池塘工程化循環水養殖系統水質調控技術研究

蔣陽陽 李海洋 崔凱 吳明林 汪翔 魏澤能 葉曉明 王林

摘要：在池塘工程化循環水養殖系統內采用種草移螺、設置生態基及移動式太陽能水質調控機等水質調控技術，在養殖季節5—9月份，每周檢測試驗池塘水體水溫、溶氧量（DO）、pH值、透明度（SD）、總磷（TP）含量、總氮（TN）含量、氨氮（NH+4-N） 含量、亞硝酸鹽氮（NO-2-N） 含量、重鉻酸鉀指數（CODCr）等理化指標，分析水質狀況。結果顯示：DO達到地表水環境質量Ⅲ類標準;pH值符合地表水環境質量標準要求;TP質量濃度超過地表水環境質量Ⅴ類標準，達到淡水池塘養殖水排放要求一級標準;TN質量濃度分別達到地表水環境質量Ⅴ類標準、淡水池塘養殖水排放要求一級標準;NH+4-N質量濃度達到地表水環境質量Ⅱ類標準;NO-2-N質量濃度達到地表水環境質量Ⅰ類標準;CODCr質量濃度達到地表水環境質量Ⅴ類標準。研究表明：在池塘工程化循環水養殖系統中使用水質生物及物理調控技術，可以使整個池塘養殖水體循環利用或者達標排放。

關鍵詞：池塘工程化循環水養殖;水質理化指標;水質調控技術

中圖分類號：S964.3 文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2021）02-0131-08

收稿日期：2020-03-19

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項（編號：CARS-45、CARS-46）;安徽省科技重大專項（編號：18030701169）;安徽省農業科學院創新團隊（編號：2020YL040）;安徽省現代生態農業產業化示范市縣（巢湖市）創建項目。

作者簡介：蔣陽陽（1987—），男，安徽天長人，碩士，助理研究員，主要從事水產動物營養與飼料研究。E-mail：kyyang1987@163.com。

通信作者：李海洋，研究員，主要從事池塘養殖及大水面增養殖研究。E-mail：362236148@qq.com。

由奧本大學和美國大豆協會設計的池塘內循環流水養殖系統（in-pond raceway system，簡稱IPRS）在我國得到了較大的推廣應用[1-2]。該模式將池塘2%～5%的面積作為推水養殖區，剩余 95%～98%的面積作為生態凈化區。通過設施工程化改造，在池塘中建設流水養殖槽，將魚類養殖在水槽中。利用氣提式增氧推水設備為養殖槽提供高溶氧水流，在養殖槽內集中養殖吃食性魚類，在養殖槽尾部安裝吸污設備，收集魚類的排泄物和殘餌，通過沉淀池集中處理利用，結合外圍池塘水體凈化，實現養殖周期內養殖尾水循環利用或者達標排放[3-4]。

自2014年，在江蘇省蘇州市吳江區平望鎮建立第一套IPRS以來，該養殖模式迅速發展。截至2017年年底，安徽全省已建設71個IPRS示范點，流水養殖槽246 條，推廣應用面積達547 hm2[5]。雖然該養殖系統配備了自動吸污設備并設置外圍水質凈化區域，對養殖水環境影響已有相關研究[6-7]，不過有關此系統養殖水質調控技術研究報道較少。本試驗通過在IPRS內采用水質生物及物理調控技術，定期檢測養殖水體的理化指標，以科學評價水環境變化，以期為IPRS水質調控技術提供參考和借鑒。

1材料與方法

1.1試驗池塘與材料

試驗于2017年在國家大宗淡水魚產業技術體系合肥綜合試驗站巢湖示范縣的巢湖市江坤水產生態養殖專業合作社實施。

試驗池塘基本情況：池塘水體面積為2.67 hm2 近似四方形，水深1.7 m，建有流水養殖槽5條（規格：長5 m×寬22 m×深2 m），配備氣提式推水增氧設備和自動吸污設備。2016年12月21日—2017年3月4日，按不同品種和規格先后在5條流水養殖槽中放入草魚、異育銀鯽“中科3號”、三角魴等品種的魚，放養品種和數量分別為：1號槽：草魚2 200 kg;2號槽：草魚2 700 kg;3號槽：中科3號1 200 kg;4號槽：中科3號1 300 kg;5號槽：三角魴2 000 kg。由試驗基地工人負責日常投喂及管理工作。

