2024年中央一号文件提出“树立大农业观、大食物观，多渠道拓展食物来源”，推进国民膳食逐渐向“营养化、健康化、多元化”转型[1]。大量研究表明，动物性食物中蛋白质消化利用率显著高于植物性食物，相比于陆生动物，水产品脂肪酸含量更高，易于被人体吸收，在膳食结构中比重不断增加，成为21世纪最健康的食品[2]。近年来，为保证全年优质蛋白的稳定供应，集约化、工厂化高密度养殖迅猛发展，中国水产品已发展到“结构性过剩”的阶段[3]。在保障水产品数量的前提下，水产品的质量安全逐渐受到重视，2019年农业农村部等10部委印发了《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》，水产品安全受到高度重视。但在水资源短缺、环境污染、药物残留、耐药菌产生等多重胁迫下，如何推动水产养殖持续绿色健康发展成为严峻的挑战。对此，2021年农业农村部发布鱼菜共生主推技术，从生产方法上基于“可持续发展”战略，发展现代化智慧农业，加快推进农产品绿色发展。目前，鱼菜共生技术在设施建设[4]、系统优化[5]、智能化应用[6]等方面取得重大突破，并以创新、绿色、环保、安全、健康、可持续发展的独特优势凸显出巨大潜力。同时，鱼菜共生技术在资源占用、化肥、农药、饲料、农机具使用、水资源消耗等方面的节约效应十分显著，为粮食安全问题提供了解决方案。此外，利用该技术种养的产品以其绿色有机的品质优势，日益受到消费者的欢迎。
鱼菜共生技术基于循环经济理念，以“菌”为媒介，将鱼类排泄物转化为蔬菜可利用的营养素，从而实现“一水两用无污染，一地双收零排放”的双效益。推行“鱼菜共生技术”对保障绿色有机食品四季稳定供应，助推农业经济可持续发展具有重要意义。为了厘清鱼菜共生技术要素、存在问题及发展脉络，本文基于“大食物观”的时代背景，秉承可持续发展的理念，客观阐述了鱼菜共生发展趋势的转变，并对该技术目前存在问题进行梳理，以期为鱼菜共生技术发展提供有益参考。
1 鱼菜共生技术发展
1.1 鱼菜共生技术起源与发展
“鱼菜共生(aquaponics)”一词于20世纪70年代末提出，鱼菜共生技术源于农耕时代干旱时期，经历了起源、萌芽、拓展阶段，现已进入快速发展时期，并摸索出两种主要模式[7]。其中，一种是耦合型鱼菜共生系统(图1)。该系统在物理空间上将鱼类养殖与蔬菜种植分开，通过管道或水泵将养殖废水输送至种植区，经蔬菜吸收净化后再回流至养殖区，形成闭环生态系统。耦合型系统存在无法充分利用养殖尾水中富集的营养素，净化效率较低的问题，有研究表明，耦合型鱼菜共生系统，存在约50%的氮损失[8]。此外，耦合型系统需兼顾植物和鱼类的最佳生长条件，造成种养品种的局限。随后，针对利用率低，种养品种受限的问题，发展出解耦型鱼菜共生系统(图2)。解耦型鱼菜共生系统可根据动植物营养需求，分别进行精准调控，营造各自适宜的生存环境。该系统不仅解决了耦合式系统中营养素利用不充分的问题，还显著提升了净化效率，保障了动植物的健康生长。
图1 耦合型鱼菜共生系统
Fig.1 Coupled aquaponics system
图2 解耦型鱼菜共生系统
Fig.2 Uncoupled aquaponics system
20世纪70年代，鱼菜共生技术开始进入萌芽阶段，美国Lewis等[9]开展了鱼菜共生试验，成功构建了斑点叉尾鮰-番茄共生系统，并发现共生系统中西红柿品质优于土培同品种。随后James Rakocy、Mcmurtry分别构建大规模商业式鱼菜共生系统和小规模温室鱼菜共生系统[10]，为鱼菜共生技术的发展打下坚实的基础。
20世纪90年代，丁永良等[11]借鉴美国鱼菜共生系统构建技术，分析了系统运行的可靠性，总结经验后在国内开展了鱼菜共生相关研究，成功研发了中国首套试验性鱼菜共生系统，并详细介绍了系统内各单元的作用、原理与技术要点，随后探究了绿叶植物与开花结果作物在系统中的适用性及系统中环境因子对不同生长阶段鱼、菜的影响。同时期，欧洲对不同种养品种、水培方式进行探索，优化系统结构体系，提高了种养产品质量、产量[12]。
