基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統設計與試驗

陳雷雷，杜 舟，胡慶松，黃 春，李 俊

基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統設計與試驗

陳雷雷1，杜 舟1，胡慶松1※，黃 春2，李 俊1

（1. 上海海洋大學工程學院，上海 201306；2. 上海寶島蟹業有限公司，上海 202150）

為了提高河蟹養殖品質和養殖池塘水質凈化能力，該研究提出了一種通過養殖池塘內部結構改造實現池塘水體內部循環自凈的技術，并設計了一套針對河蟹的生態養殖系統。應用軟圍隔將養殖塘劃分為兩個相對獨立的功能區（養殖區和自凈區），設計了浮式氣提推水裝置和射流裝置作為塘內水循環動力系統，在推水裝置的作用下，養殖區的水體流入自凈區，經過濾、吸附、殺菌及降溫等環節重新回到養殖區，形成“九分養蟹一分養水”的河蟹循環自凈生態養殖模式。在崇明寶島蟹業面積約為9 600 m2的河蟹養殖池塘進行實施和試驗，試驗表明：合理配置氣提推水裝置可實現河蟹養殖池塘水體日循環2次以上；試驗塘循環自凈狀態相較靜水狀態，水溫均衡度提高10.17%，下層溶解氧水平提高18.57%，氨氮平均質量濃度下降19.2%；同時，養殖效果抽樣對比顯示試驗塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹較對照塘分別增加了45%和35%。該研究設計的塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統能較好地凈化養殖水體，有利于河蟹的生長，可為河蟹池塘生態高效養殖模式的構建和推廣提供參考。

水產養殖；設計；試驗；河蟹；生態養殖；塘內循環；水體自凈技術；氣提推水

0 引 言

2019年中國淡水養殖產量占水產品總產量的49.3%，池塘養殖已成為中國水產養殖的主要形式和水產品供應的主要來源[1-2]。河蟹是中國淡水養殖的重要品種，池塘養殖是當前河蟹養殖的主要模式[3]，傳統的種草養蟹模式在取得較大養殖經濟效益的同時，也存在著水體流動性差，池塘自凈能力弱等問題。加之常年養殖，過量的養殖飼料投放和河蟹代謝產物積累也嚴重影響池塘水質，進而影響河蟹的養殖品質。同時，養殖尾水的排放也會對周邊河道及水體的生態環境造成壓力[4-8]。在養殖模式整體從“大養蟹”到“養大蟹”轉變的背景下，探索新型的、生態化的高效河蟹池塘養殖模式顯得尤為迫切。

良好的水生態環境是水生經濟動物賴以生存的重要保障，是維持水產養殖業可持續發展的基本前提[9]。養殖池塘水質和水生態環境決定著河蟹養殖的效益和品質。因此，近年來，池塘養殖新模式的探索受到了越來越多的關注，國內外學者對池塘養殖系統和模式的研究取得了一系列研究成果。謝輝亮等[10]研究構建了“流水養殖槽-蝦-蟹”串聯式循環水養殖模式，具有提高養殖綜合效率和達到水質凈化的效果。程果鋒等[11]構建了一種適合加州鱸的大水體溫室池塘循環水養殖系統，相比于工廠化養殖模式，不僅可以提高養殖密度，而且建設和運行成本也相應降低。田昌鳳等[12]通過研究水循環動力系統，建立了針對淡水魚類的分隔式循環水池塘養殖系統，既能實現池塘水體大范圍對流，又能有效解決池塘集污排污問題。在國外，類似循環水養殖系統主要用于鱘魚、大西洋鮭魚和歐洲鱸等魚類的養殖[13]。Lazur等[14]研究的鱘魚流水循環養殖系統，利用推水車作為水循環動力系統構建其循環流水養殖模式。

池塘循環水養殖模式的研究和探索雖然取得了一定的成效，但河蟹池塘塘內循環養殖模式研究仍然較少，更多的是蟹類與其他水產品種進行混養的模式，如陳堅等[15]研究構造了一種貝、蟹、藻多池循環水生態養殖系統，達到水質凈化效果。河蟹池塘內循環生態養殖模式，既要考慮水體的物理流動又要兼顧水生生態的良性循環，既要構建全塘水體大循環體系又要解決池塘水動力死角及水草區域的局部微水流問題。考慮以上兩個方面，本文針對崇明清水河蟹的養殖特點，設計了一種塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統，利用氣提推水裝備形成池塘水體運動的原動力，利用養殖池塘的內部結構改造實現池塘水體內部循環自凈，以期達到“生態、高效”養殖的目的，并為河蟹池塘養殖系統模式構建提供參考。