1.2水質調控技術方案

于2017年2月，在試驗池塘四周沿岸和中間擋水埂兩側分別移栽寬2 m的伊樂藻，面積約 1 400 m2。2017年3月4日，在試驗池塘生態凈化區放養體長20 cm的鰱鳙魚共計1 350尾（鳙魚、鰱魚數量比例約為 1 ∶2）。2017年3月25日，在試驗池塘內安裝1臺移動式太陽能水質調控機（中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所研發，型號：YJ-T-01），于光照充足情況下正常運行。2017年3月26日，在試驗池塘生態凈化區放養螺螄1 200 kg。2017年4月20日，在試驗池塘內設置5條生態基（中國水產科學研究院珠江水產研究所研發），每條生態基長100 m，共計500 m。

1.3水樣采集與分析

從2017年5月2日開始，每7 d采集1次水樣，采樣時間10：00左右。試驗于2017年9月26日結束，期間共采集水樣22次。

試驗共設5個采樣點，分別在流水養殖槽前端、2號養殖槽、流水養殖槽后端、試驗池塘右側和左側（圖1）。采集水面向下50 cm處、池底向上50 cm處的混合水樣，測定水質理化指標。水溫、溶解氧（DO）、pH值采用HQ40D型便攜式水質分析儀測定，測定點為水面下50 cm處，透明度（SD）采用塞氏盤測定;總磷（TP）、總氮（TN）、氨氮（NH+4-N）、亞硝酸鹽氮（NO-2-N）、重鉻酸鉀指數（CODCr）使用美國哈希DRB200型消解器、DR900型便攜式多參數比色計按照哈?？鞕z法現場測定，其中總磷（TP）含量采用消解-抗壞血酸法測定，TN采用過硫酸鹽氧化法測定，NH+4-N采用水楊酸法測定，NO-2-N采用重氮化法測定，CODCr采用消解比色法測定。具體檢測原理及方法以哈希公司編著的《水質分析實用手冊》[8]為參考。檢測數據參照GHZB 1—1999《地表水環境質量標準》[9]、GB 3838—2002《地表水環境質量標準》[10]、SC/T 9101—2007《淡水池塘養殖水排放要求》[11]等相關標準指標對比分析。

1.4數據處理

使用Excel 2010軟件對試驗數據進行統計與分析。

2結果與分析

2.1氣溫、水溫變化

安徽省巢湖市（117°00′～118°29′ E、30°56′～32°02′ N），地處北亞熱帶濕潤季風氣候區，具有明顯的季風性氣候特征：氣候溫和，冬寒夏熱，四季分明;光照充足，雨水適量，熱量條件較好。由圖2可見，試驗期間平均氣溫28.6 ℃;各采樣點水溫無明顯差異，為20～34 ℃，試驗期間平均水溫26.6 ℃。

2.2溶氧量、pH值、透明度變化

通過對5個采樣點2017年5—9月監測發現，DO整體處于下降趨勢（圖3）。采樣點1～5 DO平均值分別為6.0、4.9、4.7、5.4、6.3 mg/L，可以看出2號、3號溶氧量相對較低，其余點由于受水體凈化與流動的作用，相對較高。從2017年7月11日5個采樣點的DO分別為5.7、3.1、3.6、3.9、6.1 mg/L，2017年8月15日5個采樣點的DO分別為6.4、46、4.3、4.2、6.5 mg/L，進一步說明通過流水養殖槽尾部每天進行4次吸污，以及采取池塘凈化水域種草移螺和設置生態基、安裝太陽能水質調控機等技術措施，在魚類主要生長季節，能夠有效凈化水質，提高水體溶氧量。5—9月DO最高值為11.0 mg/L，最低值為1.6 mg/L，平均值為5.48 mg/L，達到地表水環境質量Ⅲ類標準（5.0 mg/L）。

