池塘圈養模式研究進展

何緒剛侯杰

華中農業大學水產學院/長江經濟帶大宗水生生物產業綠色發展教育部工程研究中心,武漢 430070

我國水產品供給越來越依靠水產養殖[1]，池塘養殖作為水產養殖最主要的生產方式，2019年全國總產量已達2 480.40萬t，占養殖總產量的48.84%[2]；在湖庫退出精養的當下，池塘養殖比重將進一步增大。因此，如何提高池塘養殖綜合效益已成為業內焦點。我國延續數千年的養魚模式是一種散養模式，即魚類自由活動于整個養殖水體。在放養密度加大、水體承載的魚類數量超過其自凈能力的情況下，殘餌、糞便等養殖廢棄物過量堆積[3-4]，引起養殖水環境劣化[5-6]，進而帶來病害頻發、用藥量大、養殖綜合效益低下等一系列制約水產養殖可持續發展的瓶頸問題。為破解上述難題，“跑道”[7]、集裝箱[8]、圈養[9]等養殖新模式應運而生。圈養模式因養殖固形廢棄物排出率髙，生態、經濟和社會效益等綜合效益好，倍受養殖者關注，被農業農村部遴選為2019年、2020年重大引領性農業技術。

本文梳理了池塘圈養模式發展歷程、圈養系統結構、實際運行效果和綜合效益等，并就圈養模式發展趨勢進行展望，以期為今后圈養模式研究和應用推廣提供參考。

1 圈養模式的提出

1.1 圈養緣由及工作原理

當前養殖池塘普遍采用的高密度放養、大量投飼精養方式，不可避免會面臨氮、磷大量積累問題。由于磷無毒，磷堆積于池塘不會對養殖對象產生直接的毒害作用，因而在池塘內環境治理中，磷并不是治理的主要對象。氮素則不同，由于氨氮、亞硝態氮等對養殖對象有強毒副作用，其濃度過高時會引發養殖對象中毒或免疫力低下或誘發疾病等，因此，有害氮素成為池塘內環境治理的重點。占池塘氮素來源70%～90%的飼料，其氮素利用率普遍很低，通常養殖對象僅能吸收利用20%～25%的飼料蛋白[3]，飼料中剩余的氮化合物以殘餌、糞便及其分解物[10]以及養殖對象代謝物[4]等形式進入養殖環境。大量投飼導致過度積累的氮素，又隨養殖尾水排放到河流、湖泊，引起接納水體富營養化進程加快，進而造成水環境劣化和水生生物多樣性等發生結構性改變[5-6]。所以，如何減少和轉化精養池塘有害氮素，不僅關乎健康養殖成敗，也關乎我們賴以生存的淡水生態環境健康。

目前，應對精養池塘有害氮素的方法可歸納為原位修復和異位修復兩大類。原位修復技術主要有增氧、底泥清除、生物浮床、微生態制劑、生物絮團和濾食性魚類轉化等[11-13]；異位修復技術主要有人工濕地[14]、漁-農復合種養[15]、生態溝渠等[16-17]。上述修復技術雖然可以一定程度削減池塘水體或底泥已經堆積的氮素，但并不能從根本上減少池塘氮污染來源——殘餌、糞便及養殖對象氮代謝產物。究其原因，是傳統散養模式造成的。散養于池塘的水產動物，整個池塘都是其排泄場所，目前還沒有辦法及時收集和清除遍布于整個池塘的殘餌、糞便及氮代謝產物。所以，要想從根本上治理有害氮素污染，需要從養殖模式上加以革新[9，18]。

基于上述分析，本研究團隊本著“時時打掃衛生”的理念于2016年提出了圈養模式(圖1)。池塘圈養屬于設施漁業，主要包含圈養桶、增氧及捕撈等支持設備、集排污設備、圈養平臺和尾水處理設備等養殖裝備，并采用一定的技術措施提升圈養池塘水體自凈能力。

①圈養桶； ②尾水分離塔； ③尾水處理桶。①Juanyang bucket; ②Solid liquid separator; ③Wastewater treatment bucket.

