第一章水上乐器与全球食品挑战
1.5 水上乐器的未来
技术使农业生产力在上个世纪呈指数级增长，从而支持了人口的大幅增长。 然而，这些变化也可能损害生态系统维持粮食生产、维持淡水和森林资源以及帮助调节气候和空气质量的能力（Foley 等人，2005 年）。 创新性食品生产以及水产生产中最紧迫的挑战之一是解决限制综合技术扩展的监管问题。 各种不同的机构对水、动物健康、环境保护和食品安全拥有管辖权，在某些情况下，它们的法规相互矛盾或不适合复杂的综合系统（Joly 等人，2015 年）。 对于生产者和潜在的企业家而言，条例和立法是目前最令人困惑的领域之一。 种植者和投资者需要获得许可证、贷款和免税的标准和准则，但管理机构之间的责任重叠令人困惑不解，突出表明迫切需要更好地统一和一致的定义。 管理框架常常造成混乱，许多国家的农场许可证和消费者认证仍然存在问题。 粮农组织（2015 年）、世卫组织（2017 年）和欧盟（2016 年）都在最近开始统一水生动物系统内的动物健康/福祉和食品安全规定，以及水产品进出口贸易。 例如，一些参与水生动物学的国家正在游说《食品法典》中的明确措辞，欧盟内部的一个关键重点是欧盟赞助的 CODE 行动 FA1305，即 “欧盟 Aquaponics 枢纽”，目前正在将水生学界定为一个明确而独特的实体。 目前，条例规定了水产养殖和水培养的生产，但没有关于合并两者的规定。 这种情况往往给生产者造成过度的官僚主义，这些生产者必须获得两个单独的经营许可证，或者其国家立法不允许共同培养（Joly 等人，2015 年）。 支持这份出版物（COST FA1305）的欧盟 Aquaponics 中心将水生物定义为 “水生生物和植物的生产系统，其中维持最佳植物生长的大部分（\ > 50%）养分来自喂养水生生物的废物”（见 [第 7 章]（/社区/文章/第 7 章-夫妇-水壶-系统)). 消费者认证计划对于世界许多地方的水产生产商来说仍然是一个困难的领域。 例如，在美国和澳大利亚，水生产品可以被认证为有机产品，但不能在欧盟范围内进行认证。 从经济角度来看，水产养殖在理论上能够提高鱼类养殖或传统水耕作的总体价值，同时也能够在循环生物经济中关闭粮食-水能源循环。 为了使小规模水产养殖系统在经济上可行，水产养殖者通常必须在利基市场经营，以获得更高的产品价格，因此认证变得非常重要。 最紧迫的问题是水产养殖是否能够在政策层面上成为可以接受的问题。 食品安全是获得公众支持的高度优先事项，尽管封闭系统中的病原体风险大大降低，从而意味着减少对抗微生物药物和杀虫剂的需求，但管理潜在风险 — — 或者管理对这些风险的认识，尤其是因为它们可能影响食品安全 —政府当局和投资者的高度优先考虑（Miličić 等人，2017 年）。 人们常常提出的一个问题是担心污泥中的病原体从鱼类转移到植物，但这一点在文献中没有得到证实（[第 6 章]（/社区/文章/第 6 章-细菌关系-水生生物-新研究指示））。 因此，需要通过认真研究消除任何剩余的食品安全和生物安保问题，并在可能存在关切的情况下确定如何能够通过改进系统设计和/或监管框架来管理这些问题。 Aquaponics 是一种新兴的食品生产技术，它能够将生产凝结和压缩到通常不用于种植食物的空间和地方。 这不仅意味着它在城市地区特别重要，在城市地区，可以在平屋顶、开发地点、废弃的工厂、住宅庄园和学校等未充分利用和未使用的地方放置水壶，而且它为发达国家和发展中国家的人们提供了一种手段通过向市场提供新鲜的当地食品，进入食品生产过程的一部分 (van Gorcum 等人. 2019)。 将水产养殖器与垂直耕作和生活墙技术相结合，最有可能通过减少土地占用和集约化来减少整体耕作足迹，从而提高生产力。 水生学的密集生产方法依赖于一系列关键因素的知识，这些因素非常适合在学校教授 STEM（科学、技术、工程和数学）课程中使用。 Aquaponics 为老师和学生提供机会，探索复杂系统的领域、设计和管理，以及许多其他科目领域，包括环境科学、水化学、生物学和动物福利。 在诸如旧金山县监狱等囚犯/教养设施中也使用水产养殖设施，以帮助囚犯获得释放后可以使用的水产养殖和园艺方面的技能和经验。 在国内情况下，越来越多的趋势是设计能够种植草药的台面系统以及小型系统，这些系统可以位于办公室中，异国情调的鱼类提供镇静效果，而植物作为生活墙壁的一部分，同样提供美观背景和清洁空气。
