基于物聯(lián)網(wǎng)魚菜共生系統(tǒng)的研究

劉來毅，張曉娟

（遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 營(yíng)口 115009）

自20世紀(jì)70年代，美國(guó)和澳大利亞相繼提出“魚菜共生”這一理念，打破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的平面、線性化耕作的方式，建立了一套三維立體、可循環(huán)的種養(yǎng)3D模式。在50多年的發(fā)展過程中，吸引了眾多農(nóng)業(yè)行業(yè)相關(guān)人員對(duì)其進(jìn)行研究。這種模式在有限的區(qū)域內(nèi)，能夠提升空間的有效利用率，從而增加可觀的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)養(yǎng)魚、種菜和水中的微生物形成一套小型的生態(tài)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“養(yǎng)魚不換水，種菜不施肥”的綠色、高效、環(huán)保的閉環(huán)3D循環(huán)復(fù)合共生的種養(yǎng)方式[1]。雖然這種方式越來越成熟，但對(duì)現(xiàn)代職業(yè)農(nóng)民也提出了新的挑戰(zhàn)。聞道有先后，術(shù)業(yè)有專攻，種植和養(yǎng)殖雖然都是農(nóng)業(yè)行業(yè)，但是對(duì)于農(nóng)民來說很難同時(shí)掌握種植與養(yǎng)殖的技術(shù)，所以僅僅靠經(jīng)驗(yàn)很難保證整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)都不出現(xiàn)問題，如果出現(xiàn)問題整個(gè)生產(chǎn)鏈就不會(huì)處于最佳的運(yùn)行狀態(tài)，甚至遭受嚴(yán)重的損失。這就對(duì)整個(gè)魚菜共生系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)提出了更高的要求，想要得到更精準(zhǔn)的環(huán)境參數(shù)就需要先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的介入，因此基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。

一、基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

（一）魚菜共生技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

在早期就已經(jīng)出現(xiàn)了魚菜共生的雛形，比如東南亞一些國(guó)家在稻田中養(yǎng)魚和我國(guó)珠三角地區(qū)的桑葚結(jié)合魚塘等等。隨著時(shí)間的推演和經(jīng)驗(yàn)的積累，這種模式變得越來越多樣，稻下養(yǎng)蟹、林中養(yǎng)蛙也得到了一定的推廣，但是對(duì)于魚菜共生這一技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究起步是比較晚的[2]。魚菜共生系統(tǒng)是將水產(chǎn)養(yǎng)殖與水耕栽培相結(jié)合的復(fù)合生產(chǎn)模式，其最初目的是減少生產(chǎn)成本和增加額外的經(jīng)濟(jì)收益。隨著研究的深入，這種模式還可以解決傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中池水污染問題，傳統(tǒng)的水產(chǎn)品養(yǎng)殖方式可以分為自然水體和非自然水體養(yǎng)殖，不論哪種方式在養(yǎng)殖過程中，水產(chǎn)品產(chǎn)生的糞便及飼料殘餌經(jīng)過微生物分解會(huì)產(chǎn)生氮、氨等成分，使水體富營(yíng)養(yǎng)化降低養(yǎng)殖水體的含氧量同時(shí)產(chǎn)生有毒氣體，威脅到水產(chǎn)品的安全。為了解決這一問題，最簡(jiǎn)單直接的方式是直接將養(yǎng)殖的尾水排放到土地、河流和湖泊等自然環(huán)境中，但這會(huì)造成環(huán)境的嚴(yán)重污染[3]。我們可以轉(zhuǎn)變思路，養(yǎng)殖尾水恰好是種菜的天然有機(jī)肥料，這樣將魚菜有機(jī)共生達(dá)到循環(huán)利用的目的已經(jīng)被廣泛的接受。目前，已經(jīng)有40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)啟動(dòng)魚菜共生項(xiàng)目，在我國(guó)的北京、上海、山東、浙江、江蘇、四川、湖北、廣東等多地已經(jīng)形成一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模[4]。

