池塘循环水槽养殖模式研究进展

阴晴朗，罗永巨，郭忠宝，肖俊，周毅，王婧杰，唐瞻杨

（1.上海海洋大学，上海水产养殖工程技术研究中心，上海 201306；2.广西水产科学研究院，广西水产遗传育种与健康养殖重点实验室，广西 南宁 530021）

池塘养殖是我国主要的水产养殖方式之一，2017 年全国淡水养殖面积536.496 万hm2，其中池塘养殖面积252.778 万hm2，占总淡水养殖面积的47%左右；水产品总产量6 445.33 万t，其中养殖产量4 905.99 万t，连续28 年居世界第一位[1]。但随着养殖规模不断扩大，池塘养殖面临着水资源紧缺、病害频发和水产品质量安全等问题，严重影响整个产业的可持续发展[2]。

池塘循环水槽养殖模式（In-pond raceway system，IPRS）是近年来新兴的一种养殖模式，通常在池塘一边建设占池塘总面积1%～3%的“圈养”设施，将苗种投放在养殖单元内，并配备推水增氧设施，形成流水环境，把鱼粪、残饵等推向集污区，对鱼类废弃物进行收集和再利用，达到高产、节水、环保的目的[3]。本文通过综述近年来池塘循环流水养殖模式的研究进展，总结和探讨了池塘循环流水养殖模式的历史、特点和技术关键等，可为建立适用于我国的IPRS 提供参考。

1 池塘循环水槽养殖的历史

国外流水养殖具有多年历史。20 世纪70 年代，养殖人员通过改善鱼类的养殖环境来提高产量，其中就涉及到水槽流水养殖[4]。早期的流水养殖没有合适的推水设备，对地形和水质的要求很高[5]。从20 世纪80 年代起，设计了多种推水装置来解决这个问题，其中包括明轮推水装置和气提水装置[6]。在20 世纪90 年代，流水槽废弃物的清除研究也取得了一定的进展[7]。此后，研究设计了适用于池塘的循环流水养殖系统，在池塘中设置流水槽，水槽外其他水体作为废弃物净化区域，控制流水槽与池塘水体的交换率以提高载鱼量[8]。

我国流水养殖历史悠久，宋朝时期就有利用山泉进行流水养殖的记录[9]。由于流水养殖对地形的要求较高，建国以来大力发展池塘养殖，对流水养殖模式的关注较少，发展较为缓慢。2013 年美国大豆出口协会在我国推广池塘循环水槽养殖，其高产、节水、环保的效果得到了广大养殖者的认可[10]。经过近些年的发展，池塘循环水槽养殖已经在我国多地推广，养殖的物（品）种涵盖了我国大部分的养殖种类。

2 池塘循环水槽养殖的特点

2.1 池塘循环水槽系统的概念

IPRS 将传统池塘“开放式散养”模式创新为新型的池塘循环流水“圈养”模式。在池塘的一侧修建流水槽，流水槽前端设置推水增氧设备，后端设置集污区并配备吸污设备。通过推水增氧设备，在水槽内形成富氧流水环境，为鱼类提供良好的生存环境；流水将水槽内鱼类产生的代谢废物和残饵推向后端废弃物收集单元。池塘其他区域为外池塘净化区，主要作用是净化流水槽中的养殖尾水。外池塘设置辅助推水装置，保证整个池塘水体循环流动。IPRS 整体布局如图1 所示。

图1 池塘循环水槽养殖系统整体示意图Fig.1 Trough structure of IPR

2.2 池塘循环水槽养殖模式与传统池塘养殖模式的区别

在传统池塘养殖中，水体既是养殖对象的生活场所，又是排泄物和残饵的分解场所，也是浮游生物的培育场所，当养殖环境发生改变时，容易造成“养殖动物、浮游生物和水体微生物”之间的生态失衡[11]。IPRS 根据功能分区，单独建设的原理，通过工程技术将池塘分为养殖单元、推水增氧单元、废弃物收集单元、外池塘净化单元。