· Aquaponics Food Production Systems1.4 经济和社会挑战
从经济角度来看，水电系统存在一些固有的局限性，使特定商业设计或多或少可行（Goddek 等人，2015 年；Vermeulen 和 Kamstra 2013）。 其中一个关键问题是，独立、独立的水培和水产养殖系统比传统的单循环水产养殖系统更有效率（Graber 和 Junge，2009 年），因为它们不需要在鱼类和植物成分之间进行权衡。 传统的、经典的单循环水生鱼需要在鱼类和植物成分之间达成妥协，当试图优化这两个部分内在不同的水质和营养水平（例如，所需的 pH 值范围以及营养要求和浓度）。 在传统的水生系统中，植物化肥需求的节省并不能弥补因各子系统条件不佳而造成的收获短缺（Delide 等人，2016 年）。 优化两种植物的生长条件（Delide 等人，2016 年；Goddek 和 Vermeulen 2018）和鱼类是盈利能力的最大挑战，目前的结果表明，在多环分耦水生系统中可以更好地实现这一点，因为它们是基于独立的循环环环环环涉及（1）鱼类、（2）植物和（3）用于污泥消化的生物反应器（厌氧或有氧）和单向水（养分）流，这可以改善宏观和微量养分回收和生物利用度，并优化用水量（Goddek 和 Keesman 2018）。 目前的研究表明，这种系统可以在每个房间内维持特定的微生物群体，以便更好地管理疾病，而且这种系统更具经济效益，因为这些系统不仅减少废物流出，而且还可以重新利用本来无法使用的污泥，将其转化为有价值的产出（例如沼气和肥料）。 ！ 图片-3 ** 图 1.2** 被视为黑盒方案的水生系统。 我们看不到盒子里面，但我们知道输入，输出（即鱼类和植物）和废物 独立的 RAS 系统和水耕单位也面临广泛的操作挑战，这些挑战在第 [3] 章（社区/文章/第 3 章循环-水产-技术）和 [4]（社区/物品/第 4 章-水培技术）中详细讨论。 越来越多的技术进步带来了更高的生产率（图 1.2），可以界定为系统输出（即鱼类和植物）相对于系统投入（即鱼类饲料和/或额外施肥、照明、取暖和泵送的能量输入 CO~2~ sub2/sub剂量和生物控制）。 考虑到水产业所面临的诸多挑战，生产问题可大致分为三个具体主题：(1) 系统生产力，(2) 有效的价值链和 (3) 高效的供应链管理。 ** 系统生产力 ** 农业生产力以农业产出与农业投入的比率来衡量. 传统的小规模水产养殖系统主要是为了解决环境方面的考虑，如排水、水投入和养分回收，但近年来，重点越来越多地转向经济可行性，以便提高大规模耕作的生产力应用程序。 然而，这将需要水产养殖系统的生产力，以便能够与独立的、最先进的水培和水产养殖系统进行经济竞争。 如果要在大规模上成功地应用水生动物的概念，就必须优化营养物质和能源的再利用，但也必须考虑最终市场。 ** 有效价值链 ** 农产品的价值链 (附加值) 主要来自于收获的蔬菜、水果和鱼类等农产品的加工。 例如，香蒜酱的销售价格（即红色和绿色）可能比西红柿、罗勒、橄榄油和松子高出十倍以上。 此外，大多数加工食品具有更长的保质期，从而减少腐蚀。 显然，新鲜农产品非常重要，因为营养价值大多高于加工食品的营养价值。 然而，生产新鲜和高质量的农产品是一个真正的挑战，因此在世界许多地区都是一种奢侈品。 如果水果和蔬菜不迅速进行罐头或冷冻，则在储存水果和蔬菜过程中营养物质的损失会很大（Barrett 2007；Rickman 等人，2007 年）。 因此，对于大规模系统，至少应考虑食品加工，以平衡供求之间的任何波动，减少食物浪费。 在减少食物浪费方面，应加工不符合新鲜农产品标准但仍然具有可销售质量的蔬菜，以减少产后损失。
· Aquaponics Food Production Systems1.3 水上乐器的科学和技术挑战
