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Effects of Different Mineral Filter Stones on Water Quality Purification and Organism Growth in Aquaponics Systems
XUHao, ZHOUXiaoping, MAXuelian, BAIZhiqiang, GUShiyou, ANLei, GUOYanying, YELin
Chin Agric Sci Bull ›› 2026, Vol. 42 ›› Issue (20) : 148-160.
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Abbreviation (ISO4): Chin Agric Sci Bull
Editor in chief: Yulong YIN
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Effects of Different Mineral Filter Stones on Water Quality Purification and Organism Growth in Aquaponics Systems
To meet the demand for high-performance biofilter media in aquaponics systems, a closed-loop aquaponics system was established with 5 treatments: volcanic stone (T1), zeolite (T2), maifan stone (T3), ceramsite (T4), and mixed stones (T5). The impact of these media on water quality indicators, lettuce growth, and fish performance was analyzed, and the underlying mechanisms were explored in relation to the pore structure and chemical composition of the materials. The results indicated that the volcanic stone group (T1) significantly optimized water quality compared to other media. The concentration of ammonia nitrogen decreased to 0.70 mg / L, the concentration of nitrite was the lowest, and the average dissolved oxygen was as high as 7.64 mg / L. In T1, lettuce root length (375.06 cm) and root volume (13.47 cm3) increased significantly, the net photosynthetic rate reached 16.32 μmol/(m2·s), and the yield was 35674 kg/hm2, all of which were higher than that of other treatments. Furthermore, the crucian carp in T1 achieved a weight gain of 147.67 g, and the serum aspartate aminotransferase (AST) level significantly decreased to 392.20 U/L. In contrast, while the zeolite group (T2) showed the lowest total phosphorus at the end of the experiment (4.52 mg/L), its ammonia nitrogen accumulated to 1.35 mg/L, leading to physiological stress in the fish with AST levels rising to 753.03 U/L. The maifan stone group (T3) significantly increased the soluble protein content of lettuce to 29.18 mg/g and maintained good health indicators in the fish. The mixed stone group (T5) did not demonstrate the expected synergistic advantages. In conclusion, volcanic stone performs best overall in improving water quality, promoting lettuce growth, and maintaining fish health, and its high porosity and specific surface area facilitate microbial attachment and nitrogen transformation, making it a highly efficient biological filter medium for aquaponics systems. These findings provide a valuable reference for the development of water-saving facility agriculture in arid and semi-arid regions.
aquaponics system / mineral filter stone / water purification / lettuce yield increase / fish health
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为探究不同水肥耦合配比对玉米光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量、干物质积累特征和产量的调控机理，以‘豫玉22号’玉米为研究对象，于2022年在旱作区开展田间试验，采用裂区设计，以灌水量3150 m3/hm2 (W<sub>1</sub>)、3825 m3/hm2 (W<sub>2</sub>)、4500 m3/hm2 (W<sub>3</sub>)做主区，以施氮量0 kg/hm2 (N<sub>0</sub>)、272 kg/hm2 (N<sub>1</sub>)、320 kg/hm2 (N<sub>2</sub>)为裂区，测定玉米生育期的光合速率、蒸腾速率、叶绿素含量、干物质积特征和产量等指标。结果表明，在减量15%灌水量下，W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的玉米生育期的光合速率较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别提高30.91%、13.53%；W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的蒸腾速率较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别提高39.78%、26.46%；W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的叶绿素含量较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别提高32.33%、9.21%；W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的干物质最大增长速率出现天数较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别延迟7.5、3.7 d；W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的V<sub>max</sub>较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别提高11.25%、4.24%；W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的生物产量较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别提高29.97%、5.15%；W<sub>2</sub>N<sub>1</sub>处理的籽粒产量较W<sub>2</sub>N<sub>0</sub>、W<sub>2</sub>N<sub>2</sub>处理分别提高48.61%、10.78%。研究认为，在旱作区可采用减量15%灌水(3825 m3/hm2)与减量15%施氮(272 kg/hm2)耦合模式栽培玉米，以达到节水省肥、高产高效的水肥管理目标。
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周陈平, 林伟, 杨敏, 等. 水肥耦合对香蕉和番木瓜幼苗生长的影响[J]. 中国农学通报, 2024, 40(10):68-75.
