鱼菜共生系统对水质净化的研究进展

聂凌云，杨昌珍，皮杰

（1．湖南农业大学动物科学技术学院，湖南 长沙410128；2.常德市畜牧水产事务中心，湖南 常德415100；3.湖南应用技术学院，湖南 常德415100）

1 鱼菜共生系统

1.1 概念与起源

“鱼菜共生”是将鱼类养殖和植物种植进行融合，利用二者的生物特性共同实现循环发展的一种绿色生态种养模式，是在传统农业模式基础上的伟大探索和革新。一个成功的鱼菜共生系统必须同时考虑鱼类和植物种类的最佳选择以及最适宜的种养技术[1]，它的最大优势是养鱼无需换水、种菜不必施肥[2]。鱼菜共生系统最早的雏形源自稻田养鱼，而稻田养鱼早在古代中国和一些东南亚国家（如泰国）就已经开始推广。美国最早在20世纪70年代开始研究鱼菜共生技术，构建一个封闭的鱼菜共生系统，将蔬菜种植在水产养殖系统中，来过滤养殖尾水[9]。尽管稻田养鱼在我国历史悠久，但系统的研究鱼菜共生系统起步较晚，最早于1997年，由丁永良等[10]提出鱼菜共生系统在水体净化上是可行的，才逐渐开展这方面的研究。随着水产养殖业的不断发展，集约化高密度养殖在带来巨大收益的同时，也带来许多新的环境问题，尤其是水环境方面的问题。研究表明，所投喂的饲料中仅有20%～50%的氮和15%～65%的磷被鱼体吸收，大量的排泄物与饲料残渣极易在微生物作用下分解出对水生生物生存大量有害的氨与硝酸盐等，导致养殖水体富营养化[8]。为此，人们不断探索能有效降低水体污染的养殖模式。通过研究者几十年来不断的探索与改进，逐渐形成今天相对成熟的鱼菜共生系统，破解当前的水产养殖的困局[11]。

1.2 主要模式

鱼菜共生系统中，多数淡水养殖种类都可养殖，常见的有罗非鱼、鲇鱼、鲈鱼、蓝鳃鱼、鳟鱼、罗氏沼虾、台湾鲷、乌鳢、鲫鱼和鲤鱼等[3-5]；常种植的植物包括罗勒、沙拉绿叶蔬菜、非罗勒草本植物、西红柿、莴苣、甘蓝、甜菜、白菜、辣椒、黄瓜、丝瓜、水芹菜、菱角、水稻等[5-6]。这些养殖对象与植物的组合形成了多种种养模式，主要可以分为传统模式和现代模式。传统模式包括：稻田养鱼，桑基鱼塘等。农民会把鱼养殖在稻田里，通过鱼摄食害虫，抑制杂草生长，同时疏松土壤，促进水稻的生长，达到鱼稻田的互利共生，这就是常说的稻田养鱼[12]。在传统模式的基础上，科研工作者探索出了关系更为复杂的现代模式，包括：“鱼-菜”模式，“鱼-菜-畜禽”模式等，如叶卫东等[13]介绍了生态关系更复杂的“虫-鱼-鸭-菜”复合生态模式；眭辉金和张凯[14]介绍了“空心菜-鱼-兔-羊”高产高效的生态养殖模式。相较于传统模式，现代模式更高效更稳定，共生技术也由原来的直接共生演变成开环共生和闭环共生，很大程度上提高了水资源的循环利用率[15]。

