油麥菜對魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)中水質(zhì)的凈化效果研究

張植元，魏 東，劉浩翔，谷 兵，范 澤，王雄延，劉榮軍

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611200；2.天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點實驗室，天津 300384；3.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江省水生動物病害與免疫重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150070)

魚菜共生起源于我國古代的稻田養(yǎng)魚技術(shù)，是一種新型的復(fù)合耕作體系，它將循環(huán)水養(yǎng)殖與無土栽培2種技術(shù)結(jié)合起來，通過巧妙的生態(tài)設(shè)計達到科學(xué)的協(xié)同共生，從而實現(xiàn)養(yǎng)魚不換水而無水質(zhì)憂患，種菜不用施肥而能正常成長的生態(tài)共生效應(yīng)。20世紀(jì)80年代美國科學(xué)家完成了魚菜共生的理論論述[1]；20世紀(jì)80年代末期美屬維爾京群島大學(xué)詹姆斯·瓦克斯博士成功研發(fā)了世界上第一套魚菜共生系統(tǒng)的UVI模式[2]；20世紀(jì)80年代，我國建立了第一套魚菜共生系統(tǒng)，并通過了中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金會和中國水產(chǎn)學(xué)會組織的技術(shù)鑒定[3]。

目前，對魚菜共生的研究主要集中在系統(tǒng)構(gòu)造方面[4-6]，現(xiàn)有的魚菜共生種植系統(tǒng)都采用先將養(yǎng)殖用水過濾分解再提供給植物利用，將營養(yǎng)物質(zhì)的分解環(huán)節(jié)和植物種植環(huán)節(jié)分開，增加了用地面積；此外，魚菜共生理論方面的研究還較少，雖然目前已有大量關(guān)于魚菜共生系統(tǒng)的研究報道，但研究還不夠深入。

油麥菜(LactucasativaL.)隸屬菊科萵苣屬，是以嫩稍、嫩葉為食用部位的葉用萵苣。油麥菜營養(yǎng)豐富、適應(yīng)性強、生長周期短，是無土栽培研究的模式植物之一。油麥菜根系發(fā)達，因此水培油麥菜植株生長很快，受氮素形態(tài)的影響更加明顯[7]。目前，國內(nèi)外研究者關(guān)于氮素營養(yǎng)對油麥菜栽培的影響研究主要集中在施肥調(diào)控、產(chǎn)量與硝酸鹽積累等方面[8-11]，關(guān)于油麥菜對魚菜共生系統(tǒng)中水質(zhì)的凈化效果報道較少。筆者利用生態(tài)學(xué)原理[12-14]設(shè)計并建立了一種魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過建立植物與微生物之間的協(xié)同共生關(guān)系[15-17]，探討該系統(tǒng)中油麥菜對水質(zhì)的凈化效果，以期為開發(fā)和利用魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)奠定實踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)該魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)包括養(yǎng)殖模塊、蓄水模塊、立柱種植模塊、平面浮筏種植模塊、水循環(huán)裝置。養(yǎng)殖模塊由養(yǎng)殖池和收集池組成，養(yǎng)殖池底部朝中央向下傾斜，形成漏斗式的底面。養(yǎng)殖池和收集池的底部和上部分別由管道連通，使養(yǎng)殖池和收集池形成一個U形連通器。蓄水模塊為安裝有虹吸和溢流裝置的高位蓄水池，收集池中的水經(jīng)水泵提至蓄水池中，水位上升到虹吸裝置控制的最高水位時就會觸發(fā)虹吸裝置，在水壓的作用下形成強大的水流，再被循環(huán)管道分流到立柱種植裝置中。立柱種植模塊是由若干中通的管道組成的立柱種植裝置，管道的外壁四周沿豎直方向設(shè)置有4列種植孔，相鄰2列種植孔之間呈交錯排列，種植孔貫穿管壁并且開口傾斜向上，每一個種植孔上配有一個種植籃，用于固定所栽培植物。平面浮筏種植模塊由若干深水浮筏栽培床構(gòu)成，栽培床的出水口設(shè)置為溢流結(jié)構(gòu)。該魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)與傳統(tǒng)UVI栽培模式不同之處[4,18]在于：在該系統(tǒng)中流入栽培床的養(yǎng)殖用水未經(jīng)過濾且浮板的寬度大于栽培床寬度，使浮板放在栽培床上時能夠架在栽培床的兩端，從而使浮板能夠高于栽培床的最高水位，以便在浮板與栽培床水面之間留一層空氣層。水循環(huán)裝置由水泵及循環(huán)管道組成。

