景观式鱼菜共生系统设计研究

陈 华，邱 磊

鱼菜共生将水产养殖和水耕栽培两种不同的农业工程技术融合起来，是一种生态型农业新技术[1-2]，主要原理是系统中鱼的排泄物等杂质通过种植区利用陶粒基质将蛋质、有机氮等大分子物质通过消化分解作用转化为硝酸盐被植物吸收利用，从而实现养鱼不换水、种菜不施肥的生态农业.国外对于鱼菜共生的技术发展模式主要包括利用深水浮阀栽培方法、适用于室外大规模生产的UVI模式和温室内采用固体基质栽培的NCSU模式，两种模式较为简单，适用范围较窄[3].国内的研究主要偏向鱼菜共生技术以及集约化循环生产的实现.目前鱼菜共生系统研究方向正朝着两种趋势发展，一种是工业化养殖方向，为追求规模效益已开始产业化运作，因其系统结构复杂，易受环境、种植品种配比和系统工艺等多方面因素的影响，导致投资成本高，风险大；另一种是休闲“家庭版”养殖方向，近些年还研发运用纳米等高新技术[4].家庭种植蔬菜一般采用阳台种植形式，需要专人管理其生长过程，客厅里养殖观赏鱼类因为产生排泄物以及过量鱼饵，需要间歇换水以净化水环境.为了节约资源，低碳环保，将家庭种植蔬菜与养鱼有机结合，景观式“家庭版”的鱼菜共生系统应运而生.但大量研究表明，该系统仍存在诸多问题，如水产养殖中所投放饲料仅有小部分被利用，系统中容易在微生物作用下分解有害物质，导致系统水体富营养化等[5-8].

在目前“家庭版”鱼菜共生的基础上，通过研究安全稳定的循环水处理方法、增设光伏发电节能系统，监测反馈鱼菜系统中生长参数（温度、总溶解固体量、pH值、氨氮等）技术手段，研发手机APP系统，实时监测鱼菜生存环境，以保证鱼类观赏区和水培种植区两个系统的正常运行，基本不需换水，无废化运行景观式鱼菜共生系统.

1 系统总体设计

该系统整体采用屋顶式结构，包括水草种植区、鱼类观赏区、水培种植区、光伏发电区、水质监测控制系统（见图1、图2）.水草种植区为底层，一是作为储水箱，二是可布置水中植物，通过造型可营造不同视觉深度和层次感的景观.水培种植区和鱼类观赏区为上层，均采用L型设计，相互契合，水培种植区采用陶粒基质栽培.

为保证水质要求以供应鱼菜正常生长，达到系统养鱼不需换水，种菜不用施肥的生态共生效应，该系统设计了三重过滤、光伏发电、水质监测等关键性配置，以保证系统正常运行.

2 系统工作原理

2.1 三重过滤系统配置

图1 系统结构图

图2 系统功能图

在水循环自动过滤系统中，利用水泵把水草种植区中的洁净水抽送到鱼类观赏区，当鱼类观赏区的液面高于限制水位时，在溢流区中形成压力差，溢流区底部开了大量的小口，水流通过溢流口排出鱼类观赏区，将混有杂质的水体带入水培种植区（原理如图3），此为一重过滤；鱼类观赏区流出的水富含蛋白质等大分子物质，这些物质不能被植物直接消化利用，通过基质栽培，并设置硝化细菌，通过消化分解作用将蛋白质、有机氮等大分子物质转化为硝酸盐被植物吸收利用.通过植物的吸收，降低了水体中营养浓度，避免了水体富营养化，且水培种植区的溢流管利用平衡压力原理，在水柱上有规律的开设小孔，控制水流并且在小孔外侧缠绕尼龙纱布，可以有效的避免种植区域营养物质的流失，同时净化流入到水草种植区的水质（原理如图4），此为二重过滤；水草种植区作为系统中最大的分区空间，在其间种植水草，一方面极大的利用了空间，满足美观要求，一方面通过水草的光合作用，可以为循环的水体中补充大量的氧气，并净化水质，此为三重过滤，如此往复循环，实现鱼菜共生系统中的水循环自动过滤（图5）.

图3 溢流循环原理图

图4 溢流套管结构图

2.2 光伏发电补光配置

为满足整体美观要求，以及为鱼缸水体质量提供保护，将太阳能搭载区设计成屋顶样式，既不影响观赏系统内的鱼类、蔬菜花卉生长状况，也解决了光伏发电与设备用地的矛盾，充分利用了系统内面积，太阳能电池板与鱼菜共生设备有机结合在一起，并装配可调光度LED照明灯，及时为系统补光（图 6）.

