魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)模式研究現(xiàn)狀*

劉慧，汪小旵，施印炎，李天沛，於海明，郝向澤

(1. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031； 2. 蘇州市相城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江蘇蘇州，215100)

0 引言

我國一直以來都是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，已經(jīng)連續(xù)27年水產(chǎn)品進(jìn)出口總量保持世界第一的位置，據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)統(tǒng)計(jì)表明，預(yù)計(jì)在2030年我國的水產(chǎn)品總產(chǎn)量將占世界水產(chǎn)品總產(chǎn)量的62%[1]。但隨之而來的是由大規(guī)模傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖衍生的負(fù)面效應(yīng)，例如傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中殘留的飼料以及魚類排泄物長期滯留在水體中，產(chǎn)生大量的氮磷等元素，對(duì)魚類具有毒性，如果無法及時(shí)分解或排出，則會(huì)影響魚類的健康生長。然而，為保證水體環(huán)境的平衡，多數(shù)養(yǎng)殖戶常采取更換養(yǎng)殖水的方式，不僅會(huì)造成環(huán)境污染、水體富營養(yǎng)化，而且浪費(fèi)了大量的水資源。同時(shí)，在作物種植方面，隨著人們生活水平的提高，健康的綠色有機(jī)食品越來越受到大家的歡迎，傳統(tǒng)方式的施肥種植蔬菜被認(rèn)為是有污染的產(chǎn)品，今后將會(huì)逐漸被替代。

基于以上原因，魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的提出備受人們的關(guān)注。魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)將水產(chǎn)養(yǎng)殖與水培種植結(jié)合在一起，最大限度地實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)兩種經(jīng)濟(jì)作物，利用魚類與植物的營養(yǎng)生理、環(huán)境、理化等生態(tài)共生原理實(shí)現(xiàn)了“養(yǎng)魚不廢水，種菜不施肥”[2]，相比于單一系統(tǒng)的種養(yǎng)殖技術(shù)而言更具有研究意義。魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的實(shí)施有效解決了傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖中環(huán)境污染與水資源浪費(fèi)的問題，是新一輪水產(chǎn)養(yǎng)殖改革中更受大眾青睞、更為綠色健康、更高可持續(xù)性的技術(shù)。

本文在魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)溯源的基礎(chǔ)上界定魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的概念，并闡述其運(yùn)行原理，以國內(nèi)外經(jīng)典文獻(xiàn)為起點(diǎn)，主要梳理總結(jié)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的技術(shù)要點(diǎn)以及影響魚—菜共生種養(yǎng)模式平衡的因素，在此基礎(chǔ)上歸納目前魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)發(fā)展中出現(xiàn)的問題，并給出促進(jìn)其高效發(fā)展的建議。

1 魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的起源

1.1 發(fā)展溯源

據(jù)記載，最早出現(xiàn)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的雛形是1 200多年前，當(dāng)時(shí)中國的農(nóng)耕社會(huì)就有稻田養(yǎng)魚等養(yǎng)殖模式，并且在公元1100—1350年時(shí)，南美洲阿茲特克人便利用人工浮島來進(jìn)行養(yǎng)殖，此模式被稱為“奇南帕”[3]，但在此之后到20世紀(jì)50年代之間都沒有相關(guān)技術(shù)的介紹與實(shí)施。世界上對(duì)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的廣泛研究開始于20世紀(jì)70年代，最初James Rakocy博士設(shè)計(jì)了第一個(gè)大規(guī)模的魚菜共生系統(tǒng)，用以培養(yǎng)羅非魚和生菜，被稱為UIV模式，此后又完善了魚和菜的比例，以最大限度提高產(chǎn)量[4]。20世紀(jì)80年代，Mcmurtry博士在溫室內(nèi)采用固體基質(zhì)栽培(細(xì)砂)，研發(fā)了一套溫室魚菜共生系統(tǒng)，被稱為NCSU模式的系統(tǒng)[5]，是目前多數(shù)小型魚菜共生系統(tǒng)的模型。直到20世紀(jì)90年代末期，國際學(xué)術(shù)界將水產(chǎn)養(yǎng)殖(Aquaculture)和水耕栽培(Hydroponics)組合在一起正式提出了一個(gè)新的概念詞匯，即“Aquaponics”——魚菜共生[6]。

在我國，最早發(fā)表魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)的是中國水產(chǎn)科學(xué)研究院王雅敏，她詳細(xì)介紹了魚菜共生系統(tǒng)的運(yùn)行原理、主要培養(yǎng)設(shè)備以及培養(yǎng)過程中的具體操作要點(diǎn)[7]，為后面我國展開魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的研究提供了理論支持。目前，F(xiàn)AO已經(jīng)給出了魚菜共生的定義為循環(huán)水養(yǎng)殖和水耕栽培在一個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的集成[8]。

