徐琰斐，顧川川，高霞婷，倪 琦

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水產(chǎn)養(yǎng)殖設施工程重點實驗室，上海 200092)

魚菜共生是循環(huán)水養(yǎng)殖和植物無土栽培在一個生產(chǎn)系統(tǒng)中的集成，通過投入一種氮源(飼料)同時生產(chǎn)魚和植物兩種產(chǎn)品，其原理是將水產(chǎn)養(yǎng)殖排放水經(jīng)微生物硝化作用后轉化為植物所需的營養(yǎng)物質，植物對營養(yǎng)物質的吸收又可為水產(chǎn)養(yǎng)殖凈化水體，既提高了產(chǎn)量和經(jīng)濟效益，又解決了處理養(yǎng)殖尾水和為植物施肥的成本問題，具有資源節(jié)約、生產(chǎn)高效、環(huán)境友好等特點，是一種可持續(xù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1-5]。

氮是魚菜共生系統(tǒng)最重要共生營養(yǎng)元素之一。目前，關于魚菜共生系統(tǒng)的氮素收支平衡方面的研究較多[6-7]，但是關于其他營養(yǎng)元素，尤其是磷(P)元素對魚菜共生系統(tǒng)的影響研究仍較少[8-9]。魚菜共生系統(tǒng)養(yǎng)殖排放水中本身含有豐富氮(N)，但磷(P)、鉀(K)含量低，相比普通水培植物系統(tǒng)，其溶液中磷(P)含量低10倍、鉀(K)含量低45倍[10]，易導致植物生長緩慢，葉色發(fā)黃，壞死，產(chǎn)量低[11]，阻礙魚菜共生系統(tǒng)產(chǎn)量和效率進一步提高[12]。多項研究指出[13-21]，在養(yǎng)殖水體或者投喂飼料中添加不同水平的磷(P)元素，對養(yǎng)殖對象的生長性能和存活率有影響；在無土栽培系統(tǒng)中添加磷(P)和鉀(K)元素能夠增加植株的產(chǎn)量、改善果實的品質。因此，在魚菜共生系統(tǒng)中，為養(yǎng)殖和種植對象提供足夠比例的各類營養(yǎng)元素，對提高系統(tǒng)整體產(chǎn)量和效益，具有重要的意義[22-24]。

磷酸二氫鉀(KH2PO4)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部指定推廣發(fā)展的優(yōu)良化肥成分之一，常用于葉面施肥和無土栽培的營養(yǎng)液，研究證明，KH2PO4具有顯著增產(chǎn)增收、抗病蟲害等作用，且對作物安全[25-27]，但關于其對魚菜共生系統(tǒng)的作用研究比較少。浮筏型魚菜共生系統(tǒng)(Deep Water Culture)是目前商業(yè)應用最廣泛的形式之一，具有維護和操作性好，產(chǎn)能高等特點，適合各類生產(chǎn)條件[28-29]。

本研究構建小型浮筏式魚菜共生系統(tǒng)，以寶石鱸(Scortumbarcoo)，紅顏草莓(Fragariaorientalis)作為試驗對象，研究不同質量濃度KH2PO4條件下寶石鱸和草莓生長情況，并測定水體中的總氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、活性磷、鉀離子的質量濃度變化，旨在確定適宜的KH2PO4質量濃度，并評價其對系統(tǒng)水質和魚菜生長情況的影響，為提高魚菜共生系統(tǒng)生產(chǎn)效率提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗系統(tǒng)如圖1所示，工藝流程如圖2所示。試驗系統(tǒng)主要由養(yǎng)殖池、豎流沉淀器、生物反應器、蓄水池、水培槽、種植浮筏、冷熱機組、紫外燈管、水泵等部分組成，水體在整個系統(tǒng)中循環(huán)運轉。根據(jù)水位高度，在重力作用下水流從養(yǎng)殖池依次經(jīng)豎流沉淀器、生物反應器、水培槽和蓄水池，由蓄水池中的潛水泵提供上升動力，使水體經(jīng)冷熱機組和紫外殺菌后回到養(yǎng)殖池。