（二）魚菜共生系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

在國(guó)外魚菜共生系統(tǒng)研究十分細(xì)致，大致可分三種：NCSU模式，在溫室內(nèi)使用固體基質(zhì)作為在培床，固體基質(zhì)選用的材料主要是過濾性好砂礫和陶粒，養(yǎng)殖池中的水灌溉地面蔬菜然后經(jīng)過過濾吸收，循環(huán)水再次返流回養(yǎng)殖水池中，這一模式成為溫室小型魚菜共生系統(tǒng)的原型；UVI模式，這一模式主要的特點(diǎn)是植物栽培不需要固體基質(zhì)，水耕植物直接栽培在養(yǎng)殖池的浮閥上，水產(chǎn)養(yǎng)殖與水耕栽培直接相連，適用于戶外大規(guī)模生產(chǎn)；INAPRO模式是匯集了高智能傳感器、智能控制、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的封閉式魚菜共生系統(tǒng)[5]。

就目前來說，魚菜共生系統(tǒng)的研究越來越成熟，但是大多魚菜共生系統(tǒng)中的環(huán)境監(jiān)測(cè)、勞動(dòng)輸出和全局管理還是以人工為主，這就帶來了很多弊端，首先是一套系統(tǒng)兩種產(chǎn)物，這無疑增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其在生產(chǎn)旺季會(huì)需要更多的勞動(dòng)力；其次，在生產(chǎn)管理過程中魚菜共生系統(tǒng)對(duì)管理者的要求更高，管理者不僅要熟悉水產(chǎn)養(yǎng)殖還要精通水耕栽培；再者，針對(duì)魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)人工方式主要依靠經(jīng)驗(yàn)，準(zhǔn)確率低；最后，魚菜共生系統(tǒng)的參數(shù)采集是有研究意義的，依靠人工很難采集。所以現(xiàn)在很多的研究者認(rèn)識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到魚菜共生系統(tǒng)中可有效地提高研究結(jié)果的可控性、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為魚菜共生技術(shù)的進(jìn)一步完善提供更有效的理論和技術(shù)支撐。

利用無線傳感網(wǎng)可以全天候監(jiān)測(cè)生產(chǎn)環(huán)境，并且準(zhǔn)確地記錄室溫、水溫、水中的溶氧量、水的透光度、池水的PH值等環(huán)境參數(shù)，從而能降低勞動(dòng)強(qiáng)度、減少勞動(dòng)力、保證精細(xì)化管理和采集精確數(shù)據(jù)。馬子超等[6]在基于ZigBee的魚菜共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中闡述了基于STM32設(shè)計(jì)的魚菜共生監(jiān)測(cè)裝置，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控魚菜共生系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)，并且可以完成自動(dòng)投料喂魚等遠(yuǎn)程控制功能。康輝等[7]在基于Arduino的魚菜共生控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中搭建了一款人機(jī)交互平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)有遠(yuǎn)程監(jiān)控、有效調(diào)節(jié)控制環(huán)境參數(shù)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的高效傳輸。孫劍等[8]在基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究中闡述了信息感知模塊、信息傳輸模塊和信息處理模塊的實(shí)現(xiàn)，最終提高魚菜共生系統(tǒng)的管理水平。

二、物聯(lián)網(wǎng)+魚菜共生系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

（一）綠色環(huán)保

2015年原農(nóng)業(yè)部制定出臺(tái)了《農(nóng)業(yè)部關(guān)于打好農(nóng)業(yè)面源污染防治攻堅(jiān)戰(zhàn)的實(shí)施意見》，要求確保到2020年要實(shí)現(xiàn)“一控兩減三基本”的目標(biāo)。這其中，“一控”是指控制農(nóng)業(yè)用水總量和農(nóng)業(yè)水環(huán)境污染，確保農(nóng)業(yè)灌溉用水總量保持在3720億m3，農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)達(dá)標(biāo)?！皟蓽p”是指化肥、農(nóng)藥減量使用?！叭尽笔侵感笄莸募S便、農(nóng)膜、農(nóng)作物秸桿基本得到資源化利用和無害化的處理。

