魚菜共生系統對水質凈化的研究進展

聶凌云，楊昌珍，皮杰

（1．湖南農業大學動物科學技術學院，湖南 長沙410128；2.常德市畜牧水產事務中心，湖南 常德415100；3.湖南應用技術學院，湖南 常德415100）

1 魚菜共生系統

1.1 概念與起源

“魚菜共生”是將魚類養殖和植物種植進行融合，利用二者的生物特性共同實現循環發展的一種綠色生態種養模式，是在傳統農業模式基礎上的偉大探索和革新。一個成功的魚菜共生系統必須同時考慮魚類和植物種類的最佳選擇以及最適宜的種養技術[1]，它的最大優勢是養魚無需換水、種菜不必施肥[2]。魚菜共生系統最早的雛形源自稻田養魚，而稻田養魚早在古代中國和一些東南亞國家（如泰國）就已經開始推廣。美國最早在20世紀70年代開始研究魚菜共生技術，構建一個封閉的魚菜共生系統，將蔬菜種植在水產養殖系統中，來過濾養殖尾水[9]。盡管稻田養魚在我國歷史悠久，但系統的研究魚菜共生系統起步較晚，最早于1997年，由丁永良等[10]提出魚菜共生系統在水體凈化上是可行的，才逐漸開展這方面的研究。隨著水產養殖業的不斷發展，集約化高密度養殖在帶來巨大收益的同時，也帶來許多新的環境問題，尤其是水環境方面的問題。研究表明，所投喂的飼料中僅有20%～50%的氮和15%～65%的磷被魚體吸收，大量的排泄物與飼料殘渣極易在微生物作用下分解出對水生生物生存大量有害的氨與硝酸鹽等，導致養殖水體富營養化[8]。為此，人們不斷探索能有效降低水體污染的養殖模式。通過研究者幾十年來不斷的探索與改進，逐漸形成今天相對成熟的魚菜共生系統，破解當前的水產養殖的困局[11]。

1.2 主要模式

魚菜共生系統中，多數淡水養殖種類都可養殖，常見的有羅非魚、鲇魚、鱸魚、藍鰓魚、鱒魚、羅氏沼蝦、臺灣鯛、烏鱧、鯽魚和鯉魚等[3-5]；常種植的植物包括羅勒、沙拉綠葉蔬菜、非羅勒草本植物、西紅柿、萵苣、甘藍、甜菜、白菜、辣椒、黃瓜、絲瓜、水芹菜、菱角、水稻等[5-6]。這些養殖對象與植物的組合形成了多種種養模式，主要可以分為傳統模式和現代模式。傳統模式包括：稻田養魚，?；~塘等。農民會把魚養殖在稻田里，通過魚攝食害蟲，抑制雜草生長，同時疏松土壤，促進水稻的生長，達到魚稻田的互利共生，這就是常說的稻田養魚[12]。在傳統模式的基礎上，科研工作者探索出了關系更為復雜的現代模式，包括：“魚-菜”模式，“魚-菜-畜禽”模式等，如葉衛東等[13]介紹了生態關系更復雜的“蟲-魚-鴨-菜”復合生態模式；眭輝金和張凱[14]介紹了“空心菜-魚-兔-羊”高產高效的生態養殖模式。相較于傳統模式，現代模式更高效更穩定，共生技術也由原來的直接共生演變成開環共生和閉環共生，很大程度上提高了水資源的循環利用率[15]。

