魏 東，張植元，胡佳祥，谷 兵，范 澤，王雄延，陳 嬌

(1.天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院，天津市水產(chǎn)生態(tài)及養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 611200；3.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院黑龍江水產(chǎn)研究所，黑龍江省水生動(dòng)物病害與免疫重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150070)

魚(yú)菜共生起源于古代中國(guó)的稻田養(yǎng)魚(yú)技術(shù)，是一種新型的復(fù)合耕作體系，它把循環(huán)水養(yǎng)殖與無(wú)土栽培2種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)巧妙的生態(tài)設(shè)計(jì)達(dá)到科學(xué)的協(xié)同共生，從而實(shí)現(xiàn)“養(yǎng)魚(yú)不換水而無(wú)水質(zhì)憂患，種菜不施肥而正常成長(zhǎng)”的生態(tài)共生效應(yīng)。20世紀(jì)80年代美國(guó)馬克·莫特瑞等科學(xué)家完成了魚(yú)菜共生的理論工作；80年代末期美屬維爾京群島大學(xué)詹姆斯·瓦克斯博士成功研發(fā)了世界上第一套魚(yú)菜共生UVI模式；我國(guó)學(xué)者張明華等建立了我國(guó)第一套魚(yú)菜共生系統(tǒng)，并通過(guò)了中國(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金會(huì)和中國(guó)水產(chǎn)學(xué)會(huì)組織的技術(shù)鑒定。

目前，對(duì)于魚(yú)菜共生的研究主要集中在系統(tǒng)構(gòu)造方面，現(xiàn)有的魚(yú)菜共生種植系統(tǒng)設(shè)計(jì)都采用先將養(yǎng)殖用水過(guò)濾分解后再提供給植物利用，機(jī)械地將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解環(huán)節(jié)和植物種植環(huán)節(jié)分開(kāi)，不僅增加了用地面積，還會(huì)使植物出現(xiàn)缺素的癥狀。有關(guān)魚(yú)菜共生理論方面的研究還顯得不足，雖然目前已有大量關(guān)于魚(yú)菜共生系統(tǒng)的報(bào)道，但是機(jī)理不夠系統(tǒng)深入，有待進(jìn)一步深入研究和完善，尤其是需要另尋思路建立魚(yú)與菜既共生又相互促進(jìn)的生態(tài)機(jī)制。

筆者利用生態(tài)學(xué)原理設(shè)計(jì)并建立了一種魚(yú)菜共生立體種養(yǎng)殖體系，通過(guò)建立植物與微生物之間的協(xié)同共生關(guān)系，探索如何更加高效地利用養(yǎng)殖廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)魚(yú)不換水、種菜不施肥，為開(kāi)發(fā)利用魚(yú)菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)奠定實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

該魚(yú)菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)，包括養(yǎng)殖模塊、蓄水模塊、立柱種植模塊、平面浮筏種植模塊、水循環(huán)裝置。養(yǎng)殖模塊由養(yǎng)殖池和收集池組成，養(yǎng)殖池底部朝中央向下傾斜，形成漏斗式的底面，養(yǎng)殖池和收集池的底部和上部分別由管道聯(lián)通，使養(yǎng)殖池和收集池形成一個(gè)“U”形的聯(lián)通器。蓄水板塊為安裝有虹吸結(jié)構(gòu)和溢流的高位蓄水池，收集池中的水經(jīng)水泵至蓄水池中，水位上升到虹吸控制的最高水位時(shí)就會(huì)觸發(fā)虹吸的啟動(dòng)，在水壓的作用下形成強(qiáng)大的水流，再被循環(huán)管道分流到立體種植裝置中。立體種植模塊為若干中通的管道結(jié)構(gòu)組成的立體種植裝置，管道結(jié)構(gòu)的外壁四周沿豎直方向設(shè)置有4列種植孔，相鄰的2列種植孔之間呈交錯(cuò)拍列，種植孔貫穿管壁并且開(kāi)口傾斜向上，每個(gè)種植孔上配有1個(gè)種植籃，用于固定所栽培植物。平面浮筏種植模塊由若干深水浮筏栽培床構(gòu)成，栽培床的出水口設(shè)置為溢流結(jié)構(gòu)；與傳統(tǒng)UVI栽培模式有所不同的是，在該系統(tǒng)中流入栽培床的養(yǎng)殖用水不經(jīng)過(guò)濾且浮板的寬度寬于栽培床的寬度，使浮板放于栽培床時(shí)能夠架在栽培床的兩端，從而使浮板能夠高于栽培床的最高水位，以便在浮板與栽培床水面之間留一層空氣層。水循環(huán)裝置由水泵及循環(huán)管道組成。

