塑造韧性可食用城市——面向可持续食物-水-能源耦合的创新型鱼菜共生系统

袁秋玲 ,  孟凡鑫 ,  刘璎萱 ,  Jose A. Puppim de Oliveira ,  张力小 ,  蔡文婷 ,  杨志峰

Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 245 -258.

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Engineering ›› 2025, Vol. 50 ›› Issue (7) : 245 -258. DOI: 10.1016/j.eng.2025.01.021
研究论文

塑造韧性可食用城市——面向可持续食物-水-能源耦合的创新型鱼菜共生系统

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Shaping Resilient Edible Cities: Innovative Aquaponics for Sustainable Food–Water–Energy Nexus

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摘要

随着全球粮食安全问题日益加剧，城市食物系统的可持续转型变得愈发紧迫。鱼菜共生系统作为一种创新的循环农业模式，通过协调食物、水和能源（FWE）的耦合作用，为塑造具有韧性的可食用城市提供了切实可行的路径。本研究构建了FWE耦合视角下城市农业可持续性评估框架，并以北京市为案例，对屋顶鱼菜共生（RA）、地面鱼菜共生（GA）与传统温室农业（TG）开展了对比分析。研究表明，在生产环节，城市鱼菜共生系统相较于TG可节约42%~44%的用水量，但能源消耗和碳排放分别增加了2.3~3倍和1.1~2.1倍；而在流通环节，鱼菜共生系统能减少14%~44%的能源、水和碳足迹。通过综合运用可再生能源供电、优化鱼饲料配方、改进基建材料和加强资源循环利用等措施，鱼菜共生系统的生产环节能耗与碳排放可降低80%~85%。如果充分利用北京市内155 km2的RA和GA潜力空间，城市蔬菜自给率可提升15%，同时规避上游食物供应链中82%的能源、水和碳足迹。本研究通过深入挖掘城市屋顶与地面鱼菜共生的协同开发潜力，为提升可食用城市的韧性水平、推动城市农业可持续转型提供了决策支持。

Abstract

Urban food systems need remedies due to the global rise of food insecurity. Aquaponics has emerged as a circular agricultural mode to shape edible cities and features multiple food–water–energy (FWE) nexus. Here we provide a generalizable methodology and framework to capture the FWE nexus flows of aquaponics systems within city jurisdiction. To test the framework in Beijing, China, we offer an evidence-based tradeoff analysis of urban rooftop aquaponics (RA) and ground aquaponics (GA) from a FWE nexus perspective. The results show that urban aquaponics performs well in terms of water efficiency, which saves 42%–44% of water consumption than traditional greenhouses (TG) during the on-farm stage, but generates 2.3–3.0 times higher energy consumption and 1.1–2.1 times more carbon emissions. “From farm to table” aquaponics helps decrease 14%–44% of the energy, water, and carbon impacts during the off-farm stage. With diversely optimized strategies for renewable electricity, fish food, infrastructure materials, and recycling actions, urban aquaponics can hopefully reduce energy consumption and carbon emissions by 80%–85% in the on-farm stage. In addition to greenhouse agriculture, utilizing a total of 155 km2 of RA and GA potential areas could increase urban vegetable self-sufficiency by 15%, and avoid 82% of the energy, water, and carbon footprints during upstream food supply chains beyond cities. Our findings could provide policy insights for urban stakeholders to create edible landscapes by integrating RA and GA, and thus direct resilient and sustainable agricultural transformation.

关键词

鱼菜共生系统 / 食物-水-能源耦合 / 屋顶农业 / 食物系统 / 城市韧性

Key words

Aquaponics / Food–water–energy nexus / Rooftop agriculture / Food system / Urban resilience

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袁秋玲,孟凡鑫,刘璎萱,Jose A. Puppim de Oliveira,张力小,蔡文婷,杨志峰. 塑造韧性可食用城市——面向可持续食物-水-能源耦合的创新型鱼菜共生系统[J]. 工程（英文）, 2025, 50(7): 245-258 DOI:10.1016/j.eng.2025.01.021

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1 引言

城市作为人口与经济活动的集聚中心，既承载着促进社会交往的功能，也塑造着多元化的食物供给格局[1]。城市农业（UA）是指在城市建成区及周边区域开展的农业生产活动，其空间范畴已突破传统乡村农业地域的限制[2‒3]。联合国粮农组织（FAO）强调，UA可被视为一种可食用的蓝绿基础设施，能有效应对食物荒漠、气候调节、食物里程、生物多样性及生态系统服务等复合型城市挑战[4]。通过优化食物-水-能源（FWE）耦合关联，UA更有助于构建可持续的城市发展模式[5‒9]。其中，鱼菜共生系统因其在土地、水肥等资源环境效率方面的优势，成为UA领域最具竞争力的分支之一。尤其在土地资源紧张的高密度城市，该系统能显著提升本地食物自给率和农业生物多样性，从而增强城市食物系统的韧性与可持续性。

