基于養分循環的智慧農業系統組件
——微型菜-豆-魚水培子系統的設計和構建*

李劍峰 ，黎興楊 ，張淑卿 *，郭金梅 ，丁 波 ，韓寶銀

（1.貴州師范學院 喀斯特生境土壤與環境生物修復研究所，貴州 貴陽 550018；2.貴州師范學院 地理與資源學院，貴州 貴陽 550018）

隨著城鎮化的加速，城市居住及辦公空間獲得不斷改善的同時，綠地及有限的栽培場地被建筑物所取代。原有依靠花盆、綠化帶等空間開展的城區土壤平面種植栽培模式，已不適合于當前城市綠化和都市農業的發展。利用城市住房陽臺、庭院、屋頂和墻體等閑置空間進行立體化栽培成為城市綠化和微農業系統發展的有效模式[1]。但伴隨著城市居民生活節奏的加快和旅游、出差等短期外出活動的增多，植物水培中營養液的更換等措施難以由非專業人員配比操作而成為痛點問題。魚菜共生栽培-養殖模式是近年來興起的一種復合栽培模式[2]，整合到遠程智能農業系統中具有投入少、產值高、低碳環保等特點[3]。豆類植物通過水培依舊可被根瘤菌侵染形成根瘤并向外部環境釋放氮素[4]，連接菜-豆-魚三者間的物質能量代謝形成整體的協同運作，實現養魚不換水卻無水質問題，種菜不施肥卻能獲取足量養分的微型生態循環體系[5]。本研究通過將復合栽培-養殖體系中動物、植物、固氮微生物三者間構建一種平衡關系。以秸稈浸提物（CSE，Corn stalk extract solutions）植物源營養液作為植物水培和魚類生存的營養液[6]，以豆類根瘤菌共生固氮為營養液補充氮素。由于整個系統無需農藥化肥，將是未來發展綠色無土農業生產的有效模式。本研究設計組裝的家庭栽培裝置利用這一原理，不僅保證了栽培蔬菜的養分供給，也為栽培設施賦予了教學、娛樂和觀賞的多種功能。

1 材料與方法

1.1 實驗場所概況

本研究以貴州師范學院求真苑4樓西端樓頂露臺為設備安裝場所。場地長864cm，寬768cm，從南面進入，東面是墻壁，西北側是護欄。以東西方向軸線將試驗陽臺分為兩部分，模擬建筑物封閉陽臺和露天陽臺環境。外側保留露臺格局模擬露天陽臺，進行立體栽培設施的設計，安裝和調試。用于檢測及調試智能栽培裝置的穩定性和可靠性。

1.2 設備及材料

水培設施PVC管材：11cm口徑管材5根，每根380cm，直通10個；11cm變5cm轉接頭10個；5cm管材15根,每根300cm；5cm變2cm轉接頭20個；2cm管材80cm。根據場地把PVC管組裝成水培架，12/16高壓軟管5m。栽培設施使用5m的潛水泵進行營養液的循環流動。

水培管道設計加工，以11cm直徑的PVC管作為管道水培蔬菜的主要構件，管上直線開6cm孔，孔間距12cm，孔內放置定植籃。合理搭配魚菜種類要注意保持魚-菜間的養分需求平衡并考慮季節變化等因素[3]，可選用生長迅速的蔬菜和代謝旺盛的魚類[7]進行實驗。管道構架下置盛放植物源營養液的敞口水箱用于養魚，用水泵把水箱中的水抽到水培管中形成半閉合的循環系統。制作栽培管時，在PVC管上每隔15.02cm開6.03cm的孔（如圖1）。每根11cm直徑PVC管以直徑5cmPVC彎頭管件上下連接，使每層栽培管道都有1-2cm的儲水深度，并由上至下連通。栽培管組裝完成后用鋁合金支架支撐，考慮魚池高度，支架與地面距離為75cm，栽培管間距為25cm。考慮到上下層栽培管間的采光效果，并且盡量節省陽臺空間，支架與地面的夾角為77°，栽培管間距為25cm，整個支架高度220cm。設備系統的正、側和實物圖如圖2-圖4所示。

圖1 菜-豆-魚共生系統水培管件圖

圖2 菜-豆-魚共生循環栽培系統正視圖

圖3 菜-豆-魚共生系統側視圖

圖4 菜-豆-魚共生系統實物圖

初始的菜-豆-魚共生營養液采用CSE植物源營養液并參照李劍峰等的方法制備[6]，營養液配成20倍母液，高壓濕熱滅菌40min后保存備用，使用時加滅菌后的自來水稀釋并調整pH為±7.0。水培管架各層間由彎管連通，頂部兩層管道栽培拉巴豆，由拉巴豆-根瘤共生固氮為管道內的營養液進一步補充氮素，下面三排選擇黑葉白菜和蘿卜等水培蔬菜。水培管道底部為盛有菜-豆-魚共生營養液的水箱作為魚池，養殖可通過花色特征區分、大小相近的錦鯉20尾。魚飼料為“統一”品牌的全營養鯉魚飼料，采購自統一線上旗艦店。設備運行后，魚的排泄物作為氮磷及有機質養分補充到魚池營養液中并沉積在水池底部，由潛水泵將底部殘渣抽提到栽培管道頂部，并依次流經管道拉巴豆栽培層，蔬菜栽培層，由水培植物根組織過濾后，再度進入魚池水箱水體并通過下落過程濺落產生的氣泡補充營養液的溶氧量（見表1）。

