立体种养智慧工厂体系研究

来源：

福天生态

一、体系背景
为贯彻落实国务院《“十四五”推进农业农村现代化规划》决策部署，按照农业农村部等六部门《“十四五”全国农业绿色发展规划》有关要求，加快推进智慧生态农业工厂建设，促进农业绿色低碳转型，我们研发实施了智慧生态循环立体种养的综合农业，它将是未来农林渔业综合发展的方向，是振兴乡村经济的重要抓手。
生态循环立体种养的智慧综合产业，利用物联网技术、“5S”技术、云计算技术和大数据等信息化技术，实现“三农”产业的数字化、智能化、低碳节能化、生态集约化、零排放，从空间组织和管理整合现有的农业基础设施、通信设备和信息化设施，使农业的蔬果种植，林业的果树花木和渔业的海产品、水产品等，实现“环保、智慧、高效、稳产、健康”和可持续的生态循环经济，是将科学技术融合在农业发展领域中的具体实践和应用。
智慧生态循环立体种养的综合产业模式是现代农业发展的新趋势，它将打破传统农业的“靠天吃饭”，“把饭碗牢牢端在自己的手里”，用现代科学技术的智慧大棚，来打造多维度结合的产业链条，集种植养殖、生态环境、休闲观光为一体。通过涵盖产品研发、观光旅游、丰富农业知识、交流农业经验、体验农耕文化、享用农业成果等，为人们提供观光、休闲、度假的生活功能，从而促进当地有机绿色食品的发展，通过推广复制带动区域性产业经济的提升。
二、体系结构
本体系打造的智慧生态循环立体种养的综合产业，其形式分为五大结构：
1、资源结构：国家政策支持、土地因地制宜、水资源丰富、交通便捷、电力可靠、技术可行、人力资源充沛。
2、设施结构：遮阳光伏发电板、装配式智能大棚整体构件、营养液输送管道、轨道式移动种植架、拼装防水养殖池、智能投料输送线、水产品和残渣智能收集处理器、茵化藻滤水制液智能分析分配器、水循环智能检测仪、云平台中央控制系统。
3、生产结构：保鲜包装、仓储物流、蔬果种苗培植、蔬菜种植、果木栽培、饲料加工、生物有机肥加工、营养液加工、制备产品加工。
4、产业结构："三产融合"农副产品生产加工销售、用地性质产品生产、海鲜淡水养殖、水产品养殖、文旅康养。
5、产品结构；鱼虾熟食、大豆、玉米、各类蔬菜、海鲜淡水养殖南美白对虾、基围虾、鲈鱼、桂鱼等水产品。文化传播、旅游、康养、休闲、宿营等。
三、立体种植蔬果、池体养殖鱼鲜、生态闭合循环体系概述
通常人们所述的鱼菜共生(Aquaponics)是一种新型的复合耕作体系，它把水产养殖(Aquaculture)与水耕栽培(Hydroponics)这两种原本都不同的农耕技术，通过巧妙的生态设计，达到科学的协同共生，从而实现养鱼不换水而无水质忧患，种菜不施肥而正常成长的生态共生效应。
在传统的水产养殖中，随着鱼的排泄物积累，水体的氨氮增加，危害与毒性逐步增大。而在立体种植蔬果、池体养殖鱼鲜、生态闭合循环体系中，水产养殖的废水与尾水，通过离心过滤后，一部分达标的水回流养殖池，另一部分被输送到有益菌种池发酵成藻后，由细菌将水中的氨氮分解成亚硝酸盐，然后被硝化细菌分解孵化成藻类，排放至养殖池中养鱼，残余硝酸盐可以通过水栽培系统，直接被植物作为营养吸收利用。其体系可以让动物、植物、微生物三者之间达到一种和谐的生态平衡关系，是可持续循环型零排放的零碳生产模式，也是直接解决农业生态危机最有效的方法之一。
立体种植蔬果、池体养殖鱼鲜、生态闭合循环体系，是一种新型的种养一体循环农渔模式,其特征对消费者有五点最具吸引力的地方:
1、种植方式可自证清白；
因为立体种植的蔬菜在养鱼池体水面正上方，任何农药都不能喷洒使用，如果使用会造成鱼和有益微生物种群死亡和系统的崩溃。
