景观式鱼菜共生系统设计研究.pdf

鱼 菜共生将水产养殖和水耕栽培两种不同的 农业工程技术融合起来 是一种生态型农业新技 术 1 2 主要原理是系统中鱼的排泄物等杂质通过种 植区利用陶粒基质将蛋质 有机氮等大分子物质通 过消化分解作用转化为硝酸盐被植物吸收利用 从 而实现养鱼不换水 种菜不施肥的生态农业 国外 对于鱼菜共生的技术发展模式主要包括利用深水 浮阀栽培方法 适用于室外大规模生产的 UVI 模 式和温室内采用固体基质栽培的 NCSU 模式 两种 模式较为简单 适用范围较窄 3 国内的研究主要偏 向鱼菜共生技术以及集约化循环生产的实现 目前 鱼菜共生系统研究方向正朝着两种趋势发展 一种 是工业化养殖方向 为追求规模效益已开始产业化 运作 因其系统结构复杂 易受环境 种植品种配比 和系统工艺等多方面因素的影响 导致投资成本 高 风险大 另一种是休闲 家庭版 养殖方向 近 些年还研发运用纳米等高新技术 4 家庭种植蔬菜 一般采用阳台种植形式 需要专人管理其生长过 程 客厅里养殖观赏鱼类因为产生排泄物以及过 量鱼饵 需要间歇换水以净化水环境 为了节约资 源 低碳环保 将家庭种植蔬菜与养鱼有机结合 景观式 家庭版 的鱼菜共生系统应运而生 但大 量研究表明 该系统仍存在诸多问 题 如 水产养殖 中 所 投 放饲料仅 有 小部 分被利用 系统中 容 易在 微 生物作用 下 分解有 害 物质 导致系统水体 富营 养化等 5 8 在目前 家庭版 鱼菜共生的基 础上 通过研究 安全稳定 的循环水 处 理方法 增设光伏 发 电 节 能 系 统 监测反馈 鱼菜系统中生长 参数 温 度 总溶 解固 体量 pH 值 氨 氮等 技术 手段 研发 手 机 APP 系 统 实 时监测 鱼菜生存环境 以保 证 鱼类观赏区和 水培种植区两 个 系统的正 常 运 行 基本 不 需换水 无废 化运 行 景观式鱼菜共生系统 1 系统总体设计 该系统 整 体 采 用 屋顶 式结构 包括水 草 种植 区 鱼类观赏区 水培种植区 光伏 发 电 区 水质 监 测控制 系统 见图 1 图 2 水 草 种植区为 底层 一 是作为 储 水 箱 二 是 可布置 水中植物 通过 造 型 可 营造不 同 视觉 深 度 和 层次感 的景观 水培种植区和 鱼类观赏区为 上层 均采 用 L 型 设计 相互契 合 水 培种植区 采 用陶粒基质栽培 为保 证 水质要求以 供 应鱼菜正 常 生长 达到 系 统养鱼 不 需换水 种菜 不 用施肥的生态共生效应 该系统 设计 了 三重 过 滤 光伏 发 电 水质 监测 等 关 键性 配 置 以保 证 系统正 常 运 行 2 系统工作原理 2 1 三重 过 滤 系统配 置 在水循环 自动 过 滤 系统中 利用水 泵把 水 草 种 植区中的 洁 净水 抽送到 鱼类观赏区 当 鱼类观赏区 的 液 面高于 限制 水 位时 在 溢流 区中形 成压力差 景观式鱼菜共生系统 设计 研究 陈 华 邱 磊 安徽农业大学 工学院 安徽 合肥 230036 摘要 鱼菜共生系统由水产养殖与蔬菜栽培技术相互结合所产生 该系统中 养殖鱼类的排泄物和过 剩鱼饵用以育肥蔬菜 水栽蔬菜吸收成分用以净化系统水质 在形成生态循环系统的同时 也大幅度提高 了鱼类和蔬菜的质量和产量 基于该技术理论 设计了 家庭版 景观式鱼菜共生系统 为满足系统正常运 行 达到用户使用的需求 优化增设水循环自动过滤 光伏发电 水质环境监测及智能控制 APP 等新型子 系统 通过系统性能检验和应用试验分析 达到实时监测鱼菜生存环境 不换水无废化运行景观式鱼菜共 生系统的目的 关键词 景观式鱼菜共生系统 水循环自动过滤 光伏发电 水质监测 智能控制 中图分类号 S18 S96 文献标识码 A 文章编号 1673 260X 2018 08 0043 03 收稿日期 2018 05 11 基金项目 安徽省高校优秀青年人才基金项目 2011SQRL055 安徽省高校科研项目 KJ2011Z126 省级大创项目 通讯作者 邱磊 1976 男 讲师 主要研究方向 农业工程 Vol 34 No 8 