池塘工程化循环水养殖系统水质调控技术研究

蒋阳阳 李海洋 崔凯 吴明林 汪翔 魏泽能 叶晓明 王林

摘要：在池塘工程化循环水养殖系统内采用种草移螺、设置生态基及移动式太阳能水质调控机等水质调控技术，在养殖季节5—9月份，每周检测试验池塘水体水温、溶氧量（DO）、pH值、透明度（SD）、总磷（TP）含量、总氮（TN）含量、氨氮（NH+4-N） 含量、亚硝酸盐氮（NO-2-N） 含量、重铬酸钾指数（CODCr）等理化指标，分析水质状况。结果显示：DO达到地表水环境质量Ⅲ类标准;pH值符合地表水环境质量标准要求;TP质量浓度超过地表水环境质量Ⅴ类标准，达到淡水池塘养殖水排放要求一级标准;TN质量浓度分别达到地表水环境质量Ⅴ类标准、淡水池塘养殖水排放要求一级标准;NH+4-N质量浓度达到地表水环境质量Ⅱ类标准;NO-2-N质量浓度达到地表水环境质量Ⅰ类标准;CODCr质量浓度达到地表水环境质量Ⅴ类标准。研究表明：在池塘工程化循环水养殖系统中使用水质生物及物理调控技术，可以使整个池塘养殖水体循环利用或者达标排放。

关键词：池塘工程化循环水养殖;水质理化指标;水质调控技术

中图分类号：S964.3 文献标志码： A文章编号：1002-1302（2021）02-0131-08

收稿日期：2020-03-19

基金项目：现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-45、CARS-46）;安徽省科技重大专项（编号：18030701169）;安徽省农业科学院创新团队（编号：2020YL040）;安徽省现代生态农业产业化示范市县（巢湖市）创建项目。

作者简介：蒋阳阳（1987—），男，安徽天长人，硕士，助理研究员，主要从事水产动物营养与饲料研究。E-mail：kyyang1987@163.com。

通信作者：李海洋，研究员，主要从事池塘养殖及大水面增养殖研究。E-mail：362236148@qq.com。

由奥本大学和美国大豆协会设计的池塘内循环流水养殖系统（in-pond raceway system，简称IPRS）在我国得到了较大的推广应用[1-2]。该模式将池塘2%～5%的面积作为推水养殖区，剩余 95%～98%的面积作为生态净化区。通过设施工程化改造，在池塘中建设流水养殖槽，将鱼类养殖在水槽中。利用气提式增氧推水设备为养殖槽提供高溶氧水流，在养殖槽内集中养殖吃食性鱼类，在养殖槽尾部安装吸污设备，收集鱼类的排泄物和残饵，通过沉淀池集中处理利用，结合外围池塘水体净化，实现养殖周期内养殖尾水循环利用或者达标排放[3-4]。

自2014年，在江蘇省苏州市吴江区平望镇建立第一套IPRS以来，该养殖模式迅速发展。截至2017年年底，安徽全省已建设71个IPRS示范点，流水养殖槽246 条，推广应用面积达547 hm2[5]。虽然该养殖系统配备了自动吸污设备并设置外围水质净化区域，对养殖水环境影响已有相关研究[6-7]，不过有关此系统养殖水质调控技术研究报道较少。本试验通过在IPRS内采用水质生物及物理调控技术，定期检测养殖水体的理化指标，以科学评价水环境变化，以期为IPRS水质调控技术提供参考和借鉴。

1材料与方法

1.1试验池塘与材料

试验于2017年在国家大宗淡水鱼产业技术体系合肥综合试验站巢湖示范县的巢湖市江坤水产生态养殖专业合作社实施。

试验池塘基本情况：池塘水体面积为2.67 hm2 近似四方形，水深1.7 m，建有流水养殖槽5条（规格：长5 m×宽22 m×深2 m），配备气提式推水增氧设备和自动吸污设备。2016年12月21日—2017年3月4日，按不同品种和规格先后在5条流水养殖槽中放入草鱼、异育银鲫“中科3号”、三角鲂等品种的鱼，放养品种和数量分别为：1号槽：草鱼2 200 kg;2号槽：草鱼2 700 kg;3号槽：中科3号1 200 kg;4号槽：中科3号1 300 kg;5号槽：三角鲂2 000 kg。由试验基地工人负责日常投喂及管理工作。

