含循环水养殖系统尾水的水培生菜配方研究

强笑野，杨 扬，陈小文，杨文华，刘永好，张天柱＊

（1.中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083；2.北京中农富通园艺有限公司，北京 100083；3.中农天陆微纳米泡水科技有限公司，北京 100083）

工厂化养殖模式是我国未来水产养殖的发展方向，其中RAS理论上能够实现最高水产养殖密度的生产，具有广阔的前景。然而随着养殖密度的增加，RAS需要定期向外排放养殖池底部的污水，这些污水与系统过滤的损失水合称为RAS尾水，RAS尾水的排放问题严重限制了循环水养殖模式的推广。在倡导绿色农业的今天，RAS尾水的资源化利用成为了亟待解决的问题。基于富营养化水体和鱼菜共生理念，采用水培系统净化RAS尾水同时收获高品质水培作物的技术与相关工艺具有很高的研究价值。生菜具有广阔的市场和较高的经济价值，生长周期短且适宜水培。杨鑫等人[1]研究发现使用沼液替换山崎营养液显著影响了营养液的特性以及生菜的产量和品质。以适当浓度沼液替换营养液，可以稳定营养液特性，提高生菜产量，优化生菜品质，达到节能高产优质的目的。刘晓丹等人[2]研究发现水培生菜对富营养化水体中的总氮和总磷去除率分别达到93.04%和88.08%。徐卫红等人[3]研究发现使用沼液替换山崎营养液能够显著降低生菜叶片中的硝酸盐含量。Boxman团队[4]研究表明水培生菜对鱼菜共生系统水体氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐等污染指标去除效果显著。综合上述研究结果，RAS尾水中含有水培生菜生长所需养分，利用RAS尾水。罗非鱼肉质鲜美、营养丰富，具有一定经济价值，且罗非鱼具有耐低氧、抗病力强、育肥效果明显等优势，是理想的试验材料[5]。本试验根据实际生产经验将规格为500g每尾的罗非鱼养殖密度定为50kg/m-3。水培生菜对RAE尾水的净化效果以及RAS尾水对水培生菜的营养价值是该研究的难点，因此本文主要研究系统中RAS尾水的水质变化及生菜的生长情况，为日后相关工艺的完善提供理论依据与数据基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2018年9-10月在北京市通州区潞城镇中农富通北京国际都市农业科技园田间超市进行，以奶油生菜品种“奶生一号”作为供试材料，2018年9月26日于生菜幼苗六叶一心时按10cm*25cm的密度定植于长*宽*高=90cm*35cm*12cm的栽培槽中，采用循环水深液流技术（DFT）水培，每一栽培槽营养液量均为0.15m3，全天循环供液，装置示意图见图1。生菜于10月26日采收。罗非鱼每日两次固定时间投喂，投喂系数稳定为4%，尾水取自田间超市内搭建的循环水养殖系统（RAS）污水收集装置，经水质快速检测试剂盒粗测RAS尾水相关指标：pH7.5，总硬度10mmol/L-1，氨态氮1.5mg/L-1，硝酸盐30mg/L-1，亚硝酸盐4mg/L-1，总氮40mg/L-1，总磷10mg/L-1，充分搅拌混匀后现取现用。

图1 水培系统示意图

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

设置5个不同梯度的营养添加试验组，分别是富通水培营养液通用配方营养成分的1/5（T1），2/5（T2），3/5（T3），4/5（T4），和全部（T5），并以60%浓度的RAS尾水为底水，配制成5份新的水培营养液；以不掺RAS尾水的富通水培通用营养液作为对照组（CK）。罗非鱼RAS养殖密度为50kg/m3，水培生菜品种为“奶生一号”，每组设置3个重复。

