湖南池塘工程化循環水養殖系統水質監測及其變化規律研究

■ 程小飛，向勁,2，李金龍，蘇東旭，薛天翔，宋銳＊，伍遠安＊

(1 湖南省水產科學研究所，長沙 410153；2 湖南省水產原種場，長沙 410153）

根據《2018年國民經濟和社會發展統計公報》數據顯示，中國2018年全年水產品產量6,469萬t，其中，養殖水產品產量5,018萬t，占水產品總產量的77.57%。淡水養殖總面積5,364.96千公頃。其中，池塘養殖面積2,527.78千公頃。池塘養殖仍是中國淡水養殖的主要方式，其產量占淡水養殖總產量的70%以上。我國漁業的快速發展，為保障國家食物安全、促進農漁民增收和經濟社會發展作出了重要貢獻。我國的水產養殖業不但對國內水產品產量起著主導地位，且對全球水產養殖業的貢獻和發展也占據重要地位。但是，隨著我國居民對水產品需求和消費量不斷增加，我國水產養殖尤其是淡水養殖業進入發展快車道，在快速發展同時，我國淡水養殖業存在水土資源缺少、養殖水環境污染日趨嚴重、養殖設施簡陋、池塘生產力逐年下降、養殖戶收入減少等問題也逐漸突顯出來，研究開發及推廣新的養殖模式迫在眉睫。

池塘工程化循環水養殖模式，俗稱跑道魚模式，是美國大豆出口協會從2013年開始在中國推廣，國家水產技術推廣總站在2018年將其作為主要推廣模式之一，在全國范圍內的推廣應用的現代化養魚模式。它將傳統池塘開放式“散養”模式創新為新型的池塘循環流水“圈養”模式，通過在養魚槽內集中養殖吃食性魚類來控制糞便排泄范圍 ，并收集魚類的排泄物和殘餌，實現沉淀集中與處理利用，是水產養殖理念的又一次革新。湖南是傳統水產大省，有悠久的漁業發展史，水產種質資源豐富、技術力量深厚，在積極落實農業供給側結構性改革和鄉村振興戰略、推進新一輪產業轉型升級過程中，水產業發展迎來了新的機遇與挑戰，近幾年省內已有多家水產養殖企業開展池塘工程化循環水養殖，然而相關經驗和數據的積累卻鮮有報道。本文擬通過對該系統一個養殖周期內不同區域的水質監測，為池塘工程化循環水養殖模式在湖南的推廣應用提供水質方面的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 池塘條件

養殖基地位于湖南省長沙市望城區書堂山村，現有水面約358畝，其中工程化循環水養殖系統所在池塘面積約190畝，其它凈化水質池塘168畝。流水槽系統建設面積占池塘總面積約4.1%。

基地已建成標準化流水槽40條，于2018年初投入使用，進行養魚水槽24條。

表1 不同監測點全年溶解氧含量在各區間的頻次（單位：次）

表2 不同監測點全年溶解氧含量在各區間的頻率（%）

1.2 流水槽構造

水槽凈寬為5m，長度26m，其中22m為養殖區，前端1m為推水區，末端3m為集污區，水槽深2.7m。

1.3 養殖品種

2018年流水槽主要養殖品種有加州鱸、芙蓉鯉鯽、草魚、斑點叉尾鮰、鳊魚；大湖放養品種主要是鰱魚、鳙魚等。

1.4 系統基本構成

該基地池塘內循環微流水生態養殖系統主要包括增氧推水設備、流水養魚池、集污系統、污水處理系統、水質監測系統、底層增氧設備及攔魚柵、備用發電機、起捕設備等輔助設備。

1.5 采樣點設置

根據系統水流特點及流水槽養殖品種不同，共設置8個具有一定代表性的常規監測點，其中流水槽設置5個點（在每個流水槽監測點的上游、中游、下游分別采樣），大湖設置3個點。分別為5#水槽（草魚）、16#水槽（鯽魚）、20#水槽（鱸魚）、24#水槽（鯽魚）、26#水槽（空槽對照），大湖上游凈水區、大湖下游過慮區、大湖中游過水區，如下圖1所示。一般在水下30～50cm采樣，每個采樣點取3 個平行水樣。采樣時間為 2018年3月～2019年3月，每月上旬、中旬、下旬各1次以上，一般為 09:00～15:00。