鱼菜共生系统作为创新型城市农业模式，通过将水产养殖与无土栽培相结合，构建了鱼类与蔬菜的可持续共生关系[10‒11]。在土地资源稀缺且成本高昂的建筑密集型城市，除传统地面空间外，大量闲置屋顶成为发展农业的潜在空间载体。相较于传统农业，地面鱼菜共生（GA）与屋顶鱼菜共生（RA）系统具有双重优势：一方面通过水循环系统实现节水效益，另一方面利用鱼粪作为植物养分源以减少化肥污染[12‒13]。这种本地化UA模式不仅能增加食物多样性，还可通过土地遥相关产生跨边界环境效益[14‒16]。但需要指出的是，由于技术复杂性引发的鱼菜共生系统能耗增加，凸显了该系统在FWE耦合关联中存在多方面的权衡效应。

从城市空间构成来看，建成区与城郊区域共同为鱼菜共生系统提供了实施场地。Baganz等[17]通过评估中等尺度的鱼菜共生开发潜力，划定了系统建设的边界条件，并综合考虑可持续性、经济性、法规及聚落结构等因素，提出了适用于大都市区建设鱼菜共生的政策建议。当前研究的关键挑战之一在于如何权衡食物生产与营养物质供给带来的负面环境影响之间的潜在冲突[18]。Yuan等[19]对比发现，相较于传统温室（TG），鱼菜共生系统虽具有更低的环境负载率与更高的能源可持续指数，但其能值投入相对更高。Hu等[20]的生命周期评估表明，大型配送农业在综合环境效益与经济性上优于传统家庭农场。Ghamkhar等[10]进一步揭示，在寒冷气候区鱼菜共生系统中，供热、电力、鱼饲料及基础设施是影响环境效应的敏感因子。

然而，现有研究在RA与GA的开发适宜性识别，以及从不同空间尺度比较这两种系统方面仍存在研究空白。FWE耦合视角为利益相关方提供了一个系统性分析框架，有助于全面评估鱼菜共生系统的可持续性[21]。此外，尽管城市农业转型被视为未来发展的重要趋势，但当前研究多聚焦于场址尺度，而较少关注鱼菜共生在城市行政范围内产生的多维效应。基于上述研究缺口，本研究提出了FWE耦合视角下城市农业可持续性评估框架，用于量化城市行政范围内RA和GA系统的FWE关联流。此框架整合了四大核心模块：城市鱼菜共生潜力识别、全生命周期环境与经济成本评估、敏感性分析与优化设计，以及城市尺度情景模拟。北京市作为一个高度发达的都市区，其农产品需求旺盛，已成为全国重要的农产品消费中心。然而，受限于土地资源的稀缺，传统农业难以满足北京市不断增长的消费需求，这进一步凸显了创新解决方案的必要性。与此同时，随着居民生活水平的提高，北京消费者更加关注农产品的质量、安全性、营养价值及环境友好属性。这种消费升级趋势为本地化鱼菜共生产业等绿色农业模式奠定了坚实的市场基础。本研究以北京市为研究案例，验证所提框架的实用性与可行性，并为地方政府制定城市鱼菜共生发展战略提供科学依据，以助力提升城市食物系统的可持续性与韧性。

2 研究思路与方法

2.1 FWE耦合视角下城市农业可持续性评估框架

以FWE为导向的鱼菜共生系统优先发展策略，可为决策者提升城市可持续性、推动UA向韧性未来转型提供科学依据。本研究构建了具有普适性的FWE耦合视角下城市农业可持续性评估框架（图1），能够系统解析城市农业（包括鱼菜共生系统与传统温室农业）的FWE耦合关联。此框架包含四个子部分：①基于地理信息系统、土地利用及相关统计数据，识别城市RA与GA的开发潜力；②基于实地调查数据，量化城市鱼菜共生与传统温室的生命周期能源消耗、水消耗及碳排放，其中生命周期阶段涵盖“农场生产”（on-farm）与“流通消费”（off-farm）两大环节，并核算不同农业系统的经济成本与收益；③通过敏感性分析识别关键影响因子（SFs），形成鱼菜共生系统优化方案，以最大限度降低负面环境影响；④开展城市尺度情景模拟，统筹考虑本地农业（包含传统农业与鱼菜共生系统）发展与城市边界外的上游食物供应链，分析不同情景下的资源环境效应，为未来农业转型提供决策支持。

