不同磷酸二氢钾添加量对鱼菜共生系统水质及鱼菜生长的影响

徐琰斐，顾川川，高霞婷，倪 琦

(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)

鱼菜共生是循环水养殖和植物无土栽培在一个生产系统中的集成，通过投入一种氮源(饲料)同时生产鱼和植物两种产品，其原理是将水产养殖排放水经微生物硝化作用后转化为植物所需的营养物质，植物对营养物质的吸收又可为水产养殖净化水体，既提高了产量和经济效益，又解决了处理养殖尾水和为植物施肥的成本问题，具有资源节约、生产高效、环境友好等特点，是一种可持续的农业生产方式[1-5]。

氮是鱼菜共生系统最重要共生营养元素之一。目前，关于鱼菜共生系统的氮素收支平衡方面的研究较多[6-7]，但是关于其他营养元素，尤其是磷(P)元素对鱼菜共生系统的影响研究仍较少[8-9]。鱼菜共生系统养殖排放水中本身含有丰富氮(N)，但磷(P)、钾(K)含量低，相比普通水培植物系统，其溶液中磷(P)含量低10倍、钾(K)含量低45倍[10]，易导致植物生长缓慢，叶色发黄，坏死，产量低[11]，阻碍鱼菜共生系统产量和效率进一步提高[12]。多项研究指出[13-21]，在养殖水体或者投喂饲料中添加不同水平的磷(P)元素，对养殖对象的生长性能和存活率有影响；在无土栽培系统中添加磷(P)和钾(K)元素能够增加植株的产量、改善果实的品质。因此，在鱼菜共生系统中，为养殖和种植对象提供足够比例的各类营养元素，对提高系统整体产量和效益，具有重要的意义[22-24]。

磷酸二氢钾(KH2PO4)是农业农村部指定推广发展的优良化肥成分之一，常用于叶面施肥和无土栽培的营养液，研究证明，KH2PO4具有显著增产增收、抗病虫害等作用，且对作物安全[25-27]，但关于其对鱼菜共生系统的作用研究比较少。浮筏型鱼菜共生系统(Deep Water Culture)是目前商业应用最广泛的形式之一，具有维护和操作性好，产能高等特点，适合各类生产条件[28-29]。

本研究构建小型浮筏式鱼菜共生系统，以宝石鲈(Scortumbarcoo)，红颜草莓(Fragariaorientalis)作为试验对象，研究不同质量浓度KH2PO4条件下宝石鲈和草莓生长情况，并测定水体中的总氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、活性磷、钾离子的质量浓度变化，旨在确定适宜的KH2PO4质量浓度，并评价其对系统水质和鱼菜生长情况的影响，为提高鱼菜共生系统生产效率提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

试验系统如图1所示，工艺流程如图2所示。试验系统主要由养殖池、竖流沉淀器、生物反应器、蓄水池、水培槽、种植浮筏、冷热机组、紫外灯管、水泵等部分组成，水体在整个系统中循环运转。根据水位高度，在重力作用下水流从养殖池依次经竖流沉淀器、生物反应器、水培槽和蓄水池，由蓄水池中的潜水泵提供上升动力，使水体经冷热机组和紫外杀菌后回到养殖池。

图1 鱼菜共生系统装置Fig.1 Experimental device of aquaponic system

图2 试验装置工艺流程Fig.2 Technological process of auqaponic system

养殖池直径0.7 m，高1 m，有效载水量0.33 m3；竖流沉淀器直径0.3 m，高1 m，有效载水量0.05 m3；生物反应器长宽各0.6 m，高1 m，有效载水量0.36 m3，内装PE填料；水培槽共2层，种植浮筏面积共1.5 m2，上下层间隔0.5 m，可容纳水体量为0.3 m3；两层种植浮筏配有LED辅助光源，光照强度为3 000 Lx，24 h开启；蓄水池的有效蓄水能力为0.15 m3；水泵放置在蓄水池中，功率20 W，最大流量1 500 L/h；紫外杀菌功率25 W，流量为1.4 t/h；系统设有冷热机组，水温控制在22～25℃，以保持温度恒定；在养殖池和生物反应器中设有增氧装置，可有效维持鱼的健康生存及生物反应器的正常运行。试验系统总水体量约1.2 m3，水流量设置为0.10 m3/h，循环率为2.4次/d。试验期间，用于补充因蒸发、植物蒸腾和吸收而损失的水量约240 L，系统不与外界进行水体交换。

1.2 试验过程

试验前期系统正常开启，并放养少量宝石鲈(Scortumbarcoo)和红颜草莓(Fragariaorientalis)，经调试运行30 d后取出，目的是对生物反应器中PE填料进行挂膜处理，以积累硝化细菌，保持系统稳定，正式试验时间自2021年5月8日至6月16日，共持续40 d。

