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第七章耦合水联系统

1. 7.1 导言

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

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   ** 图 7.1** 由 Naegel（1977 年）生长的第一个系统图 _ 罗非鱼 _ 和普通鲤鱼在一个封闭的再循环系统中结合生菜和西红柿

   鱼类和植物在耦合水中养殖的结合可以追溯到德国 Naegel（1977 年）的第一个设计，该设计使用 2000 L 爱好规模系统（图 7.1）位于受控环境温室中。 开发该系统是为了核实鱼类废水养分在完全控制的水循环条件下的使用情况，用于植物生产，包括双重污泥系统（有氧/厌氧废水处理）。 Naegel 的概念基于美国南卡罗来纳州农业实验站的开放池塘水生系统，在那里，鱼塘中的多余营养物质，放养着通道鲶鱼（Italurus punctatus），被水栽生产水栗（Eleocharis dulcis）（罗亚卡诺和格罗夫纳 1973 年). Naegel（1977 年）通过使用硝化和脱硝罐来增加其系统内的硝酸盐浓度，试图对所有氮化合物进行完全氧化，达到 1200 毫克/升的硝酸盐浓度，并展示了硝化步骤的有效性。 虽然该系统使用罗非鱼（罗非鱼）和鲤鱼（鲤鱼）以低密度（每个 20 千克/msup3/SUP）储存，但西红柿（_Lycopersicon 生菜）和冰山生菜（Lactuca Scaliola）生长良好，产量稳定。 这些第一次研究结果导致了耦合水生系统的概念，其中植物消除鱼类产生的废物，创造足够的生长，展示了两个单位的高效用水。 在 2015 年世界水产养殖大会（Tran 2015）上，Huy Tran 首次介绍了水生耦合的原理。

   水生耦合系统不一定使用传统意义上的机械颗粒过滤，而且在水产养殖单位和水培单位之间保持一致的养分流动。 主要的挑战是如何管理水生耦合系统中的粪便负荷，在这种系统中，植物吸收养分，并可通过过过滤机或土工织物从系统中清除颗粒废物。

   现代农业的发展, 人口增长和世界各地资源不断减少, 促进了水联系系统的发展. 由于鱼类养殖与其他养殖动物相比，鱼类养殖在蛋白质生产和水利用方面的效率要高得多，而且封闭式系统在很大程度上是独立于场地的，因此在全世界范围内可以发展出水联系系统（Graber 和 Junge，2009 年）（Kotzen 和 Appelbaum，2010 年）；2016 年阿贝尔鲍姆和科岑），甚至在城市环境中也是如此（König 等人，2016 年）。 大多数描述的系统属于国内、小规模和半商业设施（Palm 等人，2018），这些设施由爱好水族馆、爱好者或小型初创公司驱动。 本章概述的新研究结果表明，这些系统在继续发展成为商业水生产方面存在着潜力和限制因素，能够对未来的粮食生产作出重大贡献。

2. 7.2 耦合水生器的历史发展

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   关于耦合水生子系统的大多数原始研究工作都在美国进行，在欧盟的地位越来越多，部分是由 CODE 行动 FA1305、EU Aquaponics 中心和其他欧洲研究中心发起的。 如今，完全循环的水生系统设计几乎完全占据了美国水生行业的主导地位，据估计，90% 以上的美国现有水生系统采用完全循环设计（Lennard, pers. comm.）。 美国第一次水生耦合研究是在伊利诺伊州渔业和水产养殖中心（原 SIU 合作渔业研究实验室）和动物学系进行的，重点是存放海道鲶鱼（Ictalurus punctatus）的耦合水生系统，并与西红柿 (Lycoperes) (刘易斯等人, 1978 年). 作者指出，只有在工艺水中提供所有基本的宏观营养素和微量营养素时，才有可能实现最佳的植物生长，因此在营养不足的情况下需要补充营养素。 作者还表明，植物可用铁缺乏，限制了植物生长，可以通过铁螯合物补充来解决这一问题。 美国的其他早期研究侧重于分析捕获的通道鲶鱼和西红柿的技术功能和质量（Lewis 等人，1978 年；萨顿和刘易斯 1982 年）。 实验室规模的水生鱼系统检查了材料、成本、水和能源消耗方面的资源效率等参数，并检查了美属维尔京群岛 (UVI) 的其他鱼类的使用情况（Watten 和 Busch 1984 年）。 James Rakocy 博士在 UVI 开发了第一个商业耦合水生系统，这是一种结合生产尼罗罗非鱼和生菜的筏系统，后来调查了其他植物品种的生产（Rakocy 1989 年，2012 年；Rakocy 等人，2000 年，2003 年。(2004 年、2006 年、2011 年)。 这一中等规模的商业设施利用了当地不需要温室的气候以及维尔京群岛的市场条件来创造利润。 随后，不同国家根据不同工厂的各自需求和技术的适当性采用了 UVI 水生生态系统，例如，在加拿大，萨维多夫 (2005 年) 采用，沙特阿拉伯则采用了 Al-Hafedh 等人 (2008 年)。 欧洲也是如此，耦合水生子系统从最初的 UVI 设计发展而来，例如格林威治大学 Aquaponics 研究实验室的垂直水生子系统（Khandaker 和 Kotzen 2018）。 其他几个研究部门研究了封闭式（或 “耦合”）水产生的技术可行性，使用各种鱼类和植物物种以及水培子系统来提高产量和减少不同排放参数（Graber 和 Junge，2009 年）。 例如，在罗斯托克大学 (德国)，研究的重点是后院系统的稳定性 (Palm 等人, 2014a)，将不同鱼类、非洲鲶鱼 (Claras gariepinus) 和尼罗罗非鱼 (尼罗罗非鱼) 结合在一起 (Palm 等人, 2014b, 2015 年)。 2015 年，在罗斯托克大学校园建造了一个现代化的实验性半商业规模水生系统 “鱼类温室”（Palm 等人，2016 年）。 然而，该系统的设计允许耦合和分离操作。 瑞士韦登斯维尔的苏黎世应用科学大学（ZHAW）建造了其他值得注意的设施（格雷伯和荣格，2009 年，Graber 等人，2014 年），冰岛公司斯维纳-维克弗拉迪有限公司的耦合和分离研究设施（2014 年，Thorararinsdottir 等人，2015 年）。Grimstad 冷水水水生系统 NIBIO Landvik（斯卡尔等人，2015 年；Torarinsdottir 等人，2015 年），位于比利时 Gembloux 的 Gembloux 农业生物科技大学的 PAFF 箱（植物和鱼类养殖箱）单循环水生系统，以及垂直养殖系统南威斯特伐利亚应用科学大学 I.Green 绿色研究所在格林威治大学的水生子系统（2018 年从解耦改为耦合，莫根斯滕和达普里希 2018，pers. comm.）技术与农村发展.

3. 7.3 耦合水上乐器：一般系统设计

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   水生耦合原理结合了三类生物：(1) 水生生物，(2) 细菌和 (3) 在封闭的再循环水体中互利的植物。 水是一种营养物质运输的媒介，主要来自溶解的鱼类废物，这种废物被细菌转化为营养物质，促进植物生长。 这些细菌（例如，硝基菌 _ 规格，_ 硝基杆菌 _ 规格）将铵氧化成亚硝酸盐，最后是硝酸盐。 因此，细菌需要接收大量的铵和亚硝酸盐，以稳定菌群生长和硝酸盐产量。 因此，在水生耦合系统中，体积至关重要，一）水产养殖单元遵循循循环水产养殖系统（RAS）的原理，二）细菌生长基底，三）植物单位的空间和要培养的植物数量。 它们一起形成了水生单元（图 7.2）。

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   ** 图 7.2** 水生系统与鱼、细菌和植物在完全封闭的水循环中的耦合原理

