李劍峰 ，黎興楊 ，張淑卿 *，郭金梅 ，丁 波 ，韓寶銀

（1.貴州師范學(xué)院 喀斯特生境土壤與環(huán)境生物修復(fù)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550018；2.貴州師范學(xué)院 地理與資源學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550018）

隨著城鎮(zhèn)化的加速，城市居住及辦公空間獲得不斷改善的同時(shí)，綠地及有限的栽培場(chǎng)地被建筑物所取代。原有依靠花盆、綠化帶等空間開展的城區(qū)土壤平面種植栽培模式，已不適合于當(dāng)前城市綠化和都市農(nóng)業(yè)的發(fā)展。利用城市住房陽(yáng)臺(tái)、庭院、屋頂和墻體等閑置空間進(jìn)行立體化栽培成為城市綠化和微農(nóng)業(yè)系統(tǒng)發(fā)展的有效模式[1]。但伴隨著城市居民生活節(jié)奏的加快和旅游、出差等短期外出活動(dòng)的增多，植物水培中營(yíng)養(yǎng)液的更換等措施難以由非專業(yè)人員配比操作而成為痛點(diǎn)問(wèn)題。魚菜共生栽培-養(yǎng)殖模式是近年來(lái)興起的一種復(fù)合栽培模式[2]，整合到遠(yuǎn)程智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中具有投入少、產(chǎn)值高、低碳環(huán)保等特點(diǎn)[3]。豆類植物通過(guò)水培依舊可被根瘤菌侵染形成根瘤并向外部環(huán)境釋放氮素[4]，連接菜-豆-魚三者間的物質(zhì)能量代謝形成整體的協(xié)同運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚不換水卻無(wú)水質(zhì)問(wèn)題，種菜不施肥卻能獲取足量養(yǎng)分的微型生態(tài)循環(huán)體系[5]。本研究通過(guò)將復(fù)合栽培-養(yǎng)殖體系中動(dòng)物、植物、固氮微生物三者間構(gòu)建一種平衡關(guān)系。以秸稈浸提物（CSE，Corn stalk extract solutions）植物源營(yíng)養(yǎng)液作為植物水培和魚類生存的營(yíng)養(yǎng)液[6]，以豆類根瘤菌共生固氮為營(yíng)養(yǎng)液補(bǔ)充氮素。由于整個(gè)系統(tǒng)無(wú)需農(nóng)藥化肥，將是未來(lái)發(fā)展綠色無(wú)土農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有效模式。本研究設(shè)計(jì)組裝的家庭栽培裝置利用這一原理，不僅保證了栽培蔬菜的養(yǎng)分供給，也為栽培設(shè)施賦予了教學(xué)、娛樂(lè)和觀賞的多種功能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所概況

本研究以貴州師范學(xué)院求真苑4樓西端樓頂露臺(tái)為設(shè)備安裝場(chǎng)所。場(chǎng)地長(zhǎng)864cm，寬768cm，從南面進(jìn)入，東面是墻壁，西北側(cè)是護(hù)欄。以東西方向軸線將試驗(yàn)陽(yáng)臺(tái)分為兩部分，模擬建筑物封閉陽(yáng)臺(tái)和露天陽(yáng)臺(tái)環(huán)境。外側(cè)保留露臺(tái)格局模擬露天陽(yáng)臺(tái)，進(jìn)行立體栽培設(shè)施的設(shè)計(jì)，安裝和調(diào)試。用于檢測(cè)及調(diào)試智能栽培裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 設(shè)備及材料

水培設(shè)施PVC管材：11cm口徑管材5根，每根380cm，直通10個(gè)；11cm變5cm轉(zhuǎn)接頭10個(gè)；5cm管材15根,每根300cm；5cm變2cm轉(zhuǎn)接頭20個(gè)；2cm管材80cm。根據(jù)場(chǎng)地把PVC管組裝成水培架，12/16高壓軟管5m。栽培設(shè)施使用5m的潛水泵進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)液的循環(huán)流動(dòng)。

水培管道設(shè)計(jì)加工，以11cm直徑的PVC管作為管道水培蔬菜的主要構(gòu)件，管上直線開6cm孔，孔間距12cm，孔內(nèi)放置定植籃。合理搭配魚菜種類要注意保持魚-菜間的養(yǎng)分需求平衡并考慮季節(jié)變化等因素[3]，可選用生長(zhǎng)迅速的蔬菜和代謝旺盛的魚類[7]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。管道構(gòu)架下置盛放植物源營(yíng)養(yǎng)液的敞口水箱用于養(yǎng)魚，用水泵把水箱中的水抽到水培管中形成半閉合的循環(huán)系統(tǒng)。制作栽培管時(shí)，在PVC管上每隔15.02cm開6.03cm的孔（如圖1）。每根11cm直徑PVC管以直徑5cmPVC彎頭管件上下連接，使每層栽培管道都有1-2cm的儲(chǔ)水深度，并由上至下連通。栽培管組裝完成后用鋁合金支架支撐，考慮魚池高度，支架與地面距離為75cm，栽培管間距為25cm?？紤]到上下層栽培管間的采光效果，并且盡量節(jié)省陽(yáng)臺(tái)空間，支架與地面的夾角為77°，栽培管間距為25cm，整個(gè)支架高度220cm。設(shè)備系統(tǒng)的正、側(cè)和實(shí)物圖如圖2-圖4所示。

