第 47 卷 第 5 期 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 Vol 47 No 5 2020 年 10 月 FISHERY MODERNIZATION Oct 2020 DOI 10 3969 j issn 1007 9580 2020 05 001 收 稿 日 期 2020 04 07 基 金 項(xiàng) 目 中 國(guó) 水 產(chǎn) 科 學(xué) 研 究 院 漁 業(yè) 機(jī) 械 儀 器 研 究 所 基 本 科 研 業(yè) 務(wù) 費(fèi) 2017YJS009 中 國(guó) 水 產(chǎn) 科 學(xué) 研 究 院 科 技 創(chuàng) 新 團(tuán) 隊(duì) 項(xiàng) 目 2020TD78 作 者 簡(jiǎn) 介 徐 琰 斐 1986 男 碩 士 助 理 研 究 員 研 究 方 向 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 工 程 E mail xuyanfei fmiri ac cn 通 信 作 者 倪 琦 1968 男 研 究 員 研 究 方 向 循 環(huán) 水 養(yǎng) 殖 裝 備 工 程 E mail niqi fmiri ac cn 魚 菜 共 生 發(fā) 展 歷 史 典 型 模 式 與 發(fā) 展 趨 勢(shì) 徐 琰 斐 張 宇 雷 顧 川 川 劉 晃 倪 琦 中 國(guó) 水 產(chǎn) 科 學(xué) 研 究 院 漁 業(yè) 機(jī) 械 儀 器 研 究 所 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 漁 業(yè) 裝 備 與 工 程 技 術(shù) 重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 上 海 200092 摘 要 魚 菜 共 生 Aquaponics 是 利 用 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 排 放 水 為 植 物 提 供 營(yíng) 養(yǎng) 由 一 種 氮 源 魚 飼 料 生 產(chǎn) 兩 種 農(nóng) 產(chǎn) 品 魚 和 蔬 菜 具 有 水 和 氮 源 利 用 效 率 高 不 使 用 化 肥 和 抗 生 素 對(duì) 環(huán) 境 友 好 等 特 點(diǎn) 是 一 種 可 持 續(xù) 的 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 方 式 將 魚 菜 共 生 的 發(fā) 展 歷 史 進(jìn) 程 分 為 理 念 起 源 階 段 1970 年 之 前 萌 芽 階 段 1970 1990 年 全 球 拓 展 階 段 1990 2010 年 以 及 快 速 發(fā) 展 階 段 2010 年 至 今 4 個(gè) 階 段 分 析 了 魚 菜 共 生 3 種 典 型 模 式 提 出 了 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 向 解 耦 類 型 發(fā) 展 系 統(tǒng) 布 局 向 城 鎮(zhèn) 化 立 體 化 發(fā) 展 硬 件 設(shè) 施 向 生 態(tài) 型 智 能 化 發(fā) 展 的 3 個(gè) 主 要 發(fā) 展 趨 勢(shì) 提 出 了 加 強(qiáng) 氮 磷 轉(zhuǎn) 化 機(jī) 制 研 究 建 立 系 統(tǒng) 理 論 模 型 加 強(qiáng) 人 工 智 能 技 術(shù) 應(yīng) 用 和 加 強(qiáng) 商 業(yè) 規(guī) 模 系 統(tǒng) 研 究 4 條 發(fā) 展 建 議 關(guān) 鍵 詞 魚 菜 共 生 循 環(huán) 水 養(yǎng) 殖 水 耕 栽 培 歷 史 進(jìn) 程 發(fā) 展 趨 勢(shì) 中 圖 分 類 號(hào) S964 文 獻(xiàn) 標(biāo) 志 碼 A 文 章 編 號(hào) 1007 9580 2020 05 001 07 魚 菜 共 生 Aquaponics 是 由 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 Aquaculture 和 水 耕 栽 培 Hydroponics 組 成 的 復(fù) 合 詞 匯 聯(lián) 合 國(guó) 糧 食 及 農(nóng) 業(yè) 組 織 FAO 對(duì) 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 的 定 義 為 養(yǎng) 殖 水 生 有 機(jī) 物 包 括 魚 類 軟 體 動(dòng) 物 甲 殼 類 和 水 生 植 物 等 的 養(yǎng) 殖 對(duì) 水 耕 栽 培 的 定 義 為 在 無 土 基 質(zhì) 中 生 產(chǎn) 植 物 植 物 通 過 水 輸 送 獲 得 生 長(zhǎng) 所 需 的 所 有 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 1 基 于 此 FAO 對(duì) 魚 菜 共 生 的 定 義 為 循 環(huán) 水 養(yǎng) 殖 和 水 耕 栽 培 在 一 個(gè) 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 中 的 集 成 2 其 原 理 是 將 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 排 放 水 經(jīng) 微 生 物 硝 化 作 用 后 轉(zhuǎn) 化 為 植 物 所 需 的 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 植 物 對(duì) 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 的 吸 收 又 可 為 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 凈 化 水 體 3 魚 菜 共 生 的 主 要 特 點(diǎn) 一 是 水 資 源 利 用 效 率 高 根 據(jù) FAO 統(tǒng) 計(jì) 全 球 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 消 耗 了 67 的 可 使 