水蕹菜和羅莎生菜對(duì)麥穗魚養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)的影響

劉東姣，杜新科，王世興，張冀野，劉麗雪，申旭紅

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670；2.山東省煙臺(tái)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 煙臺(tái) 264010）

近年來(lái)隨著人民生活水平的提高，對(duì)水產(chǎn)品的需求不斷增加，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)總產(chǎn)值穩(wěn)步增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2030 年我國(guó)養(yǎng)殖魚類產(chǎn)量將占到世界魚類總量的62%[1]。但水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展也引起了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。傳統(tǒng)淡水養(yǎng)殖的殘餌及養(yǎng)殖動(dòng)物排泄物會(huì)造成水體氮含量過(guò)高，使水體富營(yíng)養(yǎng)化，影響?zhàn)B殖動(dòng)物健康[2]。生態(tài)可持續(xù)養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖的發(fā)展趨勢(shì)。

魚菜共生是將水產(chǎn)養(yǎng)殖與水耕栽培相結(jié)合的新型養(yǎng)殖模式，養(yǎng)殖水體中魚類排泄物、殘餌等物質(zhì)可轉(zhuǎn)化為蔬菜可吸收的養(yǎng)料，在收獲魚類及蔬菜的同時(shí)，改善水環(huán)境污染問(wèn)題[3,4]。魚菜共生系統(tǒng)中植物對(duì)水體的凈化作用是實(shí)現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)養(yǎng)殖的關(guān)鍵。目前對(duì)植物凈水已有大量研究，主要集中在石菖蒲（Acorus tatarinowii）、蝴蝶花（Iris japonica）、紫葉酢漿草（Oxalis triangularis）和鳳眼蓮（Eichhornia crassipes）等挺水植物以及番茄、青菜和芹菜等可食用蔬菜[5-9]。魚菜共生體系中對(duì)養(yǎng)殖動(dòng)物的選擇主要集中在可食用經(jīng)濟(jì)魚類，如鱸（Lateolabrax japonicus）、鯽（Carassius crassius）和鯉（Cyprinus carpio）[5-14]。研究發(fā)現(xiàn)，不同的水培植物因種植密度、浮床覆蓋比例以及養(yǎng)殖水產(chǎn)品種類的不同，對(duì)氮的吸收效率也不同[5,6]；構(gòu)建合理的魚菜共生養(yǎng)殖模式能夠顯著提高羅非魚的生長(zhǎng)速度、成活率和肥滿度[7]。

水蕹菜（Ipomoea aquatica）和羅莎生菜（Lactuca sativa）作為常見(jiàn)的可食用水培植物，已有在草魚（Ctenopharyngodon idella）和金鯽魚菜共生系統(tǒng)的相關(guān)研究[8,9]。水蕹菜和羅莎生菜生長(zhǎng)快，適應(yīng)能力強(qiáng)，具有在魚菜共生系統(tǒng)中大規(guī)模應(yīng)用的廣闊前景。麥穗魚（Pseudorasbora parva）為鯉科麥穗魚屬的一種小型淡水魚，對(duì)水質(zhì)變化十分敏感，可作為水環(huán)境監(jiān)測(cè)的指示魚種[10]。隨著居民水產(chǎn)品消費(fèi)的多樣化，麥穗魚逐漸走上了餐桌，作為優(yōu)質(zhì)的觀賞魚餌料，麥穗魚人工養(yǎng)殖已成為一種趨勢(shì)。本試驗(yàn)通過(guò)建立水蕹菜-麥穗魚和羅莎生菜-麥穗魚的魚菜共生系統(tǒng)，研究水蕹菜和羅莎生菜對(duì)麥穗魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中氮的處理效果，對(duì)研究養(yǎng)殖系統(tǒng)水質(zhì)凈化具有重要意義，以期為進(jìn)一步完善魚菜共生系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制和理論體系及養(yǎng)殖系統(tǒng)模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