1.2.2 测定指标与方法

氨氮、总磷、总氮、硝酸盐、亚硝酸盐及全盐量等水质参数委托第三方检测机构进行测量：氨氮含量采用水杨酸分光光度法（HJ536-2009）测定；水体总磷含量采用钼酸铵分光光度法（GB/T11893-1989）测定；水体总氮含量采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）测定；水体硝酸盐、亚硝酸盐含量采用离子色谱法（HJ84-2016）测定；水体全盐量采用重量法（HJ/T51-1999）测定。水体EC(Electrical Conductivity)值采用意大利HANNA公司生产的HI98130型EC计测量，溶解氧（DO）值、水温采用YSI550A型溶氧仪测量，水体pH采用HJ90B型pH计测量。生菜根长、株高采用刻度尺与游标卡尺测量，生菜鲜重采用千分之一天平测量。水分、可溶性糖、维生素C、蛋白质、硝酸盐、亚硝酸盐等品质指标委托第三方检测机构进行测量：生菜地上部可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；生菜地上部维生素C含量采用2，6-二氯靛酚滴定法测定；生菜地上部蛋白质含量采用凯氏定氮法测定；生菜地上部硝酸盐、亚硝酸盐含量采用HPLC法测定。生菜生长指标每4d测量一次，每个处理随机选取5株进行测量，测量结果以平均值表示。水体温度、pH、EC值和溶氧值每4d测量一次，测量位置为水培槽进水端、中间位置和出水端，测量结果以平均值表示。各处理水质指标每7d检测一次，测量结果以平均值表示。生菜品质指标试验结束时统一测量，每个处理生菜全部检测，测量结果以平均值表示。

1.3 统计分析

图表绘制使用Microsoft Office Excel2007应用软件，试验结果均以各平行系统的平均值表示，数据分析使用SPSS17.0 应用软件，显著性检验采用邓肯法(P＜0.05)。

2 结果与分析

2.1 循环水养殖系统尾水污染指标变化

水温测量时间为下午2时，最高温与最低温差值为1.4℃，试验期间水温稳定在20～21℃，各组水温呈逐渐下降趋势，温度走势见图2。营养成分的投入降低了RAS尾水的pH，试验开始第一周，含尾水的营养液pH缓慢上升，之后逐渐趋于稳定。由图3可以看出，营养成分添加的越多，营养液pH越低。水培生菜营养液适宜pH范围为5.7～6.5，由于本试验需要研究含RAS尾水的新营养液的特性，所以均未添加磷酸调节pH。

图2 平均水温走势

图3 RAS尾水水培营养液pH值走势

研究表明[6]营养液pH高于7.8 时易导致水培生菜新叶发黄，高于8.5 时会导致生菜生长点坏死。各试验组pH在6.2 到7.2 之间，基本满足水培生菜生长需要。

对照组与T3组EC值相近，营养液EC值随着营养成分的投入越来越高。根据图4显示，全营养配RAS尾水组EC值最高，约为3；T1组EC值最低，约为1.3。含有尾水的营养液EC值存在先小幅下降，在缓慢上升的趋势；试验期间对照组营养液EC值持续缓慢下降。这说明RAS尾水具有一定。研究表明[7]水培生菜在幼苗期间最适EC值为2，生长阶段EC值不宜超过3。可见仅从EC值来看，添加T1和T2营养成分尚未满足水培生菜生长阶段所需。

图4 RAS尾水水培营养液EC值走势

各组水体中的氨氮来自于RAS尾水中的氨氮以及营养成分中的铵盐，其变化趋势见图5。结果显示新营养液中的氨氮得到了很好的去除，试验开始后3周内各组的氨氮全部下降至零。T1组氨氮在7d内下降至零，T2、T3、T4、CK组氨氮在14d内下降至零，T5组氨氮在21d内下降至零。水培生菜能够吸收利用水体中的铵根离子，但氨氮浓度不宜过高，研究表明[8]水培生菜能够承受15mg/L的氨氮浓度，但是生菜生长情况不佳。氨氮浓度低于5mg/L时生菜生长不会被抑制；而氨氮在经过硝化细菌利用后最终会转化为硝酸盐，因此在植物吸收和微生物的共同作用下，氨氮最终全部消失。

