闫玉杰，王川奇，高菁菁，李亚灵，温祥珍（山西农业大学，山西晋中 030801）

“鱼菜共生”系统是将鱼类养殖和蔬菜栽培相结合，利用二者各自的生物特性共同实现循环发展的一种绿色生态种养模式[1-2]，可得到鱼和蔬菜两种经济产物，提高经济效益[3]。目前中国的水产养殖业通常采用高密度养殖，需要投入大量的鱼饲料，但只有少部分被养殖动物所摄食，大部分残留在水体环境中，长此以往，会导致水体污染，引发严重的环境问题[4]。大量研究表明将蔬菜栽培与鱼类养殖相结合，可实现蔬菜对养殖水体的净化及再利用。

一般来说，叶菜类植物和果菜类植物都可以栽培于鱼菜共生系统，不同的植物其生长特性和氮吸收能力不同，对营养的需求也不同[5]，因此在鱼菜共生系统中的生长及对水体的净化效果也存在差异。在鱼菜共生系统栽培基质研究方面，不同材料因其物理性质不同，如多孔结构的基质可以起到过滤作用，而且能为硝化细菌等提供好氧环境[6]，从而在促进水中物质的转化、净化水质及植物生长方面的效果也不一样。因此，本试验从这两方面研究蔬菜对鱼菜共生系统水质的净化效果，以期为建立高效的鱼菜共生系统水质净化技术提供依据。

材料与方法

供试温室及养鱼池

试验温室在山西省晋中市太谷区山西农业大学设施农业工程研究所，温室结构如图1a 所示。该温室坐北朝南，长72 m，宽10.5 m，全钢架结构，无后墙，钢拱架结构同日光温室，架设在周边0.75 m 高的池（贮液池）面上，贮液池由0.10 m 厚的隔热彩钢板、丁字钢、底座等构成。

图1 供试温室及养鱼池

试验中鱼类养殖在温室的贮液池内，如图1b所示，鱼池区域长60 m、宽10.5 m，注水前先将土地平整压实，铺设一层棉垫（黑心棉），再铺设黑色防渗膜。注水后液面平均高度0.4 m，通过注入自来水补充每日的蒸发量。养殖池内大约有鱼3000 尾（主要有草鱼、鲤鱼等，每条鱼重10～60 g），采用人工喂食法喂食鱼饲料，每天9:00、17:30各投喂1 次，日投喂量为鱼总质量的2%。

栽培系统

试验中蔬菜的栽培系统如图2 所示，将塑料栽培槽（长6 m，上口宽0.2 m，下底宽0.12 m，高0.16 m）置于距地面1.2 m 的支架上，呈一定角度倾斜放置，栽培槽的尾部直接架设在养殖池的池面上。通过放置在养殖池中的水泵（功率220 W，水流量7500 L/h）将养殖水抽入栽培槽中，经植物吸收利用后再返回养殖池，形成循环式鱼菜共生栽培模式。在距离栽培槽底部5 cm 处放置泡沫板，其上打孔用于定植植株。泡沫板下部或是放置栽培基质，或是水直接流过。试验期间整个系统水流为每1 h 循环40 min，栽培区水流量约为0.0937 m3/h。蔬菜栽培采用的是营养液膜方式，由养殖池、栽培槽、水泵、供液管道等组成，其结构示意图见图3。

图2 循环栽培系统

图3 养殖池及栽培循环系统结构示意图

试验设计

试验一：筛选对水质净化效果较好的蔬菜种类。试验设置4 个处理，种植的蔬菜分别为黄瓜、番茄、蕹菜、芹菜，定植前各种蔬菜采用穴盘育苗，育苗基质为中国农业科学研究院蔬菜花卉研究所研制。待幼苗长到适合的大小，黄瓜四叶一心，番茄四叶一心，蕹菜和芹菜平均株高20 cm 时，各选取生长势一致的植株定植于栽培槽中，种植间距为25 cm，每个栽培槽种植23 株，每一种蔬菜作为一个处理种植到一个栽培槽内，每个处理重复三次，共12 个栽培槽。试验共进行了30 天，期间环境温湿度使用“小喇叭温湿度测定仪”（购自海芯华夏）测定，每隔5 min 自动记录1 次。试验期间温室内气温为25～42.1℃，空气湿度为60%～90%。