圖1 菜-豆-魚共生系統(tǒng)水培管件圖

圖2 菜-豆-魚共生循環(huán)栽培系統(tǒng)正視圖

圖3 菜-豆-魚共生系統(tǒng)側(cè)視圖

圖4 菜-豆-魚共生系統(tǒng)實(shí)物圖

初始的菜-豆-魚共生營(yíng)養(yǎng)液采用CSE植物源營(yíng)養(yǎng)液并參照李劍峰等的方法制備[6]，營(yíng)養(yǎng)液配成20倍母液，高壓濕熱滅菌40min后保存?zhèn)溆?，使用時(shí)加滅菌后的自來(lái)水稀釋并調(diào)整pH為±7.0。水培管架各層間由彎管連通，頂部?jī)蓪庸艿涝耘嗬投梗衫投?根瘤共生固氮為管道內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)一步補(bǔ)充氮素，下面三排選擇黑葉白菜和蘿卜等水培蔬菜。水培管道底部為盛有菜-豆-魚共生營(yíng)養(yǎng)液的水箱作為魚池，養(yǎng)殖可通過(guò)花色特征區(qū)分、大小相近的錦鯉20尾。魚飼料為“統(tǒng)一”品牌的全營(yíng)養(yǎng)鯉魚飼料，采購(gòu)自統(tǒng)一線上旗艦店。設(shè)備運(yùn)行后，魚的排泄物作為氮磷及有機(jī)質(zhì)養(yǎng)分補(bǔ)充到魚池營(yíng)養(yǎng)液中并沉積在水池底部，由潛水泵將底部殘?jiān)樘岬皆耘喙艿理敳?，并依次流?jīng)管道拉巴豆栽培層，蔬菜栽培層，由水培植物根組織過(guò)濾后，再度進(jìn)入魚池水箱水體并通過(guò)下落過(guò)程濺落產(chǎn)生的氣泡補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)液的溶氧量（見表1）。

表1 植物水培植株數(shù)

共生水培系統(tǒng)于2017年10月1日開始運(yùn)行，對(duì)魚飼喂量按其體重5%投放，最初2天飼喂一次，2周后每7天投放1次飼料。之后不再更換營(yíng)養(yǎng)液，也不再補(bǔ)充魚飼料，僅以自來(lái)水補(bǔ)充魚池中蒸發(fā)耗散的水。期間菜-豆-魚生長(zhǎng)始終保持正常，至12月份天氣轉(zhuǎn)冷，菜、豆植株漸次凋零，試驗(yàn)于同年12月20日終止，總計(jì)生長(zhǎng)時(shí)間50天，生長(zhǎng)期結(jié)束后收集供試動(dòng)植物材料稱重。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel2003收集和整理數(shù)據(jù)。利用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析（Ducan法，P<0.05），其中，不同小寫字母代表處理間差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 水培植株生物量

由表2可見，水培植株中黑葉白菜在50天的生長(zhǎng)期內(nèi)100%成活，拉巴豆和水培蘿卜植株成活率均超過(guò)92%。表明水培方式不僅可用于兩種蔬菜，也適用于拉巴豆植株的水培。其中拉巴豆植株在整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間生長(zhǎng)良好，單株根瘤數(shù)12～30個(gè)，根瘤的橫切面呈粉紅色或褐紅色，表明其有固氮能力，可作為菜-豆-魚體系中的供氮植物。黑葉白菜和蘿卜（葉片）生長(zhǎng)良好，葉片鮮綠、平均單株鮮重均達(dá)到可食用的標(biāo)準(zhǔn)。僅就生物積累而言，黑葉白菜顯著高于拉巴豆和蘿卜，可作為最適合的水培材料。

表2 水培植株生長(zhǎng)量

2.2 共生系統(tǒng)中魚鮮重的增加量

本研究中，在共生水培系統(tǒng)中投放的20尾魚在50天內(nèi)全部存活并正常生長(zhǎng)。由表3可見，隨機(jī)選取的8尾錦鯉在50天內(nèi)鮮重增加12.5%～20.8%，這表明所使用的CSE植物源營(yíng)養(yǎng)液在50天內(nèi)無(wú)明顯的毒素積累，適用于觀賞錦鯉的養(yǎng)殖。進(jìn)一步證實(shí)營(yíng)養(yǎng)液在魚池和水培管道間的流動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)共生栽培系統(tǒng)中氮、磷養(yǎng)分及動(dòng)植物產(chǎn)生的殘?jiān)扔袡C(jī)質(zhì)的穩(wěn)定循環(huán)。而觀察發(fā)現(xiàn)，魚池底部的魚體排泄物隨營(yíng)養(yǎng)液被水泵提升至上方栽培管道中，流經(jīng)植株根系時(shí)被層層阻滯，而植株凋落的殘根、葉片等有機(jī)質(zhì)隨水流進(jìn)入魚池后可被魚采食，實(shí)現(xiàn)了該栽培-養(yǎng)殖系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)液水體的自凈和養(yǎng)分補(bǔ)充。同時(shí)，在設(shè)備運(yùn)行初期CSE營(yíng)養(yǎng)液在最初2周內(nèi)有酸化的趨勢(shì)，pH值一度降低到6.0左右，但在無(wú)人為干預(yù)調(diào)節(jié)下營(yíng)養(yǎng)液的酸堿度逐漸恢復(fù)到中性，表明該系統(tǒng)對(duì)酸堿度有自我調(diào)節(jié)恢復(fù)的作用。