1 塘內循環自凈養殖系統設計

1.1 系統組成及水體循環流程

基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統總體的設計原則是在保證養殖效益的基礎之上，使得養殖水體能夠得到充分凈化，將河蟹養殖池溏劃分為河蟹養殖區和水體自凈區兩個主要功能區。按照養殖效益最大化的原則，河蟹養殖區面積約占池塘的90%，水體自凈區參考文獻[16]將池塘首尾連接構成回流系統，在回流系統中設置種植過濾區（2%～3%）、物理吸附區（1%～2%）和殺菌降溫區（6%～8%），總面積約占池塘的10%，水深比養殖區深30 cm左右，形成九分養蟹一分養水的河蟹生態養殖新模式。并在此基礎上，通過氣提推水裝置和射流裝置構造人工水循環動力系統，使池塘塘內水體循環流動，并通過蟹菜共生、物理吸附等手段提升和激發池塘水體的自凈能力。塘內水體循環自凈流程如圖1所示：養殖區內排出的養殖用水先進入種植過濾區，在該區域通過水生蔬菜等充分利用和吸收水體中的營養物質，然后進入物理吸附區進行物理性二次過濾，過濾后的水再流入殺菌降溫區依次進行水體的殺菌和降溫處理，最后經氣提推水裝置推入養殖區，以微流水的方式流經養殖區循環利用，形成塘內循環自凈的河蟹養殖系統。

1.1.1 河蟹養殖區

河蟹養殖區是河蟹生長、生活的主要區域，按照河蟹養殖要求種植水草，主要以伊樂藻、輪葉黑藻作為水草種植的主要品種，輔助栽培苦草、水花生及黃絲草等水草植物，多品種搭配不僅有利于發揮各種水草的優勢，還可以為河蟹在池塘內部形成優良的立體生存環境，總水草覆蓋率應保證占養殖區面積的60%左右。在塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統中，為了形成塘內水體循環的動力源，在養殖區布局氣提推水裝置、射流裝置，同時，為保證塘內微水流的通暢性，水草種植形狀以近似矩形為宜，并在水草區塊間留出水流通道。

1.1.2 水體自凈區

水體自凈區設置在養殖池塘外圍環溝中，水深較養殖區深30 cm左右，按照圖1水體自凈處理流程依次設置種植過濾區、物理吸附區和殺菌降溫區。

1）種植過濾區

種植過濾區面積約占池塘面積的2%～3%，主要通過搭建浮床種植水生植物，將懸浮物、水生動物糞便和大、小、微型顆粒等雜質作為水生植物（水生蔬菜）的營養物質進行吸收利用，在解決水質問題的同時帶來一定的經濟效益。同時，在種植過濾區的進水口處設置一段塑料浮筒，用于攔截漂浮的水草。

2）物理吸附區

物理吸附區面積約占池塘面積的1%～2%，主要在物理吸附區的進水口和出水口處放置過濾棉和生物膜凈水柵，通過物理性的手段吸附過濾水質中的氨氮、TP和TN等有害物質。

3）殺菌降溫區

殺菌降溫區面積約占池塘面積的6%～8%，殺菌區域主要通過安裝雙管紫外線殺菌燈對水體中的細菌進行殺滅。同時，在殺菌降溫池上方安裝遮陽網，在夏季主要具有擋光、降溫的作用。首先在兩邊安裝并固定鋼管，將遮陽網的長邊套在鋼管上，使遮陽網可以自由伸縮，以控制降溫池的遮陽面積。

1.2 水體內循環動力系統設計與配置

水循環動力系統是塘內循環自凈的動力源泉，對河蟹生態養殖系統具有至關重要的作用。它主要由浮式氣提推水裝置、射流裝置及其管路組成，安裝在河蟹養殖區的水動力關鍵位置。

1.2.1 浮式氣提推水裝置的設計

氣提推水裝置設置在殺菌降溫區和養殖區之間，通過氣提方式能在提供水循環推動力的同時提升水體的含氧量。在氣提推水裝置推動力的作用下，可將殺菌降溫區中經凈化降溫處理的水體推入河蟹養殖區，通過微流水將干凈、清涼、富氧的水體帶給池塘中的河蟹。

1）工作原理

2）結構設計

基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統要求氣提推水裝置能夠形成固定方向的水體推動力，同時便于安裝和使用。本文設計了浮式氣提推水裝置，主要由氣泵、進氣管、導流板、浮體和支架組成（見圖2）。氣泵進氣管通過U型螺絲固定在支架側面，增氧曝氣格通過不銹鋼扎帶固定在支架下方，兩個浮體通過螺栓固定于支架上方，為氣泵進氣管、導流板、支架等其他附件提供浮力。

1.進氣管 2.導流板 3.浮體 4.支架 5.增氧曝氣格 6.螺栓

1.Intake pipe 2.Deflector 3.Floating body 4.Bracket 5.Aeration grid 6.Bolt

圖2 浮式氣提推水裝置結構示意圖

Fig.2 Structure diagram of floating air lifting and water pushing device

3）設計參數及計算原理

氣泵作為源動力，將空氣吸入進氣管后從增氧曝氣格排出，并與水混合成水氣溶液上升至水面，在導流板的作用下，水氣溶液向右運動，形成推水增氧效果，水氣溶液的運動軌跡如圖3所示。

注：1為水氣溶液最小上升高度，mm；2為水氣溶液最大上升高度，mm。

Note:1is minimum rising height of water air mixture, mm;2is maximum rising height of water air mixture, mm.

