鯉Cyprinus carpio、泥鰍Misgurnus anguillicaudatus與黃豆種子共生系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)的影響

劉帥，袁勝煜，魏海峰，劉長(zhǎng)發(fā)

（1.遼寧省近岸海洋環(huán)境科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023；3.大連海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方海水增養(yǎng)殖重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

魚菜共生系統(tǒng)是一種新型養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用魚類和蔬菜協(xié)同共生的生態(tài)關(guān)系，開(kāi)發(fā)了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和無(wú)土栽培業(yè)相結(jié)合的綜合性養(yǎng)殖生態(tài)工程技術(shù)[1-3]。魚菜共生系統(tǒng)中，植物對(duì)水體具有一定的吸收凈化作用，可改變水體的理化指標(biāo)，使其達(dá)到魚類生長(zhǎng)的適宜條件，促進(jìn)魚類生長(zhǎng)。相關(guān)研究證明，魚菜共生系統(tǒng)中的植物可將水體中85%左右的懸浮物質(zhì)和75%左右的有機(jī)物質(zhì)除去，降低水生物耗氧量達(dá)90%以上[4]，魚菜共生養(yǎng)殖系統(tǒng)已被許多國(guó)家深度推廣[5,6]。黃豆為水培植物，生長(zhǎng)速度快于其他植物，短時(shí)間即能獲取更大的收益；黃豆價(jià)格低廉、取材較易，是非常合適的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。目前，利用黃豆作為水培植物的相關(guān)報(bào)道空缺，故本文將黃豆作為創(chuàng)新性魚菜共生系統(tǒng)中的水培植物，這為魚菜共生系統(tǒng)中水培植物的選擇提供了基本理論和科學(xué)線索。

研究初期，主要研究了魚菜共生系統(tǒng)中植物密度[7]、植物種類[8]、飼料鐵元素含量[9]以及每日喂食量比例[10]對(duì)魚類和植物的影響，但對(duì)魚菜共生系統(tǒng)中水質(zhì)的分析研究尚未完善。水是水生生物生存的介質(zhì)，特別是生活在水中的魚類，它們從出生到死亡整個(gè)生命活動(dòng)過(guò)程都在水體中度過(guò)。因此，研究魚菜共生系統(tǒng)中水質(zhì)的變化規(guī)律，調(diào)控水體理化因子，有利于提高魚類的成活率，加速養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展[11]。本文通過(guò)研究魚菜共生系統(tǒng)對(duì)水體理化性質(zhì)的影響，可為進(jìn)一步了解魚菜共生系統(tǒng)作用機(jī)制、完善科學(xué)理論、改進(jìn)魚菜共生系統(tǒng)提供基本理論和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用健康鯉Cyprinus carpio 和泥鰍Misgurnus anguillicaudatus，初始質(zhì)量分別為（1.5±0.2）kg和（70±2）g。黃豆種子購(gòu)置大連黑石礁農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。每個(gè)黃豆育苗盤30 cm×40 cm，內(nèi)放黃豆50 g，漂浮在玻璃槽中，每層三個(gè)育苗盤。給試驗(yàn)魚投喂飼料，每天喂食2 次，日投喂量為魚體質(zhì)量的2%，攝食結(jié)束后撈出殘余飼料。

實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建的魚菜共生系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成：第一層為137 cm×60 cm×50.7 cm 魚缸，體積約為277.8 L，用于飼養(yǎng)魚；第二、三層為134.5 cm×51 cm×8 cm 的玻璃槽，用于種植水培植物，三層頂部都裝有LED 燈（紅藍(lán)比為8∶2），每天光暗比為12∶12。用90 W 功率水泵將魚缸內(nèi)的養(yǎng)殖水體提升至第二、三層玻璃槽，經(jīng)植物根部過(guò)濾后在重力作用下，經(jīng)過(guò)魚缸上過(guò)濾棉過(guò)濾后回流至魚缸，構(gòu)成完整的養(yǎng)殖循環(huán)系統(tǒng)。魚菜共生系統(tǒng)循環(huán)水流在栽培槽中停留20 min。該系統(tǒng)水循環(huán)率達(dá)20 次/d。魚菜生系統(tǒng)不與外界環(huán)境進(jìn)行水體交換。

