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2019年2月16日 作者:xwz2367609 [返回]
垂直农场式鱼菜共生系统的构建及耕作技术

徐伟忠,陈银华,曹鹏飞

(浙江省丽水市农业科学研究院,丽水 323000

摘要 垂直农场是未来农业发展的重要趋势与方向,是人类向空间要耕地以解决日益减少的耕地与人口增长矛盾的伟大实践与创新;而鱼菜共生是仿效自然所形成的新型耕作模式,采用耕养结合方式实现种植不施肥养鱼不换水的生态平衡效应,实现一加一大于二的协同效果;两者有机结合构建起单位面积产额最大化,生产方式集约化,耕养运行高效化的创新生产模式,为人们生活既解决蔬果的矿质与维生素营养需求,又同时带来蛋白营养的供给与满足,是人类食物需求的完整解决方案;该项技术的应用,首先将成为都市农业发展的主导模式,另外也是内地与山区发展水产养殖的高度集约化技术,彻底改变了传统农业概念;也将是未来人们的一种生活方式,一种家庭园艺式的耕作,无需体力重活轻松生产出生活所需的蔬果鱼肉产品,丰富生活同时,带给人们是一种全新的生态生活体验。垂直农场鱼菜共生的有机结合可谓是黄金搭当,人们利用方寸之地就可以构建起生产生活生态一体化,满足人们美好生活的仿自然而胜自然之生态系统,是农业可持续绿色发展的一大跨越。

关键词 垂直农场鱼菜共生;集约化;都市农业;生态系统;耕养结合

当前农业的种植业与养殖业大多遵循的线性化耕作模式,这是产业化所迫,也是生产管理高效化所需;但随着生态环境压力的增大,传统农业所致的污染及食品安全问题,已逼迫人们开始寻求绿色发展之路,必须走循环生态道路,回归一种多物种多生态融合的复合耕作模式。只有充分发挥物种多样性及科学利用物种间的相互平衡性,才可以解决当前农业生产带来的生态破坏、农药化肥污染的生态过载问题。耕养结合的农业当前也叫循环农业,正在全国各地方兴未艾,但还存在管理环节繁琐,用工量大的问题;特别是种植部份还是以土壤耕作为主,势必存在整地、除草、施肥、灌溉、打药等体力劳作;只有把省力化的无土栽培技术融入到养殖业中,才得以有效解决;随着无土栽培技术的发展,现在几乎所有植物都可以实现无土栽培,特别是基质培与气雾栽培,不管蔬果药花林木等经济植物都可以适应,为耕养结合的模式开辟了全新的融合发展思路;特别是水产养殖业,可以直接用养殖水进行循环灌溉种植,不需如禽畜类需对粪便排泄物进行集中发酵处理再进入循环;所以采用鱼作为耕养结合技术的主导物种,再结合无土栽培技术,形成鱼与菜共生、鱼与果共生、鱼与药材等经济植物共生的模式,将更具实用性与推广应用价值;本文将以鱼菜共生为重点,再结合垂直农场的概念与技术,把水产养殖、无土栽培、垂直农场三者有机结合,构建起生产高效化,物种多样化,生态利用循环化的新型生产方式;这种新型生产方式不仅仅是生态系统,也是高效的生产模式,同时也是满足人们体验需求的生活方式,只有遵循三生需求的发展模式,才能成为人类普遍认知与全民充分参予的可持续发展模式。特别是垂直农场技术的结合,又是常规鱼菜共生的一大跨越,从平面耕作向空间耕作发展,让食物的生产空间变得无限,面对未来人口骤增的挑战将采用该模式将得以有效解决。以下就垂直农场鱼菜共生的构建技术及生产技术作详细的介绍,以供生产借鉴写参考。

1.垂直农场概念与技术

垂直农场近年成为国内外关于未来农业思考的关键词,但大多数设计作品都是源于建筑师之手,其共同的特点就是把种植业与养殖业融入到高楼大厦建筑中,融入到建筑物的肤表的栽培利用中,要成为农业的主导生产方式还有较长的路要走,不管是能源的供给上、建筑物的承重上、还是企业的投入与产出回报上,都还停留在设计阶段,无法在当前生产上得以应用;当然随着未来能源技术的突破,以及建筑成本的降低,这种经典的垂直农场也必将会被实现;在当前生产力水平下,开发成本低实用性强效率高的模式,将是目前垂直农场所需思考之重点,也是技术突破与创新之切入点。