正式试验选用红颜草莓(Fragariaorientalis)作为试验植物，洗净根部，定植到水培槽中，起始质量约为237±14 g。选用宝石鲈(Scortumbarcoo)为试验鱼类，每池放33尾，起始总质量约为3 278±37 g，平均养殖密度为10.0±0.1 kg/m3。宝石鲈与草莓生物量配比约为14∶1。试验开始时，向系统蓄水池中添加KH2PO4固体，使其溶解，添加量综合参考山崎草莓配方、华南农业大学水培果菜配方、日本园试配方[30-31]等三种常用水培营养液中磷(P)、钾(K)元素质量浓度确定，分1个对照组(KH2PO4添加量为0 g，质量浓度为0 mg/L)和3个处理组(KH2PO4添加量为120 g、240 g和480 g)，质量浓度分别为100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L，分别标为A、B、C组)，每组处理设3个重复。在整个试验过程中，各系统宝石鲈正常生长，试验末期400 mg/L处理组发现死鱼2条，原因可能与KH2PO4质量浓度较高有关，捞出后挑选同等质量活鱼补充进系统。草莓长势良好，未发现明显病虫害情况。

采用人工投喂，按鱼体质量3%进行投喂，2次/d，分别于早上9:00，下午16:00。鱼饲料为市售嘉吉精养鱼配合饲料，蛋白质含量≥36%，含水率≤12%，含磷268.9 mg/kg，含钾14 340 mg/kg。根据鱼的进食情况，及时调整并记录每次的喂食量。使用Ca(OH)2溶液调节系统pH，使其维持在6.8～7.2[1]左右。同时，每隔2周向系统中添加乙二胺四乙酸二钠铁，使铁含量维持在2.5 mg/L左右以防止草莓缺铁。

1.3 样品收集与指标测定

1.4 数据分析

试验结果以各平行样本的均值±标准差表示，数据采用GraphPad Prism 8.3、Excel 2016等统计分析软件进行。

宝石鲈特定生长率(S)计算方法见公式(1)。

(1)

式中：S为特定生长率；Wt为试验结束时宝石鲈质量，g；W0为试验开始时宝石鲈质量，g；t为试验天数，d。

宝石鲈和草莓增重率(A)计算方法见公式(2)。

(2)

式中：A为增重率；Wt为试验结束时宝石鲈质量或草莓植株质量，g；W0为试验开始时宝石鲈质量或草莓植株质量，g。

草莓植株增高率(H)计算方法见公式(3)。

(3)

式中：H为增高率；Ht为试验结束时草莓植株高度，cm；H0为试验开始时草莓植株高度，cm。

2 结果与分析

2.1 基础水质情况

试验期间系统中的水体循环流动运行40 d。试验期内基础水质指标情况如表1所示，系统水温较稳定，平均水温为21.3±0.7℃，平均pH 6.76±0.27，平均DO为7.25±0.21 mg/L。

表1 基础水质情况Tab.1 Basic water quality

宝石鲈生存水温13℃～38 ℃，适宜的温度范围为20℃～28 ℃，最佳生长水温为21℃～25℃[33]。草莓的生长适温为15℃～25℃[34]。因此，在该试验条件下，能够保证宝石鲈和草莓正常生长。

2.2 鱼菜共生系统水体中氮含量的变化

图3 试验期间含氮化合物质量浓度变化Fig.3 Trend of Concentration of nitrogen compounds

2.3 鱼菜共生系统水体中活性磷、钾离子的含量变化

图4 试验期间活性磷和钾离子质量浓度变化Fig.4 Trend of concentrations of active phosphorusand potassium ions

2.4 宝石鲈生长情况

如图5显示，试验期间，4组系统的宝石鲈增加质量分别为388±37.25 g、343±14.31 g、720±38.00 g、177±11.59 g，增重率分别为(11.7±1.15)%、(10.6±0.48)%、(22.1±1.28)%、(5.4±0.39)%，特定生长率分别为0.28±0.03、0.25±0.01、0.50±0.03、0.13±0.01。

图5 试验期间宝石鲈生长情况Fig.5 Growth trend of jade perch

如图5所示，宝石鲈增重率和特定生长率方面，试验组B与对照组之间皆存在显著性差异(P<0.01)，长势更好；同时，试验组C与对照组之间也存在显著性差异，但长势更劣。试验组A与对照组之间不存在显著性差异。以上数据显示，200 mg/L处理组的宝石鲈增重量和生长情况较对照组和其他处理组更好，而400 mg/L处理组的则更差。存活率方面，除试验组C在后期发现宝石鲈死亡2条，存活率为82%，其余各组存活率为100%。