   工艺水的特定生物化学成分对水生耦合系统具有特别重要的意义。 由于食物或未食用的饲料颗粒、有机鱼类废物和工艺水中的细菌，营养物质的乳液与酶和消化细菌相结合，支持鱼类和植物的生长。 有证据表明，与水产养殖（鱼）和水培（植物）等独立系统相比，水生生物和作物在水生水生物中的生长可能相似，甚至更高。 Rakocy（1989 年）描述了水联生物中罗非鱼产量略高（罗非鱼 Nilotica_，46.8 千克），与独立鱼类养殖（41.6 千克）相比，夏季口水生菜产量（385.1 千克）略有增加。 Knaus 等人（2018b）记录，与传统的水培（2393 叶）相比，水生生物提高了 O. 巴硅的生物量增长，显然是由于植物的叶片产生增加（水生生物中的 3550 片叶）。 Delide 等人（2016 年）表明，生菜的水生和水培处理表现出类似的植物生长，而含营养物质的补充水生溶液的拍摄重量最佳。 戈德克和维默伦（2018 年）也提出了类似的意见。 雷莫嫩和西雷尼（2017 年）观察到巴达维亚沙拉的根重、叶面积和叶色增加（Laktuca sativa var）。 (Capita) 和冰山生菜 (L. sativa) 与水生生产的加工水，再加上额外的肥料。 某些植物，如生菜 (Lactuca sativa)、黄瓜 (Cumis sativus) 或西红柿 (_Solanum Lycopersicum _) 可以更快地消耗营养物质，因此与水培学相比，花在水生中早期（萨维多夫，2005 年）。 此外，Saha 等人（2016 年）报告说，O.basium 与小龙虾 _ 普罗坎巴鲁斯 _ 属植物生物量产量较高，水生生物系统的启动受肥率较低。

   耦合水生物的基本系统设计包括一个或多个鱼缸、一个沉淀装置或澄清器、用于生长细菌或合适的生物过滤器的基材和一个用于植物生长的水培单元（图 7.3）。 这些单元通过管道连接，形成一个封闭的水循环。 通常，在机械过滤和生物过滤器之后，使用泵槽（一个泵或一个循环系统），作为系统的最深点，将水泵回鱼槽，从那里通过重力流向水培装置。

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   ** 图 7.3** 耦合水生系统的基本技术系统设计，包括鱼缸、沉积计、生物过滤器、水培装置和水槽，水泵或空运回鱼槽，并通过重力沿组件流动

   耦合水生子系统用于不同的尺度。 闭环原理可用于家庭系统（小型/爱好/背纱耦合）、示范单元（例如生活墙耦合）、商业水上养殖和水上养殖（带土壤），从小型/半商业到大型系统（Palm 等人，2018 年）。 水生动物学的最新发展包括部分受精，这取决于鱼种的耐受性。 然而，这可能导致系统中的短期营养高峰，但可以通过植物保留养分来补偿。 在耦合水产养殖中，必须达到水产养殖单位的生产面积（或鱼量）与所产生的饲料需求的最佳比例，以及在水培单位（植物生产区）培养的足够数量的植物。 (关于蒸散和太阳辐射在系统内的作用的讨论，见第 [8] 章 (社区/文章/第 8 章解耦-水壶-系统模型) 和 11)。 对于砾石水鱼类，Rakocy（2012 年）作为第一次尝试提出了 “成分比原则”，根据经验法则，养殖量为 1 msup3/SUP 的鱼缸容积达到 2 msup3 至 6 厘米豌豆砾石的水培培培养基。 最终，鱼的数量决定了作物的产量的耦合水生鱼。 此外，养鱼单位的技术条件必须根据养殖水生物种的需要加以调整。

4. 7.4 水产养殖股

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   养鱼罐（大小、数量和设计）是根据生产规模和使用的鱼类种类而选择的。 Rakocy 等人（2006 年）使用了四个大型渔业罐，用于 UVI 水生系统（美国）中的 O. niloticus 的商业生产。 随着杂食性或食鱼类的生产，如 C. gariepinus，应该使用几个水槽，因为对大小类进行分类和交错生产（Palm 等人，2016 年）。 鱼缸的设计应当使沉淀在罐底的固体可以通过底部的废水有效地去除。 这种固体废物的清除是水生水生养殖和分离水产养殖的第一个关键步骤。 这些废物来自于水产养殖生产过程中产生的未食饲料、鱼粪、细菌生物量和絮凝剂，增加了 BOD，降低了水产养殖和水栽单位的水质和氧气供应。 在水产养殖中，固体废物在很大程度上是有机碳，由异养细菌用来通过消耗氧来产生能量。 固体废物的清除越好，该系统对鱼类和植物的总体性能就越好，即最佳氧化水平，根际上没有颗粒积聚抑制营养素的吸收，圆形或椭圆形罐证明效率特别高（Knaus 等人，2015 年）。

   德国渔业温室中水生耦合鱼类生产在不同规模上进行了测试，以确定成本效益。 这是在非洲鲶鱼生产大量（最多 50 公斤，35 只鱼 3SUP）或密集型（最多 200 公斤，140 条鱼 3/ 苏普）的情况下进行的。 由于成本效益平衡负，不能推荐半密集型生产（最多 100 公斤、70 条鱼 msup-3 苏克）。 在半密集型生产模式下，系统维护、劳动力和饲料投入与密集型生产相同，但鱼类和植物生物量产量减少，水产养殖单位的任何经济收益都没有得到回报（Palm 等人，2017 年）。 这是由于生化氧需求高 (BOD)、由于氧气可用性降低而导致的高脱硝化、相对较高的水交换率、主要是厌氧矿化与明显降水、低 P 和 K 水平以及 pH 值较低、鱼类产量少得多与密集的条件。 相比之下，大量的鱼类生产能够提高氧气供应量，降低水交换率，改善了植物生长的营养物质。 因此，在上述条件下，用于联合水生鱼的 RAS 鱼类生产单位要么在广泛或密集的鱼类生产条件下运作，应避免中间条件。

   7.4.1 过滤

   澄清器，有时也称为沉积器或涡流分离器（另见 第 3 章），是用于清除水生耦合装置中固体废物的最常用装置（Rakocy 等人，2006 年；Nelson 和 Pade 2007；Danaher 等人，2013 年，图 7.4）。 必须从系统中清除较大的颗粒物，以避免产生脱硝效应的缺氧区或 HSub2/Subs 的发展。 大多数澄清器使用薄膜或板片来帮助去除固体物质。 在操作和清洗过程中，锥形底部可以支持底部的污泥浓度，而平底部则需要大量的水冲出和去除污泥。 在操作过程中，固体沉入澄清器底部，形成污泥。 根据进料输入和保留时间的不同，这种污泥可以形成相对较厚的层。 污泥层内的微生物活性逐渐转向厌氧条件，刺激微生物脱硝。 这种工艺可以减少植物可用的硝酸盐，应该避免，尤其是在工艺水用于水培植物生产的情况下。 因此，脱硝化可能会对水生耦合剂产生反作用。

   与其他技术相比，澄清器清除的固体废物的密度相当低，维护费时，用淡水清洗净化器是整个系统的主要水损失。 所需水量受其一般设计、底部形状以及 PVC 挡板与冲洗水的可达性影响（图 7.4a，b）。 增加鱼放养密度需要进行更多的水交换（每周在密集条件下每天），以保持鱼类生产的最佳水质，这可能导致大量加工水流失，同时丧失植物所需的大量养分增长。 此外，用淡水取代会引入钙和镁碳酸盐，然后可能与磷酸盐沉淀。 因此，使用这种手动操作的澄清机几乎不可能对工艺水的成分进行预测（Palm 等人，2019 年）。 仿效 Naegle（1977 年）的例子，用双污泥系统将有氧和厌氧污泥和气态氮排放分离。

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   ** 图 7.4** 使用沉积计 (a-b) 和 (c) 光盘过滤器 (帕尔-水库尔有限公司, 德国阿布沙根) 对商业非洲鲶鱼 (Claras gariepinus) RAS 进行水生过滤的原理 (德国罗斯托克大学)

   通过自动桶或磁盘过滤器，可以更有效地去除固体废物，这些过滤器提供机械屏障，阻挡固体物质，然后通过冲洗去除。 新的发展旨在通过真空清洗技术减少冲洗水的使用，允许污泥中的总固体浓度高达 18％（Günther Scheibe 博士，Pal-aquakultur 有限公司，德国，个人通信，图 7.4c）。 这种有效的废物清除对污泥成分具有积极影响，改善污水控制，以更好地满足园艺要求。 另一种选择是在一排中应用多个澄清机（沉积器）或污泥去除组件。

   生物过滤器是 RAS 的另一个重要组成部分，因为它们通过微生物氧化转化为硝酸盐（硝化）。 尽管植物根系和系统本身为硝化细菌提供表面，但控制水质的能力仍然有限。 没有生物滤清的系统仅限于低进给输入的迷你或爱好安装。 一旦鱼类的生物量和饲料投入增加，就需要增加生物过滤能力，以保持鱼类养殖的足够水质，并为植物生长提供足够的硝酸盐量。