1.2 方法

試驗(yàn)期間共監(jiān)測(cè)8 個(gè)指標(biāo)：pH、溫度、溶解氧、氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮和活性磷含量。pH、溫度由HANNA 的水溫、pH 一體化測(cè)試儀（水溫量程0.0～60.0℃,精度±0.5℃；pH 量程0.00～14.00，精度±0.05）測(cè)量；溶解氧含量由雷磁溶氧儀（量程0.00～20.00 mg/L，精度±1.5%）測(cè)量；氨氮濃度由納氏試劑分光光度法測(cè)定，亞硝態(tài)氮含量由鹽酸萘乙二胺分光光度法測(cè)定，硝態(tài)氮含量由紫外分光光度法測(cè)定，總氮含量和活性磷含量分別按照HJ636-2012《水質(zhì)總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》、GB11893-1989《水質(zhì)總磷的測(cè)定鉬酸銨分光光度法》測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與處理

用Excel 軟件初步整理測(cè)定的數(shù)據(jù)，繪制出相應(yīng)的折線圖，用SPSS 22.0 統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析和差異性分析，P＜0.05 時(shí)，表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 魚菜共生系統(tǒng)中pH 的變化規(guī)律

由圖1 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)水體pH 先升高（第1～7 d）后降低（第7～10 d），再升高（第10～21 d）并趨于平穩(wěn)。試驗(yàn)水體pH 變動(dòng)在7.5～7.82 之間，但最終趨于7.7 附近，較初始狀態(tài)增長(zhǎng)2.25%。在魚菜共生系統(tǒng)中，魚缸上層的過(guò)濾棉產(chǎn)生硝化細(xì)菌，其硝化作用會(huì)升高pH，以及水培植物的光合作用消耗二氧化碳升高pH，調(diào)節(jié)水體的酸堿度，水體pH 在7.5～7.8 之間正常波動(dòng)。

2.2 魚菜共生系統(tǒng)中溶解氧含量的變化規(guī)律

由圖1 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)水體溶解氧含量在7.0 mg·L-1左右波動(dòng)，第7 d 達(dá)到峰值7.4 mg·L-1，較第1 d 增長(zhǎng)5.71%。之后溶解氧含量上下波動(dòng)，在第13 d 達(dá)到最小值6.3 mg·L-1。在13～32 d 整體呈上升狀態(tài)，第32 d 達(dá)最大值7.5 mg·L-1，較第1 d 增長(zhǎng)7.14%。這是由于魚菜共生系統(tǒng)循環(huán)水回流過(guò)程中與大氣中的氧氣接觸，增加養(yǎng)殖水體中氧氣含量，又魚類呼吸作用消耗水中溶氧量存在差異，故在第7～21 d 范圍內(nèi)，溶解氧在6.2～7.4 mg/L 范圍內(nèi)正常波動(dòng)，可見(jiàn)魚菜共生系統(tǒng)對(duì)水體溶解氧含量具有一定的調(diào)節(jié)作用。

圖1 魚菜共生系統(tǒng)中pH 和溶解氧含量的變化規(guī)律Fig.1 Changes in pH and dissolved oxygen content in the fish and vegetable symbiotic system

2.3 魚菜共生系統(tǒng)中氨氮濃度的變化規(guī)律

由圖2 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)水體氨氮濃度顯著降低，最后處于較低的平穩(wěn)值0.1136 mg·L-1，較第1 d 下降85.64%。第1～21 d 氨氮濃度與時(shí)間之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程分別為：y ＝-0.0962x+0.8554，R2＝0.9876。在魚菜共生系統(tǒng)中，魚缸上層的過(guò)濾棉產(chǎn)生硝化細(xì)菌，其硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化成了亞硝酸鹽，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，同時(shí)水培植物也會(huì)吸收水體中的氨氮，但硝化作用是氨氮濃度降低的主要作用機(jī)制[12]。

2.4 魚菜共生系統(tǒng)中亞硝態(tài)氮含量的變化規(guī)律

由圖2 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)水體亞硝態(tài)氮含量顯著降低，最后達(dá)到最低值0.078 mg·L-1，此值較第1 d 下降82.63%。第1～32 d 亞硝態(tài)氮含量與時(shí)間之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為：y ＝-0.0369x+0.504，R2＝0.9461。魚類的糞便和殘餌含有大量的亞硝態(tài)氮，導(dǎo)致魚菜共生系統(tǒng)亞硝態(tài)氮含量初始處于較高狀態(tài)，但系統(tǒng)中的水培植物可吸收亞硝態(tài)氮，水體中亞硝態(tài)氮含量逐漸降低。