圖3 水氣溶液運動軌跡簡圖

Fig.3 Trajectory diagram of water air mixture

在導流板的作用下，水氣溶液從增氧曝氣格加速上升的平均高度和氣提回流空氣用量[18]（進風量）分別為

式中為系統所需推水總流量，m3；為進風量安全系數，一般取1.2；為效率系數，一般取0.35～0.45；為氣泵進氣管浸沒深度，m。

1.2.2 射流裝置配置與設計

種好水草是河蟹成功養殖的關鍵，水草不僅能夠凈化水質和提供生態餌料，也可以為河蟹提供蛻殼及棲息的場所，但同時，水草種植也容易在池塘死角及水草較密區域形成長期水體靜止區，容易敗壞局部水體。為了保障河蟹正常生長，在這些區域配置射流裝置，使水體保持長時間微流動的狀態。

1）結構設計

射流裝置主要由潛水泵、水射器、旋轉支架和抽氣管等組成（圖4）。水射器固定在旋轉支架上，旋轉支架安裝在潛水泵的出水口，抽氣管與潛水泵進氣口連接，射流裝置整體通過潛水泵橢圓形槽口底座嵌入塘底。

1.潛水泵 2.水射器 3.旋轉支架 4.抽氣管 5.出水口 6.進氣口 7.底座

1.Submersible pump 2.Water ejector 3.Rotating support 4.Exhaust pipe 5.Water outlet 6.Air intake 7.Base

圖4 射流裝置結構示意圖

Fig.4 Structure diagram of jet device

2）設計參數及其計算

假設養殖區每塊矩形水草面積為1(m2)，射流影響面積覆蓋率為，取值范圍為～。潛水泵作為射流的水動力，當射流器啟動潛水泵時，形成的高壓高速水流進入水射器，將液面以上的空氣吸入真空室，水和空氣混合均勻后從擴散管處噴出，同時由于潛水泵吸水形成底部區域的局部負壓，形成底部周邊水體向中心的微流動[19]，射流形成的水體環流如圖5所示。

其中，單個射流裝置射流覆蓋面積2（m2）為

根據圓形面積公式可推導計算出射流應有的工作距離為

式中為旋轉支架轉動的角度范圍，(°)。

1.3 系統設計方案實施與應用

2018年9月開始，在崇明上海寶島蟹業有限公司的河蟹養殖塘實施塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統，試驗塘GPS坐標為：北緯31°74￠，東經121°23￠。池塘面積約為9 600 m2，長約120 m，寬約80 m，如圖6所示。池塘內河蟹養殖區和水體自凈區的面積為8 644和956 m2，分別占養殖池溏面積的90%和10%。其中，水體自凈區內種植過濾區、物理吸附區和殺菌降溫區的面積為240、142和574 m2，分別占水體自凈區面積的2.5%、1.5%和6.0%。

1.河蟹養殖區 2.種植過濾區 3.物理吸附區 4.殺菌降溫區 5.氣提推水裝置 6.矩形水草區域 7.遮陽網 8.給水口 9.排水口

1.aquiculture area 2.Planting and filtering zone 3.Physical adsorption zone 4.Sterilization and cooling zone 5.Air lifting and water pushing device 6.Rectangular aquatic grass area 7.Sunshade net 8.Water supply outlet 9.Drainage outlet

圖6 系統實施示意圖

Fig.6 Diagram of system implementation

浮式氣提推水裝置配置在圖6中5所示位置，同時，在池塘內水草密集區域和水體流動死角區域配備有射流器裝置。按照河蟹生態養殖要求，全天水體日循環次數在2次以上較佳，因此，單次循環周期為12 h，按平均水深0.8 m計，流量安全系數取1.6，則系統總流量為1 050 m3/h，將浮式氣提推水裝置參數代入公式（2）可得進風量約為1 728 m3/h，市面上雖有進風量相匹配的氣泵，但考慮到整體氣提推水的均勻性，設置6組氣推水裝置，選用功率為2.2 kW，單組風量為300 m3/h，總進風量為1 800 m3/h，即可滿足12 h系統水體循環一次的設計要求。

根據表1將射流裝置參數代入式（3）和（4）可得每塊矩形水草覆蓋面積為112～128 m2，射流距離范圍為6.01～6.42 m，對比市面已有的射流泵，選用功率360 W 的射流泵，測得水下射流距離為6.2 m，能夠滿足射流距離的要求。

