现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环系统建立与应用＊

2022-05-06吴宜文鲍恩财

农业工程技术 2022年7期

高源，张龙，吴宜文，鲍恩财,

（1.德清百源康生态农业有限公司，浙江德清 313200；2.江苏大学农业工程学院，江苏镇江 212013；3.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所/农业农村部长江中下游设施农业工程重点实验室，南京 210014）

鱼菜共生是指通过巧妙的生态设计，让鱼、蔬菜、微生物之间形成一种生态平衡的复合种养模式，2020 年农业农村部发布的水产绿色健康养殖“五大行动”通知中重点提出要大力推广的9 大技术创新模式中就包含鱼菜共生复合种养模式，其代表了未来农业的发展方向。本文的现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环农业系统则是采用高科技现代化种养结合的复合生产方式，它将“工厂化循环水养殖”与“无土栽培蔬菜种植”通过“鱼菜共生”的模式实现了两者间的完美结合，从而达到“养殖不换水，种菜不施肥”的目的，同时通过设施内高精度环境控制，如植物生长所需的温度、湿度、光照、CO2浓度及营养液及养殖水体温度、溶氧、pH、氨氮、亚硝酸盐等环境条件的自动监测和控制，使设施内农作物、水产品的生长发育不受或很少受自然条件制约，实现农作物、水产品周年连续生产的高效农业系统。同时其是一种可持续、可循环、低碳高效、零污染零排放、全生命周期、全程可控的生态共生种养模式，整个生产全过程不使用农药、化肥、抗生素等对人体有害的添加物，确保蔬菜产品和水产品中各类有害物质零检出，保障消费者的食品安全[1]。

系统概况

现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环农业系统是集生物技术、工程技术和软硬件系统技术于一体，使农业生产从自然生态束缚中脱离出来，按计划周年不间断进行动植物产品生产的工厂化农业系统，其主要包括工厂化循环水养殖系统、工厂化无土栽培种植系统、微生物硝化处理系统及智能化管控系统等内容，自动化、标准化、智能化程度高，具有可移动、快速部署、高适应性等特点，可应用于极端天气、沙漠盐碱地区、废弃厂房、城市楼顶等场所，系统实景图如图1 所示。

图1 现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环农业系统（山东德州项目）

系统生产工艺

本系统采用高科技现代化种养结合的复合生产方式，使“工厂化养殖”与“无土栽培技术”通过“鱼菜共生”的模式实现了两者间的完美结合，具体生产工艺如图2 所示。鱼排泄的废水及残饵是蔬菜生长的最好养料，而蔬菜的根系与微生物群落又是天然的水质净化过滤系统。在此循环系统中，水从鱼池流出，经过物理过滤后，再通过生物反应器将氨氮等有害物质转化为硝酸盐，然后流经蔬菜种植床，蔬菜将养分吸收，水质净化后，最终回到鱼池，从而实现养鱼种菜的可持续与循环[2]。该系统突出表现为高产能、高自动化和高安全性等特点，可满足市场和消费者对健康、安全、绿色的蔬菜和鱼类的需求。

图2 鱼菜共生绿色生态循环系统生产工艺图

特别说明的是鱼菜共生生态循环主要是氮元素的循环，不同品种的蔬菜所需养分不同，养殖品种、养殖密度、养殖周期等对养分影响较大，环境温度、水体pH 也会对微生物转化影响较大，一般设计种植面积是养殖面积的2～3 倍，如养殖鲈鱼50 kg/m2，可供2～3 m2的蔬菜种植，不需要额外添加肥料或营养液，也不需要单独调控土壤EC。然而因为系统在运行过程中，水体pH 会降低，呈弱酸性，所以为了养殖的正常，要根据情况在循环水中加入小苏打调控pH，使pH 保持在6.0 左右。

系统区域构成

以德清百源康生态农业有限公司浙江湖州项目为例，本系统位于湖州某农业科普观光园二楼，地面采用水泥硬化的方式，但该系统建设时可不硬化地面，如使用设施农业用地，在温室大棚建设亦可，所以现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环农业系统建设对用地无特殊需求和限制。该系统主要包含植物工厂无土栽培种植系统、工厂化循环水养殖系统、三产农旅融合景观休闲系统，可种植包含观叶植物、观花植物、药食植物、垂吊植物、番茄、叶菜蔬菜等作物及养殖澳洲宝石鲈鱼、加州鲈鱼、淡水石斑鱼等中高端水产品，打造集绿色种植、创新驱动、技术推广、参观展示、科学普及、教育培训为一体的现代农业示范基地，同时也方便游客采摘体验。系统建设项目使用面积1000 m2，主要分为3 个区域。

无土栽培立体栽培区

栽培区包含100 套立体植物工厂栽培模组，分为叶菜栽培区和番茄栽培区，具体如图3 所示。整个模块对植物生长的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使植物的生长发育不受或很少受自然条件制约的省力型生产方式。同时使用LED 补光系统，最大限度降低生产能耗。另外水培种植模式杜绝土传病害，全程不使用任何农药，生产的蔬菜都是真正意义上的“零农残”。