用 淡 水 在 中 東 北 非 地 區(qū) 比 例 更 是 達(dá) 到 了 90 4 在 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 中 日 換 水 量 約 為 0 3 5 5 是 一 種 非 常 節(jié) 水 的 生 產(chǎn) 方 式 二 是 氮 源 利 用 效 率 高 在 普 通 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 模 式 中 魚 類 生 長(zhǎng) 只 利 用 了 約 25 的 氮 源 其 余 75 被 排 放 到 環(huán) 境 中 6 而 魚 菜 共 生 由 一 種 氮 源 魚 飼 料 生 產(chǎn) 兩 種 農(nóng) 產(chǎn) 品 魚 和 蔬 菜 能 夠 持 續(xù) 和 高 密 度 進(jìn) 行 食 物 生 產(chǎn) 三 是 對(duì) 環(huán) 境 友 好 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 不 使 用 化 肥 和 農(nóng) 藥 目 前 全 球 氮 肥 生 產(chǎn) 所 消 耗 的 能 源 占 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 所 需 能 源 的 57 6 同 時(shí) 地 球 上 的 磷 酸 鹽 儲(chǔ) 量 預(yù) 計(jì) 在 60 70 年 以 后 將 減 少 一 半 7 減 少 化 肥 使 用 對(duì) 保 護(hù) 環(huán) 境 具 有 重 要 意 義 魚 菜 共 生 有 望 成 為 解 決 全 球 人 口 增 長(zhǎng) 和 資 源 緊 缺 等 問 題 的 生 產(chǎn) 方 式 之 一 1 魚 菜 共 生 的 歷 史 進(jìn) 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(jīng) 存 在 了 數(shù) 千 年 亞 洲 和 南 美 洲 早 期 文 明 都 采 用 過 將 養(yǎng) 魚 與 植 物 種 植 相 結(jié) 合 的 生 產(chǎn) 方 式 三 國(guó) 時(shí) 期 魏 武 四 時(shí) 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(fā) 展 農(nóng) 業(yè) 稱 之 為 奇 南 帕 Chinampa 9 但 是 直 到 20 世 紀(jì) 前 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 者 很 少 主 動(dòng) 將 魚 放 入 稻 田 進(jìn) 行 養(yǎng) 殖 10 偶 有 一 些 低 密 度 的 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 對(duì) 植 物 生 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2020 年 長(zhǎng) 也 沒 有 實(shí) 質(zhì) 的 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 支 持 與 現(xiàn) 代 的 魚 菜 共 生 還 有 較 大 的 差 異 但 這 些 營(yíng) 造 共 生 環(huán) 境 的 方 式 可 以 認(rèn) 為 是 現(xiàn) 代 魚 菜 共 生 理 念 的 起 源 1 2 萌 芽 階 段 1 9 70 1 9 9 0 年 20 世 紀(jì) 70 年 代 美 國(guó) 南 伊 利 諾 大 學(xué) Lewis 教 授 首 先 在 伊 利 諾 斯 漁 業(yè) 和 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 中 心 前 身 為 南 伊 利 諾 斯 合 作 漁 業(yè) 研 究 實(shí) 驗(yàn) 室 構(gòu) 建 了 以 斑 點(diǎn) 叉 尾 鮰 I c t al u r u s p u nc t at u s 與 番 茄 So l a num l y c o p e r s i c um 結(jié) 合 生 產(chǎn) 的 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 并 在 美 國(guó) 漁 業(yè) 學(xué) 會(huì) American Fisheries Society 下 屬 期 刊 發(fā) 表 了 數(shù) 篇 有 關(guān) 魚 菜 共 生 的 論 文 11 13 20 世 紀(jì) 80 年 代 初 期 美 屬 維 爾 京 群 島 大 學(xué) University of the Virgin Islands 的 James Rakocy 博 士 研 發(fā) 了 第 一 個(gè) 大 型 商 業(yè) 規(guī) 模 的 魚 菜 共 生 研 究 系 統(tǒng) UVI 模 式 開 展 羅 非 魚 O r e o c hr o m i s ni l o t i c u s 和 水 培 生 菜 Lac t uc a s at i v a 生 產(chǎn) 試 驗(yàn) 后 續(xù) 又 進(jìn) 一 步 提 出 了 UVI 模 式 的 生 產(chǎn) 標(biāo) 準(zhǔn) 完 善 了 魚 菜 構(gòu) 成 比 在 保 持 系 統(tǒng) 生 態(tài) 平 衡 的 同 時(shí) 較 大 程 度 地 提 高 了 魚 和 蔬 菜 的 產(chǎn) 量 14 同 時(shí) 期 美 國(guó) 北 卡 羅 來 納 州 立 大 學(xué) 的 Mcmurtry 博 士 研 發(fā) 了 溫 室 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) NCSU 模 式 采 用 固 體 基 質(zhì) 細(xì) 沙 栽 培 植 物 是 小 規(guī) 模 魚 菜 共 生 的 原 型 15 UVI 和 NCSU 模 式 的 出 現(xiàn) 催 生 了 現(xiàn) 代 魚 菜 共 生 在 美 國(guó) 的 發(fā) 展 1 3 全 球 拓 展 階 段 1990 2 010 年 20 世 紀(jì) 90 年 代 Rakocy 博 士 在 美 屬 維 爾 京 群 島 大 學(xué) 開 設(shè) 了 魚 菜 共 生 培 訓(xùn) 課 程 推 動(dòng) 了 魚 菜 共 生 理 論 和 技 術(shù) 