答辩博士：李天沛
指导教师：汪小旵
论文题目：解耦型鱼菜共生系统设计及栽培基质对氮素转化的响应分析
答辩委员会：
主席：鲁植雄 教授/博导 南京农业大学
薛金林 教授/博导 南京农业大学
蒋雪松 教授/博导 南京林业大学
王新忠 教授/博导 江苏大学
卢 伟 教授/博导 南京农业大学
秘书：戴芸 南京农业大学
答辩时间：2025年11月30日 14:00
答辩地点：滨江校区12#B442
学位论文介绍：
鱼菜共生系统结合水产养殖和无土栽培的优点，实现营养物质在水产品和蔬菜间的最大利用，具备零废水排放、零环境污染的潜力。然而目前关于鱼菜共生系统设计及其氮素转化效率和不同基质栽培差异的研究较少，也缺少对鱼菜共生农场综合效益系统性评价方法的研究，限制了鱼菜共生技术及其系统的应用与发展。
本文先以自主设计搭建的解耦型鱼菜共生系统为研究平台，以提高鱼菜共生系统栽培单元氮素转化率及养殖尾水去除率为目标，通过流体动力学方法进行栽培单元设计，设计物联网监测与控制系统并基于深度学习网络对采集的环境参数进行数据分析与预测。通过不同种类蔬菜单因素试验、基质栽培与过滤试验、种养殖正交试验确定最佳农艺措施与水循环策略，基于蔬菜植株生理参数、水质参数、微生物群落结构等多源数据分析栽培基质对氮素转化的响应水平。最后通过场景应用评价鱼菜共生技术的经济效益与环境效益。论文主要研究内容和结果总结如下：
（1）对不同种类蔬菜基于耦合型鱼菜共生系统进行氮素转化研究。采用深水浮筏栽培模式对圣女果（Lycopersicon esculentum var. Cerasiforme）、线椒（Capsicum annuum L.）、蕹菜（Ipomoea aquatica Forsk.）、芹菜（Apium graveolens）、紫背菜（Gynura bicolor (Roxb. ex Willd.) DC.）五种蔬菜进行栽培试验。研究表明鱼菜共生系统中蔬菜根部质量占比在34%～42%时蔬菜的鲜质量增长量较大，其中栽培圣女果的栽培单元有最大鲜质量增长量（28.43 g）和NO2--N相对去除率（69.17%），TAN质量浓度低于0.152 mg·L-1，经其转化吸收后养殖尾水的pH稳定在6.98左右。
（2）对解耦型鱼菜共生中试系统的硬件设计与栽培基质性能进行研究。使用计算流体动力学方法对栽培池进行模拟仿真并进行优化改进，分析结果表明基质孔隙率大小对栽培池内流场循环方向没有影响，水泵功率为34 W，入水管流速为0.71 m·s-1且基质孔隙率为24.17%～48.09%时对流体阻碍作用较小，流场流速分布均匀。设置椰糠、生物炭、椰壳炭和麦饭石四种栽培基质共八个试验组对养殖尾水中氮素过滤能力和圣女果生长状况的影响进行探究。结果表明生物炭对TAN、NO3--N的饱和吸附时间为48 h，生物质颗粒直径越小对NO3--N的吸附能力越强。在无养殖尾水浇灌条件下生物炭作为栽培基质时植株鲜质量增长量增加76.23%，株高增长量增加173.17%，茎粗增长量增加29.69%，各项生理参数最优。基质种类对蔬菜鲜质量增长量的影响显著（p < 0.05）。栽植密度45株·m-2，养殖尾水体积60 L，生物炭作为栽培基质时植株鲜质量增长量有最大值，该条件下圣女果栽植效果最好。
（3）基于多源数据对不同栽培基质的氮转化响应差异进行研究。结果表明植株对养殖尾水中氮素的综合转化率在89%以上，其中采用6 mm粒径生物炭对养殖尾水中的氮素综合转化率为93.56%。生物炭作为栽培基质时，栽培单元对养殖尾水中NO2--N的相对去除率在97%以上，对NO3--N的去除率在95%以上，对TAN的相对去除率在85%以上。基质是否含生物炭以及生物炭颗粒尺寸是造成不同试验组微生物门水平物种差异的原因，基质颗粒度大小对组间属水平物种组成差异的影响大于基质类型的影响。门水平和属水平的微生物群落结构都与基质的EC值显著相关。傅里叶红外光谱分析表明在植物根系和微生物的综合作用下椰糠木质纤维素的聚合结构被破坏，生物炭芳香化程度增强并表现出化学稳定性，抗微生物降解能力较强。
（4）对解耦型鱼菜共生系统的场景化应用及综合效益进行分析。搭建物联网监控系统实现农业生产环境参数（pH、EC值和含水率）的远程查看和自动记录，并对关键环境参数（光照度和溶解氧浓度）进行监控和调节。溶解氧监测与控制结果表明，在4.5～12 mg·L-1溶解氧的调控区间内，溶解氧浓度最低点恢复至设定阈值时间小于5 min。通过线性直插法、箱型图法和数据归一化处理提高数据质量，增强模型的预测精度。环境参数皮尔逊相关系数分析表明基质EC与pH、含水率间相关性显著（R2分别为-0.85、0.84），栽培池温度与养殖池温度间相关性显著（R2 = 0.97）。LSTM模型在参数预测任务中有效实现数据的拟合与预测，除基质EC值外，所有参数预测的R2值均大于0.9755，预测模型在精度和训练效率方面表现优异。以环境效益和经济效益为两个主要评价指标，采用经验公式法和实测法定性定量分析氮转化和排放量等环境效益，根据农场实际建设和运营数据分析计算鱼菜共生系统的经济效益。研究表明TN排放量比单一水产养殖模式减少99.45%，TAN排放量减少99.73%，NO2--N在总氮排放量中的占比最低（7.09%），处理后的水质更利于鱼类的生存。鱼菜共生农场饲料成本是鱼菜共生农场运行时的主要成本来源，占比达73.96%。水产养殖收入在总收入中占比89.74%，是种植收入和服务收入总和的8.75倍。
主要创新点如下：
（1）首次提出包括基质物化特性、过滤性能和栽培性能的栽培基质综合性能评价指标。通过对统一氮输入量情况下不同种类蔬菜生理特性差异的研究揭示不同种类蔬菜对养殖尾水氮素的过滤吸收水平，基于正交试验和多变量分析确定最优基质类型、栽植密度、水循环策略等农艺参数。
（2）开发了一套基于基质栽培的解耦型鱼菜共生系统。通过流体动力学等方法设计优化了栽培池结构，通过对植株生理参数、水质参数、基质微观结构变化和微生物群落结构的分析探明不同基质对氮素转化响应差异。
（3）初步建立科学的鱼菜共生系统综合效益评价体系，解决已有评价体系指标过于单一、无法量化计算等问题。物联网监控和LSTM模型的应用提高了解耦型鱼菜共生系统环境参数的获取和处理水平，提高了鱼菜共生系统的数字化、智能化。