2.2 城市鱼菜共生潜力识别

传统而言，地面空间是农业生产的主要载体，因此郊区广阔的开放空间为GA提供了理想实施场所。相比之下，高度城市化的建成区受限于土地稀缺性，需依托屋顶空间来发展农业[22‒23]。本研究据此选取两类典型场景进行潜力评估：建成区建筑屋顶与郊区地面空间。基于北京市30 m × 30 m分辨率的土地利用数据，本研究整合了12类建筑形态（商业、市政、仓储、工业、公共、历史、教育、居住、体育、停车、农业及混合用途）数据[24]，通过ArcGIS平台进行空间叠加分析。工业、商业、教育等七类建筑屋顶被证实具有RA开发潜力[17]。实地调研表明，屋顶面积超过1500 m2的建筑最适宜建设鱼菜共生系统。考虑到北方地区屋顶坡度普遍较缓[25]，本研究未设置坡度筛选条件。对于GA，本文以现有设施农业（PA）用地作为发展基础。我国PA主要包含温室大棚、大型拱棚及中小型拱棚三类[26]。2023年北京市PA用地总面积达285.642 km2，蔬菜产量为1.09 × 106 t，具体分区产量数据见附录A表S1。通过此评估体系，本研究可系统识别城市范围内RA与GA的潜在发展空间。

2.3 生命周期评估

2.3.1 鱼菜共生系统描述

本研究分析的鱼菜共生系统由两个互联的农业拱棚构成，二者形成统一的鱼菜协同生产单元[图2（a）]。此系统通过水循环实现物质流动：养殖池（水产单元）富含营养物质的废水输送至蔬菜栽培系统（水培单元），经微生物作用将水中的氨氮转化为亚硝酸盐，再通过硝化细菌分解为硝酸盐，最终作为植物养分被蔬菜吸收（具体系统原理详见附录A）。整个生产过程完全杜绝农药和化肥使用。基于北京市实地调研数据（附录A图S1），本研究分别设计了RA和GA系统[图2（b）和（c）]。两种系统均由两个农业拱棚组成：1号棚采用鱼菜混养模式，主要生产番茄、生菜和鲟鱼；2号棚专用于蔬菜种植。每个拱棚及间隔区域均设有标准化作业区，系统总占地面积为1500 m2。通过实地测量、问卷调查和深度访谈，我们获取了资源材料消耗、能源使用、运输方式、成本收益等全流程数据，这为后续分析提供实证基础。

2.3.2 生命周期边界

本研究对比分析了RA、GA [图2（d）和（e）]与TG [图2（f）]三种形式设施农业的生命周期资源消耗、环境影响及经济成本（TG具体参数详见附录A第S1节）。在生长周期方面，GA与TG可实现全年农业生产，而RA由于高层位置温度限制，仅能在3—11月进行种植。冬季光照时间减少会影响植物光合作用，加之供暖和补光的能耗成本高昂，导致寒冷季节运营鱼菜共生系统的经济效益较低。本研究采用的功能单位是上述设施农业每年全生命周期阶段中每焦耳食物产品的影响和成本。RA、GA和TG的具体输入输出数据见附录A图S2。生命周期方法包含农场生产和流通消费两个环节（详细系统边界参见附录A表S2至表S4）。农场生产阶段包括两种鱼菜共生系统和TG的材料与建设、运行、收获、拆除和处置等阶段，这与流通消费阶段有所不同。对于RA系统，本研究认为客户可以直接从商业和工业建筑的屋顶购买蔬菜和鱼类，从而实现最低环境足迹，因此假设RA的流通消费阶段影响为零。对于消费者难以直接到达屋顶的其他建筑类型，产品由运营商按照预定销售计划在特定销售点（通常为建筑底层）进行分销。由于RA系统就近分布，周边居民可以步行前往销售点，从而最大限度地减少包装和运输需求，其流通消费阶段的影响仍然可以忽略不计。相比之下，GA位于城郊地区，收获的农产品需要包装后运输至城区消费者手中，经验假设运输距离为39 km。值得注意的是，GA的农产品通过快递直接配送到消费者家中。就TG而言，其农产品流通过程包括将生产的蔬菜水果先运送至配送中心，再通过冷链运输至市区超市，最后由消费者前往超市购买。

