马云曦，张智玮，李倩儒，申旭红，陈晓峰

(中国农业大学烟台研究院，山东 烟台264670)

0 引言

传统鱼菜共生技术出现于2000多年以前的农业社会，在亚洲，如鲤鱼、螃蟹和田螺等淡水经济种类是在稻田环境中培育的，实现农业与渔业双产出。稻田里养鲤可以视为是现代鱼菜共生理念的源头，但与现代鱼菜共生模式有很大不同。现代鱼菜共生技术集循环水养殖和水耕栽培技术于一体，利用养殖废水中的氨氮作为水耕栽培作物的营养物质，达到养殖废水处理和水耕作物生长的双重目的，在渔业和农业产量方面获得双赢，是现代农业技术创新之典范[1]。将鱼类和水培植物串联起来的是水循环过程，这也是系统的核心。“养鱼不换水、种菜不施肥”正是通过水循环过程将养鱼池中多余的氮流动到种植槽中，再通过水中硝化细菌和植物自身的作用，将氮源吸收利用，水体也得到净化并重新流回养殖池。在普通水产养殖模式中，鱼类生长只利用了约25%的氮源，其余75%被排放到环境中[2]。而鱼菜共生系统对环境友好，利用一种氮源(鱼饲料)生产两种农产品(鱼和蔬菜)，提高了氮的利用效率[3]。提高水资源的利用效率是鱼菜共生系统的另一个特点，日换水量为0.3%～0.5%[4]。这是一种可持续生产的模式，不仅污水的排放减少，而且用水量也大大降低[5]。目前，鱼菜共生系统已经在欧美各国广泛推行[6-7]。

20世纪80年代初期，James Rakocy研发了首个大型商业规模的鱼菜共生研究系统(UVI模式)，开展罗非鱼和水培生菜生产试验，后续又进一步提出了UVI模式的生产标准，完善了鱼菜构成比，在保持系统生态平衡的同时，较大程度提高了鱼和蔬菜的产量[8]。UVI模式被认为是现代鱼菜共生原型的典型耦合型系统，但在水培品种的选择上被限制在低营养需求的生菜、罗勒等叶菜上。KLOAS W等[9]在温室环境下构建了一种新型多回路鱼菜共生系统，该系统由罗非鱼循环水养殖和基于营养膜技术(NFT)的水培番茄两个独立的循环单元组成，并通过单向阀连接。鱼池排放水经物理过滤和生物反应器后进入水培调节池。这是近年欧洲兴起的一种带子循环回路的解耦式系统，它可以更精细地控制每个单元的水质，如调节酸碱度和营养盐质量浓度，能够达到在改变水培单元水质参数的同时不直接影响鱼池水质的效果，可以有效提升产量[10]。这种典型模式因为更精细的调控，能适应更多品种水培植物的培育和鱼类的养殖。KHANDAKER M等[11]将垂直农业技术与鱼菜共生相结合，研究了基于种植墙技术、单位面积生产效率得到提高的立体式鱼菜共生系统。但是，立体化鱼菜共生在建设投入和能源消耗方面更高，据研究，若系统超过4层种植高度，上层的管理和劳动力成本将增加25%[12]。现在鱼菜共生系统构建正向解耦型发展，系统布局向城镇化、立体化发展，硬件设施向生态型、智能化发展[3]。

关于鱼菜共生系统中基质栽培问题，国际上常将水产养殖区与水耕种植物区分开，水耕农作物直接进入水中吸收养分从而达到避免土质污染的效果。在进行这种类型的共养体系建设时，可以用基质栽培的处理来代替原生土壤，供于水耕农作物的培育[13]。麦饭石和陶粒都是适于农作物种植的颗粒状基质，能够过滤水中的有毒物质和有害物质。麦饭石是由原岩经蚀变、风化作用而形成的结构疏松的层状、脉状、透镜状的活性矿物[14]。麦饭石在流水下可以抑制细菌增长，降低亚硝酸盐浓度，浸泡麦饭石可以溶出对人体有益的元素[15]。文科等[16]研究齐齐哈尔碾子山麦饭石对不同重金属离子的吸附行为，认为它是一种海绵体结构孔大、理化性能优异的良好吸附剂。骆凤等[17]的研究结果表明麦饭石可以显著促进苦草的生长，苦草的生物量、株高、叶数、根长等生长指标明显增高且其光合色素、根系活力和过氧氢酶酶活等生理生态指标的活力较对照组有一定程度的提高。王冰等[18]的研究表明麦饭石等的投放不会造成重金属超标，但增加水体中矿物元素含量，认为它可以促进其中蔬菜的生长，并可提高蔬菜叶绿素含量。

