鱼菜共生系统氮素迁移转化的研究与优化

2017-03-15 08:51:49 7

  中国是世界水产养殖第一大国,2011年,我国水产养殖产量和产值分别占世界水产养殖总产量和产值的61.60%和47.42%[1]。但是,目前我国水产养殖仍采用以高密度、高投饵率、高换水率为特点的传统方法[2],在养殖水体中随着饵料、粪便等物质的积累,大量氮元素(NH+4-N,NO-2-N,NO-3-N)随着养殖废水的排放被排到周围环境中,既造成了浪费,又引起周围水体富养化,给环境造成了负面影响[3-6]。鱼菜共生系统被认为是解决这一问题的有效方法。所谓鱼菜共生系统,是指将水产养殖与蔬菜水培种植有机结合,利用鱼、植物和微生物之间的相互作用产出鱼和菜2种经济作物[7]。鱼菜共生系统作为封闭的生态系统,运行过程中不向周围环境排放废水,可避免氮元素对周围水体的污染。投入系统的鱼饵料中氮元素最终大部分在鱼生物量及菜生物量中积累,氮素利用率提高。目前,对该系统的研究基本集中在优化系统设计上,Liang等[8]发现延长光照周期及增加喂食频率可以提高鱼和菜的产量;Roosta等[9]发现,通过在植物叶面喷洒钾,可避免蔬菜营养元素缺乏症状。但迄今为止,关于系统中氮素迁移转化规律的研究较少。对鱼菜共生系统中氮素迁移转化规律的深入研究,可以更好评估系统的能量流动,为该系统的进一步优化提供理论基础。

  此外,在氮素迁移转化过程中,可能生成氧化亚氮(N2O)[10]。N2O是一种重要的温室气体,其单分子全球温室升温潜能是CO2 的296倍,并且是破坏大气臭氧层的重要气体之一[11]。水产养殖和农作物种植均已被认定是N2O的重要人为排放源[12],作为二者的有机结合,鱼菜共生系统也是一个潜在的N2O释放源。但是,目前尚缺乏这方面的研究。

  本论文通过建立实验室规模的鱼菜共生系统,研究该系统中氮素的迁移转化规律,并对系统中N2O的释放情况进行监测,与传统水产养殖业进行对比,探究其在温室气体释放方面有无优势。另外,尝试采用填料级配分层、添加硝化细菌等方式对系统进行优化。

  1 材料与方法

  1.1 实验装置与运行本次实验所使用的装置如图1所示。该装置位于山东省济南市百花公园内,实验时间为2014年3月30日至5月23日,共53d。实验设有3个处理组(A、B、C),每个处理组有2个平行,A处理组为常规鱼菜共生系统,作为对照;B处理组每周添加2粒市售BIOZYM淡水鱼专用硝化细菌,增加硝化细菌的数量,硝化细菌为胶囊颗粒,每粒含硝化细菌干粉末0.48g;C处理组的蔬菜种植部分采用填料级配分层,为硝化细菌的生长提供充足的氧气。每套装置由鱼箱、菜箱、蠕动泵、鼓风机及曝气头组成。实验选用的鱼种为鲤鱼(CyprinuscarpioL.),菜苗品种为散叶生菜(Lactucasativavar.crispaL.)。

  鱼箱置于地面上,菜箱置于距地面65cm的水泥台上。鱼箱内养殖水体有效体积为100L,养殖水体通过蠕动泵提升至菜箱内,滴滤进入珍珠岩基质,循环速率为200L/d。养殖废水滴滤进入珍珠岩基质,该基质充当生物滤池,过滤鱼排泄的废物,同时为微生物的附着生长提供巨大的表面积。养殖废水在菜箱内被净化后,在重力作用下回流至鱼箱,完成一个循环。鱼菜共生系统为全封闭式循环水养殖系统,除补充因蒸发、蒸腾作用散失的水分,与周围环境无水体交换。鱼箱配有盖子,保持避光状态,抑制藻类生长。