蓄水模塊、立柱種植模塊、平面浮筏種植模塊、養(yǎng)殖模塊在豎直方向分別按上層、中層、下層、底層呈4層分布；循環(huán)管道將養(yǎng)殖模塊、蓄水模塊、立體種植模塊、平面浮筏種植模塊依次連接。該系統(tǒng)的水循環(huán)路線為養(yǎng)殖模塊→蓄水模塊→立柱種植模塊→平面浮筏種植模塊→養(yǎng)殖模塊。養(yǎng)殖用水不經(jīng)過(guò)過(guò)濾，直接經(jīng)水泵從收集池提升至蓄水池，再由蓄水池輸送到各立柱種植裝置中，經(jīng)立柱種植裝置進(jìn)行第1步過(guò)濾吸收后再輸送到栽培床進(jìn)一步過(guò)濾吸收，最后由循環(huán)管道導(dǎo)流回養(yǎng)殖池，形成一個(gè)閉合循環(huán)(圖1)。

圖1 一種魚(yú)菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)Fig.1 A vertical aquaponics system

試驗(yàn)所用蔬菜為天津農(nóng)學(xué)院蔬菜研究中心同期培育的生菜幼苗，試驗(yàn)前待幼苗長(zhǎng)出4片真葉時(shí)，再將幼苗移植到立柱式種植裝置中。試驗(yàn)用魚(yú)為天津市藍(lán)科水產(chǎn)養(yǎng)殖公司同期繁殖的錦鯉魚(yú)苗，試驗(yàn)前進(jìn)行消毒處理，并置于周轉(zhuǎn)箱(0.8 m×0.6 m×0.4 m)中暫養(yǎng)7 d，期間不投喂飼料。

試驗(yàn)飼料配方組成：魚(yú)粉8%、豆粕22%、菜籽粕13%、棉粕16%、面粉13%、玉米蛋白粉9%、全蝦粉8%、啤酒酵母3%、豆油2%、預(yù)混料4%、羧甲基纖維素2%；試驗(yàn)飼料營(yíng)養(yǎng)水平：粗蛋白質(zhì)38.6%，粗脂肪5.2%，總能量12.27 MJ/kg。各飼料原料均通過(guò)粉碎機(jī)粉碎過(guò)60目網(wǎng)篩，混合均勻后，使用江蘇牧羊集團(tuán)牧羊MUZLM V4型飼料制粒機(jī)制成直徑為1.00 mm的沉性顆粒飼料。

試驗(yàn)在天津農(nóng)學(xué)院水生觀賞動(dòng)物養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。暫養(yǎng)期結(jié)束后挑選健康規(guī)格較為一致的個(gè)體[初始體重為(55.73±3.55)g]作為試驗(yàn)用魚(yú)。試驗(yàn)設(shè)對(duì)照組和試驗(yàn)組，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)，每重復(fù)投放20尾魚(yú)，對(duì)照組不種植蔬菜，試驗(yàn)組每個(gè)重復(fù)分別種植生菜15顆。

試驗(yàn)周期60 d，試驗(yàn)期間均采用固定投飼率的方法進(jìn)行投喂，投飼率為3%/d。養(yǎng)殖池設(shè)置有水位刻度線，整個(gè)系統(tǒng)在試驗(yàn)期間無(wú)需換水，只需每天往養(yǎng)殖池添加少量水到刻度線，以補(bǔ)充被蔬菜吸收和蒸發(fā)的水分。試驗(yàn)期間每4 d取樣一次，測(cè)定系統(tǒng)養(yǎng)殖水體的氨氮、硝酸態(tài)氮、總磷、總氮的含量。

