中國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國，2011年，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量和產(chǎn)值分別占世界水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量和產(chǎn)值的61.60%和47.42%[1]。但是，目前我國水產(chǎn)養(yǎng)殖仍采用以高密度､高投餌率､高換水率為特點的傳統(tǒng)方法[2]，在養(yǎng)殖水體中隨著餌料､糞便等物質(zhì)的積累，大量氮元素(NH+4-N，NO-2-N，NO-3-N)隨著養(yǎng)殖廢水的排放被排到周圍環(huán)境中，既造成了浪費，又引起周圍水體富養(yǎng)化，給環(huán)境造成了負(fù)面影響[3-6]。魚菜共生系統(tǒng)被認(rèn)為是解決這一問題的有效方法。所謂魚菜共生系統(tǒng)，是指將水產(chǎn)養(yǎng)殖與蔬菜水培種植有機結(jié)合，利用魚､植物和微生物之間的相互作用產(chǎn)出魚和菜2種經(jīng)濟(jì)作物[7]。魚菜共生系統(tǒng)作為封閉的生態(tài)系統(tǒng)，運行過程中不向周圍環(huán)境排放廢水，可避免氮元素對周圍水體的污染。投入系統(tǒng)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(tǒng)的研究基本集中在優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計上，Liang等[8]發(fā)現(xiàn)延長光照周期及增加喂食頻率可以提高魚和菜的產(chǎn)量;Roosta等[9]發(fā)現(xiàn)，通過在植物葉面噴灑鉀，可避免蔬菜營養(yǎng)元素缺乏癥狀。但迄今為止，關(guān)于系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究較少。對魚菜共生系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的深入研究，可以更好評估系統(tǒng)的能量流動，為該系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

　　此外，在氮素遷移轉(zhuǎn)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(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)作物種植均已被認(rèn)定是N2O的重要人為排放源[12]，作為二者的有機結(jié)合，魚菜共生系統(tǒng)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(guī)模的魚菜共生系統(tǒng)，研究該系統(tǒng)中氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，并對系統(tǒng)中N2O的釋放情況進(jìn)行監(jiān)測，與傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行對比，探究其在溫室氣體釋放方面有無優(yōu)勢。另外，嘗試采用填料級配分層､添加硝化細(xì)菌等方式對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)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(jì)南市百花公園內(nèi)，實驗時間為2014年3月30日至5月23日，共53d。實驗設(shè)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(guī)魚菜共生系統(tǒng)，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(xì)菌，增加硝化細(xì)菌的數(shù)量，硝化細(xì)菌為膠囊顆粒，每粒含硝化細(xì)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(xì)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(fēng)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(nèi)養(yǎng)殖水體有效體積為100L，養(yǎng)殖水體通過蠕動泵提升至菜箱內(nèi)，滴濾進(jìn)入珍珠巖基質(zhì)，循環(huán)速率為200L/d。養(yǎng)殖廢水滴濾進(jìn)入珍珠巖基質(zhì)，該基質(zhì)充當(dāng)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(yǎng)殖廢水在菜箱內(nèi)被凈化后，在重力作用下回流至魚箱，完成一個循環(huán)。魚菜共生系統(tǒng)為全封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，除補充因蒸發(fā)､蒸騰作用散失的水分，與周圍環(huán)境無水體交換。魚箱配有蓋子，保持避光狀態(tài)，抑制藻類生長。

　　實驗所用鯉魚魚種質(zhì)量在40~80g之間，隨機分配到各魚箱內(nèi)，設(shè)計養(yǎng)殖密度為10kg/m3，即每個魚箱內(nèi)鯉魚總質(zhì)量為1000g左右。采用鼓風(fēng)曝氣為魚箱內(nèi)鯉魚生長提供氧氣，調(diào)節(jié)氣體流量計設(shè)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(fā)達(dá)的生菜幼苗移栽到菜箱內(nèi)。

　　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(xì)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(zhì)含量32%，含水率10%的漂浮型魚糧。喂食量根據(jù)Ako等[13]提供的方法并略作修改，投入魚糧15min后，根據(jù)所剩魚糧顆粒數(shù)調(diào)整下次喂食量，直至所剩魚糧顆粒數(shù)占投入顆粒的5% ~10%，為防止殘余魚糧污染水質(zhì)，攝食結(jié)束后將未食用魚糧撈出，并估算其質(zhì)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(nèi)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(zhì)理化參數(shù)實驗過程中主要對養(yǎng)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(jìn)行測定，以上項目均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)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(biāo)簽的100mL聚乙烯瓶中，并立即放至冰箱內(nèi)4℃保存，24h內(nèi)完成測試。

　　同時，現(xiàn)場測量水體溫度､pH､電導(dǎo)率､溶解氧，并記錄每天每個魚箱內(nèi)餌料投加量以及補充水量。

　　1.2.2 N2O釋放通量

　　在系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，利用采氣罩對魚箱和菜箱進(jìn)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(nèi)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(jù)Zhang等[18]描述的靜態(tài)箱法采氣，該方法廣泛用于環(huán)境樣品中N2O的分析測試[19，20]。即利用氣罩內(nèi)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?jǐn)?shù)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(zhì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)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http://www.northcarolinalenders.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　對于魚池，有曝氣，根據(jù)Hu等[21]描述的方法采氣，利用采氣罩內(nèi)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(yǎng)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(shù)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(tǒng)氮素遷移轉(zhuǎn)化的研究與優(yōu)化