Aqu @teach：水生养素的供应

2020年9月3日 · Aqu@teach

水生生物中系统水的化学成分是非常复杂的。除了大量的溶解离子，它还含有由鱼类代谢和饲料消化产品释放产品所产生的有机物质，以及植物排出的物质。这些物质在很大程度上是未知的，它们的相互作用可能会进一步影响水生养分溶液的化学成分和 pH 值。所有这些都会对植物的营养吸收、鱼类健康和微生物活性产生多重影响，但大多数尚未知。

营养物质通过添加水和鱼类饲料进入水生生态系统（施毛茨 * 等人 * 2016）。就元素成分而言，鱼饲料含有约 7.5% 的氮、1.3% 的磷和 46% 的碳（施毛茨，未公布的数据）。就有机化合物而言，鱼饲料含有蛋白质（鱼粉或植物基）、脂肪（鱼油、植物油）和碳水化合物（[博伊德 2015]（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081005064000015））。草食鱼（如罗非鱼）在饲料中只需要 25% 的蛋白质，而食肉鱼需要大约 55% 的蛋白质（博伊德 2015）。鱼粉和大豆都是不可持续的（原因不同），因此我们正在进行密集的研究，以寻找合适的鱼粉替代品和植物性饮食（博伊德 2015；戴维森 *等人 * 2013; 塔肯 & 梅田 2008).

如果正确计算喂养比率，则会吃掉所有添加到系统的饲料，并且只排出不用于生长和新陈代谢的东西（图 11）。排泄的营养物质的比例也取决于饮食的质量和消化性 (巴兹比林 2014)。鱼饲料的消化率、粪便的大小以及沉降率都对系统运行非常重要（Yavuzcan Yildiz * 等人 * 2017）。因此，由于添加水的质量、添加的鱼饲料以及系统中的整个代谢反应，水生系统水的营养成分极为复杂，并不总是符合植物要求。然而，鱼类的福利应该是中心关注的问题，应选择鱼类饲料，以适应每个发展阶段的鱼种。必须在第二步调节能够被植物吸收的营养物质的供应。

图 11：氮和磷的环境流量（百分比），用于 (a) 尼罗非鱼笼生产（[蒙塔尼尼内托和奥斯特兰斯基 2015 年）之后）（https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/are.12280）；(b) RAS 生产（数据来自 [施特劳赫 *等人，2018 年]（https://www.mdpi.com/2071-1050/10/6/1805））。 “未解释” 表示不能归因于任何类别的 N 和 P 分数

表 10 中的数据显示，大多数植物营养物质，尤其是 P 和 Fe，与标准水培溶液相比，被调查的水生系统中的浓度显著低。这似乎是水生动作的典型情况；然而，水生作物的生长率在大多数情况下仍然令人满意（Schmautz，未公布的数据）。让我们仔细看一下这一现象。

不幸的是，对这些数据的解释非常困难。原因在于最近在植物营养方面，近两个世纪的 “Liebig 的定律”（植物生长由最稀缺的资源控制）已被复杂的数学模型所取代，这些模型考虑了各个营养元素、化合物和离子之间的相互作用（Baxter)。这些方法无法简单评估水培或水生养殖系统中营养素水平变化的影响。此外，我们必须铭记，特定作物的营养需求并不存在完美配方。营养要求因品种、生命周期阶段、天长和天气条件而异（比茨赞斯基 * 等人 * 2016; https://www.crcpress.com/Hydroponic-Food-Production-A-Definitive-Guidebook-for-the-Advanced-Home/Resh/p/book/9781439878675索内费尔德 & 沃格特 2009).

一般而言，为了保持良好的植物生长，氮浓度应保持在 165 毫克/升 N 以上，磷超过 50 毫克/升，钾浓度应保持在 210 毫克/升以上（瑞希 2013）。在水生动物中，由于以下三个原因，很难实现这种高浓度的若干相关元素：

水中的浓度越高，通过水交换或污泥损失的营养物质就越高。然而，即使在封闭式系统中，也需要一定程度的水交换，以便补偿蒸散损失并减少不需要的成分的积累。
随着水中养分浓度的提高，盐或毒素等成分也会在系统中积累。
如果钙浓度较高，磷会与钙发生反应，并作为磷酸钙沉淀。

根据植物品种和生长阶段，生长在水培室内的植物具有特定的要求（Resh 2013）。营养物质可以通过系统水（施毛茨 * 等人 * 2016）或叶面涂抹（鲁斯塔和哈米德普尔 2011）补充。