垂直农场首先要解决光照问题,全部采用人工光模式,受电力能源制限,当前在生产上难以实现;从自然界植物叶片获取与利用光照的奥妙来看,首先是分层利用,其次是螺旋式布局,是充分利用太阳直射光与漫射光的巧妙之作;所以垂直农场的建设要以螺旋梯田式为创新点,在结构的创建上,为了实现用最省的材料发挥最佳的力学结构,还得采用自然界的仿生建筑,采用钢构技术结合张拉力学原理,构建出类似蜂筑、鸟巢、蜘蛛网的超强度与超韧性结构,用最省的耗能与材料达到空间利用最大化的耕作平台[1];传统的大楼式设计,耕作层存在的层间的挡光问题,在螺旋梯田构建中其梯面则采用铺设铁丝网的方式来解决,让单位空间的光照得以最充分利用,无需传统垂直农场的补光系统,实现低成本高效化运行。

2.鱼菜共生的原理及技术

鱼菜共生的刍形就是中国传统农业中稻田养鱼技术之发展,在传统农业中唯有水稻耕作是以水为介质,所以稻田养鱼成为最早的耕养共生模式;但随着近代无土栽培技术的发展,任何植物都可以用水作介质进行耕作,这自然就为鱼菜共生技术的发展奠定了基础;国际上鱼菜共生源于上世纪九十年代,采用的模式也较为单一,就是简单的把养鱼与水培技术的复合,这是鱼菜共生的初级模式,而且耕作区大多采用平面化的布局利用为主,如漂浮水培与养鱼结合,NFT管道培与养鱼的结合,砾石培与养鱼的结合;该阶段是鱼菜共生的概念期,大多数以庭院园艺技术或者科普道具与体验出现,没有追求耕作的效率与效益。随着当前绿色发展与循环经济理论的提出,再加上相关养殖技术、设施技术、无土栽培技术的快速发展,新一代的鱼菜共生技术,必须考虑生产上的可行性与投资者的有利可图性,更要考虑耕作的省力性与耕地的高效利用性。新一代鱼菜共生的孕育是基于当前集约化高密度流水养殖、新型类建筑设施的发展、及无土栽培技术的普及基础之上,更是乡村振兴与绿色发展大背景之有力助推[2]

鱼菜共生原理上应是鱼、微生物、菜(植物)三者之共生,利用养鱼过程中的粪便与饲料残渣通过微生物的发酵分解矿化,成为植物生长所需的矿质元素,而无土栽培的植物可以直接吸收利用矿质元素,对水质起到净化与过滤作用;构建养鱼不换水,种植物不施肥的生态循环系统。但在有机物的发酵矿化过程中,环境因子极为重要,矿化必须要有充足的氧气及适宜的温度,所以在鱼菜共生系统的设计中,必须创造适宜的发酵条件与场所,这就是系统中的硝化床或砾石(或陶粒)栽培床,是高效的鱼菜共生系统必须包含的元素[3];当前纯水培与养鱼的结合虽然也有应用,但硝化矿化效率低,无法达到高效种植与高效养殖的双高生产效果。新一代适合生产应用的鱼菜共生还需考虑土地利用率与耕作管理的省力化两大问题,土地利用率的提高可以达到间接降低投资成本的效果,省力化耕作是降低运行生产成本的途径;构造立体化垂直化的耕作设施,再加上实用化低成本无土耕作技术的结合,是新生代鱼菜共生的两大特点,是鱼菜共生走向生产走进生活成为重要生态元素的关键。

3.螺旋梯田的构建

3.1螺旋梯田的构建是对螺旋原理的科学利用.