蓄水模塊、立柱種植模塊、平面浮筏種植模塊，養(yǎng)殖模塊在豎直方向分別為上層、中層、下層、底層，呈4層分布；循環(huán)管道將養(yǎng)殖模塊、蓄水模塊、立柱種植模塊、平面浮筏種植模塊依次連接。該系統(tǒng)的水循環(huán)路線為養(yǎng)殖模塊→蓄水模塊→立柱種植模塊→平面浮筏種植模塊→養(yǎng)殖模塊。養(yǎng)殖用水未經(jīng)過濾，直接經(jīng)水泵從收集池提升至蓄水池，再由蓄水池輸送到各立柱種植裝置中，經(jīng)立柱種植裝置進行過濾吸收后再輸送到栽培床進一步過濾吸收，最后由循環(huán)管道導(dǎo)流回養(yǎng)殖池，形成一個閉合循環(huán)。魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)

1.2 試驗材料試驗選取油麥菜作為試驗蔬菜，試驗蔬菜為天津農(nóng)學(xué)院蔬菜研究中心同期培育的4種幼苗，試驗前待幼苗長出4片真葉時再將幼苗移植到立柱種植裝置中。試驗用魚為天津市藍科水產(chǎn)養(yǎng)殖公司同期繁殖的錦鯉魚苗，試驗前進行消毒處理，并置于周轉(zhuǎn)箱(0.8 m×0.6 m×0.4 m)中暫養(yǎng)7 d，在此期間不投喂飼料。

試驗飼料以魚粉、全蝦粉、豆粕和棉粕作為蛋白質(zhì)來源，其組成與營養(yǎng)水平見表1。各飼料原料均通過粉碎機粉碎過60目網(wǎng)篩，混合均勻后，使用江蘇牧羊集團生產(chǎn)的牧羊MUZLM V4型飼料制粒機制成直徑1.00 mm的沉性顆粒飼料。

表1 飼料組成及營養(yǎng)水平(風(fēng)干基礎(chǔ))

1.3 試驗分組及管理試驗在天津農(nóng)學(xué)院水生觀賞動物養(yǎng)殖實驗室進行。暫養(yǎng)期結(jié)束后，挑選健康、規(guī)格一致的錦鯉魚苗[初始體重為(55.73±3.55)g]作為試驗用魚并進行分組，油麥菜幼苗長出4片真葉后挑選健壯且高度基本一致的幼苗移植到立柱種植裝置中，建立魚菜共生系統(tǒng)。試驗設(shè)置對照組和處理組，每組設(shè)置3個重復(fù)，每個重復(fù)投放15條魚，其中對照組不種植油麥菜，處理組各種植油麥菜15顆，共60顆。

整個試驗期28 d，試驗期間分別在第0、4、8、12、16、20、24、28天取樣測定水體中的氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、總氮的含量。試驗期間采用固定投飼率的方法進行投喂，日投飼率為3%。養(yǎng)殖池設(shè)置有水位刻度線，整個系統(tǒng)在試驗期間不需要換水，每天只需要往養(yǎng)殖池添加少量水到刻度線，以補充被蔬菜吸收和蒸發(fā)的水分。試驗結(jié)束后，清除立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)中的油麥菜，并進行株高測定。

1.4 水質(zhì)指標(biāo)的測定

1.4.1氨氮含量的測定。氨氮含量的測定參考雷衍之[19-20]的方法。氨氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考雷衍之[19-20]的方法。氨氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖2。

圖2 氨氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.2亞硝態(tài)氮含量的測定。亞硝態(tài)氮含量的測定參考雷衍之[19-20]的方法。亞硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考雷衍之[19-20]的方法。亞硝態(tài)氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖3。

圖3 亞硝態(tài)氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.3硝態(tài)氮含量的測定。硝態(tài)氮含量的測定參考雷衍之[19-20]的方法。硝態(tài)氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考雷衍之[19-20]的方法。硝態(tài)氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖4。

圖4 硝態(tài)氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.4.4總磷和總氮含量的測定?？偭缀涂偟康臏y定參考雷衍之[19-20]的方法。總磷和總氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制參考雷衍之[19-20]的方法?？偟?、總磷含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線見圖5～6。

