| 摘要| 針對市面上多種形式的魚菜共生裝置，試驗設計了以閉環水迴圈為過濾系統的智慧潮汐式魚菜共生裝置。裝置由角鋼做雙層支架，上層放置種植缸，下層為抽拉層，放置養殖缸，養殖缸一側裝有水泵可以將養殖缸中的水引入種植缸中，水在種植缸中迴圈後經潮汐管道流入養殖缸中。裝置側重於水迴圈過濾設計及智慧管理裝置的研製，裝置藉助潮汐原理將魚糞及飼料殘渣等作為種菜的有機肥料充分利用，沒有汙染物排出到魚菜共生系統之外，對環境無危害，還具有水溫水質監測功能，種植缸定時補水功能和補光功能。
當前中國農業高速發展，人們正在探尋更具經濟效益、更加節約能源、更加環保的生產方式，因此魚菜共生模式備受關注。魚菜共生是在陽臺和庭院等家庭閒置空間進行的養殖與種植結合的新型農業模式，具有栽培方式新穎，自動化程度高，兼具實用與觀賞等特點。本裝置以潮汐灌溉（基於潮水漲落而設計的一種高效節水灌溉系統）為理論基礎，實現魚菜共生裝置自動化控制，兼顧節約能源，美化環境等功能。該裝置應用於陽臺農業可有效改善環境，提高生產效率，提升人們的生活質量 ，開闢了園藝作物與水產養殖的新結合方式，為其他園藝作物與水產養殖的結合奠定了基礎，在陽臺農業的發展中具有廣闊的前景 。
裝置設計與製作
裝置由支架、養殖缸、種植缸、水迴圈系統、過濾系統、補光、照明及測溫系統組成。支架主體採用萬能角鋼，角鋼之間用螺絲連線，堅固可靠。養殖缸和栽培槽採用亞克力板黏合而成，堅固耐用。種植缸上層種植層鋪陶粒砂。多種過濾材料位於種植缸下層的過濾層。水迴圈系統由抽水泵、軟管、電磁閥、時控開關組成，可按生產需要設定開關時間，抽水泵可將養殖缸中的水透過進水口抽入種植缸中，水依次透過生化棉等過濾材料後通過出水口流入到養殖缸中，當電磁閥關閉時水從種植缸溢水口流出進入到養殖缸，完成一次潮汐澆水。補光、照明及測溫系統由特製波長燈管的補光燈、白光照明燈和電子探測溫度計共同組成。照明燈架設在養殖缸上部用於提供更好的欣賞效果，補光燈位於種植缸頂部用於調節植物生長髮育，溫度計位於養殖缸外壁用於隨時觀測溫度（圖 1）。
圖 1 整體構造圖（左為正檢視；右為側檢視）
支架的選材及製作方案
支架的材料選擇及設計依據
裝置全部承重都在支架上，下層需滿足養殖缸抽出後整體穩定不傾斜，所以支架既要滿足承重要求，又要保證穩固不散架；時控開關、補光燈等裝置需裝在支架上，且要滿足家庭使用中易安裝拆卸、方便移動等需求。綜合以上基本要求，支架採用 38 mm×38 mm×1.6 mm 規格的萬能角鋼，按設計要求測量、擷取、拼接而成。因設計方案中種植缸和養殖缸的載荷由角鋼的一邊承載，所以對層板硬度要求不高，主要起填充水平角層間形成的空當和保護種植缸和養殖缸底的作用，故層板選用 5 mm 厚的複合板，切割成一定大小後直接放置到支架上即可。在立柱角鋼的底端安裝萬向輪使裝置相對地面可靈活移動，不受地域環境的約束，可隨時轉移，避免突發的外力對整個系統造成傷害。
支架結構的設計
選用四根 62 cm 長的角鋼做裝置的縱架，並於縱架從上往下 15 cm 和 45.5 cm 處放置 36 cm 和 34 cm 長的角鋼各兩根作為橫架，支架整體成型的同時也分成了上下兩層，之後在兩層橫架上安裝層板。下層養殖缸要進行換水和展覽一系列動作，將養殖缸設計為可以向外抽動的形式，在下層原有橫架基礎上，在兩根 36 cm 支架兩側各安裝一條 30 cm 的滑軌，滑軌間用一塊 36 cm× 22 cm×0.8 cm 複合板連線，養殖缸放置在該複合板上。因養殖缸周圍環境溼度較高，滑軌選用 30 cm 長不鏽鋼阻尼滑軌，承重約為 50 kg（圖 2）。
圖 2 支架結構圖（左為正檢視；右為右檢視）
種植缸選材及設計
