基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统设计与试验

陈雷雷，杜 舟，胡庆松，黄 春，李 俊

基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统设计与试验

陈雷雷1，杜 舟1，胡庆松1※，黄 春2，李 俊1

（1. 上海海洋大学工程学院，上海 201306；2. 上海宝岛蟹业有限公司，上海 202150）

为了提高河蟹养殖品质和养殖池塘水质净化能力，该研究提出了一种通过养殖池塘内部结构改造实现池塘水体内部循环自净的技术，并设计了一套针对河蟹的生态养殖系统。应用软围隔将养殖塘划分为两个相对独立的功能区（养殖区和自净区），设计了浮式气提推水装置和射流装置作为塘内水循环动力系统，在推水装置的作用下，养殖区的水体流入自净区，经过滤、吸附、杀菌及降温等环节重新回到养殖区，形成“九分养蟹一分养水”的河蟹循环自净生态养殖模式。在崇明宝岛蟹业面积约为9 600 m2的河蟹养殖池塘进行实施和试验，试验表明：合理配置气提推水装置可实现河蟹养殖池塘水体日循环2次以上；试验塘循环自净状态相较静水状态，水温均衡度提高10.17%，下层溶解氧水平提高18.57%，氨氮平均质量浓度下降19.2%；同时，养殖效果抽样对比显示试验塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹较对照塘分别增加了45%和35%。该研究设计的塘内循环自净的河蟹生态养殖系统能较好地净化养殖水体，有利于河蟹的生长，可为河蟹池塘生态高效养殖模式的构建和推广提供参考。

水产养殖；设计；试验；河蟹；生态养殖；塘内循环；水体自净技术；气提推水

0 引 言

2019年中国淡水养殖产量占水产品总产量的49.3%，池塘养殖已成为中国水产养殖的主要形式和水产品供应的主要来源[1-2]。河蟹是中国淡水养殖的重要品种，池塘养殖是当前河蟹养殖的主要模式[3]，传统的种草养蟹模式在取得较大养殖经济效益的同时，也存在着水体流动性差，池塘自净能力弱等问题。加之常年养殖，过量的养殖饲料投放和河蟹代谢产物积累也严重影响池塘水质，进而影响河蟹的养殖品质。同时，养殖尾水的排放也会对周边河道及水体的生态环境造成压力[4-8]。在养殖模式整体从“大养蟹”到“养大蟹”转变的背景下，探索新型的、生态化的高效河蟹池塘养殖模式显得尤为迫切。

良好的水生态环境是水生经济动物赖以生存的重要保障，是维持水产养殖业可持续发展的基本前提[9]。养殖池塘水质和水生态环境决定着河蟹养殖的效益和品质。因此，近年来，池塘养殖新模式的探索受到了越来越多的关注，国内外学者对池塘养殖系统和模式的研究取得了一系列研究成果。谢辉亮等[10]研究构建了“流水养殖槽-虾-蟹”串联式循环水养殖模式，具有提高养殖综合效率和达到水质净化的效果。程果锋等[11]构建了一种适合加州鲈的大水体温室池塘循环水养殖系统，相比于工厂化养殖模式，不仅可以提高养殖密度，而且建设和运行成本也相应降低。田昌凤等[12]通过研究水循环动力系统，建立了针对淡水鱼类的分隔式循环水池塘养殖系统，既能实现池塘水体大范围对流，又能有效解决池塘集污排污问题。在国外，类似循环水养殖系统主要用于鲟鱼、大西洋鲑鱼和欧洲鲈等鱼类的养殖[13]。Lazur等[14]研究的鲟鱼流水循环养殖系统，利用推水车作为水循环动力系统构建其循环流水养殖模式。

池塘循环水养殖模式的研究和探索虽然取得了一定的成效，但河蟹池塘塘内循环养殖模式研究仍然较少，更多的是蟹类与其他水产品种进行混养的模式，如陈坚等[15]研究构造了一种贝、蟹、藻多池循环水生态养殖系统，达到水质净化效果。河蟹池塘内循环生态养殖模式，既要考虑水体的物理流动又要兼顾水生生态的良性循环，既要构建全塘水体大循环体系又要解决池塘水动力死角及水草区域的局部微水流问题。考虑以上两个方面，本文针对崇明清水河蟹的养殖特点，设计了一种塘内循环自净的河蟹生态养殖系统，利用气提推水装备形成池塘水体运动的原动力，利用养殖池塘的内部结构改造实现池塘水体内部循环自净，以期达到“生态、高效”养殖的目的，并为河蟹池塘养殖系统模式构建提供参考。

