蔬菜對(duì)魚菜共生系統(tǒng)中水質(zhì)凈化效果研究＊

閆玉杰，王川奇，高菁菁，李亞靈，溫祥珍（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，山西晉中 030801）

“魚菜共生”系統(tǒng)是將魚類養(yǎng)殖和蔬菜栽培相結(jié)合，利用二者各自的生物特性共同實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)展的一種綠色生態(tài)種養(yǎng)模式[1-2]，可得到魚和蔬菜兩種經(jīng)濟(jì)產(chǎn)物，提高經(jīng)濟(jì)效益[3]。目前中國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)通常采用高密度養(yǎng)殖，需要投入大量的魚飼料，但只有少部分被養(yǎng)殖動(dòng)物所攝食，大部分殘留在水體環(huán)境中，長(zhǎng)此以往，會(huì)導(dǎo)致水體污染，引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[4]。大量研究表明將蔬菜栽培與魚類養(yǎng)殖相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)蔬菜對(duì)養(yǎng)殖水體的凈化及再利用。

一般來(lái)說(shuō)，葉菜類植物和果菜類植物都可以栽培于魚菜共生系統(tǒng)，不同的植物其生長(zhǎng)特性和氮吸收能力不同，對(duì)營(yíng)養(yǎng)的需求也不同[5]，因此在魚菜共生系統(tǒng)中的生長(zhǎng)及對(duì)水體的凈化效果也存在差異。在魚菜共生系統(tǒng)栽培基質(zhì)研究方面，不同材料因其物理性質(zhì)不同，如多孔結(jié)構(gòu)的基質(zhì)可以起到過(guò)濾作用，而且能為硝化細(xì)菌等提供好氧環(huán)境[6]，從而在促進(jìn)水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化、凈化水質(zhì)及植物生長(zhǎng)方面的效果也不一樣。因此，本試驗(yàn)從這兩方面研究蔬菜對(duì)魚菜共生系統(tǒng)水質(zhì)的凈化效果，以期為建立高效的魚菜共生系統(tǒng)水質(zhì)凈化技術(shù)提供依據(jù)。

材料與方法

供試溫室及養(yǎng)魚池

試驗(yàn)溫室在山西省晉中市太谷區(qū)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施農(nóng)業(yè)工程研究所，溫室結(jié)構(gòu)如圖1a 所示。該溫室坐北朝南，長(zhǎng)72 m，寬10.5 m，全鋼架結(jié)構(gòu)，無(wú)后墻，鋼拱架結(jié)構(gòu)同日光溫室，架設(shè)在周邊0.75 m 高的池（貯液池）面上，貯液池由0.10 m 厚的隔熱彩鋼板、丁字鋼、底座等構(gòu)成。

圖1 供試溫室及養(yǎng)魚池

試驗(yàn)中魚類養(yǎng)殖在溫室的貯液池內(nèi)，如圖1b所示，魚池區(qū)域長(zhǎng)60 m、寬10.5 m，注水前先將土地平整壓實(shí)，鋪設(shè)一層棉墊（黑心棉），再鋪設(shè)黑色防滲膜。注水后液面平均高度0.4 m，通過(guò)注入自來(lái)水補(bǔ)充每日的蒸發(fā)量。養(yǎng)殖池內(nèi)大約有魚3000 尾（主要有草魚、鯉魚等，每條魚重10～60 g），采用人工喂食法喂食魚飼料，每天9:00、17:30各投喂1 次，日投喂量為魚總質(zhì)量的2%。

栽培系統(tǒng)

試驗(yàn)中蔬菜的栽培系統(tǒng)如圖2 所示，將塑料栽培槽（長(zhǎng)6 m，上口寬0.2 m，下底寬0.12 m，高0.16 m）置于距地面1.2 m 的支架上，呈一定角度傾斜放置，栽培槽的尾部直接架設(shè)在養(yǎng)殖池的池面上。通過(guò)放置在養(yǎng)殖池中的水泵（功率220 W，水流量7500 L/h）將養(yǎng)殖水抽入栽培槽中，經(jīng)植物吸收利用后再返回養(yǎng)殖池，形成循環(huán)式魚菜共生栽培模式。在距離栽培槽底部5 cm 處放置泡沫板，其上打孔用于定植植株。泡沫板下部或是放置栽培基質(zhì)，或是水直接流過(guò)。試驗(yàn)期間整個(gè)系統(tǒng)水流為每1 h 循環(huán)40 min，栽培區(qū)水流量約為0.0937 m3/h。蔬菜栽培采用的是營(yíng)養(yǎng)液膜方式，由養(yǎng)殖池、栽培槽、水泵、供液管道等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖2 循環(huán)栽培系統(tǒng)