Aug 2018 赤峰学院学报 自然科学版 JournalofChifengUniversity NaturalScienceEdition 第 34 卷第 8 期 2018 年 8 月 43 图 1 系统结构图 1 水草种植区 2 鱼类观赏区 3 水草种植区 4 光伏发电区 5 水质监测控制系统 6 循环泵 7 溢水口 8 溢流管 9 排水管 10 补水管 11 排 水阀门 12 补水阀门 13 LED 照明灯 14 常开 式电磁继电器 15 鱼食自动投口 16 滤网 17 硝 化箱 18 陶粒栽培基质 溢流区底部开了大量的小口 水流通过溢流口排出 鱼类观赏区 将混有杂质的水体带入水培种植区 原理如图 3 此为一重过滤 鱼类观赏区流出的 水富含蛋白质等大分子物质 这些物质不能被植物 直接消化利用 通过基质栽培 并设置硝化细菌 通 过消化分解作用将蛋白质 有机氮等大分子物质转 化为硝酸盐被植物吸收利用 通过植物的吸收 降 低了水体中营养浓度 避免了水体富营养化 且水 培种植区的溢流管利用平衡压力原理 在水柱上有 规律的开设小孔 控制水流并且在小孔外侧缠绕尼 龙纱布 可以有效的避免种植区域营养物质的流 失 同时净化流入到水草种植区的水质 原理如图 4 此为二重过滤 水草种植区作为系统中最大的 分区空间 在其间种植水草 一方面极大的利用了 空间 满足美观要求 一方面通过水草的光合作用 可以为循环的水体中补充大量的氧气 并净化水 质 此为三重过滤 如此往复循环 实现鱼菜共生系 统中的水循环自动过滤 图 5 2 2 光伏发电补光配置 为满足整体美观要求 以及为鱼缸水体质量提 供保护 将太阳能搭载区设计成屋顶样式 既不影 响观赏系统内的鱼类 蔬菜花卉生长状况 也解决 了光伏发电与设备用地的矛盾 充分利用了系统内 面积 太阳能电池板与鱼菜共生设备有机结合在一 起 并装配可调光度 LED 照明灯 及时为系统补光 图 6 2 3 系统水质智能监测配置 由传感器 单片机 液晶显示屏等 组 成环 境 监 测系统 各 类传感器收 集 鱼菜共生系统中环 境因 素 由单片机 进行处 理 后 直观地显示在液晶显示 屏上 附 图 7 通过设备内的 各 种传感器 时 刻检 测 系统内水体的酸 碱 度 温 度 氨 氮浓度等 数据 通过 单片机将 数据进行 整合 时 刻 监测整 套 设备的 运行 情 况 出现 故障 时 报警 系统 会进行报警预 示 可以 及时 处 理 有效 减少 出现鱼菜 死亡 的 情 况 3 系统性能检验与应用试验 3 1 性 能 检验 为 验证 鱼菜共生系统中 水循环自动过滤子系 统 是否 可以通过溢流区 进行 水循环实现系统水质 净化 实 验初期进行 了系统 运行 采 用自 来 水 20升 放 入鱼菜共生 模型 中 且 放 入 5 条 大小 适当 的 金 鱼 进行 30天 的实 验 每天 鱼 食固定投放 2次 保 证 鱼的 正常 生长 通过 TDS 测 试笔进行 鱼类观赏 图 2 系统 功 能图 图 3 溢流循环原理图 图 4 溢流 套 管结构图 图 5 整体系统循环图 图 6 光伏发电结构图 图 7 水质智能监测示 意 图 44 区 的水质监测 并记录数据 整理如下 3 1 1 实验分析 通过 TDS 测试笔记录鱼类观赏区的水体总溶 解固体量 进行数字化分析 从附图 8中可看出鱼 类观赏区中 TDS 含量初期因鱼食鱼粪等杂质的存 在快速增加 随着系统水循环自动过滤 TDS 含量 逐渐保持稳定 适合金鱼生长 3 2 应用试验 系统设计出后 为探究鱼菜共生系统的运行情 况和经济效益 进行了该系统的种养殖试验 设置 实验组和对照组 实验组为采用鱼菜共生系统的种 养殖 对照组采用传统意义上的蔬菜种植和鱼类养 殖 除此条件 其他试验条件适用金鱼和生菜的正 常生长 实验组采用鱼种为金鱼 将 5条适当大小 的金鱼放入水体积为 20升的的鱼类观赏区内 试 验鱼食采用市售含蛋白质含量 32 含水率 10 的漂浮型鱼粮 日喂饲量按载鱼量 2 计算 通过鱼 食自动投放器定时定量投放 对照组进行相同步 骤 实验组植物种植试验蔬菜采用生菜 