基于組合濕地構建的池塘循環水養殖系統運行效果

柳 磊，陶 玲，代梨梨，彭 亮，李 谷

(1.中國水產科學研究院長江水產科學研究所，武漢430223；2.中國農業科學院研究生院，北京100081)

池塘養殖是我國水產養殖的主要生產方式之一。據《2021中國漁業統計年鑒》，2020年我國池塘養殖總面積303.69萬公頃，占全國水產養殖總面積的43.16%，池塘養殖總產量2 537.14萬噸，占全國水產養殖總產量的48.57%[1]。然而高密度、高投餌、高換水的池塘養殖模式對養殖內外環境均產生不良影響，環境污染成為制約水產養殖業發展的重要因素[2]。研發適于池塘養殖的尾水生態處理與循環利用技術，對減少污染物排放和改善養殖環境都具有重要意義。人工濕地水處理技術具有低投入、高效率和易維護等特點，已有的研究結果表明，其對于水產養殖尾水具有良好的凈化效果[3-5]。池塘養殖尾水具有污染物濃度低、排放量大的特點，而已構建的人工濕地大多采用較低水力負荷運行，需要占用較大的土地面積，在實際建造和運行中存在一定問題[6]。因此，構建占地面積小、水力負荷大的人工濕地，并與養殖池塘結合形成人工濕地-池塘復合循環水養殖系統，可以達到減少廢水排放、節約水資源的目的。

本研究在課題組開展的《連續柱塞流構建濕地設計及啟動運行效果》[7]研究的基礎上，將該組合濕地同養殖池塘有機結合，構建了組合濕地-池塘復合循環水養殖系統。重點開展了高水力負荷工況下組合濕地凈化回用養殖尾水的運行效果以及系統氮、磷收支平衡研究，以期對這種生態養殖模式的進一步研究提供可借鑒的資料。

1 材料與方法

1.1 組合濕地-池塘復合循環水養殖系統構建

試驗系統位于湖北省荊州市中國水產科學研究院長江水產研究所窯灣試驗基地。養殖池塘占地面積400 m2，池深2.20 m，實驗期間維持水深1.60～1.80 m。組合濕地占地面積56 m2，依次由進水區、上行流濕地I區、匯水區、上行流濕地Ⅱ區和出水區組成(見圖1)。每個組成單元底層及兩側鋪設土工膜防滲，濕地基質采用頁巖陶粒，上行流濕地I區和Ⅱ區分別種植花葉蘆竹(Arundodonax)和美人蕉(Cannaindica)。池塘取水處設前置區，前置區由一臺水泵和過濾池組成，過濾池面積9 m2組合濕地基本結構參照孫瑞萌等[7]。

圖1 組合濕地結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the constructed wetland圖中箭頭表示水流方向。

1.2 系統運行和管理

組合濕地中試系統于2020年8月建成，隨后在低水力負荷0.58 m3/(m2·d)運行條件下開展了濕地系統在啟動運行階段對池塘養殖尾水處理效果的研究。本次試驗時間為2021年5-10月，其中，2021年7-10月池塘養殖尾水經水力提升后進入組合濕地處理并循環利用，濕地系統采用間歇進水方式運行，每天平均運行4 h，陰雨天不運行，在池塘單日水交換量為10%時，組合濕地水力負荷達到5.54 m3/(m2·d)。

養殖池塘主養品種為黃顙魚(Pelteobagrusfulvidraco)，初始體長(13.67±3.41) cm，平均體重(27.12±19.37) g，放養密度264.42 g/m2；配養白鰱(Hypophthalmichthysmolitrix)80尾，初始體長(28.13±1.40)cm，平均體重(204.61±32.54) g，放養密度40.93 g/m2。同時選擇規格一致的常規養殖池塘作為對照塘，對照塘放養品種和數量與循環塘完全一致。養殖管理按常規方式進行。