1.2水质调控技术方案

于2017年2月，在试验池塘四周沿岸和中间挡水埂两侧分别移栽宽2 m的伊乐藻，面积约 1 400 m2。2017年3月4日，在试验池塘生态净化区放养体长20 cm的鲢鳙鱼共计1 350尾（鳙鱼、鲢鱼数量比例约为 1 ∶2）。2017年3月25日，在试验池塘内安装1台移动式太阳能水质调控机（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所研发，型号：YJ-T-01），于光照充足情况下正常运行。2017年3月26日，在试验池塘生态净化区放养螺蛳1 200 kg。2017年4月20日，在试验池塘内设置5条生态基（中国水产科学研究院珠江水产研究所研发），每条生态基长100 m，共计500 m。

1.3水样采集与分析

从2017年5月2日开始，每7 d采集1次水样，采样时间10：00左右。试验于2017年9月26日结束，期间共采集水样22次。

试验共设5个采样点，分别在流水养殖槽前端、2号养殖槽、流水养殖槽后端、试验池塘右侧和左侧（图1）。采集水面向下50 cm处、池底向上50 cm处的混合水样，测定水质理化指标。水温、溶解氧（DO）、pH值采用HQ40D型便携式水质分析仪测定，测定点为水面下50 cm处，透明度（SD）采用塞氏盘测定;总磷（TP）、总氮（TN）、氨氮（NH+4-N）、亚硝酸盐氮（NO-2-N）、重铬酸钾指数（CODCr）使用美国哈希DRB200型消解器、DR900型便携式多参数比色计按照哈希快检法现场测定，其中总磷（TP）含量采用消解-抗坏血酸法测定，TN采用过硫酸盐氧化法测定，NH+4-N采用水杨酸法测定，NO-2-N采用重氮化法测定，CODCr采用消解比色法测定。具体检测原理及方法以哈希公司编著的《水质分析实用手册》[8]为参考。检测数据参照GHZB 1—1999《地表水环境质量标准》[9]、GB 3838—2002《地表水环境质量标准》[10]、SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》[11]等相关标准指标对比分析。

1.4数据处理

使用Excel 2010软件对试验数据进行统计与分析。

2结果与分析

2.1气温、水温变化

安徽省巢湖市（117°00′～118°29′ E、30°56′～32°02′ N），地处北亚热带湿润季风气候区，具有明显的季风性气候特征：气候温和，冬寒夏热，四季分明;光照充足，雨水适量，热量条件较好。由图2可见，试验期间平均气温28.6 ℃;各采样点水温无明显差异，为20～34 ℃，试验期间平均水温26.6 ℃。

2.2溶氧量、pH值、透明度变化

通过对5个采样点2017年5—9月监测发现，DO整体处于下降趋势（图3）。采样点1～5 DO平均值分别为6.0、4.9、4.7、5.4、6.3 mg/L，可以看出2号、3号溶氧量相对较低，其余点由于受水体净化与流动的作用，相对较高。从2017年7月11日5个采样点的DO分别为5.7、3.1、3.6、3.9、6.1 mg/L，2017年8月15日5个采样点的DO分别为6.4、46、4.3、4.2、6.5 mg/L，进一步说明通过流水养殖槽尾部每天进行4次吸污，以及采取池塘净化水域种草移螺和设置生态基、安装太阳能水质调控机等技术措施，在鱼类主要生长季节，能够有效净化水质，提高水体溶氧量。5—9月DO最高值為11.0 mg/L，最低值为1.6 mg/L，平均值为5.48 mg/L，达到地表水环境质量Ⅲ类标准（5.0 mg/L）。

