武漢市溫室內魚菜共生循環農業案例調查

吳春紅，馮 威，左 樂，陳 高，陳禪友

（1.江漢大學生命科學學院∕湖北省豆類（蔬菜）工程技術研究中心，武漢 430056；2.武漢樂川現代農業科技有限公司，武漢 430000）

湖北省水資源利用效率較低［1］，武漢市人均耕地面積不足0.03 hm2，只有全國人均的38.5%，部分耕種土地還存在重金屬超標［2］。魚菜共生系統（Aquaponics）是一種綜合性的生產模式［3］，可以有效緩解土地和水資源緊缺問題。魚菜共生的雛形最早可追溯到1 700 年前東漢時期的稻田養魚［4］。隨著近現代農業科學技術的進步，魚與菜的共生從池塘轉移到設施內，能控制內部的光照、溫度、水分、氣體、肥料等多項指標，受外部影響較小，具備節能、高效等特點。

鄉村振興是使鄉村走上高質量發展道路，不是簡單的脫貧［5］。都市農業是鄉村振興的重要支撐［6］，設施魚菜共生是都市循環農業的一種新模式。研究魚菜共生農場的可行性及其效益，對鄉村高質量發展具有重要意義。本研究于2021 年12 月至2022 年4 月，對武漢市蔡甸區智順現代農業生態園樂川魚菜共生農場進行實地調查，分析了其水質狀況、栽培植物營養需求及產生的效益，并提出都市溫室魚菜共生產業模式的發展建議，以期助力產業升級和鄉村振興。

1 魚菜共生系統調查對象和內容

1.1 調查對象

調查對象為武漢市蔡甸區侏儒山街群力村智順現代農業生態園樂川魚菜共生農場。樂川魚菜共生農場地處東經113°44′，北緯30°25′，氣候條件屬于典型的亞熱帶內陸濕地型，四季雨量充沛。該地區上半年以陰天為多，光照不足，早春溫度變化幅度較大，喜溫蔬菜生長緩慢，抗病性變差，溫室適合種植半耐寒性蔬菜。下半年陰天減少，日照豐富，適合種植喜溫蔬菜。

1.2 調查內容

2021 年12 月至2022 年4 月對樂川魚菜共生農場進行實地調查。調查內容包括農場的區域規模、設施狀況、主要種養品種、銷售形式及價格等，同時開展魚菜共生模式下的經濟效益、生態效益和社會效益調查分析。

1.3 魚菜共生系統水質檢測和植物營養需求測定

1.3.1 水質樣品 2022 年4 月11 日在樂川魚菜共生農場采集循環系統各節點水樣，分別為魚池出水口、種植池進水口、果菜類種植池出水口、葉菜類種植池出水口、香料類種植池出水口、混種類種植池出水口，果菜類種植池、葉菜類種植池、香料類種植池、混種類種植池，共計10 處節點，并以當地自來水為對照。檢測水樣的溶氧度（DO）、pH、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨態氮、磷酸鹽、鉀鹽的含量。

1.3.2 水培蔬菜樣品 隨機取種植池內的水培蔬菜芹菜、生菜、薄荷各6 株，樣本平均質量分別為（731.1±135.2）g∕株、（167.6±7.5）g∕株、（56.4±13.3）g∕株，然后分別取樣檢測其根、莖、葉中氮、磷、鉀含量。

1.3.3 水質參數檢測方法 節點水樣采集后，現場使用試劑盒（表1）進行pH、溶解氧（DO）、氨態氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽、磷酸鹽、鉀鹽含量的測定。

表1 試劑盒品牌、檢測指標及其范圍

1.3.4 蔬菜樣品中氮、磷、鉀含量的測定方法 蔬菜中氮、磷、鉀的測定，參考NY∕T 2017—2011 中的試驗方法［7］。蔬菜樣品采用H2SO4-H2O2消煮法進行消煮，氮含量的測定采用凱式定氮法，磷含量的測定采用鉬銻抗吸光光度法，鉀含量的測定采用火焰原子吸收分光光度法。