传统池塘没有尾水处理设施，养殖尾水直接排放到环境中，对环境的污染较大，在进行高密度精养时，用于降解代谢物的水体过少，需要通过大量换水来调节水质[12]。IPRS 在养殖单元尾端设置了废弃物收集单元，利用外池塘大水面净化养殖尾水，提高了废弃物的降解效率，实现养殖尾水循环再利用，减少对环境的破坏。

IPRS 在池塘不同位置设置推水设备，使整个池塘水体处于流动状态，均匀流动的水体能促进藻类生长[13]。藻类的光合作用提高了外池塘水体的净化能力，增加了水体中的溶氧。推水增氧设备在流水槽内形成流水环境，鱼类在适宜的流水环境中能显著提高生长性能和蛋白质合成速率[14]。

在IPRS 中，单位养殖密度远高于传统池塘养殖模式。鱼类在高密度模式下易受到环境胁迫，产生应激反应，影响生长速度和存活率，导致养殖风险增大[15]。传统池塘养殖面积较大，疾病传播速度慢，预留给养殖者处理的时间较长，而IPRS 中养殖单元仅在占池塘面积的1%～3%，全塘鱼类集中在养殖单元中，疾病传播速度快[16]。

2.3 池塘循环水槽养殖系统构建

养殖单元为长方形水槽，是鱼类的生活场所，面积一般不超过池塘的3%。Brown 等[16]在1 口2.34hm2的长方形池塘建造系统总面积490m2，由6条流水槽组成，每条流水槽13.71m×4.88m×1.22m，占池塘总面积的2.1%。陈文华等[17]将4 口池塘改造成1 口总面积为2.13hm2的池塘，设计的IPRS 由2 条22m×5m×2m 和1 条22m×3m×2m的流水槽组成，总面积为286 m2，占池塘总面积的1.4%。倪建忠等[18]在江苏启东设计的池塘循环水槽养殖为1 口池塘和8 个不同面积的蟹养殖池相互结合而成，总面积1.33 hm2，由两个养殖单元为22 m×6m×1.8m 流水槽组成，总面积240 m2，占总池塘面积的1.8%。近年来，国内的流水槽规格为长15～25m、宽3～5m、高2～2.5m，流水槽数量一般为每6 670m2水面建设1 条。

推水增氧单元是核心部分，设置在流水槽前端。早期池塘循环水槽养殖模式的推水单元和增氧单元是分开的，推水单元是明轮装置，设置在水槽前端，增氧单元是曝气装置，设置在水槽的底部，明轮推动水槽内的水体以一定的速度流动，曝气装置为水槽内的水体增氧，在养殖槽内形成具有一定水流、溶氧充足的环境[19]。Masser 等设计的气推水单元，仅需电力就可以推水和增氧。工作原理是利用鼓风机向一排进水管中吹气，使管中水流加速，水体进入养殖单元后产生一定的推水效果，在进水管中空气与水充分混合，为流水槽提供氧气[5]。气推水单元推水效果较差，与之配套的养殖单元规格较小，Masser 等[5]设计的养殖单元为4.57m×1.21m×1.06m，多用于苗种培育。目前大部分推水系统采用气提式推水装置，由鼓风机、微孔曝气管和挡板组成。工作原理是利用鼓风机向微孔曝气管进气，气体向上运动时带动水流向上运动，遇到角度为60°或1/4 圆弧角度的挡板后，溶氧饱和的水流向养殖单元后端运动，在水槽内形成一定的水流速度[20]。气推水装置的推水效果满足国内大部分IPRS 的推水增氧需求。