池塘圈養的工作原理是：將養殖對象圈在圈養桶內飼養，殘餌、糞便等固形廢棄物自然下沉聚集于圈養桶下方錐部排污管口附近，每天定時開啟排污水泵，抽排殘餌、糞便等固形廢棄物至尾水分離塔，沉淀分離后的固形廢棄物可用于制作有機肥等資源化再利用，去除固形廢棄物的上清液再經人工濕地脫氮除磷處理后，回原池重復使用；養殖對象的尿液等代謝廢物，則需依靠池塘水體自凈能力加以凈化。池塘養殖由散養模式轉變為圈養模式后，可實現清水養殖，養殖水環境得到根本改善，因而病害和用藥量大幅減少，養殖產品品質得以提升。在圈養容量合理、圈養池塘水體自凈能力強化提升前提下，可實現圈養池塘養殖尾水零排放。

1.2 發展歷程

圈養模式雛形于2016年提出，經反復推敲確定了圈養模式技術路線和總體布局，明確了圈養桶結構形式及下部錐部角度等關鍵參數。2017年開始小試，主要驗證了圈養可行性和排污效率。2018年，圈養關鍵設施裝備化，并進入中試階段；2020年進入批量推廣階段。至今，圈養模式仍在不斷優化之中。2020年12月湖北省農業農村廳發布了《裝配式水產養殖圈養設施》(DG42/Z 004—2020)農業機械專項鑒定大綱，有力促進了圈養設施標準化。

2 圈養設施

2.1 圈養系統

圈養模式是一個系統工程，不僅包括圈養平臺、圈養桶、尾水分離塔等設施設備，還包括圈養池塘水體自凈能力的提升[9]。圈養模式要求養殖水體透明度全年不低于60 cm，因此需要采取一定措施提高水體氮、磷自凈化能力。主要措施有：(1)掛生物刷1 000～2 000 個/667 m2，生物刷長度不低于1 m、毛長不小于10 cm；(2)種植四季常青的沉水植物，如苦草等，種植面積一般為養殖池塘面積的20%～30%；(3)放養鰱、鳙150～200尾/667 m2，規格不小于150 g/尾；(4)圈養池塘圈養區域以外的水體，不再投餌、施肥。

2.2 圈養桶

上部圓柱形，下部圓錐形，直徑4 m，高3 m，總容積30 m3，有效養殖水深(1.7±0.1) m，有效養殖水體約20 m3；桶口以下40～80 cm處開透水孔3 200個，孔徑1.5 cm；圓錐體底部設排污管；圓柱體與圓錐體交匯處設防逃網，防逃網上方設捕撈網。

圈養桶直徑不宜超過4 m。直徑越大，排污效率越低。一般每667 m2水面安裝4個圈養桶。

2.3 尾水分離塔

形狀與圈養桶類似，直徑1.8 m，高1.9 m，總容積6 m3。圓錐體底部設排污管；圓柱體與圓錐體交匯處設出水管，以排出上清液。

一般每4個圈養桶配置1個尾水分離塔。含固形廢棄物的黑水被抽排入尾水分離塔，靜置沉降1 h后，絕大多數固形廢棄物下沉到尾水分離塔下部圓錐體處，此時便可排出上清液進入尾水處理桶凈化處理。

2.4 尾水處理桶

尾水處理桶為1 t 聚乙烯平底桶。一般采用下進水、上出水方式3級串聯使用。尾水凈化處理方法有硝化-反硝化[19]、生物絮團+硝化/反硝化[20]、潮汐流人工濕地[21]等多種工藝。

2.5 圈養平臺

圈養平臺用于固定圈養桶并形成人行、管理通道，可分為固定式平臺和浮式平臺2種類型。圈養平臺最初采用鍍鋅鋼管焊接，后逐漸發展為平臺標準件。標準的固定式平臺主體為熱鍍鋅鋼質框架+格珊，采用螺栓連接、雙立柱形式。標準的浮式平臺由聚乙烯浮塊標準件拼接構成。

2.6 增氧、排污等其他設施

圈養增氧一般采用微孔增氧方式。微孔增氧管盤成圓形，固定于捕撈網底部框架上，沿圈養桶壁布置1圈即可。如此布置，可形成從四周向中央聚集的氣泡，有利于殘餌、糞便向圈養桶中部匯聚、直接下沉到圈養桶錐部。每個圈養桶配備功率約300 W空氣壓縮機即可滿足增氧需求。

排污設施由排污水管、自吸泵組成。可多個圈養桶共用1臺自吸泵。

3 圈養效果

3.1 排污及尾水凈化效果

1) 排污率。養殖固形廢棄物排出效率可采用如下方法和計算公式進行測試：

2017年實測結果表明，鳙(Aristichthysnobilis)和草魚(Ctenopharyngodonidellus)圈養系統固形廢棄物排出率分別為93.17%±1.89%和96.65%±1.46%[22]。

