智能化鱼菜共生系统及其在都市农业中的应用综述

李小龙 位耀光 吴英昊 赵谦 张岚 贾楠 麻志宏 常晓莲 李志强 杨雅静 滕飞

摘要 鱼菜共生系统是把水产养殖和蔬菜栽培两种不同的技术结合在一起，通过合理、巧妙地设计达到动物、植物、微生物的和谐共生，从而实现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系统。鱼菜共生系统具有节约资源、低碳环保、输入少产出高的优势，是达到渔业生产、蔬菜生产经济生态效益平衡的一种有效手段。智能化鱼菜共生系统包括鱼类养殖、蔬菜栽培、综合环境测控3个部分，其中综合环境测控部分是实现智能化的关键。对当前鱼菜共生系统中鱼类、蔬菜、环境测控的技术进行了梳理和总结，并对今后鱼菜共生生产模式进行了展望。

关键词 水产养殖;蔬菜栽培;设施农业;智能化;鱼菜共生系统

中图分类号 S 126  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2021）14-0008-05

Abstract Aquaponics system combines the two different techniques of aquaculture and vegetable cultivation，and achieves the harmonious symbiosis of animals，plants and microorganisms through reasonable and ingenious design，so as to realize the ecological symbiosis effect system of normal growth without water change and water quality concern，and growing vegetables without fertilization.Aquaponics system has the advantages of resource saving，low carbon and environmental protection，low input and high output.It is an effective means to achieve the balance of economic and ecological benefits of fishery production and vegetable production.Intelligent aquaponics system includes three parts：fish culture，vegetable cultivation，and integrated environmental management and control，among which integrated environmental management and control is the key to realize intelligence.In this paper，the techniques of monitoring and controlling fish，vegetables and environment in the current system of aquaponics were reviewed and summarized，and the production model of aquaponics in the future was prospected.

Key words Aquaculture;Vegetable cultivation;Facility agriculture;Intelligent;Aquaponics system

基金項目 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所重点研发计划专项“设施水产养殖智能模型与精准管控关键技术研究”（2017YFD0701702）。

作者简介 李小龙（1980—），男，甘肃漳县人，高级工程师，从事农业信息化技术推广工作。*通信作者，硕士研究生，研究方向：数据科学与智能系统。

收稿日期 2020-09-18

鱼菜共生系统是一种新型的耕作体系，其设计合理、科学、绿色环保、节约时间和空间资源，达到生态共生的效果[1]。鱼菜共生系统具有良好的生态效应和经济价值，可以实现趋于零排放的可循环型生产，植物可以净化养殖尾水，鱼类排放的氨氮被转化为硝酸盐氮，是植物的主要营养来源[2]。

在传统的水产养殖中，随着鱼类饵料残渣和排泄物的不断累积，水体中的氨氮含量不断增加[3-4]，如果不能及时清理，轻则污染水质影响鱼虾的健康生长，重则导致鱼虾的大量死亡[5]。而在鱼菜共生系统中，水产养殖的水通过水泵被输送到水培种植槽，鱼粪经过分离过滤并通过硝化细菌对氨氮类物质分解成亚硝酸盐后，成为营养物质可以被植物直接吸收利用[6]。鱼菜共生让鱼类、植物、微生物三者之间达到一种互利共生的生态平衡关系[7]，是一种绿色可持续的低碳生产模式，也是一种有效解决农业生态危机和保护生态环境的理想方法。