1 塘内循环自净养殖系统设计

1.1 系统组成及水体循环流程

基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统总体的设计原则是在保证养殖效益的基础之上，使得养殖水体能够得到充分净化，将河蟹养殖池溏划分为河蟹养殖区和水体自净区两个主要功能区。按照养殖效益最大化的原则，河蟹养殖区面积约占池塘的90%，水体自净区参考文献[16]将池塘首尾连接构成回流系统，在回流系统中设置种植过滤区（2%～3%）、物理吸附区（1%～2%）和杀菌降温区（6%～8%），总面积约占池塘的10%，水深比养殖区深30 cm左右，形成九分养蟹一分养水的河蟹生态养殖新模式。并在此基础上，通过气提推水装置和射流装置构造人工水循环动力系统，使池塘塘内水体循环流动，并通过蟹菜共生、物理吸附等手段提升和激发池塘水体的自净能力。塘内水体循环自净流程如图1所示：养殖区内排出的养殖用水先进入种植过滤区，在该区域通过水生蔬菜等充分利用和吸收水体中的营养物质，然后进入物理吸附区进行物理性二次过滤，过滤后的水再流入杀菌降温区依次进行水体的杀菌和降温处理，最后经气提推水装置推入养殖区，以微流水的方式流经养殖区循环利用，形成塘内循环自净的河蟹养殖系统。

1.1.1 河蟹养殖区

河蟹养殖区是河蟹生长、生活的主要区域，按照河蟹养殖要求种植水草，主要以伊乐藻、轮叶黑藻作为水草种植的主要品种，辅助栽培苦草、水花生及黄丝草等水草植物，多品种搭配不仅有利于发挥各种水草的优势，还可以为河蟹在池塘内部形成优良的立体生存环境，总水草覆盖率应保证占养殖区面积的60%左右。在塘内循环自净的河蟹生态养殖系统中，为了形成塘内水体循环的动力源，在养殖区布局气提推水装置、射流装置，同时，为保证塘内微水流的通畅性，水草种植形状以近似矩形为宜，并在水草区块间留出水流通道。

1.1.2 水体自净区

水体自净区设置在养殖池塘外围环沟中，水深较养殖区深30 cm左右，按照图1水体自净处理流程依次设置种植过滤区、物理吸附区和杀菌降温区。

1）种植过滤区

种植过滤区面积约占池塘面积的2%～3%，主要通过搭建浮床种植水生植物，将悬浮物、水生动物粪便和大、小、微型颗粒等杂质作为水生植物（水生蔬菜）的营养物质进行吸收利用，在解决水质问题的同时带来一定的经济效益。同时，在种植过滤区的进水口处设置一段塑料浮筒，用于拦截漂浮的水草。

2）物理吸附区

物理吸附区面积约占池塘面积的1%～2%，主要在物理吸附区的进水口和出水口处放置过滤棉和生物膜净水栅，通过物理性的手段吸附过滤水质中的氨氮、TP和TN等有害物质。

3）杀菌降温区

杀菌降温区面积约占池塘面积的6%～8%，杀菌区域主要通过安装双管紫外线杀菌灯对水体中的细菌进行杀灭。同时，在杀菌降温池上方安装遮阳网，在夏季主要具有挡光、降温的作用。首先在两边安装并固定钢管，将遮阳网的长边套在钢管上，使遮阳网可以自由伸缩，以控制降温池的遮阳面积。

1.2 水体内循环动力系统设计与配置

水循环动力系统是塘内循环自净的动力源泉，对河蟹生态养殖系统具有至关重要的作用。它主要由浮式气提推水装置、射流装置及其管路组成，安装在河蟹养殖区的水动力关键位置。

1.2.1 浮式气提推水装置的设计

气提推水装置设置在杀菌降温区和养殖区之间，通过气提方式能在提供水循环推动力的同时提升水体的含氧量。在气提推水装置推动力的作用下，可将杀菌降温区中经净化降温处理的水体推入河蟹养殖区，通过微流水将干净、清凉、富氧的水体带给池塘中的河蟹。

1）工作原理

2）结构设计

基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统要求气提推水装置能够形成固定方向的水体推动力，同时便于安装和使用。本文设计了浮式气提推水装置，主要由气泵、进气管、导流板、浮体和支架组成（见图2）。气泵进气管通过U型螺丝固定在支架侧面，增氧曝气格通过不锈钢扎带固定在支架下方，两个浮体通过螺栓固定于支架上方，为气泵进气管、导流板、支架等其他附件提供浮力。

1.进气管 2.导流板 3.浮体 4.支架 5.增氧曝气格 6.螺栓

1.Intake pipe 2.Deflector 3.Floating body 4.Bracket 5.Aeration grid 6.Bolt

图2 浮式气提推水装置结构示意图

Fig.2 Structure diagram of floating air lifting and water pushing device

3）设计参数及计算原理

气泵作为源动力，将空气吸入进气管后从增氧曝气格排出，并与水混合成水气溶液上升至水面，在导流板的作用下，水气溶液向右运动，形成推水增氧效果，水气溶液的运动轨迹如图3所示。

注：1为水气溶液最小上升高度，mm；2为水气溶液最大上升高度，mm。

Note:1is minimum rising height of water air mixture, mm;2is maximum rising height of water air mixture, mm.