圖3 養(yǎng)殖池及栽培循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)一：篩選對(duì)水質(zhì)凈化效果較好的蔬菜種類。試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理，種植的蔬菜分別為黃瓜、番茄、蕹菜、芹菜，定植前各種蔬菜采用穴盤育苗，育苗基質(zhì)為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜花卉研究所研制。待幼苗長(zhǎng)到適合的大小，黃瓜四葉一心，番茄四葉一心，蕹菜和芹菜平均株高20 cm 時(shí)，各選取生長(zhǎng)勢(shì)一致的植株定植于栽培槽中，種植間距為25 cm，每個(gè)栽培槽種植23 株，每一種蔬菜作為一個(gè)處理種植到一個(gè)栽培槽內(nèi)，每個(gè)處理重復(fù)三次，共12 個(gè)栽培槽。試驗(yàn)共進(jìn)行了30 天，期間環(huán)境溫濕度使用“小喇叭溫濕度測(cè)定儀”（購(gòu)自海芯華夏）測(cè)定，每隔5 min 自動(dòng)記錄1 次。試驗(yàn)期間溫室內(nèi)氣溫為25～42.1℃，空氣濕度為60%～90%。

試驗(yàn)二：在栽培槽中放置不同的栽培基質(zhì)，比較基質(zhì)的水質(zhì)凈化效果。共設(shè)置4 個(gè)處理，其中一個(gè)處理為鋪設(shè)無(wú)紡布，另外三個(gè)處理分別是在栽培槽中放置陶礫、沙子、花泥，厚度平均為4 cm。采用穴盤育苗，育苗基質(zhì)為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜花卉研究所研制，蔬菜種類采用的是試驗(yàn)一篩選出的蕹菜。選取生長(zhǎng)勢(shì)一致的蕹菜定植于栽培槽中，株距25 cm，每個(gè)栽培槽種植23株，每個(gè)處理重復(fù)3 次，共12 個(gè)栽培槽。試驗(yàn)共進(jìn)行30 天，期間溫室內(nèi)氣溫為15～33 ℃，空氣濕度為60%～90%。

測(cè)定項(xiàng)目及測(cè)定方法

植株干鮮重的測(cè)定是在取樣后，用自來(lái)水清洗根部，擦拭水分，分別稱量地上部與地下部鮮重。在烘箱中，130℃殺青半小時(shí)、80℃烘干至恒重稱重。

植株礦質(zhì)元素含量測(cè)定是在試驗(yàn)結(jié)束后，將烘干后的植物樣品研磨，過(guò)篩后采用H2SO4～H2O2消煮[7]。全氮含量采用奈氏比色法，全磷含量采用鉬銻抗比色法，全鉀含量用火焰光度計(jì)法，全鎂、全鈣含量用原子吸收分光光度計(jì)法等分別測(cè)定。

在試驗(yàn)一蔬菜種類試驗(yàn)中，于定植后5 天、15 天、25 天測(cè)定水體的氨氮、硝態(tài)氮、總磷含量。具體做法是將養(yǎng)殖水抽提并固定在栽培槽中，水的深度平均為3 cm，24 h 后栽培槽排水進(jìn)行正常循環(huán)。在進(jìn)水時(shí)取水樣，24 h 后排水時(shí)在出水口取水樣，測(cè)定前后水體各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)含量。在試驗(yàn)二栽培基質(zhì)試驗(yàn)中，于定植25 天時(shí)，在進(jìn)水口取樣，然后將養(yǎng)殖水固定在栽培槽中共72 h，每隔24 h 在栽培槽的前、中、后三個(gè)位置取等量水樣混合后測(cè)定一次水體各指標(biāo)含量。采集的水樣于24 h 內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。氨氮采用納式試劑分光光度法，硝酸鹽氮采用酚二磺酸光度法，總磷用鉬酸銨比色法測(cè)定[8]。水體各指標(biāo)去除率的計(jì)算如下：