1.6 水質檢測指標及設備

水溫（美國維賽YSI ProPlus型多參數水質測量儀，美國哈希HQ40d 便攜式水質分析儀）；溶解氧（美國維賽YSI ProPlus型多參數水質測量儀，美國哈希HQ40d 便攜式水質分析儀）；pH值（美國維賽YSI ProPlus型多參數水質測量儀，HQ40d 便攜式水質分析儀）；氨氮（美國維賽YSI ProPlus型多參數水質測量儀，北京桑普水博士水質分析試劑盒）；亞硝酸鹽（北京桑普水博士水質分析試劑盒）；硫化物（北京桑普水博士水質分析試劑盒）；透明度（透明度盤）；流速（廈門博意達科技股份有限公司LSH10～1A型手持式超聲波多普勒流速儀）

1.7 數據分析

采用excel 2007對數據進行處理分析，結果以平均值±標準差表示（mean±SD）。

2 結果與分析

2.1 水溫

各監測點一個養殖周期內的水溫變化情況，如圖2所示。

3～4月份水溫逐漸升高，從15℃升高至22℃以上，其中4月中旬有次降溫過程，降溫幅度高達3℃；5月份水溫波動較大，水溫升降反復，但都高于24℃，進入6月份水溫趨于穩步升高，從25℃升高至30℃以上；7月份水溫繼續穩步升高，從31℃升高至全年最高溫34℃ 以上；8月份水溫開始回落，從33℃降低至30℃；9月份水溫逐步下降，從32℃降低至24℃，尤其9月底有次強降溫過程，相對于9月中旬以前的水溫，本次降溫幅度高達5℃；10月份水溫繼續逐步下降，從23℃降低至19.5℃，10月下旬水溫在20℃附近波動；進入11月份，水溫開始直線下降，從20℃降低至14℃。12月，水溫繼續下降，由12℃左右降至8.5℃。

同一時間不同監測點的水溫基本相同，全年不同監測點水溫的變化曲線也基本重合；從水溫監測數據得知，3月～5月水溫波動較大，易出現水溫驟降現象，魚病多發，需注意多加防范，在此期間不宜大量投喂飼料；該系統各養殖魚類的最適水溫及快速生長期主要集中在6月～10月，在此期間可以適當增大投飼量，保證養殖魚類快速生長對營養物質的需求。

2.2 溶解氧

養殖系統各監測點全年溶解氧水平，如圖3所示：養殖系統不同監測點（流水槽和大湖）全年溶解氧含量的變化曲線基本一致，即同一監測點的溶解氧含量在不同時間段差異較大，而同一時間段的不同監測點溶解氧含量差異較小；總體上看，大湖的凈水區溶解氧含量高于過濾區和過水區，而過濾區和過水區溶解氧含量差異較小。不同流水槽監測點，在同一時間段采樣，16#鯽魚槽溶解氧含量多數時間低于其他流水槽，且流水槽溶解氧含量與其養殖密度呈現負相關。

如表1所示，一個主要養殖周期（3月～11月，9個月）共采樣37次，累計采集數據296個，其中不同監測點溶解氧含量小于3mg/L的次數為13次，4mg/L以下出現次數為49次，最多的是16#鯽魚槽，大于5mg/L出現次數最多的是大湖的上游凈水區。同一時間，因不同流水槽的養殖品種、規格大小、放養密度、推水流速等差異，其溶解氧含量有較大差異。

如表2所示，流水槽全年溶解氧含量大于5mg/L的次數占監測總次數的比例為52.96%，3～5mg/L占比為41.63%，3mg/L以下占比為5.41%；大湖全年溶解氧含量在大于5mg/L的次數占監測總次數的比例為61.26%，3～5mg/L占比為36.04%，3mg/L以下占比為2.70%。

養殖水體中的溶解氧含量一般應保持5～8mg/L，至少應保持在4mg/L，才不影響魚類的正常攝食和生長；輕度缺氧時，魚蝦表現煩躁不安，呼吸加快，大多集中在表層水中活動，個別浮頭；重度缺氧時，大量魚蝦浮頭，并張口大量吞氣，游泳無力，甚至死亡。該養殖基地整個養殖系統溶解氧含量低于3mg/L的次數占總監測次數的4.39%，3～3.99mg/L次數占總監測次數的16.55%，4mg/L以上的次數占總監測次數的79.06%，夏秋季節也出現溶氧3mg/L以下，甚至2mg/L以下。《漁業水質標準》中規定，溶解氧連續24h中，16h以上必須大于5，其余任何時候不得低于3，對于鮭科魚類棲息水域冰封期其余任何時候不得低于4。因此本系統的溶解氧含量大部分時間是符合漁業水質標準，但在夏秋季節仍需提高系統溶解氧含量。

