凡纳滨对虾循环水养殖系统应用研究

张 龙，陈 钊，汪 鲁，陈世波，曲克明，张 鹏，朱建新

(1 上海海洋大学水产与生命学院，上海 201306；2农业农村部海洋渔业可持续发展重点实验室，中国水产科学研究院黄海水产研究所，山东 青岛 266071；3青岛卓越海洋集团有限公司，山东 青岛 266400)

凡纳滨对虾(Litopenaeusvannamei)是中国对虾养殖的重要养殖品种之一，2016年产量达167.22万t，占全国虾类养殖总产量的50.61%，且有逐渐增加的趋势[1]。凡纳滨对虾养殖模式经历了土池养殖、高位池养殖、温室大棚养殖和工厂化养殖等发展阶段，对虾室内工厂化养殖研究也较多。随着养殖模式的更新和对虾养殖密度的增加，单位水体饲料投喂量也大大增加，导致养殖水体水质恶化速度进一步加快，对凡纳滨对虾的生长造成不利影响。当前，大部分养殖企业通过大量换水的方式进行养殖水体水质更新，进而解决水质恶化问题。换水的养殖模式不仅水资源浪费严重及污染周围养殖水域，而且有可能引入外来病原，甚至造成对虾疾病暴发[2-4]。高效可持续的对虾循环水养殖系统已成为当今水产养殖模式应用研究的重点。

目前，对虾循环水养殖系统凭借其在水资源消耗、养殖废物管理、营养物迁移转换、对虾疾病管控和规避生态污染等方面的独到优势而受到对虾养殖生产者和研究者的广泛关注[5-8]。研究表明，室内对虾循环水养殖对养殖水体水质具有良好的调节效果，具有较强的可行性[9-11]。此外，生物滤池作为对虾循环水系统中养殖废水净化处理的核心，具有较好的生物处理效果和较高的硝化效率，为养殖水体水质中的营养物转化提供了有效保证[12]。上述对虾循化水养殖系统的相关研究多注重于实验室条件，而且对于系统应用过程中养殖水体水质变化的研究较少。

以凡纳滨对虾室内工厂化流水养殖(Indoor Industrial Flow-through Aquaculture，IIFA)为对照组，比较研究凡纳滨对虾室内循环水养殖(Recirculating Aquaculture System，RAS)过程中养殖水体水质指标以及对虾生长性能的变化，探讨循化水养殖系统的脱氮效果，以期为对虾循环水养殖模式的应用推广提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 设施与材料

本研究使用的对虾养殖池是同一养殖车间内规格相同的8个水泥池，长6 m、宽6 m、深1.2 m。选取相邻的4个养殖池(养殖水体36 m3)与循环水处理设备相连，组成循环水养殖系统，作为试验组；其余4个养殖池(养殖水体36 m3)则用于对虾室内工厂化流水养殖，作为对照组。各个池底均匀分布4根长度4 m、管径2 cm的纳米充气管，采用罗茨风机进行增氧，控制养殖期水体溶氧质量浓度在6.0 mg/L以上。室内光照通过棚顶采光，光照度1 000～1 500 Lx。循环水养殖系统由养殖池和水处理系统组成，水处理系统由课题组自行设计构建，主要包括履带式微滤机(1.3 kW，青岛海兴智能装备有限公司)、蛋白分离器(0.55 kW，青岛海兴智能装备有限公司)、变频式离心泵(5.5 kW，南通银河水泵有限公司)、生物滤池(可容纳180 m3水体)和紫外消毒器(2.5 kW，青岛海兴智能装备有限公司)，系统工艺流程如图1所示。养殖用水取自青岛市黄岛区近岸海水，经漂白粉消毒和沉淀过滤处理后使用。凡纳滨对虾苗种由青岛卓越海洋集团有限公司培育，试验初期平均体质量为(0.006±0.001)g/尾。

图1 凡纳滨对虾循环水养殖系统工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of RAS for Litopenaeus vannamei