氨氮、硝酸態(tài)氮及總磷、總氮的測(cè)定。氨氮、硝酸態(tài)氮及總氮、總磷的測(cè)定方法參考養(yǎng)殖水環(huán)境化學(xué)書(shū)。

標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作。氨氮、硝酸態(tài)氮及總氮、總磷標(biāo)準(zhǔn)曲線(圖2～5)的制作參考文獻(xiàn)[14-15]。

圖2 氨氮標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2 Standard curve of ammonia nitrogen

圖3 硝酸態(tài)氮標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.3 Standard curve of nitrate nitrogen

圖4 總氮標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.4 Standard curve of total nitrogen

圖5 總磷標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.5 Standard curve of total phosphorus

所有數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并利用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA)，若差異達(dá)到顯著水平(<0.05)，則進(jìn)行Duncan’s法多重比較。

2 結(jié)果與分析

由圖6可知，在整個(gè)試驗(yàn)周期中對(duì)照組和試驗(yàn)組氨氮濃度差異顯著(<0.05)，其中對(duì)照組氨氮濃度在第0天到第36天濃度逐漸升高，在第36天氨氮濃度達(dá)到最高值，第36天到第56天氨氮濃度基本維持在平穩(wěn)水平；試驗(yàn)組氨氮濃度在第0天到第20天先降低再升高，第36天時(shí)氨氮濃度達(dá)到最高值，第36天之后氨氮濃度逐漸降低。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicate significant differences between treatment(P<0.05)圖6 養(yǎng)殖水體中氨氮濃度變化曲線Fig.6 Variation curve of ammonia nitrogen concentration in aquaculture water

由圖7可知，整個(gè)試驗(yàn)周期中除了第8天，對(duì)照組和試驗(yàn)組硝酸態(tài)氮濃度差異顯著(<0.05)，對(duì)照組和試驗(yàn)組硝酸態(tài)氮濃度均緩慢升高，其中，在第12天到第32天試驗(yàn)組硝酸態(tài)氮濃度顯著高于對(duì)照組(<0.05)，第36天到第56天對(duì)照組硝酸態(tài)氮濃度顯著高于試驗(yàn)組(<0.05)。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicated significant differences between treatment(P<0.05)圖7 養(yǎng)殖水體中硝酸態(tài)氮濃度變化曲線Fig.7 Variation curve of nitrate nitrogen concentration in aquaculture water

由圖8可知，在整個(gè)試驗(yàn)周期中，對(duì)照組和試驗(yàn)組總氮濃度差異顯著(<0.05)，對(duì)照組和試驗(yàn)組總氮濃度變化趨勢(shì)明顯，均有不同程度的升高，其中第0天到第8天試驗(yàn)組總氮濃度顯著高于對(duì)照組(<0.05)，第9天到第56天對(duì)照組總氮濃度顯著高于試驗(yàn)組(<0.05)。

由圖9可知，在整個(gè)試驗(yàn)周期中，對(duì)照組和試驗(yàn)組總磷濃度變化趨勢(shì)明顯，除第4天外，對(duì)照組和試驗(yàn)組總磷差異顯著(<0.05)，其中對(duì)照組總磷濃度在第0天到第56天濃度逐漸升高；試驗(yàn)組總磷濃度在第0天到第32天濃度呈波動(dòng)式上升，第32天到第56天總磷濃度基本維持在同一水平。

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicated significant differences between treatment(P<0.05)圖8 養(yǎng)殖水體中總氮濃度變化曲線Fig.8 Variation curve of total nitrogen concentration in aquaculture water

注：不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05) Note:Different lowercase letters indicated significant differences between treatment(P<0.05)圖9 養(yǎng)殖水體中總磷濃度變化曲線Fig.9 Variation curve of total phosphorus concentration in aquaculture water

3 討論

該試驗(yàn)在前期的研究基礎(chǔ)上，利用生態(tài)學(xué)原理設(shè)計(jì)并建立了一種魚(yú)菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)，其中，養(yǎng)殖模塊和蓄水模塊通過(guò)循環(huán)管道連接，管道的一側(cè)連上水泵放入收集池的底部，另一側(cè)接入蓄水池。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)養(yǎng)殖用水經(jīng)養(yǎng)殖池在壓力的作用下將池底的臟物匯集到收集池中，再由水泵經(jīng)管道抽提到蓄水池中。