2018年用于養殖的水槽有24個，占已建成水槽總數的60%，且已用于養殖的水槽放養密度均不大，其中鱸魚槽放養最大密度是7.935kg/m3（17#槽），鯽魚槽放養最大密度是7.77kg/m3（16#槽）。鑒于2018年該養殖基地的流水槽未全部投入使用及已經使用的流水槽均沒有進行高密度養殖，在此條件下，根據溶解氧監測數據顯示，仍有20%溶解氧含量低于3，甚至2以下，因此如果需要在現有養殖規?；A上，增加投入使用新的水槽，或已經使用水槽中增加養殖密度需要慎重考慮和科學評估，整個系統的溶解氧含量是必須考慮的重要因素之一。雖然可以通過底部增氧或者開大功率的鼓風機加大流速來改善水槽溶解氧含量，但經過試驗，在水槽溶解氧飽和度較低的情況下，打開底部增氧設備或者開啟最大功率的鼓風機加大流速1h后僅能提高1mg/L的溶解氧含量。因此為了不影響魚類的正常攝食和生長，為了降低餌料系數和取得較好的養殖效益，僅僅通過底部增氧或者開大功率的鼓風機加大流速來改善水槽溶解氧含量，這些還不夠。

筆者建議：水槽外圍的大湖放養吃食性魚類的密度要降低；大湖四周增加推水設備使湖水流動起來或者增氧設備；核實流水槽外圍水域的面積，確保投入使用水槽面積占養殖基地水面的比例不大于5%，如果超過5%，應該減少投入使用的水槽數量或減小放養密度；注重培育大湖水質，增加浮游植物和水生植物的數量。

2.3 pH值

pH值是水質的重要指標，對魚蝦的高產穩產具有重要作用。通常將養殖水體pH值作如下劃分：強酸性≤3；酸性3～5；弱酸性5～6.5；中性6.5～7.5；弱堿性7.5～8.5；堿性8.5～9.5；強堿性＞9.5。我國漁業水質標準規定養殖水體的pH值范圍為6.5～8.5，即中性和弱堿性，7.5～8.0是養殖和繁殖階段的高產pH值。

如圖3和圖4所示，整個監測周期（3月～11月），全養殖系統（流水槽和大湖）pH值在6.5～8.5之間，符合漁業水質標準（6.5～8.5）。其中3月份pH值較高的原因是系統剛建成投入使用不久，水泥池壁堿性較強；4月初至6月中旬，多數監測點pH值在6.5～7.5之間，呈中性；6月底至11月底，多數監測點pH值在7.5～8.0之間，呈弱堿性。

2.4 氨氮

養殖水體氨的來源：有養殖魚蝦的排泄物、殘餌、浮游生物殘骸等分解后產生的氮大部分以氨的形式存在；水體缺氧時，硝酸鹽、亞硝酸鹽等還原成氨；魚蝦的鰓和水體浮游生物在生活過程中存在旺盛的泌氨作用，是水體氨的又一個來源，且養殖密度加大，泌氨作用也大幅度提高。水體中的氨態氮以分子氨NH3和離子氨NH4+兩種形式存在，其中分子氨NH3對魚類有很強的毒性，而離子氨NH4+不僅無毒，還是水生植物較容易吸收的無機氮源

分子氨濃度較低時，如低于我國漁業水質標準規定值（≤0.02mg/L）時，不會影響魚蝦的生長、繁殖；分子氨濃度介于0.02～0.2mg/L時，雖濃度輕度偏高，但仍在魚蝦可忍受范圍內，一般不會導致魚蝦發病，對養殖魚蝦的生長無影響；分子氨濃度介于0.2～0.6mg/L時，對魚蝦有輕度毒性，易造成細胞和組織的損傷和感染，導致發??；分子氨濃度≥0.6mg/L時，對魚蝦毒性較大，在高溫高密度養殖條件下，極易導致魚蝦中毒、發病，甚至大批死亡。鯽魚分子氨的安全濃度為≤0.25mg/L，草魚、鳊魚、鰱魚、鳙魚分子氨的安全濃度為≤0.3mg/L。養殖水體分子氨濃度一般要控制在0.60mg/L以下；溫度越高、pH值越高，分子氨占氨氮的比例也越高（例如35℃，pH值8.0，分子氨占總氨的比例11%）。