   对于家用和小规模水生动物来说，植物介质（例如砾石或膨胀粘土）足以作为有效的生物过滤器。 然而，由于堵塞的可能性很高，因此需要定期的人工清洁和维护，这些方法不适用于大规模的商业水上乐器（Palm 等人，2018 年）。 此外，Knaus 和 Palm (2017a) 证明，在旁路中使用简单的生物过滤器已经将后水耦合水生子系统中可能的每日饲料输入增加了约 25%。 在密集型 RAS 中使用的现代生物过滤器能够有效地为鱼类和植物生产提供足够的硝化能力。 由于投资成本增加，这些组件更适用于中大规模商用水生系统。

   7.4.1.1 水生耦合中的水培学

   在水生耦合学中，根据操作规模，可以使用各种水培子系统（另见 第 4 章）（Palm 等人，2018 年）。 除非劳动力对产量（或利润）没有重大影响，而且该系统不太大，否则可以同时使用不同的水培子系统。 这种情况在家庭和示范水生学中很常见，它们经常使用介质床基底系统（沙子、砾石、珍珠岩等）在潮流槽、DWC 渠道（深水培养或筏子系统），甚至经常使用自制营养膜通道（NFT）。 大多数劳动密集型是潮汐和流槽中的介质基底床（沙/砾石），这些基底床可能由于碎屑的沉积而堵塞，往往需要清洗（Rakocy 等人，2006 年）。 由于对基材的处理，这些系统的尺寸通常是有限的。 另一方面，DWC 水培子系统需要的劳动力较少，不易维护，因此可以在较大的种植区采用这些系统。 由于这个原因，DWC 子系统主要存在于国内到小/半金融系统，但通常不存在于大规模的水生系统中。 对于较大规模的商业水生产而言，DWC 系统中的劳动力和维修比例仍然过高。 即使使用水资源和能源进行抽水也不利于大规模系统。

   如果封闭式水上生产系统设计用于以盈利为导向的生产，则必须减少劳动力的使用，同时增加生产面积。 要做到这一点，只有通过简化鱼类生产，结合应用易于触摸的水培子系统。 目前，营养膜技术可以被认为是最有效的水培系统，它将低劳动力和大面积植物种植面积以及水、能源和投资成本的比例相结合。 然而，并非所有水生植物都在 NFT 系统中生长良好，因此有必要为每个水培子系统找到正确的植物选择，这反过来又与特定水培子系统设计中集成的特定鱼种的养分供应相关。 对于耦合水生器来说，由于 NFT 装置中的滴水、管道和阀门堵塞，水中有时较高的颗粒载荷会造成问题。 因此，大型水生系统必须包含专业的水管理和有效的机械过滤，以避免再循环堵塞。 当通过管道确保持续供水时，NFT 系统可用于所有类型的水联耦合系统，但最推荐用于小型/半商业系统和大型系统下的生产（Palm 等人，2018）。

5. 7.5 缩放耦合水联系系统

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   典型的水生耦合系统范围从小型到中型和大型系统（Palm 等人，2018 年）。 扩大规模仍然是未来的挑战之一，因为它需要仔细测试可能的鱼类和植物组合。 可以重复最佳单元尺寸，以形成多单元系统，与生产规模无关。 根据 Palm 等人（2018 年），水声系统的范围分为：（1）迷你，（2）爱好，（3）家庭和后院，（4）小/半商业和（5）大（r）规模系统，详情如下：

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   ** 图 7.5** 家用耦合微型水生系统（\ 2 m<sup2/sup，2018 年棕榈等人之后）与曝气（a）和泵（b）的原理，水培（c）类似于生物过滤器

   小型装置（图 7.5）通常由一个小型鱼库组成，例如鱼缸或水族馆，植物生长在表面上或在一个小水培床内。 通常使用传统的水族箱过滤器、曝气和泵。 迷你系统的尺寸通常不超过 2 毫升（Palm 等人，2018 年）。 这些小水生系统可以在家庭中使用，只有少数植物供家庭消费，种植植物，如西红柿，草药或观赏植物。 这些系统通过在大城市特别流行的家庭生活区域中添加 “自然”，为人类生活空间增添了新的价值。 有些迷你系统只包括一个植物花瓶和一个或多个没有过滤器和泵的鱼。 然而，这些系统只是短期运行，因为缺少受管制的过滤器。

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   ** 图 7.6** 家庭爱好水生系统的耦合原理（2018 年棕榈等人之后 2—10 msup2/sup）与 (a) 鱼缸和曝气，(b) 尼尔森和帕德 (2007) 之后改变沉积器或澄清器；(c) 水耕床，例如与不同作物的砾石，作为生物过滤器和 (d)泵

   业余爱好水上乐器系统被分类为最大尺寸为 10 msup2/sup（Palm 等人，2018 年）。 由于鱼类放养密度更高，饲料和曝气更多，因此需要一个机械沉淀装置（沉积物/澄清器）（图 7.6）。 沉积仪可在不使用能源的情况下去除系统中的颗粒物质 — “淤泥”，例如粪便和未食用的饲料。 水通过重力从鱼缸流向沉积器，然后通过水培罐，然后滴入水池，从水泵或空气升降机将水泵回鱼缸。 在爱好装置中，植物床作为天然微生物过滤器，通常使用介质床底材，例如沙子、细砾石或珍珠石。 爱好水生系统更多的类别的噱头，不针对粮食生产。 他们宁愿享受集成系统的功能。 顾名思义，爱好系统通常由爱好者安装，他们有兴趣种植各种水生生物和植物供他们自己使用和 “乐趣”。

   国产/后院水生动物的目的是外部家庭生产鱼类和植物，其特点是最大生产面积为 50 平方米/苏普（Palm 等人，2018 年）。 这些系统是由爱好者建立的。 该结构在技术上与众不同，具有更高的鱼产量、额外的曝气和更高的饲料输入。 水生耦合原理应用于一个单一的泵，该泵 循环到较高的常驻鱼缸，然后通过沉积仪和生物过滤器（带曝气和细菌基板）通过重力进入水培单位 (图 7.7).

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   ** 图 7.7** 家庭后院水生系统的耦合原理，10—50 msup2/sup（来自 Palm 等人，2018 年）与 (a) 鱼缸和曝气，(b) 尼尔森和帕德之后改变沉积器或澄清器（2007 年），(c) 带基材和曝气的生物过滤器，(d) 水培装置可能由筏组成(e) 砾石或沙子介质基底系统, (f) 营养膜技术 NFT 通道和 (g) 用一个泵进行的水槽

   在生物过滤方面，传统的床过滤器也可用于 Palm 等人（2014 年 a, b, 2015 年）中所述。 在后院水上乐器中，水耕可以单独或一起由筏或 DWC（深水培养）[槽] 组成（https://dict.leo.org/englisch-deutsch/trough)s，基底子系统，例如粗砂砾/沙落和流箱或营养膜技术（NFT）通道。 在北半球，由于天气条件，在外部设施中，生产仅限于春季、夏季和初秋时期。 通过这种规模的作业，可以生产鱼类和植物供私人消费（通过小规模的温室生产可以扩大生产），但也可以进行少量直接销售。

   小型和半商业规模的水生系统的特点是高达 100 msup2/sup（Palm 等人，2018 年），生产专注于零售市场。 这些系统的特点是更多的储罐，通常具有更高的储存密度、额外的过滤器和水处理系统以及更大的水培区域和更多的设计。

   100 平方米以上的大型 (r) 规模商业运营（Palm 等人，2018 年），面积达数千平方米，达到了最高的复杂性，需要仔细规划水流和处理系统（图 7.8）。 一般组成部分包括多个鱼缸，设计为密集再循环水产养殖系统 (RAS)、水转移点或水池，以便鱼类和植物之间进行水交换，以及商业植物生产单位（水上乐园 s.s.s.l.）。 由于鱼类生产是用于密集的饲养密度，因此利用鼓式过滤器进行额外过滤、氧气供应、微生物控制的紫外光处理、自动控制喂料和计算机化（包括自动水质控制）对这些系统进行分类。

   这些系统具有多单元设计，能够在完全封闭的水循环下进行升级，同时进行交错生产、平行栽培需要不同水培子系统的不同植物，以及在疾病爆发和植物的情况下更好地控制不同单位虫害防治.