图5 RAS尾水水培营养液氨氮含量

各组水体中的亚硝酸盐来自于RAS尾水，因此试验开始时CK组不含亚硝酸盐。由图6可以看出T1至T5组亚硝酸盐初始含量均在4.3 至4.7mg/L之间，且在三周内全部下降至零；而CK组亚硝酸盐却在逐渐积累，试验开始后7d至14d间达到峰值，且该峰值高于2.5mg/L，且在之后的两周内下降至零；T1、T2、T3组水体亚硝酸盐在14d内下降至零；T4、T5组水体亚硝酸盐滞留时间较长，约为21d。由于尚未有研究表明亚硝酸盐在该浓度下会对水培生菜生长产生不良影响，因此忽略亚硝酸盐对生菜生长的影响。而亚硝酸盐作为一项比较重要的水体污染指标，对人体的危害很大。食入0.3 至0.5g亚硝酸盐即引起中毒，3g导致死亡；在2017年世界卫生组织国际癌症研究机构公布的致癌物清单中，导致内源性亚硝化条件下摄入的硝酸盐或亚硝酸盐被列入2A类致癌物。因此，对于食用的奶油生菜，应该尽量减少水体中亚硝酸盐的滞留时间。然而水培蔬菜营养液前期都会不可避免出现亚硝酸盐积累的情况，而亚硝酸盐不能被水培生菜直接吸收，而是由硝化细菌转化为硝酸盐。而CK组营养液中不存在或者仅存在少量硝化细菌，因此亚硝酸盐会先积累，待硝化细菌繁殖到一定数量后才逐渐减少；而RAS尾水中本身就带有一定数量的硝化细菌，并且含有一定浓度的亚硝酸盐，因此在新的水环境下硝化细菌得以繁殖，从而使亚硝酸盐浓度快速下降。除CK组外，各组水体亚硝酸盐浓度均以每周约2mg/L的速度减少，直至为零。

图6 RAS尾水水培营养液亚硝酸盐含量

试验开始时各组水体中的硝酸盐主要来自配方中的硝酸钾和硝酸钙，其次为RAS尾水中携带的硝酸盐。从图7可以出除CK组水体硝酸盐含量在试验开始后两周内缓慢下降外，其余各组硝酸盐含量两周内均缓慢上升。这可能是由于RAS尾水中存在含氮有机物，在微生物的作用下最终转化为硝酸盐；另外尾水中含有的亚硝酸盐也会在硝化细菌的作用下转化为硝酸盐，因此硝酸盐含量先增加。而试验开始时CK组中仅有配方中所含的无机盐，生菜吸收利用了营养液中的硝酸盐，因此CK组在前两周内硝酸盐含量下降。试验后两周除CK组硝酸盐呈上升趋势外，其余各组存在下降 趋势或无明显波动。说明生菜生长后期会大量吸收硝酸盐，而CK组在试验后半段水体中微生物繁殖到了一定数目，所以硝酸盐含量有上升趋势。由于营养液中硝酸盐含量非常高，所以水体总氮、全盐量指标基本受硝酸盐控制。由图8、9可见，试验期间总氮和全盐量基本没有明显变化。

图7 RAS尾水水培营养液硝酸盐含量

图8 RAS尾水水培营养液总氮走势

由于总氮指标不包括有机氮，所以主要包括硝酸盐、亚硝酸盐和氨氮，其中硝酸盐含量占总氮含量的90%以上。由CK组总氮基本不变、全盐量缓慢下降可以推断出，营养液中含氮量过高，水培生菜对氮的吸收不明显。

图9 RAS尾水水培营养液全盐量走势

试验开始时各组总磷含量如图10，T3组与CK组总磷含量几乎相同，且各组总磷含量随着营养成分的投入呈现梯度。RAS尾水的加入影响了水培系统对磷的净化速度，CK组总磷含量下降速度对比其它试验组在试验开始第一周更快，达到每周下降8mg/L。含有RAS尾水的试验组总磷下降速度稳定，每周浓度下降约6mg/L；第二周时各组总磷下降速度大致相同，每周浓度下降约6mg/L。T1组总磷浓度在水培生菜定植后两周下降至1mg/L，之后趋于稳定，其余各组总磷浓度在试验开始后三周下降至1mg/L左右，之后趋于稳定。可见总磷不能被完全消除，最低只能维持在1mg/L浓度水平。考虑到水培生菜根系渗透压，当营养液中磷元素浓度低于某值时，根系无法吸收利用。