表3 共生系統(tǒng)中魚的生長(zhǎng)增加量*

2.3 共生系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題

本研究中，設(shè)備露天安置、采光良好。日常的維護(hù)操作并不多。主要是在室外管道栽培時(shí)要防止風(fēng)雨過(guò)大時(shí)吹落定植杯，及時(shí)給儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)液的魚池內(nèi)維持到正常水位。尤其是氣溫過(guò)高或植物生長(zhǎng)最為旺盛的時(shí)期，營(yíng)養(yǎng)液水份耗散迅速，需防止?fàn)I養(yǎng)液內(nèi)養(yǎng)分濃度過(guò)高，對(duì)于魚及蔬菜植株產(chǎn)生毒害[5，7]。

3 結(jié)論

立體水培不同于傳統(tǒng)的土耕模式，便于利用立體空間，節(jié)約土地資源[8]。魚菜共生可在控制條件下利用魚的分泌、排泄物、植物根系及飼料殘?jiān)绒D(zhuǎn)化為可供蔬菜利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并將蔬菜生長(zhǎng)中對(duì)營(yíng)養(yǎng)液中養(yǎng)分、殘?jiān)望}類的吸收凈化水質(zhì)的循環(huán)利用模式[9]。本研究中的菜-豆-魚循環(huán)栽培系統(tǒng)將種植裝置和養(yǎng)殖水體分離，將養(yǎng)魚箱中循環(huán)的植物源營(yíng)養(yǎng)液經(jīng)潛水泵由管道運(yùn)輸至水培蔬菜根系，魚產(chǎn)生的排泄物等被根系持留，為蔬菜提供養(yǎng)分。水流被植株吸收凈化后又返回養(yǎng)魚水箱，利用高度落差使水流進(jìn)入魚池時(shí)激起氣泡為魚補(bǔ)充氧氣，水流帶來(lái)的植物殘根等作為魚的食物。這一封閉的循環(huán)系統(tǒng)，效率高且系統(tǒng)穩(wěn)定，可最大限度簡(jiǎn)化操作流程實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分和物質(zhì)循環(huán)，實(shí)現(xiàn)水培蔬菜的不間斷生產(chǎn)，無(wú)雜草隱患。由于裝置清洗便捷，對(duì)于蟲害生長(zhǎng)抑制效果明顯，在生長(zhǎng)維護(hù)中免去了大量除草劑、農(nóng)藥的使用。極為適宜遠(yuǎn)程無(wú)人管護(hù)智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，而植物源營(yíng)養(yǎng)液的使用也使水培蔬菜脫離了化學(xué)配方營(yíng)養(yǎng)液的限制，實(shí)現(xiàn)了蔬菜無(wú)土栽培的無(wú)化肥模式。這一過(guò)程中，植物源營(yíng)養(yǎng)液的養(yǎng)分濃度和pH控制是技術(shù)的關(guān)鍵。以沼液進(jìn)行蔬菜水培優(yōu)于化學(xué)配方營(yíng)養(yǎng)液，能顯著提高葉片面積和生物量積累，但60%以上濃度的沼液會(huì)提高生菜體內(nèi)的亞硝酸鹽積累量[10]。綜上，菜-豆-魚共生水培裝置相比現(xiàn)有菜-魚共養(yǎng)體系，具有通過(guò)豆類植物的快速生長(zhǎng)和固氮緩沖或調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)液中磷、氮的過(guò)量積累或虧缺，并具有能持續(xù)補(bǔ)充速效氮素養(yǎng)分的優(yōu)點(diǎn)。本研究所試制的水培設(shè)備原理簡(jiǎn)單實(shí)用，易于操作，適用于空間較小的家居陽(yáng)臺(tái)或辦公、展示和休閑場(chǎng)所，也更容易實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分、水分的監(jiān)控和智能化升級(jí)。盡管初期需要一定設(shè)備、材料和技術(shù)的投入，裝置也需要低強(qiáng)度的維護(hù)和管理。但這種設(shè)備在一次性安裝運(yùn)行后控制簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好，易于推廣使用。目前，該設(shè)備已獲專利授權(quán)，專利授權(quán)號(hào)ZL201521122912.2[11]，已接入貴州師范學(xué)院智能陽(yáng)臺(tái)農(nóng)業(yè)教學(xué)點(diǎn)的遠(yuǎn)程無(wú)人值守水培/養(yǎng)殖系統(tǒng)，其循環(huán)自持力可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)45天的無(wú)人現(xiàn)場(chǎng)值守操作，具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用潛力。