2 鱼菜共生系统对水质的影响

2.1 对透明度和溶解氧的影响

光照是水体初级生产力的先决条件，水体透明度的高低直接影响着初级生产力的大小，进而影响水体生态系统的稳定性[15]。汤佩武[16]的研究表明，水蕹菜浮床的设置对水体透明度的影响较明显，试验塘水体透明度保持在25 cm左右，高于对照塘，这与薛洋等[17]的研究相一致，说明鱼菜共生系统能有效地提高水体的透明度。有研究认为，浮床面积过大会影响空气中氧气向水中的溶解，造成溶解氧的含量偏低[18]。邴旭文等[19]研究表明：当浮床覆盖率不超过20%，对水中溶解氧的含量影响不显著。汤佩武[16]的研究表明，水蕹菜浮床面积控制在5%和10%，池塘溶解氧含量平均值维持在3 mg/L以上且高于对照池塘。李文祥等[20]研究进一步表明，在水雍菜覆盖率10%的情况下，虽然对营养物的移除率有限，但是能抑制蓝藻水华的发生，保持水体较高的透明度，且不影响水体的溶解氧和pH值。由此可知，当植物覆盖率稳定在一个合适的范围（10%~20%），不但不会降低水体的溶解氧反而会提高，且改善水体的透明度。植物生态浮床有效改善了养殖环境中的微生态平衡，这些微生物的变化最终产生了一种“综合效应”有效地改善了养殖环境，促使水体中溶解氧含量的增加[21]。另外，饶伟等[22]通过对鱼菜共生系统的溶解氧含量的时空变化规律研究表明，溶解氧在鱼池中随垂直深度增加而减小，相关系数范围为－0.9～－0.7，溶解氧在水培槽中随水平距离增加而减小，相关性范围为－0.9～－0.8，此研究结果为鱼菜共生系统溶解氧研究提供了一定理论依据。综上所述，鱼菜共生系统中控制好浮床的比例能有效地改善养殖水体的透明度和溶解氧，从而改善养殖水体，为养殖对象提供良好的生长环境。

2.2 对化学需氧量的影响

有研究认为浮床植物系统对化学需氧量的去除主要依靠植物的根系吸附及根系附着微生物降解作用[34]。薛洋[17]等人在研究鱼菜共生系统对池塘水体净化的影响研究中指出，对照塘的化学需氧量基本上高于试验塘，在11月对照塘化学需氧量达到最高，为13.75 mg/L，3个试验塘池塘水体的化学需氧量均在12.7 mg/L以下。李文祥等[20]人研究发现水蕹菜在春季和秋季生长旺盛，而在炎热的夏季生长缓慢，在养殖中后期水蕹菜吸收营养物的效果最好，使得水体中的化学需氧量明显低于对照塘。由此可见，在鱼菜共生系统中，由于植物根部吸附水体中有机物，能够有效降低水体中有机物的含量和化学需氧量，使水体营养维持在较健康水平。

2.3 对氮和磷的影响

氮、磷是水产养殖生态系统中物质循环的重要元素，同时也是养殖水体污染的重要指标[23]，养殖水体中浓度过高的NH4+-N（大于5 mg/L）和NO2-N（大于0.1 mg/L）对养殖生物不利[25]。研究表明，水体中NH4+-N去除的主要途径有植物吸收、硝化反应和氨挥发等[24]，在鱼菜共生系统中栽种水蕹菜，降低养鱼废水中总氨（78.32%～85.48%）、亚硝酸盐（82.93%～92.22%）、硝酸盐（79.19%～87.10%）和正磷酸盐含量（75.36%～84.94%），使水资源可以更好的重复利用[28]。张明华等[26]的研究表明，蔬菜栽培对养殖水体具有净化作用，整个试验过程中，氨氮的含量先下降后上升，这与史丽娜等[27]人的研究结果一致。宋红桥等[29]在水培植物净化对循环水养殖系统实验的结论中表明：在循环率为20次/d的罗非鱼循环水养殖系统中，栽培区域进出水口对氨氮吸收去除率平均为8.3%，亚硝酸盐氮吸收去除率平均值为16.3%，硝酸盐氮吸收去除率平均值为16.2%，整套试验系统水力负荷为10 m3/（m2·d），对总氮的平均去除负荷为9.5 g/（m2·d）。有研究发现在养殖水体中若水蕹菜浮床有足够的停留时间，其对氨态氮的净化效果比硝态氮更好[20]，向坤[30]的研究同样发现水蕹菜生态浮床对工厂化甲鱼养殖水体氨态氮的去除率高于硝态氮，这与大多数研究结果一致[16，31]。蔡淑芳等[32]人通过对3种不同植物密度系统对水质的影响研究，发现植物密度为45株/m2组的系统具有较高的氮素转化率，其平均硝酸盐氮质量浓度最高。