21世纪初期，随着工厂化养殖技术的发展及全球对可持续农业的日益关注，鱼菜共生专题论文发表数量快速递增，众多研究者开始从不同角度深入探索鱼菜共生技术的潜力与优化方案，鱼菜共生技术迎来了快速发展的新时期[7]。在欧洲，荷兰、法国等国家的研究聚焦于提高系统的能效和资源利用率。在国内，罗烽等[13]建立了工厂化小型双循环鱼-菜共生系统，并通过水质指标、鱼菜产量、鱼菜品质验证了系统的可行性，为鱼菜共生的商业化推广提供了重要支撑。此后，方颖珂[14]将菌、藻引入复合种养系统，并通过氮、氧平衡、同位素及分子生物学手段探究了氮的分布及迁移规律。Khandaker等[15]将垂直农业与鱼菜共生技术融合，巧妙解决了设备运行资源占用问题。随后Danner等[16]将鱼菜共生技术与温室农业结合，为农业的多样化提供了可能。而后，Amin等[17]从复合种养系统中分离硝化细菌，发现其可有效促进有机液肥分解，提高作物产量，降低病虫害的感染几率，为鱼菜共生技术开辟了新思路。
1.2 鱼菜共生技术运行原理
现代鱼菜共生系统(图3)由水产养殖与水耕栽培技术有机结合，基于循环水工艺，以微生物为枢纽，将养殖尾水中有机氮、氨氮、亚硝酸盐等物质转化为植物可利用的营养盐，从而实现营养互通、生理互补。其原理是“鱼-菜-菌三者共生”(图4)。饲料是鱼菜共生系统氮、磷等营养素的主要来源，根据质量守恒定律，研究发现，鱼类对饲料中的磷元素利用率约为15%，氮元素利用率约为25%，其余随残饵、排泄物以有机磷、无机磷、硝酸盐、磷酸盐、氨氮、亚硝酸盐、有机氮形式富集在水体中[18]。有研究表明，淡水养殖中非离子氨含量大于0.02 mg/L、亚硝酸盐大于0.1 mg/L时会严重影响鱼类的存活率，而有效磷浓度大于0.02 mg/L会使水体富营养化[19]。传统养殖过程中通过大量换水来控制水体指标，造成大量资源浪费。但在复合种养系统中，养殖尾水通过各净水单元初步净化后，经系统中特征微生物将水体中富集的氮、磷等营养素转化为植物可利用的营养盐，从而提高氮磷利用效率，提高水体自净能力。有研究表明，微生物群落可改善水质并提高氮磷利用效率，同时调控硝化和反硝化细菌的相对丰度及其功能基因的拷贝数，增强水体自净能力[20]。此外，系统潜在的益生菌能增强动植物抗病能力，减少疾病发生的风险[21]。
图3 鱼菜共生系统运行原理示意图
Fig.3 Schematic diagram of the operational principle of aquaponic systems
1—进水区；2—养殖区；3—过滤区；4—紫外区；5—生化区；6—种植区；7—蓄水区。
1—intake area；2—aquaculture area；3—filtration area；4—ultraviolet area；5—biochemical area；6—planting area；7—water storage area
图4 鱼-菜-菌复合种养系统模拟图
Fig.4 Simulation diagram of fish-vegetable-bacterias complex planting and rearing system
2 鱼菜共生技术要素
2.1 种养品种筛选及比例
鱼菜共生系统中种养品种的选择需根据植物、鱼和菌的生存环境、营养需求、种养比例、复合效益等综合筛选，所选植物应契合鱼类生长的水化指标，且能最大程度净化水质为佳，鱼类应选择抗病性强、成活率高、适应性强、效益高的品种为宜，外源菌剂的添加应选择净化效果强，可有效提高鱼、菜抗病能力的益生菌[22]。