2017年12月22日，試驗池塘魚捕撈結束，開始向外排水，檢測5個采樣點DO分別為8.9、89、9.1、11.6、11.2 mg/L，平均值為9.9 mg/L，達到地表水環境質量Ⅰ類標準（7.5 mg/L）。

通過對5個采樣點2017年5—9月監測（圖4）發現，其間pH值的最高值為8.8，最低值為7.3，平均pH值為7.8，符合GB 3838—2002《地表水環境質量標準》和SC/T 9101—2007《淡水池塘養殖水排放要求》規定的pH 值范圍（pH值=6～9）。

如圖5所示，SD變化較小，無明顯差異，可能是水體流動的結果。月平均SD的最高值出現在5月，為 42.0 cm，最低出現在7月份，為19.5 cm，整個監測期平均值27.0 cm。

2.3TP含量變化

由圖6可見，TP含量的最高值為1.01 mg/L，最低值為 0.12 mg/L，平均值為0.49 mg/L。雖然超過地表水環境質量Ⅴ類標準（0.4 mg/L），但達到淡水池塘養殖水排放要求一級標準（0.5 mg/L）。

可以看出，TP質量濃度高峰期出現在8月份，平均值達到0.69 mg/L，8月22日達到最高值，5個采樣點TP質量濃度分別為0.69、0.79、0.73、0.76、1.01 mg/L，主要是高溫季節投喂量大，水槽流水將殘餌和糞便推出，在外圍凈化區快速分解，水體凈化能力不夠造成的。

2017年12月22日，試驗池塘魚類捕撈結束，開始向外排水，檢測5個采樣點TP含量分別為0.34、049、0.28、0.42、0.33 mg/L，平均值為0.37 mg/L，達到地表水環境質量Ⅴ類標準（0.4 mg/L），且滿足淡水池塘養殖水排放要求一級標準（0.5 mg/L）。

2.4TN含量變化

如圖7所示，TN含量最高值為4.1 mg/L，最低值為0.6 mg/L，平均值為1.98 mg/L，達到地表水環境質量Ⅴ類標準（20 mg/L），且滿足淡水池塘養殖水排放要求一級標準（3.0 mg/L）。TN含量高峰期出現在9月份，當月TN平均值為2.7 mg/L，9月5日達到最高值。5個采樣點TN質量濃度分別為4.1、3.5、2.2、3.9、2.1 mg/L，說明高溫季節投喂量較大，水體凈化能力不足有關。從2017年9月5日和9月11日監測發現，TN含量有所降低，水質凈化還是有一定的效果。

2017年12月22日，試驗池塘魚類捕撈結束，開始向外排水，檢測5個采樣點TN質量濃度分別為1.5、19、1.7、1.7、1.5 mg/L，平均值為1.7 mg/L，達到地表水環境質量Ⅴ類標準（2.0 mg/L），且滿足淡水池塘養殖水排放要求一級標準（3.0 mg/L）。

2.5NH+4-N含量變化

如圖8所示，NH+4-N含量最高值為1.34 mg/L，最低值為0.02 mg/L，平均值為0.35 mg/L，達到地表水環境質量 Ⅱ 類標準（0.5 mg/L）。NH+4-N質量濃度高峰期出現在9月份，當月平均值為0.72 mg/L，超過地表水環境質量Ⅱ類標準（05 mg/L），達到地表水環境質量Ⅲ類標準（10 mg/L）。

2017年9月26日監測5個采樣點NH+4-N含量分別為116、1.30、1.34、1.27、0.97 mg/L，達到監測期間最高值，此時水溫較低，降到24 ℃，水生植物凈化效果較小，存在部分水草枯萎現象，通過水體流動，生態基和移動式太陽能水質調控機凈化NH+4-N效果不明顯。

2017年12月22日，試驗池塘魚類捕撈結束，開始向外排水，檢測5個采樣點NH+4-N質量濃度分別為067、0.67、0.63、0.63、0.83 mg/L，平均值為 0.69 mg/L，達到地表水環境質量Ⅲ類標準（1.0 mg/L）。

