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氮循环、微生物及系统平衡 陈浩 鱼菜共生是种养结合的复合耕作方式，在一个不断循环的鱼菜共生系统中，鱼池里含有鱼的代谢排泄物，含有排泄物的水从鱼池中溢流或抽出来后，通常经过物理过滤器，把固体代谢物拦截下来，然后经过生物过滤器，把氨转换成硝酸盐；接着，水流经作物种植床，养分被植物吸收；最后，水被净化，又回到鱼池。 生物过滤器为细菌提供生长繁殖的环境，将鱼的排泄物转变成植物可以吸收的营养。这个营养提取过程净化了水，使水不会存在含氮物(氨、亚硝酸盐)的毒害，使鱼、菜、细菌三者和谐共生。这样，在系统达到良好平衡的前提下，所有的生物共同为彼此创造了良好的生活环境。 实际上，鱼菜共生背后的核心生物过程是氮循环。 氮（N）是构成生命体的核心元素，可以形成生物必不可少的有机物：蛋白质和核酸。蛋白质的基本组成，是氨基酸，而氨的核心构件之一就是氮。可见，对于生物繁殖和生长，氮是必须的。在植物中，氮还用于制造叶绿素，可进行光合作用供植物生长。在自然界，氮以分子态（氮气）、无机化合氮和有机化合氮三种形式存在。大气中含有大量的分子态氮。但是，绝大多数生物都不能够直接吸收分子态的氮，植物只能从土壤中吸收无机态的铵态氮（铵盐）和硝态氮（硝酸盐）。空气的氮，只有通过细菌的固氮作用，转换成氨和硝酸盐后，由植物吸收。大气中的氮，可以通过一种称为哈伯法的能源密集型的制造工艺固定，用于生产氮合成肥料。 氮循环(Nitrogen Cycle)是大自然生物圈内基本的物质循环之一，大气中的氮经微生物作用进入土壤，为动植物所利用，最终又在微生物的参与下返回大气中，如此反覆循环，生生不息。 在自然界，动物排泄物（粪便和尿液）的成分主要是氨（NH3）。自然界中的各种有机物，如动物腐尸或植物残体，通过真菌和细菌分解，也变成了氨。氨通过一组特定的硝化细菌进行代谢。这些细菌首先将氨转换成亚硝酸化合物（NO2-），进而转换成硝酸盐化合物（NO3-）。 微观上说， 一个完整的氮循环模式是：生物（有机物）—>氨—>亚硝酸盐—>硝酸盐—>生物（有机物）。整个氮循环，硝化细菌至关重要。硝化细菌可以生活在不同的环境中，如土壤、砂石、水和空气中，是硝化过程的一个基本组成部分。在硝化过程中，有两类细菌参与其中：氨氧化菌、亚盐氧化菌。它们以下列顺序代谢氨： 1.氨氧化菌将氨(NH?)转化成亚硝酸盐(NO?-)。 2.亚盐氧化菌将亚硝酸盐(NO?-)转化成硝酸盐(NO?-)。 在鱼菜共生系统中，由于饲料投喂、鱼排泄活动，氮以不同形态在水体中积累。其中，氨、亚硝酸盐、硝酸盐是水体中主要的无机存在形式，一方面能够直接或间接转换为植物所需的无机营养盐；另一方面水体中过多的积累对水生生物有毒害作用。如果没有硝化细菌或者它们没有正常工作，水中高浓度的氨和亚硝酸盐会让鱼致死。因此，保持和管理一个健康的细菌群落至关重要。 了解氮元素在鱼菜共生系统中的迁移和转换过程，有助于我们理解和调控与氮循环相关的各类问题。知道氮循环的宏观概念和微观原理，便于我们理解并着手建立鱼菜共生系统，实现氮的有效循环利用，为我们的鱼和菜提供一个健康的环境。 建立一个健康的生物过滤器时，影响细菌生长的主要因素是表面积和合适的水环境。 表面区域。细菌可以在任何物体的表面着床，如植物根部、鱼池壁、管道内。细菌可着床的总区域面积决定了它们可以分解多少氨。对于低密度鱼存栏量的系统，植物根系和鱼池侧壁可以提供足够的细菌着床表面积。对于高存栏量的系统，需要一个独立的生物过滤模块，里面放置大表面积的材料，比如砾石、陶粒。 水体pH值。PH是指水的酸碱度。水的PH值对细菌的生物性能、转化氨和亚盐的能力有影响。两类硝化细菌最适宜的PH范围是7.2-8.2。当然，细菌具有一定的适应环境的能力，也可以容忍更大的PH范围。对于鱼菜共生，最合适的PH是6-7，因此这个范围对鱼和植物都比较适合。细菌工作效率的损失可以通过培育最多细菌来解决，因而需要设置相适应的生物过滤器。 