图10 RAS尾水水培营养液总磷含量

通过对添加营养后的RAS尾水各项污染指标进行研究，结果表明营养成分的添加没有影响水培系统的净化能力。

2.2 尾水对水培生菜生长及品质的影响

试验为了提高水培生菜产量以及品质，设置梯度向其中添加营养成分，通过最终水培生菜产量以及品质，找到适宜的营养添加方案。

试验期间各组生菜根长变化如图11，试验结束时各组平均根长顺序为T5＞T4＞T3＞T2＞T1＞CK，T5组平均根长47cm，超过T4组6cm。可以发现T4、T3组根长相近；T2、T1、CK组根长相近。由于CK组与T3组EC值几乎相同，但T3组根长明显高于CK组，可以推断出RAS尾水的投入能够促进水培生菜根系发育。相对于CK组，T1至T5组随着营养成分的投入根长逐渐增长。

图11 水培生菜根长生长情况

试验期间各组生菜株高变化如图12，试验结束时各组平均根长顺序为T2＞T5＞T3＞T4＞CK＞T1，T2、T3、T4、T5组株高相近，CK组略低于T4组，T1组明显低于其它组。可以推断RAS尾水在适当添加营养后可以促进水培生菜地上部生长。从试验开始前两周T5组株高增长速度缓慢可以看出，过高的EC值不适宜水培生菜幼苗生长，T1组营养液养分尚未满足生菜生长需要。T5组在试验开始后第三周突然高速生长，应为前期根系发育良好，生菜在生长期得以吸收充足的养分，从而地上部生长加速。由于生菜的经济部分为地上部，因此株高是衡量生菜品相的一个重要指标，通过本次试验结果可以初步得出RAS尾水具有提高生菜品质的结论。

图12 水培生菜株高生长情况

下面再结合鲜重和叶片数指标进一步确定RAS尾水对水培生菜生长的影响。试验期间生菜鲜重变化如图13所示，最终T5组鲜重最高，达到46g；T3、T4组鲜重也都超过了40g；T1、T2组鲜重均在25g以下，说明添加2/5营养成分后尚未满足水培生菜需要。T3组营养液的EC值与CK组相同，但T3组鲜重最终比CK组高8g，说明RAS尾水促进了水培生菜的生长，提高了产量。由T5组鲜重最高可以得出水培生菜在生长期所需养分较多，因此EC值最高的T5组在试验开始第三周后生长速度突然增加，并在最后一周增重了近20g。

图13 水培生菜鲜重增长情况

叶片数是评价生菜生长情况的一项重要指标。由图14可以看出，试验结束时T3、T4、T5、CK组生菜叶片数均超过了20枚。T1、T2组叶片数最少，仅16枚。生菜叶片数与鲜重顺序基本一致，可以得出T5组产量最高的结论。

图14 水培生菜叶片数变化

本次试验各组奶油生菜各项品质指标见表1。

表1 十月水培生菜品质指标

从奶油生菜品质检测结果可以看出，RAS尾水的投入明显提高了水培生菜的可溶性糖含量，且降低了生菜叶片中的硝酸盐含量。T3组与CK组EC值相同且T3、T4、T5组生菜长势接近，由此可以初步得出RAS尾水具有提高水培生菜品质能力的结论。由于T1、T2组与其它组长势差距较大，且生菜品质指标受叶片面积影响，因此可能造成部分指标与其它组存在较大差异。

3 结论与讨论

试验结果表明，向RAS尾水中适当添加营养能够促进水培生菜生长，并提高水培生菜品质。与CK组相比，T5组水培生菜鲜重增加了27.7%；T4组增加了18.1%；T5组增加了19.4%。RAS尾水能够促进水培生菜根部生长，虽然根部不是生菜主要经济部分，但是根部发育状况是水培生菜生长阶段快速增重的关键[6]。水培生菜定植后两周内根部发育状况决定了定植后三到四周间地上部生长速度，然而T1、T2组在定植后两周内根长虽然增长很快，但在生长阶段缺少营养，最终长势与其它组差距较大。而T5组在定植前期根部发育最慢，但在生长阶段由于养分充足，生菜得以快速生长。