螺旋梯田采用阿基米德螺旋线即等速螺旋,应用该螺旋的几何特点,可以达到创造相同立体空间时,具有最省材料与最节能的效果。更为重要的是螺旋线式的梯田构建,是一种拟自然植物生长的曲线,可以让各层之间达到最佳的光效,让散射光得以充分利用,如植物的叶序及枝的排列大多采用螺旋方式[4]。另外如DNA螺旋结构,也是细胞为了实现小空间内实现更大生化表面积的需求而进化的产物,所以细胞内大多细胞器也都是以螺旋式出现。用于梯田建设模型,可以在相同空间内创造更大的耕作表面积,同时又让光照得以最充分的利用。

3.2螺旋梯田的CAD设计

采用CAD软件设计出支撑螺旋梯梯面的钢构网架柱体,再按照预建设的总高、层高层数设计出螺旋梯面及顶罩(图1)。螺旋梯田主体由内撑柱、外撑柱及梯面顶罩组成,其中顶罩为漏斗式网架结构,有利于雨水的收集利用,内撑柱内空部份设计为养殖水体。养殖水体建设有采用独立钢构围栏建造与利用内撑柱网架作围栏进行围网铺布建设两种方式。梯面部份设计成顺梯面盘绕的螺旋线式种植槽。

3.3建造材料的加工及安装

根据设计出的CAD图作出相应装配图及材料单,装配图对钢构线条进行标码,相同长度为同一数字编码,并整理出材料加工清单位。选择20#25#热镀锌管材作为构建螺旋梯田材料,利用冲床按照设计计算的材料清单进行加工,材料长度误差控制在0.5-1毫米范围,以材料的孔中距计。按照施工图进行网架式螺旋梯田的装配,装配方法采用螺杆紧固的方式安装(2),安装次序从顶处顶罩作为起点,利用起吊葫芦悬空后层层往下安装。安装好柱体顶罩及螺旋梯面钢构后,对顶罩部份进行覆膜或者覆盖太阳能发电板,梯田的梯面铺设铁丝网(3),减少上层对下层挡光,让太阳光的散射光得以更充分利用;中心水体则采用钢构及铁丝网作围栏,并铺设防水布的简易方式构建。螺旋梯田外撑柱表面覆膜与防虫网,遇到夏季全部覆防虫网,寒季覆膜保温。

4.无土栽培设施的构建

栽培设施建设,梯面栽培全部采用槽式栽培,栽培槽宽为0.6米,深为0.4米,采用轻型板材内衬防水布建设,种植槽同样采用顺梯面作螺旋线式制作,种植槽于梯面的排列的列数及间距因栽培树体的大小不同而定(4)

填充基质及循环管道铺设,螺旋梯田式的立体耕作为了减轻承重,一般以轻型陶粒作为基质,于铺设防水布的种植槽内填充陶粒至0.35米深,并于陶粒基质表面铺设25#PVC管或胶管,于管壁上每隔0.6米进行打孔,作为灌溉孔。并把灌溉管接入主管与供水的动力水泵,水泵采用自吸泵或潜水泵皆可。形成养鱼水从种植槽顶处层层渗漏回流至中心水体,形成养鱼水的间歇式(利用定时开关控制)闭路循环。

5.耕养技术的综合管理

5.1栽培品种的选择

栽培品种布局,为了让陶粒基质培方式成为水体养殖水滤化,与重要的微生物矿化及植物根系生物滤化的载体,选择周期长且生物量大根系发达的多年生植物为主体,如乔灌木的园林树种、速生的经济植物(包括花卉)、木本果树等,配合套种或间种部份短周期的经济作物如药草与叶用蔬菜及瓜果,其中木本植物充分发挥它的耐肥性,所谓耐肥性就是在肥水充足时快速吸收同化,肥水不足时同样保持正常的生长,而经由基质及根系表面微生物种群高效矿化的离子又能为短周期作物高效提供营养,充分发挥基质及根系的生物缓冲平衡性,减少肥水不足或过剩造成的生长波动。

5.2养殖管理

水产养殖部份设计,中心水体是螺旋梯田栽培部份重要的肥水来源(5),养殖量的大小影响梯田植物生长与同化滤化效率,在具增氧设施结合的情况下,一般实行高密度养殖为宜,选择耐高密度的鲤鱼、鲫鱼、罗非鱼、鲶鱼为主,这些鱼养殖密度为每立方水体80-200尾。对于水质要求较高的鲈鱼、鲟鱼养殖密度以每立方米30-50尾为宜。为了减少虫害,于水体中安装水灯诱虫,鱼的饲养以投喂浮料为宜,每天投喂量为鱼递增体重的1-5%计,做到定时定量投喂。