養殖系統不同監測點的氨氮含量隨季節變化情況，如圖6所示：同一時間段，不同監測點氨氮濃度基本一致；同一監測點，在不同時間段的氨氮濃度不盡相同。整個養殖周期，用試劑盒測試各監測點的氨氮濃度為0.10～0.60mg/L，其中10月中旬以前基本低于0.20mg/L，而10月中旬以后氨氮濃度有所升高，最高也不超過0.60 mg/L。經計算全年分子氨濃度低于漁業水質標準（≤0.02mg/L）。（氨氮濃度最高出現在11月13日，YSI水質分析儀探頭測對應的是1.40～1.60mg/L，按最高1.60mg/L計算，當時水溫16攝氏度，pH值7.4～7.6，查詢得知分子占氨氮比例為0.9%，計算分子氨的最大濃度我0.0144mg/L）

2.5 亞硝酸鹽

養殖系統不同監測點的亞硝酸鹽含量隨季節變化情況，如圖7所示：流水槽和大湖各監測點的亞硝酸鹽含量變化曲線基本一致，在3月～6月，各監測點的亞硝酸鹽含量均在0.2mg/L以下；7月～8月各監測點的亞硝酸鹽含量均在0.2mg/L～0.4mg/L之間；9月份各監測點的亞硝酸鹽含量降低至0.05mg/L以下；10月份各監測點的亞硝酸鹽含量再次升高至0.2mg/L～0.4mg/L之間；11月份各監測點的亞硝酸鹽含量又降低至0.10mg/L以下。

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一般情況下，正常養殖水體中亞硝酸鹽含量低于0.1mg/L，魚及水生動物在此條件下能夠自由的生活，不會造成任何健康損害；當養殖水體亞硝酸鹽含量在0.1～0.5mg/L期間并長期維持這一水平時，會造成慢性亞硝酸鹽中毒，表現為攝食量下降，呼吸困難，行動緩慢，騷動不安等；當養殖水體亞硝酸鹽含量大于0.5mg/L時，魚蝦中毒加劇，體力衰竭，游泳無力，臀部底面呈黃色，某些代謝器官衰竭，情況嚴重將導致死亡；亞硝酸鹽的毒性依養殖品種和個體差異而不同，為確保養殖安全，亞硝酸鹽含量應控制在0.2mg/L以下。

因此本系統的亞硝酸鹽含量在春冬季節符合漁業水質標準，而夏秋季節，尤其是7月、8月、10月這三個月多數情況其亞硝酸鹽含量是超標的，影響養殖魚類的正常攝食及生長。養殖水體中的氨在溶氧充足的條件下，經過亞硝化細菌作用，逐步氧化生成亞硝酸鹽（亞硝化作用），亞硝酸鹽在細菌的進一步作用下轉化為硝酸鹽（硝化作用）。硝化作用一旦受阻，就會引起硝化細菌的中間產物亞硝酸鹽在水體中大量積累。亞硝酸鹽含量受氨含量、溶解氧含量、pH值及水溫影響，其中氨含量越高、溶解氧含量越低、pH值越低及水溫越低，則亞硝酸鹽含量越高。而本系統在7月、8月、10月這三個期間，其氨含量較低、pH值呈弱堿性、水溫也較高，而在此期間溶解氧含量卻較低（多數在4mg/L以下），因此能有效降低亞硝酸鹽含量的方法主要是增加整個系統中溶解氧含量，其次也可以增加吸底污的頻率減少系統中氨的含量，另外換水或加注新水也是方法之一，但在夏秋季節水源較匱乏，不便實施。

2.6 硫化物

養殖系統不同監測點的硫化物濃度，如圖8所示：整個養殖周期在3月～11月，硫化物濃度均小于0.02mg/L(試劑盒測試)，遠低于漁業水質標準中規定（0.2mg/L）。

養殖水體中硫化物有兩個主要來源。

一、土壤巖層硫酸鹽含量高、大量使用高硫燃煤地區的雨水及地下水中含量大量的硫酸鹽，這些硫酸鹽溶解進入水體后，在厭氧條件下，被存在于養殖池底的硫酸鹽還原菌分解而形成硫化物。