圖5 總氮含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析試驗數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并使用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)；若差異達到顯著水平(P<0.05)，則采用Duncan’s法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對氨氮的凈化效果由圖7可知，整個試驗期處理組水體中的氨氮含量整體上呈現(xiàn)下降趨勢，其中對照組氨氮含量先升高后下降，第0～12天氨氮含量呈上升趨勢，第12天達到最高值，此后呈下降趨勢；處理組氨氮含量在第4天達到最高值，此后呈現(xiàn)下降趨勢。在整個試驗期內(nèi)，同一時間對照組和處理組水體中氨氮含量差異顯著(P<0.05)，第0、4、8天處理組氨氮含量顯著高于對照組(P<0.05)，第8天以后對照組氨氮含量顯著高于處理組(P<0.05)。以上結(jié)果說明該魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠較好地凈化水體中的氨氮。

圖6 總磷含量的標(biāo)準(zhǔn)曲線

注：同一時間標(biāo)有不同小寫字母表示2組間顯著差異(P<0.05)

2.2 魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對亞硝態(tài)氮的凈化效果由圖8可知，在試驗期內(nèi)對照組和處理組水體中亞硝態(tài)氮含量均呈先上升后下降再上升的趨勢。試驗期內(nèi)，除了第8天外，其他時間段處理組的亞硝態(tài)氮含量都顯著低于對照組(P<0.05)，說明該魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對養(yǎng)殖水體中亞硝態(tài)氮的凈化效果明顯。

注：同一時間標(biāo)有不同小寫字母表示2組間顯著差異(P<0.05)

2.3 魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對硝態(tài)氮的凈化效果由圖9可知，試驗期內(nèi)對照組和處理組水體中硝態(tài)氮含量均呈先上升后下降的趨勢，同一時間處理組和對照組硝態(tài)氮含量差異顯著(P<0.05)(第16天除外)。第28天處理組硝態(tài)氮含量明顯低于第0天，而對照組的硝態(tài)氮含量與第0天相比變化不明顯，說明魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對養(yǎng)殖水體中硝態(tài)氮的凈化效果明顯。

2.4 魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對總氮的凈化效果由圖10可知，整個試驗期內(nèi)對照組和處理組水體中總氮含量整體上呈上升趨勢。整個試驗期內(nèi)，同一時間處理組和對照組總氮含量差異顯著(P<0.05)(第16天除外)。第16天以后，處理組總氮含量顯著高于對照組(P<0.05)。對照組總氮含量由第0天的73.49 mg/L上升到第28天的102.84 mg/L，處理組的總氮含量由第0天的82.48 mg/L上升到第28天的95.20 mg/L。

2.5 魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對總磷的凈化效果由圖11可知，試驗期內(nèi)對照組和處理組水體中總磷含量整體上呈上升趨勢，同一時間對照組與處理組總磷含量差異顯著(P<0.05)。對照組總磷含量由第0天的13.06 mg/L上升到第28天的20.82 mg/L，處理組總磷含量由第0天的13.36 mg/L上升到第28天的19.68 mg/L。這說明該魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對養(yǎng)殖水體中總磷含量產(chǎn)生了一定的影響。

注：同一時間標(biāo)有不同小寫字母表示2組間顯著差異(P<0.05)

3 討論

3.1 養(yǎng)殖水體中氨氮的凈化效果水體中氮素在自然狀態(tài)下的主要來源如下：①水體中的固氮細菌及藻類通過固氮作用將大氣中的氮氣轉(zhuǎn)變成有效氮；②水體中的魚類及其他水生動植物的代謝產(chǎn)物(如小分子肽、尿素、尿酸等)最終會轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮(NH3-N)，而水體中動植物殘體以及水體中有機碎屑通過礦化作用使有機氮以氨氮的形式釋放到水體中；③水體的地表徑流以及域外污水的串流帶來氮素污染物等[21]。