魚菜共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念與實(shí)施意見的目標(biāo)完美契合。在“一控”上，魚菜共生系統(tǒng)利用水耕栽培的植物吸收水中的氮、磷等元素，使魚塘用水可以循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)約用水的目的；在“兩減”上，魚菜共生系統(tǒng)完全可以自證清白，如果對(duì)蔬菜使用化肥和農(nóng)藥必然會(huì)污染水體進(jìn)而危害水產(chǎn)品，同時(shí)水耕栽培采用無土栽培技術(shù)也避免了土壤中的重金屬對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的污染；在“三基本”上，魚類的糞便被微生物分解給蔬菜提供養(yǎng)分，避免了尾水污染環(huán)境，形成了資源化利用和無害化處理。

（二）集約增產(chǎn)

在目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，選擇優(yōu)良品種時(shí)單位面積的產(chǎn)量基本確定，要想達(dá)到更高的產(chǎn)量最直接的方法就是增加種植面積，如果從空間的角度思考來提高生產(chǎn)密度不失為一個(gè)更好的方法。魚菜共生系統(tǒng)就可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密度，在水下、水面甚至水上均可以搭建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，充分利用了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)空間，一改傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放式的生產(chǎn)模式，最大程度提升養(yǎng)殖和種植的效果。徐偉忠等[9]在垂直式魚菜共生系統(tǒng)的構(gòu)建中闡述了螺旋梯田構(gòu)建的原理、設(shè)計(jì)以及建造材料的加工安裝，有效將平面農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向空間農(nóng)業(yè)，擴(kuò)大了作物種植的表面積，將農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)空間無限拓展。

（三）自動(dòng)高效

魚菜共生系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)小型的生態(tài)系統(tǒng)，在這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中生物鏈?zhǔn)遣煌暾?，所以需要全方位的監(jiān)測(cè)，結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚菜共生系統(tǒng)可以指導(dǎo)養(yǎng)殖者更加精準(zhǔn)的干預(yù)。魚、菜、微生物生存的介質(zhì)是水，所以對(duì)水中參數(shù)檢測(cè)是十分重要的，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠全天候的監(jiān)測(cè)水中的PH值、含氧量、水溫和渾濁度等，并能夠采集準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境閾值和時(shí)間閾值來自動(dòng)控制養(yǎng)殖水體的循環(huán)過濾、主動(dòng)增加水中溶氧量、水溫控制和自動(dòng)投放魚飼料。同時(shí)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)也是寶貴的財(cái)富，可以通過數(shù)據(jù)的比對(duì)來研究魚菜共生系統(tǒng)的最佳環(huán)境參數(shù)，對(duì)未來魚菜共生系統(tǒng)擴(kuò)展提供有效的指導(dǎo)數(shù)據(jù)[10]。

三、物聯(lián)網(wǎng)+魚菜共生系統(tǒng)存在的問題

（一）以魚為主還是以菜為主

魚菜共生系統(tǒng)中養(yǎng)魚和種菜都會(huì)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，到底是以養(yǎng)魚為主要經(jīng)濟(jì)來源還是以種菜為主要經(jīng)濟(jì)來源目前仍然存在爭(zhēng)議。Bosma在魚菜共生的經(jīng)濟(jì)可行性研究中提出[11]，多數(shù)魚菜共生農(nóng)場(chǎng)中出現(xiàn)虧損主要的原因是農(nóng)場(chǎng)主以蔬菜為主，養(yǎng)魚則是副產(chǎn)品，因?yàn)轲B(yǎng)魚的投入比種菜的投入要大，卻不是主要的收入來源，造成生產(chǎn)成本增高最終導(dǎo)致了整體出現(xiàn)虧損。而蔡淑芳等[12]在魚菜共生系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行性中的研究結(jié)論為要以水培植物生產(chǎn)為主，研究表明水培植物比養(yǎng)魚具有更高的盈利能力，因?yàn)橹参锓N植成本低，成熟周期短，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高而且生物轉(zhuǎn)換率比魚類好，以典型的羅非魚-萵苣共生系統(tǒng)為例，在國(guó)際調(diào)查結(jié)果中可以看出，調(diào)查者從萵苣中獲得的收益更多。

