景觀式魚菜共生系統(tǒng)設(shè)計研究.pdf

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(shù)融合起來 是一種生態(tài)型農(nóng)業(yè)新技 術(shù) 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?；|(zhì)將蛋質(zhì) 有機(jī)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(shù)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(shù)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(fù)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(dǎo)致投資成本 高 風(fēng)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(shù) 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(jī)結(jié)合 景觀式 家庭版 的魚菜共生系統(tǒng)應(yīng)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(dǎo)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(chǔ)上 通過研究 安全穩(wěn)定 的循環(huán)水 處 理方法 增設(shè)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)?解固 體量 pH 值 氨 氮等 技術(shù) 手段 研發(fā) 手 機(jī) 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(shè)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(shè)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(yīng)魚菜正 常 生長 達(dá)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(yīng) 該系統(tǒng) 設(shè)計 了 三重 過 濾 光伏 發(fā) 電 水質(zhì) 監(jiān)測 等 關(guān) 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 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(dāng) 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 景觀式魚菜共生系統(tǒng) 設(shè)計 研究 陳 華 邱 磊 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 安徽 合肥 230036 摘要 魚菜共生系統(tǒng)由水產(chǎn)養(yǎng)殖與蔬菜栽培技術(shù)相互結(jié)合所產(chǎn)生 該系統(tǒng)中 養(yǎng)殖魚類的排泄物和過 剩魚餌用以育肥蔬菜 水栽蔬菜吸收成分用以凈化系統(tǒng)水質(zhì) 在形成生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)的同時 也大幅度提高 了魚類和蔬菜的質(zhì)量和產(chǎn)量 基于該技術(shù)理論 設(shè)計了 家庭版 景觀式魚菜共生系統(tǒng) 為滿足系統(tǒng)正常運 行 達(dá)到用戶使用的需求 優(yōu)化增設(shè)水循環(huán)自動過濾 光伏發(fā)電 水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測及智能控制 APP 等新型子 系統(tǒng) 通過系統(tǒng)性能檢驗和應(yīng)用試驗分析 達(dá)到實時監(jiān)測魚菜生存環(huán)境 不換水無廢化運行景觀式魚菜共 生系統(tǒng)的目的 關(guān)鍵詞 景觀式魚菜共生系統(tǒng) 水循環(huán)自動過濾 光伏發(fā)電 水質(zhì)監(jiān)測 智能控制 中圖分類號 S18 S96 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673 260X 2018 08 0043 03 收稿日期 2018 05 11 基金項目 安徽省高校優(yōu)秀青年人才基金項目 2011SQRL055 安徽省高?？蒲许椖?KJ2011Z126 省級大創(chuàng)項目 通訊作者 邱磊 1976 男 講師 主要研究方向 農(nóng)業(yè)工程 Vol 34 No 8 Aug 2018 赤峰學(xué)院學(xué)報 自然科學(xué)版 JournalofChifengUniversity NaturalScienceEdition 第 34 卷第 8 期 2018 年 8 月 43 圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1 水草種植區(qū) 2 魚類觀賞區(qū) 3 水草種植區(qū) 4 光伏發(fā)電區(qū) 5 水質(zhì)監(jiān)測控制系統(tǒng) 6 循環(huán)泵 7 溢水口 8 溢流管 9 排水管 10 補(bǔ)水管 11 排 水閥門 12 補(bǔ)水閥門 13 LED 照明燈 14 常開 式電磁繼電器 15 魚食自動投口 16 濾網(wǎng) 17 硝 化箱 18 陶粒栽培基質(zhì) 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(shè)置硝化細(xì)菌 通 過消化分解作用將蛋白質(zhì) 有機(jī)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(shè)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(bǔ)充大量的氧氣 并凈化水 質(zhì) 此為三重過濾 如此往復(fù)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 2 2 光伏發(fā)電補(bǔ)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(hù) 將太陽能搭載區(qū)設(shè)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(shè)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(shè)備有機(jī)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(bǔ)光 圖 6 2 3 系統(tǒng)水質(zhì)智能監(jiān)測配置 由傳感器 單片機(jī) 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(jī) 進(jìn)行處 理 后 直觀地顯示在液晶顯示 屏上 附 圖 7 通過設(shè)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(jī)將 數(shù)據(jù)進(jìn)行 整合 時 刻 監(jiān)測整 套 設(shè)備的 運行 情 況 出現(xiàn) 故障 時 報警 系統(tǒng) 會進(jìn)行報警預(yù) 示 可以 及時 處 理 有效 減少 出現(xiàn)魚菜 死亡 的 情 況 3 系統(tǒng)性能檢驗與應(yīng)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(jìn)行 水循環(huán)實現(xiàn)系統(tǒng)水質(zhì) 凈化 實 驗初期進(jìn)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(dāng) 的 金 魚 進(jìn)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(jìn)行 魚類觀賞 圖 2 系統(tǒng) 功 能圖 圖 3 溢流循環(huán)原理圖 圖 4 溢流 套 管結(jié)構(gòu)圖 圖 5 整體系統(tǒng)循環(huán)圖 圖 6 光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)圖 圖 7 水質(zhì)智能監(jiān)測示 意 圖 44 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)?解固體量 進(jìn)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(yīng)用試驗 系統(tǒng)設(shè)計出后 為探究魚菜共生系統(tǒng)的運行情 況和經(jīng)濟(jì)效益 進(jìn)行了該系統(tǒng)的種養(yǎng)殖試驗 設(shè)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(dāng)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(jìn)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 100cm 2 株 采用陶?；|(zhì)栽培 整個蔬菜栽培 面積共 900cm 2 對照組也如此進(jìn)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 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(qiáng) 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(biāo)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(dá)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(yīng) 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(guān)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(shù) 和 無土 栽培 技術(shù) 相 互結(jié) 合 具 有營養(yǎng)物質(zhì) 再 循環(huán)的生 態(tài) 效應(yīng) 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(shè) 且 該 技術(shù) 可 與 物 聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié) 合 通過 無線智 能傳 輸 將數(shù) 據(jù)傳 送 到 手機(jī) 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(jì)效益 2 魚菜共生設(shè)施 及配套技術(shù) 的 成功研發(fā) 使 系統(tǒng)中的物質(zhì) 就地 進(jìn)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(shù) 涉及 魚類和植物的營養(yǎng)生理 環(huán)境 理化等 學(xué) 科 可 以普及 生 態(tài) 循環(huán)理 念 和 技術(shù)知識 構(gòu) 建魚菜 共生系統(tǒng)也 是 求 證教育 和體驗 學(xué)習(xí) 的 方法 具 有 一 定的 社會 效益 參考文獻(xiàn) 1 饒偉 李道亮 位耀光 等 循環(huán)水養(yǎng)殖新模式 魚菜共生系統(tǒng) J 中國水產(chǎn) 2017 5 76 79 2 張明華 丁永良 楊菁 等 魚菜共生技術(shù)及系統(tǒng)工 程研究 J 現(xiàn)代漁業(yè)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 前景看好的魚菜共生系統(tǒng) N 中國漁業(yè) 報 2008 008 5 王推敏 魚菜共生系統(tǒng)的研究其及開發(fā) 下 J 漁 業(yè)機(jī)械儀器 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 歐紅霞 李志斐 余德光等 魚菜共生技術(shù)概況 及研究進(jìn)展 C 中國會議 2017 2 4 圖 8 總?cè)芙夤腆w量 變 圖 45