高效排污，可大大提升池塘養殖容量。可按下式計算池塘養殖容量：

目前，學者界對池塘養殖容量的研究還很薄弱，尚未得出池塘承載力相關參數。參照相關學者研究結果[23]，并廣泛咨詢經驗豐富的養殖專家和農戶，將經驗數據500 kg/667 m2視為我國混養池塘承載力的近似值。即，當池塘存塘魚密度為500 kg/667 m2時，池塘水體自凈能力是可以滿足500 kg魚生活產生的廢棄物，也就是說在此養殖密度下，池塘水環境可以自我維持，不人為調節也不會劣化。若取池塘承載力為500 kg/667 m2，按照上述池塘養殖容量公式計算，當排污效率達到90%時，池塘養殖容量可達5 t/667 m2；當排污效率達到95%時，池塘養殖容量可達10 t/667 m2。上述養殖容量的前提條件是水環境質量可以自我維持，無需人為調控。

由于圈養模式固形廢棄物排污效率可達90%以上，綜合考慮溶解態養殖廢棄物的污染，圈養池塘養殖容量亦可達到4 t/667 m2水平。如果圈養單產按1 000～1 250 kg/圈計算，則每667 m2池塘圈養數量宜為4圈。這種圈養強度，池塘水體自凈能力可以應對未抽排出、滯留于池塘的養殖廢棄物，不會因過度養殖而引發水質劣化問題。

養殖技術對養殖容量的提升作用毋庸置疑。幾乎每次重大技術革新，都會提升養殖容量2～5倍(圖2)。從技術層面而言，魚類人工繁殖技術的突破，才將水產養殖帶入現代養殖時期[24]。但直至20世紀80年代，池塘每667 m2產量約150 kg；20世紀90年代前后，隨著農村電力基礎設施的改善、增氧機廣泛使用，池塘養殖產量迅速提升到500 kg/667 m2左右；此后，人工配合飼料技術成熟和普遍使用，池塘養殖產量穩定在1～3 t/667 m2 [25](圖2)。若想繼續突破當前養殖容量限制，需要從模式變革入手，將傳統散養模式革新為具有高效排污特征的圈養等設施漁業模式，則池塘養殖容量將可繼續提升2～4倍，產量達到4～8 t/667 m2的水平。

圖2 養殖技術對養殖容量的貢獻[25]Fig.2 Contribution of technology developmentto aquaculture capacity

2)尾水凈化效果。 圈養系統產生的養殖尾水首先排入尾水分離塔，在重力作用下，一定時間后，固形廢棄物下沉到尾水分離塔下部錐形結構底部，集中收集后可用于資源化再利用。去除固形廢棄物后的上清液，流入后續人工濕地凈化系統，經微生物的脫氮除磷處理后，回流至池塘中重復利用，節約水資源，實現養殖污水零排放。

①尾水分離塔沉淀效果。為優化沉降時間，對分離塔中氮、磷等營養元素濃度進行了連續監測。如圖3所示，沉降1 h后，總氮和總磷去除率可分別達到33.0%和68.2%左右，此后總氮和總磷濃度基本穩定不變。不同于總氮和總磷，無機氮(銨態氮、亞硝態氮和硝態氮)和可溶性磷濃度在12 h沉降時間內無顯著性變化，表明沉降作用對顆粒態有機氮和有機磷有較好去除效果，但對可溶性無機氮和無機磷去除效果較差。在圈養系統實際運行中，為了最大程度地實現養殖尾水的循環利用，尾水分離塔中養殖尾水需要1 d處理1次，綜合考慮沉淀時間與后續濕地處理時間的相互影響，結合上述沉淀效果，得出最佳沉淀時間為1 h。

圖3 養殖尾水沉淀12 h氮(A)、磷(B)質量濃度變化Fig.3 Variation of nitrogen(A) and phosphorus(B) concentration in solid liquid separator during 12 hours

得出最佳沉淀時間之后，以大口黑鱸養殖系統為代表，對尾水分離塔中養殖尾水的沉淀效果進行長期監測。結果如圖4所示，進入尾水分離塔的養殖尾水總氮的質量濃度為10.73～19.95 mg/L，總磷質量濃度為3.64～6.39 mg/L，兩者均顯著高于普通精養池塘養殖尾水，表明圈養系統集、排污系統可有效收集并去除養殖系統內氮、磷等污染物。經1 h沉淀后，上清液總氮質量濃度降為8.19±0.88 mg/L，總磷質量濃度降為1.90±0.23 mg/L，兩者平均去除率分別為 46.9%和62.8%。但無機態氮經1 h沉降后降低較少，平均去除率僅為5.7%。