目前，鱼菜共生技术中养殖鱼类常选用罗非鱼(Oreochromis mossambicus)、鲤(Cyprinus carpio)、鲶(Silurus asotus)、鲈(Lateolabraxjaponicus)等；植物常选用生长周期短，营养需求相对低的叶菜植物，如生菜(Lactuca sativa)、芹菜(Apium graveolens)、水菠菜(Ipomoea aquatica)、芥菜(Brassica juncea)等；“菌”通常选用净化效果强的EM菌(Effective Microorganisms)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)等[23]。Rakocy[24]研究表明，被子植物对磷和钾的营养需求较大、同时对病虫害的易感风险较高且生长周期更长，与裸子植物相比，其更难以在复合种养系统中生长。
为增强水体净化效果，解决种养品种单一的问题，Endut等[25]对比了水菠菜与芥菜去除水体氮磷的能力，结果表明，水菠菜净化能力显著高于芥菜，更适合作为鱼菜共生系统的种植对象。为提高经济收益，邵乃麟等[26]将美洲鲥(Alosa sapidissima)引入鱼菜共生系统，提升了经济效益。为保障种养产品品质，张光晨等[27]使用复合微生态制剂调控种养环境。李建柱等[28]发现4种不同食性鲤科鱼类肠道微生物菌群组成相似，优势菌群以梭状芽孢杆菌属 (Clostridium)、芽孢杆菌属(Bacillus)等益生菌为主，可有效提升鱼类抗病能力。
适宜的比例是复合种养系统发挥最大效率的关键，若系统中植物种植比例过高，则会因养分不足限制鱼类生长；若鱼类放养密度过高，则对食物、空间产生竞争，使代谢产物积累，增加患病风险；若菌投入量过多，可能会导致水体溶解氧降低，使水质酸化，从而影响鱼类的生长与系统的稳定运行。Ani等[29]研究发现，共生系统鱼的体质量、体长与放养密度成反比，放养密度过高会降低生产和经济可行性。孟宸宇等[30]研究表明，鱼-菜配比的不同会影响鱼肠道内菌群的多样性，从而影响鱼类的营养与免疫。邢宪利等[31]研究发现，饲料中添加0.4%复合益生菌，可促进大菱鲆(Paralichthys olivaceus)生长、提高其免疫力及肠道健康。为有效解决种养比例问题，徐琰斐等[32]设计的鱼-菜科学种养配比的数学模型为
A≈BT/(G/1 000)。
式中：A为蔬菜理论种植数量(株)；B为系统最大载鱼量的80%(kg)；T为饲料投喂系数；G为每100 株叶菜类植物对氮元素需求量所对应的饲料投喂量(一般约300 g/100株)。由于植物、鱼类、水质、微生物和系统设计等对放养密度的多维影响，最佳放养密度基于系统设计、整体水质、营养动态、市场需求、种养品种和生产性能视具体情况而定。
2.2 环境因子调控
水环境的pH值、溶解氧、水体流速等对系统内鱼类、植物、微生物生长有直接或间接的影响。pH值是复合种养系统的重要指标，过酸过碱的环境不仅对生物体造成不同程度损伤，而且影响微生物的群落结构[33]。弱酸环境可促进K+、Ca2+、Mg2+等释放，有利于植物吸收利用，但不利于鱼类繁殖及微生物的硝化[34]。刘苏等[35]通过对比不同梯度pH值硝化细菌对氨氮去除效果发现，pH值为8.0～9.0时去除速率较高。碱性环境易使Fe2+、Mn2+等沉淀，从而影响营养素吸收利用[36]。由于鱼、菜、菌三者最适pH值存在差异，故只能根据对这3个部分的重视程度实施动态调整。
溶解氧是水生生物获得氧气的主要来源，是共生系统中监测的重要指标，常与水温、光照强度、空气分压、喂食量等指数息息相关。有研究表明，陆源可溶性有机物的降解可加重水体溶解氧的消耗[37]。在鱼菜共生系统中，溶解氧一般需>5 mg/L，且受温度影响较大，温度越高，溶解氧越低，低氧影响硝化作用效率，使铵盐和亚硝酸盐积累，不利于鱼类的呼吸与代谢，影响肠道吸收与转化、细胞增殖与凋亡、抗氧化与抗应激等免疫反应，从而减缓鱼类的生长[38]。此外，溶解氧影响微生物群落组成及代谢，进而影响脱氮除磷等功能微生物生长[39]。
