魚菜共生系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化及N2O釋放初步研究.pdf

1、中國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量居世界第一位，并且依然保持較高的增長(zhǎng)速率。水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)是一個(gè)高投入高污染的產(chǎn)業(yè)，為追求其高效收益，高蛋白水產(chǎn)飼料的投入量不斷增加，然而飼料中所含的氮素只有小部分被魚同化，剩余氮元素則轉(zhuǎn)入魚類排泄物中隨廢水排入周圍環(huán)境，從而造成富營(yíng)養(yǎng)污染。魚菜共生系統(tǒng)作為新型的循環(huán)水養(yǎng)殖模式，生態(tài)環(huán)保優(yōu)勢(shì)明顯，通過產(chǎn)出魚、菜兩種作物提高氮素回收率，并且可以通過自身凈化水體減少廢水排放，節(jié)約用水。現(xiàn)如今對(duì)魚菜共生系統(tǒng)中氮素的研

2、究較少，關(guān)于氮素在系統(tǒng)中的沿程轉(zhuǎn)化研究尚存在不足之處。
　　本項(xiàng)目通過構(gòu)建實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的魚菜共生系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)運(yùn)行過程中氮素的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及氮素利用效率，以及關(guān)鍵工況參數(shù)（溫度、pH、溶解氧濃度）變化對(duì)其的影響，并且通過測(cè)定系統(tǒng)中溫室氣體氧化亞氮(N2O)的釋放，明確了N2O的產(chǎn)生途徑及各工況條件下的釋放規(guī)律，進(jìn)而提出了增加系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益的優(yōu)化方法及減少N2O排放的優(yōu)化措施，并取得如下主要結(jié)論:
　　(1)魚菜共生系統(tǒng)水體中的

3、氮元素主要以無機(jī)氮形式存在，正常條件下氨氮(TAN)、亞硝氮（NO2--N）濃度均維持在較低水平(TAN＜2.0mg/L，NO2--N＜1.0mg/L)，硝氮(NO3--N)作為硝化作用的終產(chǎn)物隨著魚飼料的投入濃度逐漸增加。植物吸收及反硝化作用均消耗系統(tǒng)水體中NO3--N，植物吸收NO3--N將其轉(zhuǎn)化成自身生物量;反硝化作用通過還原NO3--N生成N2O和N2氣體將氮素轉(zhuǎn)移釋放至空氣中。正常情況下氮元素利用效率（魚、菜積累量）為40％左

4、右。
　　(2)溫度、pH、溶解氧(DO)濃度等基本工況條件的改變對(duì)魚菜共生系統(tǒng)的氮素遷移轉(zhuǎn)化及氮素利用效率有重要的影響。溫度影響系統(tǒng)中TAN濃度，TAN濃度在秋季高于夏季;同時(shí)通過影響植物生長(zhǎng)影響系統(tǒng)產(chǎn)量及NO3--N濃度，氮素利用效率未受顯著性影響，分別為夏季43.8％，秋季44.6％。pH對(duì)系統(tǒng)中TAN濃度及氮素利用效率影響較大，pH6.0下喂食量增加導(dǎo)致TAN濃度無法及時(shí)轉(zhuǎn)化，氮素利用效率隨著pH的上升而降低:pH6.0，

5、50.9％;pH7.5，47.3％;pH9.0，44.7％;減弱曝氣通過影響DO濃度影響NO3--N濃度，且間歇曝氣會(huì)降低系統(tǒng)氮素利用效率15.5％，半曝氣無此影響。
　　(3)通過15N同位素示蹤技術(shù)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中有75.2-78.5％的溫室氣體N2O來自于反硝化過程，且菜池為N2O的主要釋放源(90％);qPCR結(jié)果顯示，不合適的反硝化作用條件將導(dǎo)致N2O釋放量增加，NO3--N濃度會(huì)顯著影響N2O的釋放量。溫度、pH、DO濃度

6、等基本工況因素對(duì)魚菜共生系統(tǒng)中N2O的釋放均有影響:溫度影響N2O的絕對(duì)釋放量值，但不顯著影響系統(tǒng)中N2O釋放轉(zhuǎn)化率，夏季1.55％，秋季1.33％;N2O的釋放量及轉(zhuǎn)化率均隨著pH的上升而降低，pH9.0條件下N2O釋放量不受NO3--N濃度影響;減弱曝氣可明顯降低N2O的釋放量，間歇曝氣和半曝氣可以分別減排48.7％及32.4％的N2O。
　　(4)利用已知結(jié)論，采取合理的系統(tǒng)優(yōu)化措施，通過影響系統(tǒng)中氮素遷移轉(zhuǎn)化提高了系統(tǒng)氮素

7、利用效率及實(shí)現(xiàn)了N2O釋放減量。添加市售硝化細(xì)菌以增加硝化細(xì)菌數(shù)量，及采用填料級(jí)配分層提高基質(zhì)富氧能力以增加硝化細(xì)菌活性均可以提高系統(tǒng)中NO3--N的生成速率，進(jìn)而促進(jìn)植物生長(zhǎng)，兩種方法分別提高氮素利用率8.8％及16.0％;通過菜池增加曝氣抑制反硝化作用，及添加可生物降解材料聚乳酸(PLA)優(yōu)化反硝化條件均通過降低系統(tǒng)內(nèi)NO3--N濃度，從而減少了N2O釋放，基質(zhì)曝氣降低了17.5％的反硝化作用對(duì)N2O釋放的貢獻(xiàn)量，PLA添加增加了1