少有43個國家和地區開展了魚菜共生研究和實踐[16](圖1)。世界各國根據技術發展水平以及對不同魚類、蔬菜品種的需求，對魚菜共生系統進行本土化改進和發展。中國于20世紀90年代由中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所丁永良等[17]引進魚菜共生系統并開展實驗研究，設計了國內首套實驗性魚菜共生裝置。歐洲對不同魚類、蔬菜種類以及不同水培單元形式開展技術研究[18]，優化魚菜共生系統參數，提高產量。美國Nelson and Pade公司[19]改良了UVI模式，研發了成熟的家用和商用魚菜共生系統，并出版書籍、開展課程培訓，成功地進行了商業化運作。

圖1 1990—2019年世界各國/地區論文數量Fig.1 Number of papers by countries/regions from 1990-2019

1.4 快速發展階段(2010年至今)

2010年，歐洲議會研究服務局的一項報告將魚菜共生認定為是“可以改變生活的十項技術”之一，認為其是有望改變滿足持續增長的人口對糧食需求的生產方式[20]。Yep等[6]研究顯示，關于魚菜共生的引文數量自2010年后逐年遞增。從國內看，在中國知網(CNKI)以“魚菜共生”為關鍵詞，對截至2019年的相關中文期刊進行檢索，得到全文涉及“魚菜共生”的論文有1 285篇，論文發表數量自2010年以后呈現出快速增長的趨勢(圖2)。一項調查顯示，截至2017年，全球魚菜共生市場銷售額已經達到5.34億美元，此后預測將以年復合成長率15.9%成長，至2026年達到20.16億美元[21]。調查認為，基于對有機水果及蔬菜需求的增加，傳統農業和水產養殖技術的進步以及對可持續發展的要求等因素，魚菜共生市場將快速發展并在未來進一步擴張。魚菜共生技術自20世紀70年代開始萌芽，經由1990—2010年在全球平穩發展期，在近10年迎來了快速發展階段。

圖2 發表論文年度變化趨勢Fig.2 Annual trend of published papers

2 魚菜共生系統典型模式分析

2.1 耦合型魚菜共生系統

耦合型魚菜共生系統是指由水產養殖單元和水培單元組成的一個單向閉路水循環系統，系統中所有水池只有一個水流方向。Rakocy博士建立的UVI模式是典型的耦合型系統[14]，被認為是現代魚菜共生的原型。該系統由魚池、沉淀池、過濾池、脫氣池、水培槽(浮筏栽培)和蓄水池等組成(圖3)。水從魚池經重力作用通過沉淀池和過濾池去除大顆粒固體和懸浮顆粒，經脫氣池后進入水培槽，微生物將水中的氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，并進一步轉化為硝酸鹽氮供植物吸收利用，水中營養物質被植物吸收后，水流至系統最低點的蓄水池，經水泵抽取回到養魚池，完成整個系統循環過程。通過魚池蒸發、植物蒸騰和排污而損失的水通過蓄水池收集雨水補充。經24周生產試驗[14]，羅非魚收獲時平均養殖密度為61.5 kg/m3，平均生長率為4.4 g/d，飼料轉化率(FCR)為1.7；紅羅非魚收獲時平均養殖密度為70.7 kg/m3，平均生長率2.69 g/d，飼料轉化率為1.8，與傳統循環水養殖效果相當；水培羅勒(Ocimumbasilicum)產量為25 kg/m2，是傳統土培的3倍，證明了耦合型魚菜共生系統的生產力。該類型系統的主要優點是能夠充分有效地利用飼料中的氮元素，氮使用效率比傳統水產養殖高；水培槽發揮了與人工濕地凈化廢水相同的作用，減少了水產養殖排放對環境的影響；但是僅投入魚飼料作為魚和植物營養的來源，對植物而言,在營養供給的質量和數量上還有欠缺，可能因營養不足導致植物生長緩慢或枯萎，因此，水培品種的選擇通常被限制在一些低營養需求的生菜、羅勒等葉菜上；并且，魚類和植物由于共生在同一閉路循環系統下，植物生長對高營養鹽的需求和魚類生長環境需要低營養鹽之間存在難以協調的矛盾，彼此生長環境都未處于最優狀態，一定程度阻礙了系統整體產量的提升。