1 智能化鱼菜共生系统概述

鱼菜共生能很好地利用养殖尾水，保护生态环境并取得一定的经济效益。鱼菜共生结构见图1。

智能化鱼菜共生系统包括鱼类养殖、蔬菜栽培、综合环境测控3部分。在实际的应用中，鱼和菜的配比、鱼和菜的种类都很重要，都会影响到鱼菜共生系统的生态平衡[8]。鱼的选择一般为本土鱼类或者比较耐缺氧，在恶劣环境下生存能力较强的鱼，如鲶鱼、罗非鱼、鲫鱼、鲤鱼等;蔬菜会选择果菜或者叶菜类，如番茄、生菜、空心菜等[9]。综合环境测控部分是智能化鱼菜共生系统的关键，主要由智能水质测控装置和智能温室测控装置组成，水质智能测控系统包括水质传感器和控制器。水质传感器采集水质数据，包括温度、pH、溶解氧等参数，实时检测水质状况，确保水质符合鱼的安全生长需求[10]。物联网技术可以实现循环水的全程监控，包括水流量、水质等，一旦水位或水质超过阈值，系统就会自动执行相关设备，将水环境调整至相应最佳状态，始终保持水质环境恒定不变，保障了鱼菜共生系统稳定高效运行。温室作物生产对于生长环境的要求越来越精细，对环境的控制也有了较高的要求，温室引入自动测控系统，可以实现智能化管理，提高生产效率，尤其是大面积的种养，灌溉、生物补光、营养液的补给、通风等无需人工操作，自动调整温室内环境，达到适宜植物生长的要求。

1.1 鱼类养殖 鱼菜共生系统中，养鱼的方式有很多种，从传统的承包鱼塘或者是推土建塘，将鱼养在鱼塘里，到后来在江河湖泊中放养殖网箱养鱼[11]，到现在的温室[12]、循环水养殖模式[13]，还有家庭式的阳台微型鱼菜共生系统[14]，用鱼缸来养鱼。其中池塘养殖模式结构简单，建设成本低，是我国最流行的养殖模式之一，只需要在鱼塘上安装增氧机和投饵机即可[15]。循环水养殖模式可以用物理和生物的方法净化养殖尾水并循环使用，对水温、水质以及水流量进行控制，把水中有害物质、悬浮物、可溶性物质和气体从水体中排出或转化为无害物质，并补充溶氧，实现对水质环境高效净化处理，使养殖对象一直处于最佳的环境中。循环水养殖流程见图2。

循环水鱼菜共生系统是用一系列水处理单元将养殖池中产生的废水经过物理过滤、生物过滤、去除CO2、消毒、增氧、调温等[16]处理后再次循环回用，提高水资源的利用率，为养殖生物提供稳定可靠、舒适优质的生长环境。物理过滤利用水流的高度差来过滤水中粪便、残饵等一些不可溶于的些物质，可以有效地保持循环水的清洁[17-18]。生物过滤是使用生化滤材来培养硝化细菌，使硝化细菌数量增多，硝化系统更加完善，在循环水中鱼的粪便以及一些不溶物的话，就会降解，也会使水变得更清澈。循环水的杀菌消毒最常用的就是紫外线和臭氧，利用紫外线的穿透力和臭氧的强氧化性将细菌杀死，由于紫外线的穿透力不够，不能将细菌全部杀死，而臭氧使用过多对鱼类有毒性，所以在现实的生产中不必把细菌全部杀死，只需要控制在一定的范围内即可。

鱼菜共生系统利用循环水养鱼，一般选择室内养殖池或者大型PVC（聚氯乙烯）桶[19]，并把他们用管道连接，用水泵让水循环起来，在养殖过程中需要定期水质检测[20]，如pH、溶解氧、氨氮等相关水质参数[21]，确保水的质量。需要增氧机提供氧气，投饵机定时喂鱼。在温室的鱼菜共生系统中也有人用到了大型鱼缸养殖[22]，鱼缸养殖的鱼菜共生系统是家庭中最常用的一种，在选材方面要耐老化，耐紫外线，不易破损，成本低，实用性强且具有观赏性[23]，还需要配备小型增氧机，投饵机以及一套循环水系统。

此外，在养鱼的过程中不仅需要定期检测水质情况，还要对环境进行检测和控制，如温度、湿度等[24]，温度会影响鱼类的生长。鱼类的疫情监测也是非常重要的，鱼类在生长的过程中难免会因为环境或其他因素引发各种疾病，如果不能及时发现并采取措施，会导致严重的后果。所以在养殖过程中还需要引进一些更智能的监测设备，保障鱼类的健康生长，为养殖户提供便利，同时提高生产效率，增加收入。