的 傳 播 14 基 于 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 進(jìn) 步 全 球 人 口 增 長(zhǎng) 以 及 土 地 和 水 資 源 減 少 等 因 素 進(jìn) 一 步 促 進(jìn) 了 魚 菜 共 生 在 全 球 的 發(fā) 展 據(jù) 統(tǒng) 計(jì) 至 少 有 43 個(gè) 國(guó) 家 和 地 區(qū) 開 展 了 魚 菜 共 生 研 究 和 實(shí) 踐 16 圖 1 世 界 各 國(guó) 根 據(jù) 技 術(shù) 發(fā) 展 水 平 以 及 對(duì) 不 同 魚 類 蔬 菜 品 種 的 需 求 對(duì) 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 本 土 化 改 進(jìn) 和 發(fā) 展 中 國(guó) 于 20 世 紀(jì) 90 年 代 由 中 國(guó) 水 產(chǎn) 科 學(xué) 研 究 院 漁 業(yè) 機(jī) 械 儀 器 研 究 所 丁 永 良 等 17 引 進(jìn) 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 并 開 展 實(shí) 驗(yàn) 研 究 設(shè) 計(jì) 了 國(guó) 內(nèi) 首 套 實(shí) 驗(yàn) 性 魚 菜 共 生 裝 置 歐 洲 對(duì) 不 同 魚 類 蔬 菜 種 類 以 及 不 同 水 培 單 元 形 式 開 展 技 術(shù) 研 究 18 優(yōu) 化 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 參 數(shù) 提 高 產(chǎn) 量 美 國(guó) Nelson and Pade 公 司 19 改 良 了 UVI 模 式 研 發(fā) 了 成 熟 的 家 用 和 商 用 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 并 出 版 書 籍 開 展 課 程 培 訓(xùn) 成 功 地 進(jìn) 行 了 商 業(yè) 化 運(yùn) 作 圖 1 1990 2019 年 世 界 各 國(guó) 地 區(qū) 論 文 數(shù) 量 Fig 1 Number of papers by countries regions from 1990 2019 1 4 快 速 發(fā) 展 階 段 2010 年 至 今 2010 年 歐 洲 議 會(huì) 研 究 服 務(wù) 局 的 一 項(xiàng) 報(bào) 告 將 魚 菜 共 生 認(rèn) 定 為 是 可 以 改 變 生 活 的 十 項(xiàng) 技 術(shù) 之 一 認(rèn) 為 其 是 有 望 改 變 滿 足 持 續(xù) 增 長(zhǎng) 的 人 口 對(duì) 糧 食 需 求 的 生 產(chǎn) 方 式 20 Yep 等 6 研 究 顯 示 關(guān) 于 魚 菜 共 生 的 引 文 數(shù) 量 自 2010 年 后 逐 年 遞 增 從 國(guó) 內(nèi) 看 在 中 國(guó) 知 網(wǎng) CNKI 以 魚 菜 共 生 為 關(guān) 鍵 詞 對(duì) 截 至 2019 年 的 相 關(guān) 中 文 期 刊 進(jìn) 行 檢 索 得 到 全 文 涉 及 魚 菜 共 生 的 論 文 有 1 285 篇 論 文 發(fā) 表 數(shù) 量 自 2010 年 以 后 呈 現(xiàn) 出 快 速 增 長(zhǎng) 的 趨 勢(shì) 圖 2 一 項(xiàng) 調(diào) 查 顯 示 截 至 2017 年 全 球 魚 菜 共 生 市 場(chǎng) 銷 售 額 已 經(jīng) 達(dá) 到 5 34 億 美 元 此 后 預(yù) 測(cè) 將 以 年 復(fù) 合 成 長(zhǎng) 率 15 9 成 長(zhǎng) 至 2026 年 達(dá) 到 20 16 億 美 元 21 調(diào) 查 認(rèn) 為 基 于 對(duì) 有 機(jī) 水 果 及 蔬 菜 需 求 的 增 加 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 和 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 技 術(shù) 的 進(jìn) 步 以 及 對(duì) 可 持 續(xù) 發(fā) 展 的 要 求 等 因 素 魚 菜 共 生 2 第 5 期 徐 琰 斐 等 魚 菜 共 生 發(fā) 展 歷 史 典 型 模 式 與 發(fā) 展 趨 勢(shì) 市 場(chǎng) 將 快 速 發(fā) 展 并 在 未 來 進(jìn) 一 步 擴(kuò) 張 魚 菜 共 生 技 術(shù) 自 20 世 紀(jì) 70 年 代 開 始 萌 芽 經(jīng) 由 1990 2010 年 在 全 球 平 穩(wěn) 發(fā) 展 期 在 近 10 年 迎 來 了 快 速 發(fā) 展 階 段 圖 2 發(fā) 表 論 文 年 度 變 化 趨 勢(shì) Fig 2 Annual trend of published papers 2 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 典 型 模 式 分 析 2 1 耦 合 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 耦 合 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 是 指 由 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 單 元 和 水 培 單 元 組 成 的 一 個(gè) 單 向 閉 路 水 循 環(huán) 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 中 所 有 水 池 只 有 一 個(gè) 水 流 方 向 Rakocy 博 士 建 立 的 UVI 模 式 是 典 型 的 耦 合 型 系 統(tǒng) 14 被 認(rèn) 為 是 現(xiàn) 代 魚 菜 共 生 的 原 型 該 系 統(tǒng) 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(jīng) 