投喂频率是系统关键调控因子，投喂频率设置过高，导致残饵增多，使水质恶化，影响系统长期稳定运行；投喂频率设置过低，则鱼类存在营养竞争的问题，从而影响鱼类生长[40]。大口黑鲈(Micropterus salmoides)体质量约155 g时，以投喂频率3 次/d投喂大口黑鲈，其饲料转化率、增重率、比生长率显著高于2 次/d投喂频率[41]。相关研究表明，大口黑鲈在不同生长阶段的摄食频率表现出不同的生长性能[42]。刘星等[43]在生菜(42 株/m2)-鲫(8 kg/m3)共生系统中，投喂频率为2 次/d，水质净化效果最优。因此，投喂频率的拟定应根据鱼类的品种、饲料种类和生长阶段进行设置。
水体流速是鱼菜共生系统的重要调控因子，直接影响系统的物质循环与能量流动。一方面，水体流速作为影响鱼类趋流性的重要环境因素，会对鱼类的生长性能和呼吸代谢产生影响。另一方面，水体流速影响系统的水力停留时间和溶解氧浓度，进而影响微生物的氧化分解，从而影响水质净化能力。Khater等[44]对比了不同流速下番茄(Solanum lycopersicum)对养殖尾水中N、P、K等营养素的吸收效果，研究发现，相比4 L/h的流速，流速为6 L/h时番茄对营养素吸收效率更高、产量更多。流速为1～3 m/h时，蕹菜(Ipomoea aquatica)-罗非鱼共生系统对磷、铜、钼、氨氮吸收效率最好[45]。水体流速大于3 m/h 时，水流剪切力会破坏藻类细胞壁，抑制藻类的生长和集群，可有效防控再生水水华发生[46]。可见，不同鱼菜组合的共生系统，适宜的流速不同，因此，实际生产中应根据不同种类鱼菜，设置适宜流速。
2.3 基质的利用
优良的基质是维持系统水环境的主要贡献者，不同基质会影响水培系统中植物产量和营养素含量。目前，疏松多孔的惰性固化物常作为基质用于鱼菜共生系统中[47]。其独特的晶体结构及孔隙可有效促进离子交换作用和吸附作用，使水体进一步净化。此外，粗糙的轮廓、较大的比表面积为植物根系和微生物提供了适宜环境，从而提高了水体综合净化效果。有研究表明，麦饭石含有对生物有益的元素，可调节动植物的生理活性，且可双向调节水体的pH值，有效提高了共生动植物的生长发育水平[48]。同时，吴依含[49]研究表明，火山石、陶粒、陶瓷环、纳米棒均能有效净化水体，并促进植物生长，可有效提高氮、磷利用率。因此，复合种养系统合理搭配使用载体，形成多层次的净化体系，不同材质的基质在物理化学性质上各具特点，相互补充，共同作用于水体，可提升净化效率，同时可丰富微生物群落结构，进一步增强生态系统的稳定性和可持续性。
2.4 微生态制剂的添加
微生物在鱼-菜共生系统中有着承上启下的作用，是维持系统动态平衡的关键因子。为保障鱼菜共生体系中绿色有机产品的品质，系统中常用微生态制剂代替化肥农药的使用。微生物制剂的使用主要分为两类：一类是以加快分解鱼类代谢物及残饵、净化水体为主要功能的水质改良剂；另一类是促进鱼类生长发育、提高抗病力为功效的饲料添加剂[50]。为提高系统中N、P的利用效率，常在系统中加入硝化细菌等特定微生物，既提高了蔬菜品质，也提升了鱼的抗病力和抗应激能力[51]。Nadia等[52]通过罗非鱼与西红柿共培养试验研究表明，水体中、饲料中添加益生菌及生物絮凝技术均能提高鱼类消化率和饲料中蛋白质的利用率。Siringi等[53]研究发现，饲料中添加螺旋藻可促进鱼肠道对营养物质的吸收，有效提高了生长性能。此外，微生物与藻类联合使用使硝化反应相关的amoA基因拷贝数增加，可增强净化效果[54]。微生态制剂可影响系统群落组成和鱼菜生理指标，进而影响系统的长期稳定运行，因此，微生态制剂的添加应根据不同时期、不同需求合理使用。
2.5 人工光源补给
光照是蔬菜生长的重要环境因子，波长为400～700 nm的红蓝光直接影响植物光合作用效率；光强影响植物对光的吸收与运转；光周期影响植物中淀粉的分配；光质影响色素、糖类及次生代谢产物含量[55]。利用不同波长的光可以调节植物形态。研究表明，利用LED灯短频连续光照水培紫叶生菜，可有效提高生菜品质[56]。Sebastião等[57]在鱼菜共生系统试验表明，不同种类蔬菜对光照强度的反应存在差异。因此，人工光源的补充需根据植物种类及不同生长时期合理选择波长范围，适度调节光照周期。
