基于物聯網魚菜共生系統的研究

劉來毅，張曉娟

（遼寧農業職業技術學院，遼寧 營口 115009）

自20世紀70年代，美國和澳大利亞相繼提出“魚菜共生”這一理念，打破了傳統農業的平面、線性化耕作的方式，建立了一套三維立體、可循環的種養3D模式。在50多年的發展過程中，吸引了眾多農業行業相關人員對其進行研究。這種模式在有限的區域內，能夠提升空間的有效利用率，從而增加可觀的經濟效益，同時養魚、種菜和水中的微生物形成一套小型的生態系統，實現“養魚不換水，種菜不施肥”的綠色、高效、環保的閉環3D循環復合共生的種養方式[1]。雖然這種方式越來越成熟，但對現代職業農民也提出了新的挑戰。聞道有先后，術業有專攻，種植和養殖雖然都是農業行業，但是對于農民來說很難同時掌握種植與養殖的技術，所以僅僅靠經驗很難保證整個閉環系統中每個環節都不出現問題，如果出現問題整個生產鏈就不會處于最佳的運行狀態，甚至遭受嚴重的損失。這就對整個魚菜共生系統的監測提出了更高的要求，想要得到更精準的環境參數就需要先進物聯網技術的介入，因此基于物聯網的魚菜共生系統具有廣闊的發展前景。

一、基于物聯網的魚菜共生技術發展現狀

（一）魚菜共生技術發展現狀

在早期就已經出現了魚菜共生的雛形，比如東南亞一些國家在稻田中養魚和我國珠三角地區的桑葚結合魚塘等等。隨著時間的推演和經驗的積累，這種模式變得越來越多樣，稻下養蟹、林中養蛙也得到了一定的推廣，但是對于魚菜共生這一技術進行系統的研究起步是比較晚的[2]。魚菜共生系統是將水產養殖與水耕栽培相結合的復合生產模式，其最初目的是減少生產成本和增加額外的經濟收益。隨著研究的深入，這種模式還可以解決傳統水產養殖過程中池水污染問題，傳統的水產品養殖方式可以分為自然水體和非自然水體養殖，不論哪種方式在養殖過程中，水產品產生的糞便及飼料殘餌經過微生物分解會產生氮、氨等成分，使水體富營養化降低養殖水體的含氧量同時產生有毒氣體，威脅到水產品的安全。為了解決這一問題，最簡單直接的方式是直接將養殖的尾水排放到土地、河流和湖泊等自然環境中，但這會造成環境的嚴重污染[3]。我們可以轉變思路，養殖尾水恰好是種菜的天然有機肥料，這樣將魚菜有機共生達到循環利用的目的已經被廣泛的接受。目前，已經有40多個國家和地區啟動魚菜共生項目，在我國的北京、上海、山東、浙江、江蘇、四川、湖北、廣東等多地已經形成一定的產業規模[4]。

（二）魚菜共生系統中物聯網技術應用現狀

在國外魚菜共生系統研究十分細致，大致可分三種：NCSU模式，在溫室內使用固體基質作為在培床，固體基質選用的材料主要是過濾性好砂礫和陶粒，養殖池中的水灌溉地面蔬菜然后經過過濾吸收，循環水再次返流回養殖水池中，這一模式成為溫室小型魚菜共生系統的原型；UVI模式，這一模式主要的特點是植物栽培不需要固體基質，水耕植物直接栽培在養殖池的浮閥上，水產養殖與水耕栽培直接相連，適用于戶外大規模生產；INAPRO模式是匯集了高智能傳感器、智能控制、遠程網絡管理的基于物聯網技術的封閉式魚菜共生系統[5]。