2.3.3 生命周期环境-经济评估

本研究基于实地调研结果、文献资料和行业报告，构建了城市RA、GA和TG系统的生命周期清单。清单物质的背景数据来源于Ecoinvent数据库，本研究采用累积能源需求法和ReCiPe中点模型（H版），通过openLCA软件量化农业系统生命周期内的资源与环境影响，包括能源消耗、水消耗和碳排放。其生命周期影响可通过以下数学模型表示：

Eq=∑lL∑sSADsBDs,q

式中，Eq 指的是农业系统的生命周期资源环境影响q；影响类别q包括能源消耗（MJ）、水消耗（L）和碳排放（kg）；l指的是生命周期阶段，包括材料和建设、运行、收获、拆除和处置阶段；L指的是生命周期阶段的总数；AD s 指的是农业系统中生命周期清单物质s的活动数据；S指的是清单物质的总数；BD s,q 是清单物质s对应影响类别q的背景数据。需要指出的是，本研究是将食物产量转换为营养焦耳后进行的生命周期影响评估。

根据农业系统特性，全生命周期成本可划分为初始建设成本、未来运维成本及废弃物处理成本三部分。鉴于废弃物处理过程存在诸多不确定性，本研究未予考虑，而是将农业系统的全生命周期成本简化为项目成本与运营资金两大类别，即对应的初始建设成本和未来运维成本。农业系统生命周期经济成本可通过以下公式计算：

EC=∑zZECz

式中，EC是农业系统的生命周期经济成本（美元）；EC z 是生命周期各项材料及输入z的经济成本。

2.4 敏感性分析

为定量识别城市鱼菜共生系统生命周期评价结果中的敏感输入因子，本研究通过敏感性分析揭示了系统改进的潜在方向。鱼菜共生系统环境影响因设备选型、使用寿命、维护方案等参数而异。本研究针对生命周期清单中的主要输入项，计算其在±20%波动下对当前研究系统的影响，通过比较输出项与输入项的相对变化率计算敏感系数。当SF低于2%时，判定该输入因子对系统的影响可忽略不计；而较高SF值则表明输入参数的微小变化可能导致影响结果发生显著改变[27]。

SFi=ΔRR0ΔPP0i

式中，SF i 是参数i的敏感系数；P0是参数i的初始值；ΔP是参数i的变化值；R0是生命周期评估结果；ΔR是参数i变化后的生命周期评估结果。

2.5 城市尺度情景模拟

本研究设定了四种情景来探讨鱼菜共生系统在城市尺度实施的综合效益，包括基准情景（BAU）、情景1、情景2和情景3。基准情景中的PA包含温室大棚、大型农业拱棚及中小型农业拱棚。在情景1~3中，假设所有潜在屋顶空间均用于发展RA，因RA不会产生额外土地占用。对于地面系统，将全部PA用地分别用于发展：① GA；② TG；③ GA与TG混合模式。各情景在屋顶与地面潜力空间利用率上保持一致，但具体开发方案存在差异（表1）。除开发面积外，本研究进一步分析了由非设施农业（NPA）和PA共同贡献的本地蔬菜自给率，剩余需求需通过外调蔬菜满足。由于各情景PA开发面积不同，其对自给率的贡献也存在差异，而NPA的贡献率假定保持不变。在每个情景中，可量化能源、水和碳的全生命周期表现，并基于传统农业拱棚与拟建TG的产量比计算BAU情景中传统农业拱棚的生命周期影响。此外，我们采用经济投入产出生命周期评价（EIO-LCA）模型，测算城市鱼菜共生系统蔬菜生产所能规避的跨边界环境足迹[11]，包括避免的能源足迹、水足迹和碳足迹。

以鱼菜共生系统蔬菜生产所能规避的碳足迹为例，基于EIO-LCA模型，可建立由避免蔬菜进口（相当于蔬菜产量）最终需求驱动的碳排放矩阵 B，其计算公式如下：

B = R ( I - A )-1Y

式中， B 表示避免蔬菜进口最终需求驱动的碳排放矩阵； R 为碳排放强度矩阵； A 是直接消耗系数矩阵； Y 为对角矩阵（具体参数详见附录A第S2节）。

3 结果

3.1 城市屋顶鱼菜共生机会地图

本研究将北京市六环内区域视为城市建成区范围，该区域内现存56万栋建筑。经识别，适合开展RA的总建筑面积达10.5 km2，仅占北京行政区面积的0.06%（附录A图S3）。从建筑类型来看，商业建筑适宜性最高，覆盖面积为3.4 km2（1168栋）；教育建筑为2.3 km2（871栋）；工业建筑为1.9 km2（577栋）。仓储建筑潜力最低（0.4 km2，141栋），体育建筑次之（0.3 km2，117栋）[图3（a）]。从行政区分布看，朝阳区可用屋顶面积最大（3.2 km2），海淀区（2.3 km2）和丰台区（1.8 km2）紧随其后，其余行政区可用面积均不足1 km2 [图3（b）]。