2.6 数字化、智能化应用
推动鱼菜共生技术商业化、规模化发展，离不开数字化、智能化赋能。近年来，“互联网+”及智能科技迅猛发展，数字技术也逐渐融入鱼菜共生技术中，从而实现了智慧监管及运行效能提升。张立立等[58]根据Zig Bee组网原理，配备温度、湿度、光照度传感器，并通过编程设计监测系统参数变化，科学高效管理鱼-菜共生系统的运行。刚营营等[59]采用Lab VIEW编程及OPC通信技术设计了具有存储及分析数据功能的监控画面，可有效监控种养品种生长情况。Le等[60]采用计算流体力学方法，提出螺旋管式换热器与储热单元组合替代电加热器，增强了控温效果。可见，数字化、智能化的融合应用可全年实时调控鱼、菜生长环境，有效克服外界条件限制，实现四季稳定生产，保障优质蛋白稳定供应。
另一方面，数字化、智能化应用可有效解决劳动力紧缺的问题。魏仁杰等[61]基于FAST设计了智能化水下投饵机器人，田昌凤等[62]设计了小型真空吸鱼泵，可有效减少劳动力使用。随后楚树坡等[63]基于导流方法针对真空吸鱼泵起捕效率低、鱼体存在损伤问题进行改进，极大程度减少了劳动力使用。为提高节能效应，光伏储能引入景观式鱼菜共生系统，减少了电力损耗，为鱼菜共生系统节能减排提供了新的思路[64]。生产过程中，因水体环境的特殊性，部分设备使用受到限制，同时柔性生物的活动带来一定干扰，阻碍了全自动化商业复合种养技术的发展。
3 效益及可行性分析
经济、生态和社会等多重效益是决定复合种养技术可行性的关键因素。相比于传统养殖，鱼菜共生系统的前期构建及系统初始运行资金投入更高，电力资源消耗更大，但鱼菜共生系统可有效降低植物生产成本及养殖尾水处理费用，此外，鱼菜共生技术打破环境限制，生产者可通过控制种养环境，实现鱼菜反季节错峰上市，从而获得高利润。[65]。另一方面，种养产品因实现了化肥、杀虫剂及抗生素的零添加，具备绿色、有机、无污染的特性，能够带来额外的产品溢价。调查显示，有机农产品价格相对较高，但大部分人认为其安全性高，购买意向较强[66]。2017年全球鱼菜共生销售额达5.34 亿美元，预测10年后全球销售额将超过20.16 亿美元[7]。Asciuto等[67]基于意大利小型复合养殖系统，通过计算设备建造、系统运行成本及鱼菜共生产品一年的销售额，发现盈利290 欧元，随着系统长期运行，设备建造费用不再投入，系统运行逐渐稳定，经济效益更加可观。因此，即使鱼菜共生技术前期投入资金较多，从长远来看，基于人们对有机农产品需求的不断增加，鱼菜共生市场逐渐扩大，同时通过农产品调整错峰上市带来额外效益，经济效益可观。
生态效益是决定技术能否推广使用的主要因素。鱼菜共生系统可使养殖尾水循环利用，减少环境污染，同时降低养殖水的用量。Monsees等[68]研究表明，与传统营养液水培蔬菜相比，复合养殖技术每年节省62.8%矿物肥料，且每公顷生菜一年温室气体排放量减少72%。Gichana等[69]研究表明，复合养殖15 d，南瓜对养殖水体中正磷酸磷的吸收率约为75.6%，甜艾草对硝酸盐去除率可达76%，可有效提高资源利用率。另外，水体中稳定的微生物群落结构及益生菌有效提高了动植物抗病力，避免了化肥农药的使用。研究表明，复合种养条件下细菌丰度高于传统养殖，大量益生菌可改变鱼类肠道菌群结构，提高了鱼类存活率[70]。
在社会效益方面，复合种养技术结合自动投饵、水质监控等智能设备，具备轻简化、模块化、生态化、标准化、高效化、健康化的独特优势，有效解决了从业者因老龄化、劳动力弱而导致的劳动参与率低问题，同时，复合种养产品为居民膳食安全提供了有力保障。此外，复合种养技术可促进一、二、三产业融合发展，从而实现效益多赢。吴春红等[71]通过武汉鱼菜共生农场的案例调查发现，该农场可提供约15个工作岗位，从而促进农民就业。樊铭玺等[72]根据山东省艾维农场鱼菜共生模式多元化的盈利渠道案例研究发现，该农场可培养学生1 000多名，不但社会效益高且在休闲渔业、乡村旅游、家庭农场中推广前景广阔。孙锐康等[73]通过分析国外市场调查机构数据及预测，表明鱼-菜复合养殖技术的垂直结构系统具备更大的市场潜力和经济效益。因此，鱼菜共生技术在经济、生态和社会效益等方面表现出诸多潜力，未来前景广阔。在乡村振兴战略的推动下，该技术将成为乡村产业新模式，同时成为智慧农业的新趋势，且以绿色、健康、节能、高效、智能的优势助推农业经济可持续发展。