2 魚菜共生系統對水質的影響

2.1 對透明度和溶解氧的影響

光照是水體初級生產力的先決條件，水體透明度的高低直接影響著初級生產力的大小，進而影響水體生態系統的穩定性[15]。湯佩武[16]的研究表明，水蕹菜浮床的設置對水體透明度的影響較明顯，試驗塘水體透明度保持在25 cm左右，高于對照塘，這與薛洋等[17]的研究相一致，說明魚菜共生系統能有效地提高水體的透明度。有研究認為，浮床面積過大會影響空氣中氧氣向水中的溶解，造成溶解氧的含量偏低[18]。邴旭文等[19]研究表明：當浮床覆蓋率不超過20%，對水中溶解氧的含量影響不顯著。湯佩武[16]的研究表明，水蕹菜浮床面積控制在5%和10%，池塘溶解氧含量平均值維持在3 mg/L以上且高于對照池塘。李文祥等[20]研究進一步表明，在水雍菜覆蓋率10%的情況下，雖然對營養物的移除率有限，但是能抑制藍藻水華的發生，保持水體較高的透明度，且不影響水體的溶解氧和pH值。由此可知，當植物覆蓋率穩定在一個合適的范圍（10%~20%），不但不會降低水體的溶解氧反而會提高，且改善水體的透明度。植物生態浮床有效改善了養殖環境中的微生態平衡，這些微生物的變化最終產生了一種“綜合效應”有效地改善了養殖環境，促使水體中溶解氧含量的增加[21]。另外，饒偉等[22]通過對魚菜共生系統的溶解氧含量的時空變化規律研究表明，溶解氧在魚池中隨垂直深度增加而減小，相關系數范圍為－0.9～－0.7，溶解氧在水培槽中隨水平距離增加而減小，相關性范圍為－0.9～－0.8，此研究結果為魚菜共生系統溶解氧研究提供了一定理論依據。綜上所述，魚菜共生系統中控制好浮床的比例能有效地改善養殖水體的透明度和溶解氧，從而改善養殖水體，為養殖對象提供良好的生長環境。

2.2 對化學需氧量的影響

有研究認為浮床植物系統對化學需氧量的去除主要依靠植物的根系吸附及根系附著微生物降解作用[34]。薛洋[17]等人在研究魚菜共生系統對池塘水體凈化的影響研究中指出，對照塘的化學需氧量基本上高于試驗塘，在11月對照塘化學需氧量達到最高，為13.75 mg/L，3個試驗塘池塘水體的化學需氧量均在12.7 mg/L以下。李文祥等[20]人研究發現水蕹菜在春季和秋季生長旺盛，而在炎熱的夏季生長緩慢，在養殖中后期水蕹菜吸收營養物的效果最好，使得水體中的化學需氧量明顯低于對照塘。由此可見，在魚菜共生系統中，由于植物根部吸附水體中有機物，能夠有效降低水體中有機物的含量和化學需氧量，使水體營養維持在較健康水平。

2.3 對氮和磷的影響

氮、磷是水產養殖生態系統中物質循環的重要元素，同時也是養殖水體污染的重要指標[23]，養殖水體中濃度過高的NH4+-N（大于5 mg/L）和NO2-N（大于0.1 mg/L）對養殖生物不利[25]。研究表明，水體中NH4+-N去除的主要途徑有植物吸收、硝化反應和氨揮發等[24]，在魚菜共生系統中栽種水蕹菜，降低養魚廢水中總氨（78.32%～85.48%）、亞硝酸鹽（82.93%～92.22%）、硝酸鹽（79.19%～87.10%）和正磷酸鹽含量（75.36%～84.94%），使水資源可以更好的重復利用[28]。張明華等[26]的研究表明，蔬菜栽培對養殖水體具有凈化作用，整個試驗過程中，氨氮的含量先下降后上升，這與史麗娜等[27]人的研究結果一致。宋紅橋等[29]在水培植物凈化對循環水養殖系統實驗的結論中表明：在循環率為20次/d的羅非魚循環水養殖系統中，栽培區域進出水口對氨氮吸收去除率平均為8.3%，亞硝酸鹽氮吸收去除率平均值為16.3%，硝酸鹽氮吸收去除率平均值為16.2%，整套試驗系統水力負荷為10 m3/（m2·d），對總氮的平均去除負荷為9.5 g/（m2·d）。有研究發現在養殖水體中若水蕹菜浮床有足夠的停留時間，其對氨態氮的凈化效果比硝態氮更好[20]，向坤[30]的研究同樣發現水蕹菜生態浮床對工廠化甲魚養殖水體氨態氮的去除率高于硝態氮，這與大多數研究結果一致[16，31]。蔡淑芳等[32]人通過對3種不同植物密度系統對水質的影響研究，發現植物密度為45株/m2組的系統具有較高的氮素轉化率，其平均硝酸鹽氮質量濃度最高。

