鱼菜共生研究进展分析

2022-07-29谢言兰张润花叶安华黄兴学曹秀鹏林处发周国林

长江蔬菜 2022年12期

谢言兰，张润花，叶安华，黄兴学，曹秀鹏，林处发，周国林

（1.武汉市农业科学院蔬菜研究所，430300；2.华中农业大学）

传统农业生产系统面临人口增长、水资源短缺、耕地减少和土壤退化等严峻问题[1]，集约化生产方式具有节水、节电、节地等优势，但其农业废水直接排放到周围水体易造成水体污染，因此资源利用率高、绿色且可持续发展的鱼菜共生系统引起了人们的广泛关注。鱼菜共生系统是一种将循环水产养殖与无土栽培技术相结合的新型生产方式，生物过滤单元可将鱼类排泄的有生物毒性的铵态氮（NH4+-N）、亚硝态氮（NO2--N）转化为植物易吸收利用的硝态氮（NO3--N），经水培植物净化后的水循环回鱼池从而形成一个闭合回路[2]。该系统不使用杀虫剂、除草剂或抗生素，能同时生产新鲜蔬菜和鱼类，最大限度地减少水产养殖废水向周围环境排放，为水资源溃泛、环境污染、农药与化肥成本增加、土壤退化等问题提供了可持续的解决方案[3]。

1 鱼菜共生国内外研究进展

1.1 国内研究进展

图2 在Web of Science检索“aquaponic”的引文

我国鱼菜共生系统研究始于20世纪80年代[4]。张明华等[5]发现用水产养殖废水栽培蔬菜可有效去除水产养殖废水中的含氮污染物，去除效率与蔬菜的生长期有关。鱼菜共生有直接漂浮法、分离滴灌法、硝化过滤法3种类型[6]，其中直接漂浮法与硝化过滤法应用较多。直接漂浮法即在池塘水面上浮植水生植物，利用植物根系或茎叶吸收、富集或降解水体中的污染物以达到净化池塘水质的目的[7]。该方法具有结构简单、运行成本低、操作方便等优势，但需要防止养殖水生生物破坏植物根系，且养分利用率较低[6]。硝化过滤法可提高养分利用效率，但不充分的硝化反应会导致N2O的排放。研究表明，以N2O形式排放的氮占总氮输入量的1.54%，而75.2%～78.5%的N2O排放是由反硝化作用引起的。曝气、添加聚乳酸[8]或硝化细菌[9]可促进硝化反应，提高氮的转化率，减少N2O的释放。

1.2 国外研究进展

在Web of Science中以“aquaponic”为检索词，1990-2020年世界各地发表的文章数量和引文报告如图1、2所示。自2010年起，鱼菜共生系统进入了快速发展阶段。20世纪70年代美国南伊利诺大学Lewis教授构建了斑点叉尾鮰（Ictalurus punctatus）养殖、番茄（Solanum lycopersicum）生产和生物过滤相结合的鱼菜共生系统，该系统的番茄产量大约是同一品种田间生产预期产量的2倍，品质也更好[10，11]。20世纪80年代，美国维尔京群岛大学（University of the Virgin Islands）Rakocy博士研究团队构建了第一个大型商业规模的UVI模式鱼菜共生研究系统，建立了UVI模式鱼菜共生系统的生产标准、鱼菜比例，在保证系统生态平衡的基础上提高了鱼和蔬菜的产量[12，13]。然而，果蔬类或高价值开花作物易出现营养亏缺症状，通过叶面追施植物生长所需的大量元素、微量元素可有效避免果蔬类的营养亏缺问题，同时可提高氮的利用率[14]。为了解决鱼类与植物不同的营养需求，Kloas等[15]提出了解耦合鱼菜共生系统，即水产养殖单元与水培单元在不同的闭合回路中独立运行，单独调节。该系统生产效率、养分利用效率显著优于耦合鱼菜共生系统[16]。

图1 1990-2020年世界各地发表鱼菜共生论文数量

2 鱼菜共生实际应用情况

随着人口增长对可持续粮食生产需求的增加、淡水资源的减少，鱼菜共生技术正在迅速发展。目前，鱼菜共生系统中养殖鱼类以罗非鱼为主（85%），植物种植中叶菜类蔬菜占75%[4]。水生蔬菜—微生物—鱼类综合系统的构建有利于净化水质，节约水土资源，改善生态环境，减少化肥、农药、渔用调水产品的使用[9]。UVI是现代各种改良鱼菜共生系统的原型，也是典型的闭环（耦合）系统，水面漂浮筏、营养液膜、填充基质床是闭环鱼菜共生中水培单元主要的应用模式[4]。与传统水产养殖相比，该系统提高了鱼类饵料中氮的利用率、增加了经济与生态效益、减少了水产养殖废水排放对环境的影响。但植物与鱼类对营养物质需求不同是两者间不可调节的矛盾，仅以饵料作为唯一营养来源不能满足植物的营养需求，营养亏缺易使植物生长缓慢、枯萎甚至死亡，尤其是营养需求量大的瓜果类蔬菜。解耦合型鱼菜共生系统通过单向阀连接将水产养殖和水培单元独立运行，单独调节水质、pH值、营养盐及运行参数来优化养殖条件和种植条件，提高系统稳定性与产量，解决了鱼类、植物营养需求矛盾，节约水资源，有效防止或避免水培单元与养殖单元间病虫害的传播[16]。但2个单元独立运行、额外添加营养物质会增加系统的运营成本，其大规模系统的经济可行性研究还很缺乏。