2、液体肥料管槽种植技术可脱离土壤的栽培；避免了重金属及有害物质的污染，完全做到无重金属残留和无有害成份，切根后可免清洗直接加工食用,节约用水能源。
3、特有的蔬菜水生根系；如果带根配送的话，消费者很容易识别蔬菜的来源，避免消费者产生这个菜是不是来自有污染环境的疑虑。
4、精准对标供养；根据蔬果不同的营养汲收功能，对照最佳含量标准，精准配方养液供给，是杷向有需求人群的营养元素食品。
5、品牌扫码销售；种植环境可视、营养成份可查、全过程信息可溯源，国家、国际认证机构可鉴定，是纯正的安全健康食品。
3.1、立体种养生态循环产业体系组成
1.1、智能系统（大棚硬件、软件应用）
1、装配式快捷装拆大棚（砂砾基础、预制柱梁板，不破坏耕地层）
2、光伏发电遮阳系统
3、环境智能监测系统
4、综合管理后台智能监测处理系统
3.2、种植系统
移动轨道式种植架
负压通风地源热调温湿系统
种植培育植株栽培系统
智能灌溉系统
3.3、养殖系统
采光池体养殖自动清淤排污系统
供养补水自动化处理系统
智能饲喂(料线)系统
渔污收集处理系统
3.4、生物循环系统
蜜蜂授粉或机械丝摸跳跃授粉繁殖种苗系统
菌化藻微生物循环供氧气、养分系统
尾、废水过滤循环使用与残渣生物有机制肥系统
鱼菜共生循环系统
3.5、文旅康养系统
1、产品展示推广，产学研一体化
2、观光休闲，体验农耕文化，亲子活动，劳动教育研学
3、大棚生态氧吧，有机食品、健康膳食
4、康养民宿、膳食健康
3.6、分项系统简介
1、智能大棚系统；
利用预制装配、AI 智能数字化和地形节能技术，因地制宜规划布局、平整场地，采用机械套灌砂砾桩基，预制承载地梁、钢架支柱与桁架，透明塑钢整体墙，形成智能大棚易拆装的结构体，不破坏土地，不改变用地性质，除下部养殖鱼虾外，上部立体盆栽种植蔬果与用地性质相符的农林产品，实现大棚空间循环。
2、光伏板发电遮阳系统；
其特征在于，包括太阳能光伏发电板、光伏板支撑体系、智能感应电机、转动链条、三角屋面、光源（波）感应器，AI 分析处理器等，通过光源（波）感应器，智能传动光伏板朝着最佳采光发电的角度。根据植物所需的光合作用调节角度，可让开光道，冬雨天可调节角度用于遮风挡雨，有效的提高了保护棚体的温度。夏天可连接光伏板之间的外遮阳布，确保大棚室内温度符合生物生长要求，节约能源、降低能耗，实现能源循环。
3、种养水系植物循环系统；
养殖水体通过砾石或陶粒，经二次硝化过滤分离，一级过滤水通过水肥一体机直接用于种植，二级过滤水菌化藻后，返回养殖池，以形成水系闭合循环，残渣加工成生物有机肥。这种模式可用于大规模生产，效率高，系统稳定。养殖排放的废水也可由种植硝化滤床或(槽)的过滤，硝化床上通常可以栽培一些生物量较大的瓜果植物，以加快有机滤物的分解硝化。经硝化床过滤而相对清洁的水再循环进入养殖池，或用于水培蔬菜或雾培蔬菜生产系统作为营养液，循环供给蔬菜瓜果植物的根系吸收，实现水藻循环。
4、养殖水体菌化藻循环与灌溉系统；
养殖区排放的废液通过离心滚筒过滤后，输送至高位阳光房，把废水收集入塔、添加菌种，经过 8 小时光合菌化藻后返回养殖水体，过滤后的残渣用于生物有机肥的基料或液化后配制成专用营养液，再通过灌溉管道系统直接输送到种植架的培植槽内，供植物生长，达到肥量生长平衡的作用，实现茵肥循环。
5、生物循环系统；
鱼菜同环境生长让动物、植物、微生物三者之间达到一种和谐的生态平衡关系，是可持续循环型零排放的低碳生产模式，启用光伏发电和抽水过氧发电后，完全实现负碳模式，也是最佳解决碳中和的有效方法之一。如果养殖的规模比例大于种植，则可以把水直接排放于水生蔬菜种植地，再从另一端抽水返还回流至养殖池，这样废水在经过水生蔬菜时充分滤化废液，同样达到良好的生物过滤作用，有点类似自然的的沼泽湿地系统。如茭白与鱼共生、水芋慈菇等的共生，都可以采用该系统模式生产，实现生物循环。