1.2 運(yùn)行原理

魚菜共生是一種將魚類養(yǎng)殖與植物種植結(jié)合在一起的循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)，系統(tǒng)中魚類的排泄物以及殘留的飼料在水體環(huán)境中分解會(huì)產(chǎn)生氨氮磷等微量元素，此類元素在水中經(jīng)過需氧微生物的分解形成亞硝酸鹽，此時(shí)亞硝酸鹽對(duì)魚類有劇毒性，若水體環(huán)境中亞硝酸鹽含量大于0.1 mg/L，會(huì)影響魚類的健康甚至導(dǎo)致其死亡[9]。傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖為避免發(fā)生魚中毒事件，會(huì)通過不斷更換養(yǎng)殖水來控制氨氮的含量。但在魚菜共生系統(tǒng)中，氨氮產(chǎn)生的亞硝酸鹽可以由好氧微生物轉(zhuǎn)化為植物可以吸收利用的硝酸鹽，再經(jīng)過植物的固氮作用，水中對(duì)魚類產(chǎn)生毒性的元素含量會(huì)大幅度減弱，從而將凈化后的水體循環(huán)至養(yǎng)魚環(huán)境中，形成氮循環(huán)[10]。生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)無污染、零排放，還可以做到減少營養(yǎng)物質(zhì)(種植肥料)的輸入，既節(jié)約了凈水成本，又獲得了廣受喜愛的綠色無污染有機(jī)食品。

2 魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的關(guān)鍵要素

2.1 品種選擇

研究表明，并不是所有的魚類和蔬菜都適用于魚—菜共生種養(yǎng)模式，這需要探究魚類和植物的營養(yǎng)生理、生存環(huán)境、理化性質(zhì)是否匹配。如果要將魚類與植物友好的共生在一個(gè)系統(tǒng)中，必須要仔細(xì)選擇兩類生物的品種，有利于魚類生長的水分參數(shù)必須與植物所需的營養(yǎng)參數(shù)相耦合，而且水產(chǎn)所投飼的餌料以及水產(chǎn)排泄物對(duì)植物養(yǎng)分吸收的有效性有很大的影響。

最初，丁永良等[11]基于水質(zhì)和養(yǎng)殖環(huán)境的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，探索了鯉鯽更適合與萵苣組成共生系統(tǒng)還是與番茄組成共生系統(tǒng)，試驗(yàn)結(jié)果表明：鯽魚和萵苣更適合構(gòu)建魚菜共生系統(tǒng)，但鯽魚在魚菜共生系統(tǒng)中的生長狀態(tài)較傳統(tǒng)投飼相比并沒有特別顯著的區(qū)別。而有研究表明，羅非魚更適用于魚菜共生養(yǎng)殖模式，針對(duì)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)以及傳統(tǒng)投飼模式下羅非魚的品質(zhì)進(jìn)行比較，結(jié)果顯示：兩種模式下羅非魚的粗蛋白含量差異顯著，魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)下養(yǎng)殖的羅非魚鮮味氨基酸總量遠(yuǎn)高于純投料模式[12]。并且由于羅非魚天然抗病性強(qiáng)，有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，對(duì)溶氧需求較少、有極強(qiáng)的適應(yīng)性，能以谷物、藻類及腐敗物為主食，幼魚存活率高，所以目前大多魚菜共生系統(tǒng)都是主養(yǎng)羅非魚。因此，為探究羅非魚與哪類植物更適合組成共生系統(tǒng)，Savidov等[13]制定了一項(xiàng)共生系統(tǒng)培養(yǎng)方案，將24種植物分別與羅非魚共生培養(yǎng)，并制定試驗(yàn)對(duì)照組展開驗(yàn)證。結(jié)果表明，黃瓜、小番茄與羅勒的產(chǎn)量提高較為明顯。

另一方面，為增加魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中的投入品類，Endut等[14]研究以水菠菜和芥菜作為系統(tǒng)中的凈水植物，探究兩種植物去除養(yǎng)殖廢水中無機(jī)氮和磷酸鹽的能力，試驗(yàn)結(jié)果表明水菠菜能顯著降低總氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮和正磷酸鹽，其凈水能力遠(yuǎn)高于芥菜，更適合投入魚—菜共生種養(yǎng)模式中。在鯉、泥鰍與黃豆種子組成的共生系統(tǒng)中，可以將亞硝態(tài)氮、總氮和活性磷含量隨時(shí)間的變化用關(guān)系式表述，亞硝態(tài)氮、總氮和活性磷含量與時(shí)間x之間的相關(guān)方程分別為y=-0.036 9x+0.504，R2=0.946 1；y=-0.087 9x+0.988 2，R2=0.950 7；y=-0.322 6x+4.960 6，R2=0.980 3，結(jié)果表明此共生系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)具有明顯的改善效果[15]。