废弃物收集单元设置在流水槽的后端，主要由集污区和吸污装置组成。养殖单元中的废弃物在水流和重力的双重作用下，向流水槽后端移动，在集污区中沉淀，由吸污设备转移至塘外。废弃物收集方法主要有全流沉积法、静流法、离体式法和异向流斜管沉淀法等。陈文华等[17]设计的系统采用离体式法配合静流法，吸污泵的吸污管道在集污区往返运动，将废弃物移至塘外；也有废弃物收集单元采用在集污区底部连通至一个大沉淀池，利用水位差将废弃物转移至塘外[21]。Masser 等[5]设计的系统采用异向流斜管沉淀法，即在沉淀区内利用倾斜的平行管分割成一系列浅层沉淀层，养殖单元产生的废水在各沉淀浅层中相互运动并分离，用抽水泵抽提分离出来的废弃物。马立鸣等[22]设计的废弃物收集单元采用传输带将集污区底部的废弃物缓慢提升出水面直至排污管道处，用反冲洗的方式，将废弃物冲刷至排污管道中至沉淀池。

IPRS 分为固定式循环流水养殖系统和浮动式循环流水养殖系统。固定式循环流水养殖系统是将整个系统固定在特定的位置，适用于水位稳定的水体。槽体一般采用混凝土结构，结实耐用、方便维护，但修建程序繁琐，混凝土槽体容易划伤养殖鱼类。浮动式循环流水系统是整个槽体（包括推水单元、养殖单元和废弃物收集单元）悬浮在水体中，适用于湖泊、水库等水位不稳定的水体。槽体一般采用玻璃钢、不锈钢等新材料，便于加工、工艺质量可标准化、池塘改造成本低、安装简便、材料可拆卸回收利用和不改变池塘生态环境等[23]。

2.4 养殖种类

国外IPRS 养殖的种类大多为无肌间刺鱼类，如斑点叉尾Ictalurus punctatus，平均饲料系数（Feed conversion rate,FCR）为1.95，平均产量为52kg/m3[6]；斑点叉尾和长鳍叉尾Ictalurus funcatus 进行混养，FCR 为1.36～1.74，平均产量可达20 540 kg/hm2；传统池塘养殖斑点叉尾，平均产量为7 000kg/hm2，FCR 为2.2～3.0[24]。IPRS 养殖系统养殖斑点叉尾能够显著提高养殖产量，减少养殖管理的工作量，提高饲料利用效率。Masser 等[8]利用IPRS 养殖将斑点叉尾和罗非鱼进行混养，斑点叉尾存活率显著提升，并减少了固体废物和含氮化合物的排放。Reid 等[25]利用IPRS 养殖南美白对虾Litopenaeus vannamei。还有一些养殖种类在IPRS中成功养殖，如蓝鳃太阳鱼Lepomis macrochirus、双带黄鲈Diploprion bifasciatum、虹鳟Oncorhynchus mykiss、条纹鲈Morone saxatilis 等。

我国对IPRS 的探索起步较晚，但发展迅速。张家华等[26]利用IPRS 养殖草鱼Ctenopharyngodon idellus，平均产量可达19 230kg/hm2，成活率85%以上。倪建忠等[18]将IPRS 与中华绒螯蟹Eriocheir sinensis 养殖池塘相互结合，利用养蟹池塘中的水草净化养鱼尾水，水草生长又为扣蟹提供隐蔽场所，减少了对环境的污染。马立鸣等[22]利用IPRS 养殖松浦镜鲤，单位耗电率为0.33 元/kg，与传统池塘养殖中平均0.4～0.6 元/kg 的耗电成本相比大幅降低。李振业等[27]用IPRS 养殖大口黑鲈Micropterus salmoides，结果鲈规格较传统养殖模式均匀，每天需要的工作量为传统养殖技术的一半。张林兵等[28]开展了大口黑鲈、太阳鱼Lepomis gibbosus、花鲈Lateolabrax japonocus 等多种鱼类IPRS 养殖，解决了不同养殖鱼类食性和习性的差异，实现了单个池塘养多种鱼。陈凌云等[29]利用IPRS 养殖草鱼，在外塘进行休闲垂钓，实现了池塘循环水槽养殖+休闲农业的新型养殖模式，取得了健康、经济、高产、高效的养殖结果。