在魚菜共生系統(tǒng)中，氮隨著餌料以有機物的形式進入系統(tǒng)內(nèi)，一部分餌料經(jīng)過魚類的攝食、轉(zhuǎn)化、吸收被固定到魚體內(nèi)，氨基酸經(jīng)過代謝以氨和尿素的形式釋放到水體中，一部分殘餌碎屑經(jīng)過水體中細菌的分解被轉(zhuǎn)化成氨基酸，進而通過氨化作用最終轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡?。水體中氨氮含量是指在水體中離子銨態(tài)氮(NH4+-N)與非離子氨態(tài)氮(NH3-N)的含量之和，且NH4+-N和NH3-N對水生生物的毒性有很大的差異，NH4+-N基本沒毒；NH3-N不帶電荷，具有較強的脂溶性，很容易透過細胞膜對水生生物產(chǎn)生很強的毒性[19]。該試驗中對照組和處理組水體中氨氮含量差異顯著，整個試驗期內(nèi)對照組和處理組水體中的氨氮含量整體上呈下降趨勢。譚洪新等[22]采用水培蔬菜對養(yǎng)殖廢水進行凈化處理，發(fā)現(xiàn)水培蔬菜對養(yǎng)殖水體中氨氮的最大去除率達到57.46%。汪小將等[23]在水培蔬菜對富營養(yǎng)化水體的凈化效果研究中也發(fā)現(xiàn)水培蔬菜在富營養(yǎng)化水體中對氨氮的去除率達到92%。該試驗通過在立柱種植裝置上種植油麥菜，利用植物與微生物之間的協(xié)同作用將養(yǎng)殖廢水中的營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為植物所需的養(yǎng)分，再經(jīng)植物的吸收作用達到凈化水質(zhì)的目的。該試驗建立的魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)在該試驗條件下能夠較好地凈化水體中的氨氮。

3.2 養(yǎng)殖水體中亞硝態(tài)氮的凈化效果自然水體中亞硝態(tài)氮(NO2--N)含量較低，NO2--N是NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N的中間產(chǎn)物[19]。養(yǎng)殖水體中亞硝酸鹽對水生生物具有很強的毒性，它能通過魚類的呼吸作用由鰓絲進入血液，使正常的血紅蛋白發(fā)生氧化，使輸氧功能受到影響，出現(xiàn)組織缺氧，從而導(dǎo)致魚蝦缺氧甚至窒息死亡[19]。該試驗中對照組和處理組水體中亞硝態(tài)氮含量呈先上升后下降再上升的趨勢。譚洪新等[22]在水培蔬菜對養(yǎng)魚廢水水質(zhì)的凈化效果研究中發(fā)現(xiàn)，水培蔬菜對廢水中亞硝態(tài)氮的凈化率達到51.72%。賈晨等[24]在水生植物對模擬養(yǎng)殖水體的凈化效果研究中發(fā)現(xiàn)，千屈草等一些水生植物對人工模擬養(yǎng)殖水體中的亞硝態(tài)氮有較好的去除效果。該試驗中處理組亞硝態(tài)氮含量在除了第8天外的其他時間段都顯著低于對照組，說明該試驗所建立的魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)對養(yǎng)殖水體中亞硝態(tài)氮的凈化效果明顯。

3.3 養(yǎng)殖水體中硝態(tài)氮的凈化效果硝態(tài)氮(NO3--N)廣泛存在于自然水體中，是含氮化合物氧化的最終代謝產(chǎn)物，對魚類的毒性微弱。相關(guān)研究表明，魚類對硝態(tài)氮的最高承受濃度達到200 mg/L，但養(yǎng)殖水體中硝態(tài)氮的不斷積累也會影響魚類的正常生長[25]。在循環(huán)水養(yǎng)殖條件下，水體中硝態(tài)氮會大量積累，在缺氧狀況下硝態(tài)氮經(jīng)過微生物的反硝化作用會生成有毒的亞硝態(tài)氮，同時含硝態(tài)氮養(yǎng)殖廢水的大量排放會造成周邊水體的富營養(yǎng)化[19]。在該試驗系統(tǒng)中殘餌、糞便通過微生物的分解作用，含氮有機化合物被最終轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮，試驗期內(nèi)養(yǎng)殖水體的溶解氧(DO)含量均在7.0 mg/L以上，因此硝態(tài)氮通過反硝化作用形成氮氣(N2)或者一氧化二氮(N2O)的量可以忽略不計。該系統(tǒng)中硝態(tài)氮的凈化主要通過蔬菜和系統(tǒng)中微生物的同化作用。該試驗結(jié)果表明，對照組和處理組水體中硝態(tài)氮含量呈先上升后下降的趨勢，與對照組相比處理組的硝態(tài)氮含量變化明顯，并且在整個試驗期內(nèi)處理組和對照組硝態(tài)氮含量差異顯著(第16天除外)。宋紅橋等[26]關(guān)于水培植物在溫室大棚中對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的水質(zhì)凈化試驗結(jié)果表明，栽培區(qū)的水培植物對硝態(tài)氮的去除率為14.5%，對養(yǎng)殖水體表現(xiàn)出較強的凈化能力。葉聰?shù)萚27]在水培蔬菜凈化凡納濱對蝦養(yǎng)殖塘水質(zhì)的研究也表明水培植物對養(yǎng)殖水體有較強的凈化作用。該試驗中第28天處理組硝態(tài)氮含量明顯低于第0天，由此可見該試驗建立的魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)在該試驗條件下對養(yǎng)殖水體中的硝態(tài)氮具有明顯的凈化效果。

