火山石沉積對魚菜共生系統(tǒng)運行的探究

陳登龍， 張雨翔， 宋佳佳， 陳鵬宇， 溫祥珍， 李亞靈

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801）

在傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖中，魚類排泄物和飼料殘渣易分解出氨氮，加劇水質(zhì)的污染，造成魚類的大量死亡[1-3]，在魚菜共生系統(tǒng)中，植物可以吸收利用這些營養(yǎng)物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的作用[4-6]。

目前，魚菜共生系統(tǒng)主要有循環(huán)養(yǎng)殖和一體化栽培2 種類型，其中循環(huán)養(yǎng)殖方式由多元系統(tǒng)組成，成本昂貴且操作復(fù)雜[7?8]。與循環(huán)養(yǎng)殖相比，一體化魚菜共生系統(tǒng)將植物直接種植在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，利用植株根系凈化水體，操作簡單，成本低[9]。然而一體化栽培系統(tǒng)以植物根系作為單一的生物濾池，能夠提供硝化細(xì)菌生長的場所有限，導(dǎo)致生物過濾能力弱，對水體的凈化效果不夠理想[10-12]。為了提高植物的凈化效果，部分研究者將注意力放在添加介質(zhì)上，F(xiàn)rincu 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，添加過濾材料可以增加硝化細(xì)菌的數(shù)量，達(dá)到更好的水體凈化效果；王華等[14]利用火山石作為載體生物膜可以有效去除水體中氮磷；王冰等[15]在循環(huán)養(yǎng)殖魚菜共生系統(tǒng)中用火山石作為過濾池的添加物質(zhì)，能夠有效提高蔬菜的產(chǎn)量。

目前，人們對火山石在魚菜共生系統(tǒng)的應(yīng)用研究多集中在單獨循環(huán)系統(tǒng)，對一體化魚菜共生系統(tǒng)中放置火山石的影響仍需進(jìn)一步探究。本試驗在統(tǒng)一氮磷輸入量下，探究添加火山石對水體凈化、養(yǎng)分積累、魚菜生長及其對系統(tǒng)中氮和磷利用率的影響，為進(jìn)一步優(yōu)化一體化魚菜共生系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1生菜品種 生菜（Lactuca sativaL.）品種為‘意大利生菜’，購自山西省太谷縣種子批發(fā)部，定植時選擇健壯一致且具有3~4 片葉的生菜幼苗植株。

1.1.2試驗魚種 養(yǎng)殖鯉魚（Cyprinus carpio）品種為‘豐鯉魚’，由廣東農(nóng)業(yè)淡水魚苗養(yǎng)殖基地提供。選取健康、初試體質(zhì)量17~20 g·條-1的鯉魚苗，試驗開始前用0.01 mol·L-1NaCl 對鯉魚進(jìn)行10 s浸泡殺菌。

1.1.3魚飼料 魚飼料為蛋白質(zhì)含量32%、含水量10%的漂浮型餌料，購自廣西省南寧市興寧區(qū)蘇哥園藝有限公司。

1.1.4火山石 火山石規(guī)格為1~3 cm，購自山東省立橙水族用品有限公司，試驗開始前用0.02 mol·L-1KMnO4進(jìn)行浸泡消毒。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2021 年10 月25 日至12 月8 日在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所（37°25′31″N，112°34′32″E）的日光溫室中進(jìn)行，溫室坐南朝北、東西延長。在日光溫室中用防火隔熱保溫板建造水池，系統(tǒng)設(shè)置如圖1 所示。水池長1.5 m，寬1.2 m，高0.9 m，水池中注水深度0.5 m，水量為1 000 L；在水池中養(yǎng)殖鯉魚，每個水池放置110 條鯉魚，養(yǎng)殖密度為2 kg·m-3。在水池表面放置栽培浮板，浮板長0.75 m，寬1.2 m，厚0.04 m，上共有972 個栽培孔，在栽培浮板上種植生菜，種植密度為36 株·m-2。為防止魚對生菜根系的啃咬，在栽培浮板底部以尼龍網(wǎng)（網(wǎng)眼直徑2 mm）對生菜進(jìn)行護(hù)根。栽培浮板占水表面面積的50%。