试验二：在栽培槽中放置不同的栽培基质，比较基质的水质净化效果。共设置4 个处理，其中一个处理为铺设无纺布，另外三个处理分别是在栽培槽中放置陶砾、沙子、花泥，厚度平均为4 cm。采用穴盘育苗，育苗基质为中国农业科学研究院蔬菜花卉研究所研制，蔬菜种类采用的是试验一筛选出的蕹菜。选取生长势一致的蕹菜定植于栽培槽中，株距25 cm，每个栽培槽种植23株，每个处理重复3 次，共12 个栽培槽。试验共进行30 天，期间温室内气温为15～33 ℃，空气湿度为60%～90%。

测定项目及测定方法

植株干鲜重的测定是在取样后，用自来水清洗根部，擦拭水分，分别称量地上部与地下部鲜重。在烘箱中，130℃杀青半小时、80℃烘干至恒重称重。

植株矿质元素含量测定是在试验结束后，将烘干后的植物样品研磨，过筛后采用H2SO4～H2O2消煮[7]。全氮含量采用奈氏比色法，全磷含量采用钼锑抗比色法，全钾含量用火焰光度计法，全镁、全钙含量用原子吸收分光光度计法等分别测定。

在试验一蔬菜种类试验中，于定植后5 天、15 天、25 天测定水体的氨氮、硝态氮、总磷含量。具体做法是将养殖水抽提并固定在栽培槽中，水的深度平均为3 cm，24 h 后栽培槽排水进行正常循环。在进水时取水样，24 h 后排水时在出水口取水样，测定前后水体各项水质指标含量。在试验二栽培基质试验中，于定植25 天时，在进水口取样，然后将养殖水固定在栽培槽中共72 h，每隔24 h 在栽培槽的前、中、后三个位置取等量水样混合后测定一次水体各指标含量。采集的水样于24 h 内进行测定。氨氮采用纳式试剂分光光度法，硝酸盐氮采用酚二磺酸光度法，总磷用钼酸铵比色法测定[8]。水体各指标去除率的计算如下：

去除率(%)=(进水口值－出水口值)/ 进水口值×100%

结果与分析

不同蔬菜种类对水质的净化效果

图4 为试验期内每隔10 天将养殖水固定在栽培槽中24 h 后测得的水体氨氮去除率。由图可以看出，定植后5 天，四种蔬菜对水体的净化率都为负数，黄瓜对水体氨氮的去除率最小为-18.30%，其他三种蔬菜对水体的去除率大致在-4.89%～ -1.78%，说明水体氨氮含量没有降低。可能是蔬菜苗子较小，还未能对氨氮的去除起到明显作用。随着定植天数的增加，四种蔬菜对水体的氨氮去除率都有较大的增加，到25 天时氨氮去除率保持在60%～73%。

图4 试验期间水体氨氮去除率

图5 是将养殖水固定在栽培槽中24 h 后测得的水体硝态氮去除率。试验初期，蕹菜和番茄对水体硝态氮去除作用较明显，去除率分别为24.31%、30.67%。而黄瓜和芹菜对水体硝态氮含量未起到降低作用。随着试验进行到15 天，每种蔬菜对水体硝态氮的去除率均增加，番茄和黄瓜对水体硝态氮降低作用最明显，为64.24%、39.85%，说明它们生长需要吸收大量的氮元素。到试验后期，番茄和黄瓜对水体硝态氮的去除率有一定下降。蕹菜和芹菜对水体硝态氮去除率试验期内保持一个稳定的上升趋势。

图5 试验期间水体硝态氮去除率

图6 为养殖水固定在栽培槽中24 h 后测得的水体总磷去除率。定植5 天时，除黄瓜外，其余三种蔬菜对水体总磷的去除率都较明显，为27%～52%。定植15 天时，黄瓜对水体总磷去除率增加到30.66%，蕹菜对水体总磷去除率值保持稳定不变。但试验后期，四种蔬菜的水体总磷去除率都有明显的增加，在40%～56%。

