基于物联网鱼菜共生系统的研究

刘来毅，张晓娟

（辽宁农业职业技术学院，辽宁 营口 115009）

自20世纪70年代，美国和澳大利亚相继提出“鱼菜共生”这一理念，打破了传统农业的平面、线性化耕作的方式，建立了一套三维立体、可循环的种养3D模式。在50多年的发展过程中，吸引了众多农业行业相关人员对其进行研究。这种模式在有限的区域内，能够提升空间的有效利用率，从而增加可观的经济效益，同时养鱼、种菜和水中的微生物形成一套小型的生态系统，实现“养鱼不换水，种菜不施肥”的绿色、高效、环保的闭环3D循环复合共生的种养方式[1]。虽然这种方式越来越成熟，但对现代职业农民也提出了新的挑战。闻道有先后，术业有专攻，种植和养殖虽然都是农业行业，但是对于农民来说很难同时掌握种植与养殖的技术，所以仅仅靠经验很难保证整个闭环系统中每个环节都不出现问题，如果出现问题整个生产链就不会处于最佳的运行状态，甚至遭受严重的损失。这就对整个鱼菜共生系统的监测提出了更高的要求，想要得到更精准的环境参数就需要先进物联网技术的介入，因此基于物联网的鱼菜共生系统具有广阔的发展前景。

一、基于物联网的鱼菜共生技术发展现状

（一）鱼菜共生技术发展现状

在早期就已经出现了鱼菜共生的雏形，比如东南亚一些国家在稻田中养鱼和我国珠三角地区的桑葚结合鱼塘等等。随着时间的推演和经验的积累，这种模式变得越来越多样，稻下养蟹、林中养蛙也得到了一定的推广，但是对于鱼菜共生这一技术进行系统的研究起步是比较晚的[2]。鱼菜共生系统是将水产养殖与水耕栽培相结合的复合生产模式，其最初目的是减少生产成本和增加额外的经济收益。随着研究的深入，这种模式还可以解决传统水产养殖过程中池水污染问题，传统的水产品养殖方式可以分为自然水体和非自然水体养殖，不论哪种方式在养殖过程中，水产品产生的粪便及饲料残饵经过微生物分解会产生氮、氨等成分，使水体富营养化降低养殖水体的含氧量同时产生有毒气体，威胁到水产品的安全。为了解决这一问题，最简单直接的方式是直接将养殖的尾水排放到土地、河流和湖泊等自然环境中，但这会造成环境的严重污染[3]。我们可以转变思路，养殖尾水恰好是种菜的天然有机肥料，这样将鱼菜有机共生达到循环利用的目的已经被广泛的接受。目前，已经有40多个国家和地区启动鱼菜共生项目，在我国的北京、上海、山东、浙江、江苏、四川、湖北、广东等多地已经形成一定的产业规模[4]。

（二）鱼菜共生系统中物联网技术应用现状

在国外鱼菜共生系统研究十分细致，大致可分三种：NCSU模式，在温室内使用固体基质作为在培床，固体基质选用的材料主要是过滤性好砂砾和陶粒，养殖池中的水灌溉地面蔬菜然后经过过滤吸收，循环水再次返流回养殖水池中，这一模式成为温室小型鱼菜共生系统的原型；UVI模式，这一模式主要的特点是植物栽培不需要固体基质，水耕植物直接栽培在养殖池的浮阀上，水产养殖与水耕栽培直接相连，适用于户外大规模生产；INAPRO模式是汇集了高智能传感器、智能控制、远程网络管理的基于物联网技术的封闭式鱼菜共生系统[5]。

