火山石沉积对鱼菜共生系统运行的探究

陈登龙， 张雨翔， 宋佳佳， 陈鹏宇， 温祥珍， 李亚灵

（山西农业大学园艺学院，山西 太谷 030801）

在传统的水产养殖中，鱼类排泄物和饲料残渣易分解出氨氮，加剧水质的污染，造成鱼类的大量死亡[1-3]，在鱼菜共生系统中，植物可以吸收利用这些营养物质，起到净化水质的作用[4-6]。

目前，鱼菜共生系统主要有循环养殖和一体化栽培2 种类型，其中循环养殖方式由多元系统组成，成本昂贵且操作复杂[7‑8]。与循环养殖相比，一体化鱼菜共生系统将植物直接种植在水产养殖系统中，利用植株根系净化水体，操作简单，成本低[9]。然而一体化栽培系统以植物根系作为单一的生物滤池，能够提供硝化细菌生长的场所有限，导致生物过滤能力弱，对水体的净化效果不够理想[10-12]。为了提高植物的净化效果，部分研究者将注意力放在添加介质上，Frincu 等[13]研究发现，添加过滤材料可以增加硝化细菌的数量，达到更好的水体净化效果；王华等[14]利用火山石作为载体生物膜可以有效去除水体中氮磷；王冰等[15]在循环养殖鱼菜共生系统中用火山石作为过滤池的添加物质，能够有效提高蔬菜的产量。

目前，人们对火山石在鱼菜共生系统的应用研究多集中在单独循环系统，对一体化鱼菜共生系统中放置火山石的影响仍需进一步探究。本试验在统一氮磷输入量下，探究添加火山石对水体净化、养分积累、鱼菜生长及其对系统中氮和磷利用率的影响，为进一步优化一体化鱼菜共生系统提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1生菜品种 生菜（Lactuca sativaL.）品种为‘意大利生菜’，购自山西省太谷县种子批发部，定植时选择健壮一致且具有3~4 片叶的生菜幼苗植株。

1.1.2试验鱼种 养殖鲤鱼（Cyprinus carpio）品种为‘丰鲤鱼’，由广东农业淡水鱼苗养殖基地提供。选取健康、初试体质量17~20 g·条-1的鲤鱼苗，试验开始前用0.01 mol·L-1NaCl 对鲤鱼进行10 s浸泡杀菌。

1.1.3鱼饲料 鱼饲料为蛋白质含量32%、含水量10%的漂浮型饵料，购自广西省南宁市兴宁区苏哥园艺有限公司。

1.1.4火山石 火山石规格为1~3 cm，购自山东省立橙水族用品有限公司，试验开始前用0.02 mol·L-1KMnO4进行浸泡消毒。

1.2 试验设计

试验于2021 年10 月25 日至12 月8 日在山西农业大学设施农业工程研究所（37°25′31″N，112°34′32″E）的日光温室中进行，温室坐南朝北、东西延长。在日光温室中用防火隔热保温板建造水池，系统设置如图1 所示。水池长1.5 m，宽1.2 m，高0.9 m，水池中注水深度0.5 m，水量为1 000 L；在水池中养殖鲤鱼，每个水池放置110 条鲤鱼，养殖密度为2 kg·m-3。在水池表面放置栽培浮板，浮板长0.75 m，宽1.2 m，厚0.04 m，上共有972 个栽培孔，在栽培浮板上种植生菜，种植密度为36 株·m-2。为防止鱼对生菜根系的啃咬，在栽培浮板底部以尼龙网（网眼直径2 mm）对生菜进行护根。栽培浮板占水表面面积的50%。

图1 一体化鱼菜共生系统Fig.1 System of the integrated aquaponics

试验共设置4 个处理，分别为在水池中养殖鲤鱼（F），养殖鲤鱼并在鱼池底部添加火山石（Fv），养殖鲤鱼、在鱼池底部添加火山石并在上部种植生菜（Fvs），只养殖鲤鱼和种植生菜（Fs）。火山石投放密度为5 kg·m-3，试验开始前对水池进行3 d 循环抽水，以降低氯气含量，试验开始时将火山石放置在Fv 和Fvs 处理水池底部。试验期间，每天分别在8:00、12:00 和16:00 定时投喂鱼饲料，投喂量为鲤鱼总鲜重的1%~2%。