本研究建立了以乌鳢和生菜为养、种对象的鱼菜共生系统，通过观察麦饭石和陶粒2种不同的基质栽培处理对生菜生长发育的影响，以及养殖水体对乌鳢生长相关指标的影响，进而探究麦饭石在鱼菜共生系统中应用的可能性。

1 材料与方法

1.1试验材料

1.1.1生菜

鱼菜共生系统所栽培的生菜品种为“玻璃生菜”，经穴盘育苗后用于本研究，共1 500株，初始质量为(23.1±1.5)g，初高为(12.5±1.4)cm。

1.1.2基质

基质的理化性质指标参照常规方法测定[19]。测定项目包括容重、总孔隙度、通气孔隙、毛细孔隙、大小孔隙比、pH值和EC值，测定结果如表1所示。

1.1.3乌鳢鱼

乌鳢鱼为同年孵化的同一批鱼种，试验所用鱼种体质健壮，无鳞片损伤且苗种规格整齐一致，共500尾，鱼体平均质量为(50±5)g。乌鳢的饲料主要是切碎的小杂鱼、新鲜的动物内脏碎块和人工配合饲料。在投喂活饵之外，参照原居林等[20]试验中的乌鳢专用配合饲料补充投喂，投喂总质量为鱼体总质量的5%。试验所用饲料购置于浙江联兴饲料科技有限公司，其干物质主要成分：粗蛋白(48.15±0.38)%、粗脂肪(10.67±0.20)%、灰分(11.99±0.14)%。

1.2试验方法

试验在烟台市福山区“绿源都市农业”进行。本试验共设置一个试验组(T)和一个对照组(CK)。蔬菜采用基质栽培方法，试验前期进行种植槽基质配置，种植槽尺寸(长×宽×深)为10 m×1 m×0.3 m，试验组(T)种植槽铺设直径8～10 mm的麦饭石颗粒，铺设深度20 cm，对照组(CK)种植槽铺设直径为8～10 mm褐陶粒(陶粒需经过反复水洗后使用)，铺设深度20 cm，上铺泡沫定植板。正式试验前，乌鳢用基础饲料驯化14 d，在自然光照、温度条件下进行。蔬菜定植于槽中基质内，株行距为20、20 cm，每个种植槽栽培250株。乌鳢养殖在(长×宽×深)20 m×1 m×1 m鱼塘里，采用循环水养殖，全程不换水。若因为水体蒸发或取样导致水量不够，则及时补充。每天定时、定点、定量、定质投喂。将乌鳢分别以每组250尾的数量投入养殖鱼塘，整个试验持续40 d。

1.3指标测定

1.3.1生菜产量与生理特性

生菜采收后，在两个小区内各随机抽取10棵植株用于指标测定，采收后按每个小区面积折算产量，并测定植株株高、根长、叶片叶绿素含量等生理特性指标。植株高度和根长用游标卡尺测定，质量用天平测定，叶绿素含量用丙酮乙醇混合液浸提法[21]。

1.3.2乌鳢鱼养殖及养殖水体理化性状

每日早晚在池边巡查，及时捞出死去的鱼体。40 d后对鱼的数量进行统计，随机挑选5尾鱼称质量取平均数，计算增重率。每周取水样测定养殖水体的pH值、溶解氧(DO)含量，水样为养殖槽中部水体。使用便携式pH计(上海仪电科学仪器股份有限公司，PHB-4)测定水体中的pH值，使用便携式溶解氧测定仪(美国维赛仪器公司，Pro-Do)测定溶解氧(DO)含量。

