鱼菜共生系统设计构建及运行效果分析

顾川川，徐琰斐，高霞婷，张海耿

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所/农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室/农业农村部水产养殖设施工程重点实验室，上海 200092）

0 引言

水产养殖尾水治理是“十四五”水产绿色健康养殖重点工作方向，污水资源化利用是近年来研究热点和未来趋势。鱼菜共生系统(Aquaponics)作为基于循环生物经济方法的创新型可持续发展水污染处理技术[1-2]，是一种循环水养殖系统(RAS)与植物水培系统相结合的综合农业技术[3-4]，利用微生物将工厂化循环水养殖尾水中氨氮、亚硝酸盐氮、磷和有机物等[5]转化成植物可吸收的营养物质，实现资源和水的循环利用，解决水产养殖引起的水质和土壤的污染等环境问题[6-7]。

植物部分是除RAS 养殖对象外提高鱼菜共生系统附加经济价值的关键，植物的品种与质量得到可控生产是提高系统经济效益的重要因素[8]。近几年，鱼菜共生系统植物部分对柠檬草[8]、中草药[9]、芹菜[10-11]、水雍菜[12]和生菜[13-14]等蔬菜类植物研究较多，对果类植物的生长情况研究较少，也缺少系统设计参数计算、装备构建和经济性等方面深入研究。草莓具有经济价值较高、水培技术[15-16]成熟等特点，但对草莓为种植对象的鱼菜共生系统研究较少。鱼菜系统研究常选用罗非鱼和生菜作为试验对象，对其他鱼类和植物的关注较少，但罗非鱼和生菜的经济价值较低，且研究也较多。因此，本研究选用红颜草莓和宝石鲈，一是产品经济价值较高，二是为鱼菜共生增加新的研究对象。

本研究旨在探究红颜草莓(Fragaria orientalis)和宝石鲈(Scortum barcoo)共生过程中，植物净水情况、鱼类生长情况及应用推广价值。通过集合旋流颗粒过滤器[17]、移动床生物过滤[18-19]、紫外杀菌[20]和浮筏式水培架[21]等高效水处理技术和装备，运用基于投饲量的循环水养殖系统设计计算方法确立系统关键参数[3,22-23]，构建一套草莓和宝石鲈鱼菜共生系统。

1 材料和方法

1.1 系统设计与构建

1.1.1 工艺流程设计考虑到2种养殖对象共用一个生存环境，维持水质稳定是关键。因此，本设计采用RAS 水处理工艺和设备，包括旋流颗粒过滤器、移动床生物过滤器、紫外杀菌装置、冷暖机组和水培系统中的双层水培种植架，鱼菜共生系统工艺流程如图1 所示。试验系统总水体量约1.3 m3，设计最高养殖密度10 kg/m3，最大养殖生物量13 kg，最大日投喂量0.26 kg，日换水0 m3。

图1 系统水处理工艺流程图

1.1.2 关键参数计算

（1）移动床生物过滤器滤料体积：根据最大氨氮产生量、填料硝化速率、填料比表面积，按公式(1)计算。

式中，rtan硝化速率，g/(m2·d)，温度23℃时，值为0.3 g/(m2·d)[24]；SSA填料比表面积，MBBR填料[25]（型号K5）比表面积850 m2/m3。

PTAN最大氨氮产生量，kg/d，按公式(2)计算。

式中，Fmax系统设计最大载鱼量，取值13 kg；Rfeed日投饲率，2.00%/d；0.092为投喂每千克饲料所产生的氨氮质量[3]；PC饲料中粗蛋白含量，48%。

经计算，Vmedia=0.045 m3。

（2）系统循环量计算

根据移动床生物过滤器滤料体积、填料填充率和水力停留时间，按公式(3)计算。

式中，QTAN系统循环量，m3/h；PR填料填充率，%，本设计取35%；HRT生物滤器水力停留时间，其值为10～30 min，本设计取30 min；计算结果：QTAN=0.25 m3/h。

（3）根据光合作用光量子通量密度的总量和光照时间，按公式(4)计算日积累光照量(DLT)。日积累光照量(daily light integral，DLT)是光照强度和光周期的乘积，合适的DLT 有助于改善植株生长，提高光能利用效率。

