湖南池塘工程化循环水养殖系统水质监测及其变化规律研究

■ 程小飞，向劲,2，李金龙，苏东旭，薛天翔，宋锐＊，伍远安＊

(1 湖南省水产科学研究所，长沙 410153；2 湖南省水产原种场，长沙 410153）

根据《2018年国民经济和社会发展统计公报》数据显示，中国2018年全年水产品产量6,469万t，其中，养殖水产品产量5,018万t，占水产品总产量的77.57%。淡水养殖总面积5,364.96千公顷。其中，池塘养殖面积2,527.78千公顷。池塘养殖仍是中国淡水养殖的主要方式，其产量占淡水养殖总产量的70%以上。我国渔业的快速发展，为保障国家食物安全、促进农渔民增收和经济社会发展作出了重要贡献。我国的水产养殖业不但对国内水产品产量起着主导地位，且对全球水产养殖业的贡献和发展也占据重要地位。但是，随着我国居民对水产品需求和消费量不断增加，我国水产养殖尤其是淡水养殖业进入发展快车道，在快速发展同时，我国淡水养殖业存在水土资源缺少、养殖水环境污染日趋严重、养殖设施简陋、池塘生产力逐年下降、养殖户收入减少等问题也逐渐突显出来，研究开发及推广新的养殖模式迫在眉睫。

池塘工程化循环水养殖模式，俗称跑道鱼模式，是美国大豆出口协会从2013年开始在中国推广，国家水产技术推广总站在2018年将其作为主要推广模式之一，在全国范围内的推广应用的现代化养鱼模式。它将传统池塘开放式“散养”模式创新为新型的池塘循环流水“圈养”模式，通过在养鱼槽内集中养殖吃食性鱼类来控制粪便排泄范围 ，并收集鱼类的排泄物和残饵，实现沉淀集中与处理利用，是水产养殖理念的又一次革新。湖南是传统水产大省，有悠久的渔业发展史，水产种质资源丰富、技术力量深厚，在积极落实农业供给侧结构性改革和乡村振兴战略、推进新一轮产业转型升级过程中，水产业发展迎来了新的机遇与挑战，近几年省内已有多家水产养殖企业开展池塘工程化循环水养殖，然而相关经验和数据的积累却鲜有报道。本文拟通过对该系统一个养殖周期内不同区域的水质监测，为池塘工程化循环水养殖模式在湖南的推广应用提供水质方面的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 池塘条件

养殖基地位于湖南省长沙市望城区书堂山村，现有水面约358亩，其中工程化循环水养殖系统所在池塘面积约190亩，其它净化水质池塘168亩。流水槽系统建设面积占池塘总面积约4.1%。

基地已建成标准化流水槽40条，于2018年初投入使用，进行养鱼水槽24条。

表1 不同监测点全年溶解氧含量在各区间的频次（单位：次）

表2 不同监测点全年溶解氧含量在各区间的频率（%）

1.2 流水槽构造

水槽净宽为5m，长度26m，其中22m为养殖区，前端1m为推水区，末端3m为集污区，水槽深2.7m。

1.3 养殖品种

2018年流水槽主要养殖品种有加州鲈、芙蓉鲤鲫、草鱼、斑点叉尾鮰、鳊鱼；大湖放养品种主要是鲢鱼、鳙鱼等。

1.4 系统基本构成

该基地池塘内循环微流水生态养殖系统主要包括增氧推水设备、流水养鱼池、集污系统、污水处理系统、水质监测系统、底层增氧设备及拦鱼栅、备用发电机、起捕设备等辅助设备。

1.5 采样点设置

根据系统水流特点及流水槽养殖品种不同，共设置8个具有一定代表性的常规监测点，其中流水槽设置5个点（在每个流水槽监测点的上游、中游、下游分别采样），大湖设置3个点。分别为5#水槽（草鱼）、16#水槽（鲫鱼）、20#水槽（鲈鱼）、24#水槽（鲫鱼）、26#水槽（空槽对照），大湖上游净水区、大湖下游过虑区、大湖中游过水区，如下图1所示。一般在水下30～50cm采样，每个采样点取3 个平行水样。采样时间为 2018年3月～2019年3月，每月上旬、中旬、下旬各1次以上，一般为 09:00～15:00。

