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第35 卷 第4 期 农 业 工 程 学 报 Vol 35 No 4 132 2019 年 2 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb 2019 种植密度对鱼菜共生系统氮素转化的影响 蔡淑芳 陈 敏 陈永快 包兴胜 张 钟 雷锦桂 福建省农业科学院数字农业研究所 福州 350003 摘 要 为评估不同植物密度对鱼菜共生系统氮素转化的影响 在试验温室内搭建了基于营养液膜 nutrient film technique NFT 栽培的鱼菜共生系统 养殖水量350L 养殖密度10 kg m 3 栽培面积1 0 m 2 栽培密度60 45 和30 株 m 2 考察 了系统33d 运行期间的水质情况和鱼菜生长情况 探讨了投入氮素的转化情况以及时间和植物密度对氮化合物质量浓度 的影响情况 结果表明 试验期间 不同植物密度系统的水质适合鱼菜生长 鱼类和蔬菜主要生物学特性指标有不同程 度的增长 氨氮 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮质量浓度随时间变化显著 P 0 01 不同植物密度系统的硝酸盐氮质量浓度存 在显著差异 P 0 028 植物密度为45 株 m 2 的系统具有较高的硝酸盐氮积累优势 系统运行后期 氮化合物质量浓度 基本稳定 氨氮 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮质量浓度分别为2 50 0 20和5 00 mg L 左右 49 32 68 41 投入饲料的氮素积 累在鱼菜生物体内 与普通水产养殖和NFT栽培相比 鱼 菜含氮量均不具优势 可通过扩大栽培面积 配备生物滤池 调整栽培模式等方法加强氮素转化 综上 试验系统的优势栽培密度为45株 m 2 应结合其他措施提升氮素转化效果 关键词 养 殖 氮素 鱼 菜共生 植 物 密 度 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 04 016 中图分类号 X714 文献标志码 A 文章编号 1002 6819 2019 04 0132 06 蔡淑芳 陈 敏 陈永快 包兴胜 张 钟 雷锦桂 种植密度对鱼菜共生系统氮素转化的影响 J 农业工程学报 2019 35 4 132 137 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 04 016 http www tcsae org Cai Shufang Chen Min Chen Yongkuai Bao Xingsheng Zhang Zhong Lei Jingui Effects of plant density on nitrogen transation in aquaponics system J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2019 35 4 132 137 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2019 04 016 http www tcsae org 0 引 言 鱼菜共生是水产养殖与无土栽培的互利结合 具有 零排放特征 1 在鱼菜共生系统中 鱼类排泄废物 细 菌将废物转化成营养以供植物吸收 这形成了动植物的 集约化生产 降低了种养殖独立系统的操作成本 减少 了污水排放 节约了用水量 因此被认为是一种可持续 的生产模式 2 鱼菜共生系统的研究始于20 世纪70 年代 相关研 究范围非常广泛 包括作物 鱼类 每日喂食量比例的 合理化 生物过滤器的类型 3 6 植物的水质净化 修复 作用等方面 7 13 近年来 有学者以鲤鱼 罗非鱼 油菜 番 茄 白菜等为研究对象 在实验室规模的系统中进行了鱼 菜共生系统氮素转化的系列研究 包括系统设计 如藻 类 细菌型系统 不同植物种类系统 水流速度 运行 条件 如温度 pH值 溶解氧 营养元素 微生物群 落调控 如硝化剂添加和填料分级 等多角度分析 并 提出了相关的系统优化措施 14 25 收稿日期 2018 06 07 修订日期 2019 01 15 基金项目 