图5 整体系统循环图

图6 光伏发电结构图

2.3 系统水质智能监测配置

由传感器、单片机、液晶显示屏等组成环境监测系统，各类传感器收集鱼菜共生系统中环境因素，由单片机进行处理后，直观地显示在液晶显示屏上（附图7）.通过设备内的各种传感器，时刻检测系统内水体的酸碱度、温度、氨氮浓度等数据.通过单片机将数据进行整合，时刻监测整套设备的运行情况，出现故障时报警系统会进行报警预示，可以及时处理，有效减少出现鱼菜死亡的情况.

图7 水质智能监测示意图

3 系统性能检验与应用试验

3.1 性能检验

为验证鱼菜共生系统中，水循环自动过滤子系统是否可以通过溢流区进行水循环实现系统水质净化，实验初期进行了系统运行，采用自来水20升放入鱼菜共生模型中，且放入5条大小适当的金鱼，进行30天的实验，每天鱼食固定投放2次，保证鱼的正常生长，通过TDS测试笔进行鱼类观赏区的水质监测，并记录数据，整理如下.

3.1.1 实验分析

通过TDS测试笔记录鱼类观赏区的水体总溶解固体量，进行数字化分析，从附图8中可看出鱼类观赏区中，TDS含量初期因鱼食鱼粪等杂质的存在快速增加，随着系统水循环自动过滤，TDS含量逐渐保持稳定，适合金鱼生长.

3.2 应用试验

系统设计出后，为探究鱼菜共生系统的运行情况和经济效益，进行了该系统的种养殖试验.设置实验组和对照组，实验组为采用鱼菜共生系统的种养殖，对照组采用传统意义上的蔬菜种植和鱼类养殖，除此条件，其他试验条件适用金鱼和生菜的正常生长.实验组采用鱼种为金鱼，将5条适当大小的金鱼放入水体积为20升的的鱼类观赏区内，试验鱼食采用市售含蛋白质含量32%，含水率10%的漂浮型鱼粮，日喂饲量按载鱼量2%计算，通过鱼食自动投放器定时定量投放，对照组进行相同步骤；实验组植物种植试验蔬菜采用生菜，种植密度为100cm2/株，采用陶粒基质栽培，整个蔬菜栽培面积共900cm2，对照组也如此进行.经过30天的运行，观察金鱼和生菜的生长情况，并记录数据，整理如下.

图8 总溶解固体量变图

3.3 试验分析

（1）实验初期，生菜对氨氮吸收的能力较差，水体中氨氮含量较高，实验组和对照组的生菜状况相似，随着营养生理的加速，生菜的吸收和净化能力增强，由于实验组的营养循环，此组生菜较对照组长势良好；鱼类生长状况和蔬菜大致相似.

（2）蔬菜栽培对系统水质有净化作用，随着循环次数增加，通过记录数据，实验组水体中氨氮含量在0.03mg/L～0.07mg/L，PH保持在7.02-8.09，温度保持在21.5-26.90C，指标相对稳定，符合蔬菜和金鱼的生长环境要求.

（3）通过水质监测可看出，鱼菜共生系统平衡建立后，可实现不换水、不施肥的情况下，系统可自我调节，鱼菜均可正常生长，达到了“养鱼不换水而无水质忧患，种菜不施肥而正常成长”的生态共生效应.

4 系统发展前景

随着城市农业不断发展，绿色生态循环农业受到越来的关注，除了工厂化大型生态农业的研究，休闲农业也随之流行.该系统采用水产养殖技术和无土栽培技术相互结合，具有营养物质再循环的生态效应特色，并具有以下三效益.

（1）鱼菜共生可充分利用太阳能，使有限的水循环利用，且该装置不仅在家庭阳台、庭院，也可将水生动物养殖场、蔬菜作物种植园、花卉观赏园和水族馆等功能融合起来,作为城市景点建设，且该技术可与物联网技术结合，通过无线智能传输将数据传送到手机APP等智能终端，人们可随时随地接收系统数据，符合现代人生活方式，具有推广价值，有一定的经济效益；

（2）鱼菜共生设施及配套技术的成功研发，使系统中的物质就地进行可持续循环，物尽其用，无废化生产，最大幅度提高水资源利用率，具有一定的生态效益；

（3）鱼菜共生是一种生态型可持续发展农业新技术，涉及鱼类和植物的营养生理、环境、理化等学科，可以普及生态循环理念和技术知识，构建鱼菜共生系统也是求证教育和体验学习的方法，具有一定的社会效益.