景觀式魚菜共生系統(tǒng)設計研究

陳 華，邱 磊

魚菜共生將水產(chǎn)養(yǎng)殖和水耕栽培兩種不同的農(nóng)業(yè)工程技術融合起來，是一種生態(tài)型農(nóng)業(yè)新技術[1-2]，主要原理是系統(tǒng)中魚的排泄物等雜質(zhì)通過種植區(qū)利用陶粒基質(zhì)將蛋質(zhì)、有機氮等大分子物質(zhì)通過消化分解作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽被植物吸收利用，從而實現(xiàn)養(yǎng)魚不換水、種菜不施肥的生態(tài)農(nóng)業(yè).國外對于魚菜共生的技術發(fā)展模式主要包括利用深水浮閥栽培方法、適用于室外大規(guī)模生產(chǎn)的UVI模式和溫室內(nèi)采用固體基質(zhì)栽培的NCSU模式，兩種模式較為簡單，適用范圍較窄[3].國內(nèi)的研究主要偏向魚菜共生技術以及集約化循環(huán)生產(chǎn)的實現(xiàn).目前魚菜共生系統(tǒng)研究方向正朝著兩種趨勢發(fā)展，一種是工業(yè)化養(yǎng)殖方向，為追求規(guī)模效益已開始產(chǎn)業(yè)化運作，因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，易受環(huán)境、種植品種配比和系統(tǒng)工藝等多方面因素的影響，導致投資成本高，風險大；另一種是休閑“家庭版”養(yǎng)殖方向，近些年還研發(fā)運用納米等高新技術[4].家庭種植蔬菜一般采用陽臺種植形式，需要專人管理其生長過程，客廳里養(yǎng)殖觀賞魚類因為產(chǎn)生排泄物以及過量魚餌，需要間歇換水以凈化水環(huán)境.為了節(jié)約資源，低碳環(huán)保，將家庭種植蔬菜與養(yǎng)魚有機結(jié)合，景觀式“家庭版”的魚菜共生系統(tǒng)應運而生.但大量研究表明，該系統(tǒng)仍存在諸多問題，如水產(chǎn)養(yǎng)殖中所投放飼料僅有小部分被利用，系統(tǒng)中容易在微生物作用下分解有害物質(zhì)，導致系統(tǒng)水體富營養(yǎng)化等[5-8].

在目前“家庭版”魚菜共生的基礎上，通過研究安全穩(wěn)定的循環(huán)水處理方法、增設光伏發(fā)電節(jié)能系統(tǒng)，監(jiān)測反饋魚菜系統(tǒng)中生長參數(shù)（溫度、總?cè)芙夤腆w量、pH值、氨氮等）技術手段，研發(fā)手機APP系統(tǒng)，實時監(jiān)測魚菜生存環(huán)境，以保證魚類觀賞區(qū)和水培種植區(qū)兩個系統(tǒng)的正常運行，基本不需換水，無廢化運行景觀式魚菜共生系統(tǒng).

1 系統(tǒng)總體設計

該系統(tǒng)整體采用屋頂式結(jié)構(gòu)，包括水草種植區(qū)、魚類觀賞區(qū)、水培種植區(qū)、光伏發(fā)電區(qū)、水質(zhì)監(jiān)測控制系統(tǒng)（見圖1、圖2）.水草種植區(qū)為底層，一是作為儲水箱，二是可布置水中植物，通過造型可營造不同視覺深度和層次感的景觀.水培種植區(qū)和魚類觀賞區(qū)為上層，均采用L型設計，相互契合，水培種植區(qū)采用陶?；|(zhì)栽培.

為保證水質(zhì)要求以供應魚菜正常生長，達到系統(tǒng)養(yǎng)魚不需換水，種菜不用施肥的生態(tài)共生效應，該系統(tǒng)設計了三重過濾、光伏發(fā)電、水質(zhì)監(jiān)測等關鍵性配置，以保證系統(tǒng)正常運行.