福建省自然科学基金项目 2017J01045 福建省农业科学院院管A 类项目 A2018 4 福建省农业科学院智慧农业创新团队 STIT2017 2 12 作者简介 蔡淑芳 助理研究员 主要从事设施农业研究 Email 195443125 通信作者 雷锦桂 副研究员 主要从事设施农业与食用菌研究 Email leican11 虽然鱼菜共生系统氮素转化研究取得了一定的进 展 但是因氮素转化是一个复杂的过程 涉及到氨化作 用 硝化作用 反硝化作用等多元反应 影响因素众多 已有研究还不够全面 其中 从植物密度角度对鱼菜共 生系统氮素转化的研究还鲜见报道 26 不同植物密度的 配置隶属于系统设计内容 植物密度关系到鱼菜比例 植株光照利用等 影响到植物氮素等营养吸收 进而作 用于系统水质和鱼菜产出 因此 分析植物密度与系统 氮素转化关联性具有重要意义 本研究拟在统一氮输入 量情况下 深入研究植物密度在鱼菜共生氮素转化中所 扮演的角色 探讨优势种植密度及其作用机理 为优化 系统设计与运行等提供科学依据和技术指导 1 材料和方法 1 1 试验装置 试验于福州的中以示范农场内展开 试验基地为薄 膜日光温室 接受自然光源直接照射 配置有卷帘 湿 帘等环境控制设施 试验期间 室内空气湿度为 51 72 室温为32 5 34 5 温室内 一系列鱼菜共生系统整齐排列成3 行 每 个系统主体包含1 个鱼箱和2 根栽培槽 图1 鱼箱采 用容积为500L的PVC材质周转箱 上口径为1 m 1 m 下口径为0 85 m 0 85 m 高为0 7 m 栽培槽为营养液膜 nutrient film technique NFT 栽培槽 每根栽培槽尺寸 为6 50 m 0 07 m 0 05 m 长 宽 高 有35 个定植孔 第4 期 蔡淑芳等 种植密度对鱼菜共生系统氮素转化的影响 133 2 根栽培槽间距18 cm 栽培面积为1 m 2 鱼箱置于地面 上 配有遮阴网 以防鱼跃出 并起到遮光作用 控制 藻类生长 栽培槽置于距地面80 cm 的NFT 支架上 除鱼箱和栽培槽外 每个鱼菜共生系统包含抽水泵 增氧机 过滤器及水气输送管等构件 鱼菜共生系统采用 连续流运行 抽水泵将养殖水体提升并经过滤器过滤后输 送至栽培槽内 水体滴滤进入蔬菜根部 流经整根栽培槽 后于出水口流出 在重力作用下回流至鱼箱 增氧机用于 补充系统的溶解氧 在水体循环过程中 蔬菜根部充当生 物滤池 为微生物附着生长提供环境 对有机废水进行资 源化处理与利用 试验期间 除用自来水补充因蒸发 植 物蒸腾而损失的水量 系统与四周环境无水体交换 整套 系统试验水流量为0 043 2 m 3 h 循环率为20 次 d 栽培 区水流速约为3 45 m min 停留时间为20 min 1 电源装置 2 增氧机 3 导气管 4 栽培支架 5 曝气头 6 遮阳网 7 栽 培槽 8 进水管 9 抽水泵 10 鱼箱 11 浮球液位开关 12 控制器 13 过 滤器 14 输液管 15 集液槽 16 回液管 17 电线 1 Power supply device 2 Aerator 3 Gas tube 4 Cultivation bracket 5 Aeration head 6 Shade mesh 7 Cultivation bed 8 Water inlet tube 9 Water pump 10 Fish tank 11 Float level switch 12 Controller 13 Filter 14 Liquid transport tube 15 Collecting basin 16 Liquid return tube 17 Wire 图1 鱼菜共 生试验装置 示 意 图 Fig 1 Diagram of aquaponics experimental device 1 2 试验设计 试验开始于2017 年7 月14 日 结束于8 月15 日 试验期为33 d 试验设3 个处理 每个处理3 个重复 每个处理组蔬菜栽培面积为1 0 m 2 A B C 组栽培 密度分别为60 45 和30 株 m 2 养殖水量为350 L 养 殖密度为10 kg m 3 选用水雍菜 Ipomoea aquatica 为水培植物 其根 系发达 适于NFT 栽培 且对水中氮等营养盐吸收去除 能力强 8 植株幼苗取自中以示范农场 试验开始前 所 有植株均已在NFT 