2017年12月22日，试验池塘鱼捕捞结束，开始向外排水，检测5个采样点DO分别为8.9、89、9.1、11.6、11.2 mg/L，平均值为9.9 mg/L，达到地表水环境质量Ⅰ类标准（7.5 mg/L）。

通过对5个采样点2017年5—9月监测（图4）发现，其间pH值的最高值为8.8，最低值为7.3，平均pH值为7.8，符合GB 3838—2002《地表水环境质量标准》和SC/T 9101—2007《淡水池塘养殖水排放要求》规定的pH 值范围（pH值=6～9）。

如图5所示，SD变化较小，无明显差异，可能是水体流动的结果。月平均SD的最高值出现在5月，为 42.0 cm，最低出现在7月份，为19.5 cm，整个监测期平均值27.0 cm。

2.3TP含量变化

由图6可见，TP含量的最高值为1.01 mg/L，最低值为 0.12 mg/L，平均值为0.49 mg/L。虽然超过地表水环境质量Ⅴ类标准（0.4 mg/L），但达到淡水池塘养殖水排放要求一级标准（0.5 mg/L）。

可以看出，TP质量浓度高峰期出现在8月份，平均值达到0.69 mg/L，8月22日达到最高值，5个采样点TP质量浓度分别为0.69、0.79、0.73、0.76、1.01 mg/L，主要是高温季节投喂量大，水槽流水将残饵和粪便推出，在外围净化区快速分解，水体净化能力不够造成的。

2017年12月22日，试验池塘鱼类捕捞结束，开始向外排水，检测5个采样点TP含量分别为0.34、049、0.28、0.42、0.33 mg/L，平均值为0.37 mg/L，达到地表水环境质量Ⅴ类标准（0.4 mg/L），且满足淡水池塘养殖水排放要求一级标准（0.5 mg/L）。

2.4TN含量变化

如图7所示，TN含量最高值为4.1 mg/L，最低值为0.6 mg/L，平均值为1.98 mg/L，达到地表水环境质量Ⅴ类标准（20 mg/L），且满足淡水池塘养殖水排放要求一级标准（3.0 mg/L）。TN含量高峰期出现在9月份，当月TN平均值为2.7 mg/L，9月5日达到最高值。5个采样点TN质量浓度分别为4.1、3.5、2.2、3.9、2.1 mg/L，说明高温季节投喂量较大，水体净化能力不足有关。从2017年9月5日和9月11日监测发现，TN含量有所降低，水质净化还是有一定的效果。

2017年12月22日，试验池塘鱼类捕捞结束，开始向外排水，检测5个采样点TN质量浓度分别为1.5、19、1.7、1.7、1.5 mg/L，平均值为1.7 mg/L，达到地表水环境质量Ⅴ类标准（2.0 mg/L），且满足淡水池塘养殖水排放要求一级标准（3.0 mg/L）。

2.5NH+4-N含量变化

如图8所示，NH+4-N含量最高值为1.34 mg/L，最低值为0.02 mg/L，平均值为0.35 mg/L，达到地表水环境质量 Ⅱ 类标准（0.5 mg/L）。NH+4-N质量浓度高峰期出现在9月份，当月平均值为0.72 mg/L，超过地表水环境质量Ⅱ类标准（05 mg/L），达到地表水环境质量Ⅲ类标准（10 mg/L）。

2017年9月26日监测5个采样点NH+4-N含量分别为116、1.30、1.34、1.27、0.97 mg/L，达到监测期间最高值，此时水温较低，降到24 ℃，水生植物净化效果较小，存在部分水草枯萎现象，通过水体流动，生态基和移动式太阳能水质调控机净化NH+4-N效果不明显。

2017年12月22日，试验池塘鱼类捕捞结束，开始向外排水，检测5个采样点NH+4-N质量浓度分别为067、0.67、0.63、0.63、0.83 mg/L，平均值为 0.69 mg/L，达到地表水环境质量Ⅲ类标准（1.0 mg/L）。

