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(yú)類排泄物和飼料殘?jiān)追纸獬霭钡?，加劇水質(zhì)的污染，造成魚(yú)類的大量死亡[1-3]，在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中，植物可以吸收利用這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，起到凈化水質(zhì)的作用[4-6]。

目前，魚(yú)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(yú)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(jiǎn)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(zhǎng)的場(chǎng)所有限，導(dǎo)致生物過(guò)濾能力弱，對(duì)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(guò)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(yú)菜共生系統(tǒng)中用火山石作為過(guò)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(duì)火山石在魚(yú)菜共生系統(tǒng)的應(yīng)用研究多集中在單獨(dú)循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)一體化魚(yú)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(yàn)在統(tǒng)一氮磷輸入量下，探究添加火山石對(duì)水體凈化、養(yǎng)分積累、魚(yú)菜生長(zhǎng)及其對(duì)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(yú)菜共生系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1生菜品種 生菜（Lactuca sativaL.）品種為‘意大利生菜’，購(gòu)自山西省太谷縣種子批發(fā)部，定植時(shí)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(yàn)魚(yú)種 養(yǎng)殖鯉魚(yú)（Cyprinus carpio）品種為‘豐鯉魚(yú)’，由廣東農(nóng)業(yè)淡水魚(yú)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(yú)苗，試驗(yàn)開(kāi)始前用0.01 mol·L-1NaCl 對(duì)鯉魚(yú)進(jìn)行10 s浸泡殺菌。

1.1.3魚(yú)飼料 魚(yú)飼料為蛋白質(zhì)含量32%、含水量10%的漂浮型餌料，購(gòu)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(gòu)自山東省立橙水族用品有限公司，試驗(yàn)開(kāi)始前用0.02 mol·L-1KMnO4進(jìn)行浸泡消毒。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)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(zhǎng)。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(zhǎng)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(yú)，每個(gè)水池放置110 條鯉魚(yú)，養(yǎng)殖密度為2 kg·m-3。在水池表面放置栽培浮板，浮板長(zhǎng)0.75 m，寬1.2 m，厚0.04 m，上共有972 個(gè)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(yú)對(duì)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(duì)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(yú)菜共生系統(tǒng)Fig.1 System of the integrated aquaponics

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

總之，0.1mg/kg納布啡用于無(wú)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(yàn)使用“小喇叭溫濕度測(cè)定儀”（購(gòu)自海芯華夏公司）測(cè)定試驗(yàn)場(chǎng)所的環(huán)境溫度和濕度，每隔5 min自動(dòng)記錄1次，使用“SH-X型多路溫度儀”（購(gòu)自深圳市深華軒科技有限公司）每隔30 min測(cè)定水溫，每天9:00 使用?，擜R8210 溶解氧測(cè)定儀和TRI-METER 的pH、EC 一體儀測(cè)定水池中溶解氧（dissolved oxygen, DO）值、pH、水中鹽度（electrical conductivity, EC）值。在整個(gè)試驗(yàn)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(wú)顯著差異，4 個(gè)處理水溫均維持在11.1~18.3 ℃，適合鯉魚(yú)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(yàn)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(cè)定項(xiàng)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(cè)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(cè)定采用納式試劑分光光度法，亞硝酸鹽氮測(cè)定采用N-乙二胺光度法，硝酸鹽氮測(cè)定采用酚二磺酸光度法，總磷測(cè)定采用鉬酸銨比色法[16]。

1.3.2魚(yú)菜生長(zhǎng)和產(chǎn)量測(cè)定 分別于試驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)對(duì)每個(gè)水池鯉魚(yú)進(jìn)行稱重，記錄每次魚(yú)飼料投喂量，測(cè)定其特定生長(zhǎng)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(jì)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(yàn)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(shí)剩余量。

在試驗(yàn)周期中，每5 d 對(duì)植株株高、葉片數(shù)進(jìn)行測(cè)量，收獲時(shí)稱其地上部和地下部總鮮重。

1.3.3魚(yú)、菜對(duì)氮和磷利用的測(cè)定 試驗(yàn)結(jié)束后，選取5 株生菜、3 條鯉魚(yú)并稱取30 g 魚(yú)飼料；將生菜放入烘箱105 ℃殺青30 min，之后將生菜、鯉魚(yú)及魚(yú)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(duì)鯉魚(yú)和生菜的氮（N）、磷（P）含量進(jìn)行測(cè)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(jì)算，計(jì)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(jì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和制圖，用DPS 統(tǒng)計(jì)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(duì)水池中氮化合物質(zhì)量濃度的影響