就目前来说，鱼菜共生系统的研究越来越成熟，但是大多鱼菜共生系统中的环境监测、劳动输出和全局管理还是以人工为主，这就带来了很多弊端，首先是一套系统两种产物，这无疑增加了劳动强度，尤其在生产旺季会需要更多的劳动力；其次，在生产管理过程中鱼菜共生系统对管理者的要求更高，管理者不仅要熟悉水产养殖还要精通水耕栽培；再者，针对鱼菜共生系统的环境监测人工方式主要依靠经验，准确率低；最后，鱼菜共生系统的参数采集是有研究意义的，依靠人工很难采集。所以现在很多的研究者认识到物联网技术应用到鱼菜共生系统中可有效地提高研究结果的可控性、数据的准确性，为鱼菜共生技术的进一步完善提供更有效的理论和技术支撑。

利用无线传感网可以全天候监测生产环境，并且准确地记录室温、水温、水中的溶氧量、水的透光度、池水的PH值等环境参数，从而能降低劳动强度、减少劳动力、保证精细化管理和采集精确数据。马子超等[6]在基于ZigBee的鱼菜共生系统设计研究中阐述了基于STM32设计的鱼菜共生监测装置，可以实现远程监控鱼菜共生系统的环境参数，并且可以完成自动投料喂鱼等远程控制功能。康辉等[7]在基于Arduino的鱼菜共生控制系统设计中搭建了一款人机交互平台，可以实现有远程监控、有效调节控制环境参数和远程数据的高效传输。孙剑等[8]在基于物联网的鱼菜共生环境监测系统的研究中阐述了信息感知模块、信息传输模块和信息处理模块的实现，最终提高鱼菜共生系统的管理水平。

二、物联网+鱼菜共生系统的优势

（一）绿色环保

2015年原农业部制定出台了《农业部关于打好农业面源污染防治攻坚战的实施意见》，要求确保到2020年要实现“一控两减三基本”的目标。这其中，“一控”是指控制农业用水总量和农业水环境污染，确保农业灌溉用水总量保持在3720亿m3，农田灌溉用水水质达标。“两减”是指化肥、农药减量使用。“三基本”是指畜禽的粪便、农膜、农作物秸杆基本得到资源化利用和无害化的处理。

鱼菜共生系统设计理念与实施意见的目标完美契合。在“一控”上，鱼菜共生系统利用水耕栽培的植物吸收水中的氮、磷等元素，使鱼塘用水可以循环利用，达到节约用水的目的；在“两减”上，鱼菜共生系统完全可以自证清白，如果对蔬菜使用化肥和农药必然会污染水体进而危害水产品，同时水耕栽培采用无土栽培技术也避免了土壤中的重金属对农产品的污染；在“三基本”上，鱼类的粪便被微生物分解给蔬菜提供养分，避免了尾水污染环境，形成了资源化利用和无害化处理。

（二）集约增产

在目前农业生产中，选择优良品种时单位面积的产量基本确定，要想达到更高的产量最直接的方法就是增加种植面积，如果从空间的角度思考来提高生产密度不失为一个更好的方法。鱼菜共生系统就可以有效提高农业生产密度，在水下、水面甚至水上均可以搭建农业生产环境，充分利用了农业生产空间，一改传统农业粗放式的生产模式，最大程度提升养殖和种植的效果。徐伟忠等[9]在垂直式鱼菜共生系统的构建中阐述了螺旋梯田构建的原理、设计以及建造材料的加工安装，有效将平面农业转向空间农业，扩大了作物种植的表面积，将农产品的生产空间无限拓展。

（三）自动高效

鱼菜共生系统相当于一个小型的生态系统，在这个生态系统中生物链是不完整的，所以需要全方位的监测，结合了物联网技术的鱼菜共生系统可以指导养殖者更加精准的干预。鱼、菜、微生物生存的介质是水，所以对水中参数检测是十分重要的，物联网系统能够全天候的监测水中的PH值、含氧量、水温和浑浊度等，并能够采集准确的数据，同时物联网系统可以根据环境阈值和时间阈值来自动控制养殖水体的循环过滤、主动增加水中溶氧量、水温控制和自动投放鱼饲料。同时系统采集的数据也是宝贵的财富，可以通过数据的比对来研究鱼菜共生系统的最佳环境参数，对未来鱼菜共生系统扩展提供有效的指导数据[10]。