4 存在问题与建议
4.1 复合种养品种局限，海水、盐碱水开发利用缺乏重视
目前，国内外对鱼菜共生技术局限于淡水研究，且水产品养殖多为鱼类，甲壳类等水产品在复合种养中的可行性有待考证，即使较多广盐性鱼类逐渐被引入共生系统中，但缺乏耐盐碱水经济作物的开发利用，而中国海水资源丰富，盐碱地区域辽阔，开发广盐型复合种养品类可唤醒“沉睡的后备资源”，有效解决淡水资源短缺问题，多元化提高商业价值。目前有研究表明，虹鳟-鲶-甜菜-番茄混养系统中，在不损害水培系统整体平衡的情况下，使用盐度为6的微咸水是减少淡水消耗的可行替代方案[74]。但不同鱼类对海水、盐碱水盐碱度耐受性不同，因此未来研究重点应倾向于多元化品类开发及海水、盐碱水种养品种筛选及比例。
此外，当前复合种养模式中的蔬菜作物品种也相对单一，多为常见的叶菜类作物。这些作物虽然生长周期短，能够快速收获，但其经济价值相对较低，且市场需求有限。因此，为了进一步提升鱼菜共生系统的综合效益，应加强对耐盐碱、高附加值作物的研究与开发。如可以探索一些具有特殊口感、高营养成分或药用价值的盐生蔬菜、水果等作为共生系统中的作物品种。同时，针对不同地区的海水、盐碱水水质特点，进行有针对性的作物品种筛选与优化，以确保作物能够在特定环境下健康生长，实现种养系统的稳定与高效运行。
4.2 N、P元素转化机制不全面，其他营养素利用缺少关注
复合种养系统N、P循环利用是目前的研究热点，主要利用水质检测数据及质量守恒定律评估鱼类、蔬菜的利用率与转化率，但对N、P转化形式、过程及影响因素研究不够全面。同时，对其他微量元素，如铁、钾、锰、钙、锌、镁等研究甚少。有研究表明，铁有利于提高鱼类及水生植物生长性能及体成分组成，并提高系统氮的利用率[75]。钾、钙、镁等元素对植物的健康生长至关重要，然而，当前对于这些元素在微生物作用下的分解机制及生态系统内的循环过程认知尚浅。这一知识缺口极大地限制了复合种养技术的优化进程，也阻碍了相关产品品质的进一步改良。此外，对于碳、硫等关键生命元素的循环利用及相互作用机制也缺乏深入探讨。碳元素作为生命体系的基础，其在复合种养系统中的循环路径、利用效率及其对环境的影响机制尚不明晰。硫元素则在水生生态系统中扮演着重要角色，参与多种生物化学过程，但其在复合种养系统中的转化、循环及其对系统稳定性的影响也亟待研究。由此可见，探明系统主要营养素的转化过程与机理的同时，分析次要营养素的循环利用将有助于优化系统，提高综合利用效果。故需要进一步利用核磁共振谱、分子标记等方法解析营养素转化过程，为鱼菜共生技术提供理论支撑。
4.3 系统运行稳定性及病害防控缺乏微观依据
微生物作为复合种养体系中承上启下的关键枢纽，在维持系统动态平衡方面具有重要作用，同时可为疾病预防提供重要的生物防治手段。目前，国内外对系统运行稳定性的宏观要素研究更加深入透彻，忽略了微观要素的作用，还需挖掘各类微生物在鱼菜共生系统中的功能及其机制。同时对微生物群落结构及其与环境因子间的相互作用关系也缺乏深入理解，环境因素如温度、pH值、溶解氧浓度等均可显著影响微生物群落组成及活性，进而影响系统运行稳定性及病害发生情况。因此，需进一步探究环境因子对微生物群落的影响机制，构建微生物群落与环境因子间的关联模型，为系统优化调控提供科学依据。另一方面，系统疾病的防控还停留在化学治疗法、中草药治疗法阶段，缺乏微生物的研究利用，分析复合种养系统微生物群落结构及动态变化，挖掘系统潜在的益生菌，剖析微生物对动植物作用机制，有助于解决复合种养技术病害防控的瓶颈，同时为系统长期健康稳定运行提供技术支撑。