1.6 水质检测指标及设备

水温（美国维赛YSI ProPlus型多参数水质测量仪，美国哈希HQ40d 便携式水质分析仪）；溶解氧（美国维赛YSI ProPlus型多参数水质测量仪，美国哈希HQ40d 便携式水质分析仪）；pH值（美国维赛YSI ProPlus型多参数水质测量仪，HQ40d 便携式水质分析仪）；氨氮（美国维赛YSI ProPlus型多参数水质测量仪，北京桑普水博士水质分析试剂盒）；亚硝酸盐（北京桑普水博士水质分析试剂盒）；硫化物（北京桑普水博士水质分析试剂盒）；透明度（透明度盘）；流速（厦门博意达科技股份有限公司LSH10～1A型手持式超声波多普勒流速仪）

1.7 数据分析

采用excel 2007对数据进行处理分析，结果以平均值±标准差表示（mean±SD）。

2 结果与分析

2.1 水温

各监测点一个养殖周期内的水温变化情况，如图2所示。

3～4月份水温逐渐升高，从15℃升高至22℃以上，其中4月中旬有次降温过程，降温幅度高达3℃；5月份水温波动较大，水温升降反复，但都高于24℃，进入6月份水温趋于稳步升高，从25℃升高至30℃以上；7月份水温继续稳步升高，从31℃升高至全年最高温34℃ 以上；8月份水温开始回落，从33℃降低至30℃；9月份水温逐步下降，从32℃降低至24℃，尤其9月底有次强降温过程，相对于9月中旬以前的水温，本次降温幅度高达5℃；10月份水温继续逐步下降，从23℃降低至19.5℃，10月下旬水温在20℃附近波动；进入11月份，水温开始直线下降，从20℃降低至14℃。12月，水温继续下降，由12℃左右降至8.5℃。

同一时间不同监测点的水温基本相同，全年不同监测点水温的变化曲线也基本重合；从水温监测数据得知，3月～5月水温波动较大，易出现水温骤降现象，鱼病多发，需注意多加防范，在此期间不宜大量投喂饲料；该系统各养殖鱼类的最适水温及快速生长期主要集中在6月～10月，在此期间可以适当增大投饲量，保证养殖鱼类快速生长对营养物质的需求。

2.2 溶解氧

养殖系统各监测点全年溶解氧水平，如图3所示：养殖系统不同监测点（流水槽和大湖）全年溶解氧含量的变化曲线基本一致，即同一监测点的溶解氧含量在不同时间段差异较大，而同一时间段的不同监测点溶解氧含量差异较小；总体上看，大湖的净水区溶解氧含量高于过滤区和过水区，而过滤区和过水区溶解氧含量差异较小。不同流水槽监测点，在同一时间段采样，16#鲫鱼槽溶解氧含量多数时间低于其他流水槽，且流水槽溶解氧含量与其养殖密度呈现负相关。

如表1所示，一个主要养殖周期（3月～11月，9个月）共采样37次，累计采集数据296个，其中不同监测点溶解氧含量小于3mg/L的次数为13次，4mg/L以下出现次数为49次，最多的是16#鲫鱼槽，大于5mg/L出现次数最多的是大湖的上游净水区。同一时间，因不同流水槽的养殖品种、规格大小、放养密度、推水流速等差异，其溶解氧含量有较大差异。

如表2所示，流水槽全年溶解氧含量大于5mg/L的次数占监测总次数的比例为52.96%，3～5mg/L占比为41.63%，3mg/L以下占比为5.41%；大湖全年溶解氧含量在大于5mg/L的次数占监测总次数的比例为61.26%，3～5mg/L占比为36.04%，3mg/L以下占比为2.70%。

养殖水体中的溶解氧含量一般应保持5～8mg/L，至少应保持在4mg/L，才不影响鱼类的正常摄食和生长；轻度缺氧时，鱼虾表现烦躁不安，呼吸加快，大多集中在表层水中活动，个别浮头；重度缺氧时，大量鱼虾浮头，并张口大量吞气，游泳无力，甚至死亡。该养殖基地整个养殖系统溶解氧含量低于3mg/L的次数占总监测次数的4.39%，3～3.99mg/L次数占总监测次数的16.55%，4mg/L以上的次数占总监测次数的79.06%，夏秋季节也出现溶氧3mg/L以下，甚至2mg/L以下。《渔业水质标准》中规定，溶解氧连续24h中，16h以上必须大于5，其余任何时候不得低于3，对于鲑科鱼类栖息水域冰封期其余任何时候不得低于4。因此本系统的溶解氧含量大部分时间是符合渔业水质标准，但在夏秋季节仍需提高系统溶解氧含量。