图6 试验期间水体总磷去除率

不同蔬菜矿质元素吸收量

表1 为生长期内不同蔬菜养分吸收量，由收获时蔬菜矿质元素含量与定植时矿质元素含量差值得出。由表可以看出，在整个试验期内，蕹菜吸收的全氮、全钾含量较其他三个处理都有显著性差异，分别为29.13 mg/株、78.94 mg/株。黄瓜、蕹菜、芹菜植株的全磷吸收量无显著差异，平均为1.46 mg/ 株。芹菜的全钙、全镁含量都少于其他三种蔬菜，分别是5.66 mg/ 株、5.54 mg/ 株，黄瓜、番茄、蕹菜的全钙、全镁含量无显著差异。

表1 不同蔬菜矿质元素吸收量/（mg/株）

不同栽培基质对水质的净化效果

图7 是在定植25 天后，将养殖水抽提后固定在栽培槽中24 h、48 h、72 h，植物和栽培基质对水体氨氮去除率的影响。以无纺布为栽培基质时，24 h 后氨氮去除率为56.18%，较其他三个处理低，但随着养殖水固定时间的增加，氨氮去除率逐渐增加，72 h 后达到87.13%，可能是无纺布材料具有吸附性，一部分分解物附着在上面。养殖水固定24 h 时，以陶砾、沙子和花泥为栽培基质时，氨氮去除率较大，分别为80.13%、84.25%、83.06%。48 h 后，陶砾处理氨氮去除率较24 h 时变化不大，但到72 h 后出现明显的下降，降至63.01%。以沙子为栽培基质时，氨氮去除率随养殖水固定时间的增加并未出现显著的变化，大致保持在85%。花泥作为栽培基质时，48 h 后对氨氮去除率为70.91%，并基本保持不变。

图7 栽培槽内不同持水时间氨氮去除率

图8 是将养殖水固定在栽培槽中24 h、48 h、72 h 后取样测定的水体硝态氮去除率的结果。养殖水在栽培槽中固定24 h 后，各处理出水口硝态氮含量较进水口都有所降低，去除率之间相差不大，在84%～ 90%。养殖水固定48 h 后，除陶砾硝态氮去除率为81.49%，其余处理的去除率为88%～ 93%。随着时间的延长，到72 h 时，各处理水体硝态氮去除率为80%～ 86%，虽有不同程度的下降，但是对水体硝态氮的去除效果还是很明显。

图8 栽培槽内不同持水时间硝态氮去除率

图9 是将养殖水固定在栽培槽后，对水体总磷去除率的结果。养殖水固定24 h 后，以陶砾、沙子、无纺布为栽培基质时，出水口总磷含量较进水口平均降低14%。到48 h 后，沙子处理对总磷的去除率变化不大，72 h 后增加到34.93%。以无纺布为栽培基质，虽然48 h 时总磷去除率有一定降低，但是72 h 后达到17.62%。陶砾作为栽培基质，总磷含量随着时间的延长比进水时数值增加，去除率出现了负值。由图得知花泥作为栽培基质时，水体总磷含量相比于进水时反而增加了，可能是花泥本身释放及部分腐败的叶和根系在水体中释放出一些物质，导致总磷含量增加。

图9 栽培槽内不同持水时间总磷去除率

不同栽培基质蕹菜生物量

表2 为在栽培槽中放置不同栽培基质时，定植25 天后蕹菜的生物量。由表可知，放置陶砾和沙子作为栽培基质后利于蕹菜的生长，可以提高蕹菜鲜重，其总鲜重分别为14.90 g/ 株、14.91 g/ 株，无显著差异。分析比较蕹菜的地上部和地下部鲜重，可以看出，以陶砾和沙子作为栽培基质时，其地下部鲜重分别达到8.28 g/ 株、9.63 g/ 株，与其地上部鲜重相差不大，说明地下部根系很发达。栽培基质为花泥和无纺布时，蕹菜总鲜重和总干重都显著低于陶砾和沙子两个处理，地上部与地下部整体都很小，说明蕹菜的生长状况不是很理想。