該系統(tǒng)中蓄水模塊為安裝有虹吸結(jié)構(gòu)和溢流的高位蓄水池。常用的虹吸結(jié)構(gòu)有鐘罩式虹吸、倒“U”型虹吸等，其原理都是先將虹吸管內(nèi)的氣體排出，在虹吸管內(nèi)部形成真空，在外部大氣壓和虹吸管內(nèi)部負(fù)壓的作用下高位管口的水被吸進(jìn)最高點(diǎn)，從而使水源源不斷地流入低位容器，隨著水位下降至虹吸管控制的最低水位，虹吸管底部進(jìn)入空氣，虹吸斷開(kāi)，等水位再次上升到高位管口時(shí)虹吸會(huì)再次啟動(dòng)，兩次虹吸之間間隔一段時(shí)間。蓄水池中的水被分流到立柱種植裝置時(shí)需要有較大的水壓，虹吸結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑿钏刂械乃豢刂圃谀骋粋€(gè)特定高度，達(dá)到暫時(shí)儲(chǔ)存養(yǎng)殖用水以形成水壓的作用，同時(shí)虹吸的間斷供水還會(huì)給基質(zhì)中帶入更多的氧氣。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，收集池中的水不經(jīng)過(guò)濾直接由水泵提升至蓄水池中，水位上升到虹吸控制的最高水位時(shí)就會(huì)觸發(fā)虹吸的啟動(dòng)，在水壓的作用下形成強(qiáng)大的水流，再被循環(huán)管道分流到立體種植裝置中。

一直以來(lái)，受傳統(tǒng)的魚(yú)菜共生系統(tǒng)研究方法的限定，在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中植物根系和微生物的關(guān)系被大大低估。在進(jìn)行魚(yú)菜共生系統(tǒng)的構(gòu)建時(shí)，通常先將養(yǎng)殖用水過(guò)濾，這樣水體中大部分有機(jī)物質(zhì)被過(guò)濾掉，然而這部分物質(zhì)在構(gòu)建植物與微生物之間的關(guān)系時(shí)起著重要作用。在該試驗(yàn)系統(tǒng)中，立體種植模塊為中通的管道結(jié)構(gòu)，管道結(jié)構(gòu)的外壁四周沿豎直方向設(shè)置4列種植孔，相鄰的2列種植孔之間呈交錯(cuò)排列，種植孔貫穿管壁且開(kāi)口傾斜向上，每個(gè)種植孔上配有一個(gè)種植籃，用于固定所栽培植物。管道結(jié)構(gòu)內(nèi)部沿著內(nèi)壁固定至少一圈生化過(guò)濾棉，使生化過(guò)濾棉與管道形成管中套管的中通結(jié)構(gòu)，生化過(guò)濾棉用于過(guò)濾養(yǎng)殖用水以培養(yǎng)微生物群落，同時(shí)植物的根系穿過(guò)種植籃依附在生化過(guò)濾棉上，與微生物群落之間形成局部的小生態(tài)。在魚(yú)菜共生的系統(tǒng)中植物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)除C、H、O 3種營(yíng)養(yǎng)元素來(lái)自水和二氧化碳外，其他礦質(zhì)元素都來(lái)源于殘餌糞便的分解，與無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)液不同的是，有機(jī)物分解為植物所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，而且需要多種微生物的參與。在有機(jī)物質(zhì)的氧化分解過(guò)程中起主要作用的是異養(yǎng)需氧和自養(yǎng)需氧型細(xì)菌以及一些真菌類(lèi)，它們?cè)谶@個(gè)過(guò)程中扮演著重要角色，它們?cè)谡麄€(gè)系統(tǒng)中耗氧量最大。立體種植裝置充分利用了空間位置，實(shí)現(xiàn)了單位的最大可種植面積，中通的結(jié)構(gòu)有利于水分和空氣的流通，為需氧微生物和植物根系提供了充足的氧氣。另外，與無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)液的不同之處在于魚(yú)菜共生系統(tǒng)中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的供應(yīng)方式；以鐵營(yíng)養(yǎng)的供應(yīng)為例，能被植物直接利用的有效鐵源為Fe，在pH接近中性和氧氣充足的條件下，水體中有效鐵源的濃度幾乎為0，而無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)液采用了螯合鐵的形式為植物提供鐵源，避免了鐵的氧化沉淀作用，因此在無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)液中有效鐵的含量很高；魚(yú)菜共生系統(tǒng)中鐵的來(lái)源需要借助微生物的作用，對(duì)于雙子葉和非禾本科的植物來(lái)說(shuō)，在缺鐵脅迫下植物的根系會(huì)分泌大量物質(zhì)，這些物質(zhì)有利于根部環(huán)境中分泌高鐵載體微生物群落的生長(zhǎng)，而抑制了其他微生物的生長(zhǎng)，同時(shí)植物的根系分泌物能給這類(lèi)微生物提供碳源，兩者之間各取所需。

