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(海南熱帶海洋學(xué)院，海南 三亞 572022)

0 引 言

由于土地資源的相對(duì)匱乏和農(nóng)業(yè)面源污染的日趨加劇，中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正面臨數(shù)量與質(zhì)量的雙重挑戰(zhàn)。比如，當(dāng)前我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)主要采用高密度、高投餌率和高換水率的傳統(tǒng)方法[1]，在養(yǎng)殖水體中隨著餌料、糞便等物質(zhì)的積累，大量營(yíng)養(yǎng)元素隨養(yǎng)殖廢水排放到周圍環(huán)境，既造成資源的浪費(fèi)，又引起周圍水體的富營(yíng)養(yǎng)化[2-3]?！棒~(yú)-菜共生”這種綜合效益較高的有機(jī)生產(chǎn)模式，使水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)與種植業(yè)在有效利用土地資源和降低農(nóng)業(yè)污染物排放量的目標(biāo)下得到了有機(jī)的統(tǒng)一[4]。該生產(chǎn)模式集養(yǎng)殖和種植于一體，充分利用各種生物的生活習(xí)性，不僅增強(qiáng)了水體凈化能力，降低了養(yǎng)殖廢水的污染度，同時(shí)也增加了額外的經(jīng)濟(jì)收益[5-6]。其基本原理是植物在含有營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的水體中生長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)自于魚(yú)的直接排泄物或微生物分解的排泄廢物。在更少日需換水量(小于2%)的封閉循環(huán)系統(tǒng)中，溶解的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得到積累同時(shí)其濃度接近水培營(yíng)養(yǎng)液，尤其是水中營(yíng)養(yǎng)元素的含量會(huì)處于一個(gè)適宜的濃度水平[7-8]。

在魚(yú)-菜共生系統(tǒng)中，隨著魚(yú)/菜的增加，餌料投放和魚(yú)類的排泄物隨之增長(zhǎng)，水體中N、P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的累積速率加快，換水的數(shù)量和頻率也需相應(yīng)增加；相反，隨著魚(yú)/菜的降低，蔬菜作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求逐漸加強(qiáng)，魚(yú)類代謝所產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)元素將無(wú)法滿足作物的需求，最終導(dǎo)致蔬菜生長(zhǎng)減緩、產(chǎn)量降低。因此，適宜的魚(yú)/菜對(duì)魚(yú)-菜共生系統(tǒng)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。但迄今為止，有關(guān)魚(yú)/菜對(duì)魚(yú)-菜共生系統(tǒng)水體營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量影響的探索非常有限。本研究在自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模魚(yú)-菜共生裝置上，通過(guò)設(shè)定不同的魚(yú)/菜，探討了水體無(wú)機(jī)態(tài)N、P含量的變化特征，以期為構(gòu)建適宜魚(yú)-菜共生體系持續(xù)、健康運(yùn)行的魚(yú)/菜提供必要的數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本研究所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。裝置主要由養(yǎng)殖系統(tǒng)和水培系統(tǒng)兩部分組成，水體在兩個(gè)系統(tǒng)之間循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，上水動(dòng)力由置于養(yǎng)殖箱中的潛水泵提供，下水由置于種植箱中的虹吸裝置完成。

圖1 魚(yú)-菜共生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup of aquaponics

種植箱(0.56 m×0.45 m)置于距地面1.2 m的位置，其底部填入直徑6～10 mm的陶礫作為基質(zhì)層，填充高度為18±0.5 cm。陶粒堅(jiān)硬、質(zhì)輕、孔隙結(jié)構(gòu)豐富、保水保肥能力強(qiáng)，粒間有充足的空氣，有利于硝化細(xì)菌的附著，是無(wú)土栽培的良好基質(zhì)[9]。養(yǎng)殖箱置于種植箱下距地面0.2 m的位置，其容納有效水體的體積為90 L。虹吸裝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沒(méi)于水中(吸收養(yǎng)分)或暴露于空氣中(獲得氧氣)[10]。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、運(yùn)行與管理