2.5 草莓生长情况

如图6显示，试验期间，4组系统的草莓植株增加质量分别为70.3±4.19 g、80±1.63 g、85.3±4.03 g、161.7±0.47 g，增重率分别为(27.3±1.4)%、(33.8±0.4)%、(37.5±1.5)%、(71.6±1.7)%；获得果实质量分别为227.7±28.4 g、199.1±11.9 g、227.8±19.9 g、210.3±14.2 g，各组之间未见显著性差异；植株株高分别增长0.42±0.10 cm，0.46±0.15 cm，1.11±0.32 cm，3.82±0.12 cm，增高率为(3.1±0.7)%、(3.3±1.1)%、(9.1±2.7)%、(29.0±1.2)%；统计分析发现，如图6所示，草莓植株增重率在所有处理组与对照组之间存在显著性差异 (P<0.01)，且试验组C与试验组A、试验组B之间也存在显著性差异(P<0.01)。如图6显示，草莓株高增长率方面，100 mg/L处理组与对照组未发现显著差异，试验组B、试验组C与对照组之间存在显著性差异(P<0.01)，且试验组C与试验组A、试验组B之间也存在显著性差异(P<0.01)；数据显示，400 mg/L处理组的草莓生长情况较其他处理组和对照组更好。

图6 试验期间草莓植株增重和增高情况Fig.6 Weight and height increase trend of strawberry

3 讨论

3.1 不同质量浓度KH2PO4对鱼菜共生系统水质的影响

3.2 不同质量浓度KH2PO4对宝石鲈生长的影响

磷(P)是鱼类等水产动物必需的常量元素，不仅是细胞膜和核酸的重要组成部分，也是骨骼和鱼鳞的主要结构成分，且直接参与所有产生能量的胞内反应，因此具有非常重要的生理功能[36]。 Tabinda等[21]研究了施加不同磷肥量对池塘水体中磷酸盐质量浓度和鱼产量的影响，发现添加适量磷肥会提高水体中的磷酸盐质量浓度，并增加鲤鱼产量。Liu等[13]研究了不同水平的膳食磷(P)对七彩神仙鱼幼鱼(Symphysodon haraldi)生长性能和组织磷沉积的影响，发现在饲料中添加5 g/kg的磷(P)可以使养殖对象获得更好的生长性能并保持良好的存活率，随着饲料中磷(P)补充量的增加到10 g/kg，存活率显著降低，显示出高添加膳食磷(P)会对鱼的生存产生负面影响。Fontagn等[14]研究了不同水平的膳食磷 (P)对虹鳟 (Oncorhynchusmykiss) 鱼苗骨骼发育的影响，发现饮食中缺乏或者补充过量的磷(P)都不利于虹鳟(Oncorhynchusmykiss)鱼苗发育，原因是磷(P) 缺乏会影响骨骼钙化，过量的磷(P)会影响其存活。Satoh等[15]研究发现，饲料中添加过量的磷(P)会导致虹鳟(Oncorhynchusmykiss)生长不良，原因可能是过量磷(P)与锌(Zn)产生抗拮作用，抑制了鱼对锌(Zn)的利用。本研究结果显示，200 mg/L处理组的宝石鲈增重率(WGR)和特定生长率(SGR)较其他处理组和对照组更好，400 mg/L处理组则更差，说明水体中磷(P)含量对鱼的影响与膳食磷类似，水体中适当的磷含量能够使宝石鲈获得更好的生长性能，磷含量不足或者过高均会对宝石鲈生长造成负面影响，该结论与上述研究结果类似。

3.3 不同质量浓度KH2PO4对草莓生长的影响

4 结论

本研究分析了不同质量浓度KH2PO4对宝石鲈和草莓的生长影响，以期通过提升植物产量来进一步提高鱼菜共生系统生产效率。研究发现，宝石鲈在适当KH2PO4质量浓度下，生长性能可以达到最佳。当KH2PO4质量浓度为200 mg/L时，宝石鲈增重最快最多，生长情况最好，当质量浓度升高至400 mg/L后，宝石鲈生长情况最差，且有个别死亡情况发生，可能是由于KH2PO4质量浓度过高，导致过量磷(P)与其他元素产生抗拮作用，影响宝石鲈对其他元素的吸收，进而对其生长造成负面影响。当KH2PO4质量浓度为400 mg/L时，草莓增高和增重最多，长势最好。因此，对鱼菜共生系统而言，KH2PO4质量浓度为200 mg/L时，可以使宝石鲈和草莓同时获得较好的生长性能，提升鱼菜共生系统总体产量。

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