池塘循環水槽養殖模式研究進展

陰晴朗，羅永巨，郭忠寶，肖俊，周毅，王婧杰，唐瞻楊

（1.上海海洋大學，上海水產養殖工程技術研究中心，上海 201306；2.廣西水產科學研究院，廣西水產遺傳育種與健康養殖重點實驗室，廣西 南寧 530021）

池塘養殖是我國主要的水產養殖方式之一，2017 年全國淡水養殖面積536.496 萬hm2，其中池塘養殖面積252.778 萬hm2，占總淡水養殖面積的47%左右；水產品總產量6 445.33 萬t，其中養殖產量4 905.99 萬t，連續28 年居世界第一位[1]。但隨著養殖規模不斷擴大，池塘養殖面臨著水資源緊缺、病害頻發和水產品質量安全等問題，嚴重影響整個產業的可持續發展[2]。

池塘循環水槽養殖模式（In-pond raceway system，IPRS）是近年來新興的一種養殖模式，通常在池塘一邊建設占池塘總面積1%～3%的“圈養”設施，將苗種投放在養殖單元內，并配備推水增氧設施，形成流水環境，把魚糞、殘餌等推向集污區，對魚類廢棄物進行收集和再利用，達到高產、節水、環保的目的[3]。本文通過綜述近年來池塘循環流水養殖模式的研究進展，總結和探討了池塘循環流水養殖模式的歷史、特點和技術關鍵等，可為建立適用于我國的IPRS 提供參考。

1 池塘循環水槽養殖的歷史

國外流水養殖具有多年歷史。20 世紀70 年代，養殖人員通過改善魚類的養殖環境來提高產量，其中就涉及到水槽流水養殖[4]。早期的流水養殖沒有合適的推水設備，對地形和水質的要求很高[5]。從20 世紀80 年代起，設計了多種推水裝置來解決這個問題，其中包括明輪推水裝置和氣提水裝置[6]。在20 世紀90 年代，流水槽廢棄物的清除研究也取得了一定的進展[7]。此后，研究設計了適用于池塘的循環流水養殖系統，在池塘中設置流水槽，水槽外其他水體作為廢棄物凈化區域，控制流水槽與池塘水體的交換率以提高載魚量[8]。

我國流水養殖歷史悠久，宋朝時期就有利用山泉進行流水養殖的記錄[9]。由于流水養殖對地形的要求較高，建國以來大力發展池塘養殖，對流水養殖模式的關注較少，發展較為緩慢。2013 年美國大豆出口協會在我國推廣池塘循環水槽養殖，其高產、節水、環保的效果得到了廣大養殖者的認可[10]。經過近些年的發展，池塘循環水槽養殖已經在我國多地推廣，養殖的物（品）種涵蓋了我國大部分的養殖種類。

2 池塘循環水槽養殖的特點

2.1 池塘循環水槽系統的概念

IPRS 將傳統池塘“開放式散養”模式創新為新型的池塘循環流水“圈養”模式。在池塘的一側修建流水槽，流水槽前端設置推水增氧設備，后端設置集污區并配備吸污設備。通過推水增氧設備，在水槽內形成富氧流水環境，為魚類提供良好的生存環境；流水將水槽內魚類產生的代謝廢物和殘餌推向后端廢棄物收集單元。池塘其他區域為外池塘凈化區，主要作用是凈化流水槽中的養殖尾水。外池塘設置輔助推水裝置，保證整個池塘水體循環流動。IPRS 整體布局如圖1 所示。

圖1 池塘循環水槽養殖系統整體示意圖Fig.1 Trough structure of IPR

2.2 池塘循環水槽養殖模式與傳統池塘養殖模式的區別

在傳統池塘養殖中，水體既是養殖對象的生活場所，又是排泄物和殘餌的分解場所，也是浮游生物的培育場所，當養殖環境發生改變時，容易造成“養殖動物、浮游生物和水體微生物”之間的生態失衡[11]。IPRS 根據功能分區，單獨建設的原理，通過工程技術將池塘分為養殖單元、推水增氧單元、廢棄物收集單元、外池塘凈化單元。