實(shí)驗(yàn)在海南熱帶海洋學(xué)院濱海耕地地力保育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2017年3月4日至4月5日，共33 d。實(shí)驗(yàn)共設(shè)3個(gè)處理，分別為6尾(魚(yú))∶10株(蔬菜)、8尾∶10株和10尾∶10株，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。

實(shí)驗(yàn)選用的魚(yú)種為羅非魚(yú)，蔬菜為紅薯葉。羅非魚(yú)由海南省陵水縣某羅非魚(yú)養(yǎng)殖場(chǎng)提供，初重為15.0±0.95 g，養(yǎng)殖初期生長(zhǎng)狀態(tài)良好。紅薯葉根系分泌的代謝產(chǎn)物對(duì)水體內(nèi)的細(xì)菌和霉菌具有較強(qiáng)的抑制作用，水培過(guò)程中不易患病，故選為本實(shí)驗(yàn)水培作物[11]。在正式實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)選取生長(zhǎng)旺盛、根系發(fā)達(dá)的紅薯葉植株移栽到種植箱內(nèi)。

在本研究中，魚(yú)類全程采用人工喂食，魚(yú)餌料為市售蛋白質(zhì)含量32%、含水率10%的漂浮型魚(yú)糧。喂食量確定的方法為：投入魚(yú)糧15 min后，根據(jù)所剩魚(yú)糧顆粒數(shù)調(diào)整下次喂食量，直至所剩魚(yú)糧顆粒數(shù)占投入顆粒的10%以下。為防止殘余魚(yú)糧降解污染水質(zhì)，每次攝食結(jié)束后將未被食用的魚(yú)糧及時(shí)撈出。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中魚(yú)類健康狀況良好，養(yǎng)殖水體未添加激素和其他外源營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。水培系統(tǒng)中的紅薯葉保持自然光照下生長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)病蟲(chóng)害等意外情況。除因蒸發(fā)、葉面蒸騰所導(dǎo)致的養(yǎng)殖箱內(nèi)水位下降需要進(jìn)行補(bǔ)水(每次取樣前)外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程不進(jìn)行任何換水和充氧措施。

1.3 樣品收集與指標(biāo)測(cè)定

1.4 數(shù)據(jù)分析

本研究所涉及不同處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以各平行樣本的均值表示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016、SPSS 19.0等統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 魚(yú)-菜共生系統(tǒng)水體pH和DO的變化

整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各處理水體pH和DO之間均未表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)。隨著養(yǎng)殖時(shí)間的延長(zhǎng)，前期(0～21 d)pH呈緩慢升高趨勢(shì)，后期(21～33 d)則逐漸降低，但總體穩(wěn)定在7.0～8.0的弱堿性范圍。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，各處理DO的維持在5.5～8.5 mg·L-1范圍內(nèi)，雖變幅較大，但不會(huì)對(duì)魚(yú)類的生長(zhǎng)和生理機(jī)能產(chǎn)生影響。

2.2 魚(yú)-菜共生系統(tǒng)水體無(wú)機(jī)N含量的變化

圖2 魚(yú)-菜共生系統(tǒng)水體無(wú)機(jī)N含量及隨養(yǎng)殖時(shí)間的變化Fig.2 The dynamics of inorganic nitrogen contents and N-N/N-N with cultural time in symbiotic water of aquaponics

2.3 魚(yú)-菜共生系統(tǒng)水體含量的變化

圖3 魚(yú)-菜共生系統(tǒng)水體無(wú)機(jī)P含量隨養(yǎng)殖時(shí)間的變化Fig.3 The dynamics of P-P content with cultural time in symbiotic water of aquaponics

3 結(jié) 論

(1)本實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模魚(yú)-菜共生系統(tǒng)適合N、P等營(yíng)養(yǎng)元素在魚(yú)類和蔬菜間循環(huán)利用，陶粒作為水培基質(zhì)具有較強(qiáng)的適宜性，虹吸裝置提供的潮汐式灌溉方式有利于作物生長(zhǎng)及保持較高的水體DO；養(yǎng)殖過(guò)程水體pH保持弱堿性，有利于魚(yú)類的生存且對(duì)蔬菜生長(zhǎng)無(wú)害。

[1] 李 巖,張飲江,馬海峰,等.陸域水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水序批式循環(huán)處理與再利用系統(tǒng)研究[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(9):297-302.

