概述
大局
世界人口估计为 77 亿，预计到 2050 年将达到 100 亿。 为了养活这一不断扩大的全球人口，粮食生产必须增加 30-50%。 这一增长将要求用于种植作物的土地扩大近 15 亿英亩，这相当于美国大陆面积的 3/4。 2020 年，农业利用了近 50% 的世界植被土地。 大气层二氧化碳 ~2~ 水平持续上升，导致全球变暖加剧，森林地大规模转变为粮食生产所必需的作物土地，将进一步加剧。 此外，目前的农业生产占人类用水总量的 90%。 这种资源的增长和消费是不可持续的。 需要提高粮食生产的其他途径；我们根本不能仅仅做更多的工作。 世界资源研究所 (资源研究所) 最近发表了一份题为 “创造可持续粮食未来” 的报告 (Searchinger et al, 2014 年)。 作者提出了五个 “课程” 或方法来生产更多的食物，而不会增加环境影响。 Aquaponics 是一个解决这些举措的概念。 反战者国际的课程之一是在不扩大农田的情况下增加粮食生产。 为了实现这一目标，他们指出，“提高自然资源利用效率是实现粮食生产和环境目标的最重要一步。” 与大多数建议不同，它们提议提高生产密集度，以此作为实现可持续性的途径。 Aquaponics 是现有更高效、更密集的食品生产系统之一。 它在单位面积的食物生产量、水单位以及加入系统的营养单位方面都很有效，特别是在热带或亚热带气候中，取暖成本最小化。 报告中提出的另一个解决办法是增加鱼类供应。 有迹象表明，预计到 2050 年鱼类消费量将增加 58%（搜查者等人，2014 年）。 然而，反战者国际研究所的研究假定，捕捞渔业的产量在同一时期实际上将减少 10%。 为了满足消费需求，水产养殖需要至少增加一倍。 然而，通过建造 5 000 万英亩的新生产池塘，这将增加土地使用问题。 作者认为，水产养殖也必须提高土地效率，水循环技术可以帮助加强生产，减少土地使用，并提供更好的污染控制。 Aquaponic 生产是资源再利用和提高效率的一个有希望的模式；这与其他再生农业技术一起，可以对许多这些紧迫问题产生局部影响，并成为未来技术和发展的典范。 资料来源：珍妮尔·海格，利·安·布赖特，乔什·杜西，詹姆斯·蒂德威尔，2021 年。 肯塔基州立大学 水果生产手册：种植者实用手册。 *
· Kentucky State University1.4 系统类型
AP 系统有两种主要类型：耦合和分离。 耦合方法被广泛应用，并基于喂养系统已知的营养物输入量/值。 对植物生长和细菌消耗（在生物过滤器中）的支持通常来自商业鱼类食品，必须考虑到系统输入要求。 这些比率用于确保鱼类废水产生的有毒废物不会积聚（由于生物过滤器不足），不会出现过量的硝酸盐（来自不足的植物）和硝酸盐缺乏症（来自过量的植物）。 在 “结构和设计” 部分中将介绍水下系统的建议运行比率。 鉴于鱼类、植物和细菌的生长条件范围广泛，耦合系统对于鱼类或植物都不能以最佳价值运行。 对于大多数植物来说，理想的鱼类养分环境通常是营养不足的，理想的植物养分水平对大多数鱼类都是有毒的。 因此，正在探索分离系统，尽管这些系统的使用并不普遍。 在分离的水生系统中，RAS 和水培组件连接在一起，但作为可独立控制的独立系统运行（Goddek et al，2016 年，潘塔内拉 2013 年）。 通常，喂养水培系统的水在被植物过滤后不会返回鱼类养殖罐。 相反，由于水培装置蒸腾和蒸发而丢失的水将被 RAS 的水取代，而后者又被新水取代（Kloas et al. 2015 年）。 这种设置提供了对单个系统的更好控制，并允许每个系统在其最佳范围内操作。 疾病治疗和营养素缺乏（或毒性）也更容易管理。 分离系统没有像耦合系统那样得到很好的研究，要求生产者在水培、植物养分管理和水产养殖系统设计方面拥有更高水平的专业知识。 资料来源：珍妮尔·海格，利·安·布赖特，乔什·杜西，詹姆斯·蒂德威尔，2021 年。 肯塔基州立大学。 水果生产手册：种植者实用手册。 *
· Kentucky State University1.3 重要性
如果单独考虑，水培和强化 RAS 都有生态和经济方面的缺点。 水耕作物依赖于昂贵、难以获得的化肥，在某些情况下是来自迅速消失的自然资源。 在密集的鱼类生产中，会产生浓缩废物（即废水），需要昂贵的处理方法，导致消费者对环境影响的认识不佳。 较高的初始投资可能对潜在的生产者来说也是令人望而却步的。 Aquaponics 提供了利用水产养殖污水的机会，同时种植具有可持续性、成本效益和非化学养分来源的植物。 鱼类养殖和植物生产的一体化可为农民或生产者提供若干机会，包括可持续农业、销售多样性和创造多种收入来源。 环境、植物生长和产量可以达到或在某些情况下超过水培或土壤农业的产量值（潘塔内拉 et al，2011 年，Savidov et al，2005 年）。 高效用水和土地利用、全年加强作物生产的能力以及在不适合传统农业的地理区域使用这些共同的核心概念促使水生动物的普及程度上升（Somerville et al，2014 年）。 虽然已证明生产价值与水培和 RAS 类似（2013 年潘塔内拉，萨维多夫 et al，2005 年），但这些系统的整合可能会使管理更加困难。 许多对水生产感兴趣的团体由于启动成本高，而且缺乏经过验证的成功模式而受到阻碍。 了解水生动物是一个完整的生态系统，对于为鱼类、植物和细菌提供正确条件至关重要，因为鱼类、植物和细菌是驱动 AP 系统的三大生物群体。 资料来源：珍妮尔·海格，利·安·布赖特，乔什·杜西，詹姆斯·蒂德威尔，2021 年。 肯塔基州立大学 水果生产手册：种植者实用手册。 *
· Kentucky State University1.2 背景
水生养殖系统的发展是因为需要降低与循环水产养殖系统排放的高营养污水相关的成本。 以密集水产养殖而闻名，RAS 可以在少量水中生产大量鱼类。 随着固体废弃物和有毒氮副产物（氨（NH~3~-N）、亚硝酸盐（NO~2~-N）和硝酸盐（NO~3~-N））的积累，一些水会随着时间的推移在系统中排放和替换。 密集水产养殖的集中排放是消费者对水产养殖的积极看法的障碍。 然而，这些积累的营养物质在组成和浓度上可能与水培养液相似，并且往往以植物首选的形式存在（Rackocy et al，2006 年）。 将这两种生产技术结合起来，提供了一种高效和可持续的鱼类和农产品种植方法。 资料来源：珍妮尔·海格，利·安·布赖特，乔什·杜西，詹姆斯·蒂德威尔，2021 年。 肯塔基州立大学 水果生产手册：种植者实用手册。 *
· Kentucky State University1.1 定义
Aquaponics (AP) 是一个自我维持的食品生产系统，在没有土壤的情况下将循环水产养殖与植物培养相结合（水培）。 大量鱼类生产产生了营养丰富的水，可用于为植物养殖提供营养。 资料来源：珍妮尔·海格，利·安·布赖特，乔什·杜西，詹姆斯·蒂德威尔，2021 年。 肯塔基州立大学 水果生产手册：种植者实用手册。 *
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