去除率(%)=(進(jìn)水口值－出水口值)/ 進(jìn)水口值×100%

結(jié)果與分析

不同蔬菜種類對(duì)水質(zhì)的凈化效果

圖4 為試驗(yàn)期內(nèi)每隔10 天將養(yǎng)殖水固定在栽培槽中24 h 后測(cè)得的水體氨氮去除率。由圖可以看出，定植后5 天，四種蔬菜對(duì)水體的凈化率都為負(fù)數(shù)，黃瓜對(duì)水體氨氮的去除率最小為-18.30%，其他三種蔬菜對(duì)水體的去除率大致在-4.89%～ -1.78%，說(shuō)明水體氨氮含量沒有降低?？赡苁鞘卟嗣缱虞^小，還未能對(duì)氨氮的去除起到明顯作用。隨著定植天數(shù)的增加，四種蔬菜對(duì)水體的氨氮去除率都有較大的增加，到25 天時(shí)氨氮去除率保持在60%～73%。

圖4 試驗(yàn)期間水體氨氮去除率

圖5 是將養(yǎng)殖水固定在栽培槽中24 h 后測(cè)得的水體硝態(tài)氮去除率。試驗(yàn)初期，蕹菜和番茄對(duì)水體硝態(tài)氮去除作用較明顯，去除率分別為24.31%、30.67%。而黃瓜和芹菜對(duì)水體硝態(tài)氮含量未起到降低作用。隨著試驗(yàn)進(jìn)行到15 天，每種蔬菜對(duì)水體硝態(tài)氮的去除率均增加，番茄和黃瓜對(duì)水體硝態(tài)氮降低作用最明顯，為64.24%、39.85%，說(shuō)明它們生長(zhǎng)需要吸收大量的氮元素。到試驗(yàn)后期，番茄和黃瓜對(duì)水體硝態(tài)氮的去除率有一定下降。蕹菜和芹菜對(duì)水體硝態(tài)氮去除率試驗(yàn)期內(nèi)保持一個(gè)穩(wěn)定的上升趨勢(shì)。

圖5 試驗(yàn)期間水體硝態(tài)氮去除率

圖6 為養(yǎng)殖水固定在栽培槽中24 h 后測(cè)得的水體總磷去除率。定植5 天時(shí)，除黃瓜外，其余三種蔬菜對(duì)水體總磷的去除率都較明顯，為27%～52%。定植15 天時(shí)，黃瓜對(duì)水體總磷去除率增加到30.66%，蕹菜對(duì)水體總磷去除率值保持穩(wěn)定不變。但試驗(yàn)后期，四種蔬菜的水體總磷去除率都有明顯的增加，在40%～56%。

圖6 試驗(yàn)期間水體總磷去除率

不同蔬菜礦質(zhì)元素吸收量

表1 為生長(zhǎng)期內(nèi)不同蔬菜養(yǎng)分吸收量，由收獲時(shí)蔬菜礦質(zhì)元素含量與定植時(shí)礦質(zhì)元素含量差值得出。由表可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，蕹菜吸收的全氮、全鉀含量較其他三個(gè)處理都有顯著性差異，分別為29.13 mg/株、78.94 mg/株。黃瓜、蕹菜、芹菜植株的全磷吸收量無(wú)顯著差異，平均為1.46 mg/ 株。芹菜的全鈣、全鎂含量都少于其他三種蔬菜，分別是5.66 mg/ 株、5.54 mg/ 株，黃瓜、番茄、蕹菜的全鈣、全鎂含量無(wú)顯著差異。

表1 不同蔬菜礦質(zhì)元素吸收量/（mg/株）

不同栽培基質(zhì)對(duì)水質(zhì)的凈化效果

圖7 是在定植25 天后，將養(yǎng)殖水抽提后固定在栽培槽中24 h、48 h、72 h，植物和栽培基質(zhì)對(duì)水體氨氮去除率的影響。以無(wú)紡布為栽培基質(zhì)時(shí)，24 h 后氨氮去除率為56.18%，較其他三個(gè)處理低，但隨著養(yǎng)殖水固定時(shí)間的增加，氨氮去除率逐漸增加，72 h 后達(dá)到87.13%，可能是無(wú)紡布材料具有吸附性，一部分分解物附著在上面。養(yǎng)殖水固定24 h 時(shí)，以陶礫、沙子和花泥為栽培基質(zhì)時(shí)，氨氮去除率較大，分別為80.13%、84.25%、83.06%。48 h 后，陶礫處理氨氮去除率較24 h 時(shí)變化不大，但到72 h 后出現(xiàn)明顯的下降，降至63.01%。以沙子為栽培基質(zhì)時(shí)，氨氮去除率隨養(yǎng)殖水固定時(shí)間的增加并未出現(xiàn)顯著的變化，大致保持在85%?；嘧鳛樵耘嗷|(zhì)時(shí)，48 h 后對(duì)氨氮去除率為70.91%，并基本保持不變。