2.5 魚菜共生系統(tǒng)中總氮含量的變化規(guī)律

由圖2 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，魚菜共生水體總氮含量顯著降低，最后達(dá)到最低值0.0672 mg·L-1，較第1 d 下降93.32%。第1～32 d 總氮含量與時(shí)間之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程分別為：y ＝-0.0879x+0.9882，R2＝0.9507。在魚菜共生系統(tǒng)中，魚類的糞便和殘餌含有大量的有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮，水體中的無(wú)機(jī)氮可被水培植物吸收用于生長(zhǎng)，水體中的有機(jī)氮在亞硝化細(xì)菌的作用下發(fā)生氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮，因此水體中的總氮含量逐漸減少，但每天都會(huì)產(chǎn)生的魚類糞便和殘餌，抑制了總氮含量降低的速率且最終達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖2 魚菜共生系統(tǒng)中氨氮、亞硝態(tài)氮和總氮含量的變化規(guī)律Fig.2 Changes in concentrations of ammonia nitrogen,and nitrite nitrogen content and total nitrogen content in the fish and vegetable symbiotic system

2.6 魚菜共生系統(tǒng)中活性磷含量的變化規(guī)律

由圖3 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)水體活性磷含量顯著降低，最后達(dá)到最低值1.422 mg·L-1，較第1 d 下降71.01%。第1～32 d總活性磷含量與時(shí)間之間存在顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程分別為：y ＝-0.3226x+4.9606，R2＝0.9803。在魚菜共生系統(tǒng)中，活性磷主要來(lái)自魚類的糞便和殘餌，水培植物能吸收水體中活性磷用于生長(zhǎng)發(fā)育[13]，故活性磷含量逐漸降低。但隨著時(shí)間的推移，養(yǎng)殖水中的微生物數(shù)量逐漸增多，會(huì)導(dǎo)致活性磷含量的增加，最終使活性磷含量達(dá)到一種相對(duì)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)平衡。

圖3 魚菜共生系統(tǒng)中活性磷含量的變化規(guī)律Fig.3 Changes in active phosphorus content in the fish and vegetable symbiotic system

2.7 魚菜共生系統(tǒng)中硝態(tài)氮含量的變化規(guī)律

由圖4 可知，在魚菜共生系統(tǒng)中，隨著時(shí)間的增加，試驗(yàn)水體硝態(tài)氮含量在第1～13 d 迅速下降，第13 d 達(dá)到最小值0.0337 mg·L-1，較第1 d 下降55.36%；第13～21 d，硝態(tài)氮含量顯著上升，第21 d達(dá)到峰值0.0666 mg·L-1，較第1 d 下降11.79%；第21～32 d，硝態(tài)氮含量再次顯著下降，第32 d 達(dá)到谷值0.0666 mg·L-1，較第1 d 下降42.65%。在魚菜共生系統(tǒng)中，魚類的糞便和殘餌含有大量的硝態(tài)氮，水培植物可吸收水體中硝態(tài)氮用于自身發(fā)育生長(zhǎng)，故出現(xiàn)水體硝態(tài)氮含量在0.0337～0.0755 mg·L-1正常波動(dòng)的現(xiàn)象。

圖4 魚菜共生系統(tǒng)中硝態(tài)氮含量的變化規(guī)律Fig.4 Changes in nitrate nitrogen content in the fish and vegetable symbiotic system

3 討論

實(shí)驗(yàn)水體水質(zhì)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果的顯著性分析表明，魚菜共生明顯改良了水質(zhì)，pH 略微升高但保持在適宜養(yǎng)殖的范圍內(nèi)，水溫上升3 ℃左右，溶解氧含量增長(zhǎng)0.5 mg·L-1，氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮和活性磷濃度分別降低了85.64%、82.63%、42.65%、93.32%和71.01%。