1.3 樣品采集和分析方法

1.3.1 水樣采集及測定

為探討養殖尾水污染物濃度沿組合濕地流程的變化，水樣設置7個采樣點，分別為過濾池外側池塘區域、前置區、進水區、上行流Ⅰ區、匯水區、上行流Ⅱ區和出水口，運行期間每隔1 h采集各點水樣500 mL，測定后取平均值，每周采樣一次。同時在循環塘和對照塘各布置四個采樣點，分別位于池塘四周，循環塘采樣點避開濕地出水口，取混合水樣，重復采樣3次，采樣時間為8:30～9:30，魚苗放養后采集一次，系統運行期間采樣頻率與濕地一致。現場用哈希HQ30d測定溶解氧(DO)和水溫(T)、用塞氏盤測定透明度(SD)；其它各項水質指標的測定均按文獻[8]進行。試驗期間記錄降雨量和補水量，并測定氮、磷濃度。

1.3.2 底泥樣品采集及測定

養殖初始和結束分別用柱狀采泥器(d=4 cm)采集底泥樣品，采用5點采樣法，采樣深度為5 cm，取混合樣。樣品帶回實驗室風干，過篩，參照文獻[9]用凱氏定氮法測定底泥總氮，用堿熔-鉬銻抗比色法測定底泥總磷。

1.3.3 飼料和魚樣采集及測定

準確記錄不同養殖時期飼料投喂量，采用凱氏定氮法(GB/T 6432-2018)和分光光度法(GB/T 6437-2018)分別測定飼料中總氮和總磷含量。在魚苗放養和收獲時分別采集黃顙魚魚樣，于60 ℃烘干，參照國家標準(GB/T 5009.5-2016和GB/T 5009.87-2016)測定魚體中氮、磷含量。實驗開始和結束時分別采集白鰱魚樣，按鄒清等[10]的方法計算魚體氮、磷含量。

1.4 計算方法

1.4.1 組合濕地凈化效果

采用百分比去除率和面積去除率。計算公式為：

百分比去除率=[(C0-Ci)/C0]×100%，

面積去除率(g/(m2·d))=[Q×(C0-Ci)]/A

式中：C0表示人工濕地進水污染物濃度；Ci表示人工濕地出水污染物濃度；Q為人工濕地流量；A為人工濕地面積。

1.4.2 池塘養殖效果

采用成活率、增重率、特定生長率和餌料系數等。計算公式為：

成活率=(St/S0)×100%，

增重率=[(Wt-W0)/W0]×100%，

特定生長率=[(lnWt-lnW0)/t]×100%，

飼料系數=FI/(Wt-W0)，

式中：St表示養殖t時間時成活的尾數；S0表示試驗開始時放養尾數；Wt表示養殖t時間時的體重(總重)；W0表示放養時的體重(總重)；FI表示投入的飼料重量。

1.4.3 氮磷收支的計算

漁獲物凈產量的總氮、磷量占飼料氮、磷輸入總量的比例稱作氮、磷的相對利用率，而漁獲物凈產量的總氮、磷量占池塘氮、磷輸入總量的比例稱作氮、磷的絕對利用率。采用物料平衡原理計算系統氮、磷收支。計算公式為：

氮磷相對利用率=(Fout-Fin)/FI×100%

氮磷絕對利用率=(Fout-Fin)/(Win+FI+Fin)×100%

Win+FI+Fin=Wout+Fout+S+CW+O

式中：Win表示通過池塘初始水體、補水以及雨水輸入的氮和磷；FI表示通過飼料投加輸入的氮和磷；Fin表示通過黃顙魚(白鰱)放養輸入的氮和磷；Wout表示通過池塘末期水體輸出的氮和磷；Fout表示通過黃顙魚(白鰱)收獲輸出的氮和磷；S表示通過沉積物蓄積輸出的氮和磷；CW表示通過人工濕地凈化輸出的氮和磷；O表示池塘通過其他形式輸出的氮和磷，主要包括氣體的揮發和水體滲漏等。

1.5 數據處理與分析

利用Excel 2019、SPSS 25.0和OriginPro 2021進行統計分析和圖表繪制，對組合濕地沿程水質變化、組合濕地不同月份百分比去除率及養殖池塘水質理化特征進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，以P<0.05為差異顯著水平。