槽上定植10 d 选取植株健康 生长 状况基本一致的幼苗均匀移植至栽培槽内 选用鲫鱼 Carassius auratus gibelio 为养殖鱼类 鲫鱼是优良的饲养品种 具有很强的适应能力 生长速 度快且容易获取 27 用于试验的鲫鱼初始质量为 175 230 g 每个鱼箱的鲫鱼总质量约为3 5 kg 每日投饵2 次 日投喂量为鱼总质量的2 28 养殖饵料选用市售蛋 白质含量30 含水率10 的漂浮型饵料 1 3 试验方法 试验期间 对系统水质进行持续监测 使用HANNA 的溶氧仪和一体化测试仪 每日现场测量鱼箱基础水质 水温 溶解氧DO pH值 EC 每4 d 对含氮化合物 氨氮 NH 4 N 亚硝酸盐氮 NO 2 N 和硝酸盐氮 NO 3 N 进行取样测定 取样点为鱼箱 取样时间为 上午9 00 采集的水样于24 h 内完成测试 水质分析主要 参考国家标准方法 氨氮 纳式试剂分光光度法 29 亚硝 酸盐氮 分光光度法 30 硝酸盐氮 紫外分光光度法 31 试验期间 每日记录饵料投放量和水体补充量 并 根据水雍菜的生长状况 进行3 次收割 第9 21 33 天 每次收割时剪去水雍菜上部茎叶部分 保留根部 继续生长 试验起止时 取样测量水雍菜株高 鲜质量和鲫鱼 体长 鲜质量 测定试验起止和收割期的鱼菜生物体总 氮含量 测定方法为凯氏定氮法 1 4 试验分析 相对增长率计算方法如下 Y 100 X 2j X 1j X 1j 式中 Y 为相对增长率 X 1j X 2j 为试验开始和结束时的第 j 种类型鱼菜生物学特性指标 鲜质量 g 总鲜质量 kg 体长 cm 株高 cm 含氮量 氮积 累总量 g 采用SPSS16 0数据处理软件进行方差分析 用Excel 作图 2 结果与讨论 2 1 基础水质情况 试验初始按照设计的系统水量加入自来水 系统循 环运行33 d 期间不进行换水 试验期内各项基础水质 指标的情况如表1 所示 试验期间系统的水温稳定 平 均水温为30 53 水质基本中性 平均pH值为6 49 经曝气增氧 平均 DO 为 3 50 mg L 平均 EC 值为 0 43 mS cm 表1 基础水质情况 Table 1 Basic water quality 试验初始 Initial of experiment 试验结束 End of experiment 试验期间 Duration of experiment 指标 Index 平均值 The average 平均值 The average 最大值 Maximum 最小值 Minimum 平均值 Average 水温 30 59 0 20 30 31 0 15 31 40 29 37 30 53 0 30 pH值 7 24 0 20 6 53 0 04 6 22 7 42 6 49 0 17 DO mg L 1 3 11 1 07 3 11 0 19 2 33 5 00 3 50 0 64 EC mS cm 1 0 20 0 01 0 49 0 05 0 19 0 66 0 43 0 10 有研究表明 鲫鱼在 0 40 都可生存 最佳生长 水温为25 30 DO 为0 7 7 mg L pH值为6 9 27 水雍菜生长适温为25 30 能耐35 40 的高温 最适pH值为5 6 7 0 32 因营养物质产生的可持续性 在 鱼菜共生系统中 EC保持在0 3 0 6 mS cm 比较理想 3 由此可知 在试验水质条件下 鲫鱼和水雍菜均能正常 生长 2 2 鱼菜的生物学特性 试验期间 鱼菜 总 鲜质量 体长 株高等均有 正向的相对增长 表2 A B C 组每条鲫鱼鲜质量 农业工程学报 http www tcsae org 2019 年 134 增加91 67 83 33 93 33 g 总鲜质量增加1 69 1 50 1 65 kg 体长增加3 13 3 17 4 27 cm 期间投加饵料 总计2 31 kg 期间共收割3 次水雍菜 合计A B C 组 每株水雍菜鲜质量增加128 137 135 g 总鲜质量增加 7 71 6 15 4 04 kg 株高增加104 66 103 88 105 01 cm 经单因素方差分析 植物密度对鱼菜 总 鲜质量 体 长 株高相对增长率的影响不显著 P 0 050 植物密 度对菜总鲜质量增量影响显著 P 0 01 表2 鱼菜生物学特性 Table 2 Biological characteristics