表1 浮式氣提推水裝置和射流裝置參數

水體自凈區沿池塘相鄰兩邊構成，自凈區寬度約為4.8 m，池深約為1.1 m。水體自凈區內所用過濾、吸附和殺菌降溫的材料設備具體參數見表2。同時，河蟹養殖區內按養殖要求多批次投放螺螄，螺螄不僅可以凈化水質，還可以為河蟹提供優良的餌料。

表2 材料設備具體參數

1.4 試驗方法

為檢驗基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統的有效性，展開氣提推水試驗、水質試驗和養殖效果對比分析。

1.4.1 氣提推水的水動力試驗

氣提推水試驗采用截面測速法進行流速采集，試驗選用便攜式流速儀（LS1206B，南京祥瑞德電器科技有限公司，中國）測定流速。由于池塘養殖區底部至水面的高度為0.7～0.8 m，因此以0.2 m為單位將截面分割成4層，每層層面積為0.264 m2，測定每層的平均流速。試驗前，先將一個長0.5 m，高2 m的矩形支架放在出水口前方，用于固定和移動便攜式流速儀。測得流速數值后，由平均流速、層面積計算得該層的水流量，各層流量總和即為推水的總流量。

1.4.2 水質參數試驗

在水質參數試驗中，考慮到池塘不同區域水質情況存在差異，根據區域位置選取10個采樣點，其中河蟹養殖區共8個采樣點，分別為近推水口處的點1和4，養殖區中間區域的點2、5和3，近水體自凈區的點6和8，養殖區內死角區域的點7；水體自凈區共2個采樣點，分別位于種植過濾區進水口處的點9和殺菌降溫區的點10。其中采集點1和5水深較淺。

好水養好蟹，水質是河蟹養殖的重要保證。為了驗證塘內循環自凈模式對水質的作用和影響，在養殖期內，定期對試驗塘進行水質采集及指標分析。河蟹養殖池塘為開放池塘，其水質參數試驗受池塘本身結構（池塘本底、面積規模和養殖密度）和外部氣象條件（天氣、氣溫和風）的影響較大。為了保證以上兩者的一致性和可比性，試驗選擇在同一池塘中通過對靜水和循環狀態下的水質狀況進行較長周期的采集（靜水狀態：2019年7月15日至2019年7月28日關閉推水裝置，循環狀態：2019年7月29日至2020年8月11日開啟推水裝置），并從中選擇外部氣象條件相近的試驗日進行數據對比。水溫通過項目開發的多層溫度實時采集設備進行實時連續采集；溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）和pH值采用AP-2000多參數水質分析儀，氨氮（NH4+-N）采用EHCAS40D便攜式水質測定儀。3組水質參數統一進行每天分時段采樣，每個采樣點均采集3次，采樣時間為6:00－7:00，14:00－15:00，17:30－18:30。

1.4.3 養殖效果對比分析

2019年，為了驗證塘內循環自凈式河蟹生態養殖系統的養殖效果。選定和試驗塘相同大小的對照塘，面積約為9 600 m2，對照塘的水草種植品種與試驗塘一致，總水草覆蓋率占池塘面積的60%左右，對照塘和試驗塘蟹苗投放數量均為1.5萬只，在同一時間段進行養殖，池塘方位、池塘結構、光照等條件基本一致，采用相同的餌料、相同投喂量以及相同的螺螄投放量，且餌料投喂、螺螄投放時間均相同。養殖時間為2019年3月底至2019年10月中旬，在回捕時對試驗池塘和對照池塘中公母河蟹抽樣捕撈各100只并進行統計對比。

1.4.4 數據處理

試驗數據采用SPSS20.0和Excel2016軟件進行統計和作圖。采用獨立樣本（Independent sampletest)分析和差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 氣提推水裝置的水動力性能分析

塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統運行一段時間后，待水流穩定開始由出水口水面向下測定水體流速。出水口的寬為1.32 m，因此在每層中心位置、距中心位置左、右兩側0.44 m處，測量水流速度，求平均值，試驗結果如表3所示。

表3 出水口不同水層高度的推水性能測試結果

將流量累加可得出單一出水口推水的流量約為187 m3/h，試驗池塘內設有6個氣提推水口，所以，總推水量約為1 122 m3/h。能夠滿足總流量1 050 m3/h的系統設計要求，可實現池塘水體日循環2次以上。

2.2 塘內循環自凈養殖模式對水質的影響分析

試驗分析中為排出外部氣象條件的影響，根據試驗天氣記錄，選取7月25日和7月26日（靜水狀態）的數據，與7月29日和7月30日（循環狀態）的數據進行對比。天氣狀況均為：多云，風力3級左右，最高氣溫36℃，最低氣溫28℃。