麥穗魚捕自煙臺(tái)市牟平區(qū)野外池塘，隨后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行消毒等處理。選取生長(zhǎng)狀況良好，體長(zhǎng)為（7.3±0.56）cm，體質(zhì)量為（3.88±0.78）g，規(guī)格相近的麥穗魚進(jìn)行試驗(yàn)。

水蕹菜和羅莎生菜購(gòu)于山東壽禾種業(yè)，水蕹菜的初始株高為（26.1±1.84）cm，羅莎生菜的初始株高為（13.85±0.92）cm。

試驗(yàn)所用餌料由藍(lán)鯽飼料和拉絲蛋白粉（1∶0.2）配置，制成直徑約1.0 mm 的團(tuán)狀餌料。

1.2 方法

試驗(yàn)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成。麥穗魚、水蕹菜與羅莎生菜在正式試驗(yàn)前先分別進(jìn)行馴養(yǎng)和暫養(yǎng)。正式試驗(yàn)共6 周（42 d），設(shè)水蕹菜-麥穗魚和羅莎生菜-麥穗魚2 個(gè)處理組和1個(gè)單一養(yǎng)殖麥穗魚的對(duì)照組，每組設(shè)3 個(gè)重復(fù)。試驗(yàn)選用9 個(gè)泡沫箱（40 cm×24 cm×16 cm），放置在實(shí)驗(yàn)室靠窗處以保證充足的光照，每個(gè)箱中投放麥穗魚12 尾。搭建水蕹菜和羅莎生菜浮床，浮床面積占水體表面積35%，分別固定在泡沫保溫箱一側(cè)，菜根裹海綿固定防止其松動(dòng)，用紗布裹住菜根防止麥穗魚啃食。每日于早、中、晚定時(shí)投喂，及時(shí)補(bǔ)充因蒸發(fā)及取樣而減少的水量，保證水體體積恒定。

1.3 樣品收集與測(cè)定

自試驗(yàn)開始，每隔7 d 取一次水樣檢測(cè)水質(zhì)，共取得6 組水樣數(shù)據(jù)。分別檢測(cè)了水體pH、溶氧（DO）、總氨氮（TAN）、亞硝酸鹽氮（NO2--N）、硝酸鹽氮（NO3--N）和總氮（TN）含量等指標(biāo)，其中，pH 與DO 使用AZ-8403 便攜式多功能水質(zhì)檢測(cè)儀實(shí)時(shí)測(cè)得；TAN 濃度采用HJ 535-2009《水質(zhì)氨氮的測(cè)定納氏試劑分光光度法》測(cè)定；NO2--N 濃度采用GB/T 7493-1987《水質(zhì)亞硝酸鹽氮的測(cè)定分光光度法》測(cè)定；NO3--N 濃度采用HJ/T 346-2007《水質(zhì)硝酸鹽氮的測(cè)定紫外分光光度法》測(cè)定；TN 濃度采用HJ 636-2012《水質(zhì)總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 17.0 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，若存在顯著性差異，再進(jìn)行Duncan’s 多重比較以檢驗(yàn)組間的差異顯著性。以P＜0.05 作為差異顯著水平，描述性統(tǒng)計(jì)值采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（Mean±SD）表示。采用Excel 2016 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行折線圖繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥穗魚成活率

水蕹菜組和羅莎生菜組麥穗魚的存活率分別為86.11%和83.33%，顯著高于對(duì)照組（69.44%）（P＜0.05）（表1）。

2.2 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)pH 的變化情況

各系統(tǒng)pH 隨時(shí)間變化先下降再升高，三組pH均在6.66～7.77 之間波動(dòng)，各組間無(wú)顯著差異（P＞0.05）（圖1）。