圖1 一體化魚菜共生系統(tǒng)Fig.1 System of the integrated aquaponics

試驗共設(shè)置4 個處理，分別為在水池中養(yǎng)殖鯉魚（F），養(yǎng)殖鯉魚并在魚池底部添加火山石（Fv），養(yǎng)殖鯉魚、在魚池底部添加火山石并在上部種植生菜（Fvs），只養(yǎng)殖鯉魚和種植生菜（Fs）?；鹕绞斗琶芏葹? kg·m-3，試驗開始前對水池進(jìn)行3 d 循環(huán)抽水，以降低氯氣含量，試驗開始時將火山石放置在Fv 和Fvs 處理水池底部。試驗期間，每天分別在8:00、12:00 和16:00 定時投喂魚飼料，投喂量為鯉魚總鮮重的1%~2%。

總之，0.1mg/kg納布啡用于無痛胃腸鏡檢查具有和舒芬太尼0.1μg/kg用量相似的鎮(zhèn)靜鎮(zhèn)痛效果，呼吸抑制發(fā)生率低于舒芬太尼；小劑量異丙嗪麻醉前靜注，可有效預(yù)防納布啡引起眩暈的副作用，減少丙泊酚用量，值得臨床推廣使用。

試驗使用“小喇叭溫濕度測定儀”（購自海芯華夏公司）測定試驗場所的環(huán)境溫度和濕度，每隔5 min自動記錄1次，使用“SH-X型多路溫度儀”（購自深圳市深華軒科技有限公司）每隔30 min測定水溫，每天9:00 使用希瑪AR8210 溶解氧測定儀和TRI-METER 的pH、EC 一體儀測定水池中溶解氧（dissolved oxygen, DO）值、pH、水中鹽度（electrical conductivity, EC）值。在整個試驗周期中，環(huán)境溫度為10.46~17.84 ℃，濕度為80.82%~100%。

各處理間的基礎(chǔ)水質(zhì)均無顯著差異，4 個處理水溫均維持在11.1~18.3 ℃，適合鯉魚生存。溶解氧含量保持在5 mg·L-1，pH 處于7.96~8.58 的微堿性和堿性條件，EC為0.59~0.68 mS·cm-1（表1）。

表1 試驗期間各處理單元的水質(zhì)狀況Table 1 Water quality status of each treatment unit during the test period

1.3 測定項目和方法

1.3.1水樣分析 每隔4 d于上午9:00采取水樣，檢測水中氮化合物（氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮）和總磷質(zhì)量濃度。氨氮測定采用納式試劑分光光度法，亞硝酸鹽氮測定采用N-乙二胺光度法，硝酸鹽氮測定采用酚二磺酸光度法，總磷測定采用鉬酸銨比色法[16]。

1.3.2魚菜生長和產(chǎn)量測定 分別于試驗開始和結(jié)束時對每個水池鯉魚進(jìn)行稱重，記錄每次魚飼料投喂量，測定其特定生長率（specific growth rate，SGR）、飼料轉(zhuǎn)化率（feed conversion ratio，F(xiàn)CR）和存活率（survival rate，SR），計算公式如下[17?18]。

式中，W1表示初始總鮮重，W2表示收獲總鮮重，t表示試驗天數(shù)，Y1表示飼料消耗總量，Y2表示增重總量，H1表示初始數(shù)量，H2表示收獲時剩余量。