傳統池塘沒有尾水處理設施，養殖尾水直接排放到環境中，對環境的污染較大，在進行高密度精養時，用于降解代謝物的水體過少，需要通過大量換水來調節水質[12]。IPRS 在養殖單元尾端設置了廢棄物收集單元，利用外池塘大水面凈化養殖尾水，提高了廢棄物的降解效率，實現養殖尾水循環再利用，減少對環境的破壞。

IPRS 在池塘不同位置設置推水設備，使整個池塘水體處于流動狀態，均勻流動的水體能促進藻類生長[13]。藻類的光合作用提高了外池塘水體的凈化能力，增加了水體中的溶氧。推水增氧設備在流水槽內形成流水環境，魚類在適宜的流水環境中能顯著提高生長性能和蛋白質合成速率[14]。

在IPRS 中，單位養殖密度遠高于傳統池塘養殖模式。魚類在高密度模式下易受到環境脅迫，產生應激反應，影響生長速度和存活率，導致養殖風險增大[15]。傳統池塘養殖面積較大，疾病傳播速度慢，預留給養殖者處理的時間較長，而IPRS 中養殖單元僅在占池塘面積的1%～3%，全塘魚類集中在養殖單元中，疾病傳播速度快[16]。

2.3 池塘循環水槽養殖系統構建

養殖單元為長方形水槽，是魚類的生活場所，面積一般不超過池塘的3%。Brown 等[16]在1 口2.34hm2的長方形池塘建造系統總面積490m2，由6條流水槽組成，每條流水槽13.71m×4.88m×1.22m，占池塘總面積的2.1%。陳文華等[17]將4 口池塘改造成1 口總面積為2.13hm2的池塘，設計的IPRS 由2 條22m×5m×2m 和1 條22m×3m×2m的流水槽組成，總面積為286 m2，占池塘總面積的1.4%。倪建忠等[18]在江蘇啟東設計的池塘循環水槽養殖為1 口池塘和8 個不同面積的蟹養殖池相互結合而成，總面積1.33 hm2，由兩個養殖單元為22 m×6m×1.8m 流水槽組成，總面積240 m2，占總池塘面積的1.8%。近年來，國內的流水槽規格為長15～25m、寬3～5m、高2～2.5m，流水槽數量一般為每6 670m2水面建設1 條。

推水增氧單元是核心部分，設置在流水槽前端。早期池塘循環水槽養殖模式的推水單元和增氧單元是分開的，推水單元是明輪裝置，設置在水槽前端，增氧單元是曝氣裝置，設置在水槽的底部，明輪推動水槽內的水體以一定的速度流動，曝氣裝置為水槽內的水體增氧，在養殖槽內形成具有一定水流、溶氧充足的環境[19]。Masser 等設計的氣推水單元，僅需電力就可以推水和增氧。工作原理是利用鼓風機向一排進水管中吹氣，使管中水流加速，水體進入養殖單元后產生一定的推水效果，在進水管中空氣與水充分混合，為流水槽提供氧氣[5]。氣推水單元推水效果較差，與之配套的養殖單元規格較小，Masser 等[5]設計的養殖單元為4.57m×1.21m×1.06m，多用于苗種培育。目前大部分推水系統采用氣提式推水裝置，由鼓風機、微孔曝氣管和擋板組成。工作原理是利用鼓風機向微孔曝氣管進氣，氣體向上運動時帶動水流向上運動，遇到角度為60°或1/4 圓弧角度的擋板后，溶氧飽和的水流向養殖單元后端運動，在水槽內形成一定的水流速度[20]。氣推水裝置的推水效果滿足國內大部分IPRS 的推水增氧需求。

