本发明属于立体化有机无土复合耕作领域,涉及一种立体化螺旋梯田构建技术及鱼与植物共生的无土化栽培方法,即一种螺旋梯田式鱼植共生构建方法。
背景技术：
现代耕作技术按种植载体来分，分为土壤种植与无土栽培，按空间布局来分，分为平面与立体耕作，但大多数都是基于肥料及营养液技术基础上的栽培。近年出现鱼菜共生技术，以养鱼水作为循环灌溉的肥水解决方案，实现种菜不施肥养鱼不换水的共生生态效应，但作为生产应用还存在局限性，因菜的生长周期较短，对肥水需求较为敏感，其生长是否良好，与鱼水的富营养程度及栽培模式(水培或基质培)相关，纯水培的鱼菜共生常因鱼粪的硝化转化效率低而出现蔬菜生长营养不足，滤化水质效果差。另外，当鱼苗小时常因粪便营养不足而出现菜的生长不良，表现缺素或小老苗。所以一直以来鱼菜共生系统只能作为生态科普及展示示范应用，难以在生产上大面积的推广与产业化发展。
作为未来空间拓展的耕作模式，立体化空间化技术是解决人口剧增与耕地减少矛盾的主要途径和方法，目前生产应用的大多采用层架式来构建立体模式，存在上层对下层挡光严重，随着层数增加，光效递减，下层作物生长不良，必须采用补光方式得以解决。对于无土壤的非耕区域发展农业生产，除了常规的无土栽培技术外(水培、基质培、气雾培)，还没有一种有效的综合解决方案。另外水产养殖当前大多限于天然水域的利用开发，虽然也出现工厂化循环水养殖，但存在相关设施与设备投资大问题，难以普及应用。必须开发一种高密度养殖、低成本水质滤化与资源循环利用的新技术，以解决高密度商业养殖环境下的水质处理问题。融合水产养殖与作物种植的新型耕作技术，出现上世纪九十年代，国际上叫“aquaponic”，即水产养殖与作物耕作复合生产之意，虽然通过近二十多年的发展，但大规模的产业化应用还存在技术瓶颈，也大多限于叶菜与药草之类的种植，对于大型的经济树木及果树类的栽培较少，并且大多限于平面化的耕作利用，虽也出现一些立体设计的栽培，但立体的模式基本限于层架式、其运行与利用效率也不高。
技术实现要素：
本发明目的是针对当前鱼菜共生技术存在的问题与局限性，提供一种立体高效而且光效充分利用，植物品种不受限，又能实现鱼及植物共生共荣的立体高效生产，为鱼菜共生的复合耕作模式走向实用与产业化开拓新模式。
本发明的技术方案是,螺旋梯田式鱼植共生构建方法,其特征是，包括以下步骤：
a螺旋原理的利用，螺旋梯田采用阿基米德螺旋线即等速螺旋，应用该螺旋的几何特点，可以达到创造相同立体空间时，具有最省材料与最节能的效果。更为重要的是螺旋线式的梯田构建，是一种拟自然植物生长的曲线，可以让各层之间达到最佳的光效，让散射光得以充分利用，如植物的叶序及枝的排列大多采用螺旋方式。另外如dna螺旋结构，也是细胞为了实现小空间内实现更大生化表面积的需求而进化的产物，所以细胞内大多细胞器也都是以螺旋式出现。用于梯田建设模型，可以在相同空间内创造更大的耕作表面积，同时又让光照得以最充分的利用。
b采用cad软件设计出支撑螺旋梯梯面的钢构网架柱体，再按照预建设的总高、层高层数设计出螺旋梯面及顶罩。螺旋梯田主体由内撑柱、外撑柱及梯面顶罩组成，其中顶罩为漏斗式网架结构，有利于雨水的收集利用，内撑柱内空部份设计为养殖水体。养殖水体建设有采用独立钢构围栏建造与利用内撑柱网架作围栏进行围网铺布建设两种方式。梯面部份设计成顺梯面盘绕的螺旋线式种植槽。
c根据设计出的cad图作出相应装配图及材料单，装配图对钢构线条进行标码，相同长度为同一数字编码，并整理出材料加工清单位。