虽然水上乐器被视为 “可以改变我们的生活” 的关键食品生产技术之一（van Woensel 等人，2015 年），但在可持续和高效的食品生产方面，水上乐器可以简化并变得更加高效。 传统水生养系统中的一个关键问题是鱼类产生的污水中的营养物质与植物的最佳营养溶液不同。 分离水生物系统（DAPS）使用鱼类中的水，但在植物后不将水归还给鱼类，可以改进传统设计，方法是引入矿化成分和含有微生物的污泥生物反应器，将有机物转化为生物利用形式的关键矿物质，特别是缺乏典型鱼类污水的磷, 镁, 铁, 锰和硫. 与单循环系统中的矿化成分相反，DAPS 中的生物反应器废水仅被送入植物组件，而不是在整个系统中进行稀释。 因此，利用污泥消化器的分离系统可以优化鱼类有机废物的回收利用，作为植物生长的营养物质（Goddek 2017；Goddek 等人，2018 年）。 此类系统中的废物主要包括鱼类污泥 (即粪便和未食用的饲料不属于溶液)，因此不能直接在水培系统中输送。 因此，生物反应器（见 [第 10 章]（社区/文章/第 10 章-有氧和厌氧治疗用于水生-淤泥-还原和矿化））是一个重要组成部分，可以将本来无法使用的污泥转化为水培肥料或再利用植物茎和根部等有机废物生产部件转化为沼气用于发热和发电或 DAPS 设计，也可为每个单元提供独立控制的水循环，从而允许根据需要分离系统（RAS、水培和消化器），以控制营养物流。 水在能源和养分保护循环中的组成部分之间移动，因此可以监测和调节每个子系统中的养分负荷和流量，以便更好地满足下游的需求。 例如，磷 (P) 是一种基本但可耗尽的化石资源，用于化肥，但世界供应目前正在以惊人的速度消耗。 在分离水生系统中使用消化器可以使微生物将鱼类废物中的磷转化为可供植物使用的正磷酸盐，具有较高的回收率（Goddek 等人，2016 年，2018 年）。 虽然分离系统在回收养分方面非常有效，养分损失几乎为零，但每个单位的生产规模都很重要，因为养分来自系统一部分的流动需要与其他组成部分的下游生产潜力相匹配。 因此，建模软件和监督控制和数据采集系统对于分析和报告每个单位的流量、尺寸、质量平衡和公差变得十分重要，从而能够预测物理和经济参数（例如养分载荷、最佳鱼类）工厂配对，流速和成本，以维持具体的环境参数）。 在 [第 11 章]（/社区/文章/第 11 章-水壶-系统建模）中，我们将更详细地研究应用于水生系统的系统理论，并展示建模如何解决一些规模问题，同时创新的技术解决方案可以提高效率，从而这种系统的盈利能力。 规模比例不仅对预测经济可行性很重要，而且对于根据现有营养比率预测生产产出也很重要。 另一个需要进一步发展的重要问题是能源的使用和再利用。 Aquaponics 系统是能源和基础设施密集型的。 根据接收到的太阳辐射，太阳能光伏、太阳热热源和（太阳）海水淡化的使用在经济上可能仍然不可行，但都可能被纳入水生系统。 [第 1 章，我们介绍了有能力克服此类系统固有局限性的创新技术和操作可能性，包括在干旱地区实施水生物系统的令人振奋的新机会。 在 [第 2 章]（社区/文章/第 2 章-水壶-关闭有限的水土和营养资源的循环）中，我们还更详细地讨论了水上乐器可以帮助应对的一系列环境挑战。 例如，病原体控制非常重要，而且封闭的 RAS 系统对鱼类生产具有许多环境优势，分离水生系统的优点之一是能够在组件之间循环水，并利用独立控制，其中更容易在存在病原体威胁时检测、隔离和净化个别单位。 有益于鱼类养殖的益生菌也对植物生产有益，并且在封闭系统内循环时可以提高生产效率（Sirakov 等人，2016 年）。 第 5 章 进一步探讨了这些挑战，其中我们更详细地讨论了水产科技创新如何实现 (a) 提高空间利用效率 (降低成本和材料，最大限度地利用土地)；(b) 减少投入资源，例如鱼粉，减少负产出，例如废物排放；(c) 减少自足系统中抗生素和杀虫剂的使用。
· Aquaponics Food Production Systems1.2 供应和需求
《2030 年可持续发展议程》强调，需要应对从气候变化到贫穷等全球挑战，并将可持续粮食生产作为高度优先事项（布兰迪 2017；联合国 2017）。 正如联合国可持续发展目标 2（UN 2017）所反映的那样，世界面临的最大挑战之一是如何确保到 2050 年将增加到 100 亿左右的全球人口能够满足其营养需求。 为了到 2050 年再供养 20 亿人口，全球粮食产量将需要增加 50%（粮农组织 2017 年）。 虽然需要生产更多的粮食，但由于城市化的增加，农村劳动力正在缩减 (dos Santos 2016)。 在 1960 年至 2015 年期间，全球农村人口从 66.4% 下降到 46.1%（粮农组织 2017 年）。 虽然在 2017 年，城市人口占世界总人口的 54% 以上，但世界人口未来几乎所有的增长都将发生在城市地区，因此，到 2050 年，全球 66% 的人口将居住在城市（联合国 2014 年）。 在城市日益城市化的同时，包括交通网络在内的基础设施系统网络也在不断扩大。 