4.4 循环水净化不够彻底，人工光源缺少科学补给
养殖系统“水”的循环利用是水产养殖业践行节能减排的最佳方式，但存在有机颗粒物过量、无法被植物完全吸收利用的问题，虽然鱼菜共生系统有固液分离过滤单元，但无法滤除带颜色、气味的难溶性小颗粒物，从而影响系统长期、健康稳定运行。因此，沉淀技术、生物絮凝技术、生物吸附技术、生物挂膜技术等水处理技术的融合应用刻不容缓。另一方面，Pinho等[76]研究表明，纬度引起的光照变化影响植物叶绿素、净光合速率、养分吸收等生理指标，从而影响植物生物量。此外，光质管理能改善蔬菜品质及营养。如红辣椒的类胡萝卜素及总碳水化合物含量在红蓝LED光照下升高[77]。由此可见，不同地理位置运用鱼菜共生技术，植物所需光源补给有所差异，依据地理环境光线强度差异及蔬菜的种类和生长时期，创造适宜的光照条件，科学调控人工光源补给，有助于推动复合种养系统健康运行。
4.5 有机特种饲料及其他营养素补充缺少关注
饲料作为复合种养系统主要能量来源，既承载动植物营养需求，又关联水环境质量。复合种养体系常因某些营养素不足限制了动植物生长，若以无机化合物形式补充营养元素则与复合种养技术产出的有机产品自相矛盾，且饲料原料过度依赖于进口，饲料质量参差不齐，饲料利用率较低。目前，鱼菜共生专用饲料的研发缺少关注，且饲料中替代鱼粉的有机原料研究不足，研发鱼菜共生有机全价配合专用饲料刻不容缓。除了有机特种饲料外，还应关注其他营养素的补充。如可通过在系统中引入适量的微生物制剂，以提供动植物所需的微量元素和生长因子。同时，可以考虑在系统中添加一些天然植物提取物或中草药制剂，以提供额外的营养成分和免疫功能。
4.6 体系化设计不够完善，智能化应用有待升级
鱼菜共生体系除了刚性的设备环境外，还包含柔性生物(鱼、微生物、菜)，生物之间交叉、遮挡、摆动、重叠等提升了几何模型的构建难度，且水下光的吸收、散射、折射等现象影响图像成像，从而无法满足系统高清的生物动态监控。因此，传统的几何模型和图像采集设备在体系中不相适宜，目前还缺乏专业的水质参数传感器、特种水下视频采集设备及柔性生物的几何建模方法。对物联网、移动网络互联网的结合使用还无法达到游刃有余的阶段，系统监控及运行电力能耗相对较高，低耗能设备研发及清洁能源的融合运用迫在眉睫[78]。同时，人工智能、数字化、自动化技术与复合种养技术衔接应用有待升级，解决此类问题将有助于该项技术的商业化推广。
4.7 技术转化应用较缓慢，应用型人才队伍较弱
目前，中国农业从业者老龄化较为明显，虽然鱼菜共生技术等新业态可以有效解决劳动率低的问题，但还存在从业人员文化程度相对较低，应用技术人才队伍相对薄弱的问题，技术研发、应用、推广缺乏专业人才，难以合理利用先进的技术设备，以适应现代化生产模式。因此，应加强专业化人才培养，提高生产线培训强度，鼓励年轻人接触现代农业产业，加大农业技术研发、改良的政策扶持。同时，应建立产学研合作机制，促进科研机构与农业企业的深度合作，将科研成果转化为实际应用，缩短技术转化周期。此外，可以举办各类技术培训班及现场示范活动，提高农业从业者的技术水平和实际操作能力，逐步构建起一支高素质的应用型人才队伍，为鱼菜共生技术的推广和应用提供有力的人才保障。
4.8 经济效益波动，市场认知不足
鱼菜共生技术虽然在提高资源利用率及产品品质方面具有显著优势，且理论上经济效益较高，但在实践环节，盈利能力可能受到市场需求、价格波动和运营成本等多重因素的影响。因此，该技术的推广还面临成本控制和盈利模式的双重挑战，导致农户在采纳新技术时犹豫不决。同时，市场对于鱼菜共生技术的了解和接受程度有限，缺乏有效的宣传教育，使得消费者和潜在用户对技术的潜在价值认识不足。因此，需要通过政府补贴、税收优惠等政策手段降低初期投资成本，提高技术的市场竞争力。同时，加强市场推广活动，通过案例分享、技术展示等方式，提升公众对鱼菜共生技术的认知度和接受度。