分析不同氮、磷、钾含量配比与基质相对含水率的耦合对香蕉和番木瓜幼苗生长的影响，为节约型精准化苗木培育提供理论依据。以‘巴西蕉’和‘紫晖’番木瓜假植苗为材料，采用双因素随机区组设计4个水平氮、磷、钾含量配比和3个水平基质相对含水率的交互组合，共12个处理(T1~T12)，以传统水肥处理为对照(CK)，测定不同处理的香蕉和番木瓜幼苗株高、茎粗、叶片数、叶片SPAD值、叶面积、地上部干重及根系总长度、表面积、平均直径、根尖数等生长形态指标，并对地上部生长指标进行PCA综合评价。在香蕉幼苗试验中，T6处理对株高、叶面积、地上部干重及根系总长度、表面积、平均直径影响最大，T1处理的茎粗最大，T1、T5和T6处理叶片数最多，均为7.60片，T5处理的叶片SPAD值最高，T7处理的根尖数最多，地上部生长指标PCA综合评价得分为T6> T5> T1> T2> T10> T3> T9> T7> T11> T12> T4> T8> CK。在番木瓜幼苗试验中，T10处理对株高、叶面积、叶片数、地上部干重影响最明显，T9处理的叶片数、地上部干重与T10处理一致，并显著增加根系总长度、表面积、根尖数，T11处理的叶片SPAD值最高，T2处理的根系平均直径最大，地上部生长指标PCA综合评价得分为T10> T9> T1> T11> T6> T3> T2> T5> T7> CK> T12> T8> T4。培育香蕉和番木瓜幼苗的最佳氮、磷、钾含量配比均为20:10:20，最佳基质相对含水率分别为80%和70%。
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陈哲栋, 侯会静, 徐晓, 等. 水肥一体追肥减量对黄心菜生长、产量及基质环境的影响[J]. 中国农学通报, 2022, 38(30):72-76.
旨在为水肥一体化在黄心菜设施栽培中的应用提供理论依据,本研究设置了常规施肥(CK),水肥一体化滴灌条件下常规追肥量(T1)、追肥减施33.4%(T2)和追肥减施66.7%(T3)4个处理,采用盆栽基质栽培法,探讨水肥一体化条件下追肥减量对黄心菜生长、产量、肥料偏生产力(partial factor productivity of fertilizer, PFP)和基质环境的影响。结果表明：相比CK处理,T1、T2和T3处理分别增产51.61%、44.15%和29.28%,增产显著。T3处理组PFP最高,达到139.55 kg/kg,是CK的2.4倍。水肥一体化有利于提高叶片数、开展度和最大叶面积,且在追肥后水肥一体化处理肥料见效更快。高水肥能显著提高基质碱解氮含量,但同时会造成基质中可溶性离子浓度过高。综上所述,采用水肥一体化可有效提高黄心菜产量、生长指标和PFP,建议追肥减施33.4%,不仅可显著提高产量和PFP且不易造成盐害。
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郑晨烨, 闫豫疆. 矿质元素含量对新疆灰枣果实品质的影响[J]. 中国农学通报, 2025, 41(22):65-74.
为解析新疆主产区灰枣果实核心品质指标与矿质元素间的定量关联特征，明确关键元素（如Mg、B、P等）对品质形成的直接作用强度及方向，在灰枣主产区选择9个县市灰枣园进行采摘，测定灰枣果实7种品质指标和11种矿质营养元素的含量，借助相关分析与通径分析等统计学方法，对矿质元素和果实品质指标之间的关系进行分析。结果表明，不同产地间各果实品质指标、矿质元素含量差异明显。可滴定酸、蛋白质、糖酸比、B、Fe、Zn含量的变异系数均大于30%，可食率的变异系数最小（仅为1.06%）。矿质营养元素与果实品质间存在显著相关性，单果重与P含量(r=-0.657)、Mg含量(r=-0.606)、S含量(r=-0.648)呈极显著负相关；果形指数与P含量(r=-0.603)呈极显著负相关；可滴定酸与Ca含量(r=0.651)呈极显著正相关。通径分析表明，Mg对灰枣果实单果重、可溶性糖的负直接作用最大，分别为 -0.698、-0.446；对蛋白质、果形指数的直接影响最大，分别为0.785、0.529。B对可滴定酸含量的负直接影响最大，为-0.959；对糖酸比含量的直接影响最大，为0.978。P对可食率的负直接作用最大，为-0.825。此外，Mn(0.373)和P(0.342)对可溶性糖具有较大的影响。在实际生产环节中，适当增加B、Mn以及P肥的施用量，对Mg和Ca肥的施用量加以管控或减少，妥善协调各类营养元素在施肥过程中的比例分配，可有效提升果实品质，达成灰枣优质且高效生产的预期目标。
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吴亚迪, 代惠蓉, 张燕, 等. 生物炭替代对栽培基质性质和作物生长发育的影响[J]. 中国农学通报, 2025, 41(36):90-99.