圖4 養殖尾水沉淀前后氮(A)、磷(B)質量濃度變化Fig.4 Nitrogen(A) and phosphorus(B) removal performance in solid liquid separator

綜上所述，養殖尾水在尾水分離塔中的最佳沉淀時間為1 h，經過沉淀處理后養殖尾水中總氮和總磷可大幅降低，但無機氮和無機磷濃度變化較小。

②人工濕地去除效果。養殖尾水經沉淀后，上清液經模塊化人工濕地系統處理后回用。2018年至今，已相繼試驗開發了連續流曝氣人工濕地、潮汐流人工濕地和異位生物絮團+曝氣人工濕地等尾水處理技術。其中，連續流曝氣人工濕地系統因具有處理效果穩定、操作簡便等優點，應用最為廣泛。

下面以連續流曝氣人工濕地為例，闡述尾水凈化效果。

連續流曝氣人工濕地采用下進水、上出水方式3級串聯使用，其中A2和A4系統內充分曝氣，A3系統不曝氣維持缺氧狀態(圖5)。

圖5 連續流曝氣人工濕地裝置模式圖Fig.5 Schematic of the continuous flow aerated constructed wetlands

濕地凈化效果如圖6所示，經固液分離塔沉降初處理后，人工濕地進水銨態氮和亞硝態氮質量濃度分別為4.76±0.53、0.26±0.03 mg/L，出水質量濃度分別為0.82±0.10、0.028±0.003 mg/L，銨態氮和亞硝態氮去除率分別達到82.7%和89.3%，表明利用曝氣方式可快速在其內部建立完全硝化過程，將對養殖對象毒害作用較大的銨態氮和亞硝態氮氧化為對養殖對象幾乎無毒的硝態氮。相較于總氮，連續流曝氣人工濕地總磷去除率較高，平均去除率可達到56.5%，主要是因為人工濕地基質為火山石，對于可溶性磷具有較強的吸附能力(圖6)。

圖6 連續流人工濕地中養殖尾水氮(A)、磷(B)質量濃度變化Fig.6 Nitrogen (A) and phosphorus(B) removal performance of aerated constructed wetlands

綜上所述，經尾水分離塔+連續流曝氣人工濕地處理，尾水總氮和總磷去除率分別達到62.4%和83.8%，回用尾水中銨態氮和亞硝態氮質量濃度分別僅為0.82 mg/L和0.03 mg/L，可100%回用，實現水資源循環利用。

3.2 養殖效果

2017年至今，已試驗圈養過大口黑鱸(Micropterussalmoides)[26-28]、鱖(Sinipercachuatsi)、翹嘴鲌(Culterilishaeformis)[29]、泥鰍(Misgurnusanguillicaudatus)、黃顙魚(Pseudobagrusfulvidraco)、長吻鮠(Leiocassislongirostris)、花魚骨(Hemibarbusmaculatus)[30]、烏鱧(Channaargus)、鳙[22]、草魚[22,31]、鯽(Carassiusauratus)和團頭魴(Megalobramaamblycephala)[31]等十多種魚類，均表現出良好的攝食和生長效果。說明圈養的適應性較好，適合圈養的對象廣泛。

本文以大口黑鱸為例，闡述圈養實際效果。

2019年5月17日在華中農業大學2號水產教學實訓基地7號池塘(面積1 160 m2)進行了大口黑鱸適宜圈養密度試驗。大口黑鱸初始體質量9.71±3.75 g，設置1 000尾/圈(50尾/m3)、2 000尾/圈(100尾/m3)和4 000尾/圈(200尾/m3)3個密度梯度，每個密度3個重復。經180 d養殖至2019年11月16日，3個密度組終產量分別為352.84±32.54 kg/圈(17.64±1.63 kg/m3)、650.17±29.77 kg/圈(32.51±1.49 kg/m3)和1 197±82.52 kg/圈(59.85±4.13 kg/m3)；3個密度組鱸終體質量為458.75±13.94、402.67±29.60和348.01±24.96 g(圖7)。

圖7 圈養大口黑鱸生長(A)與產量(B)情況[26]Fig.7 Growth rate(A) and yield(B) of Micropterus salmoides