周玲[33]等研究指出，在精养模式下罗非鱼对输入饲料磷的利用率为29.15%~44.54%，饲料投喂量为0.9 kg，系统磷总输入量约为7.2 g，而试验终止时养殖区总磷浓度为0.68 mg/L，增加量仅为0.091 g，说明栽培区的水蕹菜在降低磷含量的过程中发挥重要作用。汤佩武[16]实验也指出不同覆盖面积的水蕹菜浮床对西北盐碱池塘水体总磷的最大去除率分别为26.9%和39.3%，水体总磷浓度没有随水蕹菜的不断生长而呈持续降低趋势，这也一样表明总磷去除的主要途径很可能是水雍菜根系以及附着物对悬浮状态的磷的吸附。史丽娜等[27]人在鱼腥草浮床对于吉富罗非鱼养殖水体影响研究时表明总磷在整个养殖期间呈波动下降的趋势，试验塘总磷浓度始终低于对照塘，且差异具统计学意义（P＜0.05），表明鱼腥草对养殖池塘总磷的具有调节作用，使其保持在较低的水平。综上所述，鱼菜共生系统通过植物发达的根系直接或间接吸收利用水体中的氮和磷，降低营养物的含量，达到净化水质，改善养殖鱼类生活环境的作用，实现鱼菜共生的生态种养。

3 存在的问题与展望

目前对于鱼菜共生系统的研究越来越多，对各式各样的鱼菜共生系统的研究范围很广，但缺乏深入的研究，其中大多数还是停留在对各项水质指标的影响这个层面，对于系统内各元素的转化和相互作用的研究还很少。尽管养殖水体氮、磷的含量较高，但植物的生长还需要其他的元素，尤其是微量元素，李晗溪等[36]研究表明，铁元素调控鱼菜共生系统对氮和磷的净化作用明显。通过了解植物吸收利用转化的调控机制及影响因素，这对提高植物水质净化的能力尤其是在共生系统的后期有重要意义。除了微量元素，植物的生长受光照、温度、pH值以及植物之间的相互作用等影响，目前已有植物密度、pH、溶解氧、温度[37，38]对氮素转化影响的研究，但主要都是单一的植物种植为主，多植物联合作用的净化研究开展的较少，且还可以从栽培区水停留时间、栽培方式、覆盖面积等方面进行进一步的研究。

微生物是生态系统中最庞大、最复杂的存在，不仅直接利用氮、磷等元素，同时也加快了各元素的转化与流动[35]。鱼菜共生系统对水体的净化机理相当复杂，微生物作为养殖池塘生态系统的重要组成部分，在鱼菜共生的水质净化上也有着重要的作用。有研究证实，种植基质中微生物组成多样性越高、群落结构越复杂，越能促进植物的生长，单一细菌与真菌菌群对植物生长甚至产生抑制作用[39]。氮循环是鱼菜共生系统的核心过程，长期以来科研界普遍认为微生物对植物生长的促进作用主要体现在固氮作用和磷转化[40]。一般认为，浮床植物根系区，易形成利于循环细菌的好氧-缺氧-厌氧的微环境，能提高循环细菌的数量及细菌群落多样性，从而更有效地去除氮[41]。有研究发现，根瘤菌可侵入非豆科植物根内，对促进植物生长有益，尤其是对某些水生植物，如水稻的生长和增产大有帮助[42]。目前，从微生物角度对鱼菜共生系统对水质净化的影响的科学解释还尚少。尽管杨天燕等[40]和李建柱等[43]人利用宏基因组测序手段和生物信息技术，对鱼菜共生系统里的微生物群落和多样性做出分析，但加强或减弱鱼菜共生系统对水质净化的菌群种类尚不清楚。固氮菌、根瘤菌在氮素循环里有着重要的作用，新鞘氨醇杆菌能有效降解芳香族化合物如苯酚、苯胺等[44]。这些微生物在鱼菜生态系统中的作用种类，相互作用机理，对水质净化的影响值得进一步研究。

4 总结

相较于传统、单一的物理和化学净化方法，作为生态修复范畴的鱼菜共生技术，因显著的经济和生态效益而倍受关注，并逐渐从单一的传统模式向更多元的现代模式转变。它实现了水、鱼、菜的和谐共处，在水质净化的应用上前景广阔。大量研究结果证明，鱼菜共生系统能有效地减低水体氮、磷的含量，提高透明度，控制水中有机物的含量和降低化学需氧量，改善和净化水质。对于氮、磷的去除和背后元素的转化以及微生物协同作用的研究将是未来探究的重点。