當(dāng)然，魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)廣受關(guān)注的同時(shí)，其經(jīng)濟(jì)可行性也備受質(zhì)疑，Parrish等[16]指出在溫帶地區(qū)，魚菜共生系統(tǒng)的投入成本更高，為提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)收益，應(yīng)將觀賞魚作為系統(tǒng)的品種補(bǔ)充。將斑劍魚、金魚與羅勒、豆瓣菜、菠菜進(jìn)行共生培養(yǎng)，試驗(yàn)結(jié)果表明斑劍魚不適合商業(yè)模式的魚菜共生系統(tǒng)，金魚與豆瓣菜的組合經(jīng)濟(jì)效益更為明顯?？梢姡~菜共生系統(tǒng)概念的提出主要是基于養(yǎng)護(hù)成本低，而選擇什么種類的魚類以及植物，不僅關(guān)系到此系統(tǒng)能否可持續(xù)運(yùn)行，而且還牽連魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。目前，魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中魚類常選用羅非魚、鰱魚、鱸魚等，蔬菜常選用生菜、菠菜、萵苣等，一定程度上也導(dǎo)致系統(tǒng)中魚—菜的品種較為單一，經(jīng)濟(jì)效益不顯著，也就限制了該項(xiàng)技術(shù)的廣泛推廣。

2.2 載體、微生物、藻類的利用

魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的載體通常是指在系統(tǒng)中加入一些陶粒、礫石等，這類物質(zhì)由于是多孔結(jié)構(gòu)，在可以起到一定物理過濾作用的同時(shí)，也可以為硝化細(xì)菌等提供好氧環(huán)境，以促進(jìn)氨氮磷等元素的分解、凈化水質(zhì)，還可以通過代謝產(chǎn)生大量的酶、次生代謝產(chǎn)物等活性物質(zhì)，為提高魚和菜的生長抗性提供有利條件。目前，國內(nèi)外對(duì)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中載體的研究很少，但有部分相關(guān)研究表明，在魚菜共生系統(tǒng)中加入礦物元素會(huì)對(duì)蔬菜生長以及品質(zhì)產(chǎn)生積極影響[17]，例如在系統(tǒng)中投入麥飯石、火山石或者陶粒，可以增加水體中的礦物質(zhì)含量，提高蔬菜葉綠素含量，促進(jìn)系統(tǒng)中蔬菜的生長。另外，將麥飯石應(yīng)用于魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中，不僅可以通過吸附作用凈化水體，而且對(duì)于水體的pH值可以起到雙向調(diào)節(jié)作用[18]。同時(shí)，麥飯石內(nèi)溶出的各種微量元素對(duì)魚類機(jī)體的生長發(fā)育、抗疲勞、抗疾病性有顯著的提高。但是，具體此類載體在魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中的最佳投放比例，還需要今后更深入細(xì)致的進(jìn)一步研究。

另一方面，微生物、藻類也是魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中不可或缺的一員。魚菜共生是基于魚類、植物和微生物之間動(dòng)態(tài)平衡的生態(tài)系統(tǒng)，更好地理解微生物在系統(tǒng)中的作用有利于系統(tǒng)的構(gòu)建，曾有研究利用16srrna基因深度測序分析8個(gè)細(xì)菌群落，最終確定在系統(tǒng)中一些細(xì)菌群落對(duì)植物的生長和健康具有顯著的益處[19]，但其確切功能還需要更加深入的分析。同時(shí)，由于魚菜共生系統(tǒng)所處的環(huán)境光照強(qiáng)度、溫度恒定，所以系統(tǒng)中容易滋生各種藻類，有研究表明菌藻共生能夠有效促進(jìn)魚菜共生系統(tǒng)的可持續(xù)性運(yùn)行。山東大學(xué)的方穎珂[20]將菌藻共生技術(shù)引入到魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中，以此解決魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中氮利用效率低、水質(zhì)凈化不穩(wěn)定的問題，試驗(yàn)結(jié)果表明，在菌藻共生技術(shù)下，水體中的氨氮、亞硝氮都維持在一個(gè)較低的水平，系統(tǒng)中N2O釋放量較傳統(tǒng)魚菜共生系統(tǒng)降低了89.89%，且魚和植物的生物質(zhì)增長量分別提升了6.18%和27.21%。氮循環(huán)是魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，而硝化作用以及亞硝化作用在氮循環(huán)中扮演著重要角色，研究表明在魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中加入硝化細(xì)菌可以提高氮的轉(zhuǎn)化利用效率、改善水體環(huán)境、增強(qiáng)魚苗的抗應(yīng)激能力[21]。并且，魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中加入硝化細(xì)菌可以增強(qiáng)蔬菜對(duì)氮元素的吸收能力，增加葉綠素和必需氨基酸含量，提高蔬菜的產(chǎn)量、改善了蔬菜的品質(zhì)[22]。