（二）氣候類型多樣

我國(guó)幅員遼闊，緯度上南北跨越的近50°，海拔上西高東低，氣溫與降水的組合多種多樣，形成了豐富多樣的氣候。農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)活動(dòng)與氣候息息相關(guān)，魚菜共生系統(tǒng)也不例外，不同地域、不同緯度、不同的海拔、不同季節(jié)很難統(tǒng)一養(yǎng)殖標(biāo)準(zhǔn)，所以很多有關(guān)魚菜共生系統(tǒng)的研究很難對(duì)所有的需求者給出有針對(duì)性的指導(dǎo)意見。尤其在冬季，北方與南方隨緯度的降低溫度梯度十分明顯，水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)水溫是有要求的，水耕栽培對(duì)水溫和室溫也都有要求，同時(shí)過低的溫度也會(huì)導(dǎo)致微生物活性降低，不利于分解水中魚類排泄物，所以這就對(duì)整個(gè)魚菜共生系統(tǒng)維持適宜的生長(zhǎng)環(huán)境提出了更高的要求。Love等[13]在魚菜共生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可行性研究中指出，在冬季溫度寒冷地區(qū)為了維持適宜溫度的需要額外的成本支出，所以氣候溫和地區(qū)魚菜共生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益是寒冷地區(qū)的4倍。

（三）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣難度大

物聯(lián)網(wǎng)是第三次信息革命的關(guān)鍵技術(shù)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的魚菜共生系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、智能管理、遠(yuǎn)程監(jiān)管和數(shù)據(jù)分析等功能，但是由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)仍然處于較低水平發(fā)展階段，感知層、傳輸層和應(yīng)用層都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備廠商眾多，產(chǎn)品功能相似但是接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不利于整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展，而且針對(duì)魚菜生命系統(tǒng)的傳感器相對(duì)較少，這就很難保證能夠精準(zhǔn)的采集數(shù)據(jù)和控制管理，難以實(shí)現(xiàn)魚菜共生系統(tǒng)的智能控制，大大降低了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用效果，制約了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展和農(nóng)業(yè)資源的共享。搭建物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要配套的資金，物聯(lián)網(wǎng)的每個(gè)層設(shè)備的質(zhì)量、精度和穩(wěn)定性越好價(jià)格就會(huì)越高，對(duì)應(yīng)后期的運(yùn)行、管理和維護(hù)的成本也越高，這無疑增加了以魚菜共生為主要產(chǎn)品輸出的企業(yè)和農(nóng)戶的生產(chǎn)成本，就魚菜共生系統(tǒng)的盈利能力而言，雖然盈利項(xiàng)目多，盈利能力強(qiáng)，但是它的投資回收周期長(zhǎng)，投資風(fēng)險(xiǎn)較大，所以這就加大了在魚菜共生系統(tǒng)中推廣物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的難度。

雖然魚菜共生系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)都有它們的問題所在，但這都掩飾不了它們的優(yōu)勢(shì)。魚菜共生系統(tǒng)的高效多產(chǎn)、綠色環(huán)保和節(jié)約減排是有機(jī)農(nóng)業(yè)和循環(huán)農(nóng)業(yè)的典型代表作，隨著政府對(duì)農(nóng)業(yè)扶持力度加大和環(huán)境保護(hù)政策的收緊，魚菜共生系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)越來越突顯出來，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在高速適應(yīng)智慧農(nóng)業(yè)框架下的魚菜共生系統(tǒng)，越來越多物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)參與到魚菜共生系統(tǒng)的建設(shè)中，不斷推進(jìn)可持續(xù)性農(nóng)業(yè)的發(fā)展，在未來基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生系統(tǒng)一定會(huì)有廣闊的發(fā)展空間。