Aqu @teach: 水上乐器科技
Aqu @teach：水生系统的元素
水生系统的 “硬件” 包括：(i) 鱼缸，(ii) 水泵和空气泵，(iii) 固体去除装置（滚筒过滤器、定居器），(iv) 生物过滤器，(v) 植物种植床，以及 (vi) 管道材料。 这些元素是由一个社区填充的，主要生产者（植物）与消费者（主要是鱼类）分离开来，无处不在的微生物在两个主要群体之间建立了一座 “桥梁”。 ！ [图片-图片-https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/48357acd-95e7-4daa-b01c-c89436381ea3.jpg 图 2：水生系统的主要组件（在 [拉科奇 * 等人 * 2006] 后重新绘制（https://www.researchgate.net/publication/284496499_Recirculating_aquaculture_tank_production_systems_Aquaponics-Integrating_fish_and_plant_culture）） #水产养殖 水产养殖是指在受控条件下捕捞和生产鱼类和其他水生动植物物种（萨默维尔 * 等人 * 2014）。 水产养殖正在成为全球蛋白质生产的一个日益重要的来源，同时减少了过度捕捞海洋的压力。 然而，开放水系统、池塘培养和流通系统等水产养殖技术都将富含营养的废水释放到环境中，造成水体富营养化和缺氧。 在循环水产养殖系统 (RAS) 中，这种废水在系统内进行处理和再利用。 然而，这些系统消耗大量能源，产生大量鱼类污泥，必须单独处理。 因此，水上乐器也可以被视为 RAS 的一种形式，或 RAS 的扩展。 ！ [图片-图片-https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/87a9ea0e-7b60-4461-bf13-a0595bee666f.jpg 图 3：水产养殖系统的主要类型。 详情见 第 2 章 水耕 水培学的发展可以追溯到 1929 年加利福尼亚大学威廉·格里克博士的工作（[格里克 1937]（doi：%2010.1126/ 科学 .85.2198.177））。 在过去几十年里，水培技术一直在扩大，主要是因为它通过减少虫害和土壤传播的疾病，并通过操纵生长条件来满足最佳的植物需求，同时提高了水和肥料的使用效率，从而提高了产量。 它还允许在质量差的土地上发展农业 (萨默维尔 * 等人 * 2014)。 然而，所谓的传统水培种植也有其缺点。 它利用昂贵而且往往是不可持续的矿物肥料来生产作物，并消耗能源。 水培系统需要大量的大量营养素（C、H、O、N、P、K、钙、S、镁）和微量营养素（铁、Cl、Mn、B、Zn、铜、钼、镍），这对植物的生长至关重要。 营养物质以离子形式添加到水培溶液中，而 C、H 和 O 则可从空气和水中获得。 需要监测营养物质的浓度。 另一方面，Aquaponic 系统使用含有丰富的鱼类废物的水作为植物生长的营养来源。 然而，水的营养成分并不总是完全符合植物的要求。 一些营养素通常缺乏，因此需要添加来调整其浓度，例如铁、磷酸盐和钾（Bittsanszky *等人 * 2016a）。 第 5 和 6 章解释了有关营养素的更多信息。
· Aqu@teachAqu @teach：水生技术简介
今天，由于人口迅速增长、粮食需求增加和城市化，农业用地正在迅速减少，我们的海洋被过度捕捞。 为了满足未来的食品需求，需要创新、节省空间和生态食品生产技术。 Aquaponics 是一种多养殖（综合多营养生产系统），由两种技术组成：水产养殖（养鱼场）和无土（水培）蔬菜种植。 水生动物的主要目标是重复利用鱼饲料和鱼粪中含有的营养物质，以便种植作物（[Graber & Junge 2009]（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916409004299）；[伦纳德和伦纳德 2004 年]（https://link.springer.com/article/10.1007/s10499-004-8528-2）；伦纳德 & 伦纳德公司伦纳德 2006 年; 拉科奇等人 * 2003). 将两个系统合并为一个系统消除了独立运行水产养殖和水培系统的一些不可持续因素（萨默维尔 * 等人 * 2014）。 ！ 图片-3 ！ 图片-3 ！ [图片-图片-https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/398b3e8a-c31a-4ee5-97a2-38bb97fc3a2c.jpg 图 1：水产养殖 (a)、水培 (b) 和水生 (c) 系统中的基本物质流 鱼类排泄物可以由植物直接使用，也可以在细菌将氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐后使用。 鱼饲料为植物增加了营养物质的持续供应，从而解决了排放和替代耗尽的养分溶液的需要，或者在运作广泛的系统的情况下，调整溶液的需要，如水培学中的溶液。 随着为植物作物购买额外肥料的需求减少，该系统的利润潜力增加。 Aquaponics 是一种迅速兴起的农业做法，因此可以带来一系列潜在的好处；然而，这一潜在的可持续农业生产体系也存在重大弱点（表 1）。 表 1：水上乐器的好处和弱点（[2006 年潜水员]（https://attra.ncat.org/attra-pub/download.php?id=56）[乔利 * 等人 * 2015 年]（http://real.mtak.hu/42594/）；[萨默维尔 * 等人 *，2014 年]（加拿大））https://learn.farmhub.ag/resources/small-scale-aquaponic-food-production/ 好处 弱点 水资源的养护
· Aqu@teachAQu @teach：水生动物的分类
水生技术与其他综合技术之间的界限有时还不清楚。 Palm et al. (2018) 提出了一个新的水生生物定义，其中维持植物生长的大部分 (> 50%) 养分必须来自喂养水生生物的废物。 较窄意义上的水生生物学（水生生物 sensu stricto）仅适用于具有水培的系统，而不使用土壤。 将鱼类与藻类生产结合起来的一些新的综合水产养殖系统也属于这一概念的范围。 另一方面，广义上的水生生物一词 (aquaponics sensu lato) 可适用于包括园艺和作物生产技术在内的各种系统，这些系统利用包括土壤在内的不同基质的矿化过程、缓冲和营养储存功能。 棕榈等人 (2018) 为这些活动提出了 “水生养殖” 一词。 表 2：根据不同设计原则对水生生物进行分类，并附有每个类别的实例（改编自 Maucii et al. 2018） 设计目标 类别 示例 目标或主要利益攸关方 商业作物生产 ECF 农场 家庭自给自足 萨默维 尔等人 2014 年 教育 格雷伯 等人 2014 年 a 容格 等人 2014 年 社會企業 莱德劳与玛吉 2016 绿化和装饰 史尼茨勒 尺寸 大尺寸（大于 1000 平方 米 ） 蒙西 等人 2017 年 M 介质（200-1000 平方 米 ） 格雷伯 等人 2014 年 b 小型 (50 至 200 平方米) 屋顶水上农场 XS 非常小（5-50 平方米 2 ） 波德格拉伊舍克 等人.
· Aqu@teachAQu @teach：水上乐器的历史
利用鱼类粪便对植物施肥的概念已经存在了几千年，亚洲和南美洲早期的文明都在使用这种方法。 最著名的例子是在中美洲浅湖（公元前 1150—1350 年）建立的 “静止岛” 或 “阿兹特克岛”（https://www.ancient-origins.net/ancient-places-americas/chinampas-floating-gardens-mexico-001537），以及 “水稻鱼水产养殖系统”（https://www.telegraph.co.uk/sponsored/china-watch/society/12211099/ancient-farming-practice-china.html）在亚洲推出大约 1500 年前，至今仍然使用。 水稻鱼水产养殖系统和中国水产养殖均被粮农组织列为全球重要农业遗产体系（Koohafkan & Altieri 2018）。 在欧洲，早期的 RAS 可以追溯到 20 世纪 70 年代末（博尔 1977）。 与此同时 纳格尔 (1977) 已经测试了水培与 RAS 的水和营养循环。 