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(jīng) 脫 氣 池 后 進(jìn) 入 水 培 槽 微 生 物 將 水 中 的 氨 氮 氧 化 為 亞 硝 酸 鹽 氮 并 進(jìn) 一 步 轉(zhuǎn) 化 為 硝 酸 鹽 氮 供 植 物 吸 收 利 用 水 中 營(yíng) 養(yǎng) 物 質(zhì) 被 植 物 吸 收 后 水 流 至 系 統(tǒng) 最 低 點(diǎn) 的 蓄 水 池 經(jīng) 水 泵 抽 取 回 到 養(yǎng) 魚 池 完 成 整 個(gè) 系 統(tǒng) 循 環(huán) 過 程 通 過 魚 池 蒸 發(fā) 植 物 蒸 騰 和 排 污 而 損 失 的 水 通 過 蓄 水 池 收 集 雨 水 補(bǔ) 充 經(jīng) 24 周 生 產(chǎn) 試 驗(yàn) 14 羅 非 魚 收 獲 時(shí) 平 均 養(yǎng) 殖 密 度 為 61 5 kg m 3 平 均 生 長(zhǎng) 率 為 4 4 g d 飼 料 轉(zhuǎn) 化 率 FCR 為 1 7 紅 羅 非 魚 收 獲 時(shí) 平 均 養(yǎng) 殖 密 度 為 70 7 kg m 3 平 均 生 長(zhǎng) 率 2 69 g d 飼 料 轉(zhuǎn) 化 率 為 1 8 與 傳 統(tǒng) 循 環(huán) 水 養(yǎng) 殖 效 果 相 當(dāng) 水 培 羅 勒 O c i m u m b a s i l i c um 產(chǎn) 量 為 25 kg m 2 是 傳 統(tǒng) 土 培 的 3 倍 證 明 了 耦 合 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 的 生 產(chǎn) 力 該 類 型 系 統(tǒng) 的 主 要 優(yōu) 點(diǎn) 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(tǒng) 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 高 水 培 槽 發(fā) 揮 了 與 人 工 濕 地 凈 化 廢 水 相 同 的 作 用 減 少 了 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 排 放 對(duì) 環(huán) 境 的 影 響 但 是 僅 投 入 魚 飼 料 作 為 魚 和 植 物 營(yíng) 養(yǎng) 的 來 源 對(duì) 植 物 而 言 在 營(yíng) 養(yǎng) 供 給 的 質(zhì) 量 和 數(shù) 量 上 還 有 欠 缺 可 能 因 營(yíng) 養(yǎng) 不 足 導(dǎo) 致 植 物 生 長(zhǎng) 緩 慢 或 枯 萎 因 此 水 培 品 種 的 選 擇 通 常 被 限 制 在 一 些 低 營(yíng) 養(yǎng) 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(huán) 系 統(tǒng) 下 植 物 生 長(zhǎng) 對(duì) 高 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 的 需 求 和 魚 類 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 需 要 低 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 之 間 存 在 難 以 協(xié) 調(diào) 的 矛 盾 彼 此 生 長(zhǎng) 環(huán) 境 都 未 處 于 最 優(yōu) 狀 態(tài) 一 定 程 度 阻 礙 了 系 統(tǒng) 整 體 產(chǎn) 量 的 提 升 圖 3 耦 合 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) Fig 3 Coupled aquaponics system 2 2 解 耦 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 解 耦 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 是 近 年 在 歐 洲 興 起 的 一 種 新 模 式 是 指 包 含 子 循 環(huán) 回 路 的 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 中 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 和 水 培 單 元 具 有 獨(dú) 立 循 環(huán) 回 路 各 單 元 水 質(zhì) 能 夠 得 到 更 精 細(xì) 的 調(diào) 控 Kloas 等 22 在 溫 室 環(huán) 境 下 構(gòu) 建 了 一 種 新 型 多 回 路 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 圖 4 該 系 統(tǒng) 由 羅 非 魚 循 環(huán) 水 養(yǎng) 殖 和 基 于 營(yíng) 養(yǎng) 膜 技 術(shù) NFT 的 水 培 番 茄 兩 個(gè) 獨(dú) 立 的 循 環(huán) 單 元 組 成 并 通 過 單 向 閥 連 接 魚 池 排 放 水 經(jīng) 物 理 過 濾 和 生 物 反 應(yīng) 器 后 進(jìn) 入 水 培 調(diào) 節(jié) 池 水 培 調(diào) 節(jié) 池 可 根 據(jù) 植 物 生 長(zhǎng) 所 需 的 最 佳 條 件 進(jìn) 行 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 添 加 pH 調(diào) 節(jié) 等 水 質(zhì) 調(diào) 控 措 施 后 再 將 水 輸 入 水 培 槽 用 于 植 物 生 長(zhǎng) 在 水 培 單 元 后 端 設(shè) 置 冷 卻 阱 用 于 凝 結(jié) 回 收 植 物 蒸 騰 的 水 分 再 與 經(jīng) 植 物 吸 收 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 后 的 水 一 同 返 回 魚 池 研 究 表 明 22 羅 非 魚 收 獲 時(shí) 養(yǎng) 殖 密 度 為 75 9 kg m 3 飼 料 轉(zhuǎn) 化 率 為 1 23 產(chǎn) 量 與 