鱼菜共生系统中不同种类蔬菜对养殖尾水氮素转化的影响

李天沛，汪小旵,2※，丁为民，郑金明，施印炎

（1.南京农业大学工学院，南京 210031； 2.江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室，南京 210031）

0 引 言

鱼菜共生是水产养殖与作物栽培共处一个物质循环系统的农业生产形式，在整个生产过程中除水产饲料外不进行其他氮源输入，具有“养鱼不换水，种菜不施肥”的特点，是一种对环境友好、节约水源的高效农业生产模式。耦合型鱼菜共生系统是典型的鱼菜共生模式，其养殖部分与作物栽植设置在单向闭环水循环系统中。pH值、氨氮、EC值是鱼池水环境的重要参数，农业物联网通过传感设备与互联网联结，实现复杂农业生产条件下各个关键参数自动实时监测判定并触发相应事件，利于提高鱼菜共生系生产效率。

近年关于鱼菜共生系统中植物氮素转化、植物生长过程智能控制、植物种植模式、植物根系微生物菌落的研究较多，而同一共生系统中不同种类蔬菜生长和氮素转化状况的横向对比研究鲜有报道，也缺少蔬菜对养殖尾水COD（Chemical Oxygen Demand）、DO（Dissolved Oxygen）和氮素转化处理效果的深入探讨。本文拟通过设计耦合型鱼菜共生系统，探究在统一氮输入量情况下不同蔬菜种类对养殖尾水水质和氮素转化的影响，为鱼菜共生系统的优化提供科学依据和理论指导。

1 材料和方法

1.1 试验装置

试验于玻璃温室展开，期间不进行设施环境控制，自然光照射，自然通风。试验期间设施内温度22.5～42 ℃，空气湿度17.79%～98.17%，大气压1×10Pa。如图1，该耦合型鱼菜共生系统组成主体包括鱼池（1 000 L）、搅拌桶（300 L）、栽培池（1 000 L）和沉淀池（1 000 L），均为PVC材质。栽培池由厚5 mm的亚克力板粘接，其长宽高尺寸为5 m×1 m×0.2 m，内部设置长宽高1 m×1 m×0.2 m的水培单元格5个，用以将5种蔬菜栽培单元隔离。各水培单元格内蔬菜种植在长宽高1 m×1 m×0.03 m的泡沫种植板上。

图1 耦合型鱼菜共生系统示意图和实景图 Fig.1 Schematic diagram and real picture of the coupled aquaponics system

该耦合型鱼菜共生系统各组成主体间均用水泵连接。养殖尾水由鱼池底部经自吸泵抽送至搅拌桶，经搅拌桶中搅拌机将养殖尾水中有机质、无机盐搅拌均匀后经潜水泵抽送至栽培池，水体中无机盐等营养物质被栽培池中蔬菜根部吸收后输送至沉淀池，水体中大颗粒杂质沉淀后由潜水泵抽送至过滤器，经过滤器净化后回流至鱼池。

1.2 试验设计

试验时间2021-05-20－06-15。试验设置2组，一组为种植于栽培池的水培组，用养殖尾水栽培；一组为种植于等体量清水的对照组，用通用型浓缩营养液（1：400）栽培。每组种植5种蔬菜分别为圣女果（var.）、线椒（L.）、蕹菜（Forsk.）、芹菜（）、紫背菜（Gynura bicolor (..)），均购自山东寿光寿大种业现代化育苗基地。试验开始前挑选生长状况相似的健康植株称取鲜质量后定植于种植板上量取株高，种植密度均为48株/m，各试验组编码如表2所示。

表1 试验组编码 Table 1 Codes of experimental groups

试验用鲢鱼（）购自浙江湖州水产养殖基地。单条鱼质量27.70～70.01 g，总质量3.04 kg，养殖密度5.54 kg/m，养殖过程中死亡的鱼及时捞出替换，单条鱼质量分布如图2所示。

