1.1 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.