魚菜共生系統(tǒng)中不同種類蔬菜對養(yǎng)殖尾水氮素轉化的影響

李天沛，汪小旵,2※，丁為民，鄭金明，施印炎

（1.南京農業(yè)大學工學院，南京 210031； 2.江蘇省現代設施農業(yè)技術與裝備工程實驗室，南京 210031）

0 引 言

魚菜共生是水產養(yǎng)殖與作物栽培共處一個物質循環(huán)系統(tǒng)的農業(yè)生產形式，在整個生產過程中除水產飼料外不進行其他氮源輸入，具有“養(yǎng)魚不換水，種菜不施肥”的特點，是一種對環(huán)境友好、節(jié)約水源的高效農業(yè)生產模式。耦合型魚菜共生系統(tǒng)是典型的魚菜共生模式，其養(yǎng)殖部分與作物栽植設置在單向閉環(huán)水循環(huán)系統(tǒng)中。pH值、氨氮、EC值是魚池水環(huán)境的重要參數，農業(yè)物聯網通過傳感設備與互聯網聯結，實現復雜農業(yè)生產條件下各個關鍵參數自動實時監(jiān)測判定并觸發(fā)相應事件，利于提高魚菜共生系生產效率。

近年關于魚菜共生系統(tǒng)中植物氮素轉化、植物生長過程智能控制、植物種植模式、植物根系微生物菌落的研究較多，而同一共生系統(tǒng)中不同種類蔬菜生長和氮素轉化狀況的橫向對比研究鮮有報道，也缺少蔬菜對養(yǎng)殖尾水COD（Chemical Oxygen Demand）、DO（Dissolved Oxygen）和氮素轉化處理效果的深入探討。本文擬通過設計耦合型魚菜共生系統(tǒng)，探究在統(tǒng)一氮輸入量情況下不同蔬菜種類對養(yǎng)殖尾水水質和氮素轉化的影響，為魚菜共生系統(tǒng)的優(yōu)化提供科學依據和理論指導。

1 材料和方法

1.1 試驗裝置

試驗于玻璃溫室展開，期間不進行設施環(huán)境控制，自然光照射，自然通風。試驗期間設施內溫度22.5～42 ℃，空氣濕度17.79%～98.17%，大氣壓1×10Pa。如圖1，該耦合型魚菜共生系統(tǒng)組成主體包括魚池（1 000 L）、攪拌桶（300 L）、栽培池（1 000 L）和沉淀池（1 000 L），均為PVC材質。栽培池由厚5 mm的亞克力板粘接，其長寬高尺寸為5 m×1 m×0.2 m，內部設置長寬高1 m×1 m×0.2 m的水培單元格5個，用以將5種蔬菜栽培單元隔離。各水培單元格內蔬菜種植在長寬高1 m×1 m×0.03 m的泡沫種植板上。

圖1 耦合型魚菜共生系統(tǒng)示意圖和實景圖 Fig.1 Schematic diagram and real picture of the coupled aquaponics system

該耦合型魚菜共生系統(tǒng)各組成主體間均用水泵連接。養(yǎng)殖尾水由魚池底部經自吸泵抽送至攪拌桶，經攪拌桶中攪拌機將養(yǎng)殖尾水中有機質、無機鹽攪拌均勻后經潛水泵抽送至栽培池，水體中無機鹽等營養(yǎng)物質被栽培池中蔬菜根部吸收后輸送至沉淀池，水體中大顆粒雜質沉淀后由潛水泵抽送至過濾器，經過濾器凈化后回流至魚池。

1.2 試驗設計

試驗時間2021-05-20－06-15。試驗設置2組，一組為種植于栽培池的水培組，用養(yǎng)殖尾水栽培；一組為種植于等體量清水的對照組，用通用型濃縮營養(yǎng)液（1：400）栽培。每組種植5種蔬菜分別為圣女果（var.）、線椒（L.）、蕹菜（Forsk.）、芹菜（）、紫背菜（Gynura bicolor (..)），均購自山東壽光壽大種業(yè)現代化育苗基地。試驗開始前挑選生長狀況相似的健康植株稱取鮮質量后定植于種植板上量取株高，種植密度均為48株/m，各試驗組編碼如表2所示。

表1 試驗組編碼 Table 1 Codes of experimental groups

試驗用鰱魚（）購自浙江湖州水產養(yǎng)殖基地。單條魚質量27.70～70.01 g，總質量3.04 kg，養(yǎng)殖密度5.54 kg/m，養(yǎng)殖過程中死亡的魚及時撈出替換，單條魚質量分布如圖2所示。