3.2 生命周期评价

从农场生产阶段来看，在每焦耳食物产出条件下，RA和GA的耗水量（RA: 8.48 × 10-6 L, GA: 8.89 × 10-6 L）显著低于TG（2.04 × 10-5 L），但鱼菜共生系统的能耗与碳排放则高于TG [图4（a）]。能耗方面，RA（1.07 × 10-5 MJ）和GA（1.32 × 10-5 MJ）是TG（4.41 × 10-6 MJ）的2.4~3.1倍；碳排放方面，RA（7.31 × 10-7 kg）与TG（6.55 × 10-7 kg）相当，而GA的碳排放量是RA和TG的1.9~2.1倍。这表明提升电力效率和可再生能源利用应作为鱼菜共生系统全生命周期可持续发展的优先方向。除能源-水-碳影响差异外，RA与GA的经济表现也存在显著区别。TG的单位面积生命周期经济成本（23元）明显低于鱼菜共生系统[图4（b）]，电力支出是鱼菜共生系统最高成本项之一[28]。相较于RA（158元）和GA（239元），TG可节省85%~90%的经济成本。但由于鱼菜共生系统具有绿色无公害的食品生产优势，其产品溢价使得RA（274元）和GA（412元）的单位面积收入达到TG（34元）的8~12倍。

在鱼菜共生系统（RA和GA）中，运营阶段是能耗（71%~88%）、水耗（85%~89%）和碳排放（48%~91%）的关键环节。电力使用是影响所有环境指标的核心因素[占比22%~41%，图4（c）]，主要来源于水泵运行和曝气需求。鱼饲料同样对系统环境表现具有决定性作用，在RA和GA系统中分别贡献了37%~46%的能耗和24%~45%的碳排放。对TG而言，73%的环境影响集中于材料生产与建设阶段，其中砖混结构占全生命周期总能耗的46%。GA系统的砖混材料能耗占比为18%，而RA系统材料阶段影响仅占12% [聚氯乙烯（PVC）为主要贡献者，占7%]。固体废物填埋处理分别造成GA系统27%的碳排放和TG系统46%的碳排放。三个系统的用水影响主要来自运营阶段的地下水灌溉，RA和GA系统的灌溉用水分别占总水耗的57%和54%，而TG系统该比例高达93%。这一数据凸显了传统温室与鱼菜共生系统在水资源利用效率上的显著差异，改进设施农业的灌溉水效势在必行。

在流通消费阶段，鱼菜共生系统展现出显著优势[图4（a）]。GA的能耗为1.82 × 10-6 MJ、水耗为1.56 × 10-6 L、碳排放为1.70 × 10-7 kg，而TG的这三项指标分别是GA的2.3~7.4倍（具体值为1.34 × 10-5 MJ、3.55 × 10-6 L、8.06 × 10-7 kg）。RA因消费者可直接获取食材，其流通阶段影响可视为零。GA系统通过简易包装实现“产地-家庭”直供模式，相较于TG的冷链运输体系，这种简化的配送方式大幅降低了流通阶段的环境影响。数据分析显示，GA与TG系统中56%~94%的流通阶段能源-水-碳影响来源于快递运输与冷链环节的低温保鲜过程。特别值得注意的是，TG系统超市销售环节占流通阶段总水耗的45%（具体数值参见附录A表S5至表S12），这部分水耗主要用于销售过程中通过喷水控制蔬菜水分蒸发，以维持其含水率、提升产品品相并保持新鲜口感。

3.3 敏感性分析与系统优化

敏感性分析进一步揭示了高效鱼菜共生系统的关键输入要素。电力参数的微小变动即可对各影响类别产生显著影响[幅度达23%~43%，图5（a）和（b）]。通过提高可再生能源比例，鱼菜共生系统的能源结构可有效缓解环境压力，但实际效果因区域电网结构差异而存在地域性变化。鉴于不同地区电力来源的显著差异性，能源结构的整体调整对系统环境影响具有决定性作用。在饲料生产环节，采用体型较小的养殖鱼类可降低总体饲料需求，从而减少环境负荷。但最终产出需符合消费者预期，其可行性有待进一步验证。值得注意的是，GA系统碳排放的敏感因子从鱼饲料转变为基础设施材料（主要为砖混结构），这反映出不同系统阶段主导因素的动态变化特征。