  实验所用鲤鱼鱼种质量在40~80g之间,随机分配到各鱼箱内,设计养殖密度为10kg/m3,即每个鱼箱内鲤鱼总质量为1000g左右。采用鼓风曝气为鱼箱内鲤鱼生长提供氧气,调节气体流量计设计曝气量为0.1m3/h,维持溶解氧浓度始终在6mg/L以上。在正式实验开始时选取植株健康、根系发达的生菜幼苗移栽到菜箱内。

  菜箱中,生菜种植密度为18株/m2。A组和B组填充粒径4~6mm的珍珠岩,填充厚度为30cm,C组菜箱自下至上分别填充10cm粒径2~3cm粗砾石,10cm粒径1~2cm细砾石和10cm珍珠岩。

  在本次研究中,采用人工喂食法,鱼饵料为市售含蛋白质含量32%,含水率10%的漂浮型鱼粮。喂食量根据Ako等[13]提供的方法并略作修改,投入鱼粮15min后,根据所剩鱼粮颗粒数调整下次喂食量,直至所剩鱼粮颗粒数占投入颗粒的5% ~10%,为防止残余鱼粮污染水质,摄食结束后将未食用鱼粮捞出,并估算其质量。另外,为保障植物正常生长,防止叶面枯黄,每周均向各个鱼箱内添加Fe-EDTA(Fe2+浓度5000mg/L)[13],前3周每箱添加40ml,自第4周及以后添加50mL,维持Fe2+浓度2~2.5mg/L,此浓度为生菜生长的最佳条件,且对鲤鱼生长无害[14,15]。

  1.2 分析测试方法

  1.2.1 水质理化参数实验过程中主要对养殖水体中的总氨氮(TAN)、亚硝酸盐氮(NO-2-N)、硝酸盐氮(NO-3-N)进行测定,以上项目均采用国家标准方法进行测定[16],总氨氮采用纳氏试剂光度法,亚硝酸盐氮采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法,硝酸盐氮采用紫外分光光度法。水体取样时间为上午10:00,水样放在带标签的100mL聚乙烯瓶中,并立即放至冰箱内4℃保存,24h内完成测试。

  同时,现场测量水体温度、pH、电导率、溶解氧,并记录每天每个鱼箱内饵料投加量以及补充水量。

  1.2.2 N2O释放通量

  在系统运行稳定后,利用采气罩对鱼箱和菜箱进行采气,采样时间为上午10:00~12:00,在安置好采样箱后的0、20、40、60、80、100和120min时用大气采样泵将气体采集到专用铝箔气体采样袋中。同时记录实验期间采样箱内的气温、水温及采样点压强,气体样品N2O浓度采用Wu等[17]描述的方法测定。

  对于菜箱,无曝气,根据Zhang等[18]描述的静态箱法采气,该方法广泛用于环境样品中N2O的分析测试[19,20]。即利用气罩内一段时间N2O浓度增加的斜率计算释放通量,计算公式如下:J=(dc/dt)(P/P0)(T0/T)(M/V0)(V/s)(1)式中:J为气体通量(μg/(m· h)),dc/dt为采样时气体体积分数随时间变化的回归曲线斜率(mL/(m3· min)),M 为被测气体N2O 摩尔质量(g/mol),P为采样点气压(Pa),T为采样时绝对温度(K),V0、P0、T0 分别为标准状态下的气体摩尔体积(mL/mol)、空气气压(Pa)和绝对温度(K),V为采气罩体积(m3),S为采气罩覆盖面积(m2)。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  对于鱼池,有曝气,根据Hu等[21]描述的方法采气,利用采气罩内一段时间N2O浓度的平均值计算释放通量,计算公式如下:J=Q·C·M·P/(R·T·S) (2)式中:J为气体通量(μg/(m2· h)),Q为养鱼箱曝气量(m3/h),C为各采样点N2O平均浓度(mL/m3),M、P、T同上,R为通用气体常数8.314J/(mol·K),S为采气罩覆盖面积(m2)。

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