圖2 單條魚質量分布 Fig.2 Individual mass distribution of fish

1.3 試驗內容

試驗期間按魚總質量的2%日投喂蛋白質質量分數為30%的通用型浮水顆粒飼料。養(yǎng)殖水參數由氨氮、電導率、溫度、溶氧量、酸堿度、水位傳感器采集。

在試驗周期初始和結束時測量每株蔬菜株高和整株鮮質量。試驗結束時切下蔬菜根系瀝干水分5 min后稱取根部質量。葉綠素含量由KONICA MINOLTA公司的葉綠素測量儀（SPAD-502 Plus）采集，每株隨機選取3個測量點取平均值。

經水培處理前后水樣分別取自栽培池中5個試驗組，選取試驗第13天起3 d內水樣為檢測樣品，每6 h取樣一次。水樣各參數檢測參照HJ/T399-2007 《水質化學需氧量的測定-快速消解分光光度法》、HJ 535-2009《水質氨氮的測定-納氏試劑分光光度法》、GB 7493-87《水質亞硝酸鹽氮的測定-分光光度法》、HJ/T 346-2007《水質硝酸鹽氮的測定-紫外分光光度法》。

1.4 計算方法

植株質量、株高的相對增長率計算公式為

式中為植株質量、株高相對增長率；為試驗初始植株質量（g）和株高（cm）；為試驗結束植株質量（g）和株高（cm）。

氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮相對去除率公式為

式中為氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮相對去除率；為試驗初始水體氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮質量濃度，mg/L；為試驗結束水體氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮質量濃度，mg/L。

2 結果與分析

2.1 魚池基礎水質情況

物聯網監(jiān)測魚池水溫21.23～32.88 ℃，pH值為7.09～8.04，氨氮濃度0～2.00 mg/L，EC值0.24～0.36 ms/cm，DO為3.80～8.66 mg/L，試驗期間魚池各項水質參數均適合魚類正常生長。試驗期間用曝氣晾曬后自來水補充自然蒸發(fā)、蔬菜葉片蒸騰作用損失水量。

2.2 蔬菜生物學特性分析

試驗期間各試驗組蔬菜生物學特性由表2和表3所示。

表2 各試驗組試驗始末的蔬菜生物學特性 Table 2 Biological characteristics at the beginning and end of each trial groups

表3 各試驗組蔬菜的其他生物學特性 Table 3 Other biological characteristics of experimental groups

各試驗組整株鮮質量均顯著增長，鮮質量增長量在2.20～28.43 g間；除水培芹菜組（HQ）外，各試驗組株高均顯著增長，增長量在0.80～31.84 cm間，水培組鮮質量增長量均高于相對應對照組的鮮質量增長量，HS組有最大鮮質量增長量28.43 g和最大株高增長量31.84 cm。試驗期間各水培組鮮質量相對增長率均高于相對應對照組的鮮質量相對增長率，各試驗組鮮質量相對增長率在141.35%～514.93%間，株高相對增長率在27.37%～241.32%間，芹菜組（HQ）有最大鮮質量相對增長率514.93%，圣女果組（HS）有最大株高相對增長率。

由表2和表3可見各水培組根部質量、整株鮮質量均高于對照組，各試驗組蔬菜的根質量占比在25.24%～51.97%間，對照線椒組（DX）有最大的根質量占比51.97%，水培線椒組（HX）次之，說明在試驗周期內線椒比其他種類蔬菜根系更發(fā)達。如圖3所示，根部質量占比（）與整株鮮質量增長量（）關系的擬合曲線大致為一元二次方程=-0.092+6.822-104.94，呈先增后減的變化趨勢，當根部質量占比在34%～42%間時，植株各器官發(fā)育較好，對營養(yǎng)物質轉化效率高，有較大的鮮質量增長量。試驗周期內水培線椒根部質量占比最大，但整株鮮質量增長量和株高增長量均遠小于水培圣女果，說明根系的過度發(fā)育會影響植株正常生長。

圖3 根質量占比與鮮質量增長量擬合關系 Fig.3 Fitting relationship between root mass proportion and fresh mass growth