d选择20#或25#热镀锌管材作为构建螺旋梯田材料，利用冲床按照设计计算的材料清单进行加工，材料长度误差控制在0.5-1毫米范围，以材料的孔中距计。
e按照施工图进行网架式螺旋梯田的装配，装配方法采用螺杆紧固的方式安装，安装次序从顶处顶罩作为起点，利用起吊葫芦悬空后层层往下安装。
f安装好柱体顶罩及螺旋梯面钢构后，对顶罩部份进行覆膜或者覆盖太阳能发电板，梯田的梯面铺设铁丝网，减少上层对下层挡光，让太阳光的散射光得以更充分利用；中心水体则采用钢构及铁丝网作围栏，并铺设防水布的简易方式构建。螺旋梯田外撑柱表面覆膜与防虫网，遇到夏季全部覆防虫网，寒季覆膜保温。
g栽培设施建设，梯面栽培全部采用槽式栽培，栽培槽宽为0.6米，深为0.4米，采用轻型板材内衬防水布建设，种植槽同样采用顺梯面作螺旋线式制作，种植槽于梯面的排列的列数及间距因栽培树体的大小不同而定。
h填充基质及循环管道铺设，螺旋梯田式的立体耕作为了减轻承重，一般以轻型陶粒作为基质，于铺设防水布的种植槽内填充陶粒至0.35米深，并于陶粒基质表面铺设25#的pvc管或胶管，于管壁上每隔0.6米进行打孔，作为灌溉孔。并把灌溉管接入主管与供水的动力水泵，水泵采用自吸泵或潜水泵皆可。形成养鱼水从种植槽顶处层层渗漏回流至中心水体，形成养鱼水的间歇式(利用定时开关控制)闭路循环。
i栽培品种布局，为了让陶粒基质培方式成为水体养殖水滤化，与重要的微生物矿化及植物根系生物滤化的载体，选择周期长且生物量大根系发达的多年生植物为主体，如乔灌木的园林树种、速生的经济植物(包括花卉)、木本果树等，配合套种或间种部份短周期的经济作物如药草与叶用蔬菜及瓜果，其中木本植物充分发挥它的耐肥性，所谓耐肥性就是在肥水充足时快速吸收同化，肥水不足时同样保持正常的生长，而经由基质及根系表面微生物种群高效矿化的离子又能为短周期作物高效提供营养，充分发挥基质及根系的生物缓冲平衡性，减少肥水不足或过剩造成的生长波动。
j水产养殖部份设计，中心水体是螺旋梯田栽培部份重要的肥水来源，养殖量的大小影响梯田植物生长与同化滤化效率，在具增氧设施结合的情况下，一般实行高密度养殖为宜，选择耐高密度的鲤鱼、鲫鱼、罗非鱼、鲶鱼为主，这些鱼养殖密度为每立方水体80-200尾。对于水质要求较高的鲈鱼、鲟鱼养殖密度以每立方米30-50尾为宜。为了减少虫害，于水体中安装水灯诱虫，鱼的饲养以投喂浮料为宜，每天投喂量为鱼递增体重的1-5％计，做到定时定量投喂。
k微量元素补充技术，采用鱼的粪水循环灌溉栽培植物，一般大量元素较为充足，而微量元素常会出现缺素症，在管理过程中可以于陶粒基质表面撒施部份海带粉来补充微量元素与微微元素的不足，而且海带粉的补充不会对鱼造成不良影响，能为循环系统提供近50多种元素。
本发明有益效果是，
1采用螺旋梯田提高单位面积的空间利用率，是平面耕作的数倍，有效解决层架式立体模式的挡光严重问题，同时更符合节省材料与节能要求，并且比层架式更力学的抗性。
2实现水产养殖与立体高效栽培的有机复合，达到零排放可持续循环耕作的效果，是未来有机耕作的重要模式。融合水产养殖的新型耕作，实现非水域环境水产业的发展，并且在可控水质环境下进行养殖，解决江河湖泊养殖的水质污染问题。
3利用大生物量多年生的树木作为栽培主体，解决传统鱼菜共生系统不稳定，包括水质不稳定及生长缺肥缺素两方面问题。大生物量树木为主体的循环耕作模式，因根系发达生物滤化及同化能力强，可以确保水质清澈，有利于鱼的生长又能高效矿化为套种的叶菜提供充足营养，生态平衡性更好更稳定。