6. 7.6 盐水/盐水水生产品

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   一个相对较新的研究领域是评估工艺水的不同盐度以促进植物生长。 由于全世界的淡水需求不断增加，价格居高不下，人们对将盐水/咸水资源用于农业、水产养殖和水产养殖等领域给予了一定的注意。 咸水的使用十分重要，因为像以色列这样的许多国家都有地下咸水资源，世界上一半以上的地下水是盐水。 虽然地下盐水的含量估计仅占全世界水资源总量的 0.93%，为 12,870 000 千马苏普/苏普，但这比占所有淡水储量的 30.1% 的地下淡水储量（10,530,000 千千克素普/苏普）还多。

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   ** 图 7.8** 罗斯托克大学（德国）渔业温室后采用的大型水生养模块的模式（监督）（1000 平方米，2018 年棕榈等人），具有：(a) 独立的水产养殖单位，(b) 水输送系统和 (c) 独立的水培单位；F1-F9 鱼储罐，S）沉积计，P-I 泵一（生物过滤泵），P-II 泵二（水产养殖再循环泵），T）涓流过滤器，苏）油槽。 在中间，养分水输送系统与 Wt-I) 水输送槽从水产养殖单元，P-III）泵三，将养分丰富的水从水产养殖输送到 C）水培单元右侧与 Nu）养分罐和独立的水培再循环系统和种植台（或 NFT）; P-IV) 泵 4，将水培装置中的营养低水泵送回 WT-II) 水输水槽 2 和水产养殖单元，以应对水生养殖条件（如果不使用，则分离）

   2008 年至 2009 年在以色列的内盖夫沙漠进行了首次公布的关于咸水在水生生物中使用的研究（科岑和阿佩尔鲍姆，2010 年）。 作者研究了咸水水生鱼的潜力，可以利用该地区地下 550—1000 米的估计 200-3,000 亿马苏普/水泵。 这项研究和其他研究使用了高达 4708—6800 微克/厘米（4000—8000 微克/厘米 = 中度盐水、科岑和阿贝尔鲍姆 2010 年；阿贝尔鲍姆和科岑 2016）的耦合水生生态系统与罗非皮亚 _ sp。 （尼罗罗非鱼的红色株 _Niloticus_x 蓝色 _ 罗非鱼 O. aureus 杂交），结合深水培养浮筏和砾石系统。 这些系统与饮用水系统作为控制对象。 种植了各种各样的草药和蔬菜，在咸水和淡水系统方面取得了非常好的和比较的结果。 在这两个系统中，鱼类的健康和生长都与植物生长一样好，如韭菜 ()、芹菜 () (图 7.9)、菜 ( 白菜诉生菜 )、卷心菜 ( 白菜诉生菜 _) 花椰菜，花椰菜（花椰菜诉鲍氏菌 ），瑞士甜菜 (*β 外型 * 常规 )、葱 ( 纤维铝 _)、罗勒 () 和水芹 ( _) (科岑和阿贝尔鲍姆 2010; 阿贝尔鲍姆和科岑 2016)。

   ！ 在咸水中生长的成熟芹菜植物

   ** 图 7.9** 成熟芹菜植物在咸水中生长

   van der Heijden 等人（2014 年）关于埃及农业和水产养殖与咸水相结合的一份 “任务报告” 表明，红色 Tilapia（可能是红色菌株）与豌豆、西红柿和大蒜等蔬菜相结合，具有很高的潜力。适度盐度. 已知具有盐碱耐受性的植物包括卷心菜家族（黄铜），如卷心菜（白菜）、西兰花（斜体甘蓝 ）、羽衣甘蓝（ 甘蓝甘蓝）、贝塔家族，如 β-菠菜 (* 贝塔粗俗 * 子 SP. 和青椒 (辣椒 _) 和西红柿 (_Solanum Lycopersicum ). 咸水水生鱼的一个明显的候选植物是沼泽 (欧洲) 和潜在的其他 “链蔬菜”，例如羽衣甘蓝 ( 克拉姆贝海藻 )、海紫菊 (__) 和海 ( 中庭藻 _)。 Gunning（2016 年）指出，在最干旱的地区，盐生植物作为替代传统作物的种植越来越受欢迎，欧洲 Salicornia 正在越来越受欢迎的餐馆菜单和鱼贩和健康食品商店的柜台这个国家。 同样，在整个英国和欧盟，大部分农产品都是从以色列出口的，现在也从埃及出口。 种植沼泽的一个明显优势是，它是一种 “切割再来” 的作物，这意味着它可以每隔一个月左右收获。 在盐水河口沿岸的自然环境中，欧洲水杨沿着盐水的盐水梯度生长（Davy 等人，2001 年）。 在 Gunning（2016 年）的试验中，植物是从种子生长的，而 Kotzen 从超市鱼柜台购买的切茎种植他的试验植物。 Nexi 等人（2016 年）进行了盐水条件下的进一步研究，他研究了不同盐度水平下海鲈鱼（_Amyrodinum）感染的影响。 Pantanella (2012 年) 研究生长的盐生植物萨尔索拉苏打水 (盐卷心菜) 结合平头灰乌鱼 (_Mugil 头发 ) 在海洋条件下增加盐含量的一个实验农场在图西亚大学 (意大利)。 海洋水资源也被成功地用于水生联合动物，在内陆海洋再循环水产养殖中生产欧洲鲈鱼（Labrax）和耐盐植物（盐生植物）。系统 (瓦勒等人. 2015).

7. 7.7 鱼类和植物的选择

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   7.7.1 鱼类生产

   在较大规模的商业水生鱼类和植物生产需要满足市场需求。 根据各自的系统设计和当地市场，鱼类生产允许物种变化。 鱼类的选择也取决于它们对系统的影响。 可以避免由于营养浓度不足而造成的问题耦合水鱼类生产，对鱼类健康产生负面影响。 如果水生耦合系统具有平衡的鱼与植物比例，那么正在清洁水的植物将吸收有毒的营养物质。 由于接受有毒物质取决于物种，鱼种的选择对经济成功具有决定性的影响。 因此，必须找到鱼类和植物之间的正确组合和比例，特别是那些水污染活动较少的鱼类和养分保留能力较高的植物。

   对于水质和可接受的养分负荷的具体需求，没有清楚地了解一个特定的鱼类家族在耦合水生系统中的好处。 Naegel（1977 年）发现，在他使用 _罗非鱼（罗非鱼）和普通鲤鱼（鲤鱼）时，对鱼类和鱼类生长没有明显的负面影响。 路易斯等人（1978 年）以及萨顿和刘易斯（1982 年）在美国也使用了海峡鲶鱼。 研究表明，水生水的质量很容易满足不同鱼种的需求，特别是通过使用 “易生产” 的鱼种，例如瓦滕和布希的蓝色 _罗非鱼（以前为沙罗冬金鱼）（1984 年）；尼罗罗非鱼（_Oreororomis）这种方法经常用于对不同植物种类的研究，作为示范鱼种进行研究（拉科奇 1989 年；拉科奇等人，2003 年，2004 年；哈菲德等人，2008 年；拉科西 2012 年；比利亚罗埃尔等人，2011 年；西梅尼杜等人，2012 年；棕榈等人，2014 年；2017 年；和 _ 罗非鱼 _ 杂交-红色株 (_在干旱沙漠环境中进行了调查（科岑和阿佩尔鲍姆 2010；阿佩尔鲍姆和科岑 2016）。

   在水生鱼类中使用的鱼类种类有所扩大，至少在欧洲，这种种类的基础是使用本地鱼类以及消费者接受度较高的鱼类。 这包括棕榈等人（2014 年 b）、克瑙斯和棕榈（2017 年 a）和巴斯曼等人（2017 年）在德国北部成功生长在水生耦合条件下生长的非洲鲶鱼（Claras gariepinus_）。 C. gariepinus 的优点是更接受不利的水参数，例如铵和硝酸盐，而且由于其特殊的空气呼吸生理学，不需要额外的氧气供应。 意大利潘塔内拉（2012 年）和马来西亚 Endut 等人（2009 年）进一步描述了水生耦合条件下的高生长率。 由于世界许多地区的生产和管理没有问题, 产品质量高, 市场需求不断增加, 因此, 预计非洲鲶鱼的产量将会扩大.