2.6NO-2-N含量变化

由图9可见，NO-2-N质量浓度最高值为0061 mg/L，最低值为0.001 mg/L，平均值为 0.025 mg/L，达到地表水环境质量Ⅰ类标准（0.06 mg/L）[9]。NO-2-N质量浓度高峰期出现在9月份，其中9月26日达到监测期间最高值，整个9月份NO-2-N质量浓度平均值为0.039 mg/L，达到地表水环境质量Ⅰ类标准（0.06 mg/L）[9]。

2017年12月22日，试验池塘鱼类捕捞结束，开始向外排水，检测5个采样点NO-2-N质量浓度分别为0003、0.005、0.004、0.002、0.003 mg/L，平均值为0.003 mg/L，达到地表水环境质量Ⅰ类标准（0.06 mg/L）[9]。

2.7CODCr含量变化

由图10可见，CODCr含量最高值为79.0 mg/L，最低值为3.0 mg/L，平均值为38.8 mg/L，达到地表水环境质量Ⅴ类标准（40 mg/L）。CODCr含量高峰期出现在9月份，当月平均值为436 mg/L，超过地表水环境质量Ⅴ类标准（40 mg/L）。说明养殖水体中需要还原的物质多，有机物含量较高。

2017年12月22日，循环水池塘开始向外排水，检测5个采样点CODCr含量分别为50.0、37.0、34.0、32.0、40.0 mg/L，平均值为38.6 mg/L，达到地表水环境质量Ⅴ类标准（40 mg/L）。

3讨论

3.1池塘工程化循环水养殖系统水质变化规律

水温作为水生态环境系统中的一项重要因子，一方面可以直接影响养殖鱼类的生长与摄食，另一方面通过改变其他水质理化指标而间接影响养殖鱼类的抗病能力[12]。试验期间，池塘水温主要随气温变化，水温变化区间为20～34 ℃，波动较小，适宜鱼类生長。DO是养殖鱼类生存条件的重要指标之一，当水体中溶解氧含量充足时，养殖鱼类摄食量大、生长速度快、饵料利用效率高;而当水体中溶解氧含量不足时，养殖鱼类摄食量下降、生长速度放缓、饵料利用效率降低，低氧胁迫条件甚至会降低养殖鱼类免疫及抗应激能力，易造成疾病感染[13]。试验期间，随着养殖鱼类的生长，耗氧量增加，整个池塘DO含量总体呈下降趋势，特别在养殖槽内由于养殖鱼类集中，DO含量变化更为明显。不过，由于整个系统运行过程中气提式推水增氧设备提供了高溶氧水流，DO平均含量为5.48 mg/L，达到地表水环境质量Ⅲ类标准，能满足养殖鱼类生长需求。pH值作为影响水体物理化学反应的一个重要指标，直接关系到养殖水质量以及水生态环境平衡，一般养殖池塘pH值为6.5～8.5[14]。试验期间，pH值最高值为8.8，最低值为7.3，平均值为78，符合地表水环境质量标准[10]及淡水池塘养殖水排放要求[11]规定。SD可体现养殖水体可见度，是展现养殖水体生态环境质量最直观的一种指标，在实际养殖生产中，养殖户常常结合水体颜色的变化，对养殖水体水质状况做出简单直接的判断以及时调控水质[15]。试验期间，随着养殖鱼类摄食量及排泄量的增加，SD总体呈下降趋势，平均值达 27.0 cm，当月最高值为42 cm，在常规鱼类养殖透明度的适宜范围内[13]，试验中后期SD变化范围较小。

水体TP和TN含量可以反映养殖水体富营养化程度，评价水质的优劣[16]。当养殖水体中无机氮和有机氮含量增加时，会加速消耗水体中的溶解氧;而养殖水体中含磷类物质含量过高时，易导致藻类过度繁衍，降低水体透明度，所以TP和TN这2个监测指标对养殖尾水排放的监测起着重要指导作用[17]。试验期间，TP平均含量为0.49 mg/L、TN质量浓度平均值为1.98 mg/L，超过或接近地表水环境质量Ⅴ类标准。饲料残饵和粪便是污染养殖系统的主要外源物质[18]，在养殖的中后期，随着投喂量的增大，残饵及粪便沉积，导致TP、TN含量均超过地表水环境质量Ⅴ类标准，存在着富营养化现象，不过二者质量浓度均能达到淡水池塘养殖水排放标准要求。2017年12月22日，试验池塘鱼类捕捞结束，开始向外排水，此时TP、TN质量浓度均可以达到地表水环境质量Ⅴ类标准，且满足淡水池塘养殖水排放要求一级标准。