4结合太阳能发电技术，可以在无电力供应的地区发展立体化无土耕作，可以在离网的山区或者耕地受限的都市环境发展水产养殖业与高效垂直耕作，是传统单纯养殖和种植效率及效益的数倍。对耕地少或无耕地的区域发展现代农业显得极为重要。
5该技术除了作为新型耕作技术在生产上应用外，还可以作为城市新型的绿化美化技术，组装式的螺旋梯田结合鱼植共生系统可以快速创造都市的大空间绿化，比传统移植大树绿化的方式更为生态与环保。
6闭锁循环耕作模式比传统耕作更为节水，是土壤耕作用水量的10-30％，是项重要的节水农业技术，适合干旱少水地区及场所的农耕系统构建。
7植物与鱼共生的栽培模式，严格杜绝农药的使用，采用生态平衡原理进行多品种的混种、套种或间种，形成相生相克的拟自然生态系统，实现免农药耕作，是生产安全绿色农产品的有效方法。
8无土化陶粒培的结合，形成免中耕、除草、施肥、灌溉的田间操作，实现农业生产的省力化与轻巧化，大大降低劳动力成本，与传统农耕相比至少可减少70％的用工。
附图说明
图1是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中的阿基米德螺旋线；
图2是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中整体网架结构cad图；
图3-a、图3-b、图3-c、图3-d是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中顶罩装配图、外撑柱装配图、内撑柱装配图、梯面装配图；
图4是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中拧螺杆装配法示意图；
图5是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中覆盖膜、防虫网、太阳能发电板示意图；
图6是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中梯面铺设铁丝网及建设种植槽示意图；
图7是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中填充栽培基质陶粒并铺设灌溉管示意图；
图8是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中水体建设示意图；
图9是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中循环灌溉系统构建示意图；
图10是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法整体示意图；
图11是应用本发明建造的螺旋梯田式鱼植共生照片；
图12是本发明所述的螺旋梯田式鱼植共生构建方法中314平方米都市绿化空间的快速构建方法示意图；
具体实施方式
下面结合附图对发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的螺旋梯田式鱼植共生构建方法，包括以下几个方面的步骤：
a、根据阿基米德螺旋线原理，结合拟建场地基座的半圆直径、计划栽培的植物品种特性、及计划提高空间利用率的倍率，确定梯面宽度、层高、层数及总高度。
b、采用cad软件设计出外撑柱、内撑柱、顶罩、梯面及水体与栽培设施的施工图，并按施工图标准编码及整理材料清单。