2.2.1 溫度變化分析

1）水溫波動分析

分別在靜水狀態和循環狀態下，應用多層溫度實時采集設備進行10個采集點的水溫采集，最深處1.5 m，單點6個溫度監測探頭全部有效，最淺處0.7 m，單點3個溫度探頭有效，總共有效溫度監測探頭43個，通過全天溫度波動性統計分析，計算每個溫度監測探頭的全天溫度波動的標準差，可得到圖7。由圖可見，循環狀態下，最大溫度波動標準差為1.845，而靜水狀態下，最大溫度波動標準差為2.3，明顯循環狀態下溫度極端變化情況較少。

2）池塘水溫均衡度分析

全天溫度均衡度，即全天最高溫度值減去最小值為溫度極差，全天溫度均值減去溫度極差再除以溫度均值。以20 min為水溫采樣周期，對全天43個有效采集點的溫均衡度進行計算，循環狀態下全天均衡度平均值為0.893，較靜水狀態下0.811，提高了10.17%。

2.2.2 pH值、溶解氧和氨氮分析

在采樣點的垂直方向距水面70 cm處進行下層水質（pH值和溶解氧）采集，有效采樣點共8個。將靜水狀態時間段數據和循環狀態時間段數據剔除異常值（3倍標準差法）后進行統計分析，可得表4所示分析結果。通過比較，循環狀態下的pH值分布和溶解氧含量顯著優于靜水狀態，其中，溶解氧的平均質量濃度較靜水狀態提高了18.57%，即下層溶氧水平提升顯著。

氨氮是指水中以游離氨（NH3）和離子氨（NH4+）形式存在的氮。計算兩種狀態下10個采樣點氨氮的平均質量濃度的平均值，靜水狀態下平均值為0.073 mg/L，循環狀態為0.059 mg/L，較靜水狀態下降低了19.2%。按照三倍標準差原則剔除點9后，統計可知循環狀態下均值為0.043 mg/L，差異并不顯著（=0.065）。進一步分析可知循環狀態下，由于微流水的作用氨氮向點8、點9集中，即點8和點9氨氮含量較其他點高出很多。若在剔除點9同時剔除點8，進一步計算可得循環狀態下氨氮均值為0.03 mg/L，顯著優于靜水狀態（=0.001 3）。

表4 養殖水質試驗數據

注：不同小寫字母代表差異顯著（＜0.05）。

Note: Different lowercase letters mean significant difference (<0.05).

總體而言，在對比分析時間段中，循環狀態下，水溫分布、氨氮濃度以及中下層的溶解氧（DO）含量和pH值，均優于靜水狀態。

2.3 養殖效果試驗

塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統在上海寶島蟹業有限公司的試驗塘經過半年的調整和調試，2019年整個養殖季通過對照塘進行了養殖效果的分析對比。2019年10月份，分別對試驗池塘和對照池塘進行了抽樣回捕，從捕撈河蟹中分別隨機抽取公母河蟹各100只，進行了詳細稱量和統計，結果顯示試驗池塘公母河蟹總質量為38.75 kg，200 g以上公蟹90只，150 g以上母蟹75只；對照池塘公母河蟹總質量為32.85 kg，200 g以上公蟹45只，150 g以上母蟹40只，試驗塘公母河蟹總質量較傳統養殖模式增加了17.9%，其中200 g以上公蟹和150 g以上母蟹較傳統養殖模式分別增加了45%和35%。表明塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統能大幅提高養殖效益。

3 討 論

3.1 水動力及微流水分析

由流速試驗可知，平均水流速度隨距離水面高度增大而增大，即氣提作用下水動力和氣提深度有關，深度越大氣提水動力越大。因此，在塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統中，可以根據需求和設計目標，調整氣提推水裝置中增氧曝氣格的深度與導流板的安裝角度和位置，來獲得不同的池塘水動力源泉。

推水口流速試驗表明，單個氣提推水裝置推水流量為187 m3/h，6個氣提推水口總流量可達1 122 m3/h，實際上，其水體推動力隨著距離增加逐步衰減，無法直接推動全塘形成微水流。但是，在氣提推水裝置作用下，在養殖區和自凈區形成了顯著的水位差，使得水體由高到低自然流淌擴散，從而形成了全塘水體有序微流動。這種微流水擾動也是影響水體環境和藻類生長的重要因素[20-21]，池塘內水體日循環2次以上，能實現了水體大范圍循環回流，有效改善池塘養殖環境，達到流水養蟹的循環養殖目的。

3.2 氣提推水對水質參數的影響分析

養殖池塘現場試驗受環境影響大，氣溫、日照、風速等都會直接或間接影響水質參數的采集，試驗對比樣本選擇較為困難，但總體而言塘內循環自凈養殖系統中水溫、溶解氧和氨氮都朝對河蟹養殖有利的方向變化。