式中，PPFD单位时间、单位面积上到达或通过的光合有效辐射的光量子数，光合作用光量子通量密度，本装置选用LED灯具作为光源，其值为300 μ·mol/(m2·s)。t光照时间，取值12 h，计算结果：DLI=12.96 mol/(m2·d)。1.1.3 关键设备系统使用的水处理装备主要有旋流颗粒过滤器、移动床生物过滤器。以及提供植物生长环境的双层水培种植架装置。

（1）旋流颗粒过滤器。

作为水处理第一道环节，物理过滤，主要去除水体中粪便和残饵。因为宝石鲈粪便不成形、发散的特点，运用过滤器中心管旋流向下的原理，有效截留较轻的颗粒物，具有沉淀效率高，建设成本低和维护简便等优点。

（2）移动床生物过滤器。

生物过滤是循环水养殖系统中的核心技术环节，此次设计采用移动床生物过滤器作为系统的主要生物净化设备。该滤器采用密度小于1.0 g/cm3的K5 颗粒滤料作为生物填料，填充率35%，水力停留时间(HRT)30 min。滤料长时间浸泡在水里之后，密度接近于水，在曝气作用下，滤料在水里翻腾，滤料表面附着生长的硝化细菌和亚硝化细菌群通过与水完全混合，从而有效降解水中有害物质，负责去除系统氨氮总产生量70%。

（3）双层水培种植架。

水培种植架由水培槽、种植浮筏和LED 灯光组成。水培槽为深液流模式(deep flow technique，DFT)，与养殖水体进行循环，为植物根部提供养分和溶解氧。种植浮筏面积1 m2，可提供生菜25～30 株，草莓12～15 株和番茄3～5 株等[2]。本实验采用的人工光源为发光二极管(LED)，能够发出植物生长所需要的单色光，LED 不仅节能而且能量转化效率非常高，白光LED 的电能转化效率已经达到80%。DLT 在11.5～17.3 mol/(m2·d)之间有利于提高草莓质量[26]，本实验DLT取值12.96 mol/(m2·d)，可供草莓正常生长。

1.2 系统运行管理

系统建于农业农村部水产养殖设施工程重点实验室，2021年4月2日系统正式投入运行，移动床生物过滤器中K5颗粒滤料进行挂膜处理，以积累硝化细菌，保持系统稳定，正式试验时间自2021年5月6日—6月9日，共持续69 d。系统选用宝石鲈和红颜草莓作为养殖对象，饲料为通威宝石鲈专用饲料，成份见表1。鱼类养殖采用人工投喂，日投喂量为鱼体质量的2%，早晚各一次。草莓养殖采用人工授粉的方式，每周2次。

表1 饲料组成成分

本研究使用碳酸氢钙[Ca(OH)2]进行pH 调节，并以此作为植物生长所需的Ca离子的补充[11]。每隔2周向系统中添加螯合铁30 g，以防止草莓植株因缺铁导致叶片发黄等问题。为能满足草莓必要营养元素钾和磷，挂膜结束后，向系统中投入磷酸二氢钾200 mg/L[27-29]。实验期间采用生物防治害虫的方法对植物进行防护。整个试验期间，除了用于补充因水面蒸发、植物蒸腾和吸收而损失的水，系统不进行水体交换。

1.3 水质检测及数据统计方法

水温、溶氧(DO)和pH等指标采用YSI多参数水质测定仪检测；氨氮(TAN)测量采用纳氏试剂光度法；亚硝酸盐氮(NO2--N)光度法；硝酸盐氮(NO3--N)含量采用紫外分光光度法；活性磷(PO43--P)采用钼锑抗比色法；钾离子(K+)采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)指定元素定量法。体质量测量使用磅秤称量。尺寸使用游标卡尺测量。结果以平均值±标准差表示。数据采用Excel 2016统计分析软件进行。

2 结果与分析

2.1 宝石鲈生长情况

系统于2021 年4 月2 日开始运行，为期69 d 养殖试验，宝石鲈生长情况见表2。初期投放宝石鲈24尾，考虑到生物滤器的挂膜周期，运行1 个月后再投放12尾，于5 月6 日，投放总尾数36 尾，养殖密度10.1±1.2 kg/m3。从表中可以看出，整个养殖试验周期鱼类存活率100.0%，平均养殖密度达到13.01±1.36 kg/m3。