图2 单条鱼质量分布 Fig.2 Individual mass distribution of fish

1.3 试验内容

试验期间按鱼总质量的2%日投喂蛋白质质量分数为30%的通用型浮水颗粒饲料。养殖水参数由氨氮、电导率、温度、溶氧量、酸碱度、水位传感器采集。

在试验周期初始和结束时测量每株蔬菜株高和整株鲜质量。试验结束时切下蔬菜根系沥干水分5 min后称取根部质量。叶绿素含量由KONICA MINOLTA公司的叶绿素测量仪（SPAD-502 Plus）采集，每株随机选取3个测量点取平均值。

经水培处理前后水样分别取自栽培池中5个试验组，选取试验第13天起3 d内水样为检测样品，每6 h取样一次。水样各参数检测参照HJ/T399-2007 《水质化学需氧量的测定-快速消解分光光度法》、HJ 535-2009《水质氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法》、GB 7493-87《水质亚硝酸盐氮的测定-分光光度法》、HJ/T 346-2007《水质硝酸盐氮的测定-紫外分光光度法》。

1.4 计算方法

植株质量、株高的相对增长率计算公式为

式中为植株质量、株高相对增长率；为试验初始植株质量（g）和株高（cm）；为试验结束植株质量（g）和株高（cm）。

氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮相对去除率公式为

式中为氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮相对去除率；为试验初始水体氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮质量浓度，mg/L；为试验结束水体氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮质量浓度，mg/L。

2 结果与分析

2.1 鱼池基础水质情况

物联网监测鱼池水温21.23～32.88 ℃，pH值为7.09～8.04，氨氮浓度0～2.00 mg/L，EC值0.24～0.36 ms/cm，DO为3.80～8.66 mg/L，试验期间鱼池各项水质参数均适合鱼类正常生长。试验期间用曝气晾晒后自来水补充自然蒸发、蔬菜叶片蒸腾作用损失水量。

2.2 蔬菜生物学特性分析

试验期间各试验组蔬菜生物学特性由表2和表3所示。

表2 各试验组试验始末的蔬菜生物学特性 Table 2 Biological characteristics at the beginning and end of each trial groups

表3 各试验组蔬菜的其他生物学特性 Table 3 Other biological characteristics of experimental groups

各试验组整株鲜质量均显著增长，鲜质量增长量在2.20～28.43 g间；除水培芹菜组（HQ）外，各试验组株高均显著增长，增长量在0.80～31.84 cm间，水培组鲜质量增长量均高于相对应对照组的鲜质量增长量，HS组有最大鲜质量增长量28.43 g和最大株高增长量31.84 cm。试验期间各水培组鲜质量相对增长率均高于相对应对照组的鲜质量相对增长率，各试验组鲜质量相对增长率在141.35%～514.93%间，株高相对增长率在27.37%～241.32%间，芹菜组（HQ）有最大鲜质量相对增长率514.93%，圣女果组（HS）有最大株高相对增长率。

由表2和表3可见各水培组根部质量、整株鲜质量均高于对照组，各试验组蔬菜的根质量占比在25.24%～51.97%间，对照线椒组（DX）有最大的根质量占比51.97%，水培线椒组（HX）次之，说明在试验周期内线椒比其他种类蔬菜根系更发达。如图3所示，根部质量占比（）与整株鲜质量增长量（）关系的拟合曲线大致为一元二次方程=-0.092+6.822-104.94，呈先增后减的变化趋势，当根部质量占比在34%～42%间时，植株各器官发育较好，对营养物质转化效率高，有较大的鲜质量增长量。试验周期内水培线椒根部质量占比最大，但整株鲜质量增长量和株高增长量均远小于水培圣女果，说明根系的过度发育会影响植株正常生长。

图3 根质量占比与鲜质量增长量拟合关系 Fig.3 Fitting relationship between root mass proportion and fresh mass growth