图3 立体无土栽培区（百源康镇江句容项目）

鱼菜共生养殖区

养殖区包含水产养殖区、生物硝化处理区、立体无土栽培种植区，配套微生物硝化系统、微滤机、制氧机、风机、紫外线杀菌机、恒温机、LED 补光系统等，如图4 所示。鱼菜共生养殖区的配套设备的参数及使用情况详见表1。

表1 鱼菜共生养殖区配套设备基本参数及使用情况表

图4 鱼菜共生绿色养殖区（百源康湖州德清项目）

农旅融合多功能区

功能区旨在展示农耕文化、渔业文化以及现代农业科技知识，其中包含了中小学研学科普教育、农业小课堂、农产品采摘及观赏鱼和盆景等内容，通过配置生态餐厅、轻食饮吧，提供会议团建、垂钓棋牌等服务来促进农旅发展。同时功能区还开发了销售城市农业、空中农场、庭院景观鱼菜、阳台种菜、智能种菜机、景观鱼菜共生及桌面鱼菜共生小系统等项目[3]，如图5 所示。

图5 农旅融合之科普教育

系统应用效果

系统采用智能化建设及先进的物联网技术，可实时监测植物生长所需的温度、湿度、光照、CO2浓度、营养液及养殖水体溶氧、温度、pH等数据，并进行数据采集，平台进行数据存储、分析，实现使用者及管理者对鱼菜工厂进行高效操作及管理。最终通过智能化技术，实现了高质量、高产量以及高品质等目标，具体情况如下。

蔬菜种植

采用多层立体水培，蔬菜及瓜果平均每年总产量可高达50 kg/m2，以生菜为例，若采用3 层立体种植，每层可种植36 株/m2，移栽后生长期35 天左右，每株重量80 g，一年可收获6～8 茬，产量高于传统有机农业种植5 倍以上。如图6 所示，该系统可以常年稳定生产紫霞生菜、绿蝶生菜、格林生菜、奶油生菜、小白菜、油麦菜、小青菜、快菜、菠菜、小松菜、韭菜、芹菜、苦苣、苋菜、茼蒿、荆芥、紫苏、薄荷、香菜、罗勒等20 余种蔬菜，具有绿色安全、多汁爽脆、低纤维口感好等特点。

图6 蔬菜种植实景

水产养殖

系统采用了工厂化循环水养殖，各种鱼类平均产量每年可达50 kg/m3，高于池塘养殖20 倍以上，主要出产澳洲宝石鲈、加州鲈、淡水石斑等高质名贵水产，具有无抗生素、无重金属、清洁无异味、营养成分高、嫩滑口感好的特点，养殖产品如图7 所示。同时，整个系统保证了源头投放鱼饲料的安全性，其他环节不投入任何农药、化肥、激素和抗菌素等有害身体健康的化学物质，真正生产出了安全、健康的绿色有机蔬菜和有机鱼类。

图7 水产养殖优质产品

收益情况

本系统总投资500 万元，新建鱼菜工厂1000 m2，其中600 m2用于工厂化循环水养殖系统建设，400 m2用于植物工厂系统建设。计划年产蔬菜25 t，平均售价20 元/kg，以高品质沙拉生菜、水果番茄为主；水产品年产60 t，平均售价70 元/kg，主要为澳洲宝石鲈、加州鲈鱼、石斑鱼等中高端淡水鱼。根据项目长期投产经营情况，年产值可达470 万元，其中水产品年产值达420 万元，蔬菜年产值 50 万元，除去生产原料成本和劳力等各项费用约200 万元，预计年利润可达270 万元，约2 年可收回全部投资。

未来发展

现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环农业系统围绕“循环利用”“绿色环保”的现代化发展理念，通过研究应用鱼菜共生技术，依据布局需要，重点建设工业化循环水养殖区、蔬菜种植区及相关设施配套等内容，实现水产品和蔬菜整个生长周期的装备智能化生产，打造出集绿色种养、循环经济、创新驱动、技术推广为一体的现代农业产业项目[4]。为此，笔者所在团队未来研究重点有以下3 个方面。

（1）以循环化、生态化、设施化、标准化的建设理念，通过1 年的初步建设、3～5 年的推广应用，打造国内领先的集绿色养殖、循环经济、创新驱动、技术推广等为一体的现代工厂化鱼菜共生绿色生态循环农业科技创新中心，建成国家鱼菜共生技术龙头企业，突出循环化、智能化、信息化、标准化，引领种植业、渔业管理发展新趋势，种养结合业态融合新方向。

（2）通过近几年的实践探索，团队已掌握了成熟的工厂化鱼菜共生设计建设运营管理经验，通过鱼菜共生技术、智能化识别技术、数据自动收集信息系统、高效渔业技术装备、设施农业高效种养殖技术、蔬菜水产病虫害防控技术等的应用，研究起草鱼菜共生技术行业标准，每年开发2～5 种新技术、新模式和新装备等科研成果。

（3）在高品质蔬菜和水产品的基础上，本系统以鱼菜共生为切入点，布置水产鱼类、植物花卉等景观元素。同时借助农旅融合多功能区这一平台，以安全、绿色、高效的标准来推动此现代农业产业项目实现高质量发展。