二、殘餌或糞便中的有機物在厭氧細菌的作用下分解產生硫化物。

可溶性硫化物與泥土中金屬鹽結合形成金屬硫化物，致使池底變黑，這是硫化物存在的重要標志。硫化物的毒性主要是指硫化氫（H2S）的毒性。硫化氫是一種帶有臭雞蛋氣味的可溶性氣體，是水產動物的劇毒物質。我國漁業水質標準中規定硫化物的濃度（以硫計）不超過0.2mg/L。這對常規養殖的鯉科魚類是安全的，但對某些特種養殖及苗種培育，養殖水體中有毒H2S的濃度應嚴格控制在0.1mg/L以下。硫化物在水中通常以H2S和HS-兩種形式存在，S-的含量極微。常溫下，pH值＞9時，硫化物98%以上都是以HS-的形式存在，毒性較??；pH值＜6時，90%以上的硫化物以H2S形式存在，毒性很大；pH值=7時，H2S和 HS-各占一半；當水體pH值=6～9時，隨著水體pH值的增高，H2S的毒性逐漸減小。

2.7 透明度

本養殖系統不同監測點的透明度全年變化情況，如圖9所示：流水槽和大湖不同監測點的透明度大小隨時間變化曲線基本一致；在同一時間，大湖的透明度大于流水槽的透明度；各監測點3～5月份透明度隨時間逐漸減小（65～24cm），6月份透明度在28～42cm之間波動，7月～11月份透明度在20～35cm之間波動。

系統透明度3～5份變化較大是因為早期蓄水后系統內的生態系統沒有形成，浮游植物和水生植物較少，造成透明度較高，夏、秋季浮游生物繁殖快，透明度低逐漸降低；另外，刮風、下雨時有波浪，水中泥沙泛起，透明度低；無風、晴天時，透明度高。因此透明度大小不僅能影響水中浮游植物的光合作用，而且還能大致反映水中餌料生物豐欠和水質肥度。一般養殖水體的透明度在20～40cm最好為30cm。因此，本系統的透明度基本符合養殖水質標準。

2.8 流速

養殖系統不同監測點的流速變化曲線，如圖9所示：大湖不同監測點的流速變化曲線基本一致，而流水槽各監測點的流速變化曲線各不相同；同一個時間段，其中大湖的流速要大于流水槽的流速，空白池的流速小于其他養魚流水槽的流速；同一個監測點，在不同時間段的流速有一定波動。同一個流水槽，一般情況下上、中、下游流的速依次遞減，典型遞減規律大致為：上游流速（100%）＞中游流速（60%）＞下游（50%）流速。

大湖上游凈水區的流速在0.04～0.296m/s，大湖中游過水區0.019～0.256m/s，大湖下游過濾區0.031～0.340m/s；5#流水槽的流速在0.02～0.13m/s；16#流水槽的流速在0.036～0.114 m/s；20#流水槽的流速0.025～0.08m/s；24#流水槽的流速在0.031～0.133m/s；26#流水槽的流速在0.007～0.075m/s；

進入12月份，水溫8.5～12℃期間，整個系統可以視天氣、投飼、水質狀況適當關閉底部增氧設備和鼓風機流速設備，而不影響系統整體溶解氧含量。

大湖的流速受風力的影響，而流水槽的流速主要由鼓風機的工作效率決定；當水體溶解氧未達到飽和時，流速越大，其溶解氧水平越高；該系統配備4臺功率不同羅茨鼓風機，可根據流水槽中魚的品種、規格、數量及活動等狀況開啟最大一臺或最小一臺，或同時開啟多臺，進行流速調整；每個流水槽也有4個閥門，可根據需要控制進入每個流水槽的流速；另外流水槽還配備底部增氧系統，根據需要可以配合羅茨鼓風機的開啟或關閉。因此整個養殖系統流水槽的流速是可以根據需要進行調控。

3 討論及結論

楊顯祥等（2017）的研究結果相似，池塘工程化循環水養殖模式作為一項新興的水產養殖模式，可以使池塘水體處于循環流水狀態，促進養殖系統槽內、外水體的交換和整個養殖水體上、下層的交換，從而保持養殖水體pH值的穩定性，增加整個水體的溶氧，尤其可以使水槽內上、中、下水層的溶氧趨于均勻，提前償還底部“氧債”，促進槽內養殖動物的生長；不僅如此，該系統還可通過在流水槽末端定期吸污及過濾區設置水上浮床等方式，降低水體中氨氮、亞硝酸鹽等有毒有害物質的含量，控制總氮、總磷等富營養化指標的濃度，降低養殖風險。

通過對池塘工程化循環水養殖系統一個養殖周期的水質監測，基本掌握了該系統不同監測點全年水溫、溶解氧、pH值、氨氮、亞硝酸鹽、硫化物及流速的變化規律，為新型養殖模式在湖南地區的推廣應用提供數據支撐。