LI Y,ZHANG Y J,MA H F.Study on sequential batch recycling and reuse system of wastewater in Land Aquaculture[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2012,40(9):297-302.

[2] MOOK W T,CHAKRABARTI M H,AROUA M K,et al.Removal of total ammonia nitrogen (TAN),nitrate and total organic carbon (TOC) from aquaculture wastewater using electrochemical technology:A review[J].Desalination,2012,285:1-13.

[3] ZHANG Q X,ACHAL V,XU Y X,et al.Aquaculture wastewater quality improvement by water spinach (IpomoeaaquaticaForsskal) floating bed and ecological benefit assessment in ecological agriculture district[J].Aquacultural Engineering,2014,60:48-55.

[4] 陳家長(zhǎng),孟順龍,胡庚東,等.空心菜浮床栽培對(duì)集約化養(yǎng)殖魚(yú)塘水質(zhì)的影響[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào),2010,26(2):155-159.

CHEN J C,MENG S L,HU G D,et al.Effect of ipom oea aquatica cultivation on artificial floating rafts on water quality of intensive aquaculture ponds[J].Journal of Ecology and Rural Environment,2010,26(2):155-159.

[5] 王 志,李振林,高海水,等.池塘魚(yú)菜共生綜合技術(shù)的對(duì)比試驗(yàn)[J].當(dāng)代畜禽養(yǎng)殖業(yè),2016,(9):8-9.

WANG Z,LI Z L,GAO H S.A comparative study on integrated technology of fish-vegetable symbiosis system[J].Modern Livestock and Poultry Farming,2016(9):8-9.

[6] LENNARD W A,LEONARD B V.A comparison of three different hydroponic sub-systems (gravel bed,floating and nutrient film technique) in an Aquaponic test system[J].Aquaculture International,2006,14(6):539-550.

[7] LOVE D C,FRY J P,GENELLO L,et al.An international survey of aquaponics practitioners[J].Plos One,2014,9(7):e102662.

[8] ROOSTA H R.Effects of foliar spray of K on mint，radish，parsley and coriander plants in aquaponic system[J].Journal of Plant Nutrition,2014,37(14):2236-2254.

[9] 鄒藝娜,胡 振,張 建,等.魚(yú)菜共生系統(tǒng)氮素遷移轉(zhuǎn)化的研究與優(yōu)化[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2015,9(9):4211-4216.

ZOU Y N,HU Z,ZHANGJ,et al.Investigation and optimization of nitrogen transformations in aquaponics[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2015,9(9):4211-4216.

[10] 黃忠陽(yáng),楊 巍,甘小虎,等.適用于潮汐式灌溉的番茄育苗基質(zhì)的篩選研究[J].農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝備,2014 (11):68-69,117.

HUANG Z Y,YANG W,GAN X H,et al.Study on selecting tomato seedling substrates for tidal irrigation[J].Agricultural Development & Equipments,2014(11):68-69,117.

[11] 吳 湘,王友慧,郭建林,等.3類水生植物對(duì)池塘養(yǎng)殖廢水氮磷去除效果的研究[J].西北植物學(xué)報(bào),2010,30(9):1876-1881.

WU X,WANG Y H,GUOJ L,et al.N and P removal from pond effluent with three hydrophytes[J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2010,30(9):1876-1881.

[12] 李志斐,王廣軍,余德光,等.生物絮團(tuán)對(duì)養(yǎng)殖水體水質(zhì)和微生物群落功能的影響[J].上海海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2015,24(4):503-512.