廢棄物收集單元設置在流水槽的后端，主要由集污區和吸污裝置組成。養殖單元中的廢棄物在水流和重力的雙重作用下，向流水槽后端移動，在集污區中沉淀，由吸污設備轉移至塘外。廢棄物收集方法主要有全流沉積法、靜流法、離體式法和異向流斜管沉淀法等。陳文華等[17]設計的系統采用離體式法配合靜流法，吸污泵的吸污管道在集污區往返運動，將廢棄物移至塘外；也有廢棄物收集單元采用在集污區底部連通至一個大沉淀池，利用水位差將廢棄物轉移至塘外[21]。Masser 等[5]設計的系統采用異向流斜管沉淀法，即在沉淀區內利用傾斜的平行管分割成一系列淺層沉淀層，養殖單元產生的廢水在各沉淀淺層中相互運動并分離，用抽水泵抽提分離出來的廢棄物。馬立鳴等[22]設計的廢棄物收集單元采用傳輸帶將集污區底部的廢棄物緩慢提升出水面直至排污管道處，用反沖洗的方式，將廢棄物沖刷至排污管道中至沉淀池。

IPRS 分為固定式循環流水養殖系統和浮動式循環流水養殖系統。固定式循環流水養殖系統是將整個系統固定在特定的位置，適用于水位穩定的水體。槽體一般采用混凝土結構，結實耐用、方便維護，但修建程序繁瑣，混凝土槽體容易劃傷養殖魚類。浮動式循環流水系統是整個槽體（包括推水單元、養殖單元和廢棄物收集單元）懸浮在水體中，適用于湖泊、水庫等水位不穩定的水體。槽體一般采用玻璃鋼、不銹鋼等新材料，便于加工、工藝質量可標準化、池塘改造成本低、安裝簡便、材料可拆卸回收利用和不改變池塘生態環境等[23]。

2.4 養殖種類

國外IPRS 養殖的種類大多為無肌間刺魚類，如斑點叉尾Ictalurus punctatus，平均飼料系數（Feed conversion rate,FCR）為1.95，平均產量為52kg/m3[6]；斑點叉尾和長鰭叉尾Ictalurus funcatus 進行混養，FCR 為1.36～1.74，平均產量可達20 540 kg/hm2；傳統池塘養殖斑點叉尾，平均產量為7 000kg/hm2，FCR 為2.2～3.0[24]。IPRS 養殖系統養殖斑點叉尾能夠顯著提高養殖產量，減少養殖管理的工作量，提高飼料利用效率。Masser 等[8]利用IPRS 養殖將斑點叉尾和羅非魚進行混養，斑點叉尾存活率顯著提升，并減少了固體廢物和含氮化合物的排放。Reid 等[25]利用IPRS 養殖南美白對蝦Litopenaeus vannamei。還有一些養殖種類在IPRS中成功養殖，如藍鰓太陽魚Lepomis macrochirus、雙帶黃鱸Diploprion bifasciatum、虹鱒Oncorhynchus mykiss、條紋鱸Morone saxatilis 等。

我國對IPRS 的探索起步較晚，但發展迅速。張家華等[26]利用IPRS 養殖草魚Ctenopharyngodon idellus，平均產量可達19 230kg/hm2，成活率85%以上。倪建忠等[18]將IPRS 與中華絨螯蟹Eriocheir sinensis 養殖池塘相互結合，利用養蟹池塘中的水草凈化養魚尾水，水草生長又為扣蟹提供隱蔽場所，減少了對環境的污染。馬立鳴等[22]利用IPRS 養殖松浦鏡鯉，單位耗電率為0.33 元/kg，與傳統池塘養殖中平均0.4～0.6 元/kg 的耗電成本相比大幅降低。李振業等[27]用IPRS 養殖大口黑鱸Micropterus salmoides，結果鱸規格較傳統養殖模式均勻，每天需要的工作量為傳統養殖技術的一半。張林兵等[28]開展了大口黑鱸、太陽魚Lepomis gibbosus、花鱸Lateolabrax japonocus 等多種魚類IPRS 養殖，解決了不同養殖魚類食性和習性的差異，實現了單個池塘養多種魚。陳凌云等[29]利用IPRS 養殖草魚，在外塘進行休閑垂釣，實現了池塘循環水槽養殖+休閑農業的新型養殖模式，取得了健康、經濟、高產、高效的養殖結果。

