麥飯石對魚菜共生系統的影響試驗

馬云曦，張智瑋，李倩儒，申旭紅，陳曉峰

(中國農業大學煙臺研究院，山東 煙臺264670)

0 引言

傳統魚菜共生技術出現于2000多年以前的農業社會，在亞洲，如鯉魚、螃蟹和田螺等淡水經濟種類是在稻田環境中培育的，實現農業與漁業雙產出。稻田里養鯉可以視為是現代魚菜共生理念的源頭，但與現代魚菜共生模式有很大不同。現代魚菜共生技術集循環水養殖和水耕栽培技術于一體，利用養殖廢水中的氨氮作為水耕栽培作物的營養物質，達到養殖廢水處理和水耕作物生長的雙重目的，在漁業和農業產量方面獲得雙贏，是現代農業技術創新之典范[1]。將魚類和水培植物串聯起來的是水循環過程，這也是系統的核心。“養魚不換水、種菜不施肥”正是通過水循環過程將養魚池中多余的氮流動到種植槽中，再通過水中硝化細菌和植物自身的作用，將氮源吸收利用，水體也得到凈化并重新流回養殖池。在普通水產養殖模式中，魚類生長只利用了約25%的氮源，其余75%被排放到環境中[2]。而魚菜共生系統對環境友好，利用一種氮源(魚飼料)生產兩種農產品(魚和蔬菜)，提高了氮的利用效率[3]。提高水資源的利用效率是魚菜共生系統的另一個特點，日換水量為0.3%～0.5%[4]。這是一種可持續生產的模式，不僅污水的排放減少，而且用水量也大大降低[5]。目前，魚菜共生系統已經在歐美各國廣泛推行[6-7]。

20世紀80年代初期，James Rakocy研發了首個大型商業規模的魚菜共生研究系統(UVI模式)，開展羅非魚和水培生菜生產試驗，后續又進一步提出了UVI模式的生產標準，完善了魚菜構成比，在保持系統生態平衡的同時，較大程度提高了魚和蔬菜的產量[8]。UVI模式被認為是現代魚菜共生原型的典型耦合型系統，但在水培品種的選擇上被限制在低營養需求的生菜、羅勒等葉菜上。KLOAS W等[9]在溫室環境下構建了一種新型多回路魚菜共生系統，該系統由羅非魚循環水養殖和基于營養膜技術(NFT)的水培番茄兩個獨立的循環單元組成，并通過單向閥連接。魚池排放水經物理過濾和生物反應器后進入水培調節池。這是近年歐洲興起的一種帶子循環回路的解耦式系統，它可以更精細地控制每個單元的水質，如調節酸堿度和營養鹽質量濃度，能夠達到在改變水培單元水質參數的同時不直接影響魚池水質的效果，可以有效提升產量[10]。這種典型模式因為更精細的調控，能適應更多品種水培植物的培育和魚類的養殖。KHANDAKER M等[11]將垂直農業技術與魚菜共生相結合，研究了基于種植墻技術、單位面積生產效率得到提高的立體式魚菜共生系統。但是，立體化魚菜共生在建設投入和能源消耗方面更高，據研究，若系統超過4層種植高度，上層的管理和勞動力成本將增加25%[12]。現在魚菜共生系統構建正向解耦型發展，系統布局向城鎮化、立體化發展，硬件設施向生態型、智能化發展[3]。

關于魚菜共生系統中基質栽培問題，國際上常將水產養殖區與水耕種植物區分開，水耕農作物直接進入水中吸收養分從而達到避免土質污染的效果。在進行這種類型的共養體系建設時，可以用基質栽培的處理來代替原生土壤，供于水耕農作物的培育[13]。麥飯石和陶粒都是適于農作物種植的顆粒狀基質，能夠過濾水中的有毒物質和有害物質。麥飯石是由原巖經蝕變、風化作用而形成的結構疏松的層狀、脈狀、透鏡狀的活性礦物[14]。麥飯石在流水下可以抑制細菌增長，降低亞硝酸鹽濃度，浸泡麥飯石可以溶出對人體有益的元素[15]。文科等[16]研究齊齊哈爾碾子山麥飯石對不同重金屬離子的吸附行為，認為它是一種海綿體結構孔大、理化性能優異的良好吸附劑。駱鳳等[17]的研究結果表明麥飯石可以顯著促進苦草的生長，苦草的生物量、株高、葉數、根長等生長指標明顯增高且其光合色素、根系活力和過氧氫酶酶活等生理生態指標的活力較對照組有一定程度的提高。王冰等[18]的研究表明麥飯石等的投放不會造成重金屬超標，但增加水體中礦物元素含量，認為它可以促進其中蔬菜的生長，并可提高蔬菜葉綠素含量。

