耦合与解耦鱼菜共生系统中黄瓜生理生长动态捕获：迈向可持续无土栽培的新视野

本研究针对传统耦合鱼菜共生系统(CAP)营养失衡限制作物生产的难题，通过对比解耦系统(DCAP)与常规水培(HP)，系统解析了黄瓜生理生长机制。结果表明DCAP在维持作物高产的同时显著提升资源利用效率，为传统水培向可持续农业转型提供了关键技术路径。

　　

全球作物生产正面临可持续发展与粮食安全的双重挑战。传统农业存在资源消耗大、环境负荷高等问题，而鱼菜共生（Aquaponics）作为循环农业的典范，通过整合循环水产养殖系统（RAS）与水培技术，展现出资源循环利用的巨大潜力。然而传统的耦合鱼菜共生系统（CAP）存在显著局限性：鱼类生长所需的弱碱性环境与作物吸收营养所需的酸性环境难以协调，且鱼缸废水中钾、磷、锌等关键营养元素浓度不足，导致高营养需求作物（如黄瓜、番茄）生长受限、产量低下。

为突破这些瓶颈，解耦鱼菜共生系统（DCAP）应运而生。DCAP通过将水产与种植单元分离运行，允许独立调节pH值和补充缺乏的营养元素，理论上能兼顾鱼类福利与作物需求。但关于DCAP如何影响作物生理功能的内在机制，以及其在实际生产规模下的表现，仍缺乏系统研究。

为此，希腊色萨利大学研究团队在《Scientia Horticulturae》发表了创新性研究，通过90天的中试规模试验，从生理生态学角度深入解析了黄瓜在CAP、DCAP和常规水培（HP）三种系统中的生长动态、光合性能及营养状态。研究不仅揭示了不同系统的作物响应机制，更为DCAP的推广应用提供了科学依据。

研究人员采用完全随机设计，在360平方米的温室中设置6个重复栽培槽，分别供应三种营养液：常规水培液（HP）、补充营养的鱼缸水（DCAP）和直接使用的鱼缸水（CAP）。通过定期测量叶生物量、叶面积、叶片解剖特征等生长参数，结合气体交换测量系统（LI-6400/XT）监测光合速率（A_N）、蒸腾速率（Tr）等生理指标，并采用ICP-OES光谱仪进行叶元素分析。光响应曲线（LRCs）通过11个光强梯度测定，光化学反射指数（PRI）使用手持式反射计监测日变化，光合色素通过紫外分光光度法测定。

生长特性显示：

CAP植株表现出明显的生长抑制，地上生物量积累和叶面积显著低于HP和DCAP。但叶片解剖特征呈现相反趋势——CAP的叶片厚度和单位叶面积干重（LSM）分别比HP和DCAP高出110%和75%，表明其叶片结构更紧凑。这种高LSM可能是营养胁迫下的适应性反应，也可能是钾缺乏直接抑制细胞扩张的结果。

光合性能表现：

出乎意料的是，CAP植株表现出优越的光合性能，其净光合速率（A_N）比HP和DCAP高出35%，同时气孔导度（g_s）和蒸腾速率较低，使水分利用效率（WUE_inst）提高88%。光响应曲线显示三处理的最大光合速率（Amax）和暗呼吸（Rd）无显著差异，说明光合机构本身未受损。光化学反射指数（PRI）监测发现CAP的日夜变化较小，表明其光化学效率维持在稳定水平。

营养状态分析：

叶元素分析揭示关键机制——CAP叶片中钾（K）、磷（P）、钙（Ca）和锌（Zn）浓度显著降低，但氮（N）和铁（Fe）含量充足。这种特殊的营养组合（低K、P、Zn与高N、Fe、Mg共存）解释了CAP的生长-光合解耦现象：充足的N、Fe维持了高水平光合作用，而K、P的缺乏则限制了生物量积累和叶面积扩展。特别是钾浓度降低至HP和DCAP的三分之一，严重影响细胞扩张和光合同化物转运。

果实品质与系统评价：

果实品质参数在三处理间无显著差异，但CAP早期果实绿色更深，后期可溶性固形物含量降低。重要的是，DCAP在几乎所有指标上都与HP表现相当，且肥料利用效率（FUE）更高，证实其既能维持产量又可减少资源投入。

研究表明，解耦系统（DCAP）通过独立调控营养液成分，成功克服了传统耦合系统（CAP）的营养限制问题。CAP中钾、磷、锌的缺乏是生长受限的主因，但这些元素的缺乏并未损害光合机构功能，反而通过提高水分利用效率形成了独特的生理适应策略。DCAP则完美兼顾了鱼菜共生的循环优势与水培的生产效率，其肥料利用效率的提升和环境影响降低（文献报告可达30%能源节约）表明，这种系统有望推动传统水培向更可持续的生产模式转型。

该研究不仅首次在中试规模上验证了DCAP的农学可行性，更从生理生态学角度深化了对鱼菜共生系统作物响应机制的理解，为未来优化系统设计、开发专用鱼饲料和制定营养管理策略提供了理论依据。随着循环农业和可持续食品生产需求的日益增长，这项研究为推动农业绿色转型提供了重要技术路径和科学支撑。