   在欧洲，其他具有较高市场潜力和经济价值的鱼类最近已成为水生鱼类生产的焦点，特别强调食鱼鱼类，如欧洲海鲈鱼 '赞德' (Sander lucioperca)。 Pikeperch 生产是一种对水参数相对敏感的鱼类品种，在罗马尼亚进行了水生耦合测试。 Blidariu 等人（2013a, b）与传统生产相比，生菜（Lactuca sativ）中的 PSub2/Sub5/Sub（磷五氧化物）和硝酸盐水平显著高于传统生产，这表明可以在耦合水生物中生产梭鱼，而不会对鱼类产生负面影响通过营养物毒性生长。 诸如鲤鱼等 塞浦路斯科 (塞浦路斯形) 已经被用于水生耦合中，通常表现出更好的生长，储存密度降低，水生工艺水流量最低（有效使用水）印度 锦鲤的最佳放养密度为 1.4 公斤/米（Hussain 等人，2014 年），最佳体重增加和产量为 *Beta * var。 发现了 * 孟加拉 *（菠菜），水流速为 1.5 升/分钟（侯赛因等人，2015 年）。 通过研究报告，在最低水流速率为 0.8 升/分钟的情况下，水菠菜的生长和植物产量良好，养分去除率最大（NOSuB3/Sub/ 次 N、POSUB4/P、子 P、K）和多养鲤鱼（Carassiu___Canus_）万西等他人 (2016 年)。 有趣的是，有趣的是，在锦鲤生长和养分去除的锦鲤 (_鱼 _ 鱼. 锦鲤) 和金鱼 (__) 生产 (侯赛因等人, 2014 年, 2015 年) 生产的植物生长和营养物质。 菠菜（菠菜）和水菠菜（_Ipomoea 海洋藻 _）呈线性增加，工艺水流量在 0.8 升/分钟至 1.5 升/分钟之间减少。 这些结果表明，对于鱼养殖，建议降低水流量，因为这对鱼类生长没有负面影响。 然而，Shete 等人（2016 年）描述了普通鲤鱼和薄荷（薄荷）生产的流量较高，为 500 升 Hsup-1/SUP（约 8 升/分钟），这表明不同植物物种需要不同的水流速率。 Lobillo 等人（2014 年）在西班牙成功测试了另一种鱼（Tinca tinca），在没有固体去除装置的情况下，鱼类存活率较高（99.32%），低放养密度为 0.68 千克 msup-3 苏普，而且生菜存活率较高（98%）。 总体而言，塞浦路斯家族成员对全球水产养殖生产做出了巨大贡献（FAO 2017）；在水生条件和生产力下，这种情况很可能也是如此，但经济状况应该分别针对每个国家进行测试。

   其他水生生物，如虾和小龙虾也被引入到水生水生产中。 Mariscal-Lagarda 等人（2012 年）研究了白虾工艺水对西红柿生长的影响，并发现在综合生产下具有双重节水效果的水生生产效果。 另一项研究比较了淡水虾的半密集水生产（马来西亚虾）与罗勒（Ocimum）与传统水培植物种植的营养液进行比较（Ronzón-Ortega 等人，2012 年）。 然而，罗勒生产水生产最初是不太有效的（25％ 的生存），但随着虾的生物量增加，植物生物量也增加，使作者得出了一个积极的结论与生产罗勒与 M. rosenbergii。 萨斯和菲茨西蒙斯 (2013 年) 报告，生菜 ( 白菜 _)、白菜 (北基嫩 _) 和白菜 (_甘蓝白菜 _) 的植物生长较好。 大虾种植在化学物理参数方面稳定了该系统，从而改善了植物生长，尽管由于 pH 值的提高，但白菜和生菜中出现了营养不足。 一般来说，这些研究表明，在水生条件下生产虾是可能的，甚至可以对闭环或耦合水生原理产生稳定作用。

   7.7.2 植物生产

   多种植物、草药、果实作物和绿叶蔬菜的种植已经在水生联合学中描述过。 在许多情况下，水生工艺水的营养含量足以促进植物生长。 Thorarinsdottir 等人（2015 年）的综述总结了来自各种来源的水生生产条件下植物生产信息。 生菜（Lactuca sativa）是水生鱼的主要栽培植物，经常用于不同的变种中，如脆头生菜（冰山）、毛头生菜（美国围嘴）、红叶生菜和松叶生菜在低夜（3—12 ℃）和较高的白天温度（17—28）维尔等人(2014 年)。 许多实验都用生菜进行（例如 Rakocy 1989），或者作为生菜生长的比较，水培和补充水生养之间的生菜（Delide 等人，2016 年）。 罗马生菜 (__ 简历. Seawright 等人（1998 年）也对 Jericho 进行了研究，其生长结果与独立水培学相似，K、Mg、Mn、P、Na 和 Zn 的积累随着尼罗河鱼类生物量的增加而增加。 铁和铜浓度不受影响。 生菜的产量是微不足道的，因为鱼的放养密度不同（151 克、377 克、902 克、1804 克）和植物生物量在 3040 克（151 克鱼）和 3780 克（902 克鱼）之间不同。 生菜也被种植，例如伦纳德和伦纳德（2006 年）与默里鳕鱼（马库洛切拉贝利利 _），洛雷娜等人（2008 年）与鲟鱼 “贝斯特”（胡索雌性和红叶雄性杂交）和潘塔内拉（2012 年）与尼罗河 _nlapia 一起种植。伊洛蒂库斯 _）。 作为一种温水作物，罗勒 (Ocimum basilum) 被认为是水联合栽培的良好草本，81% 的受访者在国际调查结果中被报告为种植最多的作物（Love 等人，2015 年）。 Rakocy 等人（2003 年）调查了在批量生产和交错生产条件下产量可比的罗勒（2.0；1.8 千克/千克/千克/千克/吨/苏普 2 水），而与产量相对较低的田间栽培（0.6 千克/毫克/毫克/苏普 2 苏克）形成对照。 Somerville 等人（2014 年）将罗勒描述为最受欢迎的水生药草之一，特别是在大规模系统中，因为其增长速度相对较快，经济价值良好。 不同品种的罗勒可以在 20 至 25 ℃ 的高温下生长在介质床、NFT（营养膜技术）和 DWC（深水培养）水培系统中生长。 与罗非鱼青少年相比，在砾石介质床上生长的罗勒可以达到 2.5 倍的产量（尼洛提斯 _，0.30 克），而加里皮乌斯（0.12 克）（克瑙斯和棕榈 2017a）。

   Somerville 等人（2014 年）将西红柿（Lycopersicon esculentum_）描述为水上乐园中的 “优秀夏季果蔬”，根据番茄种类，可以应对全阳光照射和温度低于 40 摄氏度。 然而，联合水生产的经济可持续性受到争议，原因是水生番茄生产的竞争力低于温室，例如布莱斯韦克 DLV GreenQ 荷兰改进中心，番茄产量为 100.6 千克msup-2/SUP（2015 年世界日报），甚至更高（Heuvelink 2018）。 早些时候的调查主要集中在这种植物的种植与田间生产相比。 Lewis 等人（1978 年）报告说，与田间生产相比，水下西红柿的作物几乎增加了一倍，使用乙烯二胺四乙酸解决了缺铁问题。 在过去几十年里，萨顿和刘易斯（1982 年）也在不同的水生生产系统中生产了西红柿，在水温高达 28 摄氏度的条件下，植物产量良好，结合海峡鲶鱼（Italurus Punctatus），Watten 和 Busch（1984 年）与罗非鱼（沙罗非鱼）结合使用计算出可销售的番茄果实总产量为 9.6 公斤/平方米/苏普 2 苏普，约为分离水生鱼的记录产量的 20%（每年 47 公斤/平方米/苏普/年，吉伦 2016 年）。 McMurtry 等人（1993 年）在相关的沙子生物过滤器中混合杂交罗非鱼（莫桑比克 x Niloticus）和西红柿，最佳 “植物产量/高总产量” 为 1:1 .5 罐/生物过滤器比（沙子过滤床）和 McMurtry 等人（1997 年）产量随着生物过滤器/储罐比的增加。 必须指出的是，生产的西红柿是可能在耦合水生。 继 Palm 等人（2018 年）之后，严格遵循无土植物栽培原理，部分施肥某些营养物质，如磷、钾或镁，以提高产量（见下面的挑战）。