圖1 魚菜共生系統(tǒng)裝置Fig.1 Experimental device of aquaponic system

圖2 試驗裝置工藝流程Fig.2 Technological process of auqaponic system

養(yǎng)殖池直徑0.7 m，高1 m，有效載水量0.33 m3；豎流沉淀器直徑0.3 m，高1 m，有效載水量0.05 m3；生物反應器長寬各0.6 m，高1 m，有效載水量0.36 m3，內(nèi)裝PE填料；水培槽共2層，種植浮筏面積共1.5 m2，上下層間隔0.5 m，可容納水體量為0.3 m3；兩層種植浮筏配有LED輔助光源，光照強度為3 000 Lx，24 h開啟；蓄水池的有效蓄水能力為0.15 m3；水泵放置在蓄水池中，功率20 W，最大流量1 500 L/h；紫外殺菌功率25 W，流量為1.4 t/h；系統(tǒng)設有冷熱機組，水溫控制在22～25℃，以保持溫度恒定；在養(yǎng)殖池和生物反應器中設有增氧裝置，可有效維持魚的健康生存及生物反應器的正常運行。試驗系統(tǒng)總水體量約1.2 m3，水流量設置為0.10 m3/h，循環(huán)率為2.4次/d。試驗期間，用于補充因蒸發(fā)、植物蒸騰和吸收而損失的水量約240 L，系統(tǒng)不與外界進行水體交換。

1.2 試驗過程

試驗前期系統(tǒng)正常開啟，并放養(yǎng)少量寶石鱸(Scortumbarcoo)和紅顏草莓(Fragariaorientalis)，經(jīng)調試運行30 d后取出，目的是對生物反應器中PE填料進行掛膜處理，以積累硝化細菌，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，正式試驗時間自2021年5月8日至6月16日，共持續(xù)40 d。

正式試驗選用紅顏草莓(Fragariaorientalis)作為試驗植物，洗凈根部，定植到水培槽中，起始質量約為237±14 g。選用寶石鱸(Scortumbarcoo)為試驗魚類，每池放33尾，起始總質量約為3 278±37 g，平均養(yǎng)殖密度為10.0±0.1 kg/m3。寶石鱸與草莓生物量配比約為14∶1。試驗開始時，向系統(tǒng)蓄水池中添加KH2PO4固體，使其溶解，添加量綜合參考山崎草莓配方、華南農(nóng)業(yè)大學水培果菜配方、日本園試配方[30-31]等三種常用水培營養(yǎng)液中磷(P)、鉀(K)元素質量濃度確定，分1個對照組(KH2PO4添加量為0 g，質量濃度為0 mg/L)和3個處理組(KH2PO4添加量為120 g、240 g和480 g)，質量濃度分別為100 mg/L、200 mg/L、400 mg/L，分別標為A、B、C組)，每組處理設3個重復。在整個試驗過程中，各系統(tǒng)寶石鱸正常生長，試驗末期400 mg/L處理組發(fā)現(xiàn)死魚2條，原因可能與KH2PO4質量濃度較高有關，撈出后挑選同等質量活魚補充進系統(tǒng)。草莓長勢良好，未發(fā)現(xiàn)明顯病蟲害情況。

采用人工投喂，按魚體質量3%進行投喂，2次/d，分別于早上9:00，下午16:00。魚飼料為市售嘉吉精養(yǎng)魚配合飼料，蛋白質含量≥36%，含水率≤12%，含磷268.9 mg/kg，含鉀14 340 mg/kg。根據(jù)魚的進食情況，及時調整并記錄每次的喂食量。使用Ca(OH)2溶液調節(jié)系統(tǒng)pH，使其維持在6.8～7.2[1]左右。同時，每隔2周向系統(tǒng)中添加乙二胺四乙酸二鈉鐵，使鐵含量維持在2.5 mg/L左右以防止草莓缺鐵。

1.3 樣品收集與指標測定

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗結果以各平行樣本的均值±標準差表示，數(shù)據(jù)采用GraphPad Prism 8.3、Excel 2016等統(tǒng)計分析軟件進行。