of fish and vegetable 试验初始 Initial of experiment 试验结束 End of experiment 相对增长率 Relative growth rate 指标 Index A B C A B C A B C 鱼鲜质量 g 191 67 8 5 196 67 15 46 198 33 6 24 283 33 8 50 280 00 18 71 291 67 24 61 48 33 11 28a 42 59 4 87a 47 44 15 88a 体长 cm 23 50 0 96 23 63 1 65 24 10 0 59 26 63 0 61 26 80 1 40 28 37 3 17 13 63 7 35a 13 64 4 93a 18 03 15 76a 鱼总鲜质量 kg 3 50 0 08 3 52 0 04 3 50 0 08 5 20 0 51 5 02 0 12 5 17 0 69 48 33 11 28a 42 59 4 87a 47 44 15 88a 菜鲜质量 g 11 89 0 96 13 16 1 71 12 40 1 08 140 34 15 05 149 72 15 67 147 15 19 98 1 089 14 169 24a 1 049 41 147 09a 1 101 63 236 62a 株高 cm 34 7 2 44 36 99 4 03 37 08 4 42 139 36 11 01 140 87 7 21 142 09 10 78 303 18 37 99a 285 35 46 51a 288 24 56 60a 菜总鲜质量 kg 0 71 0 03 0 59 0 02 0 37 0 01 8 42 0 41 6 74 0 34 4 41 0 25 988 77 192 83a 937 22 101 73a 991 57 107 68a 菜总鲜质量增量 kg 7 71 0 91a 6 15 0 66b 4 04 0 62c 鱼含氮量 8 26 0 02 8 30 0 21 8 35 0 20 8 07 0 09 7 81 0 18 8 05 0 04 2 25 1 06a 5 79 4 57a 3 58 2 67a 鱼氮积累总量 g 72 35 1 63 73 06 2 50 73 06 3 18 105 18 11 52 98 01 4 42 104 06 14 03 45 10 12 65a 34 51 10 50a 41 97 14 07a 菜含氮量 3 70 0 08 3 38 0 32 4 01 0 17 3 40 0 22 3 56 0 14 3 50 0 12 8 19 4 70a 6 07 7 99a 12 53 6 94a 菜氮积累总量 g 3 97 0 39 3 01 0 30 2 24 0 21 39 41 1 15 31 64 4 25 20 46 1 36 9 05 1 24a 9 69 2 21a 8 21 1 07a 菜氮积累总量增量 g 35 44 1 47a 28 64 4 37b 18 22 1 38c 注 不同小写字母表示处理间差异显著 P 0 05 A B C处理分别指蔬菜的种植密度为60 45和30 株 m 2 下同 Note Different lowercase letters in the table indicate significant differences between treatments P0 050 试验结果表明 不同植物密度的菜总鲜质量增量 菜氮积累总量增量有显著差异 植物密度与二者之间呈 正相关 这说明 在栽培面积相同的情况下 更大的栽 培密度将收获更多的水雍菜产出和氮积累 这可以由植 株数量优势加以解释 在养殖密度不变的前提下 通过 增加植物栽培面积来积累更多蔬菜和氮产出或许是可 取的 相比于普通水产养殖和NFT 栽培 鱼菜共生系统可 以产出鱼菜2种经济作物 氮素利用率提高 18 试验结果 表明 约49 32 68 41 投入饲料的氮素积累在鱼菜生物 体内 虽然鱼菜氮积累总量均有正向增长 但鱼菜含氮量 主要为负增长 与普通水产养殖和NFT栽培相比 33 34 鱼 菜含氮量不具优势 含氮量是评价生物体养分吸收的重 要指标之一 35 含氮量负增长说明系统中鱼菜对氮素吸 收处于相对劣势 这反映了系统的氮素转化效率还有进 一步提升的可能 