常 規(guī) 循 環(huán) 水 養(yǎng) 殖 相 當(dāng) 番 茄 產(chǎn) 量 約 為 0 99 kg 株 月 比 耦 合 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 0 83 kg 株 月 的 產(chǎn) 量 更 高 且 系 統(tǒng) 日 耗 水 量 僅 為 2 73 解 耦 類 型 系 統(tǒng) 擁 有 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 單 元 水 培 單 元 和 魚 菜 共 生 單 元 3 個(gè) 循 環(huán) 路 徑 特 點(diǎn) 是 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 和 水 培 單 元 可 相 互 獨(dú) 立 循 環(huán) 運(yùn) 行 能 夠 為 兩 個(gè) 生 產(chǎn) 單 元 分 別 提 供 良 好 的 生 長(zhǎng) 條 件 解 決 植 物 和 魚 類 生 長(zhǎng) 對(duì) 不 同 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 pH 的 需 求 實(shí) 現(xiàn) 魚 3 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2020 年 和 菜 產(chǎn) 量 的 最 大 化 還 能 夠 避 免 病 蟲 害 等 問 題 在 兩 個(gè) 單 元 之 間 互 相 作 用 造 成 的 不 利 影 響 22 23 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 性 更 好 為 了 使 水 培 植 物 處 于 最 佳 生 長(zhǎng) 條 件 解 耦 型 系 統(tǒng) 會(huì) 額 外 向 水 培 單 元 中 添 加 營(yíng) 養(yǎng) 液 增 加 了 一 定 的 運(yùn) 行 成 本 24 并 且 解 耦 型 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 方 式 更 復(fù) 雜 需 要 使 用 更 多 的 泵 管 和 水 池 占 用 更 多 的 空 間 等 14 經(jīng) 濟(jì) 可 行 性 和 盈 利 能 力 仍 需 要 進(jìn) 一 步 研 究 圖 4 解 耦 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) Fig 4 Uncoupled aquaponics system 2 3 立 體 式 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) Khandaker 等 25 將 垂 直 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 與 魚 菜 共 生 相 結(jié) 合 研 究 了 基 于 種 植 墻 技 術(shù) Living wall 的 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 該 系 統(tǒng) 的 無 土 栽 培 單 元 采 用 立 體 種 植 方 式 由 1 m 2 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(qiáng) 網(wǎng) 面 板 上 以 椰 殼 纖 維 礦 棉 等 基 質(zhì) 種 植 40 棵 羅 勒 養(yǎng) 殖 排 放 水 通 過 灌 溉 管 抽 取 到 最 頂 部 一 排 的 花 盆 里 水 流 經(jīng) 重 力 滲 透 基 質(zhì) 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(zhǎng) 提 供 養(yǎng) 分 研 究 表 明 25 羅 勒 的 平 均 生 長(zhǎng) 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(zhǎng) 得 更 好 傳 統(tǒng) UVI 模 式 在 占 用 空 間 方 面 類 似 耕 地 種 植 養(yǎng) 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(chǎn) 32 株 植 物 通 過 種 植 墻 等 立 體 化 生 產(chǎn) 方 式 可 以 增 加 蔬 菜 種 植 的 數(shù) 量 每 平 方 米 可 生 產(chǎn) 96 株 植 物 是 UVI 模 式 的 3 倍 25 26 顯 著 提 高 生 產(chǎn) 效 率 證 明 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 結(jié) 合 立 體 栽 培 技 術(shù) 具 有 良 好 的 前 景 但 是 立 體 化 生 產(chǎn) 方 式 建 設(shè) 投 入 和 能 源 消 耗 將 更 高 因 為 根 據(jù) 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(shè) 施 將 水 輸 送 到 高 處 也 需 要 更 大 的 水 泵 功 率 基 質(zhì) 栽 培 方 式 容 易 堵 塞 灌 溉 管 道 需 要 定 期 清 洗 增 加 了 勞 動(dòng) 力 若 系 統(tǒng) 超 過 4 層 種 植 高 度 上 層 的 管 理 和 勞 動(dòng) 力 成 本 將 增 加 25 27 3 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 發(fā) 展 趨 勢(shì) 3 1 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 向 解 耦 型 發(fā) 展 隨 著 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 越 來 越 多 地 擴(kuò) 大 到 商 業(yè) 型 生 產(chǎn) 規(guī) 模 系 統(tǒng) 的 經(jīng) 濟(jì) 可 行 性 逐 步 受 到 關(guān) 注 傳 統(tǒng) 的 耦 合 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 由 一 個(gè) 單 向 的 封 閉 水 循 環(huán) 系 統(tǒng) 組 成 考 慮 到 魚 類 和 植 物 生 