在試驗周期中，每5 d 對植株株高、葉片數(shù)進(jìn)行測量，收獲時稱其地上部和地下部總鮮重。

1.3.3魚、菜對氮和磷利用的測定 試驗結(jié)束后，選取5 株生菜、3 條鯉魚并稱取30 g 魚飼料；將生菜放入烘箱105 ℃殺青30 min，之后將生菜、鯉魚及魚飼料在80 ℃條件下烘干48 h，稱量干重，利用凱氏定氮法和鉬銻抗比色法對鯉魚和生菜的氮（N）、磷（P）含量進(jìn)行測定，水中N、P 總含量根據(jù)結(jié)束后氮化合物和總磷質(zhì)量濃度以1 000 L計算，計算公式如下[19?20]。

氮利用效率（nitrogen utilization efficiency, NUE）和磷利用效率（phosphorus utilization efficiency, PUE）采用下面公式計算。

式中，Nt表示投喂總氮量(g)，Pt表示投喂總磷量(g)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Microsoft Excel 2021、GraphPad Prism 8軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和制圖，用DPS 統(tǒng)計軟件進(jìn)行單因素方差分析，Duncan 法進(jìn)行差異顯著性比較（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對水池中氮化合物質(zhì)量濃度的影響

試驗期間氮化合物的質(zhì)量濃度變化見圖2。F、Fv、Fvs 和Fs 處理的氨氮質(zhì)量濃度變化趨勢基本一致，在1~13 d 呈快速上升趨勢，并均在第13 天出現(xiàn)第1 個高峰值，分別為8.09、8.57、8.19、8.43 mg·L-1，處理間無明顯差異；在第13~17 天均呈下降趨勢，第17~21 天再次呈上升趨勢，并在第21 天出現(xiàn)第2 個高峰值，這可能與系統(tǒng)中硝化作用的不穩(wěn)定性有關(guān)；之后各處理均呈快速下降趨勢，在第33天后基本呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 不同處理下氮化合物質(zhì)量濃度Fig. 2 Mass concentration of nitrogen compounds in different treatments

由亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化可知，在試驗的第1~21 天4 個處理均呈上升趨勢；第21~41 天，F(xiàn) 處理仍呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，但Fv、Fvs 和Fs 處理表現(xiàn)出下降趨勢，說明植株根系和火山石均能夠為硝化細(xì)菌提供附著場所；之后F、Fv、Fvs和Fs處理均呈下降趨勢，并在第45 天分別下降到1.87、1.04、0.56、0.87 mg·L-1。其中，F(xiàn)vs 處理較Fv 和Fs處理分別降低46.15%和35.63%，這表示在種植生菜的同時添加火山石對亞硝酸鹽氮的降低效果更明顯。

由硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化可知，在試驗第1~21天4個處理均呈下降趨勢，這可能是因為亞硝酸鹽氮向硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化過程受阻，導(dǎo)致水體中硝酸鹽氮的積累量減少；在第21~37 天，各處理均呈上升趨勢，其中與未添加火山石的F 和Fs 處理相比，F(xiàn)v 和Fvs 處理的上升趨勢較快，表明在統(tǒng)一氮輸入下，添加火山石能進(jìn)一步加快硝化速率；在試驗第37~45天，F(xiàn)、Fv、Fvs和Fs處理的平均硝酸鹽氮累積量分別為10.25、16.10、8.79、6.06 mg·L-1，其中，F(xiàn)v 比F 處理高57.07%，F(xiàn)vs 比Fs 處理高45.00%，表明添加火山石能促進(jìn)硝酸鹽氮的累積。

2.2 不同處理對水池中總磷質(zhì)量濃度的影響

水體總磷的質(zhì)量濃度變化如圖3所示，在試驗第1~33天，4個處理變化趨勢基本一致，只是在第21 天時有個回落，處理間無顯著差異。第33~45天，種植生菜的Fvs和Fs處理中總磷質(zhì)量濃度始終低于未種植生菜的F 和Fv 處理，且整個試驗期間，F(xiàn)和Fv處理的總磷質(zhì)量濃度無明顯差別，這表明單一添加火山石并不能有效地降低水中總磷質(zhì)量濃度，其降低程度主要受到種植生菜的影響。

圖3 不同處理下總磷質(zhì)量濃度Fig. 3 Mass concentration of total phosphorus in different treatments

