中國是世界水產養殖第一大國，2011年，我國水產養殖產量和產值分別占世界水產養殖總產量和產值的61.60%和47.42%[1]。但是，目前我國水產養殖仍采用以高密度?高投餌率?高換水率為特點的傳統方法[2]，在養殖水體中隨著餌料?糞便等物質的積累，大量氮元素(NH+4-N，NO-2-N，NO-3-N)隨著養殖廢水的排放被排到周圍環境中，既造成了浪費，又引起周圍水體富養化，給環境造成了負面影響[3-6]。魚菜共生系統被認為是解決這一問題的有效方法。所謂魚菜共生系統，是指將水產養殖與蔬菜水培種植有機結合，利用魚?植物和微生物之間的相互作用產出魚和菜2種經濟作物[7]。魚菜共生系統作為封閉的生態系統，運行過程中不向周圍環境排放廢水，可避免氮元素對周圍水體的污染。投入系統的魚餌料中氮元素最終大部分在魚生物量及菜生物量中積累，氮素利用率提高。目前，對該系統的研究基本集中在優化系統設計上，Liang等[8]發現延長光照周期及增加喂食頻率可以提高魚和菜的產量;Roosta等[9]發現，通過在植物葉面噴灑鉀，可避免蔬菜營養元素缺乏癥狀。但迄今為止，關于系統中氮素遷移轉化規律的研究較少。對魚菜共生系統中氮素遷移轉化規律的深入研究，可以更好評估系統的能量流動，為該系統的進一步優化提供理論基礎。
此外，在氮素遷移轉化過程中，可能生成氧化亞氮(N2O)[10]。N2O是一種重要的溫室氣體，其單分子全球溫室升溫潛能是CO2 的296倍，并且是破壞大氣臭氧層的重要氣體之一[11]。水產養殖和農作物種植均已被認定是N2O的重要人為排放源[12]，作為二者的有機結合，魚菜共生系統也是一個潛在的N2O釋放源。但是，目前尚缺乏這方面的研究。
本論文通過建立實驗室規模的魚菜共生系統，研究該系統中氮素的遷移轉化規律，并對系統中N2O的釋放情況進行監測，與傳統水產養殖業進行對比，探究其在溫室氣體釋放方面有無優勢。另外，嘗試采用填料級配分層?添加硝化細菌等方式對系統進行優化。
1 材料與方法
1.1 實驗裝置與運行本次實驗所使用的裝置如圖1所示。該裝置位于山東省濟南市百花公園內，實驗時間為2014年3月30日至5月23日，共53d。實驗設有3個處理組(A?B?C)，每個處理組有2個平行，A處理組為常規魚菜共生系統，作為對照;B處理組每周添加2粒市售BIOZYM淡水魚專用硝化細菌，增加硝化細菌的數量，硝化細菌為膠囊顆粒，每粒含硝化細菌干粉末0.48g;C處理組的蔬菜種植部分采用填料級配分層，為硝化細菌的生長提供充足的氧氣。每套裝置由魚箱?菜箱?蠕動泵?鼓風機及曝氣頭組成。實驗選用的魚種為鯉魚(CyprinuscarpioL.)，菜苗品種為散葉生菜(Lactucasativavar.crispaL.)。
魚箱置于地面上，菜箱置于距地面65cm的水泥臺上。魚箱內養殖水體有效體積為100L，養殖水體通過蠕動泵提升至菜箱內，滴濾進入珍珠巖基質，循環速率為200L/d。養殖廢水滴濾進入珍珠巖基質，該基質充當生物濾池，過濾魚排泄的廢物，同時為微生物的附著生長提供巨大的表面積。養殖廢水在菜箱內被凈化后，在重力作用下回流至魚箱，完成一個循環。魚菜共生系統為全封閉式循環水養殖系統，除補充因蒸發?蒸騰作用散失的水分，與周圍環境無水體交換。魚箱配有蓋子，保持避光狀態，抑制藻類生長。
實驗所用鯉魚魚種質量在40~80g之間，隨機分配到各魚箱內，設計養殖密度為10kg/m3，即每個魚箱內鯉魚總質量為1000g左右。采用鼓風曝氣為魚箱內鯉魚生長提供氧氣，調節氣體流量計設計曝氣量為0.1m3/h，維持溶解氧濃度始終在6mg/L以上。在正式實驗開始時選取植株健康?根系發達的生菜幼苗移栽到菜箱內。