表 10：标准水培溶液和封闭水生系统水中营养素浓度的比较（Schmautz，未公布的数据）

< 越野 = "2" 浓度比 （水培/水生）

	浓度 [毫克/升]
	水上乐器（施毛茨，未发表）	水培（针对生菜进行了优化， 2013 年瑞希）
大量营养素
N（作为否 ^-）3	147	165	1.1
N（作为 NH ⁺）4	2.8	15	5.4
P（作为第 ³ 阶段）4	5.1	50	10
K（作为 K ⁺）	84	210	2.5
毫克（作为 Mg ²⁺）	18	45	2.5
钙（作为钙 ²⁺）	180	190	1.1
S（作为 SO ^2-）4	21	65	3.1
微量营养素
铁（作为铁 ²⁺）	0.2	4	20
锌 (锌 ²⁺)	0.2	0.1	0.5
B (作为 B [俄亥俄州] ^-) 4	0.1	0.5	5
锰 (Mn ²⁺)	1.4	0.5	0.4
铜（作为铜 ²⁺）	0.1	0.1	1
莫 (作为 MOO ^2-) 4	0.002	0.05	25

通常，在适当的鱼放养率下，** 氮（氮，硝酸盐）** 的含量足以促进植物的良好生长，而其他几种营养物质，特别是 ** 铁 (Fe)、磷 (P)、钾 (K) 和镁 (Mg) ** 的含量通常不足以实现植物的最大生长。如表所示，其他微量营养素也可能受到限制。在水生生物中，监测 pH 值特别重要，因为在 pH 值高于 7 时，几种营养物质（见图 10）可能会从水中沉淀，因此植物无法使用。

** 钾 (K) ** 对于鱼类来说不是必需的，因为鱼类饲料钾成分较低，植物可用钾含量甚至更低（海右 * 等人 * 1998）。为了提供钾，经常使用 KOH pH 缓冲液，因为硝化过程中的 pH 值通常会降低（[Graber & Junge 2009]（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0011916409004299））。这具有增加钾含量的额外好处，虽然它可能对鱼类有毒。据报告，[急性鱼毒性 LC50 值]（http://www.inchem.org/documents/sids/sids/potassiumhyd.pdf）在 80 毫克/升左右，在种植番茄的水生系统中，钾主要积累在果实中（施毛茨 et [al. 2016]（https://www.mdpi.com/2073-4441/8/11/533/htm))。

** 铁 (Fe) ** 也常常是水生药中的一个限制因素，因此可以在缺陷变得明显之前作为预防措施加以添加。高浓度的铁不会损害水生系统，尽管它可能会给水带来轻微的红色。为了确保植物易于摄取，铁必须作为螯合铁添加，也称为螯合铁。有不同类型的铁螯合物：Fe-EDTA、Fe-DTPA 和铁 EDDHA。铁可以添加到系统水中（例如，每两周 2 毫克 L ⁻¹ 次）或直接喷洒在叶片上（叶面涂抹）0.5 克升 ⁻¹）（[鲁斯塔和哈米德普尔 2011]（https://megujuloenergiapark.hu/docs/mekut/11_1-s2.0-S0304423811001816-main.pdf））。

** 钙 (Ca)、镁 (Mg)、** 和 ** 硫 (S) ** 的主要来源是自来水，这有利于植物吸收的营养物质已经存在（德莱德 * 等人 * 2017）。尽管如此，这些元素在水生系统中往往处于低水平（Graber & Junge 2009；海右 * 等人 * 1998, 施毛茨，未公布的数据）。尤其是 Ca 通常是水生生物中的一个限制因素，因为它只能通过活性木质蒸腾进行运输。当条件过于潮湿时，钙可以获得，但由于植物没有转移而被锁定。通风口或风扇增加空气流量可以防止此问题。否则，应补充碳酸钙 (CaCo ₃) 或氢氧化钙 (Ca (OH) ₂)。

** 锌 (Zn) ** 用作某些金属部件的镀锌工艺的一部分，可用于建造 AP（鱼缸、螺栓等），并且存在于鱼类废物中。虽然锌缺乏症是罕见的，但锌毒性可能会在水生生物中造成问题，因为虽然植物可以耐受过量，但鱼不能。锌含量应保持在 0.03-0.05 毫克/升之间，大多数鱼类的压力会在 0.1 至 1 毫克/升之间，并开始在 4-8 毫克/升的水平下死亡。https://university.upstartfarmers.com/blog/be-careful-about-zinc-in-aquaponics))。然而，在某些系统中，可能会出现锌缺陷。叶面施用螯合锌可以缓解锌缺乏症（Traadwell * 等人 .* 2010）。

因此，问题出现了是否有必要和有效地将营养素添加到水生生物系统（喷嘴 等人 . 2018）。如果系统储备足够的鱼类，并且 pH 值在正确水平之内，则无需为作物周期较短且不产生水果的植物添加营养物质（例如绿叶蔬菜，如生菜、喷嘴 *等人 * 2018）。相比之下，果蔬菜（例如西红柿、茄子）需要营养补充。使用 HydroBuddy 软件可以计算所需矿物肥料的量（费尔南德斯 2016）（另请参阅模块 6 中的练习）。除了我们在补充矿物营养素方面的经验之外，今后还应该对市场上可获得的有机水培肥料进行测试，以确定哪些肥料不会损害鱼类生命。最近，有人建议在消化器中处理鱼类污泥，并将该消化池重新引入水系统，以增加植物的营养供应（Goddek *等人 * 2016）。向水生养系统供应有机而不是矿物营养物质的另一个可能好处是对微生物种群产生积极影响。

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