鯉Cyprinus carpio、泥鰍Misgurnus anguillicaudatus與黃豆種子共生系統對水質的影響

劉帥，袁勝煜，魏海峰，劉長發

（1.遼寧省近岸海洋環境科學與技術重點實驗室，遼寧 大連 116023；2.大連海洋大學海洋科技與環境學院，遼寧 大連 116023；3.大連海洋大學農業農村部北方海水增養殖重點實驗室，遼寧 大連 116023）

魚菜共生系統是一種新型養殖系統，利用魚類和蔬菜協同共生的生態關系，開發了水產養殖業和無土栽培業相結合的綜合性養殖生態工程技術[1-3]。魚菜共生系統中，植物對水體具有一定的吸收凈化作用，可改變水體的理化指標，使其達到魚類生長的適宜條件，促進魚類生長。相關研究證明，魚菜共生系統中的植物可將水體中85%左右的懸浮物質和75%左右的有機物質除去，降低水生物耗氧量達90%以上[4]，魚菜共生養殖系統已被許多國家深度推廣[5,6]。黃豆為水培植物，生長速度快于其他植物，短時間即能獲取更大的收益；黃豆價格低廉、取材較易，是非常合適的實驗對象。目前，利用黃豆作為水培植物的相關報道空缺，故本文將黃豆作為創新性魚菜共生系統中的水培植物，這為魚菜共生系統中水培植物的選擇提供了基本理論和科學線索。

研究初期，主要研究了魚菜共生系統中植物密度[7]、植物種類[8]、飼料鐵元素含量[9]以及每日喂食量比例[10]對魚類和植物的影響，但對魚菜共生系統中水質的分析研究尚未完善。水是水生生物生存的介質，特別是生活在水中的魚類，它們從出生到死亡整個生命活動過程都在水體中度過。因此，研究魚菜共生系統中水質的變化規律，調控水體理化因子，有利于提高魚類的成活率，加速養殖業的發展[11]。本文通過研究魚菜共生系統對水體理化性質的影響，可為進一步了解魚菜共生系統作用機制、完善科學理論、改進魚菜共生系統提供基本理論和科學依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用健康鯉Cyprinus carpio 和泥鰍Misgurnus anguillicaudatus，初始質量分別為（1.5±0.2）kg和（70±2）g。黃豆種子購置大連黑石礁農貿市場。每個黃豆育苗盤30 cm×40 cm，內放黃豆50 g，漂浮在玻璃槽中，每層三個育苗盤。給試驗魚投喂飼料，每天喂食2 次，日投喂量為魚體質量的2%，攝食結束后撈出殘余飼料。

實驗室中構建的魚菜共生系統由三層結構組成：第一層為137 cm×60 cm×50.7 cm 魚缸，體積約為277.8 L，用于飼養魚；第二、三層為134.5 cm×51 cm×8 cm 的玻璃槽，用于種植水培植物，三層頂部都裝有LED 燈（紅藍比為8∶2），每天光暗比為12∶12。用90 W 功率水泵將魚缸內的養殖水體提升至第二、三層玻璃槽，經植物根部過濾后在重力作用下，經過魚缸上過濾棉過濾后回流至魚缸，構成完整的養殖循環系統。魚菜共生系統循環水流在栽培槽中停留20 min。該系統水循環率達20 次/d。魚菜生系統不與外界環境進行水體交換。

1.2 方法

試驗期間共監測8 個指標：pH、溫度、溶解氧、氨氮、亞硝態氮、硝態氮、總氮和活性磷含量。pH、溫度由HANNA 的水溫、pH 一體化測試儀（水溫量程0.0～60.0℃,精度±0.5℃；pH 量程0.00～14.00，精度±0.05）測量；溶解氧含量由雷磁溶氧儀（量程0.00～20.00 mg/L，精度±1.5%）測量；氨氮濃度由納氏試劑分光光度法測定，亞硝態氮含量由鹽酸萘乙二胺分光光度法測定，硝態氮含量由紫外分光光度法測定，總氮含量和活性磷含量分別按照HJ636-2012《水質總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》、GB11893-1989《水質總磷的測定鉬酸銨分光光度法》測定。

1.3 數據統計與處理

用Excel 軟件初步整理測定的數據，繪制出相應的折線圖，用SPSS 22.0 統計軟件對實驗數據進行統計學分析和差異性分析，P＜0.05 時，表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 魚菜共生系統中pH 的變化規律

由圖1 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，試驗水體pH 先升高（第1～7 d）后降低（第7～10 d），再升高（第10～21 d）并趨于平穩。試驗水體pH 變動在7.5～7.82 之間，但最終趨于7.7 附近，較初始狀態增長2.25%。在魚菜共生系統中，魚缸上層的過濾棉產生硝化細菌，其硝化作用會升高pH，以及水培植物的光合作用消耗二氧化碳升高pH，調節水體的酸堿度，水體pH 在7.5～7.8 之間正常波動。

