蔡淑芳， 陳永快， 陳 敏， 包興勝， 張 鐘， 雷錦桂

(福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院數(shù)字農(nóng)業(yè)研究所，福建 福州 350003)

魚(yú)菜共生是將水產(chǎn)養(yǎng)殖和無(wú)土栽培結(jié)合起來(lái)的一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，具有良好生態(tài)效應(yīng)；在該系統(tǒng)中，魚(yú)和植物之間協(xié)同共生，植物可循環(huán)凈化養(yǎng)殖水體，以適合魚(yú)菜共同生長(zhǎng)，并收獲兩種農(nóng)產(chǎn)品[1]。利用魚(yú)菜共生技術(shù)，開(kāi)展循環(huán)型趨零排放生產(chǎn)，是應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源匱乏的選擇之一。在魚(yú)菜共生中，需要特別關(guān)注的是氮素循環(huán)，氮素循環(huán)在維持魚(yú)菜生命上具有不可替代的作用，魚(yú)類排放的氨氮被轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，以供給植物作為營(yíng)養(yǎng)來(lái)源，魚(yú)菜的氮代謝始末點(diǎn)被鏈接起來(lái)，形成了系統(tǒng)共生效應(yīng)[2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外學(xué)者在魚(yú)菜共生的研究主要是針對(duì)作物、魚(yú)類、每日喂食量比例的合理化，以及生物過(guò)濾器的類型方面[3-4]；國(guó)內(nèi)學(xué)者主要是將植物引入養(yǎng)殖系統(tǒng)充當(dāng)水質(zhì)調(diào)整與修復(fù)的角色[5-10]；有部分學(xué)者從植物配置與根處理、飼料含氮、系統(tǒng)水流速度等方面對(duì)魚(yú)菜共生系統(tǒng)的閉式循環(huán)進(jìn)行了研究[11-15]。本研究擬在統(tǒng)一氮輸入量的情況下，分析不同植物密度對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)與魚(yú)菜生長(zhǎng)的影響，為進(jìn)一步把握魚(yú)菜共生系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律，豐富相關(guān)理論基礎(chǔ)，以及優(yōu)化系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所使用的裝置由魚(yú)箱、栽培槽、蠕動(dòng)泵、鼓風(fēng)機(jī)及曝氣頭組成(圖1)，位于福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院中以(中國(guó)以色列)示范農(nóng)場(chǎng)內(nèi)。每套裝置主體結(jié)構(gòu)由1個(gè)魚(yú)箱(500 L)搭配2根栽培槽(1 m2)組成。魚(yú)箱置于地面上，配有遮陰網(wǎng)，維持避光狀態(tài)，控制藻類生長(zhǎng)。栽培槽置于距地面80 cm的營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)(Nutrient Film Technique，NFT)栽培支架上，養(yǎng)殖水體通過(guò)蠕動(dòng)泵被提升至栽培槽內(nèi)，滴濾進(jìn)入植物根部。植物根部過(guò)濾魚(yú)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生的廢物為微生物附著生長(zhǎng)提供了較大的表面積。養(yǎng)殖廢水經(jīng)栽培槽凈化，在重力作用下回流至魚(yú)箱，實(shí)現(xiàn)一個(gè)循環(huán)。除補(bǔ)充因蒸發(fā)、蒸騰作用散失的水分以保持水體體積穩(wěn)定外，魚(yú)菜共生系統(tǒng)與四周環(huán)境無(wú)水體交換。

圖1 魚(yú)菜共生試驗(yàn)裝置圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

設(shè)3個(gè)處理組(A、B、C)，3個(gè)重復(fù)；每個(gè)處理組應(yīng)用1套魚(yú)菜共生裝置。A、B、C處理組的水雍菜(Ipomoea aquatica)栽培密度分別為60、45和30株/m2。每個(gè)處理組蔬菜栽培面積1.0 m2；魚(yú)箱內(nèi)養(yǎng)殖水體有效體積為350 L，養(yǎng)殖密度10 kg/m3。試驗(yàn)時(shí)間為2017年7月14日至8月15日，共33 d。室內(nèi)空氣濕度51%～72%，室溫32.5 ℃～34.5 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度50.98 kJ/cm2。根據(jù)前期預(yù)備試驗(yàn)，設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)水流量為0.043 2 m3/h，系統(tǒng)水流栽培區(qū)停留時(shí)間為20 min，栽培槽內(nèi)水流速約為3.45 m/min，整套系統(tǒng)水循環(huán)率為20次/d。