圖7 栽培槽內(nèi)不同持水時(shí)間氨氮去除率

圖8 是將養(yǎng)殖水固定在栽培槽中24 h、48 h、72 h 后取樣測(cè)定的水體硝態(tài)氮去除率的結(jié)果。養(yǎng)殖水在栽培槽中固定24 h 后，各處理出水口硝態(tài)氮含量較進(jìn)水口都有所降低，去除率之間相差不大，在84%～ 90%。養(yǎng)殖水固定48 h 后，除陶礫硝態(tài)氮去除率為81.49%，其余處理的去除率為88%～ 93%。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，到72 h 時(shí)，各處理水體硝態(tài)氮去除率為80%～ 86%，雖有不同程度的下降，但是對(duì)水體硝態(tài)氮的去除效果還是很明顯。

圖8 栽培槽內(nèi)不同持水時(shí)間硝態(tài)氮去除率

圖9 是將養(yǎng)殖水固定在栽培槽后，對(duì)水體總磷去除率的結(jié)果。養(yǎng)殖水固定24 h 后，以陶礫、沙子、無(wú)紡布為栽培基質(zhì)時(shí)，出水口總磷含量較進(jìn)水口平均降低14%。到48 h 后，沙子處理對(duì)總磷的去除率變化不大，72 h 后增加到34.93%。以無(wú)紡布為栽培基質(zhì)，雖然48 h 時(shí)總磷去除率有一定降低，但是72 h 后達(dá)到17.62%。陶礫作為栽培基質(zhì)，總磷含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)比進(jìn)水時(shí)數(shù)值增加，去除率出現(xiàn)了負(fù)值。由圖得知花泥作為栽培基質(zhì)時(shí)，水體總磷含量相比于進(jìn)水時(shí)反而增加了，可能是花泥本身釋放及部分腐敗的葉和根系在水體中釋放出一些物質(zhì)，導(dǎo)致總磷含量增加。

圖9 栽培槽內(nèi)不同持水時(shí)間總磷去除率

不同栽培基質(zhì)蕹菜生物量

表2 為在栽培槽中放置不同栽培基質(zhì)時(shí)，定植25 天后蕹菜的生物量。由表可知，放置陶礫和沙子作為栽培基質(zhì)后利于蕹菜的生長(zhǎng)，可以提高蕹菜鮮重，其總鮮重分別為14.90 g/ 株、14.91 g/ 株，無(wú)顯著差異。分析比較蕹菜的地上部和地下部鮮重，可以看出，以陶礫和沙子作為栽培基質(zhì)時(shí)，其地下部鮮重分別達(dá)到8.28 g/ 株、9.63 g/ 株，與其地上部鮮重相差不大，說(shuō)明地下部根系很發(fā)達(dá)。栽培基質(zhì)為花泥和無(wú)紡布時(shí)，蕹菜總鮮重和總干重都顯著低于陶礫和沙子兩個(gè)處理，地上部與地下部整體都很小，說(shuō)明蕹菜的生長(zhǎng)狀況不是很理想。

表2 不同栽培基質(zhì)蕹菜生物量/（g/株）

不同栽培基質(zhì)蕹菜礦質(zhì)元素吸收量

表3 為定植25 天后蕹菜礦質(zhì)元素吸收量，由收獲時(shí)蕹菜礦質(zhì)元素含量與定植時(shí)蕹菜礦質(zhì)元素含量差值得出。由表中可看出，在整個(gè)試驗(yàn)期間，以陶礫和沙子為栽培基質(zhì)時(shí)，蕹菜對(duì)礦質(zhì)元素的吸收量顯著高于花泥和無(wú)紡布兩個(gè)處理。以沙子為栽培基質(zhì)，蕹菜單株全磷、全鈣、全鎂含量顯著高于陶礫處理，分別為11.20 mg/ 株、17.81 mg/株、9.03 mg/株。以陶礫為栽培基質(zhì)時(shí)，全氮含量最高，為31.77 mg/ 株?；嗪蜔o(wú)紡布兩個(gè)處理相比較，以無(wú)紡布為栽培基質(zhì)時(shí)，蕹菜養(yǎng)分吸收量整體高于花泥處理。