2.2 魚菜共生系統中溶解氧含量的變化規律

由圖1 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，試驗水體溶解氧含量在7.0 mg·L-1左右波動，第7 d 達到峰值7.4 mg·L-1，較第1 d 增長5.71%。之后溶解氧含量上下波動，在第13 d 達到最小值6.3 mg·L-1。在13～32 d 整體呈上升狀態，第32 d 達最大值7.5 mg·L-1，較第1 d 增長7.14%。這是由于魚菜共生系統循環水回流過程中與大氣中的氧氣接觸，增加養殖水體中氧氣含量，又魚類呼吸作用消耗水中溶氧量存在差異，故在第7～21 d 范圍內，溶解氧在6.2～7.4 mg/L 范圍內正常波動，可見魚菜共生系統對水體溶解氧含量具有一定的調節作用。

圖1 魚菜共生系統中pH 和溶解氧含量的變化規律Fig.1 Changes in pH and dissolved oxygen content in the fish and vegetable symbiotic system

2.3 魚菜共生系統中氨氮濃度的變化規律

由圖2 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，試驗水體氨氮濃度顯著降低，最后處于較低的平穩值0.1136 mg·L-1，較第1 d 下降85.64%。第1～21 d 氨氮濃度與時間之間存在顯著的線性相關關系，相關方程分別為：y ＝-0.0962x+0.8554，R2＝0.9876。在魚菜共生系統中，魚缸上層的過濾棉產生硝化細菌，其硝化作用將氨氮轉化成了亞硝酸鹽，進一步轉化為硝酸鹽，同時水培植物也會吸收水體中的氨氮，但硝化作用是氨氮濃度降低的主要作用機制[12]。

2.4 魚菜共生系統中亞硝態氮含量的變化規律

由圖2 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，試驗水體亞硝態氮含量顯著降低，最后達到最低值0.078 mg·L-1，此值較第1 d 下降82.63%。第1～32 d 亞硝態氮含量與時間之間存在顯著的線性相關關系，相關方程為：y ＝-0.0369x+0.504，R2＝0.9461。魚類的糞便和殘餌含有大量的亞硝態氮，導致魚菜共生系統亞硝態氮含量初始處于較高狀態，但系統中的水培植物可吸收亞硝態氮，水體中亞硝態氮含量逐漸降低。

2.5 魚菜共生系統中總氮含量的變化規律

由圖2 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，魚菜共生水體總氮含量顯著降低，最后達到最低值0.0672 mg·L-1，較第1 d 下降93.32%。第1～32 d 總氮含量與時間之間存在顯著的線性相關關系，相關方程分別為：y ＝-0.0879x+0.9882，R2＝0.9507。在魚菜共生系統中，魚類的糞便和殘餌含有大量的有機氮和無機氮，水體中的無機氮可被水培植物吸收用于生長，水體中的有機氮在亞硝化細菌的作用下發生氨化作用轉化為氨氮，因此水體中的總氮含量逐漸減少，但每天都會產生的魚類糞便和殘餌，抑制了總氮含量降低的速率且最終達到平衡狀態。

圖2 魚菜共生系統中氨氮、亞硝態氮和總氮含量的變化規律Fig.2 Changes in concentrations of ammonia nitrogen,and nitrite nitrogen content and total nitrogen content in the fish and vegetable symbiotic system

2.6 魚菜共生系統中活性磷含量的變化規律

由圖3 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，試驗水體活性磷含量顯著降低，最后達到最低值1.422 mg·L-1，較第1 d 下降71.01%。第1～32 d總活性磷含量與時間之間存在顯著的線性相關關系，相關方程分別為：y ＝-0.3226x+4.9606，R2＝0.9803。在魚菜共生系統中，活性磷主要來自魚類的糞便和殘餌，水培植物能吸收水體中活性磷用于生長發育[13]，故活性磷含量逐漸降低。但隨著時間的推移，養殖水中的微生物數量逐漸增多，會導致活性磷含量的增加，最終使活性磷含量達到一種相對穩定的動態平衡。

圖3 魚菜共生系統中活性磷含量的變化規律Fig.3 Changes in active phosphorus content in the fish and vegetable symbiotic system

2.7 魚菜共生系統中硝態氮含量的變化規律

由圖4 可知，在魚菜共生系統中，隨著時間的增加，試驗水體硝態氮含量在第1～13 d 迅速下降，第13 d 達到最小值0.0337 mg·L-1，較第1 d 下降55.36%；第13～21 d，硝態氮含量顯著上升，第21 d達到峰值0.0666 mg·L-1，較第1 d 下降11.79%；第21～32 d，硝態氮含量再次顯著下降，第32 d 達到谷值0.0666 mg·L-1，較第1 d 下降42.65%。在魚菜共生系統中，魚類的糞便和殘餌含有大量的硝態氮，水培植物可吸收水體中硝態氮用于自身發育生長，故出現水體硝態氮含量在0.0337～0.0755 mg·L-1正常波動的現象。