1.4数据分析

采用Microsoft Office Excel 2019，SPSS 26.0对数据进行多重比较和显著性分析。

2 结果与分析

2.1养殖水质指标变化

植物生长的载体与植物的长势息息相关，尤其是酸碱度(pH值)，pH值过高对植物生长发育会造成不良影响，即使有丰富的营养物质，植物可吸收程度也很低[22]。不适宜的pH值会破坏水体生产所需的磷酸盐及无机氮的供应，影响水体的生物生产力[23]。魏媛媛[24]的试验研究表明，pH值过大会引起蓝莓叶片SOD/CAT活性下降，叶绿素含量相对较低。本试验中，整个养殖周期内，水体pH值维持在7.13～7.98(图1)。对照组和试验组在开始时水呈碱性，在对照组和试验组的中后期，水体pH值均有小幅下降，由于麦饭石的双向调节能力，试验组水体的pH值趋向中性且稳定保持。对照组pH值一直高于试验组，并一直保持到第6周试验结束。

溶氧含量对鱼类生命活动至关重要，在溶解氧含量过低时，鱼类生长受到抑制甚至死亡，而溶解氧含量过高时，鱼类患气泡病风险会增大[25]。此外，氧气参与硝化和反硝化反应，可以将对水生生物毒性较强的NH4+-N和NO2-N转化为NO3-N，氧气通过影响养殖水体中水质氮素的浓度，间接影响鱼类的生长[26]。在本试验中，整个养殖周期内，溶解氧含量在5.03～8.41 mg/L(图2)，符合养殖水体的溶氧一般保持在5～8 mg/L的要求。由图2可以看出，对照组和试验组检测结果均有较大变化幅度，随着养殖鱼体的增大，溶解氧含量从开始的过饱和状态下降到低溶解氧含量状态。试验组的溶解氧含量一直高于对照组的溶解氧含量，更有利于鱼类各项生命活动。

图1 养殖水pH值变化Fig.1 pH change of aquaculture water

图2 养殖水溶解氧变化Fig.2 Dissolved oxygen change of aquaculture water

2.2生菜植物学性状观察

在鱼菜共生系统中，养殖废水和基质对生菜的生长发育影响比较大。麦饭石内含有的对生物有益的元素会在水中大量溶出，利用这些溶出液进行水培种植，对植物的种子发芽及幼苗的成活、成苗根系的活力及根茎的生长、植物内的各种酶的活化等方面能起到有益的作用[27]。在本研究中发现(图3)，试验组生菜的存活率为99%，增重率为670.56%；对照组生菜的存活率为98%，增重率为532.03%。试验组生菜对存活率和增重率均明显高于对照组。根系不仅对水分的吸收有影响，而且影响养分的吸收，所以根长与根系吸收能力关系密切。从表2可看出，对照组生菜经过一个生长周期(30 d)后，根长、株高、鲜质量、叶绿素含量均高于对照组，其中试验组生菜根长比对照组增长2.3 cm，株高增长3.4 cm。

图3 生菜质量变化Fig.3 Weight change of lettuce

表2 生菜生长状况

2.3乌鳢存活率与增重率

在系统中养殖40 d后，统计每组乌鳢存活条数，并每组随机抽取5条进行质量称取。试验组和对照组的乌鳢存活率分别为90.4%和84%，增重率分别为94.0%和76.0%(表3)。试验组乌鳢存活率高于对照组，增重率同样高于对照组。统计分析发现，投放麦饭石对乌鳢存活率影响显著(P<0.05)，对增重率也影响显著(P<0.05)。

表3 乌鳢的存活率与增重率

3 讨论和结论

据统计，农业用地约占全球可利用土地面积的33%，至2050年，随着人口增长对食物需求的增加，农业用地预计将增加7%～31%[28]。发展集约生产方式、提高单位耕地产量、增加农产品供应是今后发展鱼菜共生体系的必由之路。有研究表明，室内垂直农场的最高产量潜力能够达到目前世界小麦平均产量3.2 t/hm2的220～600倍，它可能在防范未来气候变化或其他粮食系统意外中断方面发挥重要作用[29-30]。鱼菜共生进一步发展的方向是集约化的、立体化，增加单位面积各农副产品产量。