2018年用于养殖的水槽有24个，占已建成水槽总数的60%，且已用于养殖的水槽放养密度均不大，其中鲈鱼槽放养最大密度是7.935kg/m³（17#槽），鲫鱼槽放养最大密度是7.77kg/m³（16#槽）。鉴于2018年该养殖基地的流水槽未全部投入使用及已经使用的流水槽均没有进行高密度养殖，在此条件下，根据溶解氧监测数据显示，仍有20%溶解氧含量低于3，甚至2以下，因此如果需要在现有养殖规模基础上，增加投入使用新的水槽，或已经使用水槽中增加养殖密度需要慎重考虑和科学评估，整个系统的溶解氧含量是必须考虑的重要因素之一。虽然可以通过底部增氧或者开大功率的鼓风机加大流速来改善水槽溶解氧含量，但经过试验，在水槽溶解氧饱和度较低的情况下，打开底部增氧设备或者开启最大功率的鼓风机加大流速1h后仅能提高1mg/L的溶解氧含量。因此为了不影响鱼类的正常摄食和生长，为了降低饵料系数和取得较好的养殖效益，仅仅通过底部增氧或者开大功率的鼓风机加大流速来改善水槽溶解氧含量，这些还不够。

笔者建议：水槽外围的大湖放养吃食性鱼类的密度要降低；大湖四周增加推水设备使湖水流动起来或者增氧设备；核实流水槽外围水域的面积，确保投入使用水槽面积占养殖基地水面的比例不大于5%，如果超过5%，应该减少投入使用的水槽数量或减小放养密度；注重培育大湖水质，增加浮游植物和水生植物的数量。

2.3 pH值

pH值是水质的重要指标，对鱼虾的高产稳产具有重要作用。通常将养殖水体pH值作如下划分：强酸性≤3；酸性3～5；弱酸性5～6.5；中性6.5～7.5；弱碱性7.5～8.5；碱性8.5～9.5；强碱性＞9.5。我国渔业水质标准规定养殖水体的pH值范围为6.5～8.5，即中性和弱碱性，7.5～8.0是养殖和繁殖阶段的高产pH值。

如图3和图4所示，整个监测周期（3月～11月），全养殖系统（流水槽和大湖）pH值在6.5～8.5之间，符合渔业水质标准（6.5～8.5）。其中3月份pH值较高的原因是系统刚建成投入使用不久，水泥池壁碱性较强；4月初至6月中旬，多数监测点pH值在6.5～7.5之间，呈中性；6月底至11月底，多数监测点pH值在7.5～8.0之间，呈弱碱性。

2.4 氨氮

养殖水体氨的来源：有养殖鱼虾的排泄物、残饵、浮游生物残骸等分解后产生的氮大部分以氨的形式存在；水体缺氧时，硝酸盐、亚硝酸盐等还原成氨；鱼虾的鳃和水体浮游生物在生活过程中存在旺盛的泌氨作用，是水体氨的又一个来源，且养殖密度加大，泌氨作用也大幅度提高。水体中的氨态氮以分子氨NH3和离子氨NH4+两种形式存在，其中分子氨NH3对鱼类有很强的毒性，而离子氨NH4+不仅无毒，还是水生植物较容易吸收的无机氮源

分子氨浓度较低时，如低于我国渔业水质标准规定值（≤0.02mg/L）时，不会影响鱼虾的生长、繁殖；分子氨浓度介于0.02～0.2mg/L时，虽浓度轻度偏高，但仍在鱼虾可忍受范围内，一般不会导致鱼虾发病，对养殖鱼虾的生长无影响；分子氨浓度介于0.2～0.6mg/L时，对鱼虾有轻度毒性，易造成细胞和组织的损伤和感染，导致发病；分子氨浓度≥0.6mg/L时，对鱼虾毒性较大，在高温高密度养殖条件下，极易导致鱼虾中毒、发病，甚至大批死亡。鲫鱼分子氨的安全浓度为≤0.25mg/L，草鱼、鳊鱼、鲢鱼、鳙鱼分子氨的安全浓度为≤0.3mg/L。养殖水体分子氨浓度一般要控制在0.60mg/L以下；温度越高、pH值越高，分子氨占氨氮的比例也越高（例如35℃，pH值8.0，分子氨占总氨的比例11%）。