图3 水气溶液运动轨迹简图

Fig.3 Trajectory diagram of water air mixture

在导流板的作用下，水气溶液从增氧曝气格加速上升的平均高度和气提回流空气用量[18]（进风量）分别为

式中为系统所需推水总流量，m3；为进风量安全系数，一般取1.2；为效率系数，一般取0.35～0.45；为气泵进气管浸没深度，m。

1.2.2 射流装置配置与设计

种好水草是河蟹成功养殖的关键，水草不仅能够净化水质和提供生态饵料，也可以为河蟹提供蜕壳及栖息的场所，但同时，水草种植也容易在池塘死角及水草较密区域形成长期水体静止区，容易败坏局部水体。为了保障河蟹正常生长，在这些区域配置射流装置，使水体保持长时间微流动的状态。

1）结构设计

射流装置主要由潜水泵、水射器、旋转支架和抽气管等组成（图4）。水射器固定在旋转支架上，旋转支架安装在潜水泵的出水口，抽气管与潜水泵进气口连接，射流装置整体通过潜水泵椭圆形槽口底座嵌入塘底。

1.潜水泵 2.水射器 3.旋转支架 4.抽气管 5.出水口 6.进气口 7.底座

1.Submersible pump 2.Water ejector 3.Rotating support 4.Exhaust pipe 5.Water outlet 6.Air intake 7.Base

图4 射流装置结构示意图

Fig.4 Structure diagram of jet device

2）设计参数及其计算

假设养殖区每块矩形水草面积为1(m2)，射流影响面积覆盖率为，取值范围为～。潜水泵作为射流的水动力，当射流器启动潜水泵时，形成的高压高速水流进入水射器，将液面以上的空气吸入真空室，水和空气混合均匀后从扩散管处喷出，同时由于潜水泵吸水形成底部区域的局部负压，形成底部周边水体向中心的微流动[19]，射流形成的水体环流如图5所示。

其中，单个射流装置射流覆盖面积2（m2）为

根据圆形面积公式可推导计算出射流应有的工作距离为

式中为旋转支架转动的角度范围，(°)。

1.3 系统设计方案实施与应用

2018年9月开始，在崇明上海宝岛蟹业有限公司的河蟹养殖塘实施塘内循环自净的河蟹生态养殖系统，试验塘GPS坐标为：北纬31°74¢，东经121°23¢。池塘面积约为9 600 m2，长约120 m，宽约80 m，如图6所示。池塘内河蟹养殖区和水体自净区的面积为8 644和956 m2，分别占养殖池溏面积的90%和10%。其中，水体自净区内种植过滤区、物理吸附区和杀菌降温区的面积为240、142和574 m2，分别占水体自净区面积的2.5%、1.5%和6.0%。

1.河蟹养殖区 2.种植过滤区 3.物理吸附区 4.杀菌降温区 5.气提推水装置 6.矩形水草区域 7.遮阳网 8.给水口 9.排水口

1.aquiculture area 2.Planting and filtering zone 3.Physical adsorption zone 4.Sterilization and cooling zone 5.Air lifting and water pushing device 6.Rectangular aquatic grass area 7.Sunshade net 8.Water supply outlet 9.Drainage outlet

图6 系统实施示意图

Fig.6 Diagram of system implementation

浮式气提推水装置配置在图6中5所示位置，同时，在池塘内水草密集区域和水体流动死角区域配备有射流器装置。按照河蟹生态养殖要求，全天水体日循环次数在2次以上较佳，因此，单次循环周期为12 h，按平均水深0.8 m计，流量安全系数取1.6，则系统总流量为1 050 m3/h，将浮式气提推水装置参数代入公式（2）可得进风量约为1 728 m3/h，市面上虽有进风量相匹配的气泵，但考虑到整体气提推水的均匀性，设置6组气推水装置，选用功率为2.2 kW，单组风量为300 m3/h，总进风量为1 800 m3/h，即可满足12 h系统水体循环一次的设计要求。

根据表1将射流装置参数代入式（3）和（4）可得每块矩形水草覆盖面积为112～128 m2，射流距离范围为6.01～6.42 m，对比市面已有的射流泵，选用功率360 W 的射流泵，测得水下射流距离为6.2 m，能够满足射流距离的要求。

表1 浮式气提推水装置和射流装置参数

水体自净区沿池塘相邻两边构成，自净区宽度约为4.8 m，池深约为1.1 m。水体自净区内所用过滤、吸附和杀菌降温的材料设备具体参数见表2。同时，河蟹养殖区内按养殖要求多批次投放螺蛳，螺蛳不仅可以净化水质，还可以为河蟹提供优良的饵料。

