综述：智能鱼菜共生系统的机遇与挑战：研究趋势总结与未来研究方向

这篇综述深入探讨了智能鱼菜共生（Aquaponics）系统在应对全球粮食危机中的潜力，系统分析了自动化控制（AI、IoT）、传感器技术和可再生能源在优化水循环（pH、DO、TAN等参数）和资源管理中的关键作用，为可持续农业（Circular Bioeconomy）提供了创新解决方案。

　　

引言

随着全球人口突破80亿并将在2050年达到100亿，传统农业面临土地退化、水资源短缺等挑战。鱼菜共生作为融合水产养殖（Aquaculture）和水培（Hydroponics）的创新系统，通过硝化作用将鱼类排泄的氨（NH₃）转化为植物可吸收的硝酸盐（NO₃^-），实现水资源利用率提升90%的闭环生产。

系统原理

鱼菜共生的核心是硝化细菌驱动的氮循环：氨氧化细菌（Nitrosomonas）将NH₃转化为亚硝酸盐（NO₂^-），继而由亚硝酸盐氧化细菌（Nitrobacter）转化为NO₃^-。典型系统包含鱼类养殖池、生物过滤器和NFT水培槽三部分，关键参数包括pH（6.5-9.5）、溶解氧DO（>4 mg/L）和水温（15-32°C）。罗非鱼（Tilapia）与叶菜类（如生菜、菠菜）是最佳生物组合，其4:1的生物量比例能维持系统平衡。

技术革新

智能监控通过多参数传感器网络实现：

• 水质监测：采用ISFET离子传感器（pH）、Atlas DO探头（溶解氧）、DFROBOT-TDS传感器（总溶解固体）

• 环境调控：DHT11温湿度传感器结合MG811 CO₂检测模块

• 物联网架构：Raspberry Pi3与Arduino构成边缘计算节点，通过4G/5G传输数据

机器学习算法可预测鱼类生物量（误差<5%）和番茄产量，而模型预测控制（MPC）能动态调节温室温湿度。太阳能供电系统降低30%能耗，使商业系统投资回报周期缩短至3年。

挑战与前景

当前31%的商业系统实现盈利，主要障碍在于：

1. 初始成本高（传感器网络需$2000+/套）

2. 技术复杂性（需同时掌握水产和植物生理知识）

3. 标准化缺失（各地水质差异影响系统设计）

未来发展方向包括：

• 区块链技术追溯农产品供应链

• 深度学习优化多目标控制（如同时调节NH₃和PO₄^3-）

• 垂直农场整合（单位面积产量提升8倍）

结论

智能鱼菜共生将AIoT技术与生态原理结合，开创了低耗水（10%传统农业用量）、零农药的生产模式。尽管存在规模化挑战，但其在都市农业和极端环境种植中的应用潜力，使其成为粮食安全战略的重要选项。教育体系需加强跨学科人才培养，推动该技术从实验室走向产业化。