圖3 耦合型魚菜共生系統Fig.3 Coupled aquaponics system

2.2 解耦型魚菜共生系統

解耦型魚菜共生系統是近年在歐洲興起的一種新模式，是指包含子循環回路的系統，系統中水產養殖和水培單元具有獨立循環回路，各單元水質能夠得到更精細的調控。Kloas等[22]在溫室環境下構建了一種新型多回路魚菜共生系統(圖4)，該系統由羅非魚循環水養殖和基于營養膜技術(NFT)的水培番茄兩個獨立的循環單元組成，并通過單向閥連接。魚池排放水經物理過濾和生物反應器后進入水培調節池。水培調節池可根據植物生長所需的最佳條件，進行營養鹽添加、pH調節等水質調控措施后再將水輸入水培槽用于植物生長；在水培單元后端設置冷卻阱，用于凝結回收植物蒸騰的水分，再與經植物吸收營養鹽后的水一同返回魚池。研究表明[22]，羅非魚收獲時養殖密度為75.9 kg/m3，飼料轉化率為1.23，產量與常規循環水養殖相當；番茄產量約為0.99 kg/株月，比耦合型魚菜共生系統0.83 kg/株月的產量更高，且系統日耗水量僅為2.73%。解耦類型系統擁有水產養殖單元、水培單元和魚—菜共生單元3個循環路徑，特點是水產養殖和水培單元可相互獨立循環運行，能夠為兩個生產單元分別提供良好的生長條件，解決植物和魚類生長對不同營養鹽、pH的需求，實現魚和菜產量的最大化；還能夠避免病蟲害等問題在兩個單元之間互相作用造成的不利影響[22-23]，系統穩定性更好；為了使水培植物處于最佳生長條件，解耦型系統會額外向水培單元中添加營養液，增加了一定的運行成本[24]；并且解耦型系統構建方式更復雜，需要使用更多的泵管和水池，占用更多的空間等[14]，經濟可行性和盈利能力仍需要進一步研究。

圖4 解耦型魚菜共生系統Fig.4 Uncoupled aquaponics system

2.3 立體式魚菜共生系統

Khandaker等[25]將垂直農業技術與魚菜共生相結合，研究了基于種植墻技術(Living wall)的魚菜共生系統。該系統的無土栽培單元采用立體種植方式，由1 m2垂直排列的花盆組成(花盆以5排、8列的方式分布在由腳手架支撐的不銹鋼加強網面板上)，以椰殼纖維、礦棉等基質種植40棵羅勒，養殖排放水通過灌溉管抽取到最頂部一排的花盆里，水流經重力滲透基質后，從花盆底部連接的分支管道流到下一排花盆里，以此為植物生長提供養分。研究表明[25]，羅勒的平均生長高度為10.5 cm/月，頂部和邊緣的羅勒由于光照充足，比中間和底部生長得更好。傳統UVI模式在占用空間方面類似耕地種植，養殖單元、過濾單元和水培單元的面積占比是2∶1∶5，每平方米大約生產32株植物；通過種植墻等立體化生產方式，可以增加蔬菜種植的數量，每平方米可生產96株植物，是UVI模式的3倍[25-26]，顯著提高生產效率，證明魚菜共生系統結合立體栽培技術具有良好的前景。但是，立體化生產方式建設投入和能源消耗將更高，因為根據立體栽培的高度和種植分布情況，為保持光照均勻需要更多的照明設施，將水輸送到高處也需要更大的水泵功率；基質栽培方式容易堵塞灌溉管道，需要定期清洗，增加了勞動力；若系統超過4層種植高度，上層的管理和勞動力成本將增加25%[27]。

3 魚菜共生系統發展趨勢

3.1 系統構建向解耦型發展

隨著魚菜共生系統越來越多地擴大到商業型生產規模，系統的經濟可行性逐步受到關注。傳統的耦合型魚菜共生系統，由一個單向的封閉水循環系統組成，考慮到魚類和植物生長對營養和環境的不同需求，難以同時滿足水產養殖和水培單元對不同pH、溫度和營養鹽質量濃度的要求，阻礙了系統整體生產效率的進一步提高。2015年，Goddek等[28]提出了解耦型魚菜共生系統的概念，改進了耦合型系統單一水循環路徑的設計方法。解耦型系統中，養魚池和水培槽根據需要被設計為多個水流出口，建立了水產養殖和水培單元各自獨立的子循環回路，目的是對各個單元的水質進行更精細的調控，比如調節pH和營養鹽質量濃度，能夠達到在改變水培單元水質參數的同時不直接影響魚池水質的效果，可以有效提升產量。正是因為具有這種特點，歐洲近年來逐步轉向以解耦型為代表的魚菜共生系統研究。例如，羅斯托克大學(University of Rostock)建造了一個實驗性的半商業化規模魚菜共生解耦系統(Fish Glass House)[28]，研究了不同規模和品種組合的運行成本和生產效益；德國、荷蘭、西班牙、肯尼亞等國家也圍繞解耦型系統的產量提高、營養鹽質量濃度調節、營養鹽積累去除等方面開展學術研究和商業化運行。

