耦合鱼菜共生、解耦鱼菜共生与传统水培系统中生菜（Lactuca sativa）的养分动态、生长性能及经济效益比较分析

《Frontiers in Aquaculture》：Comparative analysis of nutrient dynamics, growth performance, and economic returns of lettuce (Lactuca sativa) in coupled aquaponic, decoupled aquaponic, and conventional hydroponic systems

　　

关于鱼类排放物中宏量营养素的去向、其在养殖水体中的浓度以及在水培和鱼菜共生系统中植物对其吸收的定量信息仍然有限。为填补这一空白，本研究考察了生菜（Lactuca sativa）的生长响应以及关键营养素——氮（N）、磷（P₂O₅）、钾（K₂O）、钙（Ca）和镁（Mg）——在水体和植物组织中的动态变化，涉及三种生产策略：耦合鱼菜共生（T1）、传统水培（T2）以及与非洲鲶鱼（Clarias gariepinus）整合的营养补充解耦鱼菜共生（T3）。在40天的栽培期内，传统水培中生长的生菜生物量高于两种鱼菜共生系统。T1产生中等生长，而T3生物量最低。形态学观察显示，T2地上部发育更旺盛，T1地上部形成适中，T3根系生物量相对较高，表明各处理间养分吸收和分配存在差异。尽管测得的宏量营养素浓度表明充足可用，但植物生产力与总养分水平并不成正比，凸显了养分吸收效率的作用。经济评估表明，尽管T2蔬菜产量最高，但由于鱼类和作物联合销售，T1获得最高总收入，而T3实现了最高投资回报率和最短回收期。总体而言，本研究提供了关于水培和鱼菜共生系统中养分动态、植物吸收及经济表现的定量见解。这些发现有助于更好地理解资源利用效率，并支持优化养分管理和系统设计，以实现可持续的综合水产养殖生产。

**研究背景、问题与目的**
全球水产养殖已供应超过50%的水生动物食品，集约化生产虽提高了产量，但鱼类代谢和未食饲料导致氮（N）和磷（P）等化合物在水体中大量积累，迫使频繁换水或高级过滤，增加了运营成本与环境负荷。鱼菜共生（aquaponics）通过将循环水养殖系统（RAS）与水培（hydroponics）结合，形成多营养级闭环，利用鱼类废水滋养作物，可提升水利用效率并减少废物排放。然而，商业鱼饲料配方以鱼类生长为目标，不满足植物养分需求，导致鱼菜共生中作物产量常低于传统水培。养分管理成为主要瓶颈，且耦合（coupled）与解耦（decoupled）鱼菜共生的养分动态差异尚缺乏定量比较，尤其是宏量营养素在鱼源废水、栽培水体及植物组织中的分布与吸收。为此，研究人员在《Frontiers in Aquaculture》发表论文，比较传统水培、耦合鱼菜共生及营养补充解耦鱼菜共生系统中生菜（Lactuca sativa）的养分动态、生长性能与经济效益，旨在优化资源效率与系统设计。

**研究人员开展的研究与结论**
研究人员在菲律宾大学维萨亚斯分校淡水养殖站建立了一个集成实验系统，包含三个处理：T1（耦合鱼菜共生）、T2（传统水培）和T3（营养补充解耦鱼菜共生），均与非洲鲶鱼（Clarias gariepinus）整合。生菜经40天栽培后，T2获得最高总鲜重和作物生长速率，T1居中，T3最低。根系与叶片形态显示T2最长根系和最大叶片，T3根系生物量最高但叶片最小，表明养分分配差异。尽管水体中宏量营养素浓度足够，植物生产力与总养分水平不成正比，受pH介导的溶解性和吸收效率影响。经济分析显示，T2植物产量最高，但T1因鱼类和生菜联合销售获得最高总收入和净收入；T3投资回报率最高（97.94%），回收期最短（0.76年）。敏感性分析表明，T1利润受鱼价波动影响大，而T2和T3更依赖生菜市场价。研究强调，优化系统设计（如pH调控）和养分管理策略（如矿物补充）可平衡植物产量与可持续废水利用，为综合水产养殖提供定量依据。

