萬瀟陽，拜艷玲，余宏軍，李 強，路 濤，李 陽，蔣衛(wèi)杰（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所，北京 100081）

由于生態(tài)環(huán)境和自然資源限制,中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),不可持續(xù)的化學(xué)農(nóng)業(yè)急需轉(zhuǎn)型為循環(huán)可持續(xù)的生態(tài)農(nóng)業(yè)。漁菜共作是新興的循環(huán)可持續(xù)的環(huán)境友好型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可以兼顧蔬菜、水產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)安全，減少了水和化學(xué)肥料的使用，促進可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)代漁菜共作技術(shù)(Aquaponics) 是以循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)(Recirculating Aquaculture) 和水耕栽培技術(shù)(Hydroponics) 為基礎(chǔ)的集成系統(tǒng)，采用生物和有限的化學(xué)手段，智能化或自動化進行循環(huán)流水水產(chǎn)養(yǎng)殖和水耕栽培。目的是使水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水中的廢棄物經(jīng)微生物作用轉(zhuǎn)化成可以直接供植物吸收的營養(yǎng)元素，確保提供蔬菜最佳生長所需營養(yǎng)元素的50% 以上，養(yǎng)殖廢水的水質(zhì)也得到凈化[1-3]。

傳統(tǒng)池塘養(yǎng)魚，效益低，而且養(yǎng)殖廢水排放對環(huán)境的污染大；高密度循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖，能耗高；高密度循環(huán)水水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)融合現(xiàn)代無土栽培技術(shù)而形成的漁菜共作技術(shù)，具有低能耗、廢水零排放的優(yōu)點，其需求將在未來逐步擴大。本文期望為建立大規(guī)模生態(tài)高效和經(jīng)濟可行的漁菜共作系統(tǒng)提供一定的理論參考。

發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的漁菜共作技術(shù)在世界各地分別獨立起源。阿茲特克人三千多年前在墨西哥發(fā)明了“浮動花園”(chinampa)，利用人工浮島的方法養(yǎng)魚和種植植物[4]。中國人從漢朝起就利用稻田環(huán)境養(yǎng)殖鯉魚、螃蟹、鴨子等淡水動物[5]。現(xiàn)代漁菜共作技術(shù)通常被認(rèn)為是起源自美國北卡羅萊納州立大學(xué)于20 世紀(jì)70 年代啟動的生態(tài)方舟項目(The Ark)[6]。20 世紀(jì)80 年代，北卡羅萊納州立大學(xué)的Mark McMurtry 博士和美屬維爾京群島大學(xué)James Rakocy 博士分別研發(fā)出了砂培型(NCSU) 和漂浮筏型(UVI) 的漁菜共作系統(tǒng)，成為最先嘗試商業(yè)化應(yīng)用的漁菜共作系統(tǒng)[7-8]。20世紀(jì)90 年代末，國際學(xué)術(shù)界正式提出現(xiàn)代漁菜共作技術(shù)(aquaponics) 一詞[9]。