6、闭锁循环系统；
养殖池排放的水经由硝化床微生物处理后，以循环的方式进入蔬菜栽培系统，经由蔬菜根系的生物吸收过滤后，又把处理后的水返回至养殖池，水在养殖池、硝化床、种植槽三者之间形成一个闭合循环模式。
7、有基质栽培系统；
蔬菜种植在如有益矿石或者陶粒等基质中，其基质起到生化过滤和固态肥料过滤的作用，硝化细菌生长在基质表面，具体负责生化过滤和固态肥料过滤，这种方式适合种植各类蔬菜。
8、太阳能地暖系统；
虽然我们长沙地区冬季较短，但为了确保冬季人们能够吃上新鲜的蔬菜和水产鲜品，太阳能地暖系统是智能大棚不可或缺的保障，采用低温热水地面辐射采暖系统，其结构主要由太阳能集热管、地暖温控系统、储热水箱、给水箱、循环泵等部分组成。工作时，由太阳能集热器直接给水加热并且存储于储热水箱中，以便地暖散热系统使用，夜晚，储热水箱中的热水通过地暖散热系统为建筑持续供暖。由于地面热辐射规律由下到上进行传导，从而提高室内温度，给动植物一种适宜的温度，整个供暖过程具有无环境污染，无噪声，控制方便的特点，更是现代智能大棚发展的必然趋势。
3.7、产品规模可选
我们利用 HO 池体拼装技术与生物被动循环原理，可适合于规模化的农业生产，也可用于小规模的家庭农场或城市农业的嗜好者，具有广泛的运用前景。在具体的实践操作中，需注意的是鱼与菜之间比例的动态调节，普通蔬菜与常规养殖密度情况下，一般一立方水体可年产 50～70 斤鱼，同时供应 10 平方米的瓜果蔬菜的肥水需求。我们一个池体的水体为 30 立方米，可年产约 1800 斤鱼虾，单池产值达 45000 元。家庭式的鱼菜共生体系，一般只需 2-3 立方水体配套 20-30 平方米的蔬菜栽培面积，就可基本满足 3-5 人家庭蔬菜及鱼产的消费需要，是一种适合城市和农村庭院生产的休闲农耕模式，也是未来都市农业发展的主体技术与趋势。
四、产品多功能应用
1、新材料养殖池；
养殖池除此以外，还可以做游泳池和防腐池等，通过加装活动顶盖，更换一扇弧形墙板，就可以变成蒙古包一样的房子，或用于临时住房、宿营和水上浮动载物船等，拆装快捷，坚固耐用，用途广泛。
2、新制成的池体底板；
其底板是由标准规格的四方板加拼园板组成，四方板可用于建筑模板，它质量轻，耐候性强，拆装快捷，且循环使用达 2000 次以上，破损回收后，通过裂解提取烷气后，只剩下碳粉，对环境非常友好。
3、新材料制成的箱体；
用新型的环保材料做成盆状的分隔带、护栏，它的主要用途是作为移动式可循环使用的工地临时围挡，庭院绿地隔断，园林小径旁的花盆坐凳，城市大道中央的隔离带，材料轻巧，拆装运输便捷，可以达到更好的节能环保效果，盆栽花草后让家园、城市，使我们生活的地方更加清爽靓丽。
五、体系中植物与饲料带动加工循环
随着近年来人们对饲养动物营养及安全性要求的提高，饲料转化效率不再成为饲料质量的唯一评价指标；由于人们对环境保护的重视，饲料的环境安全性也开始受到人们的关注；此外随着人类文明程度的提高，人们对动物福利（animal-welfare）问题的重视，是否应该考虑在不影响生产成本的情况下，给饲养动物更多选择自己饲料的权利？在一个闭环的生物生长空间，生态循环立体种养的功能表现突出，抵抗了外来物种的侵害，同时避免了除害所用的药物，确保了食品的安全。我们在大棚以外的耕地上，配套种植大豆、玉米、苜蓿、食叶草等高蛋白含量高的植物，与鱼虾水产动物产生的独有微生物加工成精养饲料，饲喂鱼虾，鱼虾所产生角质、残饵、排泄物加工成生物有机液体肥料，用于种植蔬果，形成植物、动物与饲料互补加工循环。