表2 不同栽培基质蕹菜生物量/（g/株）

不同栽培基质蕹菜矿质元素吸收量

表3 为定植25 天后蕹菜矿质元素吸收量，由收获时蕹菜矿质元素含量与定植时蕹菜矿质元素含量差值得出。由表中可看出，在整个试验期间，以陶砾和沙子为栽培基质时，蕹菜对矿质元素的吸收量显著高于花泥和无纺布两个处理。以沙子为栽培基质，蕹菜单株全磷、全钙、全镁含量显著高于陶砾处理，分别为11.20 mg/ 株、17.81 mg/株、9.03 mg/株。以陶砾为栽培基质时，全氮含量最高，为31.77 mg/ 株。花泥和无纺布两个处理相比较，以无纺布为栽培基质时，蕹菜养分吸收量整体高于花泥处理。

表3 蕹菜矿质元素吸收量/（mg/株）

讨论

不同的蔬菜具有不同的生长特性和氮、磷吸收能力，对养分的需求量也存在差异，这就使得其水质净化能力存在较大的差异。徐丽[9]等通过对不同植物比较，发现生物量增长的多、根系发达、叶片面积大、收割茬数多的植物对水质中氮磷去除效果好。同时，植物的根系与地上部分的生长发育关系密切，也是吸收养分的主要器官，选择根系比较发达且较长的植物，能够大大提高植物系统净化水质的能力[10]。蕹菜有很强的耐高温和耐污能力，耐受范围较广，水培根系发达，生长快[11]，净水效率高，相比较黄瓜和番茄来说，在本试验条件下，能更好适应环境，更健壮的生长，对水体氮磷的去除效果也更好。黄瓜和番茄都选用四叶一心时期的幼苗展开试验，相比较蕹菜和芹菜来说，由于所需养分供给不足，导致后期生长速度缓慢，叶片也出现不同程度的黄化现象，植株矿质含量较定植初期也有减少现象，对水体的净化效果不太显著。

栽培基质可作为一种材料填充在植物栽培槽中，既起到固定植株的作用，又可发挥其机械过滤和生物过滤的双重作用，简化了生产过程，便于推广应用[12-13]。不同的基质形态及化学性质不同，对硝化细菌的附着和繁殖会产生影响，从而影响净化效果[14]。当栽培基质为陶砾和沙子时，蕹菜根系生长更发达，地下部生物量甚至大于地上部的生物量，说明其生长发育良好，同时对水体氮磷去除率也更高。以花泥作为栽培基质，对水质净化效果较差，这可能与所用花泥的形状和大小有关，导致与养殖水的接触面积相应减少，蕹菜根系较小且未扎根到花泥中，导致植株生长状况不佳，影响对水中物质的转化。

系统中蔬菜生物量增长多、吸收的矿质元素含量多，能够大大提高植物对系统水质净化的能力。植物生物量和养分吸收量在一定程度上可以说明该植物在鱼菜共生系统中的生长状况。将这些生长情况与各自对水体氨氮、硝态氮、总磷去除率联系，发现存在相关性。金树权等[15]的试验结果证明水质氮、磷去除率与水生植物净增生物量相关性较高，同时植株氮磷吸收量可作为水生植物筛选的一个重要指标。李斌等[16]的研究也得出相似结果，植物对水体和底泥中污染物的富集量和净化效率与生物量的大小有直接关系。本试验研究结果与他们的结论基本一致。

结论与展望

鱼菜共生系统可以实现对养殖水资源的净化再利用，是一种值得推广的农业生产模式。在本试验构建的循环式鱼菜共生系统栽培模式下，以陶砾为栽培基质种植蕹菜，植株生长状况良好，对水体氮磷的净化效果最好。试验过程中也发现后期蔬菜生长缓慢，叶片有发黄现象，在下一步的试验计划中可以考虑外部喷施适量营养液，促进蔬菜的生长，进一步提高水质净化能力。