2010 年以后漁菜共作技術(shù)的研究迎來了快速發(fā)展階段[9]。目前，全球已有40 多個國家或地區(qū)開展了現(xiàn)代漁菜共作技術(shù)的研究和實踐[10]?，F(xiàn)在漁菜共作系統(tǒng)的研究主要來自于美國、中國與歐洲各國，其中美國對漁菜共作系統(tǒng)研究最廣泛，涉及管理、病蟲害和商業(yè)化應(yīng)用。歐洲國家(如荷蘭、德國、意大利) 的研究人員研討了法律和政策。中國現(xiàn)代漁菜共作技術(shù)的研究起步較晚，20 世紀(jì)90 年代開始引進研究。近年來中國的漁菜共作研究快速發(fā)展，國內(nèi)漁菜共作研究論文逐年上升，相關(guān)文章涉及漁菜共作系統(tǒng)中的分子生物學(xué)、栽培生理、元素轉(zhuǎn)化、微生物培養(yǎng)、結(jié)構(gòu)改進、智能化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及經(jīng)濟效益研究等方面，且研究方向逐步深入，已開始追趕國外先進水平的研究[11-19]。各級政府及社會各界也紛紛投入，多個省市已開展或推廣商業(yè)化漁菜共作項目，各地政府將漁菜共作技術(shù)作為生態(tài)農(nóng)業(yè)和脫貧攻堅的重要方法，紛紛出臺政策，建立農(nóng)業(yè)示范園或以農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站進行推廣。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部將池塘漁菜共作循環(huán)種養(yǎng)技術(shù)列入2021 年農(nóng)業(yè)主推技術(shù)，北京、山東、重慶、甘肅等多地也陸續(xù)出現(xiàn)一些達(dá)到一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模的漁菜共作企業(yè)，甘肅天水市魚菜共生示范面積達(dá)到12 hm2，平均產(chǎn)量達(dá)到12225 kg/hm2，平均純收入達(dá)到15萬元/hm2。山東煙臺的艾維農(nóng)場發(fā)明旋轉(zhuǎn)立柱式氣霧栽培，在國內(nèi)外有較高知名度[20-22]。成都漁耕田農(nóng)場則號稱擁有亞洲最大的生產(chǎn)型漁菜共作農(nóng)場。國內(nèi)已涌現(xiàn)出如北京大地圃園農(nóng)業(yè)科技公司、廣東天菜農(nóng)業(yè)有限公司等一批各具技術(shù)特色的漁菜共作企業(yè)。國內(nèi)漁菜共作產(chǎn)業(yè)方興未艾。

系統(tǒng)主要構(gòu)成

漁菜共作系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)包括養(yǎng)殖池、蔬菜種植床，還包括一些輔助結(jié)構(gòu)，如水處理設(shè)備（機械或生物濾器等）、能源供應(yīng)設(shè)備、調(diào)控設(shè)備（用于增氧、消毒、恒溫、補光、水循環(huán)等）、介質(zhì)床（基質(zhì)、砂石等)、檢測設(shè)備（檢測pH、溶解氧、硬度、鹽度、氯氣以及其他污染源）和輔助管理的機械設(shè)備（圖1）。

圖1 漁菜共作系統(tǒng)主要構(gòu)成系統(tǒng)示意圖

關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)及調(diào)控技術(shù)

為了確保漁菜共作系統(tǒng)正常運行，需要綜合調(diào)節(jié)對動植物和微生物存活生長有關(guān)的環(huán)境因子在系統(tǒng)中處于動態(tài)平衡。相較于水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)已經(jīng)有相當(dāng)成熟的國家標(biāo)準(zhǔn)，漁菜共作技術(shù)的水質(zhì)參數(shù)調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)還不完善[23]。國內(nèi)外絕大部分研究僅從自身出發(fā)，未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。表1 為現(xiàn)有研究的環(huán)境調(diào)控參數(shù)匯總[1,3,5,24-29]。

表1 漁菜共作系統(tǒng)主要環(huán)境參數(shù)

