优化罗勒鱼菜共生系统：营养膜技术和深水养殖系统的不同优势

《Journal of Sustainable Agriculture and Environment》：Optimizing Basil Aquaponics: Divergent Advantages of Nutrient Film and Deep-Water Culture Systems

优化水循环与资源利用效率的罗勒生长模式比较研究

　　在水资源日益紧张的背景下，结合水产养殖与水培技术的循环水培系统（Aquaponics）作为一种闭环生产模式，正在成为提升资源利用效率和可持续性的重要手段。作为一种高价值的香草作物，罗勒（*Ocimum basilicum* L.）在水培系统中被广泛研究，尤其在营养和灌溉管理方面。然而，尽管已有大量研究关注罗勒在不同系统架构下的生长表现，但目前仍缺乏对NFT（营养液膜技术）和DWC（深水培）两种系统中罗勒生长动态的系统性比较。本研究首次全面评估了罗勒在NFT和DWC系统中的生长动态，评估时间为播种后40天和70天（DAS）。采用因子实验框架，量化了鱼的生长、罗勒生物量、水分利用效率（WUE）、色素组成和生化特性。研究发现，NFT系统在两个生长阶段均表现出更高的水分利用效率，相较于DWC系统分别提升了45%和49%。然而，DWC系统则在鱼的生产性能、罗勒生物量积累、叶绿素和类胡萝卜素含量以及代谢物组成方面表现更为突出，特别是在70 DAS阶段。两种系统在生长阶段依赖性上均出现了水分利用效率的下降，NFT和DWC分别减少了12.2%和14.4%。这些结果突显了NFT和DWC系统在功能上的差异，并为优化系统设计以最大化罗勒产量和资源效率提供了关键见解，特别是在水资源有限的农业生态系统中。

在阿拉伯联合酋长国（UAE）这样的干旱至超干旱地区，水资源短缺是农业生产的首要限制因素。根据世界银行的数据，从1991年到2020年，UAE的年平均降水量仅为约78毫米（约3.1英寸），突显了其极端干燥的环境特征。尽管农业仍然是该国最大的淡水消费部门，但其对国家GDP的贡献却相对有限，仅占不到1%（Ammar, 2022）。该国2023年的GDP达到约5141.3亿美元，表明农业在经济结构中的作用相对较小（Worldometers, 2025）。这一结构性限制在气候变化的背景下进一步加剧，UAE的高温室气体排放也加重了环境脆弱性。因此，确保粮食安全成为关键议题：该国约90%的食品供应依赖进口，使其极易受到全球供应链波动和国际市场变化的影响（Ammar, 2022；Degefa, 2022）。这种依赖凸显了提升本地粮食生产能力的战略重要性。为应对这一挑战，阿联酋政府已将开发抗逆的替代性食品生产系统，包括无土栽培和控制环境农业（CEA），作为其国家愿景的一部分，旨在减少对进口的依赖（Al Qaydi, 2016）。这些举措嵌入在如《2051年国家粮食安全战略》等综合性政策框架中，并通过如“阿联酋粮食安全委员会”等机构进行实施，旨在增强国内农业产出并保障长期粮食主权（Al-Qodsi et al., 2024）。

水培技术作为一种可持续的食品生产范式，尤其适合于水资源稀缺和干旱地区，被广泛视为应对气候变化的智慧农业创新，与联合国可持续发展目标（SDGs）相契合（Oliveira et al., 2020；Ibrahim et al., 2023）。水培系统作为循环、封闭式系统，整合了水产养殖与水培，其水分利用效率（WUE）可达到近90%（Nishanth et al., 2024；Nair et al., 2025）。这种高效率在干旱和半干旱地区尤为关键，因为传统农业在淡水稀缺的情况下受到严重制约。此外，水培系统显著减少了对合成肥料的依赖，因为系统内的营养循环和生物相互作用调节了植物营养和害虫动态。通过将水产养殖与无土植物栽培结合，水培已被证明能够提高高价值香草作物如罗勒和香菜的作物性能和营养质量（Nishanth et al., 2024）。集成试验中，共养罗非鱼和黄瓜的系统在一个紧凑的生产模块内达到了高达3.2吨黄瓜和0.5吨罗非鱼的产量（Subramanian and Bilal, 2022）。此外，水培不仅是一种生产技术，还成为城市创新的典范。其在可持续住房设计中的应用展示了其在土地资源有限的密集城市中作为本地化食品生产策略的潜力（Mohanan et al., 2023）。在阿联酋的本地研究中，水培系统在沙漠气候中表现出显著的适用性。在封闭水培系统中种植罗勒和香菜，其生物量、营养吸收和抗氧化活性均显著高于传统土壤农业，同时实现了超过90%的节水效果（Nishanth et al., 2024）。这些属性使水培成为一种变革性的可持续集约化生产方式，为粮食安全和水资源稀缺地区的双重挑战提供了多方面的解决方案。

罗勒（*Ocimum basilicum* L.）作为唇形科的高价值香草植物，因其高市场需求而成为水培研究的理想模型。该物种具有显著的适应性，能在传统土壤系统和先进的无土栽培技术中良好生长。罗勒在无土系统中的表现也显示出显著的农业可塑性：在适当营养管理下，其能容忍严格水培条件，如低磷和高盐度。同时，其在水培系统中的生长表现强于水培，这表明系统配置在决定生长效率和产量方面起着决定性作用（Germano et al., 2022）。因此，系统架构成为关键的生产决定因素，强调了对系统特定影响进行严格评估的必要性。

尽管水培技术作为可持续农业策略的重要性日益凸显，但对不同系统设计下作物性能的系统性评估仍较为有限。特别是在阿联酋这样的干旱地区，系统架构可能对水和营养利用效率产生显著影响。因此，理解不同设计下植物生长反应的变化，对于制定资源高效的生产策略至关重要。此外，在关键生长阶段（如40和70天后）进行比较评估，有助于识别产量和可持续性优势的高峰期。40天后代表中期生长，此时罗勒植物已基本建立并处于旺盛的生长阶段。70天后则对应接近成熟期，此时植物达到最大生物量和质量以供收获。因此，本研究旨在对两种不同的水培设计——深水培（DWC）和营养液膜技术（NFT）——在40和70天后进行严格评估，涵盖鱼类生长、罗勒生长表现、生理反应和营养成分，以及整体系统性能。

本研究的实验设计在阿联酋大学农业与兽医医学学院的Falaj Hazza研究站的聚碳酸酯温室中进行。实验采用NFT和DWC两种系统设计，并在两个生长阶段（40天和70天后）评估罗勒的生长表现。NFT系统通过倾斜的PVC渠道，使营养液在植物根部形成薄层，促进营养液的循环利用。而DWC系统则通过浮筏悬浮罗勒植物，使根部完全浸没在富含营养的水体中。两种系统均采用相同的鱼类饲养密度（每系统50条鱼），确保了营养输入的可比性。实验过程中，每周监测pH值、溶解氧（DO）、电导率（EC）、总溶解固体（TDS）、氨（NH?-N）、亚硝酸盐（NO??-N）和硝酸盐（NO??-N）等水质参数，以确保植物和鱼类的生长条件处于最佳状态。本研究的结果不仅提供了NFT和DWC系统在罗勒生长性能方面的比较，还揭示了两种系统在资源利用效率、生物量积累和水质稳定性方面的差异，为未来在水资源受限的农业生态系统中优化水培系统设计提供了科学依据。