表2 实验期间宝石鲈的生长情况

2.2 草莓生长情况

实验期间，草莓生长情况见表3 所示。初期种植草莓共计12 颗，设置的株距、行距分别20 cm，栽种密度是12株/m2。经过一个月的生长，5月10日之后集中3次采摘成熟果实，共计428.51±0.02 g。实验期间，作物周期之间的水果果形指标没有显著差异(p＞0.05)，草莓果形指数平均1.11±0.01，其中最大横径33.30±0.1 mm，最大纵径38.87±0.1 mm。

表3 实验期间草莓的生长情况

2.3 系统水质情况

2.3.1 温度、溶解氧(DO)和pH 养殖期间养殖池的水温、DO和pH的变化情况见图2所示。水温波动较小，基本维持在20.0～23.5℃，均在宝石鲈、草莓适宜生长的温度范围内[30-31]。其中，实验初期水温较低，实验末期水温较高，采用空调机组和恒温自动加热棒进行调控。养殖期间，平均水温22.23±1.02 ℃，平均pH 7.11±0.58，平均DO 7.38±0.61 mg/L。

图2 养殖周期内水温、溶解氧和pH变化情况

2.3.2 氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮养殖期间，每2～4 d 从鱼池取一定量水样进行TAN、NO2--N、NO3--N 检测，变化情况如图3所示。从图中可以明显看出，在系统运行的前1个月，滤料表面的生物膜尚未挂膜成熟，硝化细菌不足，随着系统负荷在逐步增加，水体中的TAN逐渐增加，最高达1.03±0.03 mg/L，随后变化范围稳定在0.6～1.07 mg/L。NO2--N在实验开始前期，由于硝化细菌不足，不能及时将亚硝酸盐氮转化为硝酸盐氮的情况下，NO2--N质量浓度上升很快，第8天达到峰值0.64±0.02 mg/L，但积累时间较短，而后急剧下降，第20天达到最低值0.024±0.007 mg/L。之后随着系统运行，NO2--N 呈现小幅波动，最终变化范围稳定在0.084～0.293 mg/L。

图3 养殖周期内氨氮和亚硝酸盐氮浓度变化情况

养殖期间，养殖池水质的NO3--N的变化情况如图4 所示。从图中可以明显看出，挂膜期NO3--N 稳步上涨至18.77±2.53 mg/L，是因为草莓在根叶生长期，根部生长旺盛，其附着很多硝化细菌，从而将NO2--N 硝化成NO3--N，因此前期NO2--N 能在短期内迅速稳定。随后，随着投喂负荷的增加，上涨至峰值64±1.97 mg/L，最后变化范围稳定在39.17～62.93 mg/L。NO3--N 质量浓度呈现出逐步升高的趋势，一是由于系统不换水，NO3--N会始终积累在系统中，二是由于NO3--N产生量多于水培草莓吸收量，导致其在系统中积累，质量浓度逐步升高与其他鱼菜共生系统变化趋势类似[11-12]。

图4 养殖周期内硝酸盐氮浓度变化情况

2.3.3 活性磷(PO43--P)和钾离子(K+) 养殖期间，养殖池PO43--P和K+的含量变化情况如图5所示。挂膜期间的活性磷(PO43--P)和钾离子(K+)主要来源于投喂的饲料积累，稳定在20 mg/L以内。添加磷酸二氢钾后，PO43--P 的含量迅速升高，最高值159.27±6.66 mg/L，随着草莓生育期转为开花结果期，对于磷元素的需求增加，导致PO43--P减少，随后渐渐下降至50.63±5.56 mg/L。而K+的含量变化较稳定，范围在80.76～96.40 mg/L。主要因为饲料中钾元素含量是磷元素含量的53倍（见表1），随着投喂的积累，K+被有效回收在系统中且含量较丰富，该现象与其他鱼菜共生系统[15]研究结果一致。

图5 养殖周期内活性磷和K离子含量浓度变化情况

2.4 系统耗电量情况

为期69 d的养殖试验，宝石鲈从平均体质量63.3±14.9 g增加至119.7±12.5 g，草莓产量共计428.51±0.02 g，系统共计耗电量862 kW·h（见表4）。系统运行稳定，产出2 种经济产物。从草莓产量上来看，未达到理想的地步，考虑到2 种情况，一是水培经验缺乏，人工授粉不均、环境控制等原因；二是草莓幼苗来自网络平台采购，并未严格筛选符合水培模式的苗种，导致出果率低、植株病害等问题。