2 魚菜共生系統調查結果

樂川魚菜共生農場占地2 300 m2，為南北朝向的多脊型玻璃連棟溫室，內部安裝參數監控裝置，通過物聯網相互連接，調控溫室內環境。

2.1 農場設施情況

魚菜共生循環系統由魚池、蔬菜種植池、機械過濾池、微生物反應池、水培管道5 個主要部分組成，布局如圖1 所示。

圖1 樂川魚菜共生農場內部布局

系統內共有11 個魚池，每個魚池的容積為9 m3，可投喂500 kg 魚，屬于高密度養殖。魚池結構為混凝土制掩埋式，長寬比接近1∶1 的平底方形槽，外部用藍色涂刷，正面上部鑲嵌一塊透明亞克力板用于觀察內部情況。因無曝氣設備，內部魚類活動情況清晰可見，觀賞性比較好。

蔬菜種植池共22 組，結構也是混凝土制掩埋式，平底長方形，外層涂藍色，池中放置挖圓孔泡沫板，加上海綿塞用于承載蔬菜，兩端分別設有進水口與出水口，蔬菜種植結構如圖2 所示。根據不同的蔬菜種類進行了分區，分別為果菜類、香料類、葉菜類、混種類（用于特色成果的展示），種植池兩側設置液氧系統不間歇供氧，增加系統內的溶解氧。

圖2 樂川魚菜共生農場蔬菜種植池

微生物反應池是整個水循環系統的關鍵部分，養殖魚類的廢水經過微生物反應池轉換為可供植物吸收利用的水分，且養分充足。機械過濾池處在魚池與微生物反應池之間，與微生物反應池等長等寬，床內鋪滿陶礫，用于分離魚池排出的水中的固體，如殘餌，避免有害氣體與有毒中間產物的產生。緊鄰機械過濾池，與其等長等寬，池上蓋塑料蓋板營造黑暗環境，池內曝氣，提供充足的氧水環境，內部放置塑料球形顆粒用于微生物定植。水培組件由水泵和管道組成，水泵提供動力，管道連接整個系統，使用塑料制成，將魚池內廢水連通到機械過濾池，過濾后通過管道進入微生物反應池，后分流至各蔬菜種植池，最后凈化的水回流至魚池內。

2.2 種養品種

樂川魚菜共生農場魚池內養殖的水產品主要有加州鱸魚（Micropterus salmoides）、鱔魚（Monopterus albus）、泥鰍（Misgurnus anguillicaudatus）、羅氏沼蝦（Macrobrachium rosenbergii）和錦鯉魚（Cyprinus carpio haematopterus）5 個品種。加州鱸魚又稱大口黑鱸，是棘臀魚科黑鱸屬魚類，在魚池內生長快且抗性好，能適應魚菜共生農場的生長環境，容易飼養，在市場上受眾廣、收益好；鱔魚又稱黃鱔，是熱帶魚，肉質鮮美，營養價值高；泥鰍是鰍科泥鰍屬鰍類，屬于底棲魚類，對低溶氧的耐受性強，不喜光，晝伏夜出，肉質勁道，受東亞地區人民喜愛；羅氏沼蝦是長臂蝦科沼蝦屬動物，從幼蝦到成蝦階段生活在淡水中，對溶解氧的要求很高，對養殖水體相對挑剔，是高級水產品，市場價值高；錦鯉屬于鯉科，在魚菜共生農場中主要供觀賞用。

魚菜共生農場內水培的作物種類見表2，其中生菜、芹菜、小白菜是食用綠葉嫩莖的速生蔬菜；花椰菜和紅菜薹屬于結球蕓薹類，根系比較淺；番茄和茄子主要產品為果實，此類蔬菜根系比較發達；蘿卜屬于肉質直根類，對水分的需求大。薄荷和迷迭香是芬香類蔬菜，單分一類。葉菜類、果菜類和香料類分別種植在不同的區域（圖1）。