   还有可能种植更多的植物物种，不断报告对新作物进行测试。 在英国，Kotzen 和 Khandaker 已经测试了异国情调的亚洲蔬菜，特别成功的苦瓜，也被称为喀拉拉邦或苦瓜（Momordica charantia）（Kotzen pers. comm。）。 芋头是另一种物种，由于其大型的 “大象耳朵” 叶子和它的根源（Kotzen pers. comm.），据报道，它很容易生长成功。 Somerville 等人（2014 年）指出，花椰菜、茄子、辣椒、豆类、豌豆、卷心菜、西兰花、瑞士甜菜和香菜等作物具有水栽培潜力。 但还有更多（如芹菜、西兰花、花椰菜、辣椒等），其中包括喜欢湿根条件的植物，包括水菠菜（_Ipomoea 海洋动物）和薄荷（Menta sp.）以及一些盐生植物，如沼泽 (_Salicornia)。

   观赏植物也可以单独或与其他作物一起种植（间作），例如罗斯托克大学 Palm & Knaus 在水生系统中种植的 Hedera Helix_（常春藤）。 试验使用的营养素减少了 50%，通常在正常苗圃条件下提供给植物的营养素成功率为 94.3%（图 7.10）。

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   ** 图 7.10** 三种质量类别的常春藤 (_Hedera 螺旋 _)，生长在水生联合系统中，表明幼儿园行业需要的质量：(a) 非常好且可直接销售；(b) 良好和适销；(c) 质量不够高

   除了所选择的植物和变种之外，在两种建议的鱼类生产状态下，水生植物生产方面还存在两个主要障碍，即广泛和密集。 在广泛的条件下，工艺水内的营养可用性远远低于商业植物生产，钾、P 和铁等营养素缺乏，导电率在 1000 至 1500 μs/厘米之间，远远低于在常规水培生产商用下应用的水培生产植物定期在 3000 和 4000 微秒/厘米之间。 与最佳受精植物相比，缺乏某些营养素的植物可能会出现叶花蜜的迹象，叶绿素较少。 因此，选择性地添加一些营养物质可以提高生产具有竞争力的产品所需的植物质量。

   总之，在密集鱼类生产条件下的水联生物商业植物生产难以与常规植物生产和商业水耕作大规模竞争。 根据 Palm 等人（2019 年），鱼类生产过程造成的不可预测的营养物质组成必须与水培系统中发现的最佳营养条件竞争。 毫无疑问，需要开发解决方案，以便最佳的植物生长，同时提供鱼类所需的水质。

   7.7.3 鱼类和植物组合选项

   将鱼类和植物结合在封闭的水生鱼类中可以产生更好的植物生长（Knaus 等人，2018b），同时对鱼类福利带来好处（Baßmann 等人，2017 年）。 在工艺水中，微量营养素和大量营养素可能会发生巨大变化，对植物营养需求产生负面影响（Palm 等人，2019 年）。 对水生耦合系统的一般分析表明，与水培养液相比，该系统内的营养素水平较低（Bittsanszky 等人，2016 年）（Edaroyati 等人，2017 年）。 植物在不影响生长和质量的情况下，不能容忍营养素供应不足或过于供应，而且水生养系统的每日饲料输入需要根据植物的营养需求进行调整。 这可以通过调节鱼类的放养密度以及改变鱼类饲料来实现。 萨默维尔等人（2014 年）根据水生植物的营养要求对植物进行分类如下：

   1. 营养要求较低的植物（例如罗勒、_Ocimum _）

   2. 具有中等营养需求的植物（例如花椰菜，花椰菜 _ 肉霉素 _)

   3. 具有较高营养要求的植物，如果果种（如草莓，Fragaria 规格）。

   并非所有植物都可以在所有水培子系统中进行培养，产量相同。 植物的选择取决于水培子系统，如果使用传统的无土水生系统（例如 DWC、NFT、潮汐和流动；严格意义上的水培子系统 — s.s. — 狭义意义上的水培系统）。 在水产养殖（“水生鱼感应拉脱维亚” — s.l. — 在更广泛的意义上，Palm 等人。2018），使用惰性土壤或添加肥料应用园艺技术，增加了可能的物种范围。

   在水培条件下，子系统的组分结构对植物生长参数具有决定性的影响。 根据 Love 等人（2015 年），大多数水生产商都使用木筏和媒体床系统，而 NFT 和垂直塔则较少。 伦纳德和伦纳德（2006 年）研究绿橡木生菜的生长（Lactuca sativa），并记录了关系砾石床\ > 浮筏\ > NFT 在生物量发展和产量方面与墨雷鳕鱼（Maccullochella peelii）在澳大利亚。 Knaus & Palm（2016—2017 年，未公布的数据）在 FishGlasshse 中对不同植物的生长进行了分离水培子系统测试，如 NFT、浮筏和砾石基板，需要在耦合条件下进行后续测试。 随着非洲鲶鱼生产密度的增加，大部分养殖作物如黄瓜（黄瓜）、罗勒（黄瓜）和白菜（黄瓜）、白菜（黄瓜）等，对比度较高纳德和伦纳德（2006 年），在砾石和 NFT 水上乐器（砾石\ > NFT\ > 筏；Wermter 2016；普里伯诺 2016；洛伦岑 2017）和摩洛哥薄荷 “薄荷”（Mentha spicata）的生长表现相反（RAT = NFT\ > 砾石），在 NFT 中叶数最高（齐默尔曼 2017）。 这表明了砾石条件的优势，并且可以比喻地应用于具有土壤基质的传统植物盆中，在水生耦合条件下。 由于使用了园艺部门的基材（土壤、可可纤维、泥炭等），这种类型的水产养殖被指定为 “园艺 — 水产养殖器 _ (s.l.) _” (见棕榈等人, 2018 年). 这涉及到所有允许植物在盆栽中生长的植物种植技术，根据这种技术，锅里本身的基质可以被认为相当于用于水生的经典砾石基底。 Knaus & Palm 公司的研究（未公布的数据）显示，普通种植蔬菜的质量有差异，因此它们适合在土壤中生长这种类型的水生物中生长（图 7.11，表 7.1）。 在这种类型的水鱼类，豆类，羊肉生菜和萝卜做得很好。

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   ** 图 7.11** 在冬季条件下，2016/2017 年冬季在鱼类温室进行各种常见蔬菜的实验（德国罗斯托克大学）

   ** 表 7.1** 建议在水生养殖中使用园艺植物, 在有土盆中使用 50% 的常规肥料

   表 海神 tr 类 = "标题” 名/th ThLat 名称/th 可能用于水/th 标/th 营养素计划/th /tr /thead Tbody tr 类 = "奇数” /TD td /i /td TDE /TD td1/td TX /TD /tr tr 类 = "偶数” TDPEA/TD td IPisum /i /td TDO/TD TD2/td TD/TD 强化 /tr tr 类 = "奇数” TBE/TD td ibeta /i /td TDO/TD TD2/td TDBOTH /TD /tr tr 类 = "偶数” TD/TD 西红柿 td /i /td TDO/TD TD2.3/td TDBOTH /TD /tr tr 类 = "奇数” TDLamb 的生菜 td /i /td TDE /TD td1/td TDBOTH /TD /tr tr 类 = "偶数” TRAD/TD td /i /td TDE /TD td1/td TDBOTH /TD /tr tr 类 = "奇数” TDWH/TD td /i /td TDO/TD TD2/td TDBOTH /TD /tr tr 类 = "偶数” 电子通信/TD td 萨迪瓦瓦/i /td TDE /TD td1/td TD/TD 强化 /tr /tbody /表格

   植物的选择 (物种和菌株)，尤其是水培子系统和/或基材，包括泥炭、泥炭替代品、可可纤维、堆肥、粘土等或其中的混合物 (见 Somerville 等人, 2014 年)，对该项目的经济成功产生了重大影响。 一些基材的效率必须在介质床水培次级单元（例如沙子的使用（McMurtry 等人，1990 年，1997 年）、砾石（伦纳德和伦纳德，2004 年）和珍珠石（泰森等人，2008 年）中进行测试。 Somerville 等人（2014 年）介绍了其他介质床底材的使用情况，例如火山碎石或岩石（凝灰岩/tufa）、石灰岩砾石、河床砾石、浮石石、再生塑料、椰子纤维、木屑、泥炭苔藓和稻干等有机基材。 然而，提出建议的定性比较研究非常罕见，并且是今后研究的主题。