就目前來說，魚菜共生系統的研究越來越成熟，但是大多魚菜共生系統中的環境監測、勞動輸出和全局管理還是以人工為主，這就帶來了很多弊端，首先是一套系統兩種產物，這無疑增加了勞動強度，尤其在生產旺季會需要更多的勞動力；其次，在生產管理過程中魚菜共生系統對管理者的要求更高，管理者不僅要熟悉水產養殖還要精通水耕栽培；再者，針對魚菜共生系統的環境監測人工方式主要依靠經驗，準確率低；最后，魚菜共生系統的參數采集是有研究意義的，依靠人工很難采集。所以現在很多的研究者認識到物聯網技術應用到魚菜共生系統中可有效地提高研究結果的可控性、數據的準確性，為魚菜共生技術的進一步完善提供更有效的理論和技術支撐。

利用無線傳感網可以全天候監測生產環境，并且準確地記錄室溫、水溫、水中的溶氧量、水的透光度、池水的PH值等環境參數，從而能降低勞動強度、減少勞動力、保證精細化管理和采集精確數據。馬子超等[6]在基于ZigBee的魚菜共生系統設計研究中闡述了基于STM32設計的魚菜共生監測裝置，可以實現遠程監控魚菜共生系統的環境參數，并且可以完成自動投料喂魚等遠程控制功能?？递x等[7]在基于Arduino的魚菜共生控制系統設計中搭建了一款人機交互平臺，可以實現有遠程監控、有效調節控制環境參數和遠程數據的高效傳輸。孫劍等[8]在基于物聯網的魚菜共生環境監測系統的研究中闡述了信息感知模塊、信息傳輸模塊和信息處理模塊的實現，最終提高魚菜共生系統的管理水平。

二、物聯網+魚菜共生系統的優勢

（一）綠色環保

2015年原農業部制定出臺了《農業部關于打好農業面源污染防治攻堅戰的實施意見》，要求確保到2020年要實現“一控兩減三基本”的目標。這其中，“一控”是指控制農業用水總量和農業水環境污染，確保農業灌溉用水總量保持在3720億m3，農田灌溉用水水質達標。“兩減”是指化肥、農藥減量使用。“三基本”是指畜禽的糞便、農膜、農作物秸桿基本得到資源化利用和無害化的處理。

魚菜共生系統設計理念與實施意見的目標完美契合。在“一控”上，魚菜共生系統利用水耕栽培的植物吸收水中的氮、磷等元素，使魚塘用水可以循環利用，達到節約用水的目的；在“兩減”上，魚菜共生系統完全可以自證清白，如果對蔬菜使用化肥和農藥必然會污染水體進而危害水產品，同時水耕栽培采用無土栽培技術也避免了土壤中的重金屬對農產品的污染；在“三基本”上，魚類的糞便被微生物分解給蔬菜提供養分，避免了尾水污染環境，形成了資源化利用和無害化處理。

（二）集約增產

在目前農業生產中，選擇優良品種時單位面積的產量基本確定，要想達到更高的產量最直接的方法就是增加種植面積，如果從空間的角度思考來提高生產密度不失為一個更好的方法。魚菜共生系統就可以有效提高農業生產密度，在水下、水面甚至水上均可以搭建農業生產環境，充分利用了農業生產空間，一改傳統農業粗放式的生產模式，最大程度提升養殖和種植的效果。徐偉忠等[9]在垂直式魚菜共生系統的構建中闡述了螺旋梯田構建的原理、設計以及建造材料的加工安裝，有效將平面農業轉向空間農業，擴大了作物種植的表面積，將農產品的生產空間無限拓展。

（三）自動高效

魚菜共生系統相當于一個小型的生態系統，在這個生態系統中生物鏈是不完整的，所以需要全方位的監測，結合了物聯網技術的魚菜共生系統可以指導養殖者更加精準的干預。魚、菜、微生物生存的介質是水，所以對水中參數檢測是十分重要的，物聯網系統能夠全天候的監測水中的PH值、含氧量、水溫和渾濁度等，并能夠采集準確的數據，同時物聯網系統可以根據環境閾值和時間閾值來自動控制養殖水體的循環過濾、主動增加水中溶氧量、水溫控制和自動投放魚飼料。同時系統采集的數據也是寶貴的財富，可以通過數據的比對來研究魚菜共生系統的最佳環境參數，對未來魚菜共生系統擴展提供有效的指導數據[10]。