基于电力、鱼饲料和建材等主要敏感要素的识别，我们针对两种鱼菜共生系统开展了优化设计：首先，采用风电和光伏两种可再生能源替代传统电力；其次，选用含生态可持续成分的鱼饲料（成分详见附录A表S13）；再次，将GA系统的建筑材料替换为棚膜结构，并设置30%~70%的回收率以降低建材负担；最后，通过整合这些优化方法，形成24种RA优化方案和48种GA优化方案，并逐一评估其能源-水-碳表现。

优化后农场生产阶段的改善效果显著。RA系统单位食物产出的能耗降至6.41 × 10-6 MJ [图5（c）~（e）的均值，下同]，水耗降至6.93 × 10-6 L，碳排放降至3.57 × 10-7 kg。GA系统三项指标分别优化至7.12 × 10-6 MJ、6.93 × 10-6 L和6.02 × 10-7 kg。流通阶段GA系统的能源、水和碳影响分别降低80.4%、61.4%和54.0%。鉴于两种鱼菜共生系统在流通阶段的环境表现已优于TG，可认定优化后的鱼菜共生系统具有综合性能优势。尽管GA系统通过优化可实现高达80%的节能率和85%的碳减排潜力[图5（f）和（g）]，但优化后系统的平均能耗仍是TG的1.46~1.48倍，这表明TG在能效方面仍具竞争力。水耗方面，优化后的RA和GA系统分别较原设计降低0~27%和0~35%，因此也展现出较好的节水性能。

3.4 情景分析

在本研究涵盖的城市PA（包括RA、GA和TG系统）框架下，三种未来情景（情景1~3）均展现出本地食物供给韧性的提升。这些情景中PA贡献的蔬菜自给率达到24.8%~26.2%，显著超越BAU下9.88%的水平（图6）。同时，三种差异化农业系统还能提供附加水果与水产品，丰富本地食品种类，提升当地居民的饮食消费多样性。具体而言，情景1的蔬菜总产量最高（2.88 × 106 t），并可额外供应2.14 × 104 t草莓（相当于北京市2022年草莓产量的6%）；情景2蔬菜产量（2.73 × 106 t）虽比情景1低5%，但水产增量最为突出（新增1.17 × 106 t鱼类）。由于蔬菜种植通常比鱼类养殖的经济收益更高[11]，鱼菜共生系统多以蔬菜为主产。本研究将鱼类作为副产品考量，其仍可为经营者创造可观的附加收益。结果显示，情景2的菜鱼产出比为2.3∶1，情景3为4.7∶1，而情景1则高达102.7∶1。在蔬菜产量相当的条件下，决策者对水产品增量的偏好将成为选择最优发展情景的关键依据。

从经济视角看，情景2具有最高经济成本（6.79 × 1010元）与最高经济收益（1.21 × 1011元），而最低成本与收益均出现在TG占比最高的情景1，其数值不足情景2的一半（表2）。经成本收益核算，情景2与情景3的利润分别达5.26 × 1010元和2.85 × 1010元，显著优于情景1，这凸显出鱼菜共生系统为运营者带来的巨大经济优势。在资源环境影响方面，农场生产阶段中，情景1的水耗最高[图7（a）]，而情景2的能耗与碳排放最为突出。值得注意的是，虽然情景1的产量是BAU情景的2.65倍，但其能源-水-碳影响仅为BAU的1.32~1.39倍，表明情景1在提升生产效率的同时实现了更优的生态可持续性。情景2与情景3的水耗仅为情景1的33%~67%，这主要源于鱼菜共生系统相较于TG的显著水循环优势。

尽管鱼菜共生系统在碳与能源方面的初始表现欠佳，但实施系统优化后，情景2与3的碳减排成效显著，其碳排放仅为情景1的56%~78%。不过，这两个情景的能耗仍较高，达到情景1的1.18~1.37倍，这主要源于优化后鱼菜共生系统的平均能源与碳表现仍优于TG。若实现鱼饲料、电力及建筑材料的集成优化，情景2与3的能耗可进一步降至情景1的58%~79%，碳排放更将大幅改善至30%~65%，水耗同样可缩减至28%~64%。这表明，当优化后的鱼菜共生系统实现全域推广时，城市可在提升食物自给率的同时显著降低环境压力。