圈養結果表明，圈養密度越低，大口黑鱸生長速度越快，這符合養殖一般規律；而圈養密度越大，單位產量越髙。因此，應綜合考慮生長速度和目標產量來確定圈養適宜密度。以大口黑鱸為例，若追求快速生長，則成魚圈養密度宜為1 500～2 300尾/圈；若追求更高產量，則圈養密度宜為2 700～3 200尾/圈。

總之，均衡考慮生長速度和目標產量、采取適宜的密度圈養時，單個圈的大口黑鱸養殖效果與散養池塘667 m2的養殖效果基本相當。草魚[31]、團頭魴[31]、翹嘴鲌[29]等其他魚類圈養試驗也得到類似結論。因此，在圈養實際生產中，可用散養池塘667 m2放養量和單位目標產量作為單個圈養桶的適宜密度與產量的參考值。

4 圈養綜合效益

以本文“3.2 養殖效果”大口黑鱸圈養密度試驗結果，按每667 m2池塘4個圈的圈養強度概算綜合效益，并與武漢市周邊有代表性的兩口大口黑鱸散養池塘對比。結果表明，池塘圈養模式綜合效益大幅高于池塘散養模式(表1)。主要表現在如下幾方面：

表1 圈養與散養綜合效益對比[27]Table 1 A comparison of comprehensive benefit between Juanyang system and conventional aquaculture pond

1)顯著節約水資源。適宜密度圈養的水資源消耗量不足1 t/kg魚，僅不到散養模式的1/5。這得益于圈養池塘無需換水，養殖尾水循環使用，僅在池塘滲漏或蒸發水位降低時適當補充新水即可。這對人均水資源占有量僅為世界人均水平1/4的我國來說，節水意義重大。

2)顯著節約飼料。圈養餌料系數比散養餌料系數低0.2以上，大幅減少飼料投入，降低養殖成本。圈養24 h增氧，且水體透明度高，優良的養殖水環境提高了魚類對飼料的吸收利用效率。

3)增產、增效效果顯著。適宜密度圈養后，綜合養殖成本下降，單產和單位水面利潤率是散養池塘的2～5倍，顯著提高了土地使用效益。因此，節地、增效效果顯著。

4)能耗下降空間較大。適宜密度圈養的耗電率與散養池塘基本相當。圈養采用微孔增氧方式，約80%做功能耗是在將空氣中的氮氣打入水體，為無用功。如果優化增氧方式和技術，盡量減少無用功，能耗將大幅下降。

5)降低人力成本效果顯著。圈養模式無需拉網捕撈，大幅減少臨時用工數量，提高了勞動效率。

5 展 望

圈養模式自中試以來，表現出優質、高效、環保、生態等顯著優勢，是一種對社會、消費者、生產者和產業高度負責的綠色養殖模式。對社會而言，可以做到養殖尾水零排放、清潔生產，大幅節約土地和水資源；對消費者而言，為之提供可以和水庫等大水面水產品相媲美的低藥殘、低土腥味、高品質的優質水產品；對生產者而言，可以大幅降低養殖成本和勞動力支出，提高生產效率，實現高效生產；對產業而言，可以促進水產養殖產業向機械化、信息化等工業化轉型，促進產業可持續綠色發展，因此是高度負責的養殖模式。

圈養模式畢竟是剛剛出現的全新養殖方式，仍存在很多不足，比如增氧效率不高，圈養技術尚待完善，機械化程度較低等。作為一種可推進水產養殖產業工業化轉型的養殖平臺，需要不斷完善和整合集成相關設施漁業先進技術。未來，圈養模式研究和應用，應重點聚焦于以下幾個方面：

第一，研究高密度圈養下養殖對象生物學特征、養殖水環境關鍵因子與養殖對象的互作機制、病原及病害發生規律、品質形成機制與調控機制等，構建圈養基礎理論體系。

第二，研發圈養及尾水凈化技術與裝備、多元信息智能立體感知技術與裝備、高效增氧技術與裝備、精準飼喂技術與裝備、水質智能調控技術與裝備、機械化捕撈技術與裝備、智慧漁場技術與裝備等關鍵技術和裝備，創立具有中國特色的工廠化池塘綠色高效養殖模式與技術體系，形成無尾水排放、無能源輸入和無人值守的先進生產方式。

第三，研究重要養殖對象清水圈養技術、病害綠色防控技術、養殖尾水管控與凈化技術等，建立圈養技術規范。

第四，研究數字漁業技術、圈養品質調控技術、保鮮與儲運技術、初加工與精深加工技術和可追溯體系等，形成產供銷一體化品質管控技術體系。