3 鱼菜共生系统当前存在的问题

3.1 环境因子

①温度鱼类和植物不同生长阶段的最佳温度不同。尼罗罗非鱼是鱼菜共生系统中重点研究的鱼类，属于热带鱼类，具有生长快、食性杂、疾病少、繁殖能力强等特点，最佳生长温度为27～30℃。温度过高或过低都会导致鱼类生理活性降低、食欲下降，严重的会停止生长，甚至死亡[17]。温度会影响硝化作用、反硝化作用，从而影响水体中氮的利用效率和N2O的排放等[18]。虽然可采用热交换器、冷却器等设备将温度控制在适宜范围，但这些设备长期运行会消耗更多的电能，从而增加成本。因此，需要根据当地环境条件、季节和温度变化选择适宜的养殖鱼类与植物种类，以增加鱼菜共生系统的经济效益。

②pH值鱼、植物、微生物最佳pH值需求范围不同。大部分鱼类的最佳pH值为6.5～8.0，水培植物为5.8～6.2[3]。参与硝化反应的硝化菌属、硝化单胞菌属和硝化螺旋菌属的最佳pH值分别为7.5、7.0～7.5和8.0～8.3[19]。Tyson等[20]认为pH值在7.5～8.0有利于铵态氮转化为硝态氮。然而，偏碱性环境易使铁离子、镁离子、钙离子生成氢氧化物沉淀，降低其生物有效性，影响植物健康生长。偏酸性环境可促进植物根系对营养物质的吸收、提高氮的利用效率，但酸性环境会抑制反硝化细菌的活性，增加N2O释放量、促使铵根离子（NH4+）转化为可对鱼类造成直接损害的分子态氨[21]，增加鱼的死亡率。因此，大多数研究者认为pH值为6.8～7.0不仅有利于硝化反应，而且不会显著抑制植物对营养物质的吸收。鱼类、植物根系、微生物、浮游生物呼吸作用释放的CO2溶于水生成H2CO3后离解产生H+，硝化反应中产生的H+均会使养殖水pH值不断下降[22]。因此，需要定期投加弱碱性物质以维持循环水的pH值。投放钙、钾、镁的氢氧化物如 Ca（OH）2、KOH、Mg（OH）2是最常用的方法，该方法可补充植物必需的营养元素，从而改善营养亏缺情况[23]。

③溶解氧（Dissolved oxygen，DO）大部分养殖鱼类的水体最佳DO含量应大于5.0 mg/L，过低会损害鱼鳃，甚至造成鱼类死亡[24]。鱼、植物、微生物的呼吸作用会导致循环水中DO含量降低，为了保持适宜的DO含量，系统运行过程中需不间断曝气[25]。循环水体中DO的消耗与鱼的种类和大小、水的流速、环境条件、水温等有关，低DO含量条件下，热带鱼比冷水鱼的存活能力更强。体型较小的鱼新陈代谢快，比体型大的鱼消耗的DO更多。

3.2 氮磷营养盐

饵料是鱼菜共生系统中氮的唯一来源，鱼吞食消化后其粪便、尿液（主要成分为NH4+）被排泄至养殖水体中，粪便、残余饵料等有机物经微生物分解为NH4+。有氧条件下被氨氧化细菌氧化为NO2-，再被亚硝酸盐氧化细菌氧化为NO3-，NH4+转化为NO2-和NO3-的生物反应称为硝化作用。反应式如下：

反硝化细菌在有氧条件下以分子态氧作为最终电子受体，缺氧条下以NO2-和NO3-作为电子受体。当NO3-积累时，NO3-将被反硝化细菌的还原为N2，从而降低氮的利用效率。

NH4+与NO2-对鱼类有生物毒性，这些物质进入鱼类血液后可将具有运输氧气功能的血红蛋白分子中与氧结合的Fe2+氧化为Fe3+使其失去载氧功能从而使鱼类出现窒息甚至死亡。因此，NO2-和NH4+应分别低于0.2 mg/L和2.9 mg/L[26]。虽然NO3-对鱼类没有毒害作用，但当其浓度超过100 mg/L时会长期干扰水生动物的新陈代谢，导致生长缓慢[27]。氮素利用效率指鱼菜生物质中所含氮总量占总氮输入量的比例。植物吸收是鱼菜共生系统中氮素循环利用的主要途径，高效的鱼菜共生系统应具有高产的植物和鱼类生物量、较低的氮损失量。

