理解魚菜共生

深入理解魚菜共生——

氮迴圈、微生物及系統平衡

陳浩

魚菜共生是種養結合的複合耕作方式，在一個不斷迴圈的魚菜共生系統中，魚池裡含有魚的代謝排洩物，含有排洩物的水從魚池中溢流或抽出來後，通常經過物理過濾器，把固體代謝物攔截下來，然後經過生物過濾器，把氨轉換成硝酸鹽；接著，水流經作物種植床，養分被植物吸收；最後，水被淨化，又回到魚池。

生物過濾器為細菌提供生長繁殖的環境，將魚的排洩物轉變成植物可以吸收的營養。這個營養提取過程淨化了水，使水不會存在含氮物(氨、亞硝酸鹽)的毒害，使魚、菜、細菌三者和諧共生。這樣，在系統達到良好平衡的前提下，所有的生物共同為彼此創造了良好的生活環境。

一. 氮迴圈

實際上，魚菜共生背後的核心生物過程是氮迴圈。

氮（N）是構成生命體的核心元素，可以形成生物必不可少的有機物：蛋白質和核酸。蛋白質的基本組成，是氨基酸，而氨的核心構件之一就是氮。可見，對於生物繁殖和生長，氮是必須的。在植物中，氮還用於製造葉綠素，可進行光合作用供植物生長。在自然界，氮以分子態（氮氣）、無機化合氮和有機化合氮三種形式存在。大氣中含有大量的分子態氮。但是，絕大多數生物都不能夠直接吸收分子態的氮，植物只能從土壤中吸收無機態的銨態氮（銨鹽）和硝態氮（硝酸鹽）。空氣的氮，只有透過細菌的固氮作用，轉換成氨和硝酸鹽後，由植物吸收。大氣中的氮，可以透過一種稱為哈伯法的能源密集型的製造工藝固定，用於生產氮合成肥料。

氮迴圈(Nitrogen Cycle)是大自然生物圈內基本的物質迴圈之一，大氣中的氮經微生物作用進入土壤，為動植物所利用，最終又在微生物的參與下返回大氣中，如此反覆迴圈，生生不息。

在自然界，動物排洩物（糞便和尿液）的成分主要是氨（NH3）。自然界中的各種有機物，如動物腐屍或植物殘體，透過真菌和細菌分解，也變成了氨。氨透過一組特定的硝化細菌進行代謝。這些細菌首先將氨轉換成亞硝酸化合物（NO2-），進而轉換成硝酸鹽化合物（NO3-）。

微觀上說， 一個完整的氮迴圈模式是：生物（有機物）—>氨—>亞硝酸鹽—>硝酸鹽—>生物（有機物）。整個氮迴圈，硝化細菌至關重要。硝化細菌可以生活在不同的環境中，如土壤、砂石、水和空氣中，是硝化過程的一個基本組成部分。在硝化過程中，有兩類細菌參與其中：氨氧化菌、亞鹽氧化菌。它們以下列順序代謝氨：

1.氨氧化菌將氨(NH?)轉化成亞硝酸鹽(NO?-)。

2.亞鹽氧化菌將亞硝酸鹽(NO?-)轉化成硝酸鹽(NO?-)。

在魚菜共生系統中，由於飼料投餵、魚排洩活動，氮以不同形態在水體中積累。其中，氨、亞硝酸鹽、硝酸鹽是水體中主要的無機存在形式，一方面能夠直接或間接轉換為植物所需的無機營養鹽；另一方面水體中過多的積累對水生生物有毒害作用。如果沒有硝化細菌或者它們沒有正常工作，水中高濃度的氨和亞硝酸鹽會讓魚致死。因此，保持和管理一個健康的細菌群落至關重要。

瞭解氮元素在魚菜共生系統中的遷移和轉換過程，有助於我們理解和調控與氮迴圈相關的各類問題。知道氮迴圈的宏觀概念和微觀原理，便於我們理解並著手建立魚菜共生系統，實現氮的有效迴圈利用，為我們的魚和菜提供一個健康的環境。