1.2 试验设计

试验组和对照组的凡纳滨对虾初始放养密度均为400尾/m3。试验组循环量为3 h循环1次，每天排污2次(8:00和20:00)，每天补充水量为水体的3%，约为8 m3；对照组各个养殖池第1周不换水，第2周每天补水量为原水体的3%，直至36 m3；第3～6周每天换水2次(8:00和20:00)，每次换水约为水体的20%；第7～12周每次换水量约为水体的30%，换水时间和次数与第3～6周相同。循环水处理系统中生物填料为聚乙烯毛刷填料，由已经完成生物挂膜的养殖系统直接移植。该系统水力停留时间为3 h，即每天8个循环。本试验共进行85 d，在试验过程中投喂天邦牌对虾配合饲料(粗蛋白含量48%)，每天投喂5次，投喂时间分别为6:00、10:00、14:00、18:00和22:00，日投喂量为对虾体重的10%，具体投喂量根据对虾实际摄食量而定。

1.3 测定与计算方法

1.3.1 对虾生长性能

试验结束后排干养殖池水收获对虾。使用游标卡尺、电子天平和电子秤分别测量各养殖池内凡纳滨对虾的生物学体长、体质量和总质量，并分别计算对虾的产量、特定增长率、存活率以及饲料转化率，公式如下：

Y=Yt/V

(1)

G=[ln(Wt)-ln(W0)]×100%/85

(2)

S=Nt/N0×100%

(3)

F=Wf/Wi×100%

(4)

式中：Y—单位水体对虾产量，kg；Yt—各个养殖池收获对虾总质量，kg；V—养殖池有效水体体积，m3；G—特定生长率，%/d；Wt—对虾收获质量，g；W0—对虾初始质量，g；S—对虾存活率；Nt—各个养殖池对虾收获数量，尾；N0—各个养殖池放苗数量，尾；F—饲料转化率；Wf—饲料利用干重，kg；Wi—对虾增加的总质量，kg。

1.3.2 水质指标

1.3.3 去除率和累积率计算

R=(Ci-Ce)/Ci×100%

(5)

A=(Ce-Ci)/Ce×100%

(6)

1.3.4 数据处理

本研究应用SPPS 软件对试验数据进行统计分析、差异显著性检验分析，用t检验计算P值，当P<0.05时为差异显著，P<0.01时为差异极显著。

2 结果与讨论

2.1 养殖系统对对虾生长性能的影响

不同养殖模式条件下凡纳滨对虾的生长性能见表1。RAS与IIFA的对虾最终体重和特定生长率无显著性差异(P>0.05)，但RAS的存活率、饵料转化率和对虾产量均高于IIFA，这表明RAS可提高凡纳滨对虾存活率和养殖产量。

表1 不同养殖模式条件下凡纳滨对虾的生长性能Tab.1 Growth performance of Litopenaeus vannamei in different aquaculture models

注：同行数据上标不同字母表示差异性显著(P<0.05)

对虾循环水养殖系统和生物絮团养殖，凭借节约水资源和绿色安全的优点，受到广泛关注。然而，有关养殖模式对凡纳滨对虾生长的影响结论不一。Ray等[13]认为循环水养殖凡纳滨对虾的生长性能优于生物絮团养殖；但索玉杰等[14]发现在生物絮团养殖条件下凡纳滨对虾的增长率高于循环水养殖，而循环水养殖的增长率又高于常规换水养殖；Otoshi 等[15]研究表明循环水养殖的凡纳滨对虾生长显著低于土池流水养殖。这可能与试验设计以及养殖环境不同有关。然而在本研究中，对比传统IIFA，RAS并未对凡纳对虾生长性能的提升产生显著影响。这表明在试验过程中凡纳滨对虾的生长可能受多因素共同作用的影响，水质条件的改善并不能有效提高对虾的生长性能，制约对虾生长的因素可能还包括水体微生物群落组成等因素。研究表明，循环水养殖系统中紫外消毒器和蛋白分离器的使用能有效降低水体有机物和微生物水平，可能会抑制凡纳滨对虾的生长[16]。因此，养殖模式对凡纳滨对虾生长性能影响的作用机制较为复杂，有待进一步深入研究。