如表3所示各试验组SPAD（Soil and Plant Analyzer Develotrnent）值在19.39～42.49间。除水培线椒组和水培蕹菜组外，各试验组SPAD值差异显著。不同种类的蔬菜间SPAD值差距较大，水培紫背菜SPAD值为42.49，是水培芹菜SPAD值的2.19倍。由图3知，与线椒相比其他种类蔬菜根质量占比适中，蔬菜整株鲜质量和株高有较大增长，但因与通用型浓缩营养液相比，养殖尾水中各元素含量较不均衡，影响蔬菜植株叶绿素合成。故此后研究中可考虑增加水产养殖密度或适当施加微量元素进行调控。

2.3 氮化合物及其他水质参数分析

鱼菜共生系统中植株对养殖尾水的氮素转化是实现物质循环利用、减少废水排放重要环节。耦合型鱼菜共生系统氮素转化途径示意图如图4所示，鱼的排泄物、残饵等要成分包括氨态氮、有机氮、硝酸盐等，还存在少量一氧化氮和亚硝酸盐，其中一氧化氮气体直接排放到大气中，硝酸盐直接被植物吸收转化。养殖尾水经水循环管道送至水培池各试验组单元格，在微生物和硝化细菌的水解脱氢、硝化等一系列生化反应后，养殖尾水中的各种氮素转化为易被植物吸收利用的硝酸盐。

图4 耦合型鱼菜共生系统氮素转化途径示意图 Fig.4 Schematic diagram of nitrogen transformation pathway in coupled aquaponics system

各试验组水样氮化合物质量浓度随时间变化曲线如图5所示，在3 d检测周期内氨氮、硝酸盐、亚硝酸盐质量浓度变化曲线均呈波动式下降趋势。由图5a可知HZ组氨氮质量浓度前18 h氨氮浓度曲线呈上升趋势，这是由于紫背菜根系对水培环境下适应性差，氮素吸收效率低于微生物对有机质分解速率造成氨氮积累。各试验组有机质分解后被植物根系吸收转化，氨氮浓度下降，HS组在42 h后有最小氨氮浓度0.152 mg/L，比初始浓度0.493 mg/L降低69.17%，具有最高的氨氮相对去除率。

如图5b所示，各试验组亚硝酸盐氮浓度曲线均呈现波动式下降并稳定的变化趋势。试验周期前12 h各试验组水体中亚硝酸盐被硝化菌转化，亚硝酸盐氮质量浓度下降，随着含氮有机质分解，第12～24小时硝化菌转化效率低于有机质分解效率，亚硝酸盐积累，HX、HZ、HK组亚硝酸盐氮质量浓度上升，随后硝化细菌快速繁殖，亚硝酸盐氮质量浓度大幅下降，第30 小时达到较低浓度水平后略有波动小幅下降。HS组6 h内完成较高程度转化，亚硝酸盐氮相对去除率达41.09%。如图5c所示，各试验组硝酸盐氮质量浓度均呈下降趋势，其曲线变化速率低于亚硝酸盐氮变化速率，是由于植物根系对硝酸盐吸收转化作用虽然降低了硝酸盐氮质量浓度，但硝化细菌也不断将亚硝酸盐转化为硝酸盐。

图5 氮化合物质量浓度随时间变化 Fig.5 Nitrogen compound mass concentration chang with time

如图6所示各试验组氨氮相对去除率在40.57%～69.17%间，亚硝酸盐氮相对去除率在48.15%～55.25%间，硝酸盐氮相对去除率在29.28%～42.35%间。HS组有最大氨氮相对去除率69.17%，说明圣女果对养殖尾水中的氮素有较高吸收转化能力。HZ、HK组有较大亚硝酸盐氮相对去除率55.25%、54.01%，这是由于HZ和HK组试验周期前30 h的DO、COD质量浓度较高，硝化菌生长繁殖能力强，对亚硝酸盐转化过程活跃。各试验组硝酸盐氮相对去除率从小到大依次为HX、HK、HS、HQ、HZ，HS、HQ、HZ组间硝酸盐氮相对去除率差距不大，分别为41.60%、42.19%、42.35%，说明各试验组对硝酸盐氮均有较好吸收转化效果。