首先，經過自凈區的過濾、殺菌和降溫處理，在高溫季節可以起到降低池塘整體水溫的作用。其次，水溫分層和溶氧分層存在著緊密的相關性，試驗結果顯示，塘內循環自凈養殖系統能夠較大范圍提高池塘溫度的均衡性和減小水溫波動，從而有效減少高溫季節水溫分層現象，同時能夠降低溶解氧分層的概率。最后，水體流動也具有打破溶解氧分層現象的能力[22]，且具有增加水體溶解氧的作用，試驗結果顯示循環狀態下溶解氧水平比靜水狀態下高出18.57%。

氨氮可以直接或間接影響養殖水生動物的生長和繁殖[23-25]。塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統中，由于水體自凈區凈水設施（如浮床種植、過濾棉、生物膜凈水柵、殺菌燈等）的作用，氨氮明顯降低，試驗中，循環狀態下10個采樣點的氨氮（NH4+-N）平均質量濃度的平均值比靜水狀態下低。同時，在全塘循環微流水的作用下，懸浮物和氨氮總體向水體自凈區集中，在試驗期間，觀察到水體自凈區的采樣點8和9的NH4+-N平均濃度要高于其他點，且經過水體自凈區之后，采樣點10的NH4+-N平均濃度明顯降低。可見，塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統能較好地促進氨氮的良性循環。

3.3 養殖效果差異分析

基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統可以有效提高大規格公母河蟹的比例，經抽樣對比，對照塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹的數量分別為45只和40只，試驗塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹的數量分別為90只和75只，占比增加了45%和35%。塘內循環自凈的養殖系統可有效改善養殖環境，提高大規格河蟹生長比例，具有良好的生態養殖效益。與傳統養殖模式相比效益明顯，與文獻[15]貝、蟹、藻多池循環水生態養殖系統相比工藝簡單、可控性好，但也存在著塘內循環自凈的養殖系統建設投入相對較大，維護成本略高等問題，隨著系統的進一步優化完善，將成為生態、高效的河蟹池塘養殖模式。

試驗證明，塘內循環的自凈式河蟹生態養殖系統初步完成了養殖模式從“大養蟹”到“養大蟹”的轉變，是一種生態高效的養殖模式，具有廣泛地推廣應用前景。

4 結 論

本文針對基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統進行了設計并開展現場實施、應用和試驗，得出以下結論：

1）系統中通過推水裝置為池塘內的水體循環流動提供源動力，總推水流量達到1 122 m3/h，試驗塘全塘日循環達到2次以上，塘內整體水流穩定有序，能夠達到生態、高效養殖河蟹的目的。

2）對靜水和循環狀態下的養殖水質進行了采樣和分析，循環狀態下的下層溶解氧的平均質量濃度較靜水狀態下提高了18.57%，氨氮平均質量濃度也有所降低，養殖期間試驗塘循環狀態下水體水質狀況良好。

3）養殖效果分析對比顯示：對試驗塘和對照塘抽樣結果中，塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統的公母河蟹總質量較傳統養殖模式增加了17.9%，200g以上公蟹和150g以上母蟹較傳統養殖模式分別增加了45%和35%。表明塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統進行河蟹養殖能有效增加大規格公母河蟹的比例。

[1] 農業農村部漁業漁政管理局. 中國漁業統計年鑒[M]. 北京：中國農業出版社，2020.

[2] 童心雨，姜森顥，葛寶明，等. 我國池塘養殖業發展現狀與對策[J]. 中國農業科技導報，2020，22(8)：5-13.

Tong Xinyu, Jiang Senhao, Ge Baoming, et al. Development status and countermeasures of pond aquaculture industry in China[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2020, 22(8): 5-13. (in Chinese with English abstract)

[3] 季銘，閆興成，許曉光，等. 太湖流域河蟹不同生長期池塘養殖場氮磷動態變化研究[J]. 南京師大學報：自然科學版，2020，43(4)：129-134.

Ji Ming, Yan Xingcheng, Xu Xiaoguang, et al. Study on the dynamic changes of nitrogen and phosphorus from pond farms in different growth stages of crab in Taihu Lake Basin[J]. Journal of Nanjing Normal University: Natural Science Edition, 2020, 43(4): 129-134. (in Chinese with English abstract)

[4] 戴丹超，馬旭洲，張勇，等. 宜興滆湖地區河蟹生態養殖池塘對水環境的影響[J]. 環境化學，2019，38(11)：2573-2582.

Dai Danchao, Ma Xuzhou, Zhang Yong, et al. Impact ofecological culture ponds on water environment in Gehu Lake area of Yixing City[J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(11): 2573-2582. (in Chinese with English abstract)

[5] 胡庚東，宋超，陳家長，等. 池塘循環水養殖模式的構建及其對氮磷的去除效果[J]. 生態與農村環境學報，2011，27(3)：82-86.