六、体系中的一二产业带动第三产业的发展
1、产业文化促动旅游；
在我国促进产业转型升级的过程中，文化要素的利用和文化产业方法可以起到积极的作用。可以说，掌握以文化推动和提升产业价值实现、提高企业经营管理水平，是今后经济发展的基本任务。我们应当重视品牌、文化要素、人力资源开发和无形资产积累，而不要再拘泥于传统制造业的思维方式，不能仅仅注重自然资源开发和物质形态的产品，因而在文化与经济的关系方面也不要再将“文化搭台，经济唱戏”的口号作为座右铭。既然新的产业发展离不开文化要素的作用，那么，“文化的融入，就让我们生态循环立体种养的智慧农业工厂插上了翅膀”，真正实现了“产业经济与文旅互相促进”的关系。通过文旅活动来提升产品技术的创意与适应性，促进产业提高附加价值。以专业化的文旅产业来带动产业的产品和服务营销，包括可以用动漫、影视来反向带动产业的发展，以主题公园和影视植入广告来促进旅游产业发展，促进产业升级并走向高端。农业文化产业也是一种对农业产业进行文化化提升的形态，通过文化活动的设计和创意消费的提升，它就不再仅仅是农业产品乃至一种农业观光和农家乐，而是将农业资源和文化体验作深度结合，形成真正具有高附加价值的现代农业的新业态。
2、产业带动康养；
康养产业在农村发展，能够为农村产业发展找到新的突破、新的契机。生态循环立体种养的智慧综合产业，利用大棚独立的闭环生态景观，其重要组成部分就是大棚恒态的绿色富氧景观，将产业生产与康养、加工、制造、流通、服务等产业环节的资源充分整合、融合发展，形成了紧密的产业链，进一步升级乡村产业结构，助力乡村产业综合性振兴。相对于城市，乡村在环境、生态、空气、山、水、林、湖等生态资源上具有独特的、不可比拟的优势。因此，立足于生态资源来发展乡村康养，能够通过环境的营造，构建和谐的自然景观与人文景观，给人以美的享受，使人心灵上受到美的熏陶，产生与自然融为一体的感觉，进而沉淀浮躁与喧嚣，释放郁闷与压抑，调节机体的免疫系统，起到养生、保健、治疗的作用。乡村康养以科技创新的力量，成为农业与康养产业合作交流的纽带。围绕服务社会的前沿趋势，构建乡村现代产业新体系，实现健康领域新突破。
七、社会效益
1、海鲜淡养+生态循环种植+产品粗深加工+文旅康“三产融合的科技示范园或生产基地形成以后，将对贯彻国家政策、生态循环经济、新农村建设与区域农村经济供给的发展起着良好的带头示范作用。调节和控制农业生态系统，端牢我国人民自己的饭碗，协调人与自然生物与环境的关系。促进国民经济的稳定、在持续健康的发展下，人类生活环境不断优化。
2、提高植物光能利用率和产能比，辅助森林覆盖率，解决水、空气和土壤污染、沙化、碱化、侵蚀等问题。通过生态循环体系，规模化的种养作为产业核心，一方面解决当地劳动就业，另一方面带动相关物流、文旅康养以及食品深加工等配套产业的快速发展。
3、解决健康与老年化的社会问题，利用生态循环产业的条件，以优越的绿色富氧环境，全方位开放康养项目，能延长入住老年人的健康寿命，减轻社会压力。实施积极应对人口老龄化国家战略，事关国家发展全局，事关百姓福祉，对“十四五”和更长时期我国经济社会持续健康发展具有重大和深远的意义。
4、体系的应用，可实现低碳节能减排与碳中和，提升区域生态能力，改善生态环境，推动生态循环经济的发展。湖南福天生态农业科技发展有限公司的生态循环智慧种养工厂化体系，将开创新时代农业生产保障与食品安全的先河！