如表3所示各試驗組SPAD（Soil and Plant Analyzer Develotrnent）值在19.39～42.49間。除水培線椒組和水培蕹菜組外，各試驗組SPAD值差異顯著。不同種類的蔬菜間SPAD值差距較大，水培紫背菜SPAD值為42.49，是水培芹菜SPAD值的2.19倍。由圖3知，與線椒相比其他種類蔬菜根質量占比適中，蔬菜整株鮮質量和株高有較大增長，但因與通用型濃縮營養(yǎng)液相比，養(yǎng)殖尾水中各元素含量較不均衡，影響蔬菜植株葉綠素合成。故此后研究中可考慮增加水產養(yǎng)殖密度或適當施加微量元素進行調控。

2.3 氮化合物及其他水質參數分析

魚菜共生系統(tǒng)中植株對養(yǎng)殖尾水的氮素轉化是實現物質循環(huán)利用、減少廢水排放重要環(huán)節(jié)。耦合型魚菜共生系統(tǒng)氮素轉化途徑示意圖如圖4所示，魚的排泄物、殘餌等要成分包括氨態(tài)氮、有機氮、硝酸鹽等，還存在少量一氧化氮和亞硝酸鹽，其中一氧化氮氣體直接排放到大氣中，硝酸鹽直接被植物吸收轉化。養(yǎng)殖尾水經水循環(huán)管道送至水培池各試驗組單元格，在微生物和硝化細菌的水解脫氫、硝化等一系列生化反應后，養(yǎng)殖尾水中的各種氮素轉化為易被植物吸收利用的硝酸鹽。

圖4 耦合型魚菜共生系統(tǒng)氮素轉化途徑示意圖 Fig.4 Schematic diagram of nitrogen transformation pathway in coupled aquaponics system

各試驗組水樣氮化合物質量濃度隨時間變化曲線如圖5所示，在3 d檢測周期內氨氮、硝酸鹽、亞硝酸鹽質量濃度變化曲線均呈波動式下降趨勢。由圖5a可知HZ組氨氮質量濃度前18 h氨氮濃度曲線呈上升趨勢，這是由于紫背菜根系對水培環(huán)境下適應性差，氮素吸收效率低于微生物對有機質分解速率造成氨氮積累。各試驗組有機質分解后被植物根系吸收轉化，氨氮濃度下降，HS組在42 h后有最小氨氮濃度0.152 mg/L，比初始濃度0.493 mg/L降低69.17%，具有最高的氨氮相對去除率。

如圖5b所示，各試驗組亞硝酸鹽氮濃度曲線均呈現波動式下降并穩(wěn)定的變化趨勢。試驗周期前12 h各試驗組水體中亞硝酸鹽被硝化菌轉化，亞硝酸鹽氮質量濃度下降，隨著含氮有機質分解，第12～24小時硝化菌轉化效率低于有機質分解效率，亞硝酸鹽積累，HX、HZ、HK組亞硝酸鹽氮質量濃度上升，隨后硝化細菌快速繁殖，亞硝酸鹽氮質量濃度大幅下降，第30 小時達到較低濃度水平后略有波動小幅下降。HS組6 h內完成較高程度轉化，亞硝酸鹽氮相對去除率達41.09%。如圖5c所示，各試驗組硝酸鹽氮質量濃度均呈下降趨勢，其曲線變化速率低于亞硝酸鹽氮變化速率，是由于植物根系對硝酸鹽吸收轉化作用雖然降低了硝酸鹽氮質量濃度，但硝化細菌也不斷將亞硝酸鹽轉化為硝酸鹽。

圖5 氮化合物質量濃度隨時間變化 Fig.5 Nitrogen compound mass concentration chang with time

如圖6所示各試驗組氨氮相對去除率在40.57%～69.17%間，亞硝酸鹽氮相對去除率在48.15%～55.25%間，硝酸鹽氮相對去除率在29.28%～42.35%間。HS組有最大氨氮相對去除率69.17%，說明圣女果對養(yǎng)殖尾水中的氮素有較高吸收轉化能力。HZ、HK組有較大亞硝酸鹽氮相對去除率55.25%、54.01%，這是由于HZ和HK組試驗周期前30 h的DO、COD質量濃度較高，硝化菌生長繁殖能力強，對亞硝酸鹽轉化過程活躍。各試驗組硝酸鹽氮相對去除率從小到大依次為HX、HK、HS、HQ、HZ，HS、HQ、HZ組間硝酸鹽氮相對去除率差距不大，分別為41.60%、42.19%、42.35%，說明各試驗組對硝酸鹽氮均有較好吸收轉化效果。