养殖尾水通过水泵输送到植物栽培区域，鱼粪和残饵干果分离过滤和硝化细菌的分解，可作营养物质被植物吸收，是一种循环型、可持续的低碳模式，也是解决生态危机的有效方法。

1.2 蔬菜栽培装备 水培法在鱼菜共生系统中是用得最多的一种方法，水培可以是任何营养液或惰性生长介质，采用水培法以后，植物可以通过根部直接吸收营养液中的养分与水分，人们可以根据不同的植物调配营养均衡的溶液，实现植物均衡营养，不易生虫，这显然要比土壤更有优势。这些营养液是装在容器中的，可以循环使用，不会流入土壤而对环境造成污染，安全可靠可持续。

鱼菜共生系统中，蔬菜的栽培一般分为直接漂浮在养殖水体上和与养殖水体分离，直接漂浮法是我国当前生产应用最广泛和最流行的鱼菜共生模式，具有漂浮性的材料一般都可以用来制作浮床，在实验室常用的材料有硬泡沫[11]、PVC[25]管，在直接漂浮法中还需要保护植物根须，防止鱼类破坏，通常情况下用网片[26]来保护，网片分为上衬网和下衬网，上衬网用于固定蔬菜，下衬网用于防止鱼咬蔬菜根系。在实际应用中大多是养殖区域和栽培区域分离，可以分层栽培蔬菜，有效提高空间利用率。栽培结构见图3。

养殖水体与种植系统分离也是鱼菜共生模式，养殖尾水水泵循环入栽培区域，植物根系吸收营养液，充当水培系统过滤器[27]，然后再次返回养殖池，形成闭路循环。在栽培过程中可根据蔬菜的品种配置不同的营养液，加入循环水的主管道，然后流入栽培槽。传感器组可以实时对空气环境进行检测，当环境的参数超出阈值时，控制器会向执行单元中的设备发送指令将参数调节到最佳。这种模式的鱼菜共生系统可以用于大规模生产，系统稳定，效率高。用分层的栽培槽栽培[21]，种植区域和养殖区域通过水泵相连通，养殖水由调节池中水泵抽提流入种植区域最上层栽培槽，然后从最上层栽培槽流到各个栽培槽中，有机物被蔬菜吸收后的优质水体用抽水设备注入养殖池形成循环[28-29]。两级过滤取水灌溉泵站、封闭式给水管道系统和微喷与滴灌相结合的节水灌溉体系[30]，更有利于实现闭环式生态水循环和种养的生态平衡。在鱼菜共生系统中放入麦饭石、火山石以及陶粒[31]，能有效处理水质并释放可被蔬菜吸收的矿物元素，有助于細菌的积极生长[32]，促进蔬菜生长[33]。构建鱼菜共生系统中的水培单元除了需要循环水系统和植物所需要的营养液，还需要充足的光照，植物补光灯[23]能够促进植物的成长。此外在寒冷的冬季要对蔬菜采取一些保暖措施来御寒[34]，在炎热的夏季也要采取一些降温措施，所以会采取遮阴、通风等措施，否则会造成根系的吸收和发育功能下降，从而殃及池鱼。

所以在栽培系统中，如何实时的获取环境数据和及时地对环境做出调整是非常关键，因为它会影响到蔬菜的生长和经济收入，智能控制技术的使用能够有效解决这一问题，通过传感器实时获取数据，然后分析并作出判断，最后向执行单元发出指令，将栽培区域环境一直保持在恒定的状态，保证蔬菜的正常生长。