为了确保全球粮食安全，今后几十年粮食总产量将需要增加 70% 以上，以实现千年发展目标（粮农组织 2009 年），其中包括 “消除赤贫和饥饿” 以及 “确保环境可持续性”。 与此同时，粮食生产将不可避免地面临其他挑战，例如气候变化、污染、生物多样性丧失、授粉者丧失和可耕地退化。 鉴于大约 10 亿人已经长期营养不良，而农业系统继续使土地退化，因此需要采取迅速的技术进步、更有效和更可持续的生产方法以及更有效率和更可持续的粮食供应链，水和生物多样性的问题 (Foley 等人，2011 年；戈弗雷等人，2010 年)。 最近的研究表明，目前农业产量提高趋势不足以满足预计到 2050 年的全球粮食需求，这些进一步表明，必须扩大农业面积 (Bajželj 等人, 2014 年)。 然而, 土地的广泛退化以及其他环境问题似乎使这一点不可能. 农业用地目前占世界土地面积的三分之一以上，但不到三分之一的可耕地（约 10%）（世界银行 2018 年）。 在过去三十年中，农业用地的可用性一直在缓慢减少，1970 年至 2013 年期间减少了 50% 以上就证明了这一点。 可耕地丧失的影响无法通过将自然区改为农田来弥补, 因为这往往造成侵蚀和生境丧失.
· Aquaponics Food Production Systems1.1 导言
粮食生产依赖于土地、淡水、化石能源和营养素等资源的供应 (Conijn 等人, 2018 年)，这些资源目前的消费或退化超过了全球再生速度 (Van Vuren 等人, 2010 年)。 行星边界概念 (图 1.1) 旨在界定人类在稀缺资源方面可以安全运作的环境界限 (Rockström 等人，2009 年)。 限制粮食供应的生化流量界限比气候变化要严格（Steffen 等人，2015 年）。 除了营养回收之外，改变饮食和预防废物也是转变当前生产的整体必要条件（Conijn 等人，2018 年；Kahiluoto 等人，2014 年）。 因此，一个重大的全球挑战是将以增长为基础的经济模式转变为平衡的生态经济模式，以可持续发展取代无限增长 (Manelli 2016)。 为了保持平衡的模式，需要创新和更加无害生态的耕作系统，以便在保持生物圈提供所需商品和服务的能力的同时，平衡人类眼前需求之间的权衡（Ehrlich 和 Harte，2015 年）。 ！ 生物圈完整性 ** 图 1.1** 斯特芬等人（2015 年）所述七个行星边界的控制变量的现状。 绿色区域是安全操作空间，黄色表示不确定区域（风险增加），红色表示高风险区域，灰色区域边界是尚未量化的区域。 以蓝色概述的变量（即陆地系统变化、淡水使用和生物化学流动）表明水生生物可对其产生积极影响的行星界限 在这方面，水产养殖被确定为一种耕作方法，通过养分和废物回收利用，可帮助实现地球界限（图 1.1）和可持续发展目标，特别是干旱地区或有不可耕地土壤的地区（Goddek 和 Körner 2019；Appelbaum 和 Kotzen）2016 年；科岑和阿佩尔鲍姆 2010 年）。 Aquaponics 还提出了将城市地区边缘土地用于更接近市场的粮食生产的解决方案。 有一段时间主要是一种后院技术（Bernstein 2011），随着设计和实践方面的技术改进，大幅提高了产能和生产效率，水上乐器现在正在迅速发展成为工业规模的生产。 其中一个演变领域是耦合与分离水联系统的领域。 单环水生养系统的传统设计包括水产养殖和水耕单元，在这两个单元之间进行水循环。 在这种传统系统中，有必要在 pH 值、温度和营养素浓度方面对两个子系统的条件作出妥协（Goddek 等人，2015 年；Kloas 等人，2015 年）（见 [第 7 章]（社区/文章/第 7 章/第 7 章耦合-水壶系统））。 然而，分离的水联系统可以通过分离组件来减少进行权衡的需要，从而优化每个子系统的条件。 利用污泥消化器是通过重复利用固体废物最大限度提高效率的另一个关键途径（Emerenciano 等人，2017 年；Goddek 等人，2018 年；Monsee 等人，2015 年）。 虽然世界上许多最大的设施仍然在干旱地区（即阿拉伯半岛、澳大利亚和撒哈拉以南非洲），但这项技术也被其他地方采用，因为设计的进步越来越多地使得水生不仅成为节水企业，而且是一种高效的能源和营养物质回收系统.
· Aquaponics Food Production Systems