表2 魚菜共生農場主要水培作物

3 魚菜共生系統效益分析

3.1 經濟效益

魚菜共生農場不施用營養液和農藥，產品定位是潔凈農產品。養殖的魚類腹中無因應激反應而產生的黑膜，品質和價格都較高，符合消費者的需求。農場30 d 可以收獲一批生菜，7～10 d 可以收獲一批香料，5～6 個月可以上市一批鱸魚、黃骨魚等水產品，具體產品種類和價格見表3，投資回收期相對合理。從企業的收入分析報告來看，收益較為樂觀。魚菜共生農場具備設施園藝的特性和循環農業對化肥依賴性低的特點，避免了傳統農業因為氣候和化肥價格波動而產生的風險和收益波動。

表3 魚菜共生農場售賣產品價格

一般魚菜共生從業者被分為3 類［8］：第1 類是銷售魚菜共生的魚和蔬菜；第2 類是銷售魚菜共生相關的服務和材料；第3 類同時銷售魚、蔬菜、服務與材料；第3 類的收入是第1 類的4 倍，第2 類的收入是第1 類的2 倍。樂川魚菜共生農場屬于第3 類，同時也在進行多元化的發展，提供農業科普和旅游觀光服務，擁有良好的產品結構。

3.2 生態效益

魚菜共生系統為閉環設計，只有自來水進水口，無排水口，日耗水量在1%～5%，無任何污染物排放。低耗水的特性不僅提高了水資源的利用效率，在水源相對缺乏的北方城市，魚菜共生系統也可以在低耗水的情況下提供水產品和蔬菜作物。魚菜共生系統中將蔬菜種植部分當作廢水處理器，具有一定的生態價值，不僅提供多種無污染的蔬菜產品，還將原來高污染排放的傳統水產養殖業和種植業升級為具有生態效益的新型農業。蔬菜的水培，同時節約了大量土地，減少了土耕栽培在施肥過程中因過量施肥造成的土地污染。

3.3 社會效益

樂川魚菜共生農場可以提供約15 個工作崗位，解決了部分農民的就業問題，提高了當地居民收入，吸引大學生回鄉創業，培養了新型農業人才，帶動了當地發展，增加了政府稅收。

農場的北側緊挨蔡甸區成功中學，可為學校提供實踐教學基地，科普現代農業知識。發展觀光農業產業可滿足人們對農產品的物質和精神需求，在一定程度上可改變人們對農業的傳統認識，為當地鄉村振興的高質量發展助力。

魚菜共生新型農業的發展推動了現代化農業設施的建設，各種監控調節系統的設計開發、精細化施肥的應用等，為高度依賴土地氣候條件和化肥農藥的傳統農業向現代化轉變提供了條件，改變了農業上游產業較為單一的現狀，加快了農業技術與產業的發展進程。

4 魚菜共生系統水質檢測和植物營養需求分析

4.1 魚菜共生系統各節點水質檢測結果

4.1.1 pH 由表4 可知，整個系統pH 穩定在6～7，符合魚類養殖和蔬菜生長環境要求，硝化細菌在pH 5.5～10.0 可進行硝化反應。魚菜共生系統為循環結構，系統的pH 處在各部分均能穩定運行的范圍是符合要求的。

表4 各節點水質參數檢測結果

4.1.2 溶解氧（DO） 除混種區外，溶解氧含量在6～8 mg∕L，混種區種植池內和出水口的溶解氧為5 mg∕L，可見混種類對溶解氧的消耗比其他分區多（表4）。魚池內的溶解氧為7 mg∕L，符合魚類生長的基本環境［9］，溶解氧在3～5 mg∕L 以下時會對魚類的正常生長造成嚴重影響，可能導致其無法存活，高飽和的溶解氧對魚類生長沒有明顯影響。

4.1.3 氨態氮含量 氨態氮濃度太低會導致植物生長緩慢、葉片發黃等癥狀，當濃度在0.5 mg∕L 以上時，可以促使植物生長，但當濃度過高，達到1.0 mg∕L時會抑制生長，使根生長過短［10］。系統的氨態氮含量在0～0.4 mg∕L（表4），種植池進水口和香菜類出水口含量較高，在0.2～0.4 mg∕L，沒有達到蔬菜生長的最適濃度。有研究表明，氨態氮達0.2～1.0 mg∕L 時會對魚類產生毒害，氨態氮會破壞魚類的鰓組織，使血液中的紅細胞失去與氧結合的能力，導致呼吸功能下降。氨態氮主要侵入黏膜，特別是魚的鰓表皮和腸黏膜，其次侵入神經系統，破壞魚等水生動物的肝腎系統，導致體表臟器充血、肌肉增生和腫瘤［11］。