c、选择20#或25#热镀锌管材作为建造螺旋梯田的钢构材料，利用冲床按照设计计算的材料清单进行铳孔加工，材料长度误差控制在0.5-1毫米范围，以材料的孔中距计。
d、按照施工图进行螺旋梯田钢构的装配。装配完钢构后进行顶罩覆膜或太阳能发电板，边围覆防虫网，寒季换成膜覆盖保温。
e、梯面处理，梯面采用铁丝网覆盖。
f、中心水体装配及种植槽建设，中心水体采用钢构技术按照装配图建成钢构围栏，再于钢构围栏(也可直接利用内撑柱钢构作为围栏，无需另建)内衬围铁丝网与铺设防水布即成。种植槽按照设计图的尺寸用板材制作，制作完成后也同样进行铺设防水布处理，或者铺设土工布复合膜。
g、填充基质及铺设灌溉管，基质选择轻型陶粒作为栽培基质，填充至0.35米深，再于基质表面顺种植槽螺旋线铺设灌溉管，用25#pvc管或胶管作为灌溉管，于管壁上每间隔0.6米打孔作为灌溉孔。
h、水泵的安装，把灌溉管接入主管，主管连接至水泵，水泵可以是自吸泵或潜水泵，水泵电源可以电网接入也可以利用太阳能发电板供电，或者直接安装太阳能水泵。
i、植物种类选择及栽培，植物种类以果树为主，包括多年生的常规木本果树及热带果树，或者园林绿化类的乔灌木皆可，于树木下方套种蔬果及药草。总之以长周期植物为主，短周期套种混种或间种结合。栽培果树或园林绿化树木时，对于根系作适当的修剪处理，以刺激形成更多的新生根系，来适应无土栽培新环境。定植的间距以具体栽培的果树品种而定。
j、鱼品种选择与管理，生产性高密度养殖时，需配套需肥量大的植物(果树、瓜果、叶菜等)，通常以耐缺氧的罗非鱼、鲤鱼、鲫鱼、胡子鲶为主。空间绿化美化非生产性系统构建时，可以采用常规密度养殖并配套种植耐瘠薄植物(园林绿化植物或多年生牧草)，可以选择鲈鱼、鲑鱼、鲟鱼等。每日对鱼饲料投喂以浮料为主，按照鱼递增重量的1-5％计算投喂量。
k、病虫管理及栽培养护，病害管理以加强修剪通风及避雨的预防性措施为主，虫害采用防虫网隔离，与日常的清洁卫生维护为主，另外，于水体中安装水灯进行物理诱灭，杜绝杀虫剂使用。植物进行旺盛速长阶段，对基质表面进行海带粉或麦饭石撒施以补充微肥的不足。
步骤a所述的阿基米德螺旋线，为等速螺旋线，具有盘绕相同几何柱体表面用材最省化的特点，同时也具有比层架设计创造更多的耕作表面积与最佳的力学效应。而且符合植物分枝及叶序的排列方式，让光效得以最充分利用。
步骤b所述的外撑柱、内撑柱、顶罩、梯面及水体设计，全部为三角网架结构设计，部份受力较大的节点采用蜂窝式空间桁架加固。
步骤c中所述的冲孔加工，其孔径为8.8毫米，与安装螺杆口径相符。
步骤d中所述的装配，其次序从设计图的顶处作为始点，利用葫芦起吊，逐层自上而下安装，其方法全部采用螺杆逐点紧固安装法。每节点紧固件包括螺杆、垫片、螺帽，安装时以电动扳手作为安装工具。
步骤e所述的铁丝网，通指围栏用的铁线网，一般丝径为2.5——6.0mm的钢丝网，表面进行涂层或者镀锌处理以防锈。
步骤f所述的中心水体装配，其中水体钢构指采用20-25#热镀锌管按图进行三角网架式装配，装配方法与梯田装配相同，外围钢构装配完毕后再作内衬铁丝网与防水布铺设处理。还有一种方式就是直接以内撑柱网架作为围栏进行围网铺布构建。
步骤g中所述的灌溉孔，指以手电钻打孔，孔径为4-6m。为出水均匀，灌溉孔排列同一线上为宜。
步骤h所述的安装太阳能水泵，通指太阳能发电板与水泵为一体化的水泵。
