魚(yú)菜共生系統(tǒng)氮素遷移轉(zhuǎn)化的研究與優(yōu)化

　　中國(guó)是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國(guó)，2011年，我國(guó)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(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖仍采用以高密度､高投餌率､高換水率為特點(diǎn)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(fèi)，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(yú)菜共生系統(tǒng)被認(rèn)為是解決這一問(wèn)題的有效方法。所謂魚(yú)菜共生系統(tǒng)，是指將水產(chǎn)養(yǎng)殖與蔬菜水培種植有機(jī)結(jié)合，利用魚(yú)､植物和微生物之間的相互作用產(chǎn)出魚(yú)和菜2種經(jīng)濟(jì)作物[7]。魚(yú)菜共生系統(tǒng)作為封閉的生態(tài)系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程中不向周圍環(huán)境排放廢水，可避免氮元素對(duì)周圍水體的污染。投入系統(tǒng)的魚(yú)餌料中氮元素最終大部分在魚(yú)生物量及菜生物量中積累，氮素利用率提高。目前，對(duì)該系統(tǒng)的研究基本集中在優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，Liang等[8]發(fā)現(xiàn)延長(zhǎng)光照周期及增加喂食頻率可以提高魚(yú)和菜的產(chǎn)量;Roosta等[9]發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在植物葉面噴灑鉀，可避免蔬菜營(yíng)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(duì)魚(yú)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(píng)估系統(tǒng)的能量流動(dòng)，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(guò)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?dú)怏w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(jī)結(jié)合，魚(yú)菜共生系統(tǒng)也是一個(gè)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(guò)建立實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的魚(yú)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(duì)系統(tǒng)中N2O的釋放情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)進(jìn)行對(duì)比，探究其在溫室氣體釋放方面有無(wú)優(yōu)勢(shì)。另外，嘗試采用填料級(jí)配分層､添加硝化細(xì)菌等方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

　　1 材料與方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與運(yùn)行本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)間為2014年3月30日至5月23日，共53d。實(shí)驗(yàn)設(shè)有3個(gè)處理組(A､B､C)，每個(gè)處理組有2個(gè)平行，A處理組為常規(guī)魚(yú)菜共生系統(tǒng)，作為對(duì)照;B處理組每周添加2粒市售BIOZYM淡水魚(yú)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(jí)配分層，為硝化細(xì)菌的生長(zhǎng)提供充足的氧氣。每套裝置由魚(yú)箱､菜箱､蠕動(dòng)泵､鼓風(fēng)機(jī)及曝氣頭組成。實(shí)驗(yàn)選用的魚(yú)種為鯉魚(yú)(CyprinuscarpioL.)，菜苗品種為散葉生菜(Lactucasativavar.crispaL.)。

　　魚(yú)箱置于地面上，菜箱置于距地面65cm的水泥臺(tái)上。魚(yú)箱內(nèi)養(yǎng)殖水體有效體積為100L，養(yǎng)殖水體通過(guò)蠕動(dòng)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(guò)濾魚(yú)排泄的廢物，同時(shí)為微生物的附著生長(zhǎng)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(yú)箱，完成一個(gè)循環(huán)。魚(yú)菜共生系統(tǒng)為全封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，除補(bǔ)充因蒸發(fā)､蒸騰作用散失的水分，與周圍環(huán)境無(wú)水體交換。魚(yú)箱配有蓋子，保持避光狀態(tài)，抑制藻類生長(zhǎng)。

　　實(shí)驗(yàn)所用鯉魚(yú)魚(yú)種質(zhì)量在40~80g之間，隨機(jī)分配到各魚(yú)箱內(nèi)，設(shè)計(jì)養(yǎng)殖密度為10kg/m3，即每個(gè)魚(yú)箱內(nèi)鯉魚(yú)總質(zhì)量為1000g左右。采用鼓風(fēng)曝氣為魚(yú)箱內(nèi)鯉魚(yú)生長(zhǎng)提供氧氣，調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)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(yú)餌料為市售含蛋白質(zhì)含量32%，含水率10%的漂浮型魚(yú)糧。喂食量根據(jù)Ako等[13]提供的方法并略作修改，投入魚(yú)糧15min后，根據(jù)所剩魚(yú)糧顆粒數(shù)調(diào)整下次喂食量，直至所剩魚(yú)糧顆粒數(shù)占投入顆粒的5% ~10%，為防止殘余魚(yú)糧污染水質(zhì)，攝食結(jié)束后將未食用魚(yú)糧撈出，并估算其質(zhì)量。另外，為保障植物正常生長(zhǎng)，防止葉面枯黃，每周均向各個(gè)魚(yú)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(zhǎng)的最佳條件，且對(duì)鯉魚(yú)生長(zhǎng)無(wú)害[14，15]。

　　1.2 分析測(cè)試方法

　　1.2.1 水質(zhì)理化參數(shù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主要對(duì)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(cè)定，以上項(xiàng)目均采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測(cè)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(shí)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(cè)試。

　　同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量水體溫度､pH､電導(dǎo)率､溶解氧，并記錄每天每個(gè)魚(yú)箱內(nèi)餌料投加量以及補(bǔ)充水量。

　　1.2.2 N2O釋放通量

　　在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，利用采氣罩對(duì)魚(yú)箱和菜箱進(jìn)行采氣，采樣時(shí)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(shí)用大氣采樣泵將氣體采集到專用鋁箔氣體采樣袋中。同時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)期間采樣箱內(nèi)的氣溫､水溫及采樣點(diǎn)壓強(qiáng)，氣體樣品N2O濃度采用Wu等[17]描述的方法測(cè)定。

　　對(duì)于菜箱，無(wú)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(cè)試[19，20]。即利用氣罩內(nèi)一段時(shí)間N2O濃度增加的斜率計(jì)算釋放通量，計(jì)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(shí)氣體體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的回歸曲線斜率(mL/(m3· min))，M 為被測(cè)氣體N2O 摩爾質(zhì)量(g/mol)，P為采樣點(diǎn)氣壓(Pa)，T為采樣時(shí)絕對(duì)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(duì)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(jiàn)http://www.yiban123.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。

　　對(duì)于魚(yú)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(shí)間N2O濃度的平均值計(jì)算釋放通量，計(jì)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(yú)箱曝氣量(m3/h)，C為各采樣點(diǎn)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)。

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