对虾产量是反映循环水养殖系统使用效果的重要指标，而对虾产量一般是由对虾初始放养密度、存活率和终体质量所共同决定的。本研究通过对比IIFA，发现RAS可将对虾养殖产量3.47 kg/m3提升至3.91 kg/m3，进一步验证了RAS在对虾生产实践中是可行的。然而，Davis 等[17]在跑道式循环水养殖系统中凡纳滨对虾养殖100～120 d后单位产量可达10 kg/m3，Reid等[18]在对虾循环水养殖系统高密度养殖中产量达到11.4 kg/m3，对虾产量均高于本研究，这很可能与本试验对虾养殖密度低、系统设计不同有关。这也表明对虾循化水养殖系统可以通过优化系统设计、提高养殖密度的方式增加对虾养殖产量。

2.2 RAS对养殖水体水质的影响

2.2.1 COD变化

在试验过程中，各养殖池的温度、盐度和pH分别稳定在28.0 ℃～30.0 ℃、30.0～32.0和7.8～8.1，而溶氧质量浓度则均高于6 mg/L，对照组和试验组之间未发现显著性差异。图2给出了不同养殖模式下水体COD质量浓度变化。RAS的COD质量浓度随着时间延长略有上升，最高升至5.92 mg/L。然而，对照组的COD质量浓度变化幅度略大。具体而言，第1～15天，COD质量浓度呈现上升趋势，最高升至3.42 mg/L；第15～36天，COD质量浓度在1.96～3.76 mg/L内波动；第37～85天，COD质量浓度再次呈现上升趋势，最高升至15.37 mg/L。

图2 不同养殖模式养殖水体COD的变化Fig.2 Changes in COD of aquaculture water in different aquaculture models

在对虾高密度养殖期间，随着饵料投喂量的不断增加，养殖水体中COD质量浓度也呈现不断上升的趋势[19]。有研究指出COD质量浓度较高是诱发对虾病毒性疾病发生的主要原因[20]。在本研究试验期间，RAS和IIFA的COD质量浓度均呈现上升趋势，而RAS的COD质量浓度上升幅度较小，这与索玉杰等[14]研究结果相一致。根据IIFA的COD质量浓度变化，表明凡纳滨对虾养殖前中期通过换水的方式在一定程度上可以调节COD质量浓度，但在养殖后期，随着对虾饲料投喂量的进一步增加，日换水量60%已不能控制COD质量浓度增长，这与张龙等[21]研究结果相吻合。本研究表明RAS可有效减缓COD质量浓度(<5.92 mg/L)上升的幅度，对有机物的去除具有重要意义，与Raj Boopathy等[22]的研究结果相一致。然而，祁真等[9]发现对虾RAS对养殖水体有机物去除效果并不明显。这种RAS有机物去除能力的差异很可能与设计方法和所使用的水处理设备有关。因此，优化RAS系统设计和选择合适的水处理设备有助于进一步提高RAS去除有机物的能力。

2.2.2 无机氮以及总氮浓度变化

图3 不同养殖模式养殖水体和TN质量浓度变化Fig.3 Changes in mass concentrations of and TN of aquaculture water in different aquaculture models

2.3 养殖系统进出水口无机氮浓度变化

RAS不仅要检测其对凡纳滨对虾生长性能的影响，还要衡量系统的脱氮效率。但由于本试验系统没有配备反硝化设备，无机氮的转化绝大部分依靠硝化反应进行，故养殖废水无机氮处理效果主要通过硝化效率表示。硝化效率一般受诸多水体水质因素(温度、盐度、pH、溶氧、COD等)，底物质量浓度，以及水力停留时间以及生物填料类型等的影响[25]。

图4 循环水养殖系统进出水口 和质量浓度，和 去除率以及累积率Fig.4 Mass concentrations of and in the inlet and outlet of RAS,removal rate of and accumulation rate of

3 结论

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