种植密度 为 100cm 2 株 采用陶粒基质栽培 整个蔬菜栽培 面积共 900cm 2 对照组也如此进行 经过 30天的运 行 观察金鱼和生菜的生长情况 并记录数据 整理 如下 3 3 试验分析 1 实验初期 生菜对氨氮吸收的能力较差 水 体中氨氮含量较高 实验组和对照组的生菜状况相 似 随着营养生理的加速 生菜的吸收和净化能力 增强 由于实验组的营养循环 此组生菜较对照组 长势良好 鱼类生长状况和蔬菜大致相似 2 蔬菜栽培对系统水质有净化作用 随着循 环次数增加 通过记录数据 实验组水体中氨氮含 量在 0 03mg L 0 07mg L PH 保持在 7 02 8 09 温 度保持在 21 5 26 90C 指标相对稳定 符合蔬菜和 金鱼的生长环境要求 3 通过水质监测可看出 鱼菜共生系统平衡 建立后 可实现不换水 不施肥的情况下 系统可自 我调节 鱼菜均可正常生长 达到了 养鱼不换水 而 无 水质 忧患 种菜不施肥 而 正常 成 长 的生 态 共生 效应 4 系统发展前景 随着 城 市 农业 不 断发展 绿色 生 态 循环 农业受 到 越来 的 关注 除了 工厂 化大型生 态农业 的 研 究 休闲农业 也随 之流 行 该系统采用水 产 养殖 技术 和 无土 栽培 技术 相 互结 合 具 有营养物质 再 循环的生 态 效应 特色 并具 有 以 下 三 效益 1 鱼菜共生可 充 分 利 用 太阳 能 使 有 限 的水 循环 利 用 且 该 装 置不 仅 在 家庭阳台 庭院 也可将 水生动物养殖 场 蔬菜作物种植 园 花卉 观赏 园 和 水 族馆 等 功 能 融 合 起来 作为 城 市 景点 建设 且 该 技术 可 与 物 联网技术结 合 通过 无线智 能传 输 将数 据传 送 到 手机 APP 等 智 能 终端 人们 可随时随 地 接 收系统数据 符合现 代人 生 活方式 具 有 推广价 值 有 一 定的经济效益 2 鱼菜共生设施 及配套技术 的 成功研发 使 系统中的物质 就地 进行可持 续 循环 物 尽 其用 无 废 化生 产 最 大 幅 度 提 高水 资源利 用率 具 有 一 定 的生 态 效益 3 鱼菜共生 是一 种生 态 型可持 续发展农业新 技术 涉及 鱼类和植物的营养生理 环境 理化等 学 科 可 以普及 生 态 循环理 念 和 技术知识 构 建鱼菜 共生系统也 是 求 证教育 和体验 学习 的 方法 具 有 一 定的 社会 效益 参考文献 1 饶伟 李道亮 位耀光 等 循环水养殖新模式 鱼菜共生系统 J 中国水产 2017 5 76 79 2 张明华 丁永良 杨菁 等 鱼菜共生技术及系统工 程研究 J 现代渔业信息 2004 10 7 12 3 Guoyi xian Rice Fish Systems in China C In tegrated Agriculture Aquaculture A Primer FAO Fisheries Technical Paper 407 Rome FAO 2001 73 76 4 郝玉玲 前景看好的鱼菜共生系统 N 中国渔业 报 2008 008 5 王推敏 鱼菜共生系统的研究其及开发 下 J 渔 业机械仪器 1991 95 6 Min M Addy Faryal Kabir Co cultivation of microalgae in aquaponic systems Original re search article J Bioresource Technology 2017 245 Pt A 27 7 Renato S C Celicina M S Borges A Increasing cherry tomato yield using fish efluent as irri gation water in NortheastBrazil J Science Di rect 2006 110 1 44 50 8 欧红霞 李志斐 余德光等 鱼菜共生技术概况 及研究进展 C 中国会议 2017 2 4 图 8 总溶解固体量 变 图 45