圖6 氮化合物相對去除率 Fig.6 Nitrogen compound relative removal rate

檢測周期內各試驗組COD濃度變化曲線如圖7a所示，前18 h各試驗組COD值快速升高至70 mg/L，這是由于試驗初始水體中飼料殘渣、魚排泄物等有機質含量較多，水體中微生物和菌群大量繁殖的結果。在之后的18～36 h水體中微生物和菌群達到穩(wěn)定狀態(tài)，COD值略有波動但均穩(wěn)定在70 mg/L左右。從試驗周期第36小時開始，隨著氨氮底物消解完全和亞硝酸鹽充分硝化，微生物、硝化菌數量和活性大幅度下降導致水體COD下降并穩(wěn)定在12.68～26.18 mg/L內。

如圖7b所示各試驗組pH值曲線呈波動式下降隨后穩(wěn)定的趨勢，這是由于硝化細菌將水體中NH離子轉化為NO和NO，水體pH值下降。水培環(huán)境下蔬菜根系受水分脅迫等原因，根系合成氨基酸、檸檬酸、丁二酸、蘋果酸等有機酸也使pH值有所降低。從36 h開始各試驗組pH值較穩(wěn)定，這是由于有機質被消解完全，亞硝酸鹽被硝化細菌充分轉化的結果，各試驗組pH值差別不大，均在6.79～6.93之間，其中圣女果組水體的pH值穩(wěn)定在6.98，有研究表明魚菜共生系統(tǒng)pH維持在6.4左右時植物氮素轉化率NUE（Nitrogen Utilization Efficiency）為50.9%，pH值增加NUE下降，故在本研究中，各試驗組水體環(huán)境pH值利于蔬菜的氮素轉化過程。

溶解氧DO值變化曲線如圖7c所示，試驗初始魚糞等代謝物和飼料殘餌濃度高，腐生菌、寄生菌等異養(yǎng)菌對富氮底物轉化效率高，水培池水體前12 h內的DO值快速下降。在12～54 h硝化細菌等好氧微生物和微藻夜間呼吸作用增強，每個循環(huán)周期內水體DO值呈下降趨勢。各試驗組中微生物、菌群的大量繁殖和對氨氮底物的分解導致水體中的，DO值快速下降。隨著水體中有機質消解完全，大部分亞硝酸鹽被硝化細菌氧化為硝酸鹽，水體的理化參數較為穩(wěn)定，DO值有波動但均穩(wěn)定在6.68～7.76 mg/L內，研究表明，DO值大于6 mg/L時對魚類和蔬菜的生長繁殖沒有影響。試驗中發(fā)現，栽培池中化學需氧量低而溶解氧高的水培蕹菜組，其根系質量占比相對其他試驗組較小，但其各項生理參數并不低于其他試驗組，這說明提高蔬菜根系的溶氧量可以防止蔬菜根系過度發(fā)育，從而增加可食用部分的生物量。但水培蕹菜組氨氮、硝酸鹽氮去除率相對其他試驗組較低，這可能是由于其根系環(huán)境中硝化反應程度不高導致，這一點可由其化學需氧量低佐證，而造成硝化菌群活性不高的原因還有待進一步探究。

圖7 各試驗組其他水質參數曲線 Fig.7 Curves of other water quality parameters of experimental groups

3 結 論

1）耦合型魚菜共生系統(tǒng)中各試驗組蔬菜的鮮質量和株高相對增長率均顯著，各項氮化合物濃度均顯著下降，說明利用養(yǎng)殖尾水栽植蔬菜仍然是較好的資源再利用和減少養(yǎng)殖廢水污染物排放的途徑。在26 d栽植期內圣女果有最大鮮質量增長量28.43 g、最大株高增長量31.84 cm和最大株高相對增長率241.32%，42 h內對養(yǎng)殖尾水中亞硝酸鹽氮相對去除率69.17%，有最小氨氮質量濃度0.152 mg/L，經其轉化吸收后養(yǎng)殖尾水的pH值穩(wěn)定在6.98左右，有較高的溶解氧濃度，更適合循環(huán)至魚池再利用；

2）耦合型魚菜共生系統(tǒng)中，根部質量占比與整株鮮質量增長量關系的擬合曲線為一元二次方程，綜合各試驗組蔬菜的生理參數和實際生產結果，當根部質量占比在34%～42%間時，植株各器官發(fā)育較好。