表4 本研究鱼菜共生系统电量明细表

鱼菜共生，一种新型养殖模式渐渐被人们熟悉，投入一种饲料同时生产出鱼和植物，今后可进一步通过提升植物产量、品质来进一步提高鱼菜共生系统生产效率，但一种投入，两种产出，对于养殖技术管理将更具挑战。虽然鱼菜共生系统还有一些不足之处，但其环境友好，生产效率高和绿色环保等特点，具有可观的应用前景和推广价值。

3 讨论与结论

3.1 讨论

鱼菜共生系统从其结构形式，可分为耦合型和按需耦合型两种模式。耦合型模式[7]主要是水产养殖单元和水培单元形成一个单向闭路循环，循环水中的氮磷钾等元素能被充分有效地利用，该模式能提高水体中氮磷钾等元素的转化率[10]，减少向环境排放造成的环境污染，但仅靠饲料作为营养元素来源，因为缺少营养元素供给可能导致植物生长缓慢或致病。按需耦合型模式[32]主要是水产养殖单元和水培单元具有3种循环回路，可调整为独立循环模式，如植物收成、病虫害等问题时实现2 个单元互不影响的状态，实现按需管理。该模式管理灵活、系统稳定性强，但工艺复杂造成装备和运行成本增加。

本试验采用耦合型养殖模式，探究宝石鲈和草莓耦合模式下的共生情况。从循环水系统水质情况看，平均水温22.23℃，平均pH 7.11，平均DO 7.38mg/L，系统总体运行情况稳定。试验期间，系统中活性磷质量浓度呈现明显下降趋势，钾离子的质量浓度变化稳定，说明草莓对磷元素需求较大，可适当的增加磷肥，提高坐果率[33]。试验后期，NO3--N 质量浓度保持稳定，表明草莓植株能够吸收利用水体中的硝酸盐实现氮元素的转化，起到净化水质的作用。从循环水养殖鱼类生长情况看，宝石鲈存活率高达到100%，饵料系数1.4，与工厂化循环水养殖条件下的饵料系数相当[23,34]。史东杰等[35]研究了鱼菜共生养殖模式对锦鲤生长、消化酶活力的影响，研究显示10%的空心菜生物浮床覆盖面积时特定生长率0.62%，本研究结果显示，宝石鲈的特定生长率0.3%，比较其原因，因鱼菜共生水体中寡营养状态不足以维持草莓果实的生长，添加磷酸二氢钾作为植物的营养盐补充，可能对宝石鲈幼鱼的生长产生一定影响，可更改添加模式和添加量解决问题。从草莓植株生长情况看，单株草莓平均采收果数7.03左右，与营养液水培红颜草莓单株果数6～9.33 接近[36]。Chow 等[21]研究了深流式水培草莓生长和产量的营养要求，研究显示单株草莓平均采收果重74.3 g 左右，本研究结果显示，单株草莓平均采收果重36.71 g 左右，分析原因，一是试验末期因环境温度超过25℃[36]，植株感染红蜘蛛，致病后无法继续生长；二是可能缺少其他微量元素和未及时授粉导致，可适当添加必要微量元素和饲养熊蜂解决授粉问题。

3.2 结论

以实验为目的构建一套草莓和宝石鲈共生浮筏式系统，通过集合旋流颗粒过滤器、移动床生物过滤、紫外杀菌和浮筏式水培架等高效水处理技术和装备，为期69 d的养殖试验。结果显示，宝石鲈生长情况良好，最高养殖密度13.01±1.36 kg/m3，成活率100%；草莓生长情况良好，产量共计428.51±0.02 g。水质情况良好，氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮浓度分别维持在0.56±0.01 mg/L、0.175±0.019 mg/L和31.13±1.75 mg/L，溶解氧浓度维持在7.38±0.61 mg/L，pH 维持在pH 7.11±0.58。系统平均日耗电量12.49 kW·h。系统运行稳定，产出2种经济产物，为鱼菜共生系统推广提供技术支持。