本裝置種植缸缸體選用亞克力板，亞克力板材透光率達 92% 以上，用染料著色的亞克力板具有良好的展色效果。此外，亞克力板材具有較好的耐候性，較高的表面硬度和表面光澤以及較好的耐高溫效能，也有良好的加工效能。種植缸規格 35 cm×20 cm× 22.5 cm，因種植缸集中裝置大部分重量，所以選用厚度 5 mm 的亞克力板 , 在缸內底部用 3 塊 14.5 cm×0.5 cm× 9.5 cm 大小的亞克力隔板粘結在內壁上，使缸體分成三個連通的小空間，延緩水流流速，為硝化細菌提供一個更好的生存繁殖環境的同時提高過濾效率， 隔板也對上層種植層起了支撐作用（圖 3）。
圖 3 種植缸結構圖（左為正檢視；右為俯檢視）
種植缸中介質材料的選擇
本裝置選擇陶粒砂作為無土栽培介質，具有價格便宜、使用壽命長、可反覆使用、價效比高等優點。陶粒砂經天然黏土燒結而成，安全無毒，不傷魚草，長時間使用也不會硬化。pH 呈中性，自身多微孔，能提供給硝化菌棲息的空間，養分和水分既得到很好的保持，又能對運輸到栽培系統的水有淨化作用。還具有掛膜能力，培菌同時能有效分解魚蝦糞便。種植缸中種植層的設計及材料選擇種植缸上層為種植層，下層為過濾層，為防止陶粒砂落入下層過濾層，也為了保證植物的生長所需，選擇過濾毯剪裁製成槽子形狀的種植袋 ( 圖 4)，種植袋大小為 34 cm×21.5 cm×13 cm，用來盛放陶粒砂。過濾毯由滌綸製成，表面有細密毛絲，擁有透水性高、方便清洗、 攔截細微雜質的特性，當栽培槽使用一定時間變色變髒時，能直接帶過濾毯種植袋一同取出，清理方便且不影響過濾層。
圖 4 過濾毯種植袋 ( 左為正檢視；右為側檢視 ) 圖 4 過濾毯種植袋 ( 左為正檢視；右為側檢視 )
養殖缸選材及設計
養殖缸體（圖 5）也採用亞克力板剪裁黏 合拼接而成，亞克力魚缸的優點是一次成型、 黏接少、造型多樣、透明度高。養殖缸規格為 35 cm×20 cm×22.5 cm，為了增強透光度， 選用厚度 0.3 mm 的亞克力板。
圖 5 養殖缸結構圖 ( 左為正檢視；右為俯檢視 )
水迴圈系統的設計與製作
水迴圈系統的設計根據
良好的水迴圈系統可以提供源源不斷的溶解氧，使植物和魚兒生長的更好。養殖缸底吸水泵透過軟管抽水進入上方種植缸，進水口位於種植缸右側，分別距左右兩邊 9 cm 處，口徑 10 mm， 水流經過濾層過濾後透過與進水口相對位置的出水口流出再經軟管進入到下面的養殖缸中，使水在迴路中完成環形流動，完成一次水迴圈。水迴圈示意圖如圖 6 所示。
圖 6 水迴圈示意圖
潮汐系統
由養殖缸底吸水泵抽水進入上方種植缸，經種植缸的過濾材料過濾雜質後供植株灌溉使用，不在灌溉期時，電磁閥時常開啟，養殖缸汙水經過濾後迴流到下方養殖缸。灌溉開始時，電磁閥關閉，使種植缸水位上升，達到灌溉目的。灌溉結束後，電磁閥再度開啟，種植缸水位下降， 灌溉後水流入下方養殖缸，完成水迴圈 ( 圖 7)。在此迴圈系統中所用電磁閥為常閉型電磁閥，通電開啟，斷電關閉，動作方式為直動式膜片式，因考慮常用於用水場所，材料為鍛壓黃銅，電磁閥閥體採用鍛壓閥體設計，鍛壓閥體的優點是形狀美觀，並且能改善銅內部組織，提高黃銅機械效能和物理效能，從而整體提高電磁閥的效能，使閥門防漏防裂效能更完美，壽命更長。電磁閥由 KG316T 微電腦電源控制器，即時控開關控制，控制電磁閥的開啟和關閉時間。所選電源定時器每天可訂製16組開關，可以滿足迴圈系統的工作需要，經過計算，電磁閥關閉後，水位經 13 min 後達到灌溉需求，為了達到灌溉需求，將灌溉時間定為 23:45，灌溉時間段為 15 min，在此期間，電源控制器控制電磁閥關閉，水位上升，開始灌溉，15 min 後，電源控制器控制電磁閥開啟，水位下降恢復正常，灌溉完畢。使用電磁閥和電源控制器的組合，可以滿足大部分供水工作需求，並且操作簡單，成本較低，大大提高了工作效率 。