3 池塘循環水槽養殖的技術關鍵

3.1 水流速度

IPRS 通過推水設備在水槽內形成流水環境。在流水環境中，大多數魚類具有溯流習性[30]，適當水流速度能促進魚類的攝食[31]、生長[32]，影響形態結構[33]和生理指標[34]等。水流速度過快會導致魚類無氧代謝增加，超過一定水平時會產生乳酸，當魚肉中乳酸含量過多時，pH 會發生改變，影響肌肉品質[35]。研究表明，在0.75～2dl/s（體長/秒）水流速度下，魚體的生長速率和餌料轉化率會顯著提高[36]。

水流速度影響水槽的清潔度。研究表明，要保持養殖單元的清潔，水流速度在0.1m/s 以上[37]。Soderberg 等[38]研究發現，流水槽的流水速度不能低于0.033m/s，否則代謝廢物和殘餌會沉積在水槽后端。部分魚類在魚種時期持續運動速度小于0.1m/s。因此，利用池塘循環水槽養殖模式進行養殖活動時，既要考慮魚類游泳的最優游泳速度，又要考慮廢棄物的收集效率，即在魚類最優游泳速度和養殖水槽環境的清潔度之間選擇一個平衡值。

3.2 養殖密度

養殖密度是IPRS 生產過程中重要的生產管理要素。增加養殖密度可以提高流水槽單位水體產量，然而盲目增加養殖產量，會導致魚類生長速度減慢，養殖風險增加；而養殖密度過低，則會導致資源利用率降低，養殖效益減少。

養殖密度受到流水槽載魚量的影響。提高流水槽的水流速度，加快流水槽與外池塘水體的交換率，能夠提高流水槽的載魚量[8]。但流水槽內的水流速度受到養殖魚類游泳速度的限制，不能無限增加，流水槽的載魚量存在上限。

養殖密度受到魚類福利水平的影響。魚類在生長發育過程中對環境依賴性較強，易受外部環境的影響。養殖密度不合理，會導致魚類長期處于應激脅迫中，影響魚類的福利水平。養殖密度過高會影響魚類的攝食、餌料轉化效率和生長[39-41]。魚類長期處于擁擠脅迫下，免疫系統會受到抑制，抵御病原體入侵的能力減弱，養殖風險增大[42,43]。

養殖密度受到養殖成本和效益影響。IPRS 較傳統池塘養殖模式，養殖成本相對較高。利用池塘循環水槽養殖模式養殖斑點叉尾，每磅的電力成本是0.051 美元，而傳統池塘養殖每磅的電力成本為0.038 美元[44]；利用池塘循環水槽養殖草魚，每產出1kg 魚的耗電量為0.78 度，傳統池塘養殖約為0.35度[17]。因此，需要在不影響魚類福利水平的前提下，提高養殖密度，增加單位水體產量，增加養殖效益。

3.3 廢棄物處理

在IPRS 中，對廢棄物的處理依靠養殖單元后端集污槽及吸污裝置的抽提分離和外池塘大水面的自然凈化。

推水裝置產生水流將糞便和殘餌等廢棄物沖到流水槽后端，利用重力使之自然沉淀在集污槽，再通過吸污裝置將廢棄物抽提轉移出池塘。廢棄物在水體中時間越長，對水體的污染越嚴重，蔣艾青等[45]研究表明，魚類殘飼和排泄物在水體中超過8～12 h，水質惡化速度加快。根據養殖魚類的攝食節律確定吸污設備的開啟時間，減少廢棄物在水體中的存留時間，降低廢棄物對水體的污染。自然沉降法主要針對的是固體懸浮物密度略大于淡水（1.005～1.2）的顆粒，不同固體懸浮物的密度差影響沉降速度[46]。養殖單元中魚類的劇烈活動顯著加快了固體懸浮物的分解，降低固體懸浮物的直徑，減緩沉降速度，導致集污槽和吸污裝置的效率降低[47]。