有研究表明 不同于基质栽培 NFT 栽培由于没有用于附着微生物的砾石等基质 23 基于 NFT 栽培的鱼菜共生系统需要配备独立的用于硝化反应 的生物滤池 36 否则将降低氮素转化效应 本试验仅将 植物根部充当生物滤池使用 在后期的试验中 可通过 改进NFT 栽培模式 如配置独立的生物滤池或者应用基 质栽培方法等予以调整 2 3 氮化合物质量浓度规律 在33d 试验中 3 种氮化合物质量浓度随时间的变化 情况如图2 所示 图2 氮化合物质量浓度曲线 Fig 2 Curve of nitrogen compound mass concentration 第4 期 蔡淑芳等 种植密度对鱼菜共生系统氮素转化的影响 135 由图2 可知 氨氮质量浓度波动较大 在系统运行 初期 氨氮质量浓度迅速升高 第 5 天达到峰值 2 17 mg L 而后经小幅下降后 于第9 天开始又稳步上 升 第21 天达到峰值3 50 mg L 系统运行后期经短暂下 降后保持小幅增长 并趋向稳定 亚硝酸盐氮质量浓度 总体呈下降趋势 在系统运行初期 亚硝酸盐氮质量浓 度呈增长态势 第5 天达到峰值1 39 mg L 而后急剧下 降 第21 天达到低值0 20 mg L 系统运行后期经小幅降 低后保持低值发展 硝酸盐氮质量浓度上升趋势明显 在系统运行初期 硝酸盐氮质量浓度先缓慢后急剧增加 第13 天达到峰值4 85mg L 而后经短暂调整后于第21 天开始保持持续增长 并趋向平稳 方差分析显示 3 种氮化合物质量浓度随时间变化显 著 P0 050 有研究表明 在养殖水体资源化利用过程中 尽管 有植物的吸收作用 但微生物的硝化反硝化仍然是主要 的作用机制 37 生物滤器在处理有机污水时 本身具有 一定的波动性 38 在本试验中 分析如下 系统建立初 期的1 5 天 鱼类消耗含氮饲料 排放氨氮 亚硝化细 菌开始发挥作用 能够氧化以获得能源固定无机碳 但 同时存在着硝化细菌不足 不能及时将亚硝酸盐氮转化 为硝酸盐氮的情况 因而表现为水体中氨氮质量浓度迅 速升高 亚硝酸盐氮质量浓度上升较快 而硝酸盐氮质 量浓度增加相对滞后 系统运行第5 9 天 充当生物滤 池的水雍菜根部中硝化细菌已经适应环境 能够迅速将 氨氮转化为亚硝酸盐氮 并转化为硝酸盐氮 即表现为 氨氮和亚硝酸盐氮质量浓度快速下降 以及硝酸盐氮质 量浓度的稳步上升 系统运行第9 21 天 硝化细菌仍 然发挥着硝化作用 持续将氨氮转化为可供蔬菜吸收的 硝酸盐氮 表现为亚硝酸盐氮质量浓度的下降和硝酸盐 氮质量浓度的上升 21 天后 系统运行基本稳定 硝化 作用持续进行 系统内无亚硝酸盐氮质量浓度的积累 氨氮和硝酸盐氮质量浓度增加缓慢 系统运行期间 同 时存在反硝化作用 硝酸盐氮 亚硝酸盐氮被转化为N 2 O N 2 等气体 这有助于去除水体中氮素 减少对鱼类的影响 但造成了系统的氮遗失 不利于提高氮素利用效率 36 养殖水体中氨氮 亚硝酸氮的积累会影响鱼的生理 状况 严重时致使鱼类死亡 15 而硝酸盐氮质量浓度即 使高达150 300 mg L 也对鱼类无害 37 且硝酸盐氮是 鱼菜共生系统最重要的营养物质 其积累可促进植物的 生长 18 因此 保障鱼菜共生系统运行的关键是控制水 体中氨氮 亚硝酸氮质量浓度 著名的运转良好的美国 维尔京群岛大学 university of the virgin islands UVI 鱼菜共生系统 氨氮 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮质量浓度 分别为1 6 2 9 0 4 1 1和54 7 mg L 3 在本试验的运 行后期 系统氨氮 亚硝酸盐氮 硝酸盐氮质量浓度为 2 50 0 20 和5 00 mg L 左右 在鱼类可接受范围内 不 影响鱼类正常生长 试验期间不同处理组的硝酸盐氮质 量浓度差异明显 且B 组硝酸盐氮质量浓度平均值最高 分析原因 可能是B 组水雍菜栽培密度适中 植株数量 较合适 通风透光性能较好 微生物生长环境较适宜 植株光照利用更充分 更有利于氨氮向硝酸盐氮的转化 在鱼菜共生系统中 植物有优先吸收硝酸盐氮的趋 势 因为鱼菜共生系统的硝酸盐氮质量浓度高于氨氮质 量浓度 37 本试验结果证明了这种趋势的存在 但水雍 菜对硝酸盐氮与氨氮的具体吸收差异还有待进一步研 究 在系统运行后期 氨氮质量浓度处于2 5 mg L 左右 高于宋红桥等的研究结果 