LI Z F,WANG G J,YU D G,et al.Effect of bioflocs on water quality and metabolic functions of microbial community in zero-water exchange tanks[J].Journal of Shanghai Ocean University,2015,24(4):503-512.

[13] 賀紀(jì)正,張麗梅.氨氧化微生物生態(tài)學(xué)與氮循環(huán)研究進(jìn)展[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2009,29(1):406-415.

HE J Z,ZHANG L M.Advances in ammonia-oxidizing micro organism sand global nitrogen cycle[J].Acta Ecologica Sinica,2009,29(1):406-415.

[14] HU Z,LEE J W,CHANDRAN K,et al.Effect of plant species on nitrogen recovery in aquaponics[J].Bioresource Technology,2015,188:92-98.

[15] 李 谷,吳振斌,侯燕松,等.養(yǎng)殖水體氮的生物轉(zhuǎn)化及其相關(guān)微生物研究進(jìn)展[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2006,14(1):11-15.

LI G,WU Z B,HOU Y S,et al.Nitrogen biotransformation and its relative microorganism in aquaculture waters[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2006,14(1):11-15.

[16] 鄭 平,馮孝善.硝化作用的生化原理[J].微生物學(xué)通報(bào),1999,26(3):215-217.

ZHENG P,FENG X S.Biochemical principles of nitrification[J].Microbiology China,1999,26(3):215-217.

[17] 邢 瑤,馬興華.氮素形態(tài)對(duì)植物生長(zhǎng)影響的研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào),2015,17(2):109-117.

XING Y,MA X H.Research progress on effect of nitrogen form on plant growth[J].Journal of Agricultural Science and Technology,2015,17(2):109-117.

[18] DEDIU L,CRISTEA V,DOCAN A,et al.Evaluation of condition and technological performance of hybrid bester reared in standard and aquaponic system[J].Aquaculture,Aquarium,Conservation and Legislation,2011,4(4):490-498.

[19] 李晗溪,劉 峰,李 雪,等.鐵元素調(diào)控的魚(yú)菜共生系統(tǒng)氮和總磷的變化規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2016 (12):42-46.

LI H X,LIU F,LI X,et al.Changing of nitrogen and total phosphorus regulated by iron content in aquaponics system[J].Agriculture Network Information,2016 (12):42-46.

[20] 徐曉鋒,史龍新,許 海,等.水培經(jīng)濟(jì)植物對(duì)污水中磷的吸收利用及去除效果[J].生態(tài)學(xué)雜志,2006,25(4):383-388.

XU X F,SHI L X,XU H,et al.Effects of aqua-cultured economic plants on phosphorus removal from sewage[J].Chinese Journal of Ecology,2006,25(4):383-388.

[21] 張勝花,常軍軍,孫珮石.水體藻類磷代謝及藻體磷礦化研究進(jìn)展[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(7):1250-1254.

ZHANG S H,CHANG J J,SUN F S.Phosphorus cycle of algae during its growth and death process:phosphorus uptake and release[J].Ecology and Environmental Sciences,2013,22(7):1250-1254.

[22] 黃 桃,余雪棠,魏云鶴.惠州魚(yú)菜共生系統(tǒng)環(huán)保又增收[N].中國(guó)漁業(yè)報(bào),2009-12-21.

HUANG T,YU X T,WEI Y H.Huizhou fish-vegetable symbiosis system promotes environmental protection and increases income[N].China Fisheries Daily 2009-12-21.

[23] NAYLOR S,BRISSON J,LABELLEM A,et al.Treatment of freshwater fish farm effluent using constructed wetlands:the role of plants and substrate[J].Water Science and Technology,2003,48(5):215-222.

[24] LI W X,LI Z J.In situ nutrient removal from aquaculture wastewater by aquatic vegetableIpomoeaaquaticaon floating beds[J].Water Science and Technology,2009,59(10):1937-1943.