試驗(yàn)魚(yú)種為鯽魚(yú)(carassiusauratusgibelio)，初始質(zhì)量(195.56±11.17)g，每個(gè)魚(yú)箱的鯽魚(yú)總質(zhì)量約為3.5 kg。蔬菜品種為水雍菜，選取已定植10 d、植株健康、根系發(fā)達(dá)的水雍菜幼苗，按照60、45和30株/m2的栽培密度均勻移栽到栽培槽內(nèi)。采用人工喂食法，魚(yú)飼料為市售蛋白質(zhì)含量30%、含水率10%的漂浮型魚(yú)飼料。每天8:30、16:30各投喂1次，日投喂量為魚(yú)總質(zhì)量的2%。為防止殘飼污染水質(zhì)，攝食結(jié)束后1 h將殘飼撈出，并估算其質(zhì)量。

1.3 測(cè)試方法

試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束后，取樣測(cè)量水雍菜株高、鮮重以及鯽魚(yú)體質(zhì)量、體長(zhǎng)，采用凱氏定氮法測(cè)定魚(yú)菜生物體總氮含量。并根據(jù)水雍菜的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行3次收割(7月22日、8月3日、8月15日)，用于統(tǒng)計(jì)水雍菜產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

相對(duì)增長(zhǎng)率、魚(yú)菜生長(zhǎng)速率、特定生長(zhǎng)率與飼料轉(zhuǎn)化率計(jì)算公式：

X=100%×(B2j-B1j)/B1j

(1)

AS=(W2-W1)/(t×S)

(2)

Ay=(w2-w1)/T

(3)

FSGR=100%×(LnW4- LnW3)/t

(4)

FFCE=100%×(W4-W3)/F

(5)

式中：X—相對(duì)增長(zhǎng)率；B1j、B2j—分別為試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)的第j種類型魚(yú)菜生理指標(biāo)，如鮮重(g)、體長(zhǎng)(cm)、株高(cm)、總鮮重(kg)、含氮量(%)；AS—水雍菜生長(zhǎng)速率[g/(m2·d)]；t—試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間(d) ；S—水雍菜的種植面積(m2)；W1、W2—分別為試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)水雍菜的總鮮重(kg)；Ay—鯽魚(yú)生長(zhǎng)速率(g/d)；w1、w2—分別為試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)鯽魚(yú)的鮮重(g)；FSGR—特定生長(zhǎng)率(%/d)；W3、W4—分別為試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)鯽魚(yú)的總鮮重(kg)；FFCE—飼料轉(zhuǎn)化率；F—飼料總質(zhì)量(干重，kg)。

采用SPSS16.0對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素和雙因素方差分析，Duncan多重比較，以P<0.05作為差異顯著水平，描述性統(tǒng)計(jì)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(Mean±SD)表示。采用Excel2007對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線圖處理。

2 結(jié)果

2.1 系統(tǒng)水溫、DO、pH、EC

試驗(yàn)中的水溫(圖2)幾乎恒定，沒(méi)有大波動(dòng)，最小值為29.37 ℃，最大值為31.40 ℃。DO(圖3)在2.33～5.00 mg/L之間變化，并且集中分布在3.00～4.00 mg/L之間。pH(圖4)介于6.22～7.42之間，在整個(gè)試驗(yàn)中具有較高的穩(wěn)定性，基本位于6.5左右。EC值(圖5)介于0.19～0.66 mS/cm之間。

圖2 水溫變化曲線

圖3 DO變化曲線

圖4 pH變化曲線

圖5 EC變化曲線

2.2 系統(tǒng)氮化合物質(zhì)量濃度規(guī)律

從圖6～圖8可看出，在系統(tǒng)運(yùn)行前5 d，氨氮質(zhì)量濃度迅速升高，第5天達(dá)到峰值(2.167 mg/L)；亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度逐步增加，第5天達(dá)到峰值(1.368 mg/L)；硝酸鹽氮質(zhì)量濃度緩慢增加，低于1 mg/L。系統(tǒng)運(yùn)行第5～9 d，氨氮和亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度快速下降，第9天分別達(dá)到低值(1.052 mg/L和0.327 mg/L)；而硝酸鹽氮質(zhì)量濃度穩(wěn)步上升，第9天達(dá)到2.698 mg/L。系統(tǒng)運(yùn)行第9～21 d，氨氮質(zhì)量濃度又穩(wěn)步上升，第21天達(dá)到峰值(3.5 mg/L)；亞硝酸氮質(zhì)量濃度繼續(xù)急劇下降，第21天達(dá)到低值(0.201 mg/L)；硝酸鹽氮質(zhì)量濃度在急劇上升后短暫降低，第21天降低至3.604 mg/L。21 d后，系統(tǒng)運(yùn)行基本達(dá)到穩(wěn)定，氨氮和硝酸鹽氮質(zhì)量濃度緩慢增加，亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度始終處于低位。