1.3 综合环境测控

1.3.1 种养环境监测。

现在还有很多养殖者使用传统的人工观测方式，定期测定水中的溶解氧、氨氮、pH等水质指标[35-36]，这种方式费时费力，仅凭人工经验不能够保持水质参数的最佳值，也不能够达到实时的效果。利用传感器和无线通讯技术来实时获取液位数据、pH和水温数据，然后通过控制系统中的加热器、潜水泵等设备来保证养殖池水质的最佳状态[37-38]。通过可视化界面和人机交互界面会使得水质控制更加简单方便，能够实现多水质传感器组数据的实时显示，然后用算法对数据进行处理，最后发送指令完成设备的控制[39]。基于物联网的鱼菜共生环境监测系统，由传感器模块、通信模块和数据处理3部分组成[40]，养殖水体的pH、溶解氧，通信模块的广域网采用WiFi技术，局域网采用ZigBee技术，实现实时通讯[41]，数据处理模块负责处理传感器的数据，一旦超过设定的阈值就会报警并作出相应的决策。今天看来，鱼菜共生已经变成了一种生态的生产模式，甚至还成为一种园艺[42]。但是鱼菜共生系统在很多时候需要管理和调控，最好的方法通过传感器对鱼和菜的生长进行实时严密的测控，保证鱼、蔬菜之间能够协调共生，达到动态平衡。随着科学技术的进步，无线传感网络信息传输已经应用到农业的很多领域，例如ZigBee技术[37]、无线射频技术、5G技术等可以实时采集水质数据，能够很好地反映水质的动态变化情况，降低功耗、降低成本，提高鱼类和蔬菜的质量和生产效益[38]，这些传感器技术已经在农业领域得到了广泛的应用。如图4所示，在鱼菜共生系统中加入智能信息传感装置可以实现信息的自动化、管理的智能化，降低养殖风险，降低劳动成本，对促进绿色低碳农业的发展具有重要的意义。

1.3.2 种养环境控制。水培种植区域也需要对环境参数调控，保证植物的正常生長，多传感器组检测环境数据[43]，然后对数据进行分析并做出判断，根据环境参数设定参数，按照逻辑程序对温度、湿度、补光情况进行调节[44]。传感器系统通常包括温度传感器、湿度传感器、液位、光照等，传感器系统主要是感知环境变化，采集数据信息，控制系统包括潜水泵、加湿器和LED植物灯等，来改变鱼菜共生系统的环境[37]。系统可以对空气中的温度、湿度、光照等水培蔬菜生长环境的参数，通过WiFi模块与上位机通信，实现实时显示和处理采集的数据，然后对环境进行调节[45]。

水培营养液浓度的人工标定费时费力，效率低，不能实时获取营养液的浓度从而时刻保持最佳的营养液浓度。利用Analog EC Meter和Analog PH Meter传感器实时获取营养液浓度和pH，然后由循环水泵调节将其浓度值控制在合理范围。另外还配备了触摸屏和手机App，操作更加方便，可实现无线远程监控[41]。要实现营养液浓度的连续在线检测，一种双传感器冗余控制的水培营养液浓度在线标测系统，供液管先流入检测池，然后流入储液桶，形成循环并使用微流泵实时连通检测池中营养液与栽培床中营养液[46]。

随着科学技术的不断发展，传感器已经得到了广泛应用，再加上智能终端的普及，让农场主在监测种养方面更加方便、快捷。相比传统模式的人工定期检测，不仅保证了实时性，还能通过与人工智能算法相结合，通过处理数据，可以预测未来一段时间的水质、环境情况，并根据预测情况做出相关调控措施，此外还可以设置阈值，当参数不在正常范围内时会主动向终端报警，让管理鱼菜共生系统更加智能，提高生产效率又能保证系统的长期稳定运行。