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 三重過濾系統(tǒng)配置

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)功能圖

在水循環(huán)自動過濾系統(tǒng)中，利用水泵把水草種植區(qū)中的潔凈水抽送到魚類觀賞區(qū)，當魚類觀賞區(qū)的液面高于限制水位時，在溢流區(qū)中形成壓力差，溢流區(qū)底部開了大量的小口，水流通過溢流口排出魚類觀賞區(qū)，將混有雜質(zhì)的水體帶入水培種植區(qū)（原理如圖3），此為一重過濾；魚類觀賞區(qū)流出的水富含蛋白質(zhì)等大分子物質(zhì)，這些物質(zhì)不能被植物直接消化利用，通過基質(zhì)栽培，并設置硝化細菌，通過消化分解作用將蛋白質(zhì)、有機氮等大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽被植物吸收利用.通過植物的吸收，降低了水體中營養(yǎng)濃度，避免了水體富營養(yǎng)化，且水培種植區(qū)的溢流管利用平衡壓力原理，在水柱上有規(guī)律的開設小孔，控制水流并且在小孔外側(cè)纏繞尼龍紗布，可以有效的避免種植區(qū)域營養(yǎng)物質(zhì)的流失，同時凈化流入到水草種植區(qū)的水質(zhì)（原理如圖4），此為二重過濾；水草種植區(qū)作為系統(tǒng)中最大的分區(qū)空間，在其間種植水草，一方面極大的利用了空間，滿足美觀要求，一方面通過水草的光合作用，可以為循環(huán)的水體中補充大量的氧氣，并凈化水質(zhì)，此為三重過濾，如此往復循環(huán)，實現(xiàn)魚菜共生系統(tǒng)中的水循環(huán)自動過濾（圖5）.

圖3 溢流循環(huán)原理圖

圖4 溢流套管結(jié)構(gòu)圖

2.2 光伏發(fā)電補光配置

為滿足整體美觀要求，以及為魚缸水體質(zhì)量提供保護，將太陽能搭載區(qū)設計成屋頂樣式，既不影響觀賞系統(tǒng)內(nèi)的魚類、蔬菜花卉生長狀況，也解決了光伏發(fā)電與設備用地的矛盾，充分利用了系統(tǒng)內(nèi)面積，太陽能電池板與魚菜共生設備有機結(jié)合在一起，并裝配可調(diào)光度LED照明燈，及時為系統(tǒng)補光（圖 6）.

圖5 整體系統(tǒng)循環(huán)圖

圖6 光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)水質(zhì)智能監(jiān)測配置

由傳感器、單片機、液晶顯示屏等組成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，各類傳感器收集魚菜共生系統(tǒng)中環(huán)境因素，由單片機進行處理后，直觀地顯示在液晶顯示屏上（附圖7）.通過設備內(nèi)的各種傳感器，時刻檢測系統(tǒng)內(nèi)水體的酸堿度、溫度、氨氮濃度等數(shù)據(jù).通過單片機將數(shù)據(jù)進行整合，時刻監(jiān)測整套設備的運行情況，出現(xiàn)故障時報警系統(tǒng)會進行報警預示，可以及時處理，有效減少出現(xiàn)魚菜死亡的情況.

圖7 水質(zhì)智能監(jiān)測示意圖

3 系統(tǒng)性能檢驗與應用試驗

3.1 性能檢驗

為驗證魚菜共生系統(tǒng)中，水循環(huán)自動過濾子系統(tǒng)是否可以通過溢流區(qū)進行水循環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì)凈化，實驗初期進行了系統(tǒng)運行，采用自來水20升放入魚菜共生模型中，且放入5條大小適當?shù)慕痿~，進行30天的實驗，每天魚食固定投放2次，保證魚的正常生長，通過TDS測試筆進行魚類觀賞區(qū)的水質(zhì)監(jiān)測，并記錄數(shù)據(jù)，整理如下.

3.1.1 實驗分析

通過TDS測試筆記錄魚類觀賞區(qū)的水體總?cè)芙夤腆w量，進行數(shù)字化分析，從附圖8中可看出魚類觀賞區(qū)中，TDS含量初期因魚食魚糞等雜質(zhì)的存在快速增加，隨著系統(tǒng)水循環(huán)自動過濾，TDS含量逐漸保持穩(wěn)定，適合金魚生長.