总之，0.1mg/kg纳布啡用于无痛胃肠镜检查具有和舒芬太尼0.1μg/kg用量相似的镇静镇痛效果，呼吸抑制发生率低于舒芬太尼；小剂量异丙嗪麻醉前静注，可有效预防纳布啡引起眩晕的副作用，减少丙泊酚用量，值得临床推广使用。

试验使用“小喇叭温湿度测定仪”（购自海芯华夏公司）测定试验场所的环境温度和湿度，每隔5 min自动记录1次，使用“SH-X型多路温度仪”（购自深圳市深华轩科技有限公司）每隔30 min测定水温，每天9:00 使用希玛AR8210 溶解氧测定仪和TRI-METER 的pH、EC 一体仪测定水池中溶解氧（dissolved oxygen, DO）值、pH、水中盐度（electrical conductivity, EC）值。在整个试验周期中，环境温度为10.46~17.84 ℃，湿度为80.82%~100%。

各处理间的基础水质均无显著差异，4 个处理水温均维持在11.1~18.3 ℃，适合鲤鱼生存。溶解氧含量保持在5 mg·L-1，pH 处于7.96~8.58 的微碱性和碱性条件，EC为0.59~0.68 mS·cm-1（表1）。

表1 试验期间各处理单元的水质状况Table 1 Water quality status of each treatment unit during the test period

1.3 测定项目和方法

1.3.1水样分析 每隔4 d于上午9:00采取水样，检测水中氮化合物（氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮）和总磷质量浓度。氨氮测定采用纳式试剂分光光度法，亚硝酸盐氮测定采用N-乙二胺光度法，硝酸盐氮测定采用酚二磺酸光度法，总磷测定采用钼酸铵比色法[16]。

1.3.2鱼菜生长和产量测定 分别于试验开始和结束时对每个水池鲤鱼进行称重，记录每次鱼饲料投喂量，测定其特定生长率（specific growth rate，SGR）、饲料转化率（feed conversion ratio，FCR）和存活率（survival rate，SR），计算公式如下[17‑18]。

式中，W1表示初始总鲜重，W2表示收获总鲜重，t表示试验天数，Y1表示饲料消耗总量，Y2表示增重总量，H1表示初始数量，H2表示收获时剩余量。

在试验周期中，每5 d 对植株株高、叶片数进行测量，收获时称其地上部和地下部总鲜重。

1.3.3鱼、菜对氮和磷利用的测定 试验结束后，选取5 株生菜、3 条鲤鱼并称取30 g 鱼饲料；将生菜放入烘箱105 ℃杀青30 min，之后将生菜、鲤鱼及鱼饲料在80 ℃条件下烘干48 h，称量干重，利用凯氏定氮法和钼锑抗比色法对鲤鱼和生菜的氮（N）、磷（P）含量进行测定，水中N、P 总含量根据结束后氮化合物和总磷质量浓度以1 000 L计算，计算公式如下[19‑20]。

氮利用效率（nitrogen utilization efficiency, NUE）和磷利用效率（phosphorus utilization efficiency, PUE）采用下面公式计算。

式中，Nt表示投喂总氮量(g)，Pt表示投喂总磷量(g)。

1.4 数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2021、GraphPad Prism 8软件对数据进行整理和制图，用DPS 统计软件进行单因素方差分析，Duncan 法进行差异显著性比较（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 不同处理对水池中氮化合物质量浓度的影响

试验期间氮化合物的质量浓度变化见图2。F、Fv、Fvs 和Fs 处理的氨氮质量浓度变化趋势基本一致，在1~13 d 呈快速上升趋势，并均在第13 天出现第1 个高峰值，分别为8.09、8.57、8.19、8.43 mg·L-1，处理间无明显差异；在第13~17 天均呈下降趋势，第17~21 天再次呈上升趋势，并在第21 天出现第2 个高峰值，这可能与系统中硝化作用的不稳定性有关；之后各处理均呈快速下降趋势，在第33天后基本呈稳定状态。

图2 不同处理下氮化合物质量浓度Fig. 2 Mass concentration of nitrogen compounds in different treatments