圖 7 潮汐系統示意圖
過濾系統
過濾系統材料的選擇及設計依據
過濾球是一種塑膠材料製成的中空球體，裡面帶有生化棉濾芯，其表面積較大，可大量的附著硝化細菌。水流經過時不會產生阻力，中空的結構可將水分成細流，並將大塊的汙垢擊碎，過濾效果極好。水流透過分佈在內部曲折的空間中，延長水流的時間，促進有機物質快速氧化還原，加上裡面錯落有致的多柱結構附著的硝化菌來達到生化過濾的效果。由於生物球重量輕，攜帶方便，它不但可用在海水中生化過濾系統，而且還可用在淡水中生化過濾系統。本裝置中，使用直徑 16 mm 過濾球（圖 8）60 個，放置在最底層即過濾隔板下方，便於硝化細菌的培養。
圖 8 過濾球
過濾隔板（圖 9）下層空間內放置過濾球，為過濾球提供充分的活動空間，上層用於放置濾材，起支撐和防止上層濾材底部雜質堆積的作用。隔板規格 33 cm×18 cm×1 cm，腳撐高度 1.5 cm、孔徑 7 mm、格子寬 15 mm。
圖 9 過濾隔板
火山岩是火山爆發後形成的一種多孔石材，含豐富的礦物質。結構緊湊不易粉化，表面是培養水中硝化細菌的溫床，親水性強，能把水中各種原因產生的有害氨氮分解掉。麥飯石是多種礦物的集合體，孔隙結構複雜，溶解效能穩定，有良好的吸附和分解能力。可用在水質淨化和汙水處理，用於吸附水中的金屬離子、氨氮及有害細菌、水體過濾和水質調控等方面。多孔呼吸生物環經過高溫燒結制成的細密微孔材料，可在過濾中迅速發揮培菌力，降低養殖缸換水頻率，使用壽命長，大量的細微孔為硝化細菌提供適宜的繁殖場所（圖 10）。
圖 10 從左至右依次為火山岩、麥飯石、白多孔呼吸生物環、 紅多孔呼吸生物環
超微玻璃環濾材是去除水中有害的重金屬元素，為有益硝化細菌提供居所 , 穩定水質，特別是 pH 及 GH，為魚兒提供良好的生長環境。過濾活性炭是富含碳的有機材料加工而成，外觀為黑色、圓柱狀，具有孔隙發達、吸附效能好、 經濟耐用等優點。活性炭含有大量微孔，具有較大的表面積，能去除色度，有害重金屬等，廣泛用於水族箱的過濾 ( 圖 11)。
圖 11 超微玻璃環濾材 ( 左 ) 與過濾活性炭 ( 右 )
生化過濾棉 ( 圖 12) 從上至下，分別由竹炭層、生化棉層、椰殼炭層組成，椰殼炭層吸附並分解魚便垃圾、餘氯、病菌等有害物質，生化棉層具有微小孔洞，是培養繁殖水中硝化細菌的良好溫床，並可抑制有害病菌、穩定水質，竹炭層吸附異色異味、淨化水質，保留有利於魚兒的微量元素。並可用於平整過濾層並支撐上層種植層。
圖 12 生化過濾棉
過濾系統的原理
養殖缸中的水被底吸水泵抽取到種植缸的過濾層中，水流依次經過生化過濾棉層，生物環、玻璃環層，火山岩、麥飯石層，活性炭層，在此過程中分解有害氨氮，吸附水中的金屬離子、有害細菌和異色異味等，最終在底層過濾球層培養硝化細菌，在水位上升過程中再經過一次過濾層，達到雙重過濾的效果。
補光、照明及測溫系統
補光系統由補光燈構成，補光燈選用防水式植物補光燈，可根據植物生長需求調節紅藍光比例。照明系統由養魚池照明用燈構成，選用防水魚缸展示用燈，補光燈和照明燈數量據裝置大小均使用一支。測溫系統由溫度計構成，選用吸附式數顯溫度計。
補光、照明及測溫系統的設計依據及引數
植物生長最不可或缺的條件便是光照，適當的光照可促進植物的生長，達到增產、優質、 高效的目的。植物補光燈（圖 13）可以調節植物的生長髮育，提高作物光合速率，增加葉面積。因魚菜共生裝置是利用水培，作物很容易發生徒長，補光燈可以防止徒長，還可進行植物營養品質的調控，促進有益化學物質的生成。所以補光燈選用可調節紅藍光比例的植物補光燈，光源型別為 LED 燈管，功率10 W，LED 紅光和藍光結合使用，可以作為非常有效的光源進行栽培生產。正常照明用燈 ( 圖 14) 選用長 0.3 m 防水魚缸展示用燈，擁有正白光、自然光、暖白光三種光源，光線充足，讓水草生長更旺盛，夜間更清晰，提供更好的觀賞效果，而且可根據觀賞需要和養殖缸內植物生長需求進行調節。測溫系統以養魚池水溫為主，選用長 5 cm，寬 3 cm 的 LED 數顯溫度計。