为了解生物炭替代对农业实践的影响从而为无土栽培中生物炭的合理应用提供理论依据，本研究从生物炭对栽培基质的理化性质、土壤生物学特征、作物形态特征、作物光合作用和产量品质特征等方面的影响系统梳理国内外相关研究，综述生物炭施用后栽培基质的理化与生物学性质变化，以及作物生理形态与产量品质的响应，探究生物炭替代对栽培基质性质和作物生长发育特征的影响。研究结果表明，向传统基质中添加适宜比例的生物炭，可显著优化基质理化性质，降低基质容重（典型降幅15%~40%），提高持水能力（增幅20%~60%），并将pH稳定在多数作物适宜的范围(5.5~7.0)，其效果显著依赖于生物炭类型（如单独施用椰壳生物炭容重降低达29.6%）。同时，生物炭能显著促进作物生长（如使植株总生物量增加25.4%），提高产量和品质。然而，特定条件下生物炭可能抑制作物生长，且其生产与应用过程存在潜在污染风险（原料携带重金属、热解过程产生多环芳烃与环境持久性自由基等）。因此，建议通过严格筛选原料、优化制备工艺、开发针对性改性技术、加强应用过程管控等措施进行防控，以减少二次污染风险，推动其绿色、低碳、可持续农业中的安全高效应用。生物炭在改良基质和促进作物生长方面潜力显著，未来需规范其生产与应用以防控污染风险，助力绿色低碳农业可持续发展。
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李建柱, 侯杰, 张鹏飞, 等. 空心菜浮床对鱼塘水质和微生物多样性的影响[J]. 中国环境科学, 2016, 36(10):3071-3080.
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Chromium (Cr)-contaminated tannery wastewater is a major environmental concern, especially in developing countries, such as Pakistan, due to its use for crop irrigation, resulting in food-chain contamination and health issues. In this study, we explored the distribution, speciation, hydrogeochemical behavior and environmental risks of Cr in tannery wastewater collected from various tanneries of Kasur district in Punjab, Pakistan. Tannery wastewater samples were taken during the summer (TWW-summer; n = 82) and winter (TWW-winter; n = 82) seasons. The results showed that high Cr concentration was observed in TWW-winter (mean: 49 ± 32 mg L−1) compared to TWW-summer (mean: 15 ± 21 mg L−1). In TWW-summer and TWW-winter samples, the Cr concentration exceeded the National Environmental Quality Standard (1 mg L−1), with the total Cr ranging from 2.8 to 125 mg L−1. Hexavalent Cr (Cr(VI)) and trivalent Cr (Cr(III)) concentrations spanned 2.7 to 2.9 and 12.4 to 46 mg L−1, respectively. The Piper plot showed that hydrogeochemistry of wastewater was dominated by Ca-Mg-SO4 and Ca-Mg-Cl type water, and geochemical modeling indicated that the presence of Cr-iron (Fe)-bearing mineral phases—notably, FeCr2O4, MgCr2O4 and Cr(OH)3) may control the fate of Cr in the tannery wastewater. Environmental risk assessment modeling categorized the tannery wastewater as the ‘worst quality’, which is not fit for use in crop irrigation without treatment. This study highlights that immediate monitoring, remediation and mitigation strategies are required to reduce the risk of Cr exposure from tannery wastewater in many areas of Pakistan.
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