圖1 各系統(tǒng)pH 的變化情況Fig.1 Variation in pH values in different systems

2.3 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)DO 的變化

如圖2 所示，在整個(gè)養(yǎng)殖周期內(nèi)，對(duì)照組DO 濃度整體較水蕹菜組和羅莎生菜組高。其中，對(duì)照組DO 濃度顯著高于水蕹菜組（P＞0.05）；與羅莎生菜組相比，除第7 d 和第35 d 差異不顯著，其他結(jié)果均有顯著差異（P＞0.05）（表1）。對(duì)照組DO 濃度分布在4.15～8.25 mg/L 之間。水蕹菜組和羅莎生菜組DO 濃度均在養(yǎng)殖前期（7～35 d）降低，養(yǎng)殖后期（35～42 d）升高，DO 濃度分別分布在2.30～5.90 mg/L和4.10～6.30 mg/L 之間。對(duì)比水蕹菜組和羅莎生菜組，除第28 d 和第42 d，羅莎生菜組DO 濃度均顯著高于水蕹菜組（P＜0.05）。

圖2 各系統(tǒng)溶氧的變化情況Fig.2 Variation in DO concentrations in different systems

2.4 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)TAN 變化規(guī)律

水蕹菜組和羅莎生菜組TAN 濃度范圍分別為0.41～3.91 mg/L 和0.21～3.61 mg/L，這兩組TAN 濃度變化趨勢(shì)接近，在7～21 d 下降趨勢(shì)明顯，分別比養(yǎng)殖初期下降88.57%和94.26%，在21～42 d 維持在較低水平。對(duì)照組TAN 濃度分布在0.52～5.30 mg/L之間，在7～14 d TAN 濃度明顯上升，14～28 d 下降，但仍顯著高于水蕹菜組和羅莎生菜組（P＜0.05），35～42 d 維持在較低濃度（圖3）。整個(gè)試驗(yàn)周期，水蕹菜組和羅莎生菜組前期顯著降低了系統(tǒng)中TAN濃度，試驗(yàn)后期TAN 維持在較低濃度，處理效果無(wú)顯著性差異（表1）。

圖3 各系統(tǒng)總氨氮濃度的變化情況Fig.3 Variation in TAN levels in the different systems

表1 各系統(tǒng)第42 d 麥穗魚成活率和水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The survival rate of topmouth gudgeon and water quality indicators in each system at day 42

2.5 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)NO2--N 濃度變化規(guī)律

水蕹菜組、羅莎生菜組和對(duì)照組NO2--N 濃度范圍分別為0.61～4.40 mg/L、0.50～3.75 mg/L 和0.02～6.13 mg/L。在7～21 d 水蕹菜組和羅莎生菜組NO2--N 濃度明顯上升，21～35 d 出現(xiàn)波動(dòng)，35～42 d明顯下降（圖4）。

在42 d 取樣時(shí)，水蕹菜組和羅莎生菜組NO2--N 濃度維持在較低值，分別為0.93 mg/L 和1.46 mg/L。對(duì)照組從試驗(yàn)開始，NO2--N 濃度一直處于升高的趨勢(shì)，在第42 d 達(dá)到最大值6.13 mg/L。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組NO2--N 濃度差異顯著（P＜0.05），濃度由大到小排列為：對(duì)照組＞羅莎生菜組＞水蕹菜組（表1）。

2.6 不同養(yǎng)殖系統(tǒng)NO3--N 濃度變化規(guī)律

水蕹菜組、羅莎生菜組和對(duì)照組NO3--N 濃度范圍分別為3.42～10.60 mg/L、2.13～8.25 mg/L 和0.98～19.50 mg/L。在7～21 d 水蕹菜組和羅莎生菜組NO3--N 濃度均先上升后下降，在21～35 d 又上升，35～42 d 均下降。對(duì)照組NO3--N 濃度基本保持上升趨勢(shì)，其中，在28～42 d 上升幅度較大，最終達(dá)到一個(gè)高值（19.50 mg/L）（圖5）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)各組NO3--N 濃度差異顯著（P＜0.05），濃度由大到小為：對(duì)照組＞羅莎生菜組＞水蕹菜組（表1）。