3 池塘循环水槽养殖的技术关键

3.1 水流速度

IPRS 通过推水设备在水槽内形成流水环境。在流水环境中，大多数鱼类具有溯流习性[30]，适当水流速度能促进鱼类的摄食[31]、生长[32]，影响形态结构[33]和生理指标[34]等。水流速度过快会导致鱼类无氧代谢增加，超过一定水平时会产生乳酸，当鱼肉中乳酸含量过多时，pH 会发生改变，影响肌肉品质[35]。研究表明，在0.75～2dl/s（体长/秒）水流速度下，鱼体的生长速率和饵料转化率会显著提高[36]。

水流速度影响水槽的清洁度。研究表明，要保持养殖单元的清洁，水流速度在0.1m/s 以上[37]。Soderberg 等[38]研究发现，流水槽的流水速度不能低于0.033m/s，否则代谢废物和残饵会沉积在水槽后端。部分鱼类在鱼种时期持续运动速度小于0.1m/s。因此，利用池塘循环水槽养殖模式进行养殖活动时，既要考虑鱼类游泳的最优游泳速度，又要考虑废弃物的收集效率，即在鱼类最优游泳速度和养殖水槽环境的清洁度之间选择一个平衡值。

3.2 养殖密度

养殖密度是IPRS 生产过程中重要的生产管理要素。增加养殖密度可以提高流水槽单位水体产量，然而盲目增加养殖产量，会导致鱼类生长速度减慢，养殖风险增加；而养殖密度过低，则会导致资源利用率降低，养殖效益减少。

养殖密度受到流水槽载鱼量的影响。提高流水槽的水流速度，加快流水槽与外池塘水体的交换率，能够提高流水槽的载鱼量[8]。但流水槽内的水流速度受到养殖鱼类游泳速度的限制，不能无限增加，流水槽的载鱼量存在上限。

养殖密度受到鱼类福利水平的影响。鱼类在生长发育过程中对环境依赖性较强，易受外部环境的影响。养殖密度不合理，会导致鱼类长期处于应激胁迫中，影响鱼类的福利水平。养殖密度过高会影响鱼类的摄食、饵料转化效率和生长[39-41]。鱼类长期处于拥挤胁迫下，免疫系统会受到抑制，抵御病原体入侵的能力减弱，养殖风险增大[42,43]。

养殖密度受到养殖成本和效益影响。IPRS 较传统池塘养殖模式，养殖成本相对较高。利用池塘循环水槽养殖模式养殖斑点叉尾，每磅的电力成本是0.051 美元，而传统池塘养殖每磅的电力成本为0.038 美元[44]；利用池塘循环水槽养殖草鱼，每产出1kg 鱼的耗电量为0.78 度，传统池塘养殖约为0.35度[17]。因此，需要在不影响鱼类福利水平的前提下，提高养殖密度，增加单位水体产量，增加养殖效益。

3.3 废弃物处理

在IPRS 中，对废弃物的处理依靠养殖单元后端集污槽及吸污装置的抽提分离和外池塘大水面的自然净化。

推水装置产生水流将粪便和残饵等废弃物冲到流水槽后端，利用重力使之自然沉淀在集污槽，再通过吸污装置将废弃物抽提转移出池塘。废弃物在水体中时间越长，对水体的污染越严重，蒋艾青等[45]研究表明，鱼类残饲和排泄物在水体中超过8～12 h，水质恶化速度加快。根据养殖鱼类的摄食节律确定吸污设备的开启时间，减少废弃物在水体中的存留时间，降低废弃物对水体的污染。自然沉降法主要针对的是固体悬浮物密度略大于淡水（1.005～1.2）的颗粒，不同固体悬浮物的密度差影响沉降速度[46]。养殖单元中鱼类的剧烈活动显著加快了固体悬浮物的分解，降低固体悬浮物的直径，减缓沉降速度，导致集污槽和吸污装置的效率降低[47]。