在养殖池塘中，由于养殖水生动物排泄物和残饵等有机物在池塘底层相互作用，生成了非离子态氨，这种非离子态的氨对养殖水生动物有较强毒性，外排后易导致水体环境污染[19]。试验期间，NH+4-N平均含量为0.35 mg/L;虽然试验后期由于高温加上投喂量较大NH+4-N含量出现高峰，但其含量仍然符合地表水环境质量Ⅲ类标准。NO-2-N 是导致养殖水生动物暴发性病害发生的重要环境因子，在养殖水体中累积，会将养殖水生动物血液中的亚铁血红蛋白氧化成高铁血红蛋白，使血液的载氧能力下降，引起机体缺氧，对养殖水生动物的毒害作用较强[20]。NO-2-N长时间作用会使养殖鱼类生长放缓，组织器官受破坏，死亡率上升，含量过高时，还会诱发养殖鱼类鳃丝肿胀、粘连，鳃内污染物增多，影响鱼类呼吸[21]。试验期间，NO-2-N最高含量为0.061 mg/L，平均含量为0025 mg/L，达到地表水环境质量Ⅰ类标准。NH+4-N、NO-2-N含量均符合养殖用水标准，不会对养殖鱼类产生负面影响。

CODCr含量与养殖池塘水体中有机物含量紧密关联，能准确反映养殖水体中死亡浮游生物、溶解有机质、有机碎屑等有机物的含量[14]。适量的CODCr是保证细菌正常繁殖的必要条件，不过CODCr含量过高会使细菌过量繁殖，破坏养殖池塘水生态环境，导致养殖水生动物发生病害;反之，当CODCr含量过低时，将无法维持养殖池塘的高生产力[22]。试验期间，5—9月CODCr平均含量为38.7 mg/L，达到地表水环境质量Ⅴ类标准。CODCr含量高峰期出现在9月，平均值为43.6 mg/L，说明这段时间养殖水体中需要还原的物质较多，有机物含量较高。

3.2池塘工程化循环水养殖系统水质调控效果评价

移动式太阳能水质调控机可以在养殖池塘水面持续往返运行，能加快上下水层交换，具有调水改底、平衡养殖水体氮磷含量的功效[23-25]。而生态基是一种生物膜的载体，也有较好的水质调控效果[26]。此外，也有研究发现沉水植物伊乐藻与底栖动物螺蛳配合，对养殖水体氮、磷及COD有较好的去除效果[27]。本试验中，除了水槽养殖区域的溶氧量与其他采样点相比较低外，其他位置采样点水质指标基本接近，说明气提式推水设备配合移动式太阳能水质调控机使用，能促进整个池塘水体流动、交换。正是通过这些物理及生物水质调控技术的集成使用，才能确保养殖期间水体循环利用，养殖期结束后水体可以达标排放。

4结论

养殖池塘水质监测和调节在水产养殖中起着至关重要的作用，通过监测养殖水体理化因子，可根据水质状况确定养殖及管理模式，这是保障水产品质量安全的技术手段之一。在本试验中，通過对IPRS采用物理及生物等水质调控技术，使渔业生产主要季节5—9月的养殖水体相关理化指标达到国家有关水质标准和要求。但是针对这种新型的养殖模式，仅靠1年所积累的监测数据是远远不够的。2019年初农业农村部等10部委联合印发《关于加快推进水产养殖业绿色发展的若干意见》明确提出要加强渔业养殖尾水监测，推动养殖尾水资源化利用或达标排放，建议相关部门持续监测IPRS水质变化，加强水质调控技术研究，促进养殖池塘尾水生态净化和循环利用，以达到保护水生态环境，提高产品品质和经济效益的目的。

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