表3 蕹菜礦質(zhì)元素吸收量/（mg/株）

討論

不同的蔬菜具有不同的生長(zhǎng)特性和氮、磷吸收能力，對(duì)養(yǎng)分的需求量也存在差異，這就使得其水質(zhì)凈化能力存在較大的差異。徐麗[9]等通過(guò)對(duì)不同植物比較，發(fā)現(xiàn)生物量增長(zhǎng)的多、根系發(fā)達(dá)、葉片面積大、收割茬數(shù)多的植物對(duì)水質(zhì)中氮磷去除效果好。同時(shí)，植物的根系與地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育關(guān)系密切，也是吸收養(yǎng)分的主要器官，選擇根系比較發(fā)達(dá)且較長(zhǎng)的植物，能夠大大提高植物系統(tǒng)凈化水質(zhì)的能力[10]。蕹菜有很強(qiáng)的耐高溫和耐污能力，耐受范圍較廣，水培根系發(fā)達(dá)，生長(zhǎng)快[11]，凈水效率高，相比較黃瓜和番茄來(lái)說(shuō)，在本試驗(yàn)條件下，能更好適應(yīng)環(huán)境，更健壯的生長(zhǎng)，對(duì)水體氮磷的去除效果也更好。黃瓜和番茄都選用四葉一心時(shí)期的幼苗展開試驗(yàn)，相比較蕹菜和芹菜來(lái)說(shuō)，由于所需養(yǎng)分供給不足，導(dǎo)致后期生長(zhǎng)速度緩慢，葉片也出現(xiàn)不同程度的黃化現(xiàn)象，植株礦質(zhì)含量較定植初期也有減少現(xiàn)象，對(duì)水體的凈化效果不太顯著。

栽培基質(zhì)可作為一種材料填充在植物栽培槽中，既起到固定植株的作用，又可發(fā)揮其機(jī)械過(guò)濾和生物過(guò)濾的雙重作用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，便于推廣應(yīng)用[12-13]。不同的基質(zhì)形態(tài)及化學(xué)性質(zhì)不同，對(duì)硝化細(xì)菌的附著和繁殖會(huì)產(chǎn)生影響，從而影響凈化效果[14]。當(dāng)栽培基質(zhì)為陶礫和沙子時(shí)，蕹菜根系生長(zhǎng)更發(fā)達(dá)，地下部生物量甚至大于地上部的生物量，說(shuō)明其生長(zhǎng)發(fā)育良好，同時(shí)對(duì)水體氮磷去除率也更高。以花泥作為栽培基質(zhì)，對(duì)水質(zhì)凈化效果較差，這可能與所用花泥的形狀和大小有關(guān)，導(dǎo)致與養(yǎng)殖水的接觸面積相應(yīng)減少，蕹菜根系較小且未扎根到花泥中，導(dǎo)致植株生長(zhǎng)狀況不佳，影響對(duì)水中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化。

系統(tǒng)中蔬菜生物量增長(zhǎng)多、吸收的礦質(zhì)元素含量多，能夠大大提高植物對(duì)系統(tǒng)水質(zhì)凈化的能力。植物生物量和養(yǎng)分吸收量在一定程度上可以說(shuō)明該植物在魚菜共生系統(tǒng)中的生長(zhǎng)狀況。將這些生長(zhǎng)情況與各自對(duì)水體氨氮、硝態(tài)氮、總磷去除率聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)存在相關(guān)性。金樹權(quán)等[15]的試驗(yàn)結(jié)果證明水質(zhì)氮、磷去除率與水生植物凈增生物量相關(guān)性較高，同時(shí)植株氮磷吸收量可作為水生植物篩選的一個(gè)重要指標(biāo)。李斌等[16]的研究也得出相似結(jié)果，植物對(duì)水體和底泥中污染物的富集量和凈化效率與生物量的大小有直接關(guān)系。本試驗(yàn)研究結(jié)果與他們的結(jié)論基本一致。

結(jié)論與展望

魚菜共生系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水資源的凈化再利用，是一種值得推廣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。在本試驗(yàn)構(gòu)建的循環(huán)式魚菜共生系統(tǒng)栽培模式下，以陶礫為栽培基質(zhì)種植蕹菜，植株生長(zhǎng)狀況良好，對(duì)水體氮磷的凈化效果最好。試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)后期蔬菜生長(zhǎng)緩慢，葉片有發(fā)黃現(xiàn)象，在下一步的試驗(yàn)計(jì)劃中可以考慮外部噴施適量營(yíng)養(yǎng)液，促進(jìn)蔬菜的生長(zhǎng)，進(jìn)一步提高水質(zhì)凈化能力。