   7.7.4 多种子

   单个水生系统中不同的水生生物组合可以提高总产量。 这一多种生产原理首次应用于 Naegel（1977 年），源自 Knaus 和 Palm（2017b）在耦合体系中的多种养殖结合水生物学这一术语，称为 “多培养 + 水生）”。 与 IMTA（综合多营养水产养殖）一样，多种植物扩大了生产系统的多样性。 在一个系统中使用多种物种既有利弊，因为 (a) 多样化使生产者能够满足当地市场需求，但 (b) 另一方面，重点分散在若干产品上，这需要更多的技能和更好的管理。 关于多种子的公布信息很少。 然而，Sace 和 Fitzsimmons（2013 年）报告了生菜、白菜、白菜和白菜在水生水生养中的植物生长较好。 Albert-Hubatsch 等人（2017 年）介绍了高贵小龙虾（阿斯塔克斯）、杂交条纹低音（沙沙地沙克斯 _ x M. Chrysops）、微藻（_ 南极氯藻 _）和豆瓣菜（Namnetica），生长率高于预期。喂食豆瓣根，鱼粪和派克珀尔设计的饮食。

   罗斯托克大学的初步调查显示，两个相同的 25msup2/sup 背纱耦合水生单元的植物生长与非洲鲶鱼（Claras gariepinus）和尼罗河 _ 罗非鱼（Niloticus，Palm 等人，2014b）。 生菜 (__) 和黄瓜果实 (_Cucumis _) 的植物产量显著提高。 Knaus 和棕榈 (2017a) 也可以看到这一效应，罗勒（_Ocimum

   • 另一项比较显示，与罗非鱼的西红柿 (_Solanum Lycopersicum _) 每株植物总生物量 (g 植物素-1/sup) 高出两倍，黄瓜的总生物量则略有增加，但与较高的鲤鱼相比，黄瓜果重量在 _O. 尼洛提库斯 _ 水生单位（克瑙斯和棕榈 2017b）。 罗非鱼单位薄荷产量（Mentha_x piperita）大约高出 1.8 倍，但香菜与鲤鱼相比较高 2.4 倍（Knaus 等人，2018a）。 这些实验的结果是按照植物生长顺序进行的：植物生长的顺序：O. Niloticus\ > _C. 鱼类生长显示出相反的顺序：_C. 鱼类的生长顺序为：_C.

   根据这些结果，鱼类的选择会影响植物产量，不同鱼种的组合，它们各自的生长性能可以调整耦合水生物，以达到最佳的鱼类和植物产量。 在连续的实验中（仅限 Niloticus_，仅限于加里埃皮斯），观察到生物量产量为 20.44%（植物生长差异 — PGD），而不同于罗勒产量的罗勒产量（Knaus 等）。 因此，可以使用 O. Niloticus_ 来提高一般的植物产量。 这种所谓的促进效应提高了系统的整体产量，并补偿了较差的植物生长，同时提高了鱼类生长率和鱼类生长率，从而提高了植物产量。 印度尼西亚巴厘岛开设了第一个商业多耕种农场，生产罗非鱼与亚洲鲶鱼（Claras batrachus）和传统农产品。

8. 7.8 系统规划和管理问题

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   水生耦合取决于鱼类单位提供的营养物质，无论是商业密集型 RAS 还是在较小的作业条件下储存的鱼缸。 后者的鱼类密度通常约为 15—20 公斤/msup3/SUP（罗非鱼、鲤鱼），但非洲鲶鱼的产量可高达 50 公斤/msup3/SUP。 这种不同的储存密度对植物的营养通量和养分供应情况、水质控制和调整的要求以及适当的管理做法都有重大影响。

   与养分浓度相关的过程水质主要取决于饲料的成分和鱼类各自的更替率。 饲料输入和饲料营养物质之间的差异，在鱼体内吸收或因养护系统而丢失，等于水产养殖的植物现有营养物质的最大潜力。 如上所述，营养浓度应调整到水平，使植物能够有效生长。 然而，并非所有的鱼类都能够承受这样的条件。 因此，具有弹性的鱼类，如非洲鲶鱼、Timapia 或鲤鱼是首选的水生鱼类。 在罗斯托克大学，对全鲶鱼及其标准饮食作为产量和输入值进行了分析，以确定大量营养素 N、P、K、钙、镁和 S 以及微量营养素铁、锰、钼、铜、锌和硒的营养率。 除 P 之外，给予鱼类的饲料营养物质的 50% 以上不会保留在鱼体内，并且可以被视为潜在的植物营养物质（Strauch 等人，2018 年；图 7.12）。 然而，这些营养物质并不平均分布在工艺水和沉积物中。 尤其是大量营养素（N、P、K）在工艺水和固体部分内积累，而微量营养素（如铁）会在由澄清器分离的固体部分中消失。 图 7.13 显示了在一种密集的非洲鲶鱼 RAS 中收集污泥 6 天后，每个澄清剂清洗的营养产量。 固体中结合的植物必需营养物质相对于出现溶解的相应量的比例显著：N = 48%，P = 61%，K = 10%，钙 = 48%，镁 = 16%，S = 11%，铁 = 99%，锰 = 86%，钼 = 100%，锌 = 48%，铜 = 55%。

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   ** 图 7.12** 非洲鲶鱼水产养殖中可能用于水生植物生产的未使用的营养物质（原始数据）

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   ** 图 7.13** 工艺水和固体内的宏观营养素和微量营养素的分布情况。 (数据来自施特劳赫等人 (2018))

   一个关键的管理因素是系统内的氧气可用性，这对于保持工艺水中植物可用硝酸盐浓度至关重要。 在许多 RAS 中使用的传统澄清机可从再循环中去除富含碳的固体废物，但在沉淀罐的下一个清洁周期之前，它们会与工艺用水接触。 在此期间，富碳的有机物被用作能源，通过去硝化细菌，造成硝酸盐的重大损失。 它像氮气一样流入大气中并丢失。 在密集的生产条件下，大量有机污泥将积聚在沉积罐内，从而影响维护、用淡水取代，并随后影响工艺水中的营养成分。 图 7.14 显示了非洲鲶鱼 RAS 在三种不同放养密度（广泛：35 种鱼/罐，半密集型：70 种鱼/罐，密集型：140 种鱼/罐）下的养分浓度。 储存密度越高，系统内部产生的氧含量越低，系统内每公斤饲料可用的硝酸盐就越低。

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   ** 图 7.14** 三种不同养殖密度下非洲鲶鱼水产养殖每公斤饲料的 N-预算和氧浓度（原始数据）

   一般而言，随着鱼类强度的增加，系统内的氧气可用性会减少，因为鱼类消耗氧气，以及澄清器和水培子系统内部的有氧污泥消化。 氧气水平可以保持在较高的水平，但这需要额外投资于氧气监测和控制。 从系统的规划阶段开始，这个问题对于水生耦合具有极大的重要意义，因为不同的情景对于计划的鱼类生产、由此产生的工艺水质量以及经济可持续性. 水生混合生产系统的四个主要原则在系统设计、维护程序和植物生长营养可用性方面具有管理后果，以及它们之间的过渡，可以定义如下：

   -大量生产，氧弹性鱼类（如罗非鱼、鲤鱼），无氧气控制，OSub2/Sub 超过 6 毫克/升，用水量少，营养浓度高，投资少，BOD 低，每公斤饲料硝酸盐高。

   -密集生产、具有氧气弹性的鱼类（如非洲鲶鱼）、无氧气控制、OSub2/Sub 低于 6 毫克/升、用水量高、投资中等、BOD 高、每公斤饲料硝酸盐低、营养浓度高。

   -大量生产，对氧气要求较高的鱼类（如鳟鱼），氧气控制，6—8 毫克/升以上 OSub2/Sub，用水量高，投资中等，BOD 低，每公斤饲料硝酸盐高，营养浓度低。

   -密集生产、需氧的鱼类（如鳟鱼、鱼鲈）、氧气控制、OSub2/Sub 在 6—8 毫克/升以上、用水量高、投资高、BOD 低、每公斤饲料中硝酸盐。

   除了储存密度和系统内的平均氧气量之外，植物生产方式（即批次或交错种植）还会对工艺水中的植物可用营养成分产生影响（Palm 等人，2019 年）。 特别是在生长快的鱼类中，这种情况尤其如此，在生产周期中饲料的增长可能非常迅速，需要更高的水交换率，从而增加营养素稀释，从而影响营养成分和管理。