养殖系统不同监测点的氨氮含量随季节变化情况，如图6所示：同一时间段，不同监测点氨氮浓度基本一致；同一监测点，在不同时间段的氨氮浓度不尽相同。整个养殖周期，用试剂盒测试各监测点的氨氮浓度为0.10～0.60mg/L，其中10月中旬以前基本低于0.20mg/L，而10月中旬以后氨氮浓度有所升高，最高也不超过0.60 mg/L。经计算全年分子氨浓度低于渔业水质标准（≤0.02mg/L）。（氨氮浓度最高出现在11月13日，YSI水质分析仪探头测对应的是1.40～1.60mg/L，按最高1.60mg/L计算，当时水温16摄氏度，pH值7.4～7.6，查询得知分子占氨氮比例为0.9%，计算分子氨的最大浓度我0.0144mg/L）

2.5 亚硝酸盐

养殖系统不同监测点的亚硝酸盐含量随季节变化情况，如图7所示：流水槽和大湖各监测点的亚硝酸盐含量变化曲线基本一致，在3月～6月，各监测点的亚硝酸盐含量均在0.2mg/L以下；7月～8月各监测点的亚硝酸盐含量均在0.2mg/L～0.4mg/L之间；9月份各监测点的亚硝酸盐含量降低至0.05mg/L以下；10月份各监测点的亚硝酸盐含量再次升高至0.2mg/L～0.4mg/L之间；11月份各监测点的亚硝酸盐含量又降低至0.10mg/L以下。

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一般情况下，正常养殖水体中亚硝酸盐含量低于0.1mg/L，鱼及水生动物在此条件下能够自由的生活，不会造成任何健康损害；当养殖水体亚硝酸盐含量在0.1～0.5mg/L期间并长期维持这一水平时，会造成慢性亚硝酸盐中毒，表现为摄食量下降，呼吸困难，行动缓慢，骚动不安等；当养殖水体亚硝酸盐含量大于0.5mg/L时，鱼虾中毒加剧，体力衰竭，游泳无力，臀部底面呈黄色，某些代谢器官衰竭，情况严重将导致死亡；亚硝酸盐的毒性依养殖品种和个体差异而不同，为确保养殖安全，亚硝酸盐含量应控制在0.2mg/L以下。

因此本系统的亚硝酸盐含量在春冬季节符合渔业水质标准，而夏秋季节，尤其是7月、8月、10月这三个月多数情况其亚硝酸盐含量是超标的，影响养殖鱼类的正常摄食及生长。养殖水体中的氨在溶氧充足的条件下，经过亚硝化细菌作用，逐步氧化生成亚硝酸盐（亚硝化作用），亚硝酸盐在细菌的进一步作用下转化为硝酸盐（硝化作用）。硝化作用一旦受阻，就会引起硝化细菌的中间产物亚硝酸盐在水体中大量积累。亚硝酸盐含量受氨含量、溶解氧含量、pH值及水温影响，其中氨含量越高、溶解氧含量越低、pH值越低及水温越低，则亚硝酸盐含量越高。而本系统在7月、8月、10月这三个期间，其氨含量较低、pH值呈弱碱性、水温也较高，而在此期间溶解氧含量却较低（多数在4mg/L以下），因此能有效降低亚硝酸盐含量的方法主要是增加整个系统中溶解氧含量，其次也可以增加吸底污的频率减少系统中氨的含量，另外换水或加注新水也是方法之一，但在夏秋季节水源较匮乏，不便实施。

2.6 硫化物

养殖系统不同监测点的硫化物浓度，如图8所示：整个养殖周期在3月～11月，硫化物浓度均小于0.02mg/L(试剂盒测试)，远低于渔业水质标准中规定（0.2mg/L）。

养殖水体中硫化物有两个主要来源。

一、土壤岩层硫酸盐含量高、大量使用高硫燃煤地区的雨水及地下水中含量大量的硫酸盐，这些硫酸盐溶解进入水体后，在厌氧条件下，被存在于养殖池底的硫酸盐还原菌分解而形成硫化物。