三、物聯網+魚菜共生系統存在的問題

（一）以魚為主還是以菜為主

魚菜共生系統中養魚和種菜都會產生經濟效益，到底是以養魚為主要經濟來源還是以種菜為主要經濟來源目前仍然存在爭議。Bosma在魚菜共生的經濟可行性研究中提出[11]，多數魚菜共生農場中出現虧損主要的原因是農場主以蔬菜為主，養魚則是副產品，因為養魚的投入比種菜的投入要大，卻不是主要的收入來源，造成生產成本增高最終導致了整體出現虧損。而蔡淑芳等[12]在魚菜共生系統經濟可行性中的研究結論為要以水培植物生產為主，研究表明水培植物比養魚具有更高的盈利能力，因為植物種植成本低，成熟周期短，經濟價值高而且生物轉換率比魚類好，以典型的羅非魚-萵苣共生系統為例，在國際調查結果中可以看出，調查者從萵苣中獲得的收益更多。

（二）氣候類型多樣

我國幅員遼闊，緯度上南北跨越的近50°，海拔上西高東低，氣溫與降水的組合多種多樣，形成了豐富多樣的氣候。農業的生產活動與氣候息息相關，魚菜共生系統也不例外，不同地域、不同緯度、不同的海拔、不同季節很難統一養殖標準，所以很多有關魚菜共生系統的研究很難對所有的需求者給出有針對性的指導意見。尤其在冬季，北方與南方隨緯度的降低溫度梯度十分明顯，水產養殖對水溫是有要求的，水耕栽培對水溫和室溫也都有要求，同時過低的溫度也會導致微生物活性降低，不利于分解水中魚類排泄物，所以這就對整個魚菜共生系統維持適宜的生長環境提出了更高的要求。Love等[13]在魚菜共生系統的經濟性和可行性研究中指出，在冬季溫度寒冷地區為了維持適宜溫度的需要額外的成本支出，所以氣候溫和地區魚菜共生系統的經濟效益是寒冷地區的4倍。

（三）物聯網技術推廣難度大

物聯網是第三次信息革命的關鍵技術，基于物聯網技術的魚菜共生系統能夠實現自動控制、智能管理、遠程監管和數據分析等功能，但是由于物聯網技術仍然處于較低水平發展階段，感知層、傳輸層和應用層都沒有統一的標準，物聯網相關設備廠商眾多，產品功能相似但是接口標準不統一，不利于整個系統的擴展，而且針對魚菜生命系統的傳感器相對較少，這就很難保證能夠精準的采集數據和控制管理，難以實現魚菜共生系統的智能控制，大大降低了物聯網技術應用效果，制約了物聯網技術發展和農業資源的共享。搭建物聯網系統需要配套的資金，物聯網的每個層設備的質量、精度和穩定性越好價格就會越高，對應后期的運行、管理和維護的成本也越高，這無疑增加了以魚菜共生為主要產品輸出的企業和農戶的生產成本，就魚菜共生系統的盈利能力而言，雖然盈利項目多，盈利能力強，但是它的投資回收周期長，投資風險較大，所以這就加大了在魚菜共生系統中推廣物聯網技術的難度。

雖然魚菜共生系統和物聯網技術都有它們的問題所在，但這都掩飾不了它們的優勢。魚菜共生系統的高效多產、綠色環保和節約減排是有機農業和循環農業的典型代表作，隨著政府對農業扶持力度加大和環境保護政策的收緊，魚菜共生系統的優勢越來越突顯出來，同時物聯網技術也在高速適應智慧農業框架下的魚菜共生系統，越來越多物聯網企業參與到魚菜共生系統的建設中，不斷推進可持續性農業的發展，在未來基于物聯網的魚菜共生系統一定會有廣闊的發展空間。