圖6 氨氮質(zhì)量濃度變化曲線

圖7 亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化曲線

圖8 硝酸鹽氮質(zhì)量濃度變化曲線

經(jīng)雙因素方差分析，不同時(shí)間的氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮質(zhì)量濃度存在顯著差異(P=0.000)；3個(gè)處理組的氨氮、亞硝酸鹽氮質(zhì)量濃度沒(méi)有顯著差異(P>0.050)，3個(gè)處理組的硝酸鹽氮質(zhì)量濃度存在顯著差異(P=0.028)。

2.3 魚(yú)菜生長(zhǎng)情況

試驗(yàn)期間，A、B、C組魚(yú)總鮮重增量為(1.70±4.36)kg、(1.50±1.57)kg、(1.67±6.01)kg，菜總鮮重增量為(7.71±2.27)kg、(6.15±5.49)kg、(4.04±3.01)kg，飼料投喂總量均為2.310 kg。經(jīng)單因素方差分析，植物密度對(duì)魚(yú)總鮮重增量影響不顯著(P>0.050)，植物密度對(duì)菜總鮮重增量影響顯著(P=0.000)。

表1顯示，A、B、C組魚(yú)鮮重相對(duì)增長(zhǎng)率為(48.33±11.28)%、(42.59±4.87)%和(47.44±15.88)%，魚(yú)體長(zhǎng)相對(duì)增長(zhǎng)率為(13.63±7.35)%、(13.64±4.93)%和(18.03±15.76)%；菜鮮重相對(duì)增長(zhǎng)率為(270.71±2.71)%、(255.35±65.0)%和(225.92±58.8)%，株高相對(duì)增長(zhǎng)率為(71.98±4.41)%、(52.67±5.69)%和(58.38±20.27)%；魚(yú)含氮量相對(duì)增長(zhǎng)率為(-2.25±1.06)%、(-5.79±4.57)%和(-3.58±2.67)%，根含氮量相對(duì)增長(zhǎng)率為(-0.16±0.05)%、(-0.10±0.11)%和(0.05±0.17)%，地上部分含氮量相對(duì)增長(zhǎng)率(-0.07±0.05)%、(0.08±0.08)%和(-0.14±0.06)%。經(jīng)單因素方差分析，植物密度對(duì)地上部分含氮量相對(duì)增長(zhǎng)率的影響顯著(P=0.037)，植物密度對(duì)其他魚(yú)菜生理指標(biāo)相對(duì)增長(zhǎng)率的影響不顯著(P>0.050)。

表2顯示，A、B、C組水雍菜的生長(zhǎng)速率分別為(233.54±6.86)g/(m2·d)、(186.23±16.62)g/(m2·d)和(122.50±9.11)g/(m2·d)，鯽魚(yú)的生長(zhǎng)速率分別為(2.78±0.52)g/d、(2.53±0.26)g/d 和(2.83±0.87)g/d，特定生長(zhǎng)率分別為(1.19±0.23)%/d、(1.07±0.10)%/d和(1.16±0.32)%/d，飼料轉(zhuǎn)化率分別為(73.67±18.86)%、(64.79±6.79)%和(72.44±26.00)%。經(jīng)單因素方差分析，植物密度對(duì)水雍菜生長(zhǎng)速率影響顯著(P=0.000)；植物密度對(duì)鯽魚(yú)生長(zhǎng)速率、特定生長(zhǎng)率及飼料轉(zhuǎn)化率的影響均不顯著(P>0.050)。

表1 魚(yú)菜生理指標(biāo)變化情況

表2 魚(yú)菜生長(zhǎng)速率與鯽魚(yú)特定生長(zhǎng)率、飼料轉(zhuǎn)化率

3 討論

3.1 植物密度與系統(tǒng)氮化合物質(zhì)量濃度的關(guān)系

在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中，微生物將魚(yú)代謝產(chǎn)物中對(duì)魚(yú)有較大毒害作用的含氮化合物轉(zhuǎn)化為對(duì)魚(yú)類危害較小的硝酸鹽氮供植物生長(zhǎng)。研究表明，養(yǎng)殖水體中氮的生物轉(zhuǎn)化與微生物種類關(guān)系密切，氮素通過(guò)微生物的硝化反硝化作用在不同形態(tài)之間遷移轉(zhuǎn)化[19]。生物濾器在發(fā)揮作用時(shí)，本身存在一定的波動(dòng)性[20]。本試驗(yàn)中，在3種植物密度的系統(tǒng)中，氮化合物質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化顯著，硝酸鹽氮質(zhì)量濃度存在顯著差異。本研究的氨氮質(zhì)量濃度平均數(shù)值高于宋紅橋等[21]的研究結(jié)果，這可能是因?yàn)槠渌a(chǎn)養(yǎng)殖密度為5.65 kg/m3，而本研究采取10 kg/m3的高密度水產(chǎn)養(yǎng)殖方式，氨氮質(zhì)量濃度偏高，這說(shuō)明在水產(chǎn)養(yǎng)殖密度或者氮輸入量固定的情況下，通過(guò)擴(kuò)大植物栽培面積促進(jìn)氨氮轉(zhuǎn)化或許是可取的。同時(shí)，試驗(yàn)期間，B組的平均硝酸鹽氮質(zhì)量濃度最高(圖8)，即B組的硝酸鹽氮積累優(yōu)勢(shì)相對(duì)較明顯。分析原因，可能是由于B組的水雍菜栽培密度適中，對(duì)營(yíng)養(yǎng)需求較旺盛，且通風(fēng)性較好，適合硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)，因此積累了更多硝酸鹽氮。硝酸鹽氮作為系統(tǒng)中植物氮肥的重要來(lái)源，其積累可促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 植物密度對(duì)魚(yú)菜生長(zhǎng)的影響