表1 植物水培植株數

共生水培系統于2017年10月1日開始運行，對魚飼喂量按其體重5%投放，最初2天飼喂一次，2周后每7天投放1次飼料。之后不再更換營養液，也不再補充魚飼料，僅以自來水補充魚池中蒸發耗散的水。期間菜-豆-魚生長始終保持正常，至12月份天氣轉冷，菜、豆植株漸次凋零，試驗于同年12月20日終止，總計生長時間50天，生長期結束后收集供試動植物材料稱重。

1.3 數據統計分析

實驗數據采用Excel2003收集和整理數據。利用SPSS17.0統計分析軟件進行數據分析（Ducan法，P<0.05），其中，不同小寫字母代表處理間差異顯著。

2 結果與分析

2.1 水培植株生物量

由表2可見，水培植株中黑葉白菜在50天的生長期內100%成活，拉巴豆和水培蘿卜植株成活率均超過92%。表明水培方式不僅可用于兩種蔬菜，也適用于拉巴豆植株的水培。其中拉巴豆植株在整個實驗期間生長良好，單株根瘤數12～30個，根瘤的橫切面呈粉紅色或褐紅色，表明其有固氮能力，可作為菜-豆-魚體系中的供氮植物。黑葉白菜和蘿卜（葉片）生長良好，葉片鮮綠、平均單株鮮重均達到可食用的標準。僅就生物積累而言，黑葉白菜顯著高于拉巴豆和蘿卜，可作為最適合的水培材料。

表2 水培植株生長量

2.2 共生系統中魚鮮重的增加量

本研究中，在共生水培系統中投放的20尾魚在50天內全部存活并正常生長。由表3可見，隨機選取的8尾錦鯉在50天內鮮重增加12.5%～20.8%，這表明所使用的CSE植物源營養液在50天內無明顯的毒素積累，適用于觀賞錦鯉的養殖。進一步證實營養液在魚池和水培管道間的流動，能實現共生栽培系統中氮、磷養分及動植物產生的殘渣等有機質的穩定循環。而觀察發現，魚池底部的魚體排泄物隨營養液被水泵提升至上方栽培管道中，流經植株根系時被層層阻滯，而植株凋落的殘根、葉片等有機質隨水流進入魚池后可被魚采食，實現了該栽培-養殖系統中營養液水體的自凈和養分補充。同時，在設備運行初期CSE營養液在最初2周內有酸化的趨勢，pH值一度降低到6.0左右，但在無人為干預調節下營養液的酸堿度逐漸恢復到中性，表明該系統對酸堿度有自我調節恢復的作用。

表3 共生系統中魚的生長增加量*

2.3 共生系統運行中出現的問題

本研究中，設備露天安置、采光良好。日常的維護操作并不多。主要是在室外管道栽培時要防止風雨過大時吹落定植杯，及時給儲存營養液的魚池內維持到正常水位。尤其是氣溫過高或植物生長最為旺盛的時期，營養液水份耗散迅速，需防止營養液內養分濃度過高，對于魚及蔬菜植株產生毒害[5，7]。

3 結論

立體水培不同于傳統的土耕模式，便于利用立體空間，節約土地資源[8]。魚菜共生可在控制條件下利用魚的分泌、排泄物、植物根系及飼料殘渣等轉化為可供蔬菜利用的營養物質，并將蔬菜生長中對營養液中養分、殘渣和鹽類的吸收凈化水質的循環利用模式[9]。本研究中的菜-豆-魚循環栽培系統將種植裝置和養殖水體分離，將養魚箱中循環的植物源營養液經潛水泵由管道運輸至水培蔬菜根系，魚產生的排泄物等被根系持留，為蔬菜提供養分。水流被植株吸收凈化后又返回養魚水箱，利用高度落差使水流進入魚池時激起氣泡為魚補充氧氣，水流帶來的植物殘根等作為魚的食物。這一封閉的循環系統，效率高且系統穩定，可最大限度簡化操作流程實現養分和物質循環，實現水培蔬菜的不間斷生產，無雜草隱患。由于裝置清洗便捷，對于蟲害生長抑制效果明顯，在生長維護中免去了大量除草劑、農藥的使用。極為適宜遠程無人管護智能農業的發展需求，而植物源營養液的使用也使水培蔬菜脫離了化學配方營養液的限制，實現了蔬菜無土栽培的無化肥模式。這一過程中，植物源營養液的養分濃度和pH控制是技術的關鍵。以沼液進行蔬菜水培優于化學配方營養液，能顯著提高葉片面積和生物量積累，但60%以上濃度的沼液會提高生菜體內的亞硝酸鹽積累量[10]。綜上，菜-豆-魚共生水培裝置相比現有菜-魚共養體系，具有通過豆類植物的快速生長和固氮緩沖或調節營養液中磷、氮的過量積累或虧缺，并具有能持續補充速效氮素養分的優點。本研究所試制的水培設備原理簡單實用，易于操作，適用于空間較小的家居陽臺或辦公、展示和休閑場所，也更容易實現養分、水分的監控和智能化升級。盡管初期需要一定設備、材料和技術的投入，裝置也需要低強度的維護和管理。但這種設備在一次性安裝運行后控制簡單、穩定性好，易于推廣使用。目前，該設備已獲專利授權，專利授權號ZL201521122912.2[11]，已接入貴州師范學院智能陽臺農業教學點的遠程無人值守水培/養殖系統，其循環自持力可實現長達45天的無人現場值守操作，具有良好的發展前景和應用潛力。