三、物联网+鱼菜共生系统存在的问题

（一）以鱼为主还是以菜为主

鱼菜共生系统中养鱼和种菜都会产生经济效益，到底是以养鱼为主要经济来源还是以种菜为主要经济来源目前仍然存在争议。Bosma在鱼菜共生的经济可行性研究中提出[11]，多数鱼菜共生农场中出现亏损主要的原因是农场主以蔬菜为主，养鱼则是副产品，因为养鱼的投入比种菜的投入要大，却不是主要的收入来源，造成生产成本增高最终导致了整体出现亏损。而蔡淑芳等[12]在鱼菜共生系统经济可行性中的研究结论为要以水培植物生产为主，研究表明水培植物比养鱼具有更高的盈利能力，因为植物种植成本低，成熟周期短，经济价值高而且生物转换率比鱼类好，以典型的罗非鱼-莴苣共生系统为例，在国际调查结果中可以看出，调查者从莴苣中获得的收益更多。

（二）气候类型多样

我国幅员辽阔，纬度上南北跨越的近50°，海拔上西高东低，气温与降水的组合多种多样，形成了丰富多样的气候。农业的生产活动与气候息息相关，鱼菜共生系统也不例外，不同地域、不同纬度、不同的海拔、不同季节很难统一养殖标准，所以很多有关鱼菜共生系统的研究很难对所有的需求者给出有针对性的指导意见。尤其在冬季，北方与南方随纬度的降低温度梯度十分明显，水产养殖对水温是有要求的，水耕栽培对水温和室温也都有要求，同时过低的温度也会导致微生物活性降低，不利于分解水中鱼类排泄物，所以这就对整个鱼菜共生系统维持适宜的生长环境提出了更高的要求。Love等[13]在鱼菜共生系统的经济性和可行性研究中指出，在冬季温度寒冷地区为了维持适宜温度的需要额外的成本支出，所以气候温和地区鱼菜共生系统的经济效益是寒冷地区的4倍。

（三）物联网技术推广难度大

物联网是第三次信息革命的关键技术，基于物联网技术的鱼菜共生系统能够实现自动控制、智能管理、远程监管和数据分析等功能，但是由于物联网技术仍然处于较低水平发展阶段，感知层、传输层和应用层都没有统一的标准，物联网相关设备厂商众多，产品功能相似但是接口标准不统一，不利于整个系统的扩展，而且针对鱼菜生命系统的传感器相对较少，这就很难保证能够精准的采集数据和控制管理，难以实现鱼菜共生系统的智能控制，大大降低了物联网技术应用效果，制约了物联网技术发展和农业资源的共享。搭建物联网系统需要配套的资金，物联网的每个层设备的质量、精度和稳定性越好价格就会越高，对应后期的运行、管理和维护的成本也越高，这无疑增加了以鱼菜共生为主要产品输出的企业和农户的生产成本，就鱼菜共生系统的盈利能力而言，虽然盈利项目多，盈利能力强，但是它的投资回收周期长，投资风险较大，所以这就加大了在鱼菜共生系统中推广物联网技术的难度。

虽然鱼菜共生系统和物联网技术都有它们的问题所在，但这都掩饰不了它们的优势。鱼菜共生系统的高效多产、绿色环保和节约减排是有机农业和循环农业的典型代表作，随着政府对农业扶持力度加大和环境保护政策的收紧，鱼菜共生系统的优势越来越突显出来，同时物联网技术也在高速适应智慧农业框架下的鱼菜共生系统，越来越多物联网企业参与到鱼菜共生系统的建设中，不断推进可持续性农业的发展，在未来基于物联网的鱼菜共生系统一定会有广阔的发展空间。