从最终产量来看，T5组最高；综合品质与产量因素，T4组最优。T3与CK组具有相同的EC值，可以近似认为两组含盐量一致；通过比较T3、T4、T5、CK组生菜叶片硝酸盐含量可以发现T5＞CK＞T3＞T4，而T5组相当于用RAS尾水作为原水培营养液的溶剂，水体含氮量高于CK组，因此能够解释叶片硝酸盐含量高于CK组。而T3、T4组水体含氮量与CK组相当，但叶片中硝酸盐含量明显低于CK组，这项结果表明RAS尾水中的有机氮成分一定程度上替代了无机氮养分，而无机氮源主要为硝酸盐，这与陈贵林团队[9]利用氨基酸和尿素代替硝酸盐作为水培生菜氮源得到的结果一致。

使用RAS尾水可以适当降低营养液中硝酸盐成分，从而减少水培生菜对硝酸盐的吸收，降低叶片中硝酸盐含量，提高水培生菜品质。各组生菜叶片均未检测出亚硝酸盐，且维生素C和蛋白质含量与营养成分的投入量没有直接关系。比较T4、T5、CK组生菜品质指标后发现RAS尾水投入后生菜叶片中的水分以及可溶性糖含量得到了明显提升，这些指标能够影响生菜的口感，因此综上所述，RAS尾水的投入使水培生菜的品质得到了明显提升。

反观RAS尾水污染指标的变化，水体氨氮、亚硝酸盐含量最终下降至零，总磷稳定在1mg/L水平。水培系统对氮的去除效果仍不明显，推测原因为水体硝酸盐含量过高，水培生菜无法吸收利用，因此至试验结束时各组水体总氮含量、硝酸盐含量变化均不明显。RAS尾水的投入影响了第一周内水培系统对磷的净化速度，一种可能的原因RAS尾水中含有含磷有机物，在微生物作用下分解后转化为无机磷，而采用的检测技术只能检测无机磷含量，因此在试验开始第一周有机磷转化为无机磷的过程影响了总磷曲线走势；另一种可能性为RAS尾水的投入影响了水培生菜对磷的吸收，这应当与RAS尾水的水体特质有关，但具体原因仍需进一步研究。

向RAS尾水中添加营养配置成新的水培营养液可以收获较原无机营养液培育出更高品质的生菜。根据试验结果，营养成分的添加方案还能够继续优化，为此提出以下建议：

（1）营养液的pH偏高，建议添加磷酸调节pH至6.0；磷酸的投入同时能够补充磷元素，从总磷的变化趋势来看，试验最后一周磷元素含量一直维持在最低水平，由此推断可以适当补充磷。

（2）建议降低原配方中硝酸钙的用量，试验结果表明原配方中硝酸盐含量过高，远远超过水培生菜生长所需。何鑫等人[10]在研究硝酸钙对水培生菜的生长及品质影响时发现营养液中含量过高的硝酸钙会导致生菜叶片中积累大量的硝酸盐，对生菜品质产生不良影响。而RAS尾水中含有的含氮有机物比如尿素、氨基酸、氨氮等，能够替代部分硝酸盐作为氮源，从而降低水培生菜叶片中硝酸盐含量。

（3）建议分阶段调整营养液配方。由于水培生菜在不同生长阶段最适的水环境不同，因此可以根据已有的研究按照水培生菜不同生长阶段调节营养液的EC值，从而提高产量、降低成本。

根据RAS尾水成分来看，在水培生菜定植后应添加磷酸二氢钾将EC值调至1.5～2；第一周后添加微量元素配方并添加硝酸钾和磷酸将EC值调至2.5 左右，并将pH稳定在6.0～6.5 之间；第二周后继续添加少量硝酸钙、磷酸二氢钾将EC值调至3左右直至水培生菜生菜收获。其中各营养成分的适宜投入量仍需要进一步研究。

致谢

感谢张天柱教授对本研究的支持和引导，感谢北京中农富通园艺公司的陈小文、高莉平、宋懿、李娇，感谢北京中农天陆微纳米气泡水科技有限公司的马冲、耿云冲、张凯、刘永好、刘中伟、宁欣欣等人在试验期间给予的帮助和支持，感谢杨扬在论文撰写期间耐心的指导与建议！