3.2 系統布局向城鎮化、立體化發展

據統計，農業用地約占全球可利用土地面積的33%，至2050年，隨著人口增長對食物需求的增加，農業用地預計將增加7%～31%[29]。因此，農業生產在減輕環境負擔的同時，還需要發展集約化生產方式，提高可利用土地的單位產量，增加農產品供應。目前，規模化魚菜共生系統通常在溫室內建設，以控制環境、提升產量和經濟效益、避免自然災害。但溫室建設具有較高的投資成本，如在美國建造費用約為350美元/m2[30]，中國約為400～450元/m2，提高了行業進入門檻。Touliatos等[31]認為垂直農業是替代傳統農業的一個極具吸引力的方案，魚菜共生的生產能力、盈利性和可持續發展的特點可以結合垂直農業技術獲得進一步提升。立體化種植生產系統，包括托盤層疊、垂直的管柱/面板/墻壁等方式，占地面積較小，能夠在屋頂、廢舊工廠等閑置區域，或者住宅區、學校等離市場更近的城市區域建設，減少土地使用和物流成本，提高集約化程度[32]。例如，美國AeroFarms公司新建的垂直農場，通過層疊方式提升土地的使用效率，通過垂直空間利用與環境控制技術，單位面積產量預計是傳統農業的390倍[33]。英國瓊斯食品公司(Jones Food Company)的垂直種植設施，17層種植架堆疊到11 m高[34]，極大提高了土地使用效率。魚菜共生系統結合城鎮化和立體化生產方式，有望替代傳統水平生產方式，進一步提高農產品的生產效率和可持續性。

3.3 硬件設施向生態型、智能化發展

對魚菜共生成本結構分析顯示，勞動力、飼料和魚苗、能源約各占成本的1/3[27]，減少勞動力使用和能源消耗將是提升系統整體生產效益的重要方向。目前，自動化技術已經覆蓋照明、環境控制、灌溉、監測、分級和包裝等方面[35]，一些溫室作業生產已經基本實現自動化。新加坡格拉斯哥大學Kyaw等[36]設計并開發了一種小型智能魚菜共生系統，集數據采集單元(包括水溫、流速、pH、光照、測距儀)、報警單元、系統整改單元、中央處理單元、web應用、移動應用、云服務器于一體。該系統可以根據收集到的數據和用戶預設值不間斷監控水質、照明和飼料投喂，傳感器檢測到異常情況時不需要人工干預便可自動糾正，用戶可通過攝像監控系統進行實時觀察，并在移動端進行操作，初步實現了無人化生產。通過建筑-農業一體化(Building-Integrated-Agriculture,BIA)技術，實現溫室與主建筑之間的水、能源和空氣循環利用，具有進一步提升資源和能源使用效率的潛力。巴塞羅那自治大學(UAB Campus)建立屋頂溫室實驗室(RTG-Lab)[37]，將水培植物系統與建筑物環境控制技術進行整合，集成太陽能和雨水收集技術、循環水處理技術、氣候控制技術等，使空氣、水和能源在溫室與建筑物之間循環利用，提升了溫室與建筑的能源和水資源使用效率、經濟可持續性。未來隨著工業規模魚菜共生系統的發展，生態型和智能化生產方式對降低勞動力和能源成本的作用將進一步凸顯。

4 發展建議

4.1 加強氮磷轉化吸收機制研究

魚菜共生系統是一個閉路循環系統，日換水量不足5%，控制不當會造成系統中的氮磷等重要營養鹽物質缺乏或積累，不利于系統穩定運行和產出。建議利用同位素標記或分子標記等技術方法，開展氮磷轉化吸收與pH、流速、溶氧、碳氮比、微生物群落等影響因素變化的定量研究，闡明氮磷等重要營養鹽遷移、轉化的潛在反應過程，揭示氮磷等重要營養鹽轉化和吸收機制。

4.2 建立魚菜共生系統理論模型

魚菜共生系統構建和運行涉及多變量參數，掌握魚菜品種選擇和生物量配比、水溫、pH、溶氧、營養鹽質量濃度等水質參數，以及光照、溫濕度、CO2等環境參數相互作用關系，對構建穩定成熟的魚菜共生系統具有重要意義。建議開展魚菜共生系統理論模型研究，基于多變量參數進行統計分析、數學建模和仿真試驗，建立魚菜共生系統狀態的數學模型，為魚菜共生系統構建提供理論依據。

4.3 加強人工智能技術應用

魚菜共生涉及魚、植物、微生物，是一個多種生物相互作用的復雜生態系統，系統運行、維護和管理技術門檻較高，勞動力和能源成本也較大。加強人工智能技術與魚菜共生領域的融合應用，能夠減少人力和能源消耗，提升生產效率和經濟性。例如，研發集成基于計算機控制的智能設施，實現溫度、照明和通風系統與環境變化實時聯動；基于大數據分析技術，建立魚和植物的營養需求、生長模型，研發智能投喂、水質調控、采收技術和裝置，以期實現無人生產。

4.4 加強商業規模系統研究

經濟可行性是魚菜共生產業發展的前提，已有研究多基于小規模研究型系統，缺乏商業規模系統研究，經濟可行性仍有爭議[38]，建議加強商業規模系統研究，開展綜合性經濟評價。例如，針對中國不同氣候環境、不同生活水平區域開展本土化的商業規模系統試驗，研究不同區域、市場條件下，不同種養模式、產品類型、生產規模下魚菜共生的經濟可行性和商業模式。

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