图6 氮化合物相对去除率 Fig.6 Nitrogen compound relative removal rate

检测周期内各试验组COD浓度变化曲线如图7a所示，前18 h各试验组COD值快速升高至70 mg/L，这是由于试验初始水体中饲料残渣、鱼排泄物等有机质含量较多，水体中微生物和菌群大量繁殖的结果。在之后的18～36 h水体中微生物和菌群达到稳定状态，COD值略有波动但均稳定在70 mg/L左右。从试验周期第36小时开始，随着氨氮底物消解完全和亚硝酸盐充分硝化，微生物、硝化菌数量和活性大幅度下降导致水体COD下降并稳定在12.68～26.18 mg/L内。

如图7b所示各试验组pH值曲线呈波动式下降随后稳定的趋势，这是由于硝化细菌将水体中NH离子转化为NO和NO，水体pH值下降。水培环境下蔬菜根系受水分胁迫等原因，根系合成氨基酸、柠檬酸、丁二酸、苹果酸等有机酸也使pH值有所降低。从36 h开始各试验组pH值较稳定，这是由于有机质被消解完全，亚硝酸盐被硝化细菌充分转化的结果，各试验组pH值差别不大，均在6.79～6.93之间，其中圣女果组水体的pH值稳定在6.98，有研究表明鱼菜共生系统pH维持在6.4左右时植物氮素转化率NUE（Nitrogen Utilization Efficiency）为50.9%，pH值增加NUE下降，故在本研究中，各试验组水体环境pH值利于蔬菜的氮素转化过程。

溶解氧DO值变化曲线如图7c所示，试验初始鱼粪等代谢物和饲料残饵浓度高，腐生菌、寄生菌等异养菌对富氮底物转化效率高，水培池水体前12 h内的DO值快速下降。在12～54 h硝化细菌等好氧微生物和微藻夜间呼吸作用增强，每个循环周期内水体DO值呈下降趋势。各试验组中微生物、菌群的大量繁殖和对氨氮底物的分解导致水体中的，DO值快速下降。随着水体中有机质消解完全，大部分亚硝酸盐被硝化细菌氧化为硝酸盐，水体的理化参数较为稳定，DO值有波动但均稳定在6.68～7.76 mg/L内，研究表明，DO值大于6 mg/L时对鱼类和蔬菜的生长繁殖没有影响。试验中发现，栽培池中化学需氧量低而溶解氧高的水培蕹菜组，其根系质量占比相对其他试验组较小，但其各项生理参数并不低于其他试验组，这说明提高蔬菜根系的溶氧量可以防止蔬菜根系过度发育，从而增加可食用部分的生物量。但水培蕹菜组氨氮、硝酸盐氮去除率相对其他试验组较低，这可能是由于其根系环境中硝化反应程度不高导致，这一点可由其化学需氧量低佐证，而造成硝化菌群活性不高的原因还有待进一步探究。

图7 各试验组其他水质参数曲线 Fig.7 Curves of other water quality parameters of experimental groups

3 结 论

1）耦合型鱼菜共生系统中各试验组蔬菜的鲜质量和株高相对增长率均显著，各项氮化合物浓度均显著下降，说明利用养殖尾水栽植蔬菜仍然是较好的资源再利用和减少养殖废水污染物排放的途径。在26 d栽植期内圣女果有最大鲜质量增长量28.43 g、最大株高增长量31.84 cm和最大株高相对增长率241.32%，42 h内对养殖尾水中亚硝酸盐氮相对去除率69.17%，有最小氨氮质量浓度0.152 mg/L，经其转化吸收后养殖尾水的pH值稳定在6.98左右，有较高的溶解氧浓度，更适合循环至鱼池再利用；

2）耦合型鱼菜共生系统中，根部质量占比与整株鲜质量增长量关系的拟合曲线为一元二次方程，综合各试验组蔬菜的生理参数和实际生产结果，当根部质量占比在34%～42%间时，植株各器官发育较好。