申旭红,李晗溪,李 雪,刘 峰

(中国农业大学烟台研究院海洋学院,山东烟台264670)

饲料中铁元素含量对鱼菜共生系统水质及鱼菜生长的影响

申旭红,李晗溪,李 雪,刘 峰

(中国农业大学烟台研究院海洋学院,山东烟台264670)

通过控制饲料中铁元素含量,研究其对鱼(金鲫)、菜(红皱生菜和红油阿拉斯)生长和系统水质的影响。实验设置1个对照组和5个处理组,饲料铁含量分别为0、0、10、20、40和80 mg/kg。结果显示:该系统对水体质量有净化作用;不同铁含量对金鲫存活率影响不显著(P>0.05),对增重率影响显著(P<0.05);当饲料中铁含量为20 mg/kg时,金鲫鱼存活率和鱼体增重率均达到最大值;饲料中铁含量为80mg/kg时,金鲫的存活率和增重率均出现下降趋势;饲料中不同铁含量对两种蔬菜的存活率和增重率均没有产生显著影响(P>0.05),但在增重率方面有一定的差异。研究表明:饲料中添加铁元素能够促进金鲫和蔬菜的生长,当铁元素含量为20 mg/kg时,该鱼菜共生系统具有最佳的生产力。

鱼菜共生;铁元素;水质;金鲫;生长

鱼菜共生系统是一种将渔业和种植业相结合的综合养殖生态工程[1]。通过在养殖水体中种植蔬菜,在一定程度上达到净化水体并补充溶氧,从而促进鱼类更好生长。据报道,养殖水体中的植物可以去除水中80%～90%的悬浮物质和70%～80%的有机物质,减少90%～95%的生物耗氧量,并且能使水体pH保持在合理范围[2]。目前,鱼菜共生养殖系统在欧美国家已经被作为商业模式大力推广[3-5]。

铁元素在植物生长过程中具有参与叶绿素合成、氧化还原反应、电子传递、光合磷酸化过程并组成固氮酶的活性中心等作用[6]。植物缺铁会导致叶绿素合成减少、光合速率下降,甚至导致叶绿素合成停止、新叶黄化等现象,降低产量[7-8]。无土栽培过程中往往通过直接向水体中补充无机态的铁源来弥补铁元素缺乏的问题,但该方式容易导致种植的作物出现缺铁失绿现象,会降低产量和品质[9]。而采用向水体中补充螯合态铁源,会大大改善缺铁现象,但会增加种植成本[10]。在鱼菜共生系统中,养殖的鱼类同样也面临铁元素缺乏的问题。铁在动物体内氧气运输和细胞呼吸过程中承担着重要使命,对于维持鱼类组织器官的正常功能起着非常重要的作用。对虹鳟、斑点叉尾鮰、大西洋鲑、奥尼罗非鱼等的研究结果表明,铁元素缺乏会明显减少鱼体血细胞数量、比容,降低血清中过氧化氢酶活性,出现贫血等症状,同时会降低鱼类增重率和饲料效率等生长指标[11-14]。

通常情况下,由饲料补充鱼类所需铁元素是比较经济、高效的手段[15]。对于鱼菜共生系统,通过向饲料中添加铁元素,一方面能够避免鱼类因铁元素缺乏而出现各种生长抑制症状,另一方面经过鱼类代谢排出的铁元素又可以输送给植物,充分实现鱼菜共生系统的高效有序运转。本研究建立了实验室规模的鱼菜共生系统,以金鲫、红皱生菜和红油阿拉斯为养、种对象,通过向自制饲料中添加不同含量的铁源制成5种饲料,测定金鲫和两种蔬菜的增重率、存活率等指标,并判断其生长情况,同时测定水体中的铁元素、氨氮、亚硝酸盐、硝酸盐、溶氧等指标的浓度变化,从而确定该系统最佳状态时饲料中铁的最适添加量。