2 結果與分析

2.1 沿組合濕地流程的主要水質參數變化

沿組合濕地水流方向主要水質參數變化見圖2。由圖2可知，溶氧(DO)平均濃度保持在(3.15±1.51) mg/L以上，經過兩級上行流濕地后濃度均會明顯下降，但出水DO平均值達到(5.88±1.08) mg/L，較進水提高了21.24%；pH在流經濕地過程中變化不明顯，經過上行流濕地后pH小幅下降。

通過統計分析發現(見表1)，組合濕地對TAN的百分比去除率和面積去除率分別為38.48%～78.37%和0.88～4.51 g/(m2·d)；TN的為11.17%～24.28%和1.66～2.79 g/(m2·d)；TP的為34.42%～51.37%和0.56～1.06 g/(m2·d)；COD的為22.17%～41.86%和13.53～24.43 g/(m2·d)；TSS的為53.25%～69.90%和173.01～239.61 g/(m2·d)。進一步分析可知，組合濕地對TAN的去除率呈前高后低的變化，10月份出現最低值，與其它月份差異顯著；TP、TSS的去除率均呈先上升后下降趨勢，最高去除率均出現在9月份，各月份之間無顯著性差異；TN去除率呈逐月下降趨勢，10月份出現最低值，與其它月份差異顯著；COD去除率在7月出現最大值，后續變化較為穩定。

圖2 主要水質參數的沿程變化Fig.2 Variations of main water quality parameters along the wetland圖中同一參數標不同字母表示在0.05水平上差異顯著

表1 組合濕地對養殖尾水處理效果Tab.1 Treatment performance of the constructed wetland on pond culture tail water(Mean±SD)

2.2 養殖期間池塘水質動態變化及特征

由圖3和表2可知，循環水養殖系統運行期間，循環塘與對照塘DO、T、pH、SD、TSS等水質參數動態變化趨勢基本一致，但循環塘SD、DO和pH的值顯著高于對照塘，TSS值明顯低于對照塘。

2.6 池塘養殖效果

由表3可知，對照塘黃顙魚成活率為93.56%，循環塘為99.58%，較對照塘提高6.43%；對照塘黃顙魚產量為358.70 kg，循環塘為391.38 kg，相較對照塘提高9.11%；對照塘黃顙魚增重率小于循環塘，特定生長率略高于循環塘，循環塘黃顙魚生長情況較好。對照塘飼料系數為1.95，循環塘為1.77，相較對照塘降低9.23%，循環塘飼料利用情況較好。

2.4 系統氮磷收支平衡

由表4可知，循環塘氮、磷相對利用率較對照塘分別提高10.68%、11.20%；循環塘氮、磷絕對利用率較對照塘分別提高11.06%、11.49%。

由表5可知，飼料是系統氮、磷輸入的主要途徑，養殖期間，對照塘投入飼料481.58 kg，循環塘投入飼料487.98 kg，分別占對照塘氮、磷輸入的88.07%、87.83%和循環塘氮、磷輸入的88.36%、88.09%；其次是魚苗，分別占對照塘氮、磷輸入的7.23%、6.77%和循環塘氮、磷輸入的7.15%、6.71%；養殖期間補水、初始水體、降水等在氮、磷輸入中占比較少。

沉積物底泥積累是氮、磷支出的主要項目，分別占對照塘氮、磷支出的59.65%、69.35%和循環塘氮、磷支出的54.92%、49.81%；其次是養殖生物的收獲，黃顙魚收獲分別占對照塘氮、磷支出的24.95%、18.82%和循環塘氮、磷支出的26.96%、20.33%；養殖末期水體分別占對照塘氮、磷支出的5.43%、3.71%和循環塘氮、磷支出的4.37%、2.64%。相較對照塘，循環塘黃顙魚在氮、磷支出中所占比例分別提高8.06%、8.02%，循環塘環境積累(水體+底泥沉積物)占氮、磷支出分別減少8.90%、28.21%。同對照塘相比，循環塘增加了組合濕地系統對氮、磷的支出，組合濕地在循環塘氮、磷支出中所占比例分別為7.71%、20.74%。