本研究建立了以烏鱧和生菜為養、種對象的魚菜共生系統，通過觀察麥飯石和陶粒2種不同的基質栽培處理對生菜生長發育的影響，以及養殖水體對烏鱧生長相關指標的影響，進而探究麥飯石在魚菜共生系統中應用的可能性。

1 材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1生菜

魚菜共生系統所栽培的生菜品種為“玻璃生菜”，經穴盤育苗后用于本研究，共1 500株，初始質量為(23.1±1.5)g，初高為(12.5±1.4)cm。

1.1.2基質

基質的理化性質指標參照常規方法測定[19]。測定項目包括容重、總孔隙度、通氣孔隙、毛細孔隙、大小孔隙比、pH值和EC值，測定結果如表1所示。

1.1.3烏鱧魚

烏鱧魚為同年孵化的同一批魚種，試驗所用魚種體質健壯，無鱗片損傷且苗種規格整齊一致，共500尾，魚體平均質量為(50±5)g。烏鱧的飼料主要是切碎的小雜魚、新鮮的動物內臟碎塊和人工配合飼料。在投喂活餌之外，參照原居林等[20]試驗中的烏鱧專用配合飼料補充投喂，投喂總質量為魚體總質量的5%。試驗所用飼料購置于浙江聯興飼料科技有限公司，其干物質主要成分：粗蛋白(48.15±0.38)%、粗脂肪(10.67±0.20)%、灰分(11.99±0.14)%。

1.2試驗方法

試驗在煙臺市福山區“綠源都市農業”進行。本試驗共設置一個試驗組(T)和一個對照組(CK)。蔬菜采用基質栽培方法，試驗前期進行種植槽基質配置，種植槽尺寸(長×寬×深)為10 m×1 m×0.3 m，試驗組(T)種植槽鋪設直徑8～10 mm的麥飯石顆粒，鋪設深度20 cm，對照組(CK)種植槽鋪設直徑為8～10 mm褐陶粒(陶粒需經過反復水洗后使用)，鋪設深度20 cm，上鋪泡沫定植板。正式試驗前，烏鱧用基礎飼料馴化14 d，在自然光照、溫度條件下進行。蔬菜定植于槽中基質內，株行距為20、20 cm，每個種植槽栽培250株。烏鱧養殖在(長×寬×深)20 m×1 m×1 m魚塘里，采用循環水養殖，全程不換水。若因為水體蒸發或取樣導致水量不夠，則及時補充。每天定時、定點、定量、定質投喂。將烏鱧分別以每組250尾的數量投入養殖魚塘，整個試驗持續40 d。

1.3指標測定

1.3.1生菜產量與生理特性

生菜采收后，在兩個小區內各隨機抽取10棵植株用于指標測定，采收后按每個小區面積折算產量，并測定植株株高、根長、葉片葉綠素含量等生理特性指標。植株高度和根長用游標卡尺測定，質量用天平測定，葉綠素含量用丙酮乙醇混合液浸提法[21]。

1.3.2烏鱧魚養殖及養殖水體理化性狀

每日早晚在池邊巡查，及時撈出死去的魚體。40 d后對魚的數量進行統計，隨機挑選5尾魚稱質量取平均數，計算增重率。每周取水樣測定養殖水體的pH值、溶解氧(DO)含量，水樣為養殖槽中部水體。使用便攜式pH計(上海儀電科學儀器股份有限公司，PHB-4)測定水體中的pH值，使用便攜式溶解氧測定儀(美國維賽儀器公司，Pro-Do)測定溶解氧(DO)含量。