美国的当代水上乐器从 Todd 的开创性研究开始，如 爱 * 等人 * (2014) 中所述，以及 [高盛 * 等人 * 1974] 的研究（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0043135474900074) 和 莱瑟 * 等人 *. 1975 关于将废水中的营养物质再用于植物和动物生产。 在 1980 年代技术进步之前，大多数试图将水培和水产养殖结合起来的努力都取得了有限的成功。 1980 年代和 1990 年代在系统设计、生物过滤和确定最佳鱼类与植物比率方面取得了进展，从而建立了封闭的系统，可以回收水和养分积聚，促进植物生长。 激发了许多追随者的水上乐器的先驱是： -马克·麦克默特里博士（[麦克默里 * 等人 * 1990]（https://www.researchgate.net/profile/Mark_Mcmurtry2/publication/287890596_Sand_culture_of_vegetables_using_recirculated_aquacultural_effluents/links/576ecf0b08ae62194746bb9a/Sand-culture-of-vegetables-using-recirculated-aquacultural-effluents.pdf））开始工作当他在北卡罗来纳州立大学在八十年代中期到九十年代初的水上乐器。 他称之为 “综合水产养殖系统”（IAVS）的方法。 今天的洪水和排水系统，正如后院从业人员所喜爱的，都是从这一模式中衍生出来的。 -詹姆斯·拉科奇博士设计了可能是最广泛复制的设计，[维尔京群岛大学（UVI）水上乐园小号]（https://www.uvi.edu/research/agricultural-experiment-station/aquaculture-home/aquaponic-systems/default.aspx)ystem 在 1980 年（[Rakocy * 等人 * 2003]（https://www.
· Aqu@teachAqu @teach：世界各地的水生声系统示例
各大洲都有各种各样的水生系统。 表 6 概述了若干系统及其主要特点。 #欧洲 在 2014-2018 年期间，欧洲联盟资助了 COST 行动 FA1305 “欧盟 Aquaponics 中心”，其中涉及成员国在水生系统研究方面的合作，作为欧盟鱼类和蔬菜可持续生产的相关技术。 网站 行动 是一个非常好的信息来源，与概况介绍、出版物和培训学校视频的链接。 该小组进行了一项关于欧洲水生物使用情况的调查，强调大多数单位都很小，并与研究有关（比利亚罗尔 *等人，2016 年）。 《谷歌地图》公布了欧洲几乎所有已知水产设施的 地图。 ！ [图片-图片-https://cdn.farmhub.ag/thumbnails/e6d8e695-2eb4-4fa5-8f9d-50a8813ed6be.jpg 图 11：水上乐园设施图 该地图包括所有研究机构（蓝色）和公司（红色）的位置，目前正在积极从事水上活动。 它不能直接编辑，但想要添加的研究人员和公司可以将他们的详细信息发送到 < morris.villarroel@upm.es >。 从地图上可以看出，工业合作对于水产养殖公司履行其作为欧盟当地粮食生产可行系统的承诺至关重要。 该地图目前列出了 50 个研究中心和 45 家公司，表明研究与开发之间有着很好的平衡。 表 6：世界各地一些水生子系统的概要 国家/地区 目的和类型 鱼 植物 作者 澳大利亚 研究 后院系统（屋檐和流动） 墨里鳕鱼 莴苣 伦纳德和伦纳德 2004 巴巴多斯 研究 后院系统（屋檐和流动） 红罗非鱼 罗勒和秋葵 （生长介质：椰壳） 康诺利 & 特雷比克 2010 年 美属维尔京 岛屿 研究商业系统筏水培 罗非鱼 秋葵罗勒 拉科奇 等人 2003 年 中国 大型商业系统 (池塘) 环境 本地鱼类的自然产卵 米饭，美人蕉花 邓肯 德国 (柏林) 研究、示范、教育 (NFT 和 NGS* 频道) 鳟鱼 草莓、白菜、迷你黄瓜、沙拉 屋顶水上农场 夏威夷 大型商业系统 罗非鱼 沙拉 库尼亚 农场 匈牙利, 卡波斯瓦尔 社会机构 (种植床, NFT) 韦尔斯鲶鱼 草药，生菜， 西红柿, 草莓 被动水上乐器 冰岛 研究小型商业系统（种植床、筏培养、NFT 渠道） 罗非鱼 西红柿，豆类，生菜 索拉林斯多蒂尔 2015 年 伊朗 研究 基于 UVI 模型筏，种植床 鲤鱼、草鲤 和银鲤 西红柿