2.6NO-2-N含量變化

由圖9可見，NO-2-N質量濃度最高值為0061 mg/L，最低值為0.001 mg/L，平均值為 0.025 mg/L，達到地表水環境質量Ⅰ類標準（0.06 mg/L）[9]。NO-2-N質量濃度高峰期出現在9月份，其中9月26日達到監測期間最高值，整個9月份NO-2-N質量濃度平均值為0.039 mg/L，達到地表水環境質量Ⅰ類標準（0.06 mg/L）[9]。

2017年12月22日，試驗池塘魚類捕撈結束，開始向外排水，檢測5個采樣點NO-2-N質量濃度分別為0003、0.005、0.004、0.002、0.003 mg/L，平均值為0.003 mg/L，達到地表水環境質量Ⅰ類標準（0.06 mg/L）[9]。

2.7CODCr含量變化

由圖10可見，CODCr含量最高值為79.0 mg/L，最低值為3.0 mg/L，平均值為38.8 mg/L，達到地表水環境質量Ⅴ類標準（40 mg/L）。CODCr含量高峰期出現在9月份，當月平均值為436 mg/L，超過地表水環境質量Ⅴ類標準（40 mg/L）。說明養殖水體中需要還原的物質多，有機物含量較高。

2017年12月22日，循環水池塘開始向外排水，檢測5個采樣點CODCr含量分別為50.0、37.0、34.0、32.0、40.0 mg/L，平均值為38.6 mg/L，達到地表水環境質量Ⅴ類標準（40 mg/L）。

3討論

3.1池塘工程化循環水養殖系統水質變化規律

水溫作為水生態環境系統中的一項重要因子，一方面可以直接影響養殖魚類的生長與攝食，另一方面通過改變其他水質理化指標而間接影響養殖魚類的抗病能力[12]。試驗期間，池塘水溫主要隨氣溫變化，水溫變化區間為20～34 ℃，波動較小，適宜魚類生長。DO是養殖魚類生存條件的重要指標之一，當水體中溶解氧含量充足時，養殖魚類攝食量大、生長速度快、餌料利用效率高;而當水體中溶解氧含量不足時，養殖魚類攝食量下降、生長速度放緩、餌料利用效率降低，低氧脅迫條件甚至會降低養殖魚類免疫及抗應激能力，易造成疾病感染[13]。試驗期間，隨著養殖魚類的生長，耗氧量增加，整個池塘DO含量總體呈下降趨勢，特別在養殖槽內由于養殖魚類集中，DO含量變化更為明顯。不過，由于整個系統運行過程中氣提式推水增氧設備提供了高溶氧水流，DO平均含量為5.48 mg/L，達到地表水環境質量Ⅲ類標準，能滿足養殖魚類生長需求。pH值作為影響水體物理化學反應的一個重要指標，直接關系到養殖水質量以及水生態環境平衡，一般養殖池塘pH值為6.5～8.5[14]。試驗期間，pH值最高值為8.8，最低值為7.3，平均值為78，符合地表水環境質量標準[10]及淡水池塘養殖水排放要求[11]規定。SD可體現養殖水體可見度，是展現養殖水體生態環境質量最直觀的一種指標，在實際養殖生產中，養殖戶常常結合水體顏色的變化，對養殖水體水質狀況做出簡單直接的判斷以及時調控水質[15]。試驗期間，隨著養殖魚類攝食量及排泄量的增加，SD總體呈下降趨勢，平均值達 27.0 cm，當月最高值為42 cm，在常規魚類養殖透明度的適宜范圍內[13]，試驗中后期SD變化范圍較小。

水體TP和TN含量可以反映養殖水體富營養化程度，評價水質的優劣[16]。當養殖水體中無機氮和有機氮含量增加時，會加速消耗水體中的溶解氧;而養殖水體中含磷類物質含量過高時，易導致藻類過度繁衍，降低水體透明度，所以TP和TN這2個監測指標對養殖尾水排放的監測起著重要指導作用[17]。試驗期間，TP平均含量為0.49 mg/L、TN質量濃度平均值為1.98 mg/L，超過或接近地表水環境質量Ⅴ類標準。飼料殘餌和糞便是污染養殖系統的主要外源物質[18]，在養殖的中后期，隨著投喂量的增大，殘餌及糞便沉積，導致TP、TN含量均超過地表水環境質量Ⅴ類標準，存在著富營養化現象，不過二者質量濃度均能達到淡水池塘養殖水排放標準要求。2017年12月22日，試驗池塘魚類捕撈結束，開始向外排水，此時TP、TN質量濃度均可以達到地表水環境質量Ⅴ類標準，且滿足淡水池塘養殖水排放要求一級標準。