試驗(yàn)期間氮化合物的質(zhì)量濃度變化見(jiàn)圖2。F、Fv、Fvs 和Fs 處理的氨氮質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本一致，在1~13 d 呈快速上升趨勢(shì)，并均在第13 天出現(xiàn)第1 個(gè)高峰值，分別為8.09、8.57、8.19、8.43 mg·L-1，處理間無(wú)明顯差異；在第13~17 天均呈下降趨勢(shì)，第17~21 天再次呈上升趨勢(shì)，并在第21 天出現(xiàn)第2 個(gè)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(shì)，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(yàn)的第1~21 天4 個(gè)處理均呈上升趨勢(shì)；第21~41 天，F(xiàn) 處理仍呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，但Fv、Fvs 和Fs 處理表現(xiàn)出下降趨勢(shì)，說(shuō)明植株根系和火山石均能夠?yàn)橄趸?xì)菌提供附著場(chǎng)所；之后F、Fv、Fvs和Fs處理均呈下降趨勢(shì)，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(shí)添加火山石對(duì)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(yàn)第1~21天4個(gè)處理均呈下降趨勢(shì)，這可能是因?yàn)閬喯跛猁}氮向硝酸鹽氮的轉(zhuǎn)化過(guò)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(shì)，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(shì)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(yàn)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(duì)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(yàn)第1~33天，4個(gè)處理變化趨勢(shì)基本一致，只是在第21 天時(shí)有個(gè)回落，處理間無(wú)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(gè)試驗(yàn)期間，F(xiàn)和Fv處理的總磷質(zhì)量濃度無(wú)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(duì)魚(yú)、菜產(chǎn)量的影響

在整個(gè)試驗(yàn)期間，無(wú)鯉魚(yú)死亡現(xiàn)象，各處理間魚(yú)的特定增長(zhǎng)率（SGR）、飼料轉(zhuǎn)化率（FCR）和產(chǎn)量增長(zhǎng)率（PGR）均無(wú)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(duì)鯉魚(yú)的生存無(wú)影響。

表2 各處理間魚(yú)菜生長(zhǎng)變化Table 2 Fish and plant growth results in different treatments

2.4 火山石沉積對(duì)生菜形態(tài)指標(biāo)的影響

圖4對(duì)比了魚(yú)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(yàn)期間各處理的葉片數(shù)差異不明顯；從株高來(lái)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(shí)，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(shuō)明了添加火山石后對(duì)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(duì)系統(tǒng)氮磷利用率的影響

試驗(yàn)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(yú)、生菜2部分。F、Fv、Fvs 和Fs 處理中鯉魚(yú)和生菜的總NUE 分別為32.12%、31.29%、36.80%和34.04%，其中，沒(méi)有種植蔬菜的F 和Fv 處理的NUE 主要是來(lái)自鯉魚(yú)，種植生菜的Fvs和Fs處理，測(cè)得生菜對(duì)系統(tǒng)的氮利用率分別為7.32%和4.27%，而魚(yú)的NUE 分別為29.48%和29.77%。說(shuō)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(yú)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(shuō)明單一添加火山石或只種植生菜對(duì)系統(tǒng)磷的利用不具有優(yōu)勢(shì)。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(yú)菜共生系統(tǒng)中同時(shí)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(duì)水體氮化合物和魚(yú)菜生長(zhǎng)的影響

水體中的氨氮和亞硝酸鹽氮超過(guò)一定水平時(shí)，會(huì)影響魚(yú)類的正常生長(zhǎng)[21?22]。Mclamey 等[23]經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖水體中氨氮質(zhì)量濃度不應(yīng)長(zhǎng)期超過(guò)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(guò)2.89 mg·L-1時(shí)會(huì)造成魚(yú)類死亡。本試驗(yàn)中，4 個(gè)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(xiǎn)值，整個(gè)試驗(yàn)期間無(wú)魚(yú)死亡現(xiàn)象。Frincu等[13]和劉爽等[25]認(rèn)為，在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中添加介質(zhì)可以擴(kuò)大硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)場(chǎng)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(guò)為硝化細(xì)菌提供附著場(chǎng)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(qiáng)的吸附作用，可以用于水體的凈化，進(jìn)一步證實(shí)了在魚(yú)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(yíng)養(yǎng)來(lái)源，其含量的積累有利于促進(jìn)植物的生長(zhǎng)[27]。Snow 等[28]研究發(fā)現(xiàn)，影響植物生長(zhǎng)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(yàn)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^(guò)濾基質(zhì)在魚(yú)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(dú)以火山石作為一體化系統(tǒng)中底部過(guò)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(duì)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(dòng)物對(duì)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(dòng)物時(shí)，飼料中有30%~65%的氮無(wú)法被有效利用。與傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖類似，在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中，魚(yú)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(yàn)中4 個(gè)處理的鯉魚(yú)對(duì)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(shuō)明魚(yú)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(yàn)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(qiáng)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(duì)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(guò)延長(zhǎng)光照時(shí)間或增大光照強(qiáng)度均可提高植株對(duì)氮的利用效率；本試驗(yàn)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(duì)系統(tǒng)的氮利用率。Seawright 等[35]和Crab 等[18]研究發(fā)現(xiàn)植物對(duì)磷的利用率為7%~48%，魚(yú)類對(duì)磷的利用率為20%~25%。而本試驗(yàn)中，4 個(gè)處理中鯉魚(yú)對(duì)磷的利用率無(wú)太大差別，處于19%~22%之間，生菜對(duì)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(duì)磷的吸收受補(bǔ)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(duì)魚(yú)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(yú)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(lái)達(dá)到系統(tǒng)的高效運(yùn)行。