圖4 魚菜共生系統中硝態氮含量的變化規律Fig.4 Changes in nitrate nitrogen content in the fish and vegetable symbiotic system

3 討論

實驗水體水質指標檢測結果的顯著性分析表明，魚菜共生明顯改良了水質，pH 略微升高但保持在適宜養殖的范圍內，水溫上升3 ℃左右，溶解氧含量增長0.5 mg·L-1，氨氮、亞硝態氮、硝態氮、總氮和活性磷濃度分別降低了85.64%、82.63%、42.65%、93.32%和71.01%。

不同生物的最適生長pH 范圍不同[14]，維持養殖水pH 穩定對促進魚菜共生系統中各生物組分的生長具有重要意義。合適的pH 范圍能滋生硝化細菌，其硝化作用將對魚類有毒性作用的氨氮、亞硝氮轉化成低毒性的硝態氮，提高了魚類的存活率[15]。李曉輝等[16]報道，池塘魚菜共生系統可改善水質，使水體pH 穩定在7.5～8.0 之間，達到魚類和植物適宜的環境。蔡淑芳等[17]研究顯示，池塘魚菜共生系統可使水體pH 穩定在7.5～8.0 之間，大幅改善了魚類和植物的生長。張文良等[8]證明，當池塘魚菜共生系統維持池塘水體pH 為7.0～8.0 之間時，鯽Carassius auratus 苗的存活率最高。本實驗中，水體pH 出現先升高（第1～7 d）后降低（第7～10 d），再升高（第10～21 d）并趨于平穩的狀態。水體pH 在7.5～7.8 之間變動，一直維持在適宜魚類養殖的范圍內。

水中溶解氧是水生動物賴以生存的必要條件之一，大部分水域溶解氧含量在8～10 mg·L-1，低氧會導致魚類缺氧甚至窒息死亡。水中溶解氧含量也是限制反硝化和硝化過程的主要因素之一，低溶解氧含量不能將具有毒性的亞硝酸鹽氮（NO2-N）氧化，極大影響反硝化作用所需酶的合成和表達以及N2O 還原酶的活性[18]。施吉華[11]發現，水體溶解氧含量高能提高魚類的攝食量，促進魚類生長。本研究中，實驗水體溶解氧含量在第1～7 d 緩慢上升，之后上下波動，在第13～32 d 整體出現上升的狀態，第32 d 出現最大值7.5 mg·L-1，較無魚菜共生系統增長7.14%，可見魚菜共生系統可提高水體溶解氧含量。

在池塘養殖中，較高的氨氮和亞硝態氮含量會抑制魚類的生長，甚至導致魚類大面積死亡[19]。李波等[20]研究了不同溶氧水平下氨氮和亞硝酸鹽對黃顙魚Pelteobagrus fulvidraco 的急性毒性，發現較高的氨氮濃度和亞硝態氮含量損壞水生動物的鰓組織，抑制呼吸作用和呼吸速率，破壞了生物體內外氣體交換，導致生物中毒。運珞珈等[21]研究發現，較高的氨氮和亞硝態氮含量會導致稚鱉Trionyx sinensis 養殖水體中病菌大量繁殖，污染了養殖水體，使養殖的鱉致死。本實驗中，水體氨氮濃度和亞硝態氮含量顯著降低，分別達到最低值0.1136 mg·L-1和0.078 mg·L-1，遠遠低于起始的氨氮濃度和亞硝態氮含量。

在魚類生長的水環境中，活性磷含量不是主要的影響因素，但活性磷含量會引起養殖水體富營養化，抑制魚類的生長發育[22]。本實驗初期，魚菜系統實驗水體活性磷含量為4.9 mg·L-1，隨時間的增長，水體活性磷含量呈明顯梯度下降，最終達到最低值1.42 mg·L-1。這與閆曉君[23]的魚菜共生系統中微生物的作用使活性磷含量逐漸下降現象一致。

魚菜共生系統合理地控制了養殖水體pH、增加溶解氧含量、大幅度降低氨氮、亞硝態氮、硝態氮、總氮、活性磷含量，較大程度上為魚類提供適宜發育環境，是養殖業的一大突破。水培植物的水質凈化、修復等功能，使總氮含量和磷酸鹽處于低水平穩定狀態，魚菜共生系統可以長時間不換水，不排污，實現污染物零排放，將是環保行業的一大契機。