1 材料与方法

1.1 材料

所用金鲫为当年孵化的同一批鱼苗,实验鱼体重体长大致相当,生长状况良好,共180尾,鱼体平均初重为(7.15±0.85)g;所用2种蔬菜分别为红皱生菜和红油阿拉斯(莴苣属蔬菜),每种蔬菜各60株,初重分别为(22.52±1.60)g、(14.37±1.45)g;初高分别为(12.41±1.5)cm、(9.53±0.6)cm。所用饲料以鱼粉和发酵豆粕为蛋白源,鱼油和大豆卵磷脂为脂肪源,粗蛋白含量43.45%,脂肪含量15.47%,能够满足金鲫对蛋白质和脂肪的需求。

1.2 方法

试验前期进行饲料配置,以硫酸亚铁(FeSO4·7H2O,分析纯)为铁源,在基础饲料中分别添加0﹑10﹑20﹑40和80 mg/kg铁,制成5种颗粒饲料(表1)。饲料制作前,先将各种原料粉碎过筛(孔径60目)。根据配方表将每种原料称重,先将原料混匀,加入微量原料再混匀,矿物质和维生素采用逐级扩大法混匀。用双螺杆压条机将混合好的饲料挤压出直径2 mm的条形饲料,在烘箱中70℃烘干2 h,室外充分晾干,密封保存备用。

表1 饲料配方表Tab.1 Feed formula

正式试验前,植株在实验室内暂养1周,金鲫用基础饲料驯化2周。试验在自然光照、温度条件下进行。实验水箱为 20 L的白色泡沫箱(43 cm×30 cm×25 cm),水温(14±3)℃。采用静水养殖,除在取样时补充水体因蒸发和取样导致的亏缺外,其它时间不换水。共设5个处理组(A～E)和1个对照组(CK)。A至D组的铁含量依次为0、10、20、40、80 mg/kg,CK组为0 mg/kg,每组处理设3个重复,对照组与A组实验条件一致(投喂相同饲料),但不培植蔬菜(饲料配方见表1)。将金鲫分别以每组10尾的数量投入养殖水箱。蔬菜培植采用直接漂浮法(裸根法),每个泡沫箱上搁置网状塑料栽培盘(26.5 cm×20 cm× 7 cm)用以放置菜苗,菜苗根裹海绵根系裸浸盘中,每盘中分别培植4株红皱生菜和红油阿拉斯。图1为试验示意图。每天定时投饲1次,饱食投喂。整个实验持续6周。

1.3 管理与样品收集

图1 试验示意图Fig.1 Diagrammatic sketch of the experiment

数据每周测定1次,对所有的鱼和菜进行计数﹑称重,以计算存活率﹑增重率;测定水体中的溶氧、氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮等水质指标,水样为混匀后取自水箱中部的水体,经0.45 mm滤膜过滤后立即测定。实验开始后的第1、3、5周检测水体中的铁浓度。

1.4 指标测定方法

根据国家标准[16],氨氮由纳氏试剂分光光度法测定,亚硝酸盐由盐酸萘乙二胺分光光度法测定,溶氧由碘量法测定,硝酸盐使用紫外分光光度法测定。水体中铁浓度测定在经过0.45 mm滤膜过滤后用电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)进行分析。

1.5 数据处理和分析方法

试验数据的统计分析采用Matlab软件进行Kruskal-Wallis检验。

2 结果

2.1 水质指标变化规律

2.1.1 溶氧的变化

整个养殖周期里,溶氧量在3.09～9.10mg/L范围内(图2)。可以看出,对照组溶氧变化幅度较小,处理组的5次检测结果均有较大差异,并且在第2周呈现显著增加的趋势,并一直保持到第4周,之后开始下降。