二. 建立生物過濾器，維持健康的細菌群落

建立一個健康的生物過濾器時，影響細菌生長的主要因素是表面積和合適的水環境。

表面區域。細菌可以在任何物體的表面著床，如植物根部、魚池壁、管道內。細菌可著床的總區域面積決定了它們可以分解多少氨。對於低密度魚存欄量的系統，植物根系和魚池側壁可以提供足夠的細菌著床表面積。對於高存欄量的系統，需要一個獨立的生物過濾模組，裡面放置大表面積的材料，比如礫石、陶粒。

水體pH值。PH是指水的酸鹼度。水的PH值對細菌的生物效能、轉化氨和亞鹽的能力有影響。兩類硝化細菌最適宜的PH範圍是7.2-8.2。當然，細菌具有一定的適應環境的能力，也可以容忍更大的PH範圍。對於魚菜共生，最合適的PH是6-7，因此這個範圍對魚和植物都比較適合。細菌工作效率的損失可以透過培育最多細菌來解決，因而需要設定相適應的生物過濾器。

水溫。對於細菌以及整個系統而言，水溫是一個重要因素。理想的溫度範圍是17-34度。如果水溫低於17度，細菌的繁殖能力下降；低於10度，繁殖力下降50%甚至更多。低溫對於冬季系統的管理有較大影響。

溶解氧（DO）。在任何時候，細菌需要水中有足夠的溶氧，用以維護高的繁殖能力。硝化作用是一種氧化反應，沒有氧氣，反應就會中止。如果DO值過低，硝化反應將減緩。另外，沒有足夠的DO濃度，另一種細菌會繁殖，產生反硝化厭氧過程，將硝酸鹽轉化回分子態的氮。

紫外線。硝化細菌是對光敏感的生物，太陽紫外線對硝化細菌是一種威脅。在新系統啟動階段，細菌群落初始形成期間，尤其如此。一旦細菌在表面著床，紫外線就不會造成太大問題。消除這一威脅的簡單辦法就是用防紫外線材料覆蓋魚池和過濾單元，同時確保水培單元的水不暴露在Sunny下，至少直到細菌群落充分形成。

三. 保持魚菜共生系統平衡

魚菜共生的關鍵在於維持一個動態平衡的生態系統，使魚、菜、細菌的數量達到一個動態平衡。

魚菜共生系統的均衡可以想象成一個天平，魚和植物是天平兩端的重物，而天平的力臂由硝化細菌構成。這樣，硝化細菌力臂必須足夠粗壯，才能支撐魚和菜的重量。如果力臂不足以支撐魚和菜的重量，就會斷裂。這就意味著，生物過濾是不夠有效的。

在任何時候，細菌需要水中有足夠的溶氧，用以維護高的繁殖能力。硝化作用是一種氧化反應，沒有氧氣，反應就會中止。如果DO值過低，硝化反應將減緩。另外，沒有足夠的DO濃度，另一種細菌會繁殖，產生反硝化厭氧過程，將硝酸鹽轉化回分子態的氮。

紫外線。硝化細菌是對光敏感的生物，太陽紫外線對硝化細菌是一種威脅。在新系統啟動階段，細菌群落初始形成期間，尤其如此。一旦細菌在表面著床，紫外線就不會造成太大問題。消除這一威脅的簡單辦法就是用防紫外線材料覆蓋魚池和過濾單元，同時確保水培單元的水不暴露在Sunny下，至少直到細菌群落充分形成。

如果魚的存欄量和過濾器大小是平衡的，系統就可以把相應的氨轉化成硝酸鹽。然而，如果植物數量太少，系統就會開始堆積營養。高一些的營養濃度對魚和菜都沒有害處，但表明蔬菜端沒有發揮足夠的吸收淨化作用。

一個常見管理錯誤就是太多的菜搭配太少的魚。這種情況下，氨都轉化成了硝酸鹽，但硝酸鹽和其他營養的量不足以滿足植物需要。這種情況最後就導致營養濃度越來越低，植物無法良性生長。