在种植作物方面，如果以鱼类排泄物作为唯一的营养源，鱼菜体系中的磷、钾、铁、硫、锰等元素含量会比较低[31-32]。故在目前进行的研究，都选育一些适应能力较强、容易生根发芽的蔬菜品种，如空心菜、木耳菜、生菜和油麦菜等，而一些较名贵且对栽培环境要求高的蔬菜，暂时不适合栽种于系统中，如何使其适应于鱼菜共生系统，有待于进一步探究[33]。本试验中选用了根系发达、叶面有蜡质、耐旱能力颇强的生菜作为研究对象。进一步发展应积极解决鱼菜系统中缺少元素的增补，并且适合的基质对植物的生长也至关重要。在系统中培育附加值更高的种植作物及养殖鱼类是进一步的研究方向。

基质作为一种支持植物生长的介质，其物理结构直接影响基质本身对于水分和养分的吸附性能，从而间接影响植物对于水分和养分的供应、吸收甚至运输[33]。常用的陶粒的持水性较差，需要多次循环水，而麦饭石持水性更强，并且麦饭石对鱼菜共生系统进一步设计还有更多优势。第一，麦饭石可以发展作为天然矿物肥料应用于各类蔬菜水培种植，其所具有的生物活性及溶出性能够提供对植物生长有益的微量元素。第二，麦饭石作为一种水体调节剂或饲料添加剂可应用于水产养殖，其生物活性及溶出性能提高鱼类产量，使鱼类肉质更好，其吸附性又能对鱼类养殖的水体起到过滤净化的作用。第三，麦饭石对pH值的双向调节能力使其在整个鱼菜共生系统的水体调控方面有巨大的作用，它可以使水体的酸碱性处于一个趋于中性的状态，这种状态适于绝大部分水培植物的生长及大部分鱼类的生存[27]。本试验中以麦饭石作为基质的试验组中生菜和乌鳢的各项生理指标均优于以陶粒作为基质的对照组。本试验中所选基质理化性质均符合生菜生长需求，但较前人研究有所偏差，可能是因为颗粒平铺在种植槽底部，没有任何外力增加基质的紧实程度导致。

叶绿素作为光合作用的重要基础物质之一，在整个过程中承担着光能吸收与转化的功能，所以叶绿素含量的高低代表着植物光合能力的强弱[24]。本次试验中随着养殖中残饵的转化和植物根系的生长，pH值趋于中性，但生菜叶片存在叶边轻微泛黄的情况，叶片颜色也较正常养殖偏浅。试验组相较于对照组，生菜的叶绿素含量明显更高，但与其他基质配方下生菜叶绿素含量相比偏低。杨飞等[34]的试验结果表明，以传统基质草炭、蛭石及腐熟羊粪和玉米秸秆为原料，配制成12种不同配比的栽培基质，生产出的生菜叶绿素含量都大于(0.573±0.001)mg/g，高于以麦饭石为基质的试验组叶绿素含量。张思洋等[35]的试验结果表明，用充分腐熟的牛粪作为有机组分，与无机基质蛭石、珍珠岩按不同的体积配比制成6种栽培基质，生产出的生菜叶绿素含量都大于(0.561±0.150)mg/g。分析原因，可能与pH值的高低有关。本试验中，试验组的pH值明显低于对照组，但略高于植物生长最适的pH值。偏高的pH值会对植物生长造成不良影响，即使水体中有丰富的营养成分，植物的吸收利用率也很低。后续可以通过调整营养液或者养殖基质来调节pH值，消除pH偏高带来的影响。

乌鳢具有极高的经济价值，是水产养殖热门之一。本次试验时间正是乌鳢生长旺期5—6月，可能是由于麦饭石良好的化学稳定性结合营养元素的释放，使得植物得以健康生长，客观上促进了养殖水的清洁与水体的稳定，进而促进了乌鳢的生长发育。

在乌鳢和生菜的鱼菜共生系统中，通过在种植槽中投放相同数量、规格的麦饭石和陶粒，结果证明，麦饭石有利于系统的运行，能够提高水体质量，促进乌鳢生长，对蔬菜生长也有一定的促进作用。在鱼菜共生系统运行过程中，如何有效解决pH值偏高的情况，有待进一步研究。