不同生物的最適生長(zhǎng)pH 范圍不同[14]，維持養(yǎng)殖水pH 穩(wěn)定對(duì)促進(jìn)魚菜共生系統(tǒng)中各生物組分的生長(zhǎng)具有重要意義。合適的pH 范圍能滋生硝化細(xì)菌，其硝化作用將對(duì)魚類有毒性作用的氨氮、亞硝氮轉(zhuǎn)化成低毒性的硝態(tài)氮，提高了魚類的存活率[15]。李曉輝等[16]報(bào)道，池塘魚菜共生系統(tǒng)可改善水質(zhì)，使水體pH 穩(wěn)定在7.5～8.0 之間，達(dá)到魚類和植物適宜的環(huán)境。蔡淑芳等[17]研究顯示，池塘魚菜共生系統(tǒng)可使水體pH 穩(wěn)定在7.5～8.0 之間，大幅改善了魚類和植物的生長(zhǎng)。張文良等[8]證明，當(dāng)池塘魚菜共生系統(tǒng)維持池塘水體pH 為7.0～8.0 之間時(shí)，鯽Carassius auratus 苗的存活率最高。本實(shí)驗(yàn)中，水體pH 出現(xiàn)先升高（第1～7 d）后降低（第7～10 d），再升高（第10～21 d）并趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。水體pH 在7.5～7.8 之間變動(dòng)，一直維持在適宜魚類養(yǎng)殖的范圍內(nèi)。

水中溶解氧是水生動(dòng)物賴以生存的必要條件之一，大部分水域溶解氧含量在8～10 mg·L-1，低氧會(huì)導(dǎo)致魚類缺氧甚至窒息死亡。水中溶解氧含量也是限制反硝化和硝化過(guò)程的主要因素之一，低溶解氧含量不能將具有毒性的亞硝酸鹽氮（NO2-N）氧化，極大影響反硝化作用所需酶的合成和表達(dá)以及N2O 還原酶的活性[18]。施吉華[11]發(fā)現(xiàn)，水體溶解氧含量高能提高魚類的攝食量，促進(jìn)魚類生長(zhǎng)。本研究中，實(shí)驗(yàn)水體溶解氧含量在第1～7 d 緩慢上升，之后上下波動(dòng)，在第13～32 d 整體出現(xiàn)上升的狀態(tài)，第32 d 出現(xiàn)最大值7.5 mg·L-1，較無(wú)魚菜共生系統(tǒng)增長(zhǎng)7.14%，可見(jiàn)魚菜共生系統(tǒng)可提高水體溶解氧含量。

在池塘養(yǎng)殖中，較高的氨氮和亞硝態(tài)氮含量會(huì)抑制魚類的生長(zhǎng)，甚至導(dǎo)致魚類大面積死亡[19]。李波等[20]研究了不同溶氧水平下氨氮和亞硝酸鹽對(duì)黃顙魚Pelteobagrus fulvidraco 的急性毒性，發(fā)現(xiàn)較高的氨氮濃度和亞硝態(tài)氮含量損壞水生動(dòng)物的鰓組織，抑制呼吸作用和呼吸速率，破壞了生物體內(nèi)外氣體交換，導(dǎo)致生物中毒。運(yùn)珞珈等[21]研究發(fā)現(xiàn)，較高的氨氮和亞硝態(tài)氮含量會(huì)導(dǎo)致稚鱉Trionyx sinensis 養(yǎng)殖水體中病菌大量繁殖，污染了養(yǎng)殖水體，使養(yǎng)殖的鱉致死。本實(shí)驗(yàn)中，水體氨氮濃度和亞硝態(tài)氮含量顯著降低，分別達(dá)到最低值0.1136 mg·L-1和0.078 mg·L-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于起始的氨氮濃度和亞硝態(tài)氮含量。

在魚類生長(zhǎng)的水環(huán)境中，活性磷含量不是主要的影響因素，但活性磷含量會(huì)引起養(yǎng)殖水體富營(yíng)養(yǎng)化，抑制魚類的生長(zhǎng)發(fā)育[22]。本實(shí)驗(yàn)初期，魚菜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)水體活性磷含量為4.9 mg·L-1，隨時(shí)間的增長(zhǎng)，水體活性磷含量呈明顯梯度下降，最終達(dá)到最低值1.42 mg·L-1。這與閆曉君[23]的魚菜共生系統(tǒng)中微生物的作用使活性磷含量逐漸下降現(xiàn)象一致。

魚菜共生系統(tǒng)合理地控制了養(yǎng)殖水體pH、增加溶解氧含量、大幅度降低氨氮、亞硝態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、活性磷含量，較大程度上為魚類提供適宜發(fā)育環(huán)境，是養(yǎng)殖業(yè)的一大突破。水培植物的水質(zhì)凈化、修復(fù)等功能，使總氮含量和磷酸鹽處于低水平穩(wěn)定狀態(tài)，魚菜共生系統(tǒng)可以長(zhǎng)時(shí)間不換水，不排污，實(shí)現(xiàn)污染物零排放，將是環(huán)保行業(yè)的一大契機(jī)。