水温。对于细菌以及整个系统而言，水温是一个重要因素。理想的温度范围是17-34度。如果水温低于17度，细菌的繁殖能力下降；低于10度，繁殖力下降50%甚至更多。低温对于冬季系统的管理有较大影响。 溶解氧（DO）。在任何时候，细菌需要水中有足够的溶氧，用以维护高的繁殖能力。硝化作用是一种氧化反应，没有氧气，反应就会中止。如果DO值过低，硝化反应将减缓。另外，没有足够的DO浓度，另一种细菌会繁殖，产生反硝化厌氧过程，将硝酸盐转化回分子态的氮。 紫外线。硝化细菌是对光敏感的生物，太阳紫外线对硝化细菌是一种威胁。在新系统启动阶段，细菌群落初始形成期间，尤其如此。一旦细菌在表面着床，紫外线就不会造成太大问题。消除这一威胁的简单办法就是用防紫外线材料覆盖鱼池和过滤单元，同时确保水培单元的水不暴露在阳光下，至少直到细菌群落充分形成。 鱼菜共生的关键在于维持一个动态平衡的生态系统，使鱼、菜、细菌的数量达到一个动态平衡。 鱼菜共生系统的均衡可以想象成一个天平，鱼和植物是天平两端的重物，而天平的力臂由硝化细菌构成。这样，硝化细菌力臂必须足够粗壮，才能支撑鱼和菜的重量。如果力臂不足以支撑鱼和菜的重量，就会断裂。这就意味着，生物过滤是不够有效的。 在任何时候，细菌需要水中有足够的溶氧，用以维护高的繁殖能力。硝化作用是一种氧化反应，没有氧气，反应就会中止。如果DO值过低，硝化反应将减缓。另外，没有足够的DO浓度，另一种细菌会繁殖，产生反硝化厌氧过程，将硝酸盐转化回分子态的氮。 紫外线。硝化细菌是对光敏感的生物，太阳紫外线对硝化细菌是一种威胁。在新系统启动阶段，细菌群落初始形成期间，尤其如此。一旦细菌在表面着床，紫外线就不会造成太大问题。消除这一威胁的简单办法就是用防紫外线材料覆盖鱼池和过滤单元，同时确保水培单元的水不暴露在阳光下，至少直到细菌群落充分形成。 如果鱼的存栏量和过滤器大小是平衡的，系统就可以把相应的氨转化成硝酸盐。然而，如果植物数量太少，系统就会开始堆积营养。高一些的营养浓度对鱼和菜都没有害处，但表明蔬菜端没有发挥足够的吸收净化作用。 一个常见管理错误就是太多的菜搭配太少的鱼。这种情况下，氨都转化成了硝酸盐，但硝酸盐和其他营养的量不足以满足植物需要。这种情况最后就导致营养浓度越来越低，植物无法良性生长。 要使鱼菜共生系统生产最大化，需要保证足够的表面区域用于培育细菌群落转换所有的排泄物，维持鱼的废物和植物营养需求的适当平衡。当系统偏离平衡时，系统会通过参数指标、鱼和菜的健康程度，来警示我们。 当平衡一个系统时，许多变量需要考虑。一种经过实践的简单方法就是考虑一个比率指标，即：“投喂量/种植面积”，即每平方的种植面积需要多少的日投喂量。通过投喂量，可以确定有多少鱼。当然，这个指标，只是平衡系统的一个指引，其他因素在不同阶段会对系统产生不同影响。 有两个简单方法来检测系统平衡状况：一是观察鱼菜的长势，二是氮测试。 鱼和菜中良的生长状态会告诉我们：系统已经失去平衡。营养缺乏通常表现在长势弱、黄叶、根长势差。在这种情况下，可以加大鱼存留量、投喂量和生态过滤，或者减少植物。同样，如果鱼在表面呼气，鳃或皮肤变红甚至死亡，那么往往是由于有毒的氨和亚盐的堆积。当有太多的废物需要生物过滤器处理时，往往会出现这种情况。任何鱼和菜的症状示意着，我们需要主动研究找到问题原因所在。 氮测试，即使用水检测试剂盒测试水中的氮含量。如果氨或亚硝酸盐浓度太高，它表明该生物过滤不充分，应增加可用生物滤池表面积。大多数鱼在这种环境存活不超过几天。硝酸盐浓度水平的升高，表明有足够的营养物质。鱼可以容忍较高的硝酸盐水平，但如果硝酸盐水平长达数周都是很高，就应该排掉部分水来浇灌其他作物。如果硝酸盐水平在数周内都很低，鱼饲料可以略有增加，以确保蔬菜有足够的营养输入。 以上为凡朴农业原创内容，版权所有，转载请告知，并注明出处。  |
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