長(zhǎng) 對(duì) 營(yíng) 養(yǎng) 和 環(huán) 境 的 不 同 需 求 難 以 同 時(shí) 滿 足 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 和 水 培 單 元 對(duì) 不 同 pH 溫 度 和 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 質(zhì) 量 濃 度 的 要 求 阻 礙 了 系 統(tǒng) 整 體 生 產(chǎn) 效 率 的 進(jìn) 一 步 提 高 2015 年 Goddek 等 28 提 出 了 解 耦 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 的 概 念 改 進(jìn) 了 耦 合 型 系 統(tǒng) 單 一 水 循 環(huán) 路 徑 的 設(shè) 計(jì) 方 法 解 耦 型 系 統(tǒng) 中 養(yǎng) 魚 池 和 水 培 槽 根 據(jù) 需 要 被 設(shè) 計(jì) 為 多 個(gè) 水 流 出 口 建 立 了 水 產(chǎn) 養(yǎng) 殖 和 水 培 單 元 各 自 獨(dú) 立 的 子 循 環(huán) 回 路 目 的 是 對(duì) 各 個(gè) 單 元 的 水 質(zhì) 進(jìn) 行 更 精 細(xì) 的 調(diào) 控 比 如 調(diào) 節(jié) pH 和 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 質(zhì) 量 濃 度 能 夠 達(dá) 到 在 改 變 水 培 單 元 水 質(zhì) 參 數(shù) 的 同 時(shí) 不 直 接 影 響 魚 池 水 質(zhì) 的 效 果 可 以 有 效 提 升 產(chǎn) 量 正 是 因 為 具 有 這 種 特 點(diǎn) 歐 洲 近 年 來 逐 步 轉(zhuǎn) 向 以 解 耦 型 為 代 表 的 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 研 究 例 如 羅 斯 托 克 大 學(xué) University of Rostock 建 造 了 一 個(gè) 實(shí) 驗(yàn) 性 的 半 商 業(yè) 化 規(guī) 模 魚 菜 共 生 解 耦 系 統(tǒng) Fish Glass House 28 研 究 了 不 同 規(guī) 模 和 品 種 組 合 的 運(yùn) 行 成 本 和 生 產(chǎn) 效 益 德 國(guó) 荷 蘭 西 班 牙 肯 尼 亞 等 國(guó) 家 也 圍 繞 解 耦 型 系 統(tǒng) 的 產(chǎn) 量 提 高 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 質(zhì) 量 濃 度 調(diào) 節(jié) 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 積 累 去 除 等 方 面 開 展 學(xué) 術(shù) 研 究 和 商 業(yè) 化 運(yùn) 行 3 2 系 統(tǒng) 布 局 向 城 鎮(zhèn) 化 立 體 化 發(fā) 展 據(jù) 統(tǒng) 計(jì) 農(nóng) 業(yè) 用 地 約 占 全 球 可 利 用 土 地 面 積 的 33 至 2050 年 隨 著 人 口 增 長(zhǎng) 對(duì) 食 物 需 求 的 增 加 農(nóng) 業(yè) 用 地 預(yù) 計(jì) 將 增 加 7 31 29 因 此 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 在 減 輕 環(huán) 境 負(fù) 擔(dān) 的 同 時(shí) 還 需 要 發(fā) 展 集 約 化 生 產(chǎn) 方 式 提 高 可 利 用 土 地 的 單 位 產(chǎn) 量 增 加 農(nóng) 產(chǎn) 品 供 應(yīng) 目 前 規(guī) 模 化 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 通 常 在 溫 室 內(nèi) 建 設(shè) 以 控 制 環(huán) 境 提 升 產(chǎn) 量 和 經(jīng) 濟(jì) 效 益 避 免 自 然 災(zāi) 害 但 溫 室 建 設(shè) 具 有 較 高 的 投 資 成 本 如 在 美 國(guó) 建 造 費(fèi) 用 約 為 350 美 元 m 2 30 中 國(guó) 約 為 400 450 元 m 2 提 高 了 行 業(yè) 進(jìn) 入 門 檻 Touliatos 等 31 認(rèn) 為 垂 直 農(nóng) 業(yè) 是 替 代 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 的 一 個(gè) 極 具 吸 引 力 的 方 案 魚 菜 共 生 的 生 產(chǎn) 能 力 盈 4 第 5 期 徐 琰 斐 等 魚 菜 共 生 發(fā) 展 歷 史 典 型 模 式 與 發(fā) 展 趨 勢(shì) 利 性 和 可 持 續(xù) 發(fā) 展 的 特 點(diǎn) 可 以 結(jié) 合 垂 直 農(nóng) 業(yè) 技 術(shù) 獲 得 進(jìn) 一 步 提 升 立 體 化 種 植 生 產(chǎn) 系 統(tǒng) 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(qū) 域 或 者 住 宅 區(qū) 學(xué) 校 等 離 市 場(chǎng) 更 近 的 城 市 區(qū) 域 建 設(shè) 減 少 土 地 使 用 和 物 流 成 本 提 高 集 約 化 程 度 32 例 如 美 國(guó) AeroFarms 公 司 新 建 的 垂 直 農(nóng) 場(chǎng) 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(huán) 境 控 制 技 術(shù) 單 位 面 積 產(chǎn) 量 預(yù) 計(jì) 是 傳 統(tǒng) 農(nóng) 業(yè) 的 390 倍 33 英 國(guó) 瓊 斯 食 品 公 司 Jones Food Company 的 垂 直 種 植 設(shè) 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(tǒng) 結(jié) 