2.3 不同處理對魚、菜產(chǎn)量的影響

在整個試驗期間，無鯉魚死亡現(xiàn)象，各處理間魚的特定增長率（SGR）、飼料轉(zhuǎn)化率（FCR）和產(chǎn)量增長率（PGR）均無顯著差異（表2）。生菜產(chǎn)量則有差異，F(xiàn)vs 處理與Fs 處理相比，其單株產(chǎn)量顯著增高33.99%，小區(qū)產(chǎn)量顯著增高33.95%（P<0.05）。這表明添加火山石能夠提高生菜的產(chǎn)量，但是對鯉魚的生存無影響。

表2 各處理間魚菜生長變化Table 2 Fish and plant growth results in different treatments

2.4 火山石沉積對生菜形態(tài)指標(biāo)的影響

圖4對比了魚池底部添加火山石并在上部種植生菜（Fvs）和只種植生菜（Fs）2種處理下生菜的株高和葉片數(shù)變化。結(jié)果表明，在試驗期間各處理的葉片數(shù)差異不明顯；從株高來看，第1~21 天各處理的株高變化差異不明顯，第26 天之后，F(xiàn)vs處理的株高明顯高于Fs處理，在第45天時，F(xiàn)vs和Fs 處理的株高分別達(dá)到17.25 和14.00 cm，其中Fvs處理比Fs處理高23.21%。這說明了添加火山石后對生菜的株高具有促進(jìn)作用，可能與硝酸鹽氮的積累程度有關(guān)。

圖4 生菜葉片數(shù)和株高變化Fig.4 Variation in leaf number and plant height of lettuce

2.5 不同處理對系統(tǒng)氮磷利用率的影響

試驗結(jié)束后各處理的氮利用率（NUE）如圖5所示，系統(tǒng)中氮的利用效率主要參考鯉魚、生菜2部分。F、Fv、Fvs 和Fs 處理中鯉魚和生菜的總NUE 分別為32.12%、31.29%、36.80%和34.04%，其中，沒有種植蔬菜的F 和Fv 處理的NUE 主要是來自鯉魚，種植生菜的Fvs和Fs處理，測得生菜對系統(tǒng)的氮利用率分別為7.32%和4.27%，而魚的NUE 分別為29.48%和29.77%。說明種植生菜后可以提高系統(tǒng)的NUE，且Fvs 處理高出Fs 處理71.43%（P<0.001）。

圖5 不同處理的氮和磷利用效率Fig.5 Utilization efficiency of nitroge and phosphorus in different treatments

磷的利用率（PUE）情況，F(xiàn)、Fv、Fvs 和Fs 處理中魚和菜的總PUE 分別為20.45%、21.02%、26.14%和21.71%，其中，F(xiàn)v、Fs 處理和F 處理的PUE 差異不明顯，說明單一添加火山石或只種植生菜對系統(tǒng)磷的利用不具有優(yōu)勢。但在種植生菜的前提下，與不添加火山石的Fs 處理相比，F(xiàn)vs 處理的PUE 高20.41%（P<0.001），表明在一體化魚菜共生系統(tǒng)中同時添加火山石和種植生菜能夠提高系統(tǒng)的磷利用效率。