**主要关键技术与方法**
（1）系统设置：采用系统级方法，T1、T2和T3各为一个独立处理（无系统级重复），生菜个体作为实验单元。样本来自菲律宾大学维萨亚斯分校淡水养殖站，使用罗非鱼塘水为基础水。（2）水样与植物样品采集：第0、15、40天采集500 mL水样；第40天每处理取3株生菜进行组织分析。（3）养分分析：采用Kjeldahl法测总氮，STPB（四苯硼钠）容量法测钾，EDTA（乙二胺四乙酸）滴定法测钙和镁，磷用标准容量法测定。（4）经济分析：基于2023年6月市场价格（菲律宾统计局），计算投资、运营成本、收入、投资回报率（ROI）及回收期，并进行±10%敏感性分析。

**研究结果**
**3.1 作物生长性能**
通过比较不同处理下生菜的生长参数，发现T2（传统水培）具有最高的作物生长速率（CGR）和总鲜重（TWC），T1（耦合鱼菜共生）居中，T3（营养补充解耦鱼菜共生）最低（p<0.001）。根叶比（R:L）相反，T3最高，表明T3优先分配生物量至根系，T2则优先地上部生长。叶片数T1最多，但叶片重量T2最高；根长T2最长，T3根生物量最高（p<0.001）。这些结果说明植物生物量不与水体总养分浓度直接相关，受吸收效率影响。

**3.2 pH水平**
通过每日监测各处理水槽pH，发现T2酸化最明显，从初始6.7降至最低5.2，而T1和T3维持在6.45–7.75之间。pH差异影响养分溶解性，T2的酸性环境有利于铁、锰、钙、镁等元素的可利用性，促进地上部生长；T1和T3较高pH可能限制养分转运。

**3.3 必需养分组成**
**3.3.1 生菜**
通过第40天植物组织养分分析，T3获得最高氮（N，3015 mg kg^-1）和磷（P₂O₅，22013 mg kg^-1）浓度，与T1无显著差异，T2最低；但钾（K₂O）和钙（Ca）T2最高，镁（Mg）T3最高（403 mg kg^-1），T1和T2低于170 mg kg^-1。表明T3虽养分浓度高，但生长受限，可能与pH导致的离子竞争有关。

**3.3.2 水体**
通过第0、15、40天水体养分浓度分析，氮和磷始终T3最高、T1中等、T2最低；钾前期T3和T2高，后期T1升高至与T3相当；钙后期T2和T3接近；镁在所有处理中随时间增加，T1先升后稳，T2和T3持续上升。这些趋势反映了不同系统的养分输入与转化差异。

**3.4 经济分析**
通过计算投资、运营成本、收入及回报，T1总投资最高（43,850菲律宾比索），但因鱼和生菜联合销售，年总收入最高（126,400菲律宾比索），净收入33,956.76菲律宾比索；T2和T3年总收入均为46,400菲律宾比索，但T3年运营成本最低（36,557.50菲律宾比索），年ROI最高（97.94%），投资回收期最短（0.76年），T2最低（67.09% ROI，1年回收期）。敏感性分析显示，鱼价±10%使T1年净收入变化在25,956.76–41,956.76菲律宾比索之间，饲料成本影响较小，而生菜价格±10%对T2和T3影响显著。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，生菜生长差异源于pH介导的养分溶解性、根形态适应及离子相互作用。T2的酸性pH优化了铁、锰等微量元素的生物可利用性，促进根系向地上部转运；T1较高pH限制了养分移动性；T3虽养分浓度高，但钙过量可能抑制钾和镁吸收，导致根系生物量高而地上部受限。此外，鱼类投喂量（每日1.83 kg）贡献约90.77 g氮，通过硝化作用转化为植物可吸收的硝酸盐（NO₃^-）和铵（NH₄⁺），但脱氮过程可能损失78.5%的氮。磷主要来自鱼粉，需微生物矿化；钾在鱼源废水中缺乏，需补充。经济评估表明，耦合系统（T1）通过双重收入增强抗风险能力，但需优化环境控制；解耦系统（T3）以低成本获得高投资回报，但依赖外部输入。研究结论：通过关联水培、耦合和解耦鱼菜共生系统中水体养分浓度与植物组织积累，本研究提供了对水产养殖综合生产中养分回收和资源利用效率的更清晰理解。研究结果强调了优化系统设计和养分管理策略对于平衡植物生产力与可持续废水利用的重要性。