在養殖池塘中，由于養殖水生動物排泄物和殘餌等有機物在池塘底層相互作用，生成了非離子態氨，這種非離子態的氨對養殖水生動物有較強毒性，外排后易導致水體環境污染[19]。試驗期間，NH+4-N平均含量為0.35 mg/L;雖然試驗后期由于高溫加上投喂量較大NH+4-N含量出現高峰，但其含量仍然符合地表水環境質量Ⅲ類標準。NO-2-N 是導致養殖水生動物暴發性病害發生的重要環境因子，在養殖水體中累積，會將養殖水生動物血液中的亞鐵血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，使血液的載氧能力下降，引起機體缺氧，對養殖水生動物的毒害作用較強[20]。NO-2-N長時間作用會使養殖魚類生長放緩，組織器官受破壞，死亡率上升，含量過高時，還會誘發養殖魚類鰓絲腫脹、粘連，鰓內污染物增多，影響魚類呼吸[21]。試驗期間，NO-2-N最高含量為0.061 mg/L，平均含量為0025 mg/L，達到地表水環境質量Ⅰ類標準。NH+4-N、NO-2-N含量均符合養殖用水標準，不會對養殖魚類產生負面影響。

CODCr含量與養殖池塘水體中有機物含量緊密關聯，能準確反映養殖水體中死亡浮游生物、溶解有機質、有機碎屑等有機物的含量[14]。適量的CODCr是保證細菌正常繁殖的必要條件，不過CODCr含量過高會使細菌過量繁殖，破壞養殖池塘水生態環境，導致養殖水生動物發生病害;反之，當CODCr含量過低時，將無法維持養殖池塘的高生產力[22]。試驗期間，5—9月CODCr平均含量為38.7 mg/L，達到地表水環境質量Ⅴ類標準。CODCr含量高峰期出現在9月，平均值為43.6 mg/L，說明這段時間養殖水體中需要還原的物質較多，有機物含量較高。

3.2池塘工程化循環水養殖系統水質調控效果評價

移動式太陽能水質調控機可以在養殖池塘水面持續往返運行，能加快上下水層交換，具有調水改底、平衡養殖水體氮磷含量的功效[23-25]。而生態基是一種生物膜的載體，也有較好的水質調控效果[26]。此外，也有研究發現沉水植物伊樂藻與底棲動物螺螄配合，對養殖水體氮、磷及COD有較好的去除效果[27]。本試驗中，除了水槽養殖區域的溶氧量與其他采樣點相比較低外，其他位置采樣點水質指標基本接近，說明氣提式推水設備配合移動式太陽能水質調控機使用，能促進整個池塘水體流動、交換。正是通過這些物理及生物水質調控技術的集成使用，才能確保養殖期間水體循環利用，養殖期結束后水體可以達標排放。

4結論

養殖池塘水質監測和調節在水產養殖中起著至關重要的作用，通過監測養殖水體理化因子，可根據水質狀況確定養殖及管理模式，這是保障水產品質量安全的技術手段之一。在本試驗中，通過對IPRS采用物理及生物等水質調控技術，使漁業生產主要季節5—9月的養殖水體相關理化指標達到國家有關水質標準和要求。但是針對這種新型的養殖模式，僅靠1年所積累的監測數據是遠遠不夠的。2019年初農業農村部等10部委聯合印發《關于加快推進水產養殖業綠色發展的若干意見》明確提出要加強漁業養殖尾水監測，推動養殖尾水資源化利用或達標排放，建議相關部門持續監測IPRS水質變化，加強水質調控技術研究，促進養殖池塘尾水生態凈化和循環利用，以達到保護水生態環境，提高產品品質和經濟效益的目的。

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