圖5 各系統(tǒng)硝酸鹽氮濃度的變化情況Fig.5 Variation in NO3--N levels in the different systems

2.7 水蕹菜組和羅莎生菜組TN 濃度變化

水蕹菜組和羅莎生菜組TN 濃度范圍分別為4.01～22.10 mg/L 和9.21～22.60 mg/L。水蕹菜組和羅莎生菜組TN 濃度變化趨勢(shì)接近，在7～21 d 先升高后降低，在21～35 d 又均出現(xiàn)上升趨勢(shì)。第35 d 之后，羅莎生菜組TN 濃度繼續(xù)上升，水蕹菜組TN 濃度出現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖6）。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)水蕹菜組TN濃度低于羅莎生菜組，但差異不顯著（P＞0.05）（表1）。

圖6 水蕹菜組和羅莎生菜組總氮濃度的變化情況Fig.6 Concentration changes of TN in two treatment groups

3 討論

3.1 水蕹菜和羅莎生菜對(duì)養(yǎng)殖水體pH 和DO 濃度的影響

麥穗魚適宜生存的pH 為5.50～9.50[11]。本試驗(yàn)各組pH 均在適宜區(qū)間內(nèi)，能夠保證麥穗魚正常生長(zhǎng)。本試驗(yàn)中，對(duì)照組DO 濃度除第35 d 略小于羅莎生菜組外，其余均顯著高于水蕹菜組和羅莎生菜組（P＜0.05），說(shuō)明生物浮床影響水體產(chǎn)生溶氧。生物浮床遮蔽部分水面，影響藻類的光合作用及水氣交換，導(dǎo)致水體溶氧輸入受限；發(fā)達(dá)的植物根系又為硝化細(xì)菌繁殖提供了良好的場(chǎng)所，促進(jìn)硝化反應(yīng)的進(jìn)行，該過(guò)程進(jìn)一步消耗了水體溶氧[12]。

3.2 水蕹菜和羅莎生菜對(duì)養(yǎng)殖水體TAN 和NO2--N 的影響

本試驗(yàn)第7～21 d，水蕹菜組和羅莎生菜組TAN濃度顯著下降，對(duì)照組TAN 濃度呈升高趨勢(shì)，各組NO2--N 濃度均出現(xiàn)升高趨勢(shì)，但對(duì)照組升高幅度小于水蕹菜組和羅莎生菜組（圖3、圖4）。在第14 d 和21 d，對(duì)照組TAN 濃度均顯著高于水蕹菜組和羅莎生菜組（P＜0.05），而NO2--N 濃度均顯著低于水蕹菜組和羅莎生菜組（P＜0.05）。試驗(yàn)前期的結(jié)果說(shuō)明：該階段麥穗魚處于調(diào)整適應(yīng)期，代謝較快，水體中TAN 濃度偏高。隨著試驗(yàn)進(jìn)行，水蕹菜組和羅莎生菜組植物根系中硝化細(xì)菌的數(shù)量和豐富度達(dá)到一定水平，加速TAN 向NO2--N 轉(zhuǎn)化[10]。

自第21 d 開始，水蕹菜組和羅莎生菜組TAN濃度基本穩(wěn)定，NO2--N 濃度出現(xiàn)波動(dòng)變化，最終維持在較低的濃度，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)中硝化反應(yīng)正以穩(wěn)定速率進(jìn)行。對(duì)照組TAN 濃度自第21 d 開始下降，NO2--N 濃度持續(xù)升高。對(duì)照組TAN 濃度下降的原因，一是有大量TAN 向NO2--N 轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致NO2--N濃度升高（圖4）；二是NH3揮發(fā)，對(duì)照組水體表面積大，使得NH3揮發(fā)量較大。該結(jié)果說(shuō)明：沒(méi)有蔬菜存在的系統(tǒng)，有害氮鹽會(huì)持續(xù)累積，長(zhǎng)時(shí)期的養(yǎng)殖活動(dòng)容易對(duì)魚體生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響（表1）。