Hu Gengdong, Song Chao, Chen Jiazhang, et al. Modeling of water circulating pond aquaculture system and its N&P removal effect[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2011, 27(3): 82-86. (in Chinese with English abstract)

[6] 羅西玲，邢磊，徐賓鐸，等. 遼河口蘆葦濕地河蟹養殖區水體N、P營養鹽和COD的變化[J]. 海洋湖沼通報，2016(3)：20-27.

Luo Xiling, Xing Lei, Xu Binduo, et al. Variations in nitrogen and phosphorous nutrients and COD in the river crab aquaculture areas in reed wetland of Liaohe Estuary[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2016(3): 20-27. (in Chinese with English abstract)

[7] 吳凱，馬旭洲，王友成，等. 池塘河蟹生態養殖對水環境的影響[J]. 上海農業學報，2016，32(6)：69-74.

Wu Kai, Ma Xuzhou, Wang Youcheng, et al. Effect of pond eco-culture of river crabs on water environment[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2016, 32(6): 69-74. (in Chinese with English abstract)

[8] 楊菁，管崇武，宋紅橋，等. 基于物質平衡的對蝦高位池循環水養殖系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：217-222.

Yang Jing, Guan Chongwu, Song Hongqiao, et al. Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 217-222. (in Chinese with English abstract)

[9] 王成成，焦聰，沈珍瑤，等. 中國水產養殖尾水排放的影響與防治建議[J]. 人民珠江，2020，41(1)：89-98.

Wang Chengcheng, Jiao Cong, Shen Zhenyao, et al. Effect of wastewater discharge of aquaculture and its prevention &treatment suggestion in China[J]. Pearl River, 2020, 41(1): 89-98. (in Chinese with English abstract)

[10] 謝輝亮，徐鋼春，王裕玉，等. “流水養殖槽—蝦—蟹”串聯式循環水養殖模式凈化效能的研究[J]. 大連海洋大學學報，2021，36(1)：118-126.

Xie Huiliang, Xu Gangchun, Wang Yuyu, et al. Purification efficiency in an “in-pond raceway recirculating (IPRS) -shrimp-crab” tandem system aquaculture model[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2021, 36(1): 118-126. (in Chinese with English abstract)

[11] 程果鋒，吳宗凡，時旭，等. 溫室池塘高密度循環水養殖系統構建[J]. 上海海洋大學學報，2014，23(1)：37-42.

Cheng Guofeng, Wu Zongfan, Shi Xu, et al. High density recirculating aquaculture system with greenhouse pond for California perch () and culture[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2014, 23(1): 37-42. (in Chinese with English abstract)

[12] 田昌鳳，劉興國，車軒，等. 分隔式循環水池塘養殖系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(8)：183-190.

Tian Changfeng, Liu Xingguo, Che Xuan, et al. Design and experiment of partitioned recirculating aquaculture pond system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 183-190. (in Chinese with English abstract)

[13] 劉鷹. 歐洲循環水養殖技術綜述[J]. 漁業現代化，2006(6)：47-49.

[14] Lazur A M, Pouder D B, Hill J E. Preliminary evaluation of gulf sturgeon production and sustainability of a zero-discharge pond water recirculating tank system[J]. North American Journal of Aquaculture, 2008, 70(3): 281-285.

[15] 陳堅，柯愛英. 貝、蟹、藻多池循環水生態養殖技術研究[J]. 科學養魚，2010(2)：35-36.

[16] 陳雷雷，胡慶松，杜舟，等. 一種氣提推水折回式全塘流動的蟹塘養殖自凈系統：201821297643.7[P]. 2019-04-12.

[17] 張俊新，李明智，李曉麗，等. 循環水養殖凈化裝置設計及循環水量影響因素研究[J]. 漁業現代化，2018，45(1)：12-18.

Zhang Junxin, Li Mingzhi, Li Xiaoli, et al. Study on the design of purification device for recirculating aquaculture and the influence factors of circulating water flow[J]. Fishery Modernization 2018, 45(1): 12-18. (in Chinese with English abstract)

[18] 林進躍. 氣提裝置在污水處理站中的應用[J]. 山東工業技術，2015(12)：220-221.

[19] 周長仁，胡超. 射流器在水處理工程中的應用[J]. 科學中國人，2017(17)：16-17.

[20] 李冬梅，高永利，田甜，等. 水體擾動對多種赤潮藻生長的影響[J]. 熱帶海洋學報，2010，29(6)：65-70.

Li Dongmei, Gao Yongli, Tian Tian, et al. Effects of turbulence on phytoplankton: species differences[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2010, 29(6): 65-70. (in Chinese with English abstract)

[21] 吳宗凡，程果鋒，王賢瑞，等. 移動式太陽能增氧機的增氧性能評價[J]. 農業工程學報，2014，30(23)：246-252.