該試驗(yàn)系統(tǒng)中立體種植模塊與平面浮筏種植模塊由循環(huán)管道連接，在立柱種植管道下方安裝有回水收集管，養(yǎng)殖用水經(jīng)過(guò)立柱種植模塊的過(guò)濾吸收后被再次匯入平面浮筏種植模塊進(jìn)行下一步過(guò)濾吸收。在魚(yú)菜共生系統(tǒng)中，植物、種植基質(zhì)和微生物是一個(gè)連續(xù)的整體，三者之間具有很強(qiáng)的依賴(lài)性。微生物與魚(yú)菜共生系統(tǒng)中有機(jī)物的礦化關(guān)系密切，在參與魚(yú)菜共生系統(tǒng)有機(jī)物分解的過(guò)程中，同化系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)和礦質(zhì)鹽分養(yǎng)分。微生物固持的這些養(yǎng)分在其死亡后又可以作為有機(jī)物質(zhì)再被礦化為礦質(zhì)養(yǎng)分，是系統(tǒng)中礦質(zhì)養(yǎng)分的源和庫(kù)。該試驗(yàn)系統(tǒng)中，平面浮筏種植模塊由若干深水浮筏栽培床構(gòu)成，栽培床的出水口設(shè)置為溢流結(jié)構(gòu)，溢流結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠維持栽培床的水位在某一高度，并將循環(huán)水體中的殘?jiān)冀亓粼谠耘啻驳牡撞啃纬筛迟|(zhì)層，腐殖質(zhì)中包含有許多不同種類(lèi)的微生物，在穩(wěn)定水質(zhì)方面起著重要作用，同時(shí)腐殖質(zhì)作為水體中營(yíng)養(yǎng)元素的儲(chǔ)存庫(kù)能給栽培的浮床植物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

該試驗(yàn)系統(tǒng)中，浮板的寬度寬于栽培床寬度，使浮板放于栽培床時(shí)能夠架在栽培床的兩端，從而使浮板能夠高于栽培床最高水位，以便在浮板與栽培床水面之間留一層空氣層，空氣層的設(shè)置增加了水面與空氣的接觸面積，同時(shí)還能給植物根系提供氧氣。隨著植物根系不斷拓展，根系展開(kāi)提供的巨大表面積又給微生物的生長(zhǎng)提供了附著面，植物也能依靠微生物得到需要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，通過(guò)植物與微生物之間的這種協(xié)調(diào)共生作用達(dá)到了魚(yú)、植物、微生物的協(xié)同共生。相關(guān)研究表明，植物對(duì)污染物的去除作用主要通過(guò)植物的對(duì)污染物的吸收、吸附及富集作用，然而，根際微生物對(duì)污染的凈化方面起著更加重要的作用。

4 結(jié)論

該試驗(yàn)利用生態(tài)學(xué)原理設(shè)計(jì)并建立了一種魚(yú)菜共生立體種養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過(guò)建立植物與微生物之間的互利共生關(guān)系，調(diào)整植物根際微生物的群落結(jié)構(gòu)朝著有利于植物生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而更加有效地利用養(yǎng)殖廢水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)氨氮、硝酸態(tài)氮、總磷、總氮具有較好的凈化效果。