步骤l所述长周期植物，指生长发育周期一年以上的多年生植物。
步骤j所述的养殖密度，指每立方米水体的养殖尾数，高密度为每立方为80-200尾，常规密度指每立方米30-50尾。
步骤k所述的补充微肥，包括微量元素及微微元素。
而本发明的螺旋梯田式鱼植共生构建方法，是利用网架钢构技术构建立体化螺旋梯田以提高空间利用率，创造数倍于平面的耕作表面积，再结合水产养殖水的循环灌溉以解决栽培部份的肥水问题，同时又通过植物根系及基质的滤化吸收来净化养殖水质，两者之间形成协同共生关系。结合多年生木本植物为主体的套种混种间种短周期作物，以形成栽培部份肥水需求及水质处理之间相对平衡稳定的生态系统，实现植物栽培与水产养殖的共生共荣，有效解决传统鱼菜共生的两者矛盾问题。也解决了传统立体层架式耕作，存在的上下层挡光严重问题，也为都市大空间绿化美化提供了低成本快速构建的创新途径。
采用螺旋梯田式鱼植共生构建技术，可以创造数倍于传统平面耕作的有效空间，而且实行闭锁循环零排放的可持续耕作，既适合都市环境农耕体系构建，也适且于都市的快速空间绿化与美化，可作为未来都市绿化的重要技术手段。
实施例1
314平方米垂直螺旋梯田式果园的构建，如图11
1)该螺旋梯田建于无电力供应的某山地林间，为了创造可水产养殖与种植果树的空间，拟采用垂直螺旋梯田的技术构建。用于建设的地块直径为20米，可建成占地314平方米的螺旋梯田。按照种植的果树品种冠形与树高，确定层高为3米，梯面宽为6米，中心水体半径为4米，总高18米，作5层螺旋盘绕的建设思路。根据等速螺旋线原理，如图1，建成沿高18米的柱体作等距螺旋盘绕的方式来构建梯田。
2)采用cad软件，绘制出整体网架结构的cad图，如图2，包括顶罩2、外撑柱3、内撑柱4、梯面5等。其中顶罩设计为漏斗形，有利于雨水收集利用。并利用cad软件对设计图的各线条进行编码标注，同长度的线条用同一编号标注,标注完毕后即形成cad装配图,如图3，为方建设时安装。把装配图进行剖解，形成顶罩装配图、外撑柱装配图、内撑柱装配图、梯面装配图等，如图3-a、图3-b、图3-c、图3-d。
3)按照cad图整理出下表材料加工清单，螺旋梯田的建造材料，选择20-25#热镀锌管，管壁厚为1.7-2.0mm，采用冲床冲压的方式加工，加工的精度即每根管材的长度以孔中距计，确保误差控制在0.5-1mm范围，冲压的孔径为8.8mm，冲压好的材料按材料清单上的编号进行编码标注。
314平方米螺旋梯田的网架钢构材料加工清单
4)按照装配图进行拧螺杆装配，如图4，装配所需的螺杆6、垫片7及螺帽8得选择防锈处理的热镀锌，按图纸从顶处顶罩开始逐层往下安装，安装方法采用电动扳手紧固并配合起吊葫芦悬空装配。
5)覆盖膜及防虫网，如图5，于建好的螺旋梯田网架表面，利用卡槽固定安装薄膜9及防虫网10，顶罩处覆避雨膜或者用于发电的太阳能发电膜11，柱体表面寒季覆膜保温，高温季节换覆防虫网通风。
6)梯面铺设铁丝网及建设种植槽，如图6，螺旋梯田梯面以热镀锌的钢丝网12或者作防锈涂层处理的铁丝网作为铺设材料，利用扎丝把铁丝网紧固于梯面钢架或者作点焊固定。通常铁丝网选用丝径2.5——6.0mm的钢丝网，达到建成后管理人员可行走的承重效果。种植槽采用板材建设，种植槽框架13按照宽为0.6米，深为0.4米规格建造，种植槽的间距以定植的行距为确定，宽6米的梯面作四排布局，排间距为2米，两边侧的种植槽紧贴内外梯柱布设。