在流通消费阶段[图7（b）]，鱼菜共生情景展现出显著的环境友好性，情景2与3的能耗、水耗及碳排放分别仅为情景1的0.7%~50%、16%~58%和5%~53%。BAU情景需要依赖最高比例（81.92%）的上游蔬菜供应，而三种发展情景通过提升18%~20%的本地自给率，可有效避免上游供应链中的大量能源-水-碳足迹。特别值得注意的是，当全面开发154.26 km2的城市RA与GA潜力区域时，相比BAU情景可减少82%的上游供应链环境足迹，相当于避免2.20 × 1027 MJ能源消耗、2.07 × 1028 L水耗及7.69 × 1025 kg碳排放（表3）。这一发现证实，基于多重优化设计的城市鱼菜共生系统，不仅能在本地尺度实现生命周期影响削减与经济收益，更对减少上游食物供应链的跨境环境足迹具有关键作用。

4 讨论

鉴于可持续生产是联合国可持续发展目标的核心内容，农业生产者和消费者必须共同努力以减少食品供应链对环境的影响[29]。当前农业系统的单一化发展正以牺牲农业多样性为代价，化学投入品的过度使用、温室气体排放、生物多样性丧失以及水资源消耗加剧等问题也已经突破了行星边界[30]。为应对这些挑战，需要建立新的农业生产范式，在确保粮食安全和营养供给的同时，最大限度地降低对环境、健康和社会的负面影响[31‒32]。鱼菜共生作为一种创新技术，通过高效循环利用水和养分，在满足全球粮食需求增长的同时，相比传统农业具有产量更高、资源浪费更少的优势。此系统通过建立分散式的城市生产基地，能够增强食物系统的韧性，提供稳定的本地化新鲜农产品，减少对脆弱的长供应链的依赖[23,33]。将鱼菜共生纳入食品生产体系，可以实现环境和经济效益的双赢，为构建可持续、高韧性的未来食物系统提供可行的解决方案。

本研究建立了FWE耦合视角下城市农业可持续性评估框架，能够量化屋顶鱼菜共生系统、地面鱼菜共生系统，以及传统温室农业的食物-水-能源耦联效应，并通过实证案例为可持续城市农业技术的规模化推广提供政策依据。本文开发的评估体系包含四个关键模块，城市鱼菜共生空间潜力提取、全生命周期环境-经济评估、系统敏感性分析与优化，以及城市规模化农业开发的权衡分析。考虑到不同地区的实际需求，研究人员可以相应调整系统边界和研究要素。本框架可作为城市决策者的重要工具，帮助其优化农业生产技术（特别是在降低能耗和改进饲料配方等关键环节），从而减少整体环境影响。

随着新兴经济体消费结构的升级，食物营养结构的重要性日益凸显，特别体现在人们对肉类、果蔬等食品的需求增长上。鱼菜共生系统通过提升农产品质量和产量，成为可持续农业的重要选择。但需要注意的是，鱼菜共生系统的电力需求会带来一定的环境压力。优化重点应该放在两个方面：采用可再生能源供电和降低水泵能耗[34]。用风电、光伏等清洁能源替代传统煤电，可以有效减少电力生产的环境影响；同时，通过优化水泵配置、改进水流路径、增加单泵灌溉面积等措施，可以实现节能目标。除了电力消耗外，鱼饲料和建筑材料的使用也是影响系统可持续性的关键因素。通过材料替代、饲料配方优化、能源结构调整以及资源循环利用等综合措施，可以降低系统在运行阶段85%的能耗和碳排放。采用农产品直供配送模式，避免传统零售环节，能够显著减少下游环境足迹。全生命周期的成本效益分析也证实了此系统的经济可行性。

在鱼菜共生系统中引入蔬菜种植可以进一步实现节水效果，但需要平衡节水效益与能源需求之间的关系。事实上，农业部门面临着双重挑战，既要大幅减少水资源使用，又要提高产量以满足不断增长的人口带来的膳食需求。本研究表明，鱼菜共生系统能够显著提升食物生产的水资源利用效率，但需要特别关注运行期间的灌溉用水对整个生命周期水耗的重要影响（这一现象在传统露天农业中更为突出）。我们建议通过改进灌溉系统降低用水强度，如采用电动泵配合低碳电力供应来减少能源消耗与相关排放[35]。