2.3 種養(yǎng)環(huán)境檢測與控制

魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)所處的環(huán)境分為外部環(huán)境與水質(zhì)環(huán)境，統(tǒng)稱為綜合環(huán)境。外部環(huán)境有光照、溫濕度等，水質(zhì)環(huán)境包括pH值、水流速、溶解氧等，對(duì)外部環(huán)境與水質(zhì)環(huán)境的調(diào)控直接關(guān)系到魚類與蔬菜的生長情況。目前，對(duì)綜合環(huán)境的檢測主要是基于物聯(lián)網(wǎng)以及傳感技術(shù)，國內(nèi)外就智能化魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)的研究主要集中開始于2019年。例如，趙月玲等[23]設(shè)計(jì)出一種基于傳感器技術(shù)的低功耗魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)，對(duì)溫度和pH值等環(huán)境特征進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，設(shè)置時(shí)間自動(dòng)喂魚、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制功能。但其測控功效單一，只能檢測水環(huán)境中的溫度及pH值，其程序以及軟件控制的穩(wěn)定性還需進(jìn)一步提高。而目前美國、德國等研發(fā)的水質(zhì)檢測控制設(shè)備不僅能檢測pH值、溫度、微量元素等，還能夠通過檢測水質(zhì)系數(shù)來自動(dòng)控制溫度以及水流速度等。

孫劍等[24]提出的基于物聯(lián)網(wǎng)的魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，彌補(bǔ)了測控系統(tǒng)功效單一的缺點(diǎn)。該系統(tǒng)由信息感知、信息傳輸和信息處理3部分組成，首先通過多種傳感器感知環(huán)境參數(shù)，如空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、魚池水溫、水溶氧量、pH值等信息，應(yīng)用ZigBee短程無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，通過GPRS無線通信方式發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。如果某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障也不會(huì)引起整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，穩(wěn)定性較強(qiáng)。2020年趙立軍等設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制的智能魚菜共生裝置又進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)了功能跨越，此裝置的創(chuàng)新點(diǎn)在于在實(shí)現(xiàn)了斷電保護(hù)，系統(tǒng)可以在停電時(shí)向用戶端發(fā)出警告，并自動(dòng)切換至內(nèi)部蓄電池供電，再加上自動(dòng)喂養(yǎng)、水溫恒定等功能可以使魚菜共生裝置在短期無人甚至無電時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少魚菜死亡的可能性。另外，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的任小婭[25]就魚菜共生的水質(zhì)環(huán)境研發(fā)了一套智能測控系統(tǒng)，構(gòu)建了水質(zhì)溶解氧DNNR預(yù)測模型，可以順利預(yù)測未來半小時(shí)內(nèi)的水溶氧量，并分別就智能測控系統(tǒng)的硬件與軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)魚菜共生系統(tǒng)的智能化發(fā)展。鄧順華等設(shè)計(jì)了魚菜共生耦合智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)及傳感器技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、記錄、分析以及控制，創(chuàng)新之處在于可以實(shí)現(xiàn)水肥自動(dòng)配比、自動(dòng)灌溉以及溫室環(huán)境自動(dòng)控制。

因此，選擇適合投入魚—菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)的魚菜品種，重點(diǎn)研究載體、微生物、藻類的利用以及系統(tǒng)中環(huán)境的檢測與控制技術(shù)至關(guān)重要。不僅要考慮對(duì)魚—菜品種對(duì)系統(tǒng)的平衡是否有影響，還需要考慮所搭建的系統(tǒng)是否有一定的經(jīng)濟(jì)效益。雖然針對(duì)魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中魚菜品種選擇的研究日益精進(jìn)，但是作為系統(tǒng)中的至關(guān)重要的一員，微生物、藻類以及各種菌類在魚菜共生系統(tǒng)中發(fā)揮的重要作用并沒有被完全挖掘，也并未重點(diǎn)研究系統(tǒng)中載體、微生物等的調(diào)節(jié)作用，未來將有待學(xué)者在此類方向進(jìn)行進(jìn)一步的研究。此外針對(duì)系統(tǒng)所處環(huán)境的檢測與控制技術(shù)，國內(nèi)外將人工智能應(yīng)用于魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中環(huán)境檢測與控制的相關(guān)研究還處于起步階段，然而通過智能技術(shù)對(duì)環(huán)境進(jìn)行檢測與控制是保證魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)，因此研究學(xué)者可以重點(diǎn)加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的研究。