Wu Zongfan, Cheng Guofeng, Wang Xianrui, et al. Evaluation on aeration performance of movable solar aerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 246- 252. (in Chinese with English abstract)

[22] 胡鵬，楊慶，楊澤凡，等. 水體中溶解氧含量與其物理影響因素的實驗研究[J]. 水利學報，2019，50(6)：679-686.

Hu Peng, Yang Qing, Yang Zefan, et al. Experimental study on dissolved oxygen content in water and its physical influence factors[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(6): 679-686. (in Chinese with English abstract)

[23] 吳凱，馬旭洲，王友成，等. 河蟹生態養殖池塘不同水層水質變化的研究[J]. 上海農業學報. 2018，34(1)：46-51.

Wu Kai, Ma Xuzhou, Wang Youcheng, et al. Study on the change of water quality in different layers in the crab eco-culture ponds[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2018, 34(1): 46-51. (in Chinese with English abstract)

[24] Miladinovic N, Weatherly L R. Intensification of ammonia removal in a combined ion-exchange and nitrification column[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 135(1): 15-24.

[25] Wett B, Rauch W. The role of inorganic carbon limitation in biological nitrogen removal of extremely ammonia concentrated wash water[J]. Water Research, 2003, 37(5): 1100-1110.

Design and experiment on crab ecological culture system using internal circulation and self-purification in a pond

Chen Leilei1, Du Zhou1, Hu Qingsong1※, Huang Chun2, Li Jun1

(1.,,201306,; 2.,202150,)

(Chinese mitten crab) is one of the most important freshwater aquaculture species in China. Pond farming has widely been applied in severalaquaculture modes. In this study, an improved, logical aquaculture system was proposed for better purification ability of pond water using the core technology of internal circulating and self-purification. Soft barricading was utilized to divide the aquaculture pond into two relatively independent functional areas, including the aquiculture and water self-purification areas. The specific procedure was as follows. 1) The air lifting and water pushing and jet device were designed to serve as the power source of water circulation in the aquiculture area. The air lifting and water pushing device pushed the water from the water self-purification to the aquiculture area, where the content of dissolved oxygen improved with a relatively low fluctuation of water temperature in the pond. The jet device created microfluidics in the dead corner of a pond or the area with dense aquatic plants. 2) The water self-purification area was designed to serve as the water circulation reverse-flow system, aiming at suspended solid filtration, physical absorption, sterilization, and water cooling in the backflow of internal circulation. 3) A field test was carried out in the Shanghai Baodao Crab Company to evaluate the ecological aquaculture system. The test pond with an area of 9 600 m2was located at 31°74￠N, 121°23￠E. Two parts of a pond were divided into an ecological aquaculture system, including the aquiculture area of 8 644 m2and the water self-purification area of 956 m2. The results were showed as following: 1) The flow rate of each air lifting and water pushing device was tested to be 187 m3/h. The pond water was exchanged more than twice a day. 2) The standard deviation of temperature fluctuation was lower than that of the traditional mode. The average value for equilibrium degree of water temperature was 0.893, 10.17% higher than that in the traditional mode with 0.811 equilibrium degree of water temperature. 3) The average value of dissolved oxygen in the deepwater layer (below 70 cm) was 4.498 mg/L, 18.57% higher than that in the traditional mode. 4) The average concentration of ammonia nitrogen was 19.2% lower than that of the traditional mode. Consequently, the water quality of the ecological aquaculture system was much better than that of the traditional mode. 200 crab samples (100 female crabs and 100 male ones) were randomly selected from the test and traditional pond (control group). The comparison result showed that the yield of crab increased 17.9% using the ecological aquaculture system, where the male crabs over 200 g increased 45%, and the female crabs over 150 g increased 35.0%. The finding can provide a great reference toaquaculture industry.

aquaculture; design; experiment;; ecological culture; pond circulation; water self-purification technology; air lifting and water pushing

2020-12-20

2021-02-25

上海市科技興農推廣項目（滬農科推字（2018）第1-4號），國家自然科學基金項目（51309150）

陳雷雷，博士，副教授，研究方向為農業與海洋裝備技術。Email：llchen@shou.edu.cn

胡慶松，教授，博士生導師，研究方向為海洋工程與信息。Email：qshu@shou.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028

S968.2

A

1002-6819(2021)-07-0227-08

陳雷雷，杜舟，胡慶松，等. 基于塘內循環自凈的河蟹生態養殖系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(7)：227-234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028 http://www.tcsae.org

Chen Leilei, Du Zhou, Hu Qingsong, et al. Design and experiment on crab ecological culture system using internal circulation and self-purification in a pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 227-234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028 http://www.tcsae.org