二、残饵或粪便中的有机物在厌氧细菌的作用下分解产生硫化物。

可溶性硫化物与泥土中金属盐结合形成金属硫化物，致使池底变黑，这是硫化物存在的重要标志。硫化物的毒性主要是指硫化氢（H2S）的毒性。硫化氢是一种带有臭鸡蛋气味的可溶性气体，是水产动物的剧毒物质。我国渔业水质标准中规定硫化物的浓度（以硫计）不超过0.2mg/L。这对常规养殖的鲤科鱼类是安全的，但对某些特种养殖及苗种培育，养殖水体中有毒H2S的浓度应严格控制在0.1mg/L以下。硫化物在水中通常以H2S和HS-两种形式存在，S-的含量极微。常温下，pH值＞9时，硫化物98%以上都是以HS-的形式存在，毒性较小；pH值＜6时，90%以上的硫化物以H2S形式存在，毒性很大；pH值=7时，H2S和 HS-各占一半；当水体pH值=6～9时，随着水体pH值的增高，H2S的毒性逐渐减小。

2.7 透明度

本养殖系统不同监测点的透明度全年变化情况，如图9所示：流水槽和大湖不同监测点的透明度大小随时间变化曲线基本一致；在同一时间，大湖的透明度大于流水槽的透明度；各监测点3～5月份透明度随时间逐渐减小（65～24cm），6月份透明度在28～42cm之间波动，7月～11月份透明度在20～35cm之间波动。

系统透明度3～5份变化较大是因为早期蓄水后系统内的生态系统没有形成，浮游植物和水生植物较少，造成透明度较高，夏、秋季浮游生物繁殖快，透明度低逐渐降低；另外，刮风、下雨时有波浪，水中泥沙泛起，透明度低；无风、晴天时，透明度高。因此透明度大小不仅能影响水中浮游植物的光合作用，而且还能大致反映水中饵料生物丰欠和水质肥度。一般养殖水体的透明度在20～40cm最好为30cm。因此，本系统的透明度基本符合养殖水质标准。

2.8 流速

养殖系统不同监测点的流速变化曲线，如图9所示：大湖不同监测点的流速变化曲线基本一致，而流水槽各监测点的流速变化曲线各不相同；同一个时间段，其中大湖的流速要大于流水槽的流速，空白池的流速小于其他养鱼流水槽的流速；同一个监测点，在不同时间段的流速有一定波动。同一个流水槽，一般情况下上、中、下游流的速依次递减，典型递减规律大致为：上游流速（100%）＞中游流速（60%）＞下游（50%）流速。

大湖上游净水区的流速在0.04～0.296m/s，大湖中游过水区0.019～0.256m/s，大湖下游过滤区0.031～0.340m/s；5#流水槽的流速在0.02～0.13m/s；16#流水槽的流速在0.036～0.114 m/s；20#流水槽的流速0.025～0.08m/s；24#流水槽的流速在0.031～0.133m/s；26#流水槽的流速在0.007～0.075m/s；

进入12月份，水温8.5～12℃期间，整个系统可以视天气、投饲、水质状况适当关闭底部增氧设备和鼓风机流速设备，而不影响系统整体溶解氧含量。

大湖的流速受风力的影响，而流水槽的流速主要由鼓风机的工作效率决定；当水体溶解氧未达到饱和时，流速越大，其溶解氧水平越高；该系统配备4台功率不同罗茨鼓风机，可根据流水槽中鱼的品种、规格、数量及活动等状况开启最大一台或最小一台，或同时开启多台，进行流速调整；每个流水槽也有4个阀门，可根据需要控制进入每个流水槽的流速；另外流水槽还配备底部增氧系统，根据需要可以配合罗茨鼓风机的开启或关闭。因此整个养殖系统流水槽的流速是可以根据需要进行调控。

3 讨论及结论

杨显祥等（2017）的研究结果相似，池塘工程化循环水养殖模式作为一项新兴的水产养殖模式，可以使池塘水体处于循环流水状态，促进养殖系统槽内、外水体的交换和整个养殖水体上、下层的交换，从而保持养殖水体pH值的稳定性，增加整个水体的溶氧，尤其可以使水槽内上、中、下水层的溶氧趋于均匀，提前偿还底部“氧债”，促进槽内养殖动物的生长；不仅如此，该系统还可通过在流水槽末端定期吸污及过滤区设置水上浮床等方式，降低水体中氨氮、亚硝酸盐等有毒有害物质的含量，控制总氮、总磷等富营养化指标的浓度，降低养殖风险。

通过对池塘工程化循环水养殖系统一个养殖周期的水质监测，基本掌握了该系统不同监测点全年水温、溶解氧、pH值、氨氮、亚硝酸盐、硫化物及流速的变化规律，为新型养殖模式在湖南地区的推广应用提供数据支撑。