耦合虹鳟（Oncorhynchus mykiss）循环水养殖系统（RAS）与生菜（Lactuca sativa）改良型营养液膜技术（NFT）鱼菜共生系统中超低流速与营养物质量传输：一种质量传输建模方法

《Aquacultural Engineering》：Ultra-Low Fluid Velocity and Nutrient Mass Transport in a Coupled Rainbow Trout ( Oncorhynchus mykiss) RAS and Lettuce ( Lactuca sativa) Modified NFT Aquaponic System: A Mass Transport Modeling Approach

　　

将水培集成到循环水养殖系统（RAS）中可增强营养物再利用与生态效率。研究人员评估了一种耦合RAS–NFT鱼菜共生系统，该系统在75、90和110 mm不同NFT管径及20、30、46和60 L h?1水力流量下栽培虹鳟（Oncorhynchus mykiss）与生菜（Lactuca sativa），并整合营养物质量流量建模方法。一项28天试验将传统单养鱼RAS与生物集成RAS–NFT系统进行比较。定期监测理化水质参数与溶解营养物。为改变标准流体动力学，各主NFT管道排放端加装50 mm PVC变径接头，产生水力回水效应，将管道改造为满管截面工况下的持水淹渠系统。为评估不同水力条件下营养物质量输送，基于体积流量与平均溶解营养物浓度，利用质量传输模型估算输送至根际的营养物质量流量（Jm，mg min?1）。评估每周植株生长与最终生物量生产指标。生物集成使两生产系统理化水质维持相似范围。溶解元素中钾因常规碱度校正呈较高平均浓度，其余营养物描述性数值相近。质量传输建模表明估算营养物质量流量（Jm）随体积入流（Q）成比例增加。20 L h?1配置下，模型估算输送至水培NFT渠的NO??为39.33 mg min?1、PO?3?为25.67 mg min?1。管径与流量变化对最终地上部鲜重、干物质或叶数无显著差异（p > 0.05），表明测试操作范围内营养输送足以支撑作物发育。淹渠NFT配置在超低流速（4.53–4.84 m h?1；比例核心内0.126–0.134 cm s?1）下运行。质量传输建模显示估算营养输送在各水力情景下均充足，测试条件下生菜生长未降低。这些发现表明，在所评估水力条件下，耦合鱼菜共生系统工程设计可针对结构、空间与经济考量优化，同时保持植株生长。

研究背景方面，全球水产养殖快速发展带来环境压力，陆基循环水养殖系统（RAS）因控水高效被推广，但其高密饲养仍致氮化物累积。鱼菜共生将RAS与植物栽培生物集成，以鱼代谢废物供肥，其中营养液膜技术（NFT）因低耗水受关注。然而传统NFT依赖较高流速防根际耗竭，冷水管段虹鳟（Oncorhynchus mykiss）耦合NFT在超低流速淹渠配置下的质量传输机制尚缺定量研究。为此研究人员在智利北方天主教大学水产生物工程实验室开展28天试验，比较单养鱼RAS（T1）与耦合RAS–NFT生菜系统（T2），T2采用75/90/110 mm管径配合20/30/46/60 L h?1流量，排放端设50 mm PVC变径形成满管持水淹渠，以连续性方程算理论截面流速（V=Q/A），并以Jm=Ci×Q/60估算根际营养物质量流量，株苗为INIA-Intihuasi提供的Lucy Brown生菜，鱼为初始均重929 g虹鳟100尾。

关键技术方法上，研究人员构建两独立3.65 m3工作体积RAS宏单元，T2耦合0.74 m3改性NFT模块（12管分三架），用转子流量计控流，50 mm变径造背水满管 regime；以Hanna便携式与分光光度计测理化及溶解NO??、PO?3?、K?、Ca2?、Fe3?等；碱度≤6.0时交替加KHCO?/Ca(OH)?；基于连续性方程与满管截面A=πD2/4算理论流速，再用Jm=Ci·Q/60做质量传输建模；株生长用卡尺周测，收获取鲜干重，植物内处理用单因素ANOVA与Tukey检验，系统间仅描述统计。

研究结果部分，3.1理化水质与系统监测表明T1与T2的pH（6.90±0.10 vs 6.81±0.11）、温度（~17.2 ℃）、DO（>7.5 mg L?1）、TAN（2.66 vs 2.54 mg L?1）、NO??（5.00 vs 4.00 mg L?1）描述性相近，T2的NO??（118.00±25.52 mg L?1）与K?（51.75±5.77 mg L?1）因硝化与KHCO?校正偏高，PO?3?两系统均约77 mg L?1，微量Fe/Zn/Mo近基线，证明NFT集成未破坏RAS稳定性。3.2营养物质量流传输建模显示固定Ci下Jm随Q比例升，比例核心（V20D75/V30D90/V46D110）流速4.53–4.84 m h?1时NO?? Jm为39.33–90.47 mg min?1，PO?3?为25.67–59.03 mg min?1，Ca2?最高（85.60–256.80 mg min?1），Fe3?仅0.0153–0.0460 mg min?1。3.3宏量营养物质量输送中Ca2?与SO?2?绝对通量最大，NO??次之。3.4微量营养物中Zn2?（0.08–0.24 mg min?1）高于Fe2?（0.0033–0.0100 mg min?1），Fe3?始终高于Fe2?。3.5植株生长与产量显示各管径流量处理间最终地上部鲜重（48.55–74.33 g）、干物质、叶数无显著差（p>0.05），仅21天与28天根长个别处理间有差异，超低流速V20D75未抑制作物。

讨论部分总结：生物集成NFT未劣化虹鳟RAS水质，NO??偏高为硝化两段菌活性失衡但无死鱼；T2钾高为KHCO?管理非NFT独有效应；磷硫钙镁靠饲料矿化与补水累积；铁刻意仅叶面喷不在水体补，故溶解铁低；改性淹渠以满管截面替斜率控水深，使0.126–0.134 cm s?1超低V下靠Q提升Jm仍满足生菜需肥，打破传统NFT必高流速认知。结论翻译：在所评估水力条件下，耦合鱼菜共生系统工程设计可针对结构、空间与经济考量优化，同时保持植株生长；超低流速满管NFT淹渠经质量传输建模证实营养输送充足，管径–流量比例核心组不劣于高流速扩展组，为敏感冷水种RAS–NFT提供以质量流量而非线性流速为核心的设计依据。该文发表于《Aquacultural Engineering》。