图2 溶氧的变化Fig.2 Changes of the dissolved oxygen concentration

2.1.2 氮的质量浓度变化

整个养殖周期里,氨氮质量浓度为0.07～ 1.54 mg/L,亚硝酸盐氮质量浓度为0.01～0.05 mg/L,硝酸盐氮质量浓度为5.67～90 mg/L。不同处理组氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮的平均质量浓度变化见图3。可以看出,水体中的氮主要以硝酸盐氮的形式存在,氨氮和亚硝酸盐氮的质量浓度较低。

2.2 金鲫的存活率和增重率

不同处理组的金鲫存活率为70%～100%,增重率为1.77%～9.05%(图4)。从图中可以看出,C组和D组的存活率最高,达到96.67%,而E组的存活率最低,仅为70%;C组的增重率在6组中最高,达到78.70%,E组的增重率最低,为35.58%。在没有添加铁元素的A组和对照组,金鲫的存活率和增重率均处于偏低水平。统计分析发现,饲料中不同的铁含量对金鲫存活率影响不显著(P>0. 05),对增重率影响显著(P<0.05)。

2.3 蔬菜的生长情况

鱼菜共生系统中,红皱生菜的存活率为67.75%～100%,增重率为21.63%～61.83%;红油阿拉斯的存活率为58.33%～91.67%,增重率为45.90%～56.44%(图5)。饲料中不同铁含量对两种蔬菜的存活率和增重率影响均不显著(P>0.05)。

图3 氮的质量浓度变化Fig.3 Changes of the nitrogen concentration

图4 金鲫的存活率和增重率Fig.4 Survival rate and weight gain rate of gold cracian carp

图5 蔬菜的存活率和增重率Fig.5 Survival rate and weight gain rate of vegetables

3 讨论

3.1 饲料中铁含量对水质变化的影响

3.1.1 对溶氧的影响

试验开始后的第1、2周是鱼菜共生系统趋于完善的阶段,水体中的金鲫和蔬菜生长处于调整适应期,致使除对照组外所有处理组的溶氧一直维持在较低水平。第2周之后,蔬菜已经适应水体环境,水体中充足的养分能够保证蔬菜旺盛生长,继而可以通过光合作用向水体输送更多氧气[17]。另有研究表明,植物在水淹的胁迫条件下,新根中更容易形成裂生性通气组织[18]。因此,本试验中溶氧增加可能与裂生性通气组织可为水体提供更多氧气有关。在实验后期,种植蔬菜长势变弱,因此减少向水体供氧,导致溶氧降低。不同处理组的溶氧变化趋势基本一致,说明饲料中铁含量对溶氧的直接影响较小。

3.1.2 对氮浓度变化的影响

在试验的前2周,氨氮浓度有略微升高的趋势(图3),这可能与实验初期水体中溶氧低、硝化环境尚未完全建立、金鲫粪便排出量较多有关。在此期间,蔬菜生长需要吸收硝酸盐氮,尤其莴苣属蔬菜会优先吸收硝酸盐氮[19],因此,除对照组外,各处理组的硝酸盐氮质量浓度出现下降趋势。亚硝酸盐氮是氨氮与硝酸盐氮的中间产物,其含量变化代表硝化过程第一阶段的效率[20]。在实验的前两周,硝化条件较差,硝化效率较低,因此亚硝酸盐氮质量浓度呈增加趋势,其与氨氮的增加趋势一致。随着溶氧量以及硝化细菌数量的增加,硝化效率不断提高,因此氨氮质量浓度随之下降,而硝酸盐氮质量浓度开始出现升高的趋势。自第4周开始,硝酸盐氮质量浓度比较稳定,说明该阶段鱼菜系统的运行已进入平稳期。从不同处理组及不同形式氮的浓度变化可以看出,饲料中不同的铁含量没有对其产生直接影响,其变化的主要原因来自鱼菜生长。