39 这可能是因为本研究采取 了10 kg m 3 的高密度水产养殖方式 由此造成饵料投喂 量 水体含氮有机物和氨氮排放量的增加 在养殖密度 固定的前提下 或许可以通过增加植物栽培面积来调节 氨氮排放 本研究的氨氮 亚硝酸盐 硝酸盐氮浓度最 高值低于邹艺娜等的研究结果 18 其中 在邹艺娜等的 研究中 系统运行后期 硝酸盐氮浓度达30 mg L 以上 这可能是因为其采取的是基质栽培 本研究采取的是 NFT 栽培 栽培区水停留时间较短导致本研究的氮素转 化效果欠佳 3 结 论 1 试验期间 系统水质适合鱼菜正常生长 鲫鱼和 水雍菜主要生物学特性指标有不同程度的增长 2 大部分投入氮素经转化后在鱼菜生物体内积累 与普通水产养殖和营养液膜 NFT 栽培相比 试验后期 鱼菜共生系统的鱼菜含氮量不具优势 氮素转化效率还 有待提高 3 氮化合物质量浓度随时间变化显著 种植密度为 45 株 m 2 的系统 有利于硝酸盐氮积累 试验后期氮化合 物质量浓度基本稳定 可通过扩大栽培面积 配备生物 滤池 调整栽培模式等方法加强氮素转化 参 考 文 献 1 Rakocy J E Hargreaves J A Integration of vegetable hydroponics with fish culture A review M Wang J K Techniques for Modern Aquaculture St Joseph Michigan USA American Society of Agricultural Engineers 1993 112 136 2 Licamele J Biomass Production and Nutrient Dynamics in An Aquaponics System D 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Fitzgerald C M Camejo P Oshlag J Z et al Ammonia oxidizing microbial communities in reactors with efficient nitrification at low dissolved oxygen J Water Research 2015 70 1 38 51 20 Zou Yina Hu Zhen Zhang Jian et al Attempts to improve nitrogen utilization efficiency of aquaponics through nitrifies addition and filler gradation J Environmental Science and Pollution Research 2016 23 7 6671 6679 21 Zou Yina Hu Zhen Zhang Jian et al Mitigation of N 2 O emission from aquaponics by optimizing the nitrogen transation process Aeration management and exogenous carbon PLA addition J Journal of Agricultural and Food Chemistry 2017 65 40 8806 8812 22 Zou Yina Hu Zhen Zhang Jian et al Effect of seasonal variation on nitrogen transations in aquaponics of northern China J Ecological Engineering 2016 94 30 36 23 Zou Yina Hu Zhen Zhang Jian et al Effects of pH on nitrogen transations in media based aquaponics J Bioresource Technology 2016 210 81 87 24 Fang Yingke Chen Xinhan Hu Zhen et al Effects of 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