由亚硝酸盐氮质量浓度变化可知，在试验的第1~21 天4 个处理均呈上升趋势；第21~41 天，F 处理仍呈现缓慢上升趋势，但Fv、Fvs 和Fs 处理表现出下降趋势，说明植株根系和火山石均能够为硝化细菌提供附着场所；之后F、Fv、Fvs和Fs处理均呈下降趋势，并在第45 天分别下降到1.87、1.04、0.56、0.87 mg·L-1。其中，Fvs 处理较Fv 和Fs处理分别降低46.15%和35.63%，这表示在种植生菜的同时添加火山石对亚硝酸盐氮的降低效果更明显。

由硝酸盐氮质量浓度变化可知，在试验第1~21天4个处理均呈下降趋势，这可能是因为亚硝酸盐氮向硝酸盐氮的转化过程受阻，导致水体中硝酸盐氮的积累量减少；在第21~37 天，各处理均呈上升趋势，其中与未添加火山石的F 和Fs 处理相比，Fv 和Fvs 处理的上升趋势较快，表明在统一氮输入下，添加火山石能进一步加快硝化速率；在试验第37~45天，F、Fv、Fvs和Fs处理的平均硝酸盐氮累积量分别为10.25、16.10、8.79、6.06 mg·L-1，其中，Fv 比F 处理高57.07%，Fvs 比Fs 处理高45.00%，表明添加火山石能促进硝酸盐氮的累积。

2.2 不同处理对水池中总磷质量浓度的影响

水体总磷的质量浓度变化如图3所示，在试验第1~33天，4个处理变化趋势基本一致，只是在第21 天时有个回落，处理间无显著差异。第33~45天，种植生菜的Fvs和Fs处理中总磷质量浓度始终低于未种植生菜的F 和Fv 处理，且整个试验期间，F和Fv处理的总磷质量浓度无明显差别，这表明单一添加火山石并不能有效地降低水中总磷质量浓度，其降低程度主要受到种植生菜的影响。

图3 不同处理下总磷质量浓度Fig. 3 Mass concentration of total phosphorus in different treatments

2.3 不同处理对鱼、菜产量的影响

在整个试验期间，无鲤鱼死亡现象，各处理间鱼的特定增长率（SGR）、饲料转化率（FCR）和产量增长率（PGR）均无显著差异（表2）。生菜产量则有差异，Fvs 处理与Fs 处理相比，其单株产量显著增高33.99%，小区产量显著增高33.95%（P<0.05）。这表明添加火山石能够提高生菜的产量，但是对鲤鱼的生存无影响。

表2 各处理间鱼菜生长变化Table 2 Fish and plant growth results in different treatments

2.4 火山石沉积对生菜形态指标的影响

图4对比了鱼池底部添加火山石并在上部种植生菜（Fvs）和只种植生菜（Fs）2种处理下生菜的株高和叶片数变化。结果表明，在试验期间各处理的叶片数差异不明显；从株高来看，第1~21 天各处理的株高变化差异不明显，第26 天之后，Fvs处理的株高明显高于Fs处理，在第45天时，Fvs和Fs 处理的株高分别达到17.25 和14.00 cm，其中Fvs处理比Fs处理高23.21%。这说明了添加火山石后对生菜的株高具有促进作用，可能与硝酸盐氮的积累程度有关。

图4 生菜叶片数和株高变化Fig.4 Variation in leaf number and plant height of lettuce

2.5 不同处理对系统氮磷利用率的影响

试验结束后各处理的氮利用率（NUE）如图5所示，系统中氮的利用效率主要参考鲤鱼、生菜2部分。F、Fv、Fvs 和Fs 处理中鲤鱼和生菜的总NUE 分别为32.12%、31.29%、36.80%和34.04%，其中，没有种植蔬菜的F 和Fv 处理的NUE 主要是来自鲤鱼，种植生菜的Fvs和Fs处理，测得生菜对系统的氮利用率分别为7.32%和4.27%，而鱼的NUE 分别为29.48%和29.77%。说明种植生菜后可以提高系统的NUE，且Fvs 处理高出Fs 处理71.43%（P<0.001）。

图5 不同处理的氮和磷利用效率Fig.5 Utilization efficiency of nitroge and phosphorus in different treatments

磷的利用率（PUE）情况，F、Fv、Fvs 和Fs 处理中鱼和菜的总PUE 分别为20.45%、21.02%、26.14%和21.71%，其中，Fv、Fs 处理和F 处理的PUE 差异不明显，说明单一添加火山石或只种植生菜对系统磷的利用不具有优势。但在种植生菜的前提下，与不添加火山石的Fs 处理相比，Fvs 处理的PUE 高20.41%（P<0.001），表明在一体化鱼菜共生系统中同时添加火山石和种植生菜能够提高系统的磷利用效率。