植物只能以H2PO4-和HPO42-的形式吸收磷元素，吸收速率随营养液pH值升高而下降，当pH值大于7.0时，溶液中溶解的游离正磷酸盐易与钙离子反应生成磷酸钙不溶性物质，导致磷的溶解性和有效性降低。此外，磷也是鱼生长所需的主要矿质元素之一，是鱼类骨骼组织的主要组成部分，参与产生能量的细胞反应，磷的缺乏可能导致饵料转化效率低、鱼类生长不良和骨骼矿化[28]。养殖水体中过量的溶解性磷虽然对鱼类生长没有影响，但在氮大量积累的水体中易造成水体富营养化，藻类大量增殖，消耗水体中溶解氧从而对鱼类生长造成威胁。

3.3 固体物质

过量固体物质积聚会导致以下问题：一是降低植物根际周围DO含量，导致植物易患根腐病[3]；二是孳生病原微生物、浮游植物、浮游动物，从而引发鱼类疾病；三是产生对鱼类、植物生长有害的代谢物[29]；四是堵塞管道、阻碍排水。

目前，去除固体物质的方法有水力旋流器、沉淀池、机械过滤[30]。这些传统过滤方式只能去除养殖废水中粒径大于30μm的固体颗粒。生物膜可有效截留污泥池中的微生物和微小固体物质，促进硝化反应[31]。研究表明，生物絮凝技术能有效降低水体浊度，保持水质状态良好，促进鱼类、植物、有益细菌生长[32]。生物絮凝技术是通过外加碳源来平衡水体中浮游生物、细菌和细菌分解者的数量，在适宜碳氮比条件下可以生产高附加值蛋白质饲料的一种可持续水质控制方法。此外，臭氧化也可以去除微小固体颗粒，但该方法会减少水中的有机化合物，而这些有机物是植物生长所需的重要营养物质。

近年来，生物炭在鱼菜共生系统中的应用引起广泛关注，生物炭也被称为木炭或生物衍生黑碳，是由生物质在厌氧或缺氧条件下热解产生的一种比表面积大、富含碳、具有丰富孔隙结构、表面含有大量含氧官能团的多孔固体颗粒材料，具有较好的吸附性能，是一种优良的吸附剂和净化材料[33]。生物炭较大表面积与多孔结构有利于硝化细菌的附着、生长，可以截留固体悬浮物，促进硝化作用进而提高NH4+的去除率[34]。因此，生物炭是一种潜在的低成本过滤材料，可用于鱼菜共生系统中进行养殖废水的过滤[35]，但生物炭在鱼菜共生系统中的应用优势还需进一步研究。

4 鱼菜共生系统研究热点可视化分析

挖掘与定量分析鱼菜共生系统研究方面发表的学术文章，分析其发展趋势以及未来的发展方向，有利于掌握未来的研究热点。通过文献可视化软件VOSviewer，基于Web of Science（WOS）核心文集数据库对鱼菜共生系统的研究热点与发展趋势进行了数据挖掘和定量分析。对近10 a（截至2020年12月31日）发表的文献以全纪录形式导出进行数据分析、关键词共现、聚类分析。

图3为鱼菜共生系统的关键词共现网络，关键词被划分为3大聚类。聚类1与鱼菜共生系统的水质和植物、水生动物的种类和搭配密切相关，出现频次在前10的关键词有水质、罗非鱼、鱼存活率、溶解氧、养殖密度、营养盐的去除、总氨氮、固体物质、水温、蕹菜，说明水质改善是鱼菜共生系统的重要研究内容，养殖密度、总氨氮、固体物质以及营养盐的去除、水温、溶解氧的含量是影响水质的主要因素，其次，罗非鱼与蕹菜是鱼菜共生系统的主要种养对象，果蔬蔬菜研究较少。聚类2与鱼菜共生系统的设计、经济效益和可持续性密切相关，出现频次较高的关键词有鱼菜共生系统、水产养殖系统、可持续性、成本、小规模鱼菜共生系统、粮食生产、鱼饲料、营养液膜技术等。鱼菜共生系统的设计主要包括循环水产养殖单元、水处理单元以及水培单元，合理的系统设计能够提高系统的生产效率与经济效益，使其更有利于实现商业化发展。由文献计量分析结果可知，目前研究较多的是小规模鱼菜共生系统，而中小规模及商业规模的鱼菜共生系统研究较少，需对其系统设计进行优化并降低成本。聚类3与鱼菜共生系统中氮的转化以及氮的利用效率密切相关，与其相关的关键词有水产养殖废水、生物过滤器、微生物、硝酸盐、硝化作用、氮的利用效率、有机质等。促进氮素迁移转化、提高氮利用效率是鱼菜共生系统可持续发展的重要依据，然而，氮利用效率较低是阻碍鱼菜共生系统发展的一大难题。