3.3 水蕹菜和羅莎生菜對(duì)養(yǎng)殖水體NO3--N 的影響

NO3--N 是TAN 經(jīng)硝化反應(yīng)的最終產(chǎn)物，毒性較低，只有達(dá)到較高濃度才會(huì)對(duì)魚體產(chǎn)生毒害作用[13]。試驗(yàn)初期（7～14 d）水蕹菜組和羅莎生菜組NO3--N 濃度較對(duì)照組明顯升高，說(shuō)明TAN 向NO3--N 轉(zhuǎn)化速率較高，而蔬菜根系對(duì)于NO3--N 的吸收成為加快該反應(yīng)進(jìn)行的促進(jìn)因素。試驗(yàn)初期，蔬菜根系吸收營(yíng)養(yǎng)鹽的能力還沒(méi)有達(dá)到最大化，容易造成水體中NO3--N 累積，因此在第14 d 水蕹菜組和羅莎生菜組NO3--N 濃度顯著高于對(duì)照組（P＜0.05）。

自第14 d 開始，水蕹菜組和羅莎生菜組NO3--N 濃度沒(méi)有出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，說(shuō)明當(dāng)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段后，蔬菜根系能夠以一定速度吸收水體中的NO3--N，且伴隨著水體DO 的消耗，根系表面噬氫菌屬、紅細(xì)菌屬等反硝化細(xì)菌對(duì)NO3--N的反硝化作用增強(qiáng)，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為N2排出養(yǎng)殖系統(tǒng)[20]。

自第7 d 開始對(duì)照組NO3--N 濃度一直呈上升趨勢(shì)，與NO2--N 變化趨勢(shì)相似（圖5）。該結(jié)果說(shuō)明，沒(méi)有蔬菜的吸收作用，水體中氮鹽缺少有效的輸出途徑，長(zhǎng)時(shí)間累積會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化，危及魚體生命。

3.4 水蕹菜和羅莎生菜對(duì)養(yǎng)殖水體凈化效果比較

試驗(yàn)第42 d，水蕹菜組NO2--N 和NO3--N 濃度均顯著低于羅莎生菜組（P＜0.05），TN 濃度雖差異不顯著（P＞0.05），但同樣低于羅莎生菜組（圖6），說(shuō)明水蕹菜吸收水體無(wú)機(jī)氮鹽，減少有害氮鹽的效果優(yōu)于羅莎生菜。韓璐瑤等[14]從吸收動(dòng)力學(xué)角度分析了水蕹菜和生菜根系對(duì)氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的吸收能力，認(rèn)為水蕹菜擁有最大的吸收速率Imax和最小親和力常數(shù)Km，水蕹菜適宜任意濃度的水體凈化，而生菜更適合低氮、磷水平的水體凈化。戴習(xí)林等[15]在對(duì)蝦養(yǎng)殖水體的凈化研究中發(fā)現(xiàn)，蕹菜平均日吸收氮量顯著大于生菜。

蔬菜對(duì)NO3--N 的吸收能力增強(qiáng)，必然會(huì)加快水體中硝化反應(yīng)速率，大量消耗水體中DO。由DO數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)水蕹菜組DO 濃度整體偏低，除第42 d，水蕹菜組DO 濃度顯著低于羅莎生菜組（P＜0.05）。由DO 數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步驗(yàn)證，本試驗(yàn)條件下水蕹菜吸收氮鹽的效率高于羅莎生菜。

3.5 結(jié)論

本研究認(rèn)為，浮床覆蓋率為35%的麥穗魚養(yǎng)殖系統(tǒng)中，水蕹菜和羅莎生菜均能夠通過(guò)發(fā)達(dá)的根系形成穩(wěn)定的硝化環(huán)境，提高水體中的硝化效率，再加上植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽的同化作用，能夠有效去除水體中的有害氮鹽，保證水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定，有利于麥穗魚的生長(zhǎng)。本試驗(yàn)條件下，水蕹菜的綜合凈水效果優(yōu)于羅莎生菜。

魚菜共生系統(tǒng)與單一養(yǎng)殖系統(tǒng)相比，增加了更多的人為控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)更加復(fù)雜。因此，蔬菜在魚菜共生系統(tǒng)中對(duì)水質(zhì)的凈化研究尚有大量工作要做。