圖 13 植物補光燈
圖 14 照明燈
裝置執行流程
執行時的操作說明
參照無土栽培方法在育苗盤中培育種植層所需幼苗，育苗完成後直接移栽於種植缸。養殖缸用水經過濾後為種植缸提供用水並提供營養，根據植株生長需要開啟或關閉補光燈，照明用燈常開，便於養殖缸鑑賞。系統中水迴圈可人為調控時控開關加以控制，當週圍環境發生改變時，可移動裝置至植株適應的環境下，不受地域環境束縛。
裝置的日常管理
魚菜共生裝置（圖 15）水迴圈由電源定時器與電磁閥控制，設定好工作時間後讓其自行運轉便可，但需人為在早晨或下午在養殖缸中投餵適量魚食，並觀察各系統生長狀況，根據不同系統情況所給反饋及時調節水質和電機情況。根據蒸發量，需每隔 3 天為養殖缸補給用水，並根據 植株生長需求開啟補光燈。共生裝置中，水質尤為重要，所以需每隔一週檢測水質，根據水質反應問題尋求原因，及時進行換水處理和濾材清理。同樣，為保裝置美觀，需每隔一段時間對養殖缸和種植缸進行清潔處理。如果植物營養不足時可直接噴施營養液或在養殖缸中新增低濃度營養液以供植株營養補給。當養殖缸用水溶氧量不足時，可安裝氧泵，增加溶氧量。以陶粒為栽培基質試驗結束後用清水清洗陶粒，以便迴圈使用，以岩棉、蛭石為栽培基質試驗結束後更換基質。
圖 15 裝置整體實物圖
結果分析
為了使裝置成功執行，團隊進行了相關試驗。透過觀察記錄裝置在長時間的執行情況，電控潮汐裝置的執行一旦不穩定，斷電時，出水口關閉，水會一直從溢水口流出，造成植株爛根徒長。或抽水泵的抽水速率大於出水口出水速率時，會造成種植槽中的水一直增加，雖然水也會從溢水口流出，但影響了植物的生長，長時間下去會打破過濾和水迴圈系統的平衡，生態迴圈的理念就無法實現。在裝置中的水質測試中，甘肅水質偏鹼，初始值為 8，pH 平均為 6.4，pH 從 7 天開始下降，隨著天數增加一直保持在 6~7 的合理範圍；因為裝置使用的是自來水，初始亞硝酸含量極高，達到了 1 mg/L，但經過水迴圈過濾系統後，在 4 天時就大幅下降，16 天后一 直維持在 0.01 mg/L；餘氯始終在 0~0.05 mg/L 範圍內，氨氮在 0~0.5 mg/L 範圍內；硫化物初始值為 0.1 mg/L，從 7 天開始下降，並能穩定的保持在 0~0.05 mg/L 的範圍內；磷酸鹽從 1 天開始下降，這是因為上層植物生長開始吸收磷酸鹽，4 天后開始上升，這是由於在 4 天時投入魚食，觀賞魚增加排洩，磷酸鹽上升。7~31 天水中的磷酸鹽含量在水迴圈過濾系統下始終保持在 0.4~0.5 mg/L 範圍內；溶解氧均在10 mg/L 以上，維持在 10~12 mg/L，平均值為11.36 mg/L；總硬度最高時在 7 天為 3.9° dH 最低時在 4 天為 3.0° dH, 值為 3.49° dH；總鹼度最低為 120 mg/L，高值為 180 mg/L，平均值約為 147.27 mg/L；可溶性鹽含量 EC 基本維持在 0.8~1.2 mS/cm。觀賞魚各項生理指標分析 中，觀賞魚魚長和魚重呈上升趨勢，魚苗存活率為 100%。說明水迴圈過濾系統能有效增加魚重，並能提高魚苗的存活率。基本實現不換水、不施肥的情況下，系統可自我調節，魚菜均可正常生長，達到了“養魚不換水而無水質憂患，種菜不施肥而正常成長”的生態共生效應。