5.3微量元素补充及太阳能发电技术的结合

仅靠养殖水的循环耕作,还有可能会出现微量元素的不足,必须结合微量元素补充技术;养殖水灌溉栽培一般大量元素较为充足,而微量元素不足时会出现缺素症,在管理过程中可以于陶粒基质表面撒施部份海带粉来补充微量元素与微微元素的不足,而且海带的补充不会对鱼造成不良影响,能为循环系统提供近50多种元素。结合太阳能发电技术,可以在无电力供应的地区发展立体化无土耕作,可以在离网的山区或者耕地受限的都市环境发展水产养殖业与高效垂直耕作,是传统单纯养殖和种植效率及效益的数倍[5]。对耕地少或无耕地的区域发展现代农业显得极为重要。

6垂直农场型螺旋梯田式鱼菜共生的意义与发展前景

采用螺旋梯田式垂直农场模式大大提高了单位面积的空间利用率,是平面耕作的数倍(6),有效解决层架式立体模式的挡光严重问题,同时更符合节省材料与节能要求,并且比层架式更力学的抗性;实现水产养殖与立体高效栽培的有机复合,达到零排放可持续循环耕作的效果,是未来有机耕作的重要模式。融合水产养殖的新型耕作,实现非水域环境水产业的发展,并且在可控水质环境下进行养殖,解决江河湖泊养殖的水质污染问题;利用大生物量多年生的树木作为栽培主体,解决传统鱼菜共生系统不稳定,包括水质不稳定及生长缺肥缺素两方面问题。大生物量树木为主体的循环耕作模式,因根系发达生物滤化及同化能力强,可以确保水质清澈,有利于鱼的生长又能高效矿化为套种的叶菜提供充足营养,生态平衡性更好更稳定; 该技术除了作为新型耕作技术在生产上应用外,还可以作为城市新型的绿化美化技术,组装式的螺旋梯田结合鱼植共生系统可以快速创造都市的大空间绿化,比传统移植大树绿化的方式更为生态与环保;闭锁循环耕作模式比传统耕作更为节水,是土壤耕作用水量的10-30%,是项重要的节水农业技术,适合干旱少水地区及场所的农耕系统构建;植物与鱼共生的栽培模式,严格杜绝农药的使用,采用生态平衡原理进行多品种的混种、套种或间种,形成相生相克的拟自然生态系统,实现免农药耕作,是生产安全绿色农产品的有效方法;无土化陶粒培的结合,形成免中耕、除草、施肥、灌溉的田间操作,实现农业生产的省力化与轻巧化,大大降低劳动力成本,与传统农耕相比至少可减少70%的用工,对于当前农业生产劳动力成本日益攀升的今天意义重大。

耕养结合的鱼菜共生技术,结合螺旋梯田型垂直农场耕作,可以在任何地方构建耕作系统,不受土壤与气候条件的局限,只要有水源与光照的地方就可以高效生产出蔬果花卉药材等植物产品与满足人们蛋白需求的动物蛋白产品,是一耕多得农业创新技术,更是乡村振兴、都市农业与生态文明建设的重要绿色发展项目,为生产发展、生态修复、生活体验起到积极的助推与引领作用,其推广应用及市场前景无可估量。

7、参考文献

[1]  香,杨自栋,等. 垂直农业及螺旋形垂直农场发展与应用[J].农业工程,201812):4449.

[2] 高原,刘洋,吴贤国,等. 国外农业生态建筑发展及对我国的启示[J].农业工程,20185):5860.

[3] 徐伟忠,苏朝安,等.蔬菜工厂[M].北京:台海出版社,2006106.

[4]徐伟忠,陈银华,林伟洋,等.鸟巢温室开发与利用[M].北京:台海出版社,2014105.

[5] 徐伟忠,程文亮,等.未来农业城市观光休闲旅游农业[M].北京:台海出版社,2006246

作者简介:徐伟忠(1971-),男,硕士,高级农艺师,研究方向为设施农业。2671654005@qq.com

项目支持:浙江省科技计划项目(2017C02023)。

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