3 影響魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)平衡的因素

3.1 氮磷轉(zhuǎn)化利用對(duì)系統(tǒng)平衡的影響

魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)從根本上來說是構(gòu)建了氮素循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的營養(yǎng)物質(zhì)、氮素主要來源于飼料，首先將魚類的排泄物以及殘余飼料所產(chǎn)生的氨氮，通過硝化細(xì)菌分解成亞硝酸鹽，形成營養(yǎng)物質(zhì)被植物所吸收。目前，影響魚菜共生生態(tài)系統(tǒng)平衡最重要的就是氮磷元素，氮磷元素不僅對(duì)魚類具有毒性，而且易導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化、造成水污染。所以，對(duì)魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中氮磷素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行深入研究，可以更好地評(píng)估系統(tǒng)的能量流動(dòng)，為魚菜共生系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。在魚菜共生系統(tǒng)中對(duì)魚類來說，氨氮的理想范圍是0～2 mg/L，適宜的亞硝酸鹽溶解范圍為0～1 mg/L，硝酸鹽應(yīng)保持在90 mg/L以下，就不會(huì)造成系統(tǒng)內(nèi)生物健康威脅問題[26]。

2006年Ebeling等[27]將魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中產(chǎn)生的總氨氮?dú)w納為PTAN=F×PC×c，其中PTAN為TAN(kg/d)的產(chǎn)率，表示飼喂率(kg/d)；PC為蛋白質(zhì)含量，F(xiàn)為在飼喂率的基礎(chǔ)上，每個(gè)蛋白質(zhì)輸入的TAN排泄量恒定值；c為常數(shù)，通過經(jīng)驗(yàn)獲得，對(duì)于常有的魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)c=0.092。此研究的提出可以為魚菜共生的飼料投喂提供理論基礎(chǔ)。在我國，最早是2015年鄒藝娜等[28]研究了魚菜共生系統(tǒng)中的氮素遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，并指出在水環(huán)境中氮素的轉(zhuǎn)化與微生物之間有著直接關(guān)系，其通過微生物的硝化反硝化作用在不同形態(tài)之間轉(zhuǎn)化。另外，系統(tǒng)中添加硝化細(xì)菌以及蔬菜種植部分基質(zhì)填料分層可促進(jìn)系統(tǒng)中硝酸鹽氮的積累、減少N2O釋放。因此，為了更好地發(fā)展魚菜共生系統(tǒng)，可同時(shí)采用這兩種處理方法，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

另一方面，影響系統(tǒng)中氮磷元素轉(zhuǎn)化效率的因素有很多，例如飼料中的鐵元素含量、抗生素磺胺嘧啶、植酸酶等。李晗溪等[29]就探究鐵元素含量對(duì)氮磷調(diào)控的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明投喂鐵元素濃度在20 mg/kg左右的飼料更加有利于對(duì)魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中氮磷元素的控制，研究為選擇投喂飼料提供了幫助，有利于更好地構(gòu)建魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)。胡浩東等[30]研究了典型抗生素磺胺嘧啶對(duì)系統(tǒng)中氮元素轉(zhuǎn)化的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明使用磺胺嘧啶雖然會(huì)提高魚的生產(chǎn)性能，但也會(huì)很大程度地抑制氮磷轉(zhuǎn)化，增加N2O釋放量，而且在系統(tǒng)中加入抗生素會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生一定風(fēng)險(xiǎn)。Ranka等[31]探究了在魚菜共生系統(tǒng)中喂養(yǎng)含植酸酶的魚飼料對(duì)磷元素轉(zhuǎn)化的影響，植酸酶是一種磷酸酶，在魚飼料配方中大量使用植物性成分時(shí)可用作膳食補(bǔ)充劑，研究表明植酸酶提高了魚對(duì)磷的利用，減少了磷的排泄，并且不影響植物生長。

3.2 水質(zhì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)平衡的影響

pH值是氫離子濃度的測量值，通常是溶液酸度或堿度的測量值，水的pH值會(huì)影響植物養(yǎng)分的有效性和硝化速率[32]。在魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中，pH值的理想范圍是6.5～9.5、可接受范圍是5.5～10，理想范圍與可接受范圍會(huì)因魚的種類等各種因素而發(fā)生變化。在合適的pH值范圍之外會(huì)改變魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)的平衡。例如，在微酸性環(huán)境中，魚的繁殖率可能會(huì)降低[26]，最適合魚類繁殖的pH值在6.0左右，高于7.0的pH值會(huì)導(dǎo)致鐵或錳的沉淀，低于4.5的pH值會(huì)導(dǎo)致根系損傷，植物會(huì)缺乏養(yǎng)分，對(duì)于硝化過程，所需的pH值范圍一般是7.0～9.0。一般來說，魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)對(duì)水體pH值的變化非常敏感，有研究表明如果植物種植在pH值為7.0～8.0的環(huán)境下不會(huì)影響產(chǎn)量，那么魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中的氨氮轉(zhuǎn)化率將會(huì)提高[33]，這樣有利于放養(yǎng)更多的魚類，而植物也將從更多的魚類排泄物中獲得必要的營養(yǎng)元素。