外池塘净化区的自然净化对废弃物的处理起重要作用。为提高外池净化区的自净能力，Masser在流水槽出水口后侧投放了几种淡水贻贝；Brown在外池塘套养罗非鱼Oreochromis spp 和匙吻鲟Polyodon spathula，具有一定的净化水质效果，也提高了池塘的整体效益。国内最常见的是在净化区套养鲢Hypophthalmichthys molitrix 和鳙Aristichthys nobilis 等滤食性鱼类提高水体自净能力；在净化区种植水生植物也能起净化水质的作用。陈家长等[48]研究发现，在养殖池塘内搭建空心菜浮床，能改善水质，促进水体物质循环，提高池塘的自净能力；也有利用水生植物和滤食性鱼类的组合来提高净水能力。在净化区搭建浮床种植空心菜、水葫芦等，放养花白鲢等，通过滤食性鱼类的消耗和水生植物的吸收，去除生产单元产生的废弃物，达到净化水质的作用[49]。

4 对池塘循环水槽养殖模式的几点思考

4.1 系统优化

目前对推水增氧单元的水流特性、流场分布等参数未能量化；推水设备运行过程中，空气气泡在水中的大小、分布、上升路径、存在时间以及溶氧与空气气泡的关系等缺少研究。因此，需要采用流体力学的研究方法，分析不同角度挡板水槽中水体的流场、流速等动力学指标，构建养殖水槽空载时的水流特性，挑选最佳挡板的角度，尽可能节约推水动力，降低养殖成本。

鱼类粪便和残饵等废弃物在沉降过程中，受到鱼类活动影响，沉降速率下降，集污槽回收效率降低。在推广过程中发现，养殖后期或多或少会出现水质恶化现象，给养殖者带来巨大的经济损失。因此，需要改良废弃物回收装置，提高系统的自净能力。研究废弃物在流水中的沉降，明确废弃物形态与沉降的关系，建立模型，为排泄物收集单元的尺寸优化提供科学依据；在外池塘净化区，利用水培植物和滤食性鱼类的组合调控水质，提高外池塘水体的自然净化能力。

4.2 完善养殖管理

定期检查设备运行情况。IPRS 用电设备较多，包括推水增氧设备、吸污设备和外池塘推水设备等，推水增氧设备需要24h 运行，对电力的需求较高，需要定期检查设备及其输电线路，保证用电设备正常运行。加强疾病防控，定期消毒。IPRS 单位养殖密度远高于传统池塘养殖，且鱼类比较集中，传播速度快，需要无病预防，有病及时治疗。目前国内的研究方向主要集中在养殖品种的适应性研究方向，关于养殖管理方面的探索较少。在日常养殖管理方面，如投喂次数、投喂量和投喂方法，吸污装置的开启时间和持续时长，药物消毒的方式和浓度等，仅依靠养殖者经验，没有一套科学合理的养殖管理方法。养殖种类间差异较大，不能完全照搬国外的管理方法，应尽快研究出与我国养殖对象相配套的管理方法。

4.3 系统综合利用和效益提高

IPRS 的运行除需要较大的固定资产投入外，还需要较高的电力成本投入，再加上系统的设计有待优化完善，相关设备使用效果不佳，造成系统生产投入较高等问题。近年来，大宗鱼类的价格偏低，很多水产养殖企业利润偏低，如何降低生产投入，提高养殖效益，是推广IPRS 的关键。存活率过低也制约IPRS 的效益。对养殖单元载鱼量的研究较少，在推广过程中，盲目追求高产，放养密度过高，导致我国池塘循环水槽养殖的存活率普遍较低。因此，需要进一步研究，确定我国主要养殖种类的合理密度，提高池塘循环水槽养殖模式的存活率。外池塘净化区除用于净化养殖水体外，可以考虑其他用途，提高净化区的产出效益，在净化区作业时，制定合理的养殖计划，避免整个系统处于满负荷运转状态。

总的来说，IPRS 能实现养殖水质净化和废弃物的循环再利用，具有明显提高养殖产量、改善水产品品质、简化养殖管理和提高养殖效益等优势，符合我国水产养殖业健康养殖、可持续发展的理念，是未来最具潜力的池塘养殖模式。