周玲[33]等研究指出，在精養模式下羅非魚對輸入飼料磷的利用率為29.15%~44.54%，飼料投喂量為0.9 kg，系統磷總輸入量約為7.2 g，而試驗終止時養殖區總磷濃度為0.68 mg/L，增加量僅為0.091 g，說明栽培區的水蕹菜在降低磷含量的過程中發揮重要作用。湯佩武[16]實驗也指出不同覆蓋面積的水蕹菜浮床對西北鹽堿池塘水體總磷的最大去除率分別為26.9%和39.3%，水體總磷濃度沒有隨水蕹菜的不斷生長而呈持續降低趨勢，這也一樣表明總磷去除的主要途徑很可能是水雍菜根系以及附著物對懸浮狀態的磷的吸附。史麗娜等[27]人在魚腥草浮床對于吉富羅非魚養殖水體影響研究時表明總磷在整個養殖期間呈波動下降的趨勢，試驗塘總磷濃度始終低于對照塘，且差異具統計學意義（P＜0.05），表明魚腥草對養殖池塘總磷的具有調節作用，使其保持在較低的水平。綜上所述，魚菜共生系統通過植物發達的根系直接或間接吸收利用水體中的氮和磷，降低營養物的含量，達到凈化水質，改善養殖魚類生活環境的作用，實現魚菜共生的生態種養。

3 存在的問題與展望

目前對于魚菜共生系統的研究越來越多，對各式各樣的魚菜共生系統的研究范圍很廣，但缺乏深入的研究，其中大多數還是停留在對各項水質指標的影響這個層面，對于系統內各元素的轉化和相互作用的研究還很少。盡管養殖水體氮、磷的含量較高，但植物的生長還需要其他的元素，尤其是微量元素，李晗溪等[36]研究表明，鐵元素調控魚菜共生系統對氮和磷的凈化作用明顯。通過了解植物吸收利用轉化的調控機制及影響因素，這對提高植物水質凈化的能力尤其是在共生系統的后期有重要意義。除了微量元素，植物的生長受光照、溫度、pH值以及植物之間的相互作用等影響，目前已有植物密度、pH、溶解氧、溫度[37，38]對氮素轉化影響的研究，但主要都是單一的植物種植為主，多植物聯合作用的凈化研究開展的較少，且還可以從栽培區水停留時間、栽培方式、覆蓋面積等方面進行進一步的研究。

微生物是生態系統中最龐大、最復雜的存在，不僅直接利用氮、磷等元素，同時也加快了各元素的轉化與流動[35]。魚菜共生系統對水體的凈化機理相當復雜，微生物作為養殖池塘生態系統的重要組成部分，在魚菜共生的水質凈化上也有著重要的作用。有研究證實，種植基質中微生物組成多樣性越高、群落結構越復雜，越能促進植物的生長，單一細菌與真菌菌群對植物生長甚至產生抑制作用[39]。氮循環是魚菜共生系統的核心過程，長期以來科研界普遍認為微生物對植物生長的促進作用主要體現在固氮作用和磷轉化[40]。一般認為，浮床植物根系區，易形成利于循環細菌的好氧-缺氧-厭氧的微環境，能提高循環細菌的數量及細菌群落多樣性，從而更有效地去除氮[41]。有研究發現，根瘤菌可侵入非豆科植物根內，對促進植物生長有益，尤其是對某些水生植物，如水稻的生長和增產大有幫助[42]。目前，從微生物角度對魚菜共生系統對水質凈化的影響的科學解釋還尚少。盡管楊天燕等[40]和李建柱等[43]人利用宏基因組測序手段和生物信息技術，對魚菜共生系統里的微生物群落和多樣性做出分析，但加強或減弱魚菜共生系統對水質凈化的菌群種類尚不清楚。固氮菌、根瘤菌在氮素循環里有著重要的作用，新鞘氨醇桿菌能有效降解芳香族化合物如苯酚、苯胺等[44]。這些微生物在魚菜生態系統中的作用種類，相互作用機理，對水質凈化的影響值得進一步研究。

4 總結

相較于傳統、單一的物理和化學凈化方法，作為生態修復范疇的魚菜共生技術，因顯著的經濟和生態效益而倍受關注，并逐漸從單一的傳統模式向更多元的現代模式轉變。它實現了水、魚、菜的和諧共處，在水質凈化的應用上前景廣闊。大量研究結果證明，魚菜共生系統能有效地減低水體氮、磷的含量，提高透明度，控制水中有機物的含量和降低化學需氧量，改善和凈化水質。對于氮、磷的去除和背后元素的轉化以及微生物協同作用的研究將是未來探究的重點。