3.2 應用試驗

系統(tǒng)設計出后，為探究魚菜共生系統(tǒng)的運行情況和經(jīng)濟效益，進行了該系統(tǒng)的種養(yǎng)殖試驗.設置實驗組和對照組，實驗組為采用魚菜共生系統(tǒng)的種養(yǎng)殖，對照組采用傳統(tǒng)意義上的蔬菜種植和魚類養(yǎng)殖，除此條件，其他試驗條件適用金魚和生菜的正常生長.實驗組采用魚種為金魚，將5條適當大小的金魚放入水體積為20升的的魚類觀賞區(qū)內(nèi)，試驗魚食采用市售含蛋白質(zhì)含量32%，含水率10%的漂浮型魚糧，日喂飼量按載魚量2%計算，通過魚食自動投放器定時定量投放，對照組進行相同步驟；實驗組植物種植試驗蔬菜采用生菜，種植密度為100cm2/株，采用陶粒基質(zhì)栽培，整個蔬菜栽培面積共900cm2，對照組也如此進行.經(jīng)過30天的運行，觀察金魚和生菜的生長情況，并記錄數(shù)據(jù)，整理如下.

圖8 總?cè)芙夤腆w量變圖

3.3 試驗分析

（1）實驗初期，生菜對氨氮吸收的能力較差，水體中氨氮含量較高，實驗組和對照組的生菜狀況相似，隨著營養(yǎng)生理的加速，生菜的吸收和凈化能力增強，由于實驗組的營養(yǎng)循環(huán)，此組生菜較對照組長勢良好；魚類生長狀況和蔬菜大致相似.

（2）蔬菜栽培對系統(tǒng)水質(zhì)有凈化作用，隨著循環(huán)次數(shù)增加，通過記錄數(shù)據(jù)，實驗組水體中氨氮含量在0.03mg/L～0.07mg/L，PH保持在7.02-8.09，溫度保持在21.5-26.90C，指標相對穩(wěn)定，符合蔬菜和金魚的生長環(huán)境要求.

（3）通過水質(zhì)監(jiān)測可看出，魚菜共生系統(tǒng)平衡建立后，可實現(xiàn)不換水、不施肥的情況下，系統(tǒng)可自我調(diào)節(jié)，魚菜均可正常生長，達到了“養(yǎng)魚不換水而無水質(zhì)憂患，種菜不施肥而正常成長”的生態(tài)共生效應.

4 系統(tǒng)發(fā)展前景

隨著城市農(nóng)業(yè)不斷發(fā)展，綠色生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)受到越來的關注，除了工廠化大型生態(tài)農(nóng)業(yè)的研究，休閑農(nóng)業(yè)也隨之流行.該系統(tǒng)采用水產(chǎn)養(yǎng)殖技術和無土栽培技術相互結(jié)合，具有營養(yǎng)物質(zhì)再循環(huán)的生態(tài)效應特色，并具有以下三效益.

（1）魚菜共生可充分利用太陽能，使有限的水循環(huán)利用，且該裝置不僅在家庭陽臺、庭院，也可將水生動物養(yǎng)殖場、蔬菜作物種植園、花卉觀賞園和水族館等功能融合起來,作為城市景點建設，且該技術可與物聯(lián)網(wǎng)技術結(jié)合，通過無線智能傳輸將數(shù)據(jù)傳送到手機APP等智能終端，人們可隨時隨地接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)，符合現(xiàn)代人生活方式，具有推廣價值，有一定的經(jīng)濟效益；

（2）魚菜共生設施及配套技術的成功研發(fā)，使系統(tǒng)中的物質(zhì)就地進行可持續(xù)循環(huán)，物盡其用，無廢化生產(chǎn)，最大幅度提高水資源利用率，具有一定的生態(tài)效益；

（3）魚菜共生是一種生態(tài)型可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)新技術，涉及魚類和植物的營養(yǎng)生理、環(huán)境、理化等學科，可以普及生態(tài)循環(huán)理念和技術知識，構(gòu)建魚菜共生系統(tǒng)也是求證教育和體驗學習的方法，具有一定的社會效益.