不同鱼-菜比值共生系统的水体无机态氮磷含量变化

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(海南热带海洋学院，海南 三亚 572022)

0 引 言

由于土地资源的相对匮乏和农业面源污染的日趋加剧，中国的农业生产正面临数量与质量的双重挑战。比如，当前我国的水产养殖业主要采用高密度、高投饵率和高换水率的传统方法[1]，在养殖水体中随着饵料、粪便等物质的积累，大量营养元素随养殖废水排放到周围环境，既造成资源的浪费，又引起周围水体的富营养化[2-3]。“鱼-菜共生”这种综合效益较高的有机生产模式，使水产养殖业与种植业在有效利用土地资源和降低农业污染物排放量的目标下得到了有机的统一[4]。该生产模式集养殖和种植于一体，充分利用各种生物的生活习性，不仅增强了水体净化能力，降低了养殖废水的污染度，同时也增加了额外的经济收益[5-6]。其基本原理是植物在含有营养物质的水体中生长，营养物质来自于鱼的直接排泄物或微生物分解的排泄废物。在更少日需换水量(小于2%)的封闭循环系统中，溶解的营养物质得到积累同时其浓度接近水培营养液，尤其是水中营养元素的含量会处于一个适宜的浓度水平[7-8]。

在鱼-菜共生系统中，随着鱼/菜的增加，饵料投放和鱼类的排泄物随之增长，水体中N、P等营养物质的累积速率加快，换水的数量和频率也需相应增加；相反，随着鱼/菜的降低，蔬菜作物对营养的需求逐渐加强，鱼类代谢所产生的营养元素将无法满足作物的需求，最终导致蔬菜生长减缓、产量降低。因此，适宜的鱼/菜对鱼-菜共生系统的长期、稳定运行至关重要。但迄今为止，有关鱼/菜对鱼-菜共生系统水体营养物质含量影响的探索非常有限。本研究在自行设计的实验室规模鱼-菜共生装置上，通过设定不同的鱼/菜，探讨了水体无机态N、P含量的变化特征，以期为构建适宜鱼-菜共生体系持续、健康运行的鱼/菜提供必要的数据支持。

1 材料与方法

1.1 实验装置

本研究所采用的实验装置如图1所示。装置主要由养殖系统和水培系统两部分组成，水体在两个系统之间循环运转，上水动力由置于养殖箱中的潜水泵提供，下水由置于种植箱中的虹吸装置完成。

图1 鱼-菜共生系统实验装置Fig.1 Experimental setup of aquaponics

种植箱(0.56 m×0.45 m)置于距地面1.2 m的位置，其底部填入直径6～10 mm的陶砾作为基质层，填充高度为18±0.5 cm。陶粒坚硬、质轻、孔隙结构丰富、保水保肥能力强，粒间有充足的空气，有利于硝化细菌的附着，是无土栽培的良好基质[9]。养殖箱置于种植箱下距地面0.2 m的位置，其容纳有效水体的体积为90 L。虹吸装置的作用是在不需提供能量的前提下形成潮汐式灌溉，使植物根系周期性淹没于水中(吸收养分)或暴露于空气中(获得氧气)[10]。

1.2 实验设计、运行与管理

实验在海南热带海洋学院滨海耕地地力保育重点实验室开展，实验时间为2017年3月4日至4月5日，共33 d。实验共设3个处理，分别为6尾(鱼)∶10株(蔬菜)、8尾∶10株和10尾∶10株，每个处理设3次重复。

实验选用的鱼种为罗非鱼，蔬菜为红薯叶。罗非鱼由海南省陵水县某罗非鱼养殖场提供，初重为15.0±0.95 g，养殖初期生长状态良好。红薯叶根系分泌的代谢产物对水体内的细菌和霉菌具有较强的抑制作用，水培过程中不易患病，故选为本实验水培作物[11]。在正式实验开始时选取生长旺盛、根系发达的红薯叶植株移栽到种植箱内。

在本研究中，鱼类全程采用人工喂食，鱼饵料为市售蛋白质含量32%、含水率10%的漂浮型鱼粮。喂食量确定的方法为：投入鱼粮15 min后，根据所剩鱼粮颗粒数调整下次喂食量，直至所剩鱼粮颗粒数占投入颗粒的10%以下。为防止残余鱼粮降解污染水质，每次摄食结束后将未被食用的鱼粮及时捞出。整个实验过程中鱼类健康状况良好，养殖水体未添加激素和其他外源营养物质。水培系统中的红薯叶保持自然光照下生长，实验过程中未出现病虫害等意外情况。除因蒸发、叶面蒸腾所导致的养殖箱内水位下降需要进行补水(每次取样前)外，整个实验过程不进行任何换水和充氧措施。

1.3 样品收集与指标测定

1.4 数据分析

本研究所涉及不同处理的实验结果以各平行样本的均值表示。实验数据采用Excel 2016、SPSS 19.0等统计分析软件进行。

2 结果与讨论

2.1 鱼-菜共生系统水体pH和DO的变化

整个实验过程中，各处理水体pH和DO之间均未表现出显著差异(P>0.05)。随着养殖时间的延长，前期(0～21 d)pH呈缓慢升高趋势，后期(21～33 d)则逐渐降低，但总体稳定在7.0～8.0的弱碱性范围。实验过程中，各处理DO的维持在5.5～8.5 mg·L-1范围内，虽变幅较大，但不会对鱼类的生长和生理机能产生影响。

2.2 鱼-菜共生系统水体无机N含量的变化

图2 鱼-菜共生系统水体无机N含量及随养殖时间的变化Fig.2 The dynamics of inorganic nitrogen contents and N-N/N-N with cultural time in symbiotic water of aquaponics

2.3 鱼-菜共生系统水体含量的变化

图3 鱼-菜共生系统水体无机P含量随养殖时间的变化Fig.3 The dynamics of P-P content with cultural time in symbiotic water of aquaponics

3 结 论

(1)本实验自行设计的实验室规模鱼-菜共生系统适合N、P等营养元素在鱼类和蔬菜间循环利用，陶粒作为水培基质具有较强的适宜性，虹吸装置提供的潮汐式灌溉方式有利于作物生长及保持较高的水体DO；养殖过程水体pH保持弱碱性，有利于鱼类的生存且对蔬菜生长无害。

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