外池塘凈化區的自然凈化對廢棄物的處理起重要作用。為提高外池凈化區的自凈能力，Masser在流水槽出水口后側投放了幾種淡水貽貝；Brown在外池塘套養羅非魚Oreochromis spp 和匙吻鱘Polyodon spathula，具有一定的凈化水質效果，也提高了池塘的整體效益。國內最常見的是在凈化區套養鰱Hypophthalmichthys molitrix 和鳙Aristichthys nobilis 等濾食性魚類提高水體自凈能力；在凈化區種植水生植物也能起凈化水質的作用。陳家長等[48]研究發現，在養殖池塘內搭建空心菜浮床，能改善水質，促進水體物質循環，提高池塘的自凈能力；也有利用水生植物和濾食性魚類的組合來提高凈水能力。在凈化區搭建浮床種植空心菜、水葫蘆等，放養花白鰱等，通過濾食性魚類的消耗和水生植物的吸收，去除生產單元產生的廢棄物，達到凈化水質的作用[49]。

4 對池塘循環水槽養殖模式的幾點思考

4.1 系統優化

目前對推水增氧單元的水流特性、流場分布等參數未能量化；推水設備運行過程中，空氣氣泡在水中的大小、分布、上升路徑、存在時間以及溶氧與空氣氣泡的關系等缺少研究。因此，需要采用流體力學的研究方法，分析不同角度擋板水槽中水體的流場、流速等動力學指標，構建養殖水槽空載時的水流特性，挑選最佳擋板的角度，盡可能節約推水動力，降低養殖成本。

魚類糞便和殘餌等廢棄物在沉降過程中，受到魚類活動影響，沉降速率下降，集污槽回收效率降低。在推廣過程中發現，養殖后期或多或少會出現水質惡化現象，給養殖者帶來巨大的經濟損失。因此，需要改良廢棄物回收裝置，提高系統的自凈能力。研究廢棄物在流水中的沉降，明確廢棄物形態與沉降的關系，建立模型，為排泄物收集單元的尺寸優化提供科學依據；在外池塘凈化區，利用水培植物和濾食性魚類的組合調控水質，提高外池塘水體的自然凈化能力。

4.2 完善養殖管理

定期檢查設備運行情況。IPRS 用電設備較多，包括推水增氧設備、吸污設備和外池塘推水設備等，推水增氧設備需要24h 運行，對電力的需求較高，需要定期檢查設備及其輸電線路，保證用電設備正常運行。加強疾病防控，定期消毒。IPRS 單位養殖密度遠高于傳統池塘養殖，且魚類比較集中，傳播速度快，需要無病預防，有病及時治療。目前國內的研究方向主要集中在養殖品種的適應性研究方向，關于養殖管理方面的探索較少。在日常養殖管理方面，如投喂次數、投喂量和投喂方法，吸污裝置的開啟時間和持續時長，藥物消毒的方式和濃度等，僅依靠養殖者經驗，沒有一套科學合理的養殖管理方法。養殖種類間差異較大，不能完全照搬國外的管理方法，應盡快研究出與我國養殖對象相配套的管理方法。

4.3 系統綜合利用和效益提高

IPRS 的運行除需要較大的固定資產投入外，還需要較高的電力成本投入，再加上系統的設計有待優化完善，相關設備使用效果不佳，造成系統生產投入較高等問題。近年來，大宗魚類的價格偏低，很多水產養殖企業利潤偏低，如何降低生產投入，提高養殖效益，是推廣IPRS 的關鍵。存活率過低也制約IPRS 的效益。對養殖單元載魚量的研究較少，在推廣過程中，盲目追求高產，放養密度過高，導致我國池塘循環水槽養殖的存活率普遍較低。因此，需要進一步研究，確定我國主要養殖種類的合理密度，提高池塘循環水槽養殖模式的存活率。外池塘凈化區除用于凈化養殖水體外，可以考慮其他用途，提高凈化區的產出效益，在凈化區作業時，制定合理的養殖計劃，避免整個系統處于滿負荷運轉狀態。

總的來說，IPRS 能實現養殖水質凈化和廢棄物的循環再利用，具有明顯提高養殖產量、改善水產品品質、簡化養殖管理和提高養殖效益等優勢，符合我國水產養殖業健康養殖、可持續發展的理念，是未來最具潛力的池塘養殖模式。