溶解在水中的分子態(tài)氧被稱為溶解氧，水中溶解氧的含量與空氣中氧的分壓、水的溫度都有密切關(guān)系，水溫是主要的因素，水溫愈低，水中溶解氧的含量愈高，水中溶解氧的多少是衡量水體自凈能力的一個(gè)重要參數(shù)。同時(shí)，水環(huán)境中溶解氧的含量是影響魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中3種生物(魚、菜、微生物)是否能健康生存的重要指標(biāo)，系統(tǒng)中的溶解氧指標(biāo)決定了維持魚類生存的能力。有研究表明，當(dāng)魚類進(jìn)食時(shí)，溶解氧量的消耗將會(huì)增加，這就需要利用其他手段進(jìn)行補(bǔ)償(使用增氧機(jī))，并且硝化過程也是一種氧化反應(yīng)，進(jìn)行硝化作用需要依賴水體中的溶解氧，當(dāng)其含量較低時(shí)，細(xì)菌就會(huì)停止分解氨和亞硝酸鹽，這樣便會(huì)增加對(duì)魚類以及植物的致命風(fēng)險(xiǎn)[8]。而且，植物在呼吸過程中需要根部吸收氧氣，魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中植物需要較高水平的溶解氧含量，通常需要>3 mg/L，如果氧氣不足，植物的根部就會(huì)逐漸死亡，一些真菌就可能會(huì)出現(xiàn)，以此危害共生系統(tǒng)。在養(yǎng)殖魚類時(shí)，所需的溶解氧濃度通常要>5 mg/L，如果含量不足，魚的產(chǎn)量將會(huì)減少[34]。另一方面，溶解氧含量也會(huì)受到時(shí)空變化、光照強(qiáng)度以及喂食量的影響，溶解氧在魚池中隨垂直深度增加而減小，相關(guān)系數(shù)范圍為-0.9～-0.7時(shí)，魚池溶解氧空間變化量與喂食量呈顯著的線性關(guān)系，溶解氧在水培槽中隨水平距離增加而減小；相關(guān)性范圍為-0.9～-0.8時(shí)，水培槽溶解氧空間變化量與光照強(qiáng)度呈顯著線性關(guān)系，同時(shí)溶解氧日變化受到各環(huán)節(jié)空間變化影響，白天波動(dòng)下降，夜間平緩上升[35]。

水流率即整個(gè)系統(tǒng)中的水循環(huán)速率，水流率與系統(tǒng)的管道長度有關(guān)，水流率的增加可以增加系統(tǒng)內(nèi)的能量循環(huán)速度，從而促進(jìn)植物的健康生長。水流率同時(shí)也會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)的硝化能力。所以，研究最適合魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)的水流率并維持恒定具有重要意義，以此可以避免對(duì)魚的壓力以及植物的營養(yǎng)不良。曾有試驗(yàn)研究表明在魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中，增加水流率以及管道長度可以使萵苣產(chǎn)量增加，并且可以更好地處理硝化氮[36]，通過評(píng)估魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中水流率對(duì)西紅柿生長的影響表明，隨著水流率增加，營養(yǎng)素吸收率增加，西紅柿的根和芽的長度也會(huì)隨之增加。

3.3 魚—菜投入比例對(duì)系統(tǒng)平衡的影響

一般在魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)中只有適合的魚—菜比例才可以使系統(tǒng)發(fā)揮最大的效率，如果系統(tǒng)中投入的植物比例太高，會(huì)造成植物生長過程缺乏養(yǎng)分而無法保證產(chǎn)量；比例太少會(huì)導(dǎo)致營養(yǎng)元素在系統(tǒng)中無法及時(shí)消耗而造成積累，使得水質(zhì)凈化能力變差。目前，隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，魚—菜構(gòu)成比例需要生產(chǎn)者依照具體情況而定。例如，在鯽魚—水雍菜共生系統(tǒng)中植物的種植密度會(huì)對(duì)系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生影響，當(dāng)植物密度為45株/m2時(shí)，系統(tǒng)具有較高的硝酸鹽氮積累優(yōu)勢[37]。在以泰國筍殼魚和水蕹菜構(gòu)建的魚菜系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)栽培槽與魚池體積比大于3時(shí)，能夠有效去除83%的銨態(tài)氮、87%的亞硝態(tài)氮、70%的硝態(tài)氮、60%的總磷和88%的總懸浮顆粒物[38]。

3.4 環(huán)境參數(shù)對(duì)系統(tǒng)平衡的影響

系統(tǒng)所處環(huán)境的光照強(qiáng)度與光照周期對(duì)植物的生長有直接的影響，對(duì)魚類的健康有間接影響。在以紅羅非魚和蕹菜構(gòu)建的魚菜系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)，將光周期從12 h 提高至24 h，4周內(nèi)紅羅非魚增重2.4%、蕹菜增重12%，水中氮、磷積累量明顯降低[39]。同樣地，在以鳥巢蕨和泥鰍構(gòu)建的魚菜系統(tǒng)中，提高光照強(qiáng)度和延長光周期可以明顯加快魚和菜的生長，同時(shí)促進(jìn)水體中氮、磷含量降低[40]。充足的光照是保證植物正常生長、開花與結(jié)果的重要條件，植物生長不良會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)凈化效果減弱，影響魚的健康。因此，保證溫室內(nèi)的光照條件十分重要。

魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)主要在溫室環(huán)境下運(yùn)行，對(duì)溫度和濕度的要求與普通溫室作業(yè)基本相同。然而，這方面專門的研究報(bào)道較少。一般而言，冬季氣溫較低，為了避免魚池內(nèi)的水溫過低以及晝夜溫差變化太大，通常需要在冬季設(shè)置加溫裝置。合適的水溫不僅可以保證魚的健康生長，而且還能避免植物根系發(fā)生凍傷。溫室里的濕氣主要來自植物的蒸騰作用，還有一部分是魚池水的表面蒸發(fā)，濕度過高會(huì)影響植物葉片的蒸騰作用，降低代謝活動(dòng)而影響生長。適當(dāng)通風(fēng)可以使室內(nèi)濕度保持在合適水平，空氣流通也會(huì)增加室內(nèi)二氧化碳含量，利于植物吸收利用[41]。

利用魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)時(shí)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是所搭建的系統(tǒng)保持平衡，否則會(huì)造成水產(chǎn)及植物的大面積死亡。而保持系統(tǒng)平衡的關(guān)鍵是找出影響系統(tǒng)平衡的因素，通過整理國內(nèi)外文獻(xiàn)可知系統(tǒng)中氮磷的轉(zhuǎn)化與利用，pH、溶解氧、水流率，魚—菜的投入比例以及系統(tǒng)所處環(huán)境的光照、溫濕度等都會(huì)對(duì)系統(tǒng)平衡產(chǎn)生影響，因此未來的研究重點(diǎn)就在于深入探究影響系統(tǒng)平衡的因素并找出影響因素的影響效果。

4 存在問題

4.1 對(duì)系統(tǒng)中菌、藻利用的研究缺乏足夠重視

魚菜共生是維持魚、微生物、菜三者互相平衡的共生系統(tǒng)，目前國內(nèi)外對(duì)于系統(tǒng)中魚和菜的研究更為廣泛，而對(duì)于菌、藻的研究卻少之又少。而菌、藻是魚菜共生系統(tǒng)中的微觀要素，發(fā)揮著不可替代的關(guān)鍵作用[42]，缺乏對(duì)此類微生物的研究使得構(gòu)建平衡的共生系統(tǒng)更加局限。

4.2 魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)內(nèi)的氮磷轉(zhuǎn)化不穩(wěn)定

國內(nèi)外的相關(guān)研究表明，影響魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)內(nèi)氮磷轉(zhuǎn)化效率的因素來自方方面面，系統(tǒng)內(nèi)氮磷轉(zhuǎn)換存在一個(gè)波動(dòng)的過程，如若不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)氮磷轉(zhuǎn)化出現(xiàn)的問題，將會(huì)危害魚類和植物的健康生長。而我國對(duì)于魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中影響氮磷轉(zhuǎn)化率的因素的研究尚不全面，對(duì)于揭示氮磷等重要營養(yǎng)鹽遷移、轉(zhuǎn)化的潛在反應(yīng)過程不明晰，揭示氮磷等重要營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化和吸收機(jī)制的相關(guān)研究較少[43]。

4.3 水產(chǎn)及植物種類局限，經(jīng)濟(jì)可行性尚不明確

魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于水產(chǎn)養(yǎng)殖不排污、植物種植不施肥，減少了種養(yǎng)過程中的資源浪費(fèi)，而此項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)就在于魚類和植物的選擇方面，通常魚類的選擇多用適應(yīng)能力強(qiáng)、存活率高的羅非魚、鰱魚、鱸魚等，植物多選用根系多、再生能力強(qiáng)的生菜、青菜、萵苣等[44]。這樣就導(dǎo)致了魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中投放品種單一的問題，同時(shí)此類魚和植物的經(jīng)濟(jì)收益與系統(tǒng)投入成本相比并不高，使得魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性備受爭議，限制了該項(xiàng)技術(shù)的廣泛推廣，缺乏了商業(yè)化系統(tǒng)規(guī)模的研究。

4.4 人工智能技術(shù)的應(yīng)用有待進(jìn)一步提高

魚菜共生系統(tǒng)是一個(gè)包含動(dòng)物、植物、微生物的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理技術(shù)要求較高，以至于目前人工智能在魚菜共生系統(tǒng)中的應(yīng)用較少。常見的僅僅是用于綜合環(huán)境監(jiān)測方面的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)控制還需要人工進(jìn)行，增加了勞動(dòng)成本以至于整個(gè)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的投入成本都偏高。因此限制了智能化魚菜共生系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。