除香菜類出水口外，各出水口的氨態氮含量為0～0.2 mg∕L，雖未達到蔬菜生長最適濃度，但符合水產養殖的標準［12］。系統為循環結構，維持這樣的氨態氮濃度符合魚菜共生系統的要求。

4.1.4 硝酸鹽含量 種植池中的硝酸鹽含量為10～20 mg∕L，且其對應的出水口硝酸鹽含量也在10～20 mg∕L，大部分蔬菜對硝態氮有良好的吸收性［13］。硝酸鹽濃度變化平穩，未對養殖系統造成影響。雖然硝態氮能增加植物生長、提高產量，但在循環系統內，硝態氮一旦過量，出現積累，則會抑制植物生長［14］。4.1.5 亞硝酸鹽含量 各節點的亞硝酸鹽含量均低于0.10 mg∕L，其中果菜類出水口、葉菜類出水口、混種類出水口、香菜類種植池、混種類種植池為0.05～0.10 mg∕L。亞硝酸鹽在系統中的含量小于0.10 mg∕L［15］，不會對魚類造成毒害。穩定運行的魚菜共生系統中的亞硝酸鹽含量應趨近于0 mg∕L，樂川魚菜共生農場系統內的亞硝酸鹽含量還有待進一步優化。

4.1.6 磷酸鹽含量 磷在系統中為非生物循環［16］，以磷酸根的形式存在，植物根系對磷有過濾和沉淀作用，根系在水中的接觸面越大，吸附作用就越強［17］，各節點中磷酸鹽的含量為10～25 mg∕L，說明磷在系統中有一定積累，系統中蔬菜根系未能將磷從水中有效分離。

綜上所述，該魚菜共生系統各節點水質檢測結果中，系統pH 在6～7，各節點均可檢測出亞硝酸鹽，說明該系統的硝化反應未能完全進行。磷酸鹽含量在10～25 mg∕L，在此檢測區間內未發生變化。硝酸鹽應該由微生物反應池中產生，各出水口的硝酸鹽含量在10～20 mg∕L，魚池出水口和種植池進水口的硝酸鹽含量在20～40 mg∕L，說明硝酸鹽在魚池中累積。

4.2 蔬菜樣品營養成分測定結果

4.2.1 3 種水培蔬菜中氮、磷、鉀的含量 樂川魚菜共生農場系統內水培的芹菜、生菜、薄荷3 種蔬菜各器官中氮、磷、鉀的含量如表5 所示。3 種水培蔬菜根中氮、磷、鉀平均含量分別為29.339、4.959、31.117 g∕kg，莖中氮、磷、鉀平均含量分別為22.896、4.335、35.324 g∕kg，葉中氮、磷、鉀平均含量分別為33.416、6.359、23.881 g∕kg。

表5 水培蔬菜中氮、磷、鉀含量（單位：g∕kg）

由表5 可知，水培蔬菜中氮含量，除芹菜莖為18.195 g∕kg，其余均較高，薄荷葉中氮含量最高，達41.202 g∕kg。3 種蔬菜中磷的含量均較高，芹菜葉中高達9.520 g∕kg。蔬菜中鉀含量，芹菜莖最高，達60.271 g∕kg，最低為薄荷的莖，含量為11.443 g∕kg。除芹菜葉和薄荷莖缺鉀外，魚菜共生系統可以提供3 種蔬菜生長基本所需的氮、磷、鉀元素。