寶石鱸特定生長率(S)計算方法見公式(1)。

(1)

式中：S為特定生長率；Wt為試驗結束時寶石鱸質量，g；W0為試驗開始時寶石鱸質量，g；t為試驗天數(shù)，d。

寶石鱸和草莓增重率(A)計算方法見公式(2)。

(2)

式中：A為增重率；Wt為試驗結束時寶石鱸質量或草莓植株質量，g；W0為試驗開始時寶石鱸質量或草莓植株質量，g。

草莓植株增高率(H)計算方法見公式(3)。

(3)

式中：H為增高率；Ht為試驗結束時草莓植株高度，cm；H0為試驗開始時草莓植株高度，cm。

2 結果與分析

2.1 基礎水質情況

試驗期間系統(tǒng)中的水體循環(huán)流動運行40 d。試驗期內(nèi)基礎水質指標情況如表1所示，系統(tǒng)水溫較穩(wěn)定，平均水溫為21.3±0.7℃，平均pH 6.76±0.27，平均DO為7.25±0.21 mg/L。

表1 基礎水質情況Tab.1 Basic water quality

寶石鱸生存水溫13℃～38 ℃，適宜的溫度范圍為20℃～28 ℃，最佳生長水溫為21℃～25℃[33]。草莓的生長適溫為15℃～25℃[34]。因此，在該試驗條件下，能夠保證寶石鱸和草莓正常生長。

2.2 魚菜共生系統(tǒng)水體中氮含量的變化

圖3 試驗期間含氮化合物質量濃度變化Fig.3 Trend of Concentration of nitrogen compounds

2.3 魚菜共生系統(tǒng)水體中活性磷、鉀離子的含量變化

圖4 試驗期間活性磷和鉀離子質量濃度變化Fig.4 Trend of concentrations of active phosphorusand potassium ions

2.4 寶石鱸生長情況

如圖5顯示，試驗期間，4組系統(tǒng)的寶石鱸增加質量分別為388±37.25 g、343±14.31 g、720±38.00 g、177±11.59 g，增重率分別為(11.7±1.15)%、(10.6±0.48)%、(22.1±1.28)%、(5.4±0.39)%，特定生長率分別為0.28±0.03、0.25±0.01、0.50±0.03、0.13±0.01。

圖5 試驗期間寶石鱸生長情況Fig.5 Growth trend of jade perch

如圖5所示，寶石鱸增重率和特定生長率方面，試驗組B與對照組之間皆存在顯著性差異(P<0.01)，長勢更好；同時，試驗組C與對照組之間也存在顯著性差異，但長勢更劣。試驗組A與對照組之間不存在顯著性差異。以上數(shù)據(jù)顯示，200 mg/L處理組的寶石鱸增重量和生長情況較對照組和其他處理組更好，而400 mg/L處理組的則更差。存活率方面，除試驗組C在后期發(fā)現(xiàn)寶石鱸死亡2條，存活率為82%，其余各組存活率為100%。

2.5 草莓生長情況

如圖6顯示，試驗期間，4組系統(tǒng)的草莓植株增加質量分別為70.3±4.19 g、80±1.63 g、85.3±4.03 g、161.7±0.47 g，增重率分別為(27.3±1.4)%、(33.8±0.4)%、(37.5±1.5)%、(71.6±1.7)%；獲得果實質量分別為227.7±28.4 g、199.1±11.9 g、227.8±19.9 g、210.3±14.2 g，各組之間未見顯著性差異；植株株高分別增長0.42±0.10 cm，0.46±0.15 cm，1.11±0.32 cm，3.82±0.12 cm，增高率為(3.1±0.7)%、(3.3±1.1)%、(9.1±2.7)%、(29.0±1.2)%；統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，如圖6所示，草莓植株增重率在所有處理組與對照組之間存在顯著性差異 (P<0.01)，且試驗組C與試驗組A、試驗組B之間也存在顯著性差異(P<0.01)。如圖6顯示，草莓株高增長率方面，100 mg/L處理組與對照組未發(fā)現(xiàn)顯著差異，試驗組B、試驗組C與對照組之間存在顯著性差異(P<0.01)，且試驗組C與試驗組A、試驗組B之間也存在顯著性差異(P<0.01)；數(shù)據(jù)顯示，400 mg/L處理組的草莓生長情況較其他處理組和對照組更好。