4.5 缺乏專業(yè)性人才以及政府支持力度不足

由于我國對(duì)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的系統(tǒng)性研究起步較晚，所以目前相關(guān)技術(shù)的專業(yè)性人才儲(chǔ)備不足，無法更高效地推動(dòng)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的發(fā)展。因此，加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)型人才的培養(yǎng)是目前的重點(diǎn)。魚菜共生種養(yǎng)系統(tǒng)作為環(huán)境友好型生態(tài)系統(tǒng)，目前還沒有得到我國有關(guān)部門的足夠重視，一些政策制定不夠全面[45]，一定程度上會(huì)阻礙魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的快速發(fā)展。

5 發(fā)展建議

5.1 加強(qiáng)對(duì)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中各類微生物利用的研究

菌、藻等微生物對(duì)于維持系統(tǒng)平衡發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，按照生態(tài)學(xué)原理分析，菌藻多樣性越高，越有助于維持生態(tài)平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，菌種是否隨地區(qū)和系統(tǒng)類型的不同而具有特異性尚不清楚，而藻類在魚菜共生系統(tǒng)中扮演的角色僅有初步的認(rèn)識(shí)，菌—藻共生關(guān)系也有待進(jìn)一步深入研究。

5.2 加快人工智能技術(shù)在魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)中的應(yīng)用

魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以巧妙地應(yīng)用人工智能技術(shù)。例如，研發(fā)集成基于物聯(lián)網(wǎng)控制的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，檢測內(nèi)容包括魚的活動(dòng)狀態(tài)、水質(zhì)環(huán)境各項(xiàng)指標(biāo)、植物生長狀況以及植物凈水能力；其次，研發(fā)基于計(jì)算機(jī)控制的智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)溫度、照明和通風(fēng)系統(tǒng)與環(huán)境變化實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)；最后，基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)所得的最適用魚和植物生長所需的營養(yǎng)配比、生長模型，設(shè)計(jì)智能投喂以及水質(zhì)調(diào)控裝置，并基于魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的種養(yǎng)模式設(shè)計(jì)適用于魚菜共生種養(yǎng)模式的采收裝置。以此實(shí)現(xiàn)魚菜共生種養(yǎng)模式的全程智能化操控，增強(qiáng)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的可調(diào)控性和穩(wěn)定性，減少勞動(dòng)成本投入，同時(shí)可以考慮結(jié)合新能源作為系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)力來減少開支。

5.3 促進(jìn)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)對(duì)氮磷轉(zhuǎn)化吸收效率的研究

系統(tǒng)地研究影響氮磷轉(zhuǎn)化吸收的因素，如魚飼料的營養(yǎng)配比、pH、溶解氧、水力負(fù)荷以及微生物群落等，并指出這些因素的影響效果，揭示氮磷等重要營養(yǎng)鹽轉(zhuǎn)化和吸收的內(nèi)在反應(yīng)過程。此外，魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的有效運(yùn)行涉及多種變量參數(shù)，不同的魚菜品種需要不同的生物量配比、水質(zhì)參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)。所以，基于多變量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)學(xué)建模和仿真試驗(yàn)，建立魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)狀態(tài)的數(shù)學(xué)模型，為魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)模型準(zhǔn)確構(gòu)建提供理論依據(jù)，將有利于魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的廣泛推廣。

5.4 實(shí)現(xiàn)投入種類多元化，推廣構(gòu)建商業(yè)模式

基于大量的試驗(yàn)對(duì)比分析，找出適用于魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的高回報(bào)率水產(chǎn)及植物。例如，可以嘗試將該技術(shù)發(fā)展名貴花卉和優(yōu)特觀賞魚類方面，通過提高共生系統(tǒng)的觀賞價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，從而提高經(jīng)濟(jì)回報(bào)。其次，因地制宜，針對(duì)我國不同地區(qū)的氣候環(huán)境、生活方式探究適合本土發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化模式。

5.5 注重培養(yǎng)專業(yè)人才，加大政府支持力度

專業(yè)人才是發(fā)展一項(xiàng)技術(shù)的骨干力量，我國目前對(duì)于魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)的相關(guān)研究較少。因此，需要重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)專業(yè)人才的培養(yǎng)，例如可以建議高校推進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研究，邀請(qǐng)專業(yè)性人才進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)有重大研究成果的學(xué)者進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)等。此外，應(yīng)呼吁政府全面制定相關(guān)扶持政策，加大資金投入、加強(qiáng)宣傳力度、普及相關(guān)知識(shí)，提高民眾選擇魚菜共生綠色有機(jī)環(huán)保產(chǎn)品的覺悟，多維度共同推進(jìn)魚—菜共生種養(yǎng)技術(shù)綠色、高效、優(yōu)質(zhì)、全面可持續(xù)發(fā)展。