3.2 饲料中铁含量对金鲫生长的影响

由金鲫的存活率和增重率可以看出,当饲料中铁含量为20 mg/kg时,金鲫具有最佳的生长状态(图4)。本研究结果与Gatlin等[12]对斑点叉尾鮰的研究结果(30 mg/kg)接近。研究认为,饲料中铁元素缺乏容易导致鱼体血红蛋白含量、血细胞比容等生理指标偏低,继而表现出存活率、增重率等生长指标降低[13-14]。本研究中,A组和对照组金鲫的存活率和增重率均处于较低水平,说明饲料中因铁元素缺乏而明显抑制了金鲫的生长。

E组饲料中虽然补充了较高含量的铁元素,但金鲫的存活率和增重率是所有处理组中最低的,说明80 mg/kg的铁含量已经超出了金鲫生长对铁需求量,使其产生生理应激,抑制了生长。由于铁含量超标,导致实验鱼生长出现异常在其它研究中也有发现。如:当饲料中铁含量达到1 380 mg/kg时,虹鳟会出现生长速度减慢、死亡率增加以及其它病理损伤[21]。

3.3 铁含量对蔬菜生长的影响

红皱生菜的增重率随着饲料中铁含量的增加呈总体增加的趋势,在完全没有添加铁元素的A组,红皱生菜的增重率仅为21.63%,而在D组和E组则分别为59.42%和61.83%(图5),说明红皱生菜的旺盛生长对铁的需求较强。但C组红皱生菜的增重率偏低,其原因有待进一步研究。比较红油阿拉斯在不同处理组的增重率后发现,最大增重率出现在 C组和 D组(56.02%和56.44%),而其它处理组的增重率也均在45%～ 50%之间,该结果说明不同铁含量对红油阿拉斯的增重率影响较小。

4 结论

在鱼菜共生系统中,通过在饲料中添加不同含量的铁元素,结果证明,该系统能够提高水体质量。控制铁含量在一定范围内,能够促进金鲫生长,对蔬菜生长也有一定的促进作用。研究结果表明,当饲料中的铁含量为20 mg/kg时,金鲫具有最佳生长状态,红油阿拉斯也具有较高的存活率和增重率,此为最佳组合模式。对于红皱生菜与其它元素的组合模式还有待进一步研究。

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Effects of ironcontent in feed on the water quality and the growth of fish and vegetables in the aquaponics system

SHEN Xuhong,LI Hanxi,LI Xue,LIU Feng
(College ofMarine Science,Yantai Research Institute ofChina Agricultural University,Yantai, 264670,China)

The effects on the growth of fish(Gold cracian carp)and vegetables (Lactuca sativa L.)and the water quality of the system were studied by controlling iron content in feed.One control group and five treatment groups were set up in the experiment,with iron content of 0,0,10,20,40 and 80 mg/kg respectively.The results showed that the system has obvious effect on purifying the water.There was no significant influence of iron content on the survival rate of gold cracian carp (P>0.05),but there was significant influence on theweight gain rate(P<0.05).When iron content in feed was 20mg/kg,the survival rate and weight gain rate of gold cracian carp both reached the maximum.When iron content in feed was 80 mg/kg,the survival rate and weight gain rate of gold cracian carp both decreased.Therewas no significant influence of iron content in feed on the survival rate and weight gain rate of the two vegetables (P>0.05),but there were some differences in weight gain rate.The results showed thataddition of iron into feed could promote the growth of gold cracian carp and vegetables,and when the iron contentwas 20mg/kg,the aquaponic system showed the optimal productivity.

aquaponics;iron;water quality;Gold cracian carp;growth

S966

A

1007-9580(2017)03-046-06

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.03.008

2017-03-30

中国农业大学烟台研究院科研基金项目(YT201504)

申旭红(1980—),女,讲师,博士,研究方向:水产动物营养与水体生态保护。E-mail:shenxuhong2001@163.com

刘峰(1977—),男,副教授,博士,研究方向:水产动物营养。E-mail:liufeng2008@cau.edu.cn