在魚(yú)菜共生過(guò)程中，植物不僅凈化水質(zhì)，改善水產(chǎn)養(yǎng)殖水環(huán)境，促進(jìn)魚(yú)類生長(zhǎng)，且轉(zhuǎn)化利用魚(yú)類食用飼料的排泄物，供植物自身生長(zhǎng)，產(chǎn)出了魚(yú)菜兩種經(jīng)濟(jì)作物。在本試驗(yàn)中，除EC值外，試驗(yàn)系統(tǒng)的水質(zhì)適合于鯽魚(yú)和水雍菜的正常生長(zhǎng)，且可保證微生物的正?；钚浴Ｔ囼?yàn)中EC值偏低，造成了試驗(yàn)后期水雍菜出現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象，在后續(xù)研究中需要通過(guò)添加螯合鐵等溶液來(lái)加以改善。

從植物密度對(duì)鯽魚(yú)生長(zhǎng)情況來(lái)看，植物密度對(duì)鯽魚(yú)總鮮重、鮮重、體長(zhǎng)和魚(yú)含氮量的相對(duì)增長(zhǎng)率，以及生長(zhǎng)速率、特定生長(zhǎng)率及飼料轉(zhuǎn)化率等的影響均不顯著，且鯽魚(yú)生長(zhǎng)速率、特定生長(zhǎng)率及飼料轉(zhuǎn)化率等指標(biāo)與普通水產(chǎn)養(yǎng)殖相當(dāng)[22]；這說(shuō)明3種植物密度系統(tǒng)的鯽魚(yú)生長(zhǎng)無(wú)顯著差異，且生長(zhǎng)良好。

從植物密度對(duì)水雍菜生長(zhǎng)情況來(lái)看，一方面，植物密度對(duì)水雍菜總鮮重增量及生長(zhǎng)速率的影響顯著，且水雍菜栽培密度越大，其總鮮重增量與生長(zhǎng)速率越大，這說(shuō)明在同一栽培面積下，密度越大，收獲越多；同時(shí)也反映了一種可能，即在魚(yú)初始生物量固定的前提下，植物栽培面積越大，蔬菜產(chǎn)出越多。另一方面，水雍菜整株含氮量與普通水培生產(chǎn)相當(dāng)[23]，這說(shuō)明3種植物密度的系統(tǒng)可滿足水雍菜的氮素營(yíng)養(yǎng)需求；同時(shí)，植物密度對(duì)水雍菜地上部分含氮量相對(duì)增長(zhǎng)率影響顯著，且僅有B組相對(duì)增長(zhǎng)率為正值(表1)，這說(shuō)明B組水雍菜地上部分含氮量變化優(yōu)勢(shì)較明顯。就氮素轉(zhuǎn)化效率來(lái)看，B組的栽培密度更值得推薦。

4 結(jié)論

在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中，植物密度是影響系統(tǒng)良性發(fā)展的關(guān)鍵因子，通過(guò)試驗(yàn)掌握植物密度與水質(zhì)及魚(yú)菜生長(zhǎng)的變化規(guī)律，為促進(jìn)魚(yú)菜共生循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的優(yōu)化推廣奠定基礎(chǔ)。從為期33 d的試驗(yàn)結(jié)果看，系統(tǒng)水質(zhì)基本上可以滿足鯽魚(yú)和水雍菜的正常生長(zhǎng)，試驗(yàn)后期氮化合物質(zhì)量濃度基本穩(wěn)定。3種植物密度的系統(tǒng)，鯽魚(yú)生長(zhǎng)無(wú)顯著差異；硝酸鹽氮質(zhì)量濃度存在顯著差異，植物密度為45株/m2的系統(tǒng)具有較高的氮素轉(zhuǎn)化效率。試驗(yàn)同時(shí)表明，可通過(guò)擴(kuò)大植物栽培面積來(lái)促進(jìn)系統(tǒng)的氮素轉(zhuǎn)化，并且獲取更多的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出。

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