3.4 養(yǎng)殖水體中總氮和總磷的凈化效果水體中的總氮(TN)是指水體中各種形態(tài)氮含量的總和，是評價水體中富營養(yǎng)和污染水平的重要指標(biāo)之一。水體中的總氮包括各種可溶性的化合態(tài)氮和各種顆?；蠎B(tài)氮[28-29]。該試驗系統(tǒng)中循環(huán)使用的養(yǎng)殖用水未經(jīng)過過濾沉降直接導(dǎo)入立柱種植裝置中，水體中的殘餌、糞便經(jīng)過立柱種植裝置被滯留在生化過濾棉的表面，含氮大顆粒有機化合物被異養(yǎng)型微生物分解成可溶性的化合態(tài)氮和小顆粒的化合態(tài)氮，再經(jīng)過蔬菜根際微生物的作用分解成植物所需的含氮化合物，進而被蔬菜吸收利用。在整個試驗期內(nèi)，對照組和處理組水體中總氮含量整體上呈上升趨勢，處理組和對照組總氮含量差異顯著(第16天除外)。對照組的總氮含量由第0天的73.49 mg/L上升到第28天的102.84 mg/L，處理組的總氮含量由第0天的82.48 mg/L上升到第28天的95.20 mg/L。由此可見，該試驗建立的魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)在該試驗條件下對養(yǎng)殖水體中總氮的凈化效果明顯。

水體中的總磷(TP)是指水體中各種形態(tài)磷含量的總和，是評價水體中富營養(yǎng)和污染水平的重要指標(biāo)之一。水體中的總磷包括各種溶解態(tài)的磷與顆粒態(tài)的磷，其中溶解態(tài)磷包括水體中各種溶解態(tài)磷酸鹽和有機態(tài)磷酸酯等，顆粒態(tài)磷包括不溶解無機磷與有機磷[19]。磷在水生生態(tài)系統(tǒng)中的遷移模式與氮素循環(huán)有所不同，自然水體中磷只有被初級生產(chǎn)者同化吸收后才能進入下一個能量級的磷循環(huán)[19，30]。在該試驗系統(tǒng)中，磷隨著餌料的投入被帶入該系統(tǒng)中，殘餌、糞便在蔬菜根際微生物的分解下轉(zhuǎn)化為蔬菜所需的有效磷。該試驗中試驗期內(nèi)對照組和處理組水體中總磷含量整體上呈上升趨勢，其中對照組的總磷含量由第0天的13.06 mg/L上升到第28天的20.82 mg/L，處理組的總磷含量由第0天的13.36 mg/L上升到第28天的19.68 mg/L。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于立柱種植裝置的一些離子基團對磷酸類化合物具有吸附作用，因而被釋放到水體中總的磷素較低。尤宏爭等[28]關(guān)于3種蔬菜對室內(nèi)靜水水槽中養(yǎng)殖水體營養(yǎng)物質(zhì)的去除試驗結(jié)果表明，3種蔬菜在養(yǎng)殖水體中均能正常存活，但對養(yǎng)殖水體中的總磷去除效果不明顯。該試驗結(jié)果表明該試驗建立的魚菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)在該試驗條件下對養(yǎng)殖水體中總磷含量產(chǎn)生了一定的影響。

4 結(jié)論

該試驗系統(tǒng)中蔬菜生長良好，對養(yǎng)殖水體中水質(zhì)的凈化效果明顯，能將養(yǎng)殖廢水再利用，同時又能收獲無農(nóng)藥殘留的有機蔬菜。該系統(tǒng)的立體化研究對于都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展有一定幫助，但具體實施還需要進一步研究。