3 討論

3.1 火山石沉積對水體氮化合物和魚菜生長的影響

水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮超過一定水平時，會影響魚類的正常生長[21?22]。Mclamey 等[23]經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖水體中氨氮質(zhì)量濃度不應(yīng)長期超過5 mg·L-1，Thangam[24]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度持續(xù)24 h超過2.89 mg·L-1時會造成魚類死亡。本試驗中，4 個處理的氨氮質(zhì)量濃度在后期均趨于穩(wěn)定，并遠(yuǎn)低于5 mg·L-1，亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度也均低于危險值，整個試驗期間無魚死亡現(xiàn)象。Frincu等[13]和劉爽等[25]認(rèn)為，在魚菜共生系統(tǒng)中添加介質(zhì)可以擴大硝化細(xì)菌的生長場所，增加硝化細(xì)菌的數(shù)量，從而促進(jìn)亞硝酸鹽氮向硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化。本研究中，與不添加火山石的F 處理相比，F(xiàn)v 處理的亞硝酸鹽氮含量更低，這表明火山石可以通過為硝化細(xì)菌提供附著場所而有效降低水體中亞硝酸鹽氮的含量；王華等[14]和何文祥等[26]的研究也表明，火山石作為生物膜載體，具有較強的吸附作用，可以用于水體的凈化，進(jìn)一步證實了在魚菜共生系統(tǒng)中應(yīng)用火山石沉積的可行性。水體中的硝酸鹽氮可以作為植物的營養(yǎng)來源，其含量的積累有利于促進(jìn)植物的生長[27]。Snow 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，影響植物生長的主要因素是養(yǎng)殖廢水中硝酸鹽氮的濃度；Endut等[29]進(jìn)一步研究表明，植物產(chǎn)量的高低主要與水體中硝酸鹽氮的含量有關(guān)。本試驗中Fvs 處理的硝酸鹽氮含量高于Fs 處理，且生菜產(chǎn)量高出Fs 處理33.95%，高于馬云曦等[30]研究的麥飯石、火山石和陶?；旌线^濾基質(zhì)在魚菜共生系統(tǒng)中生菜產(chǎn)量提高了21.9%的結(jié)果。這表明單獨以火山石作為一體化系統(tǒng)中底部過濾基質(zhì)是可行的，但其投放密度還需進(jìn)一步分析。

3.2 火山石沉積對氮利用率和磷利用率的影響

傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖中，氮素的利用效率普遍較低。Rakocy[31]研究發(fā)現(xiàn)，在傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水生動物對投入飼料的氮利用率僅為25%~30%。Schneider等[32]研究表明，僅養(yǎng)殖水生動物時，飼料中有30%~65%的氮無法被有效利用。與傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖類似，在魚菜共生系統(tǒng)中，魚類僅能吸收飼料中的少量氮素，大部分仍殘留在水體中。本試驗中4 個處理的鯉魚對系統(tǒng)中氮利用率差異不明顯，與傳統(tǒng)養(yǎng)殖基本一致，說明魚菜共生系統(tǒng)中NUE 的高低主要與植物有關(guān)。Zou 等[33]研究發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)中添加蛭石后，小白菜的氮利用率明顯提高20%~25%；本試驗中添加火山石后，F(xiàn)vs處理的生菜NUE高于未添加火山石的Fs處理，與其結(jié)果一致，但Fvs 和Fs 處理的NUE 僅為7.32%和4.27%，這可能與植株的種類、種植密度和光照強度等有關(guān)。Hu 等[34]和Petrea 等[11]研究也表明，不同植物或同一植物在不同種植密度下對系統(tǒng)中氮的利用率均有所差異；Liang 等[22]研究發(fā)現(xiàn)通過延長光照時間或增大光照強度均可提高植株對氮的利用效率；本試驗由于水池建造位置光線較弱，植株種植密度中等，在一定程度上影響了植株對系統(tǒng)的氮利用率。Seawright 等[35]和Crab 等[18]研究發(fā)現(xiàn)植物對磷的利用率為7%~48%，魚類對磷的利用率為20%~25%。而本試驗中，4 個處理中鯉魚對磷的利用率無太大差別，處于19%~22%之間，生菜對磷的最高利用率僅為4.78%，Cerozi 等[36]研究發(fā)現(xiàn)在共生系統(tǒng)中，植物對磷的吸收受補水中磷含量以及添加介質(zhì)的影響，這可能是導(dǎo)致生菜對魚飼料中磷利用率不高的原因。綜上，可考慮將火山石添加于一體化魚菜共生系統(tǒng)中，但需平衡火山石投放密度以及種植密度，以此來達(dá)到系統(tǒng)的高效運行。