5 鱼菜共生技术发展趋势
5.1 时代背景方面，技术设施趋向数字孪生一体化
未来渔业发展方向更趋于“装备化、数字化、网络化、智能化、无人化”。5G、人工智能、大数据的迅猛发展，驱动各领域快速向数字化转型，数字孪生成为推进农业现代化的必然要求。因此，鱼菜共生技术中需对柔性生物行为等特征进行特殊逻辑建模，利用科学的物理思维与数字世界和生物学特性无缝衔接，研发灵敏高效、高清智能、远程集控的监测系统。此外，水质指标实时监测、数字孪生技术远程监控、自动化技术、智能投饵技术、智能捕捞技术的一体化建设将成为新的研究方向。
5.2 系统运行方面，技术要素向多能互补创新
鱼菜共生系统在不使用化肥、农药、抗生素的基础上稳定运行，需保障各运行单元互补集成。水体净化、光源补给、饲料补充、疾病预防是维持动植物健康生长的关键要素。一方面，目前，水环境净化、人工光源等方面已有一定研究，但共生系统中疾病的预防缺少微观手段。此外，专用饲料的研发缺少关注，饲料原料存在过度依赖进口鱼粉的问题，运行成本较高，另一方面，饲料中抗营养物质阻碍了鱼类的营养吸收，进而影响水体环境。研究表明，黑水虻可有效替代鱼粉作为饲料原料，这使昆虫粉替代鱼粉作为原料成为可能[79]。因此，研发特种鱼粉替代类饲料及添加益生菌等复合全价饲料迫在眉睫，多方面、多手段疾病预防将成为新的研究热点。
5.3 技术应用方面，技术推广逐渐向商业化转型
随着自动化、数字化、智能化集成逐渐应用于鱼菜共生系统，以往的半人工运行模式已过渡到全自动智能化运行模式，鱼菜共生由诞生之初的小规模系统不断向大规模商业化转型。2021年，农业农村部将鱼菜共生技术列为农业主推技术，推进了鱼菜共生技术的商业化应用。此外，自2016年起，国际鱼菜共生大会每两年举办一次，有利于鱼菜共生技术商业的模式创新，促进了鱼菜共生技术商业化持续发展。
5.4 经济形式方面，产品品质健康化、销售渠道多样化
绿色作为农业发展的底色，绿色有机产品是农产品最好的标签，复合种养产品的品质将进一步迈向健康化、有机化、绿色化。随着全球人民生活品质提升，对食品安全关注度更高，复合种养产品将迎来购买热潮，因此，线上、线下多渠道及多样式销售将成为产品推广的重点，未来复合种养产品市场潜力更加广阔。
5.5 生态资源方面，系统构建趋向低碳化、立体化
为了提升鱼菜共生的经济、生态、社会效益，目前设施改良倾向于与垂直农业融合发展[73]。立体化生态复合养殖充分利用空间面积，减少了土地占用，但植物、动物需要LED灯等人工光源补给，水力运输及控温增氧设备需增大能源消耗，因此，需优化设备电力消耗，降低运行成本，并结合太阳能、氢能和生物质能等清洁能源应用于复合种养工厂，进一步实现“节能增收”的发展目标，实现真正的生态化、低碳化、立体化。
5.6 社会需求方面，产品品类丰富化、健康化
淡水资源紧缺使盐碱水在各领域逐渐充分利用，随着海产品市场需求量的提升，海水、盐碱水复合种养技术成为人们关注的热点，盐生植物、海洋鱼类、贝类逐渐成功引入复合种养系统中，但高盐碱度水环境对生物生长造成了一定影响，需要科学调控盐碱指标，筛选种养品种，优化种养比例，调控水质参数，盐碱水利用及海产品种养殖将成为复合种养技术新的研发热潮。
鱼菜共生技术展现出广阔的发展前景，未来研究将聚焦于盐碱水的开发与利用、营养转化机制、疾病防控及有机饲料的研发。着重利用先进的信息技术与生物技术提升鱼菜共生系统的自动化与智能化水平，实现精准调控。同时，通过模拟自然生态系统的循环机制，增强系统的自我调节能力，降低对外部资源的依赖。此外，未来应探索将鱼菜共生技术与现代商业模式相结合的途径，开发出满足市场需求的新型农业产品与服务，以迎合消费者对健康、安全食品不断增长的需求。预测该技术将沿着数字化、智能化、低碳化、立体化、商业化及多样化的发展路径前进，促进农业的可持续发展。
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