   作为水培子系统的一部分，RAS 中发生的相同氧或缺氧过程也发生在水培子系统内。 因此，为了优化水质以促进植物生长，植物水的氧气可用性和可能的曝气可能是至关重要的。 氧气允许异养菌将有机结合营养物转化为溶解阶段（即蛋白质氮转化为氨），硝化细菌将氨转化为硝酸盐。 水中的氧气可用性也会减少缺氧微生物代谢（即硝酸盐和/或硫酸盐还原细菌，Comeau 2008），这些过程可能对减少营养素浓度产生巨大影响。 根部曝气还有一个优点，即水和养分被输送到根表面，沉淀在根表面的颗粒被去除（Somerville 等人，2014 年）。

9. 7.9 耦合水联组件的优点和缺点

   Original publication 2019 · 首次发布于 FarmHub Learn 2020-06-04 · Aquaponics Food Production Systems

   下面的讨论揭示了水生耦合技术的一些主要优点和挑战，具体如下：

   Pro：耦合水生系统具有许多食品生产优势，尤其是在不同生产规模和广泛的地理区域下节约资源。 这一生产原则的主要目的是最有效和可持续地利用稀缺资源，如饲料、水、磷作为有限的植物营养和能量。 与水产养殖相比，水产养殖和水栽培（独立）更具竞争力，但水产养殖可能在可持续性方面具有优势，从而成为这些系统的理由，特别是在诸如气候变化、资源减少、情景等背景下来看待这些系统的理由这可能会改变我们对未来可持续农业的愿景。

   赞成：小规模和背向耦合的水上乐器旨在支持家庭和农民的当地和社区粮食生产。 它们无法控制高昂的投资成本，需要简单而高效的技术。 这适用于耦合水生物中测试的鱼类和植物组合。

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   ** 图 7.15** 从 (a) 家庭废物构造湿地 (CW) 和 (b) CW 结合循环水产养殖系统 (RAS) 到 (c) 水生耦合系统中的水培单元开发耦合水生系统

   临：当代水生耦合中的植物在处理废物方面的作用与人造湿地在清除水中废物方面的作用相似（图 7.15）。 因此，联合水生养殖中的水培单元中的植物完成了净化水的任务，并且可以被视为 “水净化的生物先进单元”，以减少水产养殖对环境的影响。

   挑战：与传统农业生产系统（例如 N-P-K 水培粪）相比，只使用鱼饲料作为植物营养的投入往往在质量和数量上都不足（Goddek 等人，2016 年），限制了某些作物的生长。耦合水上乐器。

   Pro：耦合水生系统对鱼类福利有积极的影响。 最近的研究表明，结合黄瓜和罗勒，非洲鲶鱼的激动行为有所降低（Baßmann 等人，2017 年，2018 年）。 更重要的是，将伤害和行为模式与对照相比较，具有高罗勒密度的水鱼对非洲鲶鱼的影响更加积极。 植物将物质释放到工艺水中，如磷酸酶（塔拉夫达尔和克拉森 1988 年；Tarafdar 等人，2001 年），这些物质能够在根区周围水解生化磷酸盐化合物，并散发有机酸（Bais 等人，2004 年）。 此外，根表面上的微生物通过排泄有机物质增加矿物的溶解性，从而发挥着重要作用，使它们能够用于植物营养。 很明显，根圈的环境，即 “根部渗出物”，由许多有机化合物组成，如有机酸阴离子、植物异物、糖、维生素、氨基酸、嘌呤、核苷、无机离子、气态分子、酶和根边界细胞（Dakora 和菲利普斯 2002 年），这可能影响水生生物在耦合水生系统中的健康。 这种共生关系在纯水产养殖或分离水产养殖中都不存在。 然而，仍然需要进行大量研究，以了解改善鱼类福利的负责因素。

   Pro：Aquaponics 可以被视为传统农业生产的一种优化形式，特别是在环境条件造成的生产因素特别具有挑战性的地区，例如在沙漠或人口密集的城市地区（城市）。 在系统设计和操作规模方面，耦合水联系系统可以很容易地根据当地条件进行调整。

   挑战：由于鱼类和植物生产的成分比条件往往不合适，耦合水生鱼也表现出缺点。 为了避免对鱼类福利造成后果，耦合水生系统必须平衡饲料输入、储存密度以及水处理装置和水耕装置的尺寸。 到目前为止，对耦合水生生物中的成分比的了解仍然有限，为克服这一问题而进行的建模工作正处于开始阶段。 Rakocy（2012 年）建议每平方米的生菜种植面积 57 克饲料/天，以及 1 mSUP3/SUP 鱼养殖罐的复合比例为 2 mSUP3/Sup 的豌豆砾石，允许生产 60 公斤/msup3/sup 罗非鱼。 根据 UVI 系统，大小比例本身被认为是一个缺点，因为植物生长面积与鱼表面积的比例必须达到至少 7:3 的比例，才能充分生产植物。 另一方面，耦合系统的系统设计变化很大，往往无法比拟，所取得的经验不容易转移到另一个系统或地点。 因此，需要更多的研究数据，以确定尽可能最佳的生产比率，最终还能够通过乘以最佳设计的基本模块来提升水联系统的规模（另见 第 11 章）。

   挑战：不良的水质参数据称会对鱼类健康产生负面影响。 正如 Yavuzan Yildiz 等人（2017 年）所指出的，应最大限度地保留植物的养分，以避免水质对鱼类福利造成负面影响。 选择能够承受较高营养负荷的足够鱼类，例如非洲鲶鱼（加里叶鱼 _）或尼罗河-罗非鱼 _（O. Niloticus，），这一点很重要。 比较明智的物种，如赞德尔或皮克鲈 (Sander lucioperca) 也可用于水生生物中，因为它们更喜欢具有较高浊度的富营养水体或富营养水体（Jepesen 等人，2000 年；Keskinen 和 Marjomäki 2003；[见 [第 7.7.1 节]。](/社区/文章/7-7-鱼类和植物的选择 #771-鱼类生产) 鱼类生产]). 迄今为止，没有足够的数据可以准确说明鱼类福利受损的情况。 由于植物在工艺水中的钾浓度通常在 230 至 400 毫克/升之间需要较高的钾浓度，200—400 毫克/升钾对非洲鲶鱼的福利没有任何负面影响（Presas Basalo 2017）。 同样，饲养水中的 40 和 80 毫克/升骨效果对非洲鲶鱼幼鱼的生长性能、饲料效率和福利性状没有负面影响（Strauch 等人，2019 年）。

   挑战：另一个问题是，食品安全方面的疾病可能通过消费与鱼类废物接触的植物而传播给人们。 一般来说，人畜共患病的发生是轻微的，因为封闭式水生动物是完全控制的系统。 然而，细菌可以在系统组件的过程水或鱼肠中积累。 _ 大肠杆菌 _ 和 _ 沙门氏菌 _ spp. （人畜共患肠菌）被确定为粪便污染和微生物水质的指标，但在水生生物中只检测到很少的数量（Munguia-Fragozo 等人，2015 年）。 对水生、水培和土壤生产之间的光滑纹理绿叶蔬菜进行的另一次比较显示，有氧板数（APC、有氧菌）、肠杆菌科、非致病性 _E. 大肠杆菌和 Listeria 的污染水平与病原体（巴恩哈特等人，2015 年)。 李斯特菌是最常见的（40％）在水培与脱根植物（水生植物与根 0％，水生植物没有根\ < 10％），但不一定是有害的 _L。单核细胞增生物 _ 物种。 有人认为，细菌的来源可能是由于缺乏卫生管理，与水生生物学本身没有什么关系。 Schmautz 等人（2017 年）在鱼粪中检测到另一种感染性细菌 Fusobacate（* 鲸孢杆菌 *），发病率高达 75%。 Fusobacteria 的代表负责人类疾病（医院细菌，脓肿，感染），在生物膜中再生或作为鱼肠的一部分。 目前尚未记录人类感染由水添药引起的 Fusobacteria，但可能因忽略所需的卫生方案而成为可能。

   一般而言，关于鱼类和植物食用源于水生水生系统的鱼类和植物所引起的疾病的信息相当少。 在威尔逊（2005 年）中，J.E. Rakocy 博士说，在水生双联产生的 25 年中，没有记录在案的人类疾病爆发。 然而，作为预防措施，应使用植物产品的洗涤程序来减少细菌的数量。 查尔默斯（2004 年）建议使用氯浴（100 ppm），然后再用饮用水冲洗。 如果使用这种方法，并避免植物或植物产品与循环工艺水接触，可大大降低受人类致病菌污染的可能性。 这是一个必要的预防措施，不仅适用于耦合，而且对于所有其他形式的水生动物。