菜箱中，生菜種植密度為18株/m2。A組和B組填充粒徑4~6mm的珍珠巖，填充厚度為30cm，C組菜箱自下至上分別填充10cm粒徑2~3cm粗礫石，10cm粒徑1~2cm細礫石和10cm珍珠巖。
在本次研究中，采用人工喂食法，魚餌料為市售含蛋白質含量32%，含水率10%的漂浮型魚糧。喂食量根據Ako等[13]提供的方法并略作修改，投入魚糧15min后，根據所剩魚糧顆粒數調整下次喂食量，直至所剩魚糧顆粒數占投入顆粒的5% ~10%，為防止殘余魚糧污染水質，攝食結束后將未食用魚糧撈出，并估算其質量。另外，為保障植物正常生長，防止葉面枯黃，每周均向各個魚箱內添加Fe-EDTA(Fe2+濃度5000mg/L)[13]，前3周每箱添加40ml，自第4周及以后添加50mL，維持Fe2+濃度2~2.5mg/L，此濃度為生菜生長的最佳條件，且對鯉魚生長無害[14，15]。
1.2 分析測試方法
1.2.1 水質理化參數實驗過程中主要對養殖水體中的總氨氮(TAN)?亞硝酸鹽氮(NO-2-N)?硝酸鹽氮(NO-3-N)進行測定，以上項目均采用國家標準方法進行測定[16]，總氨氮采用納氏試劑光度法，亞硝酸鹽氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法，硝酸鹽氮采用紫外分光光度法。水體取樣時間為上午10:00，水樣放在帶標簽的100mL聚乙烯瓶中，并立即放至冰箱內4℃保存，24h內完成測試。
同時，現場測量水體溫度?pH?電導率?溶解氧，并記錄每天每個魚箱內餌料投加量以及補充水量。
1.2.2 N2O釋放通量
在系統運行穩定后，利用采氣罩對魚箱和菜箱進行采氣，采樣時間為上午10:00~12:00，在安置好采樣箱后的0?20?40?60?80?100和120min時用大氣采樣泵將氣體采集到專用鋁箔氣體采樣袋中。同時記錄實驗期間采樣箱內的氣溫?水溫及采樣點壓強，氣體樣品N2O濃度采用Wu等[17]描述的方法測定。
對于菜箱，無曝氣，根據Zhang等[18]描述的靜態箱法采氣，該方法廣泛用于環境樣品中N2O的分析測試[19，20]。即利用氣罩內一段時間N2O濃度增加的斜率計算釋放通量，計算公式如下:J=(dc/dt)(P/P0)(T0/T)(M/V0)(V/s)(1)式中:J為氣體通量(μg/(m· h))，dc/dt為采樣時氣體體積分數隨時間變化的回歸曲線斜率(mL/(m3· min))，M 為被測氣體N2O 摩爾質量(g/mol)，P為采樣點氣壓(Pa)，T為采樣時絕對溫度(K)，V0?P0?T0 分別為標準狀態下的氣體摩爾體積(mL/mol)?空氣氣壓(Pa)和絕對溫度(K)，V為采氣罩體積(m3)，S為采氣罩覆蓋面積(m2)。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
對于魚池，有曝氣，根據Hu等[21]描述的方法采氣，利用采氣罩內一段時間N2O濃度的平均值計算釋放通量，計算公式如下:J=Q·C·M·P/(R·T·S) (2)式中:J為氣體通量(μg/(m2· h))，Q為養魚箱曝氣量(m3/h)，C為各采樣點N2O平均濃度(mL/m3)，M?P?T同上，R為通用氣體常數8.314J/(mol·K)，S為采氣罩覆蓋面積(m2)。
詳情請下載：魚菜共生系統氮素遷移轉化的研究與優化