· Aqu@teachAqu @teach：当前水上乐器的研究主题
#技术的发展情况 正如我们上面所看到的，成功的水生系统的设计取决于用户组。 高产量、无土生产需要高度的技术投入（泵、曝气器、记录器）和知识，因此主要适用于商业运营。 然而，完全可以设计和操作低技术水上乐器系统，这些系统需要较少的操作技能，并且仍然能够产生可观的结果。 这意味着取舍（高技术/低技术）和广泛应用水产生了技术、系统设计和社会经济方面的进一步发展途径的影响。 Aquaponic 技术至少可以在两个方向上发展：一方面朝着低技术解决方案（可能主要是在发展中国家和非专业应用）；另一方面，朝向高效率的高科技设施（主要是在发达国家和专业/商业伙伴) (容格 * 等人 * 2017). 虽然技术本身并不限制农场的一个面积 (因为它可以是模块化的)，但城市农场的规模取决于：(i) 可用区域的特点，在一个城市中必然是零散的 (棕地、利用不足或空置的建筑和屋顶)；(ii)作物生产经济学造成的限制. 作为一个经验法则，即使商业运营也需要突破的面积约为 1000 平方 米 。 爱好和后院安装当然可以小得多。 Aquaponic 农场可以通过增加操作系统（或模块）的数量或垂直扩展，尽管如果不大幅度增加建筑和能源成本，那么 Aquaponic 农场可以增加/扩展。 由于空间、经济和管理方面的限制，城市水上养殖场的规模范围可能在 150 平方米至 3000 平方米之间，但这足以满足部分城市人口对各种新鲜蔬菜的基本要求。 城市周边的水生养殖场可以规模较大，并加以修改，以包括内陆水产养殖系统，或在农村地区重新利用营养丰富的废水或堆肥鱼类污泥。 Aquaponic 技术本身可以被认为是不成熟的，因为还有一些问题有待解决。 简单地将最先进的水产养殖系统与最先进的水培系统联系起来并不考虑其他因素，例如鼓式过滤器堵塞、定居者效率低下、氧气失效、定居者设计不佳以及水管堵塞等问题。 尽管植物生长床（NFT、滴灌、深水培养）的影响在水培系统中已经是众所周知的，但需要进一步研究在水培系统中选择这些床位，因为这将对生产力和运行产生影响。 还需要在其他领域进行进一步的研究。 由于微生物无处不在，它们在水生产的所有阶段都发挥着重要作用。 可以研究环境条件对其丰度、多样性和作用的影响，例如通过进一步使用新一代测序方法（Schmautz *等人 * 2016a）。 其中一个核心问题是对水生生物系统进行适当的虫害和疾病控制。 [比特桑什基 * 等人 * (2016b)] 讨论了与水生植物保护相关的问题。 (https://s3.amazonaws.com/academia.edu.documents/38826907/Komives_ePoster_IPPC2015_A.pdf?AWSAccessKeyId=AKIAIWOWYYGZ2Y53UL3A&Expires=1543271376&Signature=hr3NNJGm4uGjvio4nJOr8YVTL1U%3D&response-content-disposition=inline%3B%20filename%3DPlant_protection_in_ecocycle-based_agric.pdf) 他们的结论是，由于非常可用于水生植物保护的工具很少, 因此应当强调采取预防措施, 尽量减少虫害和病原体的渗透. 另一方面，目前可用于有机农业的生物虫害控制方法必须适用于水生动物 (见 第 8 章)。 如果要将水生设备开发成为一种成功的高科技食品生产方法，就必须把重点放在减少人力需求上。 虽然有些自动化已经发展得很好（用于浇水和喂料、在线监测和许多参数，特别是氧气报警），但需要对其进行改进，以便能够更精确和更高劳动效率的操作，这将需要开发合适的传感器。 减少人力的一种选择可能是使用机器人。 应该开发类似于 FarmBot 的多功能系统，专门用于水生动物。 系统设计趋势 虽然水上乐器具有可持续发展的潜力，但对水生动作和产品的综合生命周期分析 (LCA) 研究却很少（Forchino *等人 * 2017；Maucheli *等人 *.
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