漁菜共作系統(tǒng)中的物理參數(shù)如溫度、水循環(huán)流量、溶氧量等需通過機械設(shè)備(增氧泵、鍋爐和水泵等) 進行調(diào)控。系統(tǒng)應(yīng)該使用絕大多數(shù)的化學(xué)參數(shù)在安全范圍內(nèi)的水源，且在系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)下應(yīng)當(dāng)可以保持動態(tài)平衡。漁菜共作系統(tǒng)的正常運行的關(guān)鍵，就是構(gòu)建完善且平衡的氮素轉(zhuǎn)化。在系統(tǒng)中氮的主要來源是魚飼料，飼料經(jīng)魚消化后排出的糞便和魚飼料殘渣進入水體，分解轉(zhuǎn)化以總氨氮(TAN) 形式存在，然后通過硝化細(xì)菌的好氧硝化作用將有毒的總氨氮(NH3和NH4+) 氧化。一部分NH3會轉(zhuǎn)化為NH4+，大部分總氨氮會被氨氧化菌(Ammonia-oxidizing bacteria,AOB) 轉(zhuǎn)化為亞硝態(tài)氮(NO2-)，再經(jīng)亞硝酸鹽氧化菌(Nitrite-oxidizing bactreia,NOB) 轉(zhuǎn)化為無毒的硝態(tài)氮(NO3-)，硝酸鹽和部分離子態(tài)的NH4+被植物吸收利用，從而保持系統(tǒng)良好的水質(zhì)[1,25-34]。但在氮同位素標(biāo)記證明此循環(huán)中氮素并不能被植物完全吸收，系統(tǒng)環(huán)境條件不適宜硝化反應(yīng)進行時，反硝化作用進行，異養(yǎng)菌將硝酸鹽(NO3-) 還原，產(chǎn)生一部分的氣態(tài)氮損失(相對于魚飼料輸入的氮損失為20%～60%) 和N2O 排放(相對于魚飼料輸入的N 的0.6%～2.0%)[25,33]。N2O 全球變暖潛力是二氧化碳(CO2) 的310 倍，是嚴(yán)重的溫室氣體[35]。因此需要保證漁菜共作系統(tǒng)處于適宜硝化反應(yīng)的環(huán)境中。高溶氧量、特定基質(zhì)和適宜的pH 和溫度都能夠顯著降低水體中的氮損失和亞硝酸鹽濃度，而改變水中栽培的植物種類僅能改變氮利用率，對減少水體氮損失無顯著影響[1,30,32,36]。如果一些水質(zhì)參數(shù)不能平衡，則需要人工調(diào)控，需要綜合調(diào)節(jié)對動植物存活生長有關(guān)的水質(zhì)參數(shù)。有時水質(zhì)偏硬或蒸發(fā)率高，大幅提升pH 時，需要添加酸降低pH，可以定量少量添加磷酸、硫酸和硝酸降低水體pH[37]。另外，由于硝化作用和呼吸作用，魚菜共生系統(tǒng)的水會自然酸化，會有大量CO2的產(chǎn)生，當(dāng)水體pH＜6，通過氣浮處理可以脫去部分CO2，還可加堿或者增加碳酸硬度(KH)，以緩沖下降中的pH。常用強堿氫氧化鉀和氫氧化鈣或者更安全的的碳酸鈣和碳酸鉀提升pH[38]。

發(fā)展前景

相較于循環(huán)水養(yǎng)殖和水培高耗水、高耗能、高資源消耗，漁菜共作的水損耗大大減少，循環(huán)水養(yǎng)殖每天需更換5%～10% 的水，漁菜共作系統(tǒng)每天僅使用系統(tǒng)總水量0.3%～5.0%[39-40]，Al-Hafedh 等[41]發(fā)現(xiàn)半集約化漁菜共作系統(tǒng)在生產(chǎn)1 kg 魚需要320 L 的水，而半集約化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)生產(chǎn)同樣的生物量需要2000 L 以上的水。漁菜共作的作物所需的營養(yǎng)元素50% 以上都可以通過養(yǎng)殖廢水獲得[24]，減少了磷、鉀等面臨枯竭的化學(xué)肥料消耗，從節(jié)省氮肥的角度，預(yù)計可以減少28.5% 的農(nóng)業(yè)能源消耗，同時系統(tǒng)集成度高，更節(jié)省空間、資源和其他間接能源消耗[43-44]。Kloas 等[45]通過溫室漁菜共作系統(tǒng)種植番茄和養(yǎng)殖羅非魚，每日淡水使用量僅為同等循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的3.83%，并估算得出該漁菜共作系統(tǒng)的規(guī)模下具有560.6 kg 的CO2的潛在碳匯。還有研究估計半曝氣基質(zhì)漁菜共作系統(tǒng)可以降低超過46.93% 的因能耗間接排放的CO2[15]。因此漁菜共作技術(shù)無疑更具有較好的生態(tài)效益和可持續(xù)性，在實現(xiàn)碳中和方面也更具潛力。