1.4數據分析

采用Microsoft Office Excel 2019，SPSS 26.0對數據進行多重比較和顯著性分析。

2 結果與分析

2.1養殖水質指標變化

植物生長的載體與植物的長勢息息相關，尤其是酸堿度(pH值)，pH值過高對植物生長發育會造成不良影響，即使有豐富的營養物質，植物可吸收程度也很低[22]。不適宜的pH值會破壞水體生產所需的磷酸鹽及無機氮的供應，影響水體的生物生產力[23]。魏媛媛[24]的試驗研究表明，pH值過大會引起藍莓葉片SOD/CAT活性下降，葉綠素含量相對較低。本試驗中，整個養殖周期內，水體pH值維持在7.13～7.98(圖1)。對照組和試驗組在開始時水呈堿性，在對照組和試驗組的中后期，水體pH值均有小幅下降，由于麥飯石的雙向調節能力，試驗組水體的pH值趨向中性且穩定保持。對照組pH值一直高于試驗組，并一直保持到第6周試驗結束。

溶氧含量對魚類生命活動至關重要，在溶解氧含量過低時，魚類生長受到抑制甚至死亡，而溶解氧含量過高時，魚類患氣泡病風險會增大[25]。此外，氧氣參與硝化和反硝化反應，可以將對水生生物毒性較強的NH4+-N和NO2-N轉化為NO3-N，氧氣通過影響養殖水體中水質氮素的濃度，間接影響魚類的生長[26]。在本試驗中，整個養殖周期內，溶解氧含量在5.03～8.41 mg/L(圖2)，符合養殖水體的溶氧一般保持在5～8 mg/L的要求。由圖2可以看出，對照組和試驗組檢測結果均有較大變化幅度，隨著養殖魚體的增大，溶解氧含量從開始的過飽和狀態下降到低溶解氧含量狀態。試驗組的溶解氧含量一直高于對照組的溶解氧含量，更有利于魚類各項生命活動。

圖1 養殖水pH值變化Fig.1 pH change of aquaculture water

圖2 養殖水溶解氧變化Fig.2 Dissolved oxygen change of aquaculture water

2.2生菜植物學性狀觀察

在魚菜共生系統中，養殖廢水和基質對生菜的生長發育影響比較大。麥飯石內含有的對生物有益的元素會在水中大量溶出，利用這些溶出液進行水培種植，對植物的種子發芽及幼苗的成活、成苗根系的活力及根莖的生長、植物內的各種酶的活化等方面能起到有益的作用[27]。在本研究中發現(圖3)，試驗組生菜的存活率為99%，增重率為670.56%；對照組生菜的存活率為98%，增重率為532.03%。試驗組生菜對存活率和增重率均明顯高于對照組。根系不僅對水分的吸收有影響，而且影響養分的吸收，所以根長與根系吸收能力關系密切。從表2可看出，對照組生菜經過一個生長周期(30 d)后，根長、株高、鮮質量、葉綠素含量均高于對照組，其中試驗組生菜根長比對照組增長2.3 cm，株高增長3.4 cm。

圖3 生菜質量變化Fig.3 Weight change of lettuce

表2 生菜生長狀況

2.3烏鱧存活率與增重率

在系統中養殖40 d后，統計每組烏鱧存活條數，并每組隨機抽取5條進行質量稱取。試驗組和對照組的烏鱧存活率分別為90.4%和84%，增重率分別為94.0%和76.0%(表3)。試驗組烏鱧存活率高于對照組，增重率同樣高于對照組。統計分析發現，投放麥飯石對烏鱧存活率影響顯著(P<0.05)，對增重率也影響顯著(P<0.05)。

表3 烏鱧的存活率與增重率

3 討論和結論

據統計，農業用地約占全球可利用土地面積的33%，至2050年，隨著人口增長對食物需求的增加，農業用地預計將增加7%～31%[28]。發展集約生產方式、提高單位耕地產量、增加農產品供應是今后發展魚菜共生體系的必由之路。有研究表明，室內垂直農場的最高產量潛力能夠達到目前世界小麥平均產量3.2 t/hm2的220～600倍，它可能在防范未來氣候變化或其他糧食系統意外中斷方面發揮重要作用[29-30]。魚菜共生進一步發展的方向是集約化的、立體化，增加單位面積各農副產品產量。