要使魚菜共生系統生產最大化，需要保證足夠的表面區域用於培育細菌群落轉換所有的排洩物，維持魚的廢物和植物營養需求的適當平衡。當系統偏離平衡時，系統會透過引數指標、魚和菜的健康程度，來警示我們。

當平衡一個系統時，許多變數需要考慮。一種經過實踐的簡單方法就是考慮一個比率指標，即：“投餵量/種植面積”，即每平方的種植面積需要多少的日投餵量。透過投餵量，可以確定有多少魚。當然，這個指標，只是平衡系統的一個指引，其他因素在不同階段會對系統產生不同影響。

有兩個簡單方法來檢測系統平衡狀況：一是觀察魚菜的長勢，二是氮測試。

魚和菜中良的生長狀態會告訴我們：系統已經失去平衡。營養缺乏通常表現在長勢弱、黃葉、根長勢差。在這種情況下，可以加大魚存留量、投餵量和生態過濾，或者減少植物。同樣，如果魚在表面呼氣，鰓或面板變紅甚至死亡，那麼往往是由於有毒的氨和亞鹽的堆積。當有太多的廢物需要生物過濾器處理時，往往會出現這種情況。任何魚和菜的症狀示意著，我們需要主動研究找到問題原因所在。

氮測試，即使用水檢測試劑盒測試水中的氮含量。如果氨或亞硝酸鹽濃度太高，它表明該生物過濾不充分，應增加可用生物濾池表面積。大多數魚在這種環境存活不超過幾天。硝酸鹽濃度水平的升高，表明有足夠的營養物質。魚可以容忍較高的硝酸鹽水平，但如果硝酸鹽水平長達數週都是很高，就應該排掉部分水來澆灌其他作物。如果硝酸鹽水平在數週內都很低，魚飼料可以略有增加，以確保蔬菜有足夠的營養輸入。

魚菜共生是一種新型的複合耕作體系，它把水產養殖與水耕栽培，這兩種原本完全不同的農耕技術，透過巧妙的生態設計，達到科學的協同共生，從而實現養魚不換水而無水質憂患，種菜不施肥而正常成長的生態共生效應。

水分、營養和氧氣被不間斷的供應給植物的根，使得植物不需要花費大量的能量用來長根，所以在魚菜共生裡生長的植物，根系都相對較小。

水分是植物一切代謝的載體，如礦質營養的吸收、葉片的蒸騰、酶的活化等生理生化活動都是基於充足的水分代謝基礎之上

瞭解魚菜共生原理的朋友都知道，其核心是硝化細菌將對魚有毒的氨轉化成了對植物有用的硝酸鹽。但魚除了透過鰓排出氨，還會透過消化系統排出固體魚便。固體魚便的分解相對氨向硝酸鹽的轉化來說非常慢，通常需要幾周的時間。然而氨只能為植物提供氮元素，植物所需的其他營養物質如磷、鉀、鈣、鎂、硫以及各種微量元素，則要等固體魚便分解後溶於水中才能被植物吸收。

固體魚便的分解有兩種主要形式:無氧分解和有氧分解。無氧分解的過程比較複雜，能使分解後的營養更多元化，但無氧分解會產生對魚有害的物質如硫化氫（無氧發酵後臭味的主要來源之一，硫化氫在水中，經過光合細菌分解，生產出氫氣，硫，釋放能量，硫在水中透過和氧氣的結合，生產出二氧化硫，二氧化硫微溶於水，慢慢會溢位水面。），並會使水的pH值升高，可能導致系統穩定性下降。（無氧分解也會把對菜很有用的硝酸鹽分解成氮氣，也就是所謂的反硝化，硝酸根在嫌氣(氧氣不足)條件下被反硝化細菌作用而還原成一氧化二氮或氮氣而揮發。這種由硝態氮還原成氣態氮的反應叫做反硝化作用。一般稻田的反硝化損失氮素達35%左右。所以硝態氮肥不適宜水田施用，銨態氮肥和尿素要深施蓋土，避免硝化後再一步發生硝化作用損失氮素。）有氧分解則不會有這些問題，但細菌的活動需要耗費大量的氧氣。