7)填充栽培基质陶粒并铺设灌溉管，如图7，制作好种植槽后，于槽内铺设防水布，做到不渗漏为准，铺好防水布后即可填充陶粒基质14，填充深度约为0.35米。并于基质表面顺槽中线作灌溉管的螺旋线式铺设，灌溉管15选用25#pvc管或者软质胶管，铺设完毕灌溉管后，用手电钻于灌溉管线上按照间距0.6米打孔，孔径为4-6毫米，作为灌溉出水孔。
8)水体建设(如图8)及循环灌溉系统构建(如图9)，该螺旋梯田内置的水体，无需另外建设水体钢构，可直接利用内撑柱钢构网架作为支撑，只需选择高约宽1.2-1.5米的铁丝网16沿内撑柱内壁围栏即可，围成后直接于水体围栏内铺设防水布17即可，围栏的高度决定蓄水深度，围网宽可以因实际需要而定。把灌溉管一并接入灌溉主管18，主管端处安装动力水泵19，水泵在山地无电网情况下可以选择太阳能水泵，如有外源电网供给可直接连接普通水泵即可。由水泵产生动力经由灌溉管进行种植槽的均匀滴灌，经由基质滤化回流到种植槽底处的灌溉水统一接入回流管20回液至中心处的养殖水体，形成闭锁循环，水泵的启闭可以用定时器循环灌溉。
9)鱼苗放养及栽培，该系统拟计划养殖罗非鱼、鲫鱼及鲤鱼，购买上述品种的夏花(规格体长约为2.6～3.3厘米)鱼苗，以每立方米80-200尾密度放养，放养前先用3-5％食盐溶液浸法鱼种5-10分钟，并且把握好水温，温差不宜超过3℃。该系统栽培的品种，如图10，以无花果21、火龙果22、番茄23、黄瓜24、叶菜25等进行套种混种与间种为主。计划四畦种植槽的内外两畦用于多年生的无花果与火龙果种植，中间两畦用于番茄黄瓜等长周期作物栽培，并且结合短周期的叶菜套种混种，实行多年生果树、长周期瓜果、短周期叶菜结合栽培，有利于系统的稳定及鱼与植物的平衡生长。其中果树种植间距一般控制在1.2-2米之间，瓜果间距一般0.6-1.2米之间，叶菜可以灵活定植。
10)系统的日常维护与管理，随着鱼苗的生长，耗氧量日益提高，需对养殖水体增设曝气式增氧泵，控制溶氧5ppm以上。随着栽培植物水份的蒸发损耗，需定期观察养殖池水位变化，过低时得注入新水补充，如遇较大的降雨量，顶罩部份收集的雨水过多，得注意外排，在水体最高水位处设溢出口外排。栽培的植物需每隔3-4个月于陶粒基质表面撒施海带粉(饲料级)或麦饭石粉，以补充微量与微微元素的不足。平常还需定期检查灌溉管的出水孔，如遇堵塞得及时清理堵塞物，让灌溉水均匀渗灌。
通过上述设计，314平方米的平面空间创造出1320平方米的梯面表面积及50.24立方米(以蓄水1米计)养殖水体。创造了种植槽线总长为880米，是传统平面式耕作的3-5倍生产效率。特别适合耕地受限的环境下构建立体耕作空间，实现高效生产。该系统预计可年产鱼1256公斤，年产水果与瓜果4400公斤，是普通平面耕作的数倍效率。
实施例2
314平方米都市绿化空间的快速构建，如图12
与实施例1不同之处在于栽培系统布设的品种为园林绿化植物或者景观花卉，这些植物对肥水的要求不高，并且栽培的目的是以美化与绿化为主，只需快速创造城市绿化空间即可。水体部份养殖的鱼也是以普通景观鱼为宜，养殖密度也是以每立方米30-80尾的稀养方式为主。
该系统的应用解决大树移栽对原生生态的破坏，也解决了大树移栽成活率低的损失，节省搬运与移栽的巨额投资。利用组件式装配，可以快速构建城市巨大的绿化空间，而且是自循环零排放可持续的少维护的自耕系统，特别适合未来生态文明城市建设中现代化绿化工程设施的应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。