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(diǎn)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(diǎn)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(dá)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(qiáng)、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(dá)，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(qiáng)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(jìn)行過濾吸收后再輸送到栽培床進(jìn)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(lán)科水產(chǎn)養(yǎng)殖公司同期繁殖的錦鯉魚苗，試驗前進(jìn)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(jī)粉碎過60目網(wǎng)篩，混合均勻后，使用江蘇牧羊集團(tuán)生產(chǎn)的牧羊MUZLM V4型飼料制粒機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(bǔ)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(jìn)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。總磷和總氮含量的測定參考雷衍之[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。總氮、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(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)；若差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，則采用Duncan’s法進(jìn)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(dá)到最高值，此后呈下降趨勢；處理組氨氮含量在第4天達(dá)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(xì)菌及藻類通過固氮作用將大氣中的氮?dú)廪D(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(jī)碎屑通過礦化作用使有機(jī)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(jī)物的形式進(jìn)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(xì)菌的分解被轉(zhuǎn)化成氨基酸，進(jìn)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(qiáng)的脂溶性，很容易透過細(xì)胞膜對水生生物產(chǎn)生很強(qiáng)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(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(qiáng)的毒性，它能通過魚類的呼吸作用由鰓絲進(jìn)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(dá)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(dá)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(jī)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?dú)?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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jìn)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(jī)態(tài)磷酸酯等，顆粒態(tài)磷包括不溶解無機(jī)磷與有機(jī)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(jìn)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(tuán)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(jī)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(jìn)一步研究。