2 鱼菜共生系统在北京都市型农业中的应用前景

现阶段，随着都市人口的不断增长和都市农业的高速发展，高效种植，提高空间利用率，缓解土地资源，增加城市绿化面积已成为必然[47]。位于上海浦东新区的某庄园，一个基质栽培式鱼菜共生系统的大棚，是一个农家乐模式度假村。在重庆，2011—2013年全市鱼菜共生推广面积超过0.74万hm2[48]。甘肃省天水市2015年引进鱼菜共生，示范区12 hm2，经测算，单位面积纯收入15万元/hm2[49]。惠州市鱼菜共生示范基地对经济效益进行了测算，在经济效益年限内，共为社会增加纯收入3 152.314 1万元，平均年经济效益622.978 4万元[50]。重庆市水产引育种示范基地实现单产蔬菜10 722 kg/hm2，单位面积增收10 920元/hm2，单位面积水产产量16 180.5 kg/hm2，纯利润2 521元/hm2，与传统养殖方法相比利润增加23.9%[51]。都市农业中阳台鱼菜共生系统也是主要组成部分，阳台阳光充足，温度适宜，人们在下班后可以种花养鱼，陶冶情操，在北京市和天津市受到了人们的青睐[52-53]。华中地区也推广了鱼菜共生养殖模式，通过水培蔬菜净化养殖尾水，增氧和抑制鱼类病菌生长，达到增加收入的目的[54]。随着鱼菜共生的相关传感器、设备的不断发展，鱼菜共生生产模式在我国迅猛发展，在北京、上海、山东、江苏、广东、湖北、浙江、四川等多地已达到一定的产业规模[55]，鱼菜共生生产模式以其绿色环保、高产高效的优势成为现代农业的发展趋势，将会得到更多人的认可。

蔬菜是人们生活中的必需品，为人类提供了维生素、矿物质和碳水化合物，蔬菜价格的稳定尤为重要，像北京这样拥有超过2 000万人口的大都市，蔬菜生产与供应对居民的生活消费与社会稳定具有重大影响[56]。据统计，北京地区的日光温室占北京地区各种设施农业的65%，日光温室比较适合微耕农业，机械化水平低，劳动强度大，作业效率低[57]。鱼菜共生是一种复合型农耕技术，将水产养殖技术和蔬菜种植技术有机结合在一起，养殖尾水可以为蔬菜提供有机物，蔬菜区域可以净化养殖尾水[58]，不仅可以节约土地资源和种养成本，而且可以实现零污染、零排放，鱼菜产出高效，保障蔬菜和鱼的供给。

另一方面，水培植物与土壤栽培有着很大的区别，土壤栽培施有机肥，分解发酵产生对环境有黑的气体，虫卵容易滋生，而在水培植物中就不存在这些问题。水培植物除虫一般使用物理法，既对环境没有污染，又保证了蔬菜的质量[59]。尤其是在像北京这样的大城市，鱼菜共生系统可以在温室大棚里，提高土地利用率，输入成本少，对环境污染小，实现鱼类和蔬菜的双丰收，提高经济收入。

鱼菜共生系统涉及传感器网络的运行与维护、水培营养液的调配、循环水系统和水产养殖等方面的知识，对人才有一定的要求。北京高校众多，人才储备充足，可以满足北京周边现代化农业的管理和研发的需求，此外还可以提供就业，缓解北京就业压力。

3 结语

随着人口的不断增长，资源也越来越紧张，同时在信息化的今天人们对饮食、环保的要求也越来越高，鱼菜共生系统应运而生，不仅可以节约时间和空间资源，而且对环境的污染小。相比传统种养模式，鱼菜共生系统生产环境洁净、可控，实现生产的自动化和管理的智能化，种养密度大，提高了生产效率，栽培区域一般使用物理除虫法，使作物的品质得到了保障。另外一些城市居民利用自家阳台，设计了微型鱼菜共生系统，不仅起到了观赏的作用，也能为家庭提供20%～30%的蔬菜和鱼肉。综上所述，鱼菜共生系统不仅是一种生产模式，也是一门艺术，实现了生态发展，有效提高了时间和空间的利用率，对我国的农业生产有着重要的意义，是一种值得推广的绿色、科学种养模式。此外，随着智能装备技术发展，可以通过智能终端实时监测大面积作物的生长情况和环境的变化，并且可以通过终端发送指令对设备进行控制，一个人可实现大规模的种养，节约人力物力，智能高效，是现代农业发展趋势。

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