4.2.2 植物營養需求分析 據研究，氮濃度為108.276 mg∕L、磷含量為24.8 mg∕L、鉀含量為363.012 mg∕L 時最合適芹菜水培［18，19］；生菜的最佳營養元素供應，氮濃度為123.81～125.15 mg∕L［20］，鉀的濃度為144.3 mg∕L［21］，磷濃度為15.5 mg∕L［22］。氮是影響蘿卜高產的主要限制因素，氮、磷、鉀含量的最優搭配為氮352.24 mg∕L、磷46.5 mg∕L、鉀315.9 mg∕L，可以兼顧生物產量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量［23］。精油含量及品質與氮、磷、鉀含量相關，氮濃度在210 mg∕L 時薄荷精油產量可達最大；磷含量與精油產量成正比，磷濃度為15.5 mg∕L、鉀含量為117.22 mg∕L 時薄荷精油主要成分檸檬烯含量及品質最佳［24］。小茴香在氮濃度為312 mg∕L、磷濃度為41 mg∕L、鉀濃度為243 mg∕L 時精油品質最佳［25］。

由圖3、圖4、圖5 可知，樂川魚菜共生農場系統內各種作物對營養物質的最佳需求不同，水培區內蘿卜的氮需求量為番茄的2.3 倍。蘿卜的氮需求量最高，為352.24 mg∕L，水芹的氮需求量最低，為108.28 mg∕L，前者是后者的3.3 倍。可見，該魚菜共生系統水質中氮含量只能滿足部分蔬菜生長發育的需求，對于氮素營養需求較高的作物，如不增加系統內氮的含量，則無法達到最佳品質。培養槽中磷含量水平中等，基本可滿足水芹、生菜、薄荷的需求，番茄的磷需求量最高，達50.69 mg∕L，生菜的磷需求量最低，為15.50 mg∕L。系統中鉀的含量可以滿足大部分作物的需求，葉菜區水芹對鉀的需求量是生菜的2.5倍。水芹對鉀的需求量最高，為363.012 mg∕L，薄荷對鉀的需求量最低，為117.22 mg∕L，前者是后者的3.1倍。因此，在同一個魚菜共生系統內很難兼顧各類蔬菜的最佳營養需求。

圖3 水培蔬菜氮最佳需求比較

圖4 水培蔬菜磷最佳需求比較

圖5 水培蔬菜鉀最佳需求比較

5 討論與結論

5.1 魚菜共生農場案例中存在的技術問題

據水質檢測和蔬菜中氮、磷、鉀含量測定的數據，結合文獻資料，發現魚菜共生系統運行還存在一些問題，溫室分區種植的蔬菜的最佳營養需求差異較大，很難兼顧多種蔬菜生長發育的需求；各節點的水質參數未能達到綜合最佳水平；磷含量偏高，有一定的積累現象；亞硝酸鹽偏高，接近臨界值等，同時尚缺乏對富余養分處理的途徑。

5.2 發展建議

該魚菜共生系統處于初期運行狀態，水質尚未穩定，亞硝酸鹽含量接近毒害的臨界點。綜合營養參數尚不能高效滿足蔬菜的營養需求，故提出發展建議。

1）重新劃區。統計農場內的各類作物，可以重新規劃栽培區域。如設立肉質直根區、結球蕓薹區、茄果區、瓜類區、豆類區、蔥蒜類區、綠葉嫩莖區、薯芋區、苗芽區等，使栽培條件和管理方法接近的作物歸類在一起，方便管理，還可以根據水培植物營養需求匹配魚類養殖密度和調節微生物魚類糞便處理能力。

2）最宜參數的確定。根據已有統計數據，得出每種作物的氮、磷、鉀含量關系，根據每個種植池∕區的參數建立多元回歸方程，通過數學模型計算本系統內最佳的各項參數；或確定每個分區的最低及最高營養需求量，保證系統內不會造成缺素癥或生長脅迫的發生。

3）向解耦式魚菜共生系統發展。在種植池與魚池之間引入水處理單元，可在種植單元添加營養液，滿足各種作物的需求。處理單元具備凈化系統，將水質凈化至符合魚類生長環境要求，再排進魚池中，將耦合式系統改建為解耦式。不過解耦式雖然是魚菜共生系統發展的趨勢，但會造成生產成本過高，企業負擔過重，收益期延緩。

4）建立魚、藻、菜模式。張柯新［26］對魚類、藻類、菜類三者的共生系統研究發現，在魚池中加入一定的水生藻類，可以提高對各類營養物質的利用，且添加營養液后無不良反應，能在較低成本下代替解耦式，達到提高循環利用效率的目的。