在種植作物方面，如果以魚類排泄物作為唯一的營養源，魚菜體系中的磷、鉀、鐵、硫、錳等元素含量會比較低[31-32]。故在目前進行的研究，都選育一些適應能力較強、容易生根發芽的蔬菜品種，如空心菜、木耳菜、生菜和油麥菜等，而一些較名貴且對栽培環境要求高的蔬菜，暫時不適合栽種于系統中，如何使其適應于魚菜共生系統，有待于進一步探究[33]。本試驗中選用了根系發達、葉面有蠟質、耐旱能力頗強的生菜作為研究對象。進一步發展應積極解決魚菜系統中缺少元素的增補，并且適合的基質對植物的生長也至關重要。在系統中培育附加值更高的種植作物及養殖魚類是進一步的研究方向。

基質作為一種支持植物生長的介質，其物理結構直接影響基質本身對于水分和養分的吸附性能，從而間接影響植物對于水分和養分的供應、吸收甚至運輸[33]。常用的陶粒的持水性較差，需要多次循環水，而麥飯石持水性更強，并且麥飯石對魚菜共生系統進一步設計還有更多優勢。第一，麥飯石可以發展作為天然礦物肥料應用于各類蔬菜水培種植，其所具有的生物活性及溶出性能夠提供對植物生長有益的微量元素。第二，麥飯石作為一種水體調節劑或飼料添加劑可應用于水產養殖，其生物活性及溶出性能提高魚類產量，使魚類肉質更好，其吸附性又能對魚類養殖的水體起到過濾凈化的作用。第三，麥飯石對pH值的雙向調節能力使其在整個魚菜共生系統的水體調控方面有巨大的作用，它可以使水體的酸堿性處于一個趨于中性的狀態，這種狀態適于絕大部分水培植物的生長及大部分魚類的生存[27]。本試驗中以麥飯石作為基質的試驗組中生菜和烏鱧的各項生理指標均優于以陶粒作為基質的對照組。本試驗中所選基質理化性質均符合生菜生長需求，但較前人研究有所偏差，可能是因為顆粒平鋪在種植槽底部，沒有任何外力增加基質的緊實程度導致。

葉綠素作為光合作用的重要基礎物質之一，在整個過程中承擔著光能吸收與轉化的功能，所以葉綠素含量的高低代表著植物光合能力的強弱[24]。本次試驗中隨著養殖中殘餌的轉化和植物根系的生長，pH值趨于中性，但生菜葉片存在葉邊輕微泛黃的情況，葉片顏色也較正常養殖偏淺。試驗組相較于對照組，生菜的葉綠素含量明顯更高，但與其他基質配方下生菜葉綠素含量相比偏低。楊飛等[34]的試驗結果表明，以傳統基質草炭、蛭石及腐熟羊糞和玉米秸稈為原料，配制成12種不同配比的栽培基質，生產出的生菜葉綠素含量都大于(0.573±0.001)mg/g，高于以麥飯石為基質的試驗組葉綠素含量。張思洋等[35]的試驗結果表明，用充分腐熟的牛糞作為有機組分，與無機基質蛭石、珍珠巖按不同的體積配比制成6種栽培基質，生產出的生菜葉綠素含量都大于(0.561±0.150)mg/g。分析原因，可能與pH值的高低有關。本試驗中，試驗組的pH值明顯低于對照組，但略高于植物生長最適的pH值。偏高的pH值會對植物生長造成不良影響，即使水體中有豐富的營養成分，植物的吸收利用率也很低。后續可以通過調整營養液或者養殖基質來調節pH值，消除pH偏高帶來的影響。

烏鱧具有極高的經濟價值，是水產養殖熱門之一。本次試驗時間正是烏鱧生長旺期5—6月，可能是由于麥飯石良好的化學穩定性結合營養元素的釋放，使得植物得以健康生長，客觀上促進了養殖水的清潔與水體的穩定，進而促進了烏鱧的生長發育。

在烏鱧和生菜的魚菜共生系統中，通過在種植槽中投放相同數量、規格的麥飯石和陶粒，結果證明，麥飯石有利于系統的運行，能夠提高水體質量，促進烏鱧生長，對蔬菜生長也有一定的促進作用。在魚菜共生系統運行過程中，如何有效解決pH值偏高的情況，有待進一步研究。