合 城 鎮(zhèn) 化 和 立 體 化 生 產(chǎn) 方 式 有 望 替 代 傳 統(tǒng) 水 平 生 產(chǎn) 方 式 進(jìn) 一 步 提 高 農(nóng) 產(chǎn) 品 的 生 產(chǎn) 效 率 和 可 持 續(xù) 性 3 3 硬 件 設(shè) 施 向 生 態(tài) 型 智 能 化 發(fā) 展 對(duì) 魚 菜 共 生 成 本 結(jié) 構(gòu) 分 析 顯 示 勞 動(dòng) 力 飼 料 和 魚 苗 能 源 約 各 占 成 本 的 1 3 27 減 少 勞 動(dòng) 力 使 用 和 能 源 消 耗 將 是 提 升 系 統(tǒng) 整 體 生 產(chǎn) 效 益 的 重 要 方 向 目 前 自 動(dòng) 化 技 術(shù) 已 經(jīng) 覆 蓋 照 明 環(huán) 境 控 制 灌 溉 監(jiān) 測(cè) 分 級(jí) 和 包 裝 等 方 面 35 一 些 溫 室 作 業(yè) 生 產(chǎn) 已 經(jīng) 基 本 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 化 新 加 坡 格 拉 斯 哥 大 學(xué) Kyaw 等 36 設(shè) 計(jì) 并 開 發(fā) 了 一 種 小 型 智 能 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 集 數(shù) 據(jù) 采 集 單 元 包 括 水 溫 流 速 pH 光 照 測(cè) 距 儀 報(bào) 警 單 元 系 統(tǒng) 整 改 單 元 中 央 處 理 單 元 web 應(yīng) 用 移 動(dòng) 應(yīng) 用 云 服 務(wù) 器 于 一 體 該 系 統(tǒng) 可 以 根 據(jù) 收 集 到 的 數(shù) 據(jù) 和 用 戶 預(yù) 設(shè) 值 不 間 斷 監(jiān) 控 水 質(zhì) 照 明 和 飼 料 投 喂 傳 感 器 檢 測(cè) 到 異 常 情 況 時(shí) 不 需 要 人 工 干 預(yù) 便 可 自 動(dòng) 糾 正 用 戶 可 通 過 攝 像 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 實(shí) 時(shí) 觀 察 并 在 移 動(dòng) 端 進(jìn) 行 操 作 初 步 實(shí) 現(xiàn) 了 無 人 化 生 產(chǎn) 通 過 建 筑 農(nóng) 業(yè) 一 體 化 Building Integrated Agriculture BIA 技 術(shù) 實(shí) 現(xiàn) 溫 室 與 主 建 筑 之 間 的 水 能 源 和 空 氣 循 環(huán) 利 用 具 有 進(jìn) 一 步 提 升 資 源 和 能 源 使 用 效 率 的 潛 力 巴 塞 羅 那 自 治 大 學(xué) UAB Campus 建 立 屋 頂 溫 室 實(shí) 驗(yàn) 室 RTG Lab 37 將 水 培 植 物 系 統(tǒng) 與 建 筑 物 環(huán) 境 控 制 技 術(shù) 進(jìn) 行 整 合 集 成 太 陽 能 和 雨 水 收 集 技 術(shù) 循 環(huán) 水 處 理 技 術(shù) 氣 候 控 制 技 術(shù) 等 使 空 氣 水 和 能 源 在 溫 室 與 建 筑 物 之 間 循 環(huán) 利 用 提 升 了 溫 室 與 建 筑 的 能 源 和 水 資 源 使 用 效 率 經(jīng) 濟(jì) 可 持 續(xù) 性 未 來 隨 著 工 業(yè) 規(guī) 模 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展 生 態(tài) 型 和 智 能 化 生 產(chǎn) 方 式 對(duì) 降 低 勞 動(dòng) 力 和 能 源 成 本 的 作 用 將 進(jìn) 一 步 凸 顯 4 發(fā) 展 建 議 4 1 加 強(qiáng) 氮 磷 轉(zhuǎn) 化 吸 收 機(jī) 制 研 究 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 是 一 個(gè) 閉 路 循 環(huán) 系 統(tǒng) 日 換 水 量 不 足 5 控 制 不 當(dāng) 會(huì) 造 成 系 統(tǒng) 中 的 氮 磷 等 重 要 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 物 質(zhì) 缺 乏 或 積 累 不 利 于 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 運(yùn) 行 和 產(chǎn) 出 建 議 利 用 同 位 素 標(biāo) 記 或 分 子 標(biāo) 記 等 技 術(shù) 方 法 開 展 氮 磷 轉(zhuǎn) 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(yíng) 養(yǎng) 鹽 遷 移 轉(zhuǎn) 化 的 潛 在 反 應(yīng) 過 程 揭 示 氮 磷 等 重 要 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 轉(zhuǎn) 化 和 吸 收 機(jī) 制 4 2 建 立 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 理 論 模 型 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 和 運(yùn) 行 涉 及 多 變 量 參 數(shù) 掌 握 魚 菜 品 種 選 擇 和 生 物 量 配 比 水 溫 pH 溶 氧 營(yíng) 養(yǎng) 鹽 質(zhì) 量 濃 度 等 水 質(zhì) 參 數(shù) 以 及 光 照 溫 濕 度 CO 2 等 環(huán) 境 參 數(shù) 相 互 作 用 關(guān) 系 對(duì) 構(gòu) 建 穩(wěn) 定 成 熟 的 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 具 有 重 要 意 義 建 議 開 展 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 理 論 模 型 研 究 基 于 多 變 量 參 數(shù) 進(jìn) 行 統(tǒng) 計(jì) 分 析 數(shù) 