3 讨论

3.1 火山石沉积对水体氮化合物和鱼菜生长的影响

水体中的氨氮和亚硝酸盐氮超过一定水平时，会影响鱼类的正常生长[21‑22]。Mclamey 等[23]经过试验发现养殖水体中氨氮质量浓度不应长期超过5 mg·L-1，Thangam[24]研究发现当亚硝酸盐氮质量浓度持续24 h超过2.89 mg·L-1时会造成鱼类死亡。本试验中，4 个处理的氨氮质量浓度在后期均趋于稳定，并远低于5 mg·L-1，亚硝酸盐氮质量浓度也均低于危险值，整个试验期间无鱼死亡现象。Frincu等[13]和刘爽等[25]认为，在鱼菜共生系统中添加介质可以扩大硝化细菌的生长场所，增加硝化细菌的数量，从而促进亚硝酸盐氮向硝酸盐氮的转化。本研究中，与不添加火山石的F 处理相比，Fv 处理的亚硝酸盐氮含量更低，这表明火山石可以通过为硝化细菌提供附着场所而有效降低水体中亚硝酸盐氮的含量；王华等[14]和何文祥等[26]的研究也表明，火山石作为生物膜载体，具有较强的吸附作用，可以用于水体的净化，进一步证实了在鱼菜共生系统中应用火山石沉积的可行性。水体中的硝酸盐氮可以作为植物的营养来源，其含量的积累有利于促进植物的生长[27]。Snow 等[28]研究发现，影响植物生长的主要因素是养殖废水中硝酸盐氮的浓度；Endut等[29]进一步研究表明，植物产量的高低主要与水体中硝酸盐氮的含量有关。本试验中Fvs 处理的硝酸盐氮含量高于Fs 处理，且生菜产量高出Fs 处理33.95%，高于马云曦等[30]研究的麦饭石、火山石和陶粒混合过滤基质在鱼菜共生系统中生菜产量提高了21.9%的结果。这表明单独以火山石作为一体化系统中底部过滤基质是可行的，但其投放密度还需进一步分析。

3.2 火山石沉积对氮利用率和磷利用率的影响

传统水产养殖中，氮素的利用效率普遍较低。Rakocy[31]研究发现，在传统水产养殖系统中，水生动物对投入饲料的氮利用率仅为25%~30%。Schneider等[32]研究表明，仅养殖水生动物时，饲料中有30%~65%的氮无法被有效利用。与传统水产养殖类似，在鱼菜共生系统中，鱼类仅能吸收饲料中的少量氮素，大部分仍残留在水体中。本试验中4 个处理的鲤鱼对系统中氮利用率差异不明显，与传统养殖基本一致，说明鱼菜共生系统中NUE 的高低主要与植物有关。Zou 等[33]研究发现，在系统中添加蛭石后，小白菜的氮利用率明显提高20%~25%；本试验中添加火山石后，Fvs处理的生菜NUE高于未添加火山石的Fs处理，与其结果一致，但Fvs 和Fs 处理的NUE 仅为7.32%和4.27%，这可能与植株的种类、种植密度和光照强度等有关。Hu 等[34]和Petrea 等[11]研究也表明，不同植物或同一植物在不同种植密度下对系统中氮的利用率均有所差异；Liang 等[22]研究发现通过延长光照时间或增大光照强度均可提高植株对氮的利用效率；本试验由于水池建造位置光线较弱，植株种植密度中等，在一定程度上影响了植株对系统的氮利用率。Seawright 等[35]和Crab 等[18]研究发现植物对磷的利用率为7%~48%，鱼类对磷的利用率为20%~25%。而本试验中，4 个处理中鲤鱼对磷的利用率无太大差别，处于19%~22%之间，生菜对磷的最高利用率仅为4.78%，Cerozi 等[36]研究发现在共生系统中，植物对磷的吸收受补水中磷含量以及添加介质的影响，这可能是导致生菜对鱼饲料中磷利用率不高的原因。综上，可考虑将火山石添加于一体化鱼菜共生系统中，但需平衡火山石投放密度以及种植密度，以此来达到系统的高效运行。