农业生产中的养分释放问题已引起全球关注[36]。传统露天农业往往需要大量使用农药，而鱼菜共生系统可以减少甚至完全避免农药使用[37]，从而降低碳排放和氮素流失等环境影响。这是因为鱼类产生的营养物质被循环利用作为植物生长的肥料，减少了对等量化肥的需求[38]。否则，氮磷排放可能会造成30%的富营养化风险[39]。值得注意的是，有机和传统农业系统在农药使用方面存在关联效应。当有机农业占比较低时，传统农田的害虫迁移可能导致总体农药用量增加；而当有机农业达到一定规模后，其直接效应和空间溢出效应将促使农药使用量下降[38]。这表明系统的空间布局对农药使用策略有重要影响，通过合理规划有机农业集中区可以有效控制农药使用。

虽然本研究识别了城市屋顶鱼菜共生系统的潜在实施区域，但在选址评估中尚未考虑建筑高度和承重结构限制。未来研究需要综合考虑建筑荷载[40‒41]、高度[42]、屋顶朝向、日照时长（影响补光需求）、不同高度的风荷载（需要设置防风设施）等多重因素。此外，还可以采用地理信息空间分析方法进一步整合水源可及性、局地气候特征、建筑密度等变量。在能耗评估方面，需要建立包含建筑高度、水泵效率、水源位置等参数的生命周期评估框架，以系统比较灌溉水泵送时的能源成本，从而为地方决策提供更加精准的科学依据。

尽管鱼菜共生系统对提升本地食物自给率和生物多样性具有重要价值，但必须认识到农户面临的结构性障碍：高昂的地租、以短期租赁为主的市场环境、严格的食品安全标准、加剧全球食品垄断的贸易协定等供应链压力[30]。系统转型常常因为初期产量波动或启动成本而需要资金支持[43]。现有政策大多局限于支持传统农业，亟须投资开发新的育苗技术、作物组合、轮作方案等配套设置以提高经济效益[44]。此外，还应当借鉴欧盟采用的地域化生态补偿机制等措施[45]，以提出更具地方特色的农业政策激励。

在不同地区发展鱼菜共生系统时，需要统筹考虑环境、技术、经济、社会和政策的协同作用。热带和亚热带地区凭借温暖的气候和丰富的资源更易于实施鱼菜共生系统；而温带和干旱地区则需要应对冬季低温和水资源短缺的挑战。在技术层面，需要开发适应当地特点的系统设计方案，并整合太阳能等可再生能源。经济评估要重点关注投资回报周期和市场接受度，发展多品种协同种植模式以满足居民营养多元化需求。社会层面需要提供专业技术培训，并根据当地饮食习惯选择合适的养殖品种和作物。政策支持方面则要符合环保法规要求，充分利用政府补贴等扶持政策。

本实证研究基于非优化条件下的场址规模设施开展，其结论虽然不能直接推广到现有农业系统，但为评估城市尺度的食物与环境效益提供了理论依据。公众接受度是推广新型城市农业的关键因素[46]，目前消费者的支付意愿[47‒48]和农户的采纳程度[11]都受到盈利能力的制约。研究表明，仅考虑经济效益的生产系统无法体现鱼菜共生的环境价值，需要通过社会干预来矫正市场失灵。未来研究应该着重在三个方面深入：首先，开展针对政策支持力度的实地调研，这是基于食物-水-能源耦合的城市农业转型基础[49]；其次，要进行多城市案例比较，以解析系统的区域差异性；最后，建立本地化的生命周期评估数据库，量化环境与营养的耦联效应[18]，帮助利益相关方根据当地生产条件和食物营养需求做出科学决策。

5 结论

城市鱼菜共生系统通过循环水产养殖与无土栽培的有机结合，为提升城市食物安全与韧性提供了创新路径。本研究评估了北京市规模化鱼菜共生系统的地理空间潜力与环境经济效益，结果表明，通过整合可再生能源、优化鱼饲料配方及改进材料选择，此系统可显著降低能耗、水耗及碳排放。在北京市全域推广鱼菜共生，不仅能提升本地蔬菜自给率，更能通过替代上游供应链产生显著环境效益。基于构建的普适性方法论框架，本研究揭示了城市鱼菜共生将城市转型为低环境足迹“可食用城市”的潜力，能够为城市决策者推动提升农业可持续性提供科学依据。研究结果同时呼吁城市消费者关注本地化鱼菜共生产品的环境正外部性，推动公众形成环境责任消费意识。

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