學(xué) 建 模 和 仿 真 試 驗(yàn) 建 立 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 狀 態(tài) 的 數(shù) 學(xué) 模 型 為 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 構(gòu) 建 提 供 理 論 依 據(jù) 4 3 加 強(qiáng) 人 工 智 能 技 術(shù) 應(yīng) 用 魚 菜 共 生 涉 及 魚 植 物 微 生 物 是 一 個(gè) 多 種 生 物 相 互 作 用 的 復(fù) 雜 生 態(tài) 系 統(tǒng) 系 統(tǒng) 運(yùn) 行 維 護(hù) 和 管 理 技 術(shù) 門 檻 較 高 勞 動(dòng) 力 和 能 源 成 本 也 較 大 加 強(qiáng) 人 工 智 能 技 術(shù) 與 魚 菜 共 生 領(lǐng) 域 的 融 合 應(yīng) 用 能 夠 減 少 人 力 和 能 源 消 耗 提 升 生 產(chǎn) 效 率 和 經(jīng) 濟(jì) 性 例 如 研 發(fā) 集 成 基 于 計(jì) 算 機(jī) 控 制 的 智 能 設(shè) 施 實(shí) 現(xiàn) 溫 度 照 明 和 通 風(fēng) 系 統(tǒng) 與 環(huán) 境 變 化 實(shí) 時(shí) 聯(lián) 動(dòng) 基 于 大 數(shù) 據(jù) 分 析 技 術(shù) 建 立 魚 和 植 物 的 營(yíng) 養(yǎng) 需 求 生 長(zhǎng) 模 型 研 發(fā) 智 能 投 喂 水 質(zhì) 調(diào) 控 采 收 技 術(shù) 和 裝 置 以 期 實(shí) 現(xiàn) 無 人 生 產(chǎn) 4 4 加 強(qiáng) 商 業(yè) 規(guī) 模 系 統(tǒng) 研 究 經(jīng) 濟(jì) 可 行 性 是 魚 菜 共 生 產(chǎn) 業(yè) 發(fā) 展 的 前 提 已 有 研 究 多 基 于 小 規(guī) 模 研 究 型 系 統(tǒng) 缺 乏 商 業(yè) 規(guī) 模 系 統(tǒng) 研 究 經(jīng) 濟(jì) 可 行 性 仍 有 爭(zhēng) 議 38 建 議 加 強(qiáng) 商 業(yè) 規(guī) 模 系 統(tǒng) 研 究 開 展 綜 合 性 經(jīng) 濟(jì) 評(píng) 價(jià) 例 如 針 對(duì) 中 國(guó) 不 同 氣 候 環(huán) 境 不 同 生 活 水 平 區(qū) 域 開 展 本 土 化 的 商 業(yè) 規(guī) 模 系 統(tǒng) 試 驗(yàn) 研 究 不 同 區(qū) 域 市 場(chǎng) 條 件 下 不 同 種 養(yǎng) 模 式 產(chǎn) 品 類 型 生 產(chǎn) 規(guī) 模 下 魚 菜 共 生 的 經(jīng) 濟(jì) 可 行 性 和 商 業(yè) 模 式 5 漁 業(yè) 現(xiàn) 代 化 2020 年 參 考 文 獻(xiàn) 1 DIVER S Aquaponics Integration of Hydroponics with Aquaculture EB OL 2020 04 07 http backyardaquaponics com Travis aquaponic pdf 2 SOMERVILLE C COHEN M PANTANELLA E et al Small scale aquaponic food production Integrated fish and plant farming M Rome Food and Agriculture Organization of the United Nations 2014 3 楊 清 富 鄭 安 秀 魚 菜 共 生 系 統(tǒng) 原 理 與 方 法 M 中 國(guó) 臺(tái) 灣 行 政 院 農(nóng) 業(yè) 委 員 會(huì) 臺(tái) 南 區(qū) 農(nóng) 業(yè) 改 良 場(chǎng) 2017 4 FRENKEN K Irrigation in Africa in figures AQUASTAT survey 2005 M Rome Food and Agriculture Organization of the United Nations 2005 5 MAUCIERI C NICOLETTO C JUNGE R et al Hydroponic systems and water management in aquaponics a review J Italian Journal of Agronomy 2018 13 1 11 6 YEP B ZHENG Y Aquaponic trends and challenges A review J Journal of Cleaner Production 2019 228 1586 1599 7 OELKERS E VALSAMI JONES E Phosphate mineral reactivity and global sustainability J Elements 2008 4 2 83 87 8 潘 偉 彬 莊 東 萍 中 國(guó) 稻 田 養(yǎng) 魚 的 發(fā) 展 歷 史 和 主 要 模 式 J 閩 西 職 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報(bào) 1999 3 69 70 9 KOMIVES T JUNGE R On the aquaponic corner section of our journal J Ecocycles 2015 1 2 1 2 10 HALWART M GUPTA M V Culture of fish in rice fields M Penang Food and Agriculture Organization of the United Nations and The WorldFish Center 2004 11 LEWIS W M YOPP J H SCHRAMM H L et al Use of hydroponics to maintain quality of recirculated water in a fish culture system J Transactions of the American Fisheries Society 1978 107 1 92 99 12 LEWIS W M WEHR L