圖6 試驗期間草莓植株增重和增高情況Fig.6 Weight and height increase trend of strawberry

3 討論

3.1 不同質量濃度KH2PO4對魚菜共生系統(tǒng)水質的影響

3.2 不同質量濃度KH2PO4對寶石鱸生長的影響

磷(P)是魚類等水產(chǎn)動物必需的常量元素，不僅是細胞膜和核酸的重要組成部分，也是骨骼和魚鱗的主要結構成分，且直接參與所有產(chǎn)生能量的胞內(nèi)反應，因此具有非常重要的生理功能[36]。 Tabinda等[21]研究了施加不同磷肥量對池塘水體中磷酸鹽質量濃度和魚產(chǎn)量的影響，發(fā)現(xiàn)添加適量磷肥會提高水體中的磷酸鹽質量濃度，并增加鯉魚產(chǎn)量。Liu等[13]研究了不同水平的膳食磷(P)對七彩神仙魚幼魚(Symphysodon haraldi)生長性能和組織磷沉積的影響，發(fā)現(xiàn)在飼料中添加5 g/kg的磷(P)可以使養(yǎng)殖對象獲得更好的生長性能并保持良好的存活率，隨著飼料中磷(P)補充量的增加到10 g/kg，存活率顯著降低，顯示出高添加膳食磷(P)會對魚的生存產(chǎn)生負面影響。Fontagn等[14]研究了不同水平的膳食磷 (P)對虹鱒 (Oncorhynchusmykiss) 魚苗骨骼發(fā)育的影響，發(fā)現(xiàn)飲食中缺乏或者補充過量的磷(P)都不利于虹鱒(Oncorhynchusmykiss)魚苗發(fā)育，原因是磷(P) 缺乏會影響骨骼鈣化，過量的磷(P)會影響其存活。Satoh等[15]研究發(fā)現(xiàn)，飼料中添加過量的磷(P)會導致虹鱒(Oncorhynchusmykiss)生長不良，原因可能是過量磷(P)與鋅(Zn)產(chǎn)生抗拮作用，抑制了魚對鋅(Zn)的利用。本研究結果顯示，200 mg/L處理組的寶石鱸增重率(WGR)和特定生長率(SGR)較其他處理組和對照組更好，400 mg/L處理組則更差，說明水體中磷(P)含量對魚的影響與膳食磷類似，水體中適當?shù)牧缀磕軌蚴箤毷|獲得更好的生長性能，磷含量不足或者過高均會對寶石鱸生長造成負面影響，該結論與上述研究結果類似。

3.3 不同質量濃度KH2PO4對草莓生長的影響

4 結論

本研究分析了不同質量濃度KH2PO4對寶石鱸和草莓的生長影響，以期通過提升植物產(chǎn)量來進一步提高魚菜共生系統(tǒng)生產(chǎn)效率。研究發(fā)現(xiàn)，寶石鱸在適當KH2PO4質量濃度下，生長性能可以達到最佳。當KH2PO4質量濃度為200 mg/L時，寶石鱸增重最快最多，生長情況最好，當質量濃度升高至400 mg/L后，寶石鱸生長情況最差，且有個別死亡情況發(fā)生，可能是由于KH2PO4質量濃度過高，導致過量磷(P)與其他元素產(chǎn)生抗拮作用，影響寶石鱸對其他元素的吸收，進而對其生長造成負面影響。當KH2PO4質量濃度為400 mg/L時，草莓增高和增重最多，長勢最好。因此，對魚菜共生系統(tǒng)而言，KH2PO4質量濃度為200 mg/L時，可以使寶石鱸和草莓同時獲得較好的生長性能，提升魚菜共生系統(tǒng)總體產(chǎn)量。

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