圖3 池塘水質參數動態變化Fig.3 Variations of water quality parameters in the fishponds

表2 養殖期間池塘主要水質理化特征Tab.2 Physical-chemical characteristics of water quality in the fishponds (Mean±SD)

表3 不同組別池塘魚類收獲情況Tab.3 Harvest information in different fishponds (Mean±SD)

表4 不同組別池塘黃顙魚氮、磷利用情況Tab.4 The nitrogen and phosphorus utilization rate of animals in different fishponds

表5 不同養殖池塘氮、磷收支估算Tab.5 Budgets of nitrogen and phosphorous in two systems

3 討論

3.1 組合濕地對養殖尾水凈化及調控池塘水質分析

在此次試驗中，組合濕地對TAN、TN、TP、COD和TSS的面積去除率分別為0.88～4.51 g/(m2·d)、1.66～2.79 g/(m2·d)、0.56～1.06 g/(m2·d)、13.53～24.43 g/(m2·d)和173.01～239.61 g/(m2·d)。在李懷正等[6]的研究中，人工濕地對養殖尾水中TN、TP和TSS的面積去除率分別為1.80 g/(m2·d)、0.39 g/(m2·d)和117.58 g/(m2·d)。類似研究[14]表明人工濕地對TAN、COD、TP的最高面積去除率為0.22 g/(m2·d)、9.91 g/(m2·d)、0.63 g/(m2·d)。相較上述研究結果，本次構建的組合濕地表現出良好的養殖尾水凈化效果。組合濕地出水DO平均值達到5.00 mg/L以上，其它各項水質參數也都滿足漁業用水水質標準。

3.2 復合循環水養殖系統氮磷利用效率

養殖系統內氮、磷收支及氮、磷的利用率常作為評價養殖模式優劣的重要指標，并且氮磷收支可以量化養殖水體和底泥的潛在污染水平[15]。已有的研究表明，不同養殖種類和養殖模式下，氮、磷輸入的來源比例會有所差異，但飼料和肥料通常是氮、磷輸入的主要來源[16]。在孫云飛等[17]研究中，飼料分別占氮、磷輸入的85.54%～93.38%、82.60%～84.26%，與本次試驗差異較小。養殖生物也是氮、磷輸入的重要項目，在孫云飛等[17]的結果中，分別占氮、磷輸入的3.37%～9.07%、3.64%～5.63%，而在劉梅等[18]的研究中，分別占常規養殖模式氮、磷輸入的(0.50±0.04)%、(0.46±0.03)%，后者與本試驗差異較大，這主要是由于放養魚苗的種類和放養規格不同會使占比產生差異。循環塘和對照塘氮、磷輸入占比總體上比較一致，氮的輸入依次為：飼料>養殖生物>初水體>降水>補水，磷的輸入依次為：飼料>養殖生物>初水體>補水>降水。底泥沉積是池塘養殖系統氮、磷支出的主要途徑，通常占總輸入量的50%以上，其次是收獲的養殖生物，一般占比也在20%左右[19]。本次試驗中，對照塘采取常規養殖模式，底泥和養殖生物分別占氮、磷支出的59.65%、69.35%和28.39%、24.35%，與以上結論較為一致。在循環水養殖模式中，組合濕地是系統新的氮、磷支出項目，同時，通過濕地系統凈化改善養殖環境，提高了養殖生物對氮、磷利用率，因此循環塘水體和底泥在氮、磷支出中所占比例低于對照池塘，減少了氮、磷在養殖池塘內的積累，降低了內源性污染水平，可進一步降低養殖尾水排放對外界水環境產生的負面影響。

4 結論

(3)組合濕地-池塘循環水養殖系統能提高氮、磷利用效率，氮、磷相對利用率分別提高10.68%、11.20%，絕對利用率分別提高11.06%、11.49%，減少了氮、磷在養殖環境中的積累，降低了尾水排放對受納水體的不利影響。