盡管漁菜共作具有良好的生態(tài)效益，但其經(jīng)濟可行性上仍需進一步確定。由于漁菜共作的系統(tǒng)復(fù)雜性，很難對漁菜共作進行準(zhǔn)確的經(jīng)濟評價，目前還不存在一個普遍適用的估算系統(tǒng)，需要根據(jù)季節(jié)、市場、氣候等外部條件評估后進行評價[25,46]。從現(xiàn)有研究來說，在外界條件允許的前提下，漁菜共作具有經(jīng)濟可行性，因為系統(tǒng)降低了同等產(chǎn)出的生產(chǎn)成本和間接環(huán)境成本，提高了單位面積產(chǎn)出價值[47]。Rupasinghe 等人[48]的研究中計算出，種植萵苣和養(yǎng)殖梭魚，凈現(xiàn)值(未來收入現(xiàn)值與支出現(xiàn)值的差額) 提高了4.6%。上海某商業(yè)化漁菜共作系統(tǒng)進行成本收益分析，經(jīng)濟凈現(xiàn)值(784242.975 元)、投資回收期(Pt=3.86 年)、經(jīng)濟內(nèi)部收益率(30.97%) 等方面說明漁菜共作系統(tǒng)雖然投資大，但具有經(jīng)濟可行性[49]?？傮w來說漁菜共作具備盈利潛力和巨大的生態(tài)效益，但仍需從生產(chǎn)、銷售、政策多方面優(yōu)化經(jīng)濟可行性。

漁菜共作具有節(jié)約空間、水、肥、能源等自然資源，減少環(huán)境污染和溫室氣體排放，降低單位生產(chǎn)成本和人力，兼顧蔬菜、水產(chǎn)品的產(chǎn)量和品質(zhì)安全等顯著優(yōu)勢。然而漁菜共作技術(shù)的發(fā)展仍不完善，存在一些問題值得思考。首先，中美歐三大漁菜共作技術(shù)研究區(qū)的政府均無完善的漁菜共作技術(shù)的指導(dǎo)政策。第二，標(biāo)準(zhǔn)模糊。漁菜共作產(chǎn)品的定義模糊，無明確的標(biāo)準(zhǔn)。美國和歐洲暫不認(rèn)可漁菜共作產(chǎn)品作為有機食品出售。因此，許多國內(nèi)外研究者轉(zhuǎn)向漁菜共作政策和標(biāo)準(zhǔn)上的研究，美國和歐洲許多研究者研究制定標(biāo)準(zhǔn)和呼吁政府出臺優(yōu)惠政策，國內(nèi)也逐漸有研究者關(guān)注這方面。第三，漁菜共作的從業(yè)者較年輕，缺乏專業(yè)培訓(xùn)，生產(chǎn)效率低下，技術(shù)落后。國內(nèi)外研究者不斷改進漁菜共作技術(shù)，逐步推廣試點。歐洲研究者趨向解耦型的研究，國內(nèi)外研究者研究方向具體朝向智能化、基質(zhì)、動植物種類、微生物作用、曝氣、病蟲害、氮以外其他養(yǎng)分轉(zhuǎn)移規(guī)律以及海水漁菜共作技術(shù)等方面。另外，真正商業(yè)化生產(chǎn)的漁菜共作系統(tǒng)投入大，產(chǎn)出不穩(wěn)定，經(jīng)濟可行性和生態(tài)效益未知，還未有專門精確的估算，歐洲的一份調(diào)查中僅有1/3 的漁菜共作從業(yè)者盈利[10,44,50]。未來，漁菜共作系統(tǒng)想要走向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，還需對商業(yè)化漁菜共作系統(tǒng)進行進一步的研究和集成。