表2 材料设备具体参数

1.4 试验方法

为检验基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统的有效性，展开气提推水试验、水质试验和养殖效果对比分析。

1.4.1 气提推水的水动力试验

气提推水试验采用截面测速法进行流速采集，试验选用便携式流速仪（LS1206B，南京祥瑞德电器科技有限公司，中国）测定流速。由于池塘养殖区底部至水面的高度为0.7～0.8 m，因此以0.2 m为单位将截面分割成4层，每层层面积为0.264 m2，测定每层的平均流速。试验前，先将一个长0.5 m，高2 m的矩形支架放在出水口前方，用于固定和移动便携式流速仪。测得流速数值后，由平均流速、层面积计算得该层的水流量，各层流量总和即为推水的总流量。

1.4.2 水质参数试验

在水质参数试验中，考虑到池塘不同区域水质情况存在差异，根据区域位置选取10个采样点，其中河蟹养殖区共8个采样点，分别为近推水口处的点1和4，养殖区中间区域的点2、5和3，近水体自净区的点6和8，养殖区内死角区域的点7；水体自净区共2个采样点，分别位于种植过滤区进水口处的点9和杀菌降温区的点10。其中采集点1和5水深较浅。

好水养好蟹，水质是河蟹养殖的重要保证。为了验证塘内循环自净模式对水质的作用和影响，在养殖期内，定期对试验塘进行水质采集及指标分析。河蟹养殖池塘为开放池塘，其水质参数试验受池塘本身结构（池塘本底、面积规模和养殖密度）和外部气象条件（天气、气温和风）的影响较大。为了保证以上两者的一致性和可比性，试验选择在同一池塘中通过对静水和循环状态下的水质状况进行较长周期的采集（静水状态：2019年7月15日至2019年7月28日关闭推水装置，循环状态：2019年7月29日至2020年8月11日开启推水装置），并从中选择外部气象条件相近的试验日进行数据对比。水温通过项目开发的多层温度实时采集设备进行实时连续采集；溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）和pH值采用AP-2000多参数水质分析仪，氨氮（NH4+-N）采用EHCAS40D便携式水质测定仪。3组水质参数统一进行每天分时段采样，每个采样点均采集3次，采样时间为6:00－7:00，14:00－15:00，17:30－18:30。

1.4.3 养殖效果对比分析

2019年，为了验证塘内循环自净式河蟹生态养殖系统的养殖效果。选定和试验塘相同大小的对照塘，面积约为9 600 m2，对照塘的水草种植品种与试验塘一致，总水草覆盖率占池塘面积的60%左右，对照塘和试验塘蟹苗投放数量均为1.5万只，在同一时间段进行养殖，池塘方位、池塘结构、光照等条件基本一致，采用相同的饵料、相同投喂量以及相同的螺蛳投放量，且饵料投喂、螺蛳投放时间均相同。养殖时间为2019年3月底至2019年10月中旬，在回捕时对试验池塘和对照池塘中公母河蟹抽样捕捞各100只并进行统计对比。

1.4.4 数据处理

试验数据采用SPSS20.0和Excel2016软件进行统计和作图。采用独立样本（Independent sampletest)分析和差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 气提推水装置的水动力性能分析

塘内循环自净的河蟹生态养殖系统运行一段时间后，待水流稳定开始由出水口水面向下测定水体流速。出水口的宽为1.32 m，因此在每层中心位置、距中心位置左、右两侧0.44 m处，测量水流速度，求平均值，试验结果如表3所示。

表3 出水口不同水层高度的推水性能测试结果

将流量累加可得出单一出水口推水的流量约为187 m3/h，试验池塘内设有6个气提推水口，所以，总推水量约为1 122 m3/h。能够满足总流量1 050 m3/h的系统设计要求，可实现池塘水体日循环2次以上。

2.2 塘内循环自净养殖模式对水质的影响分析

试验分析中为排出外部气象条件的影响，根据试验天气记录，选取7月25日和7月26日（静水状态）的数据，与7月29日和7月30日（循环状态）的数据进行对比。天气状况均为：多云，风力3级左右，最高气温36℃，最低气温28℃。

2.2.1 温度变化分析

1）水温波动分析

分别在静水状态和循环状态下，应用多层温度实时采集设备进行10个采集点的水温采集，最深处1.5 m，单点6个温度监测探头全部有效，最浅处0.7 m，单点3个温度探头有效，总共有效温度监测探头43个，通过全天温度波动性统计分析，计算每个温度监测探头的全天温度波动的标准差，可得到图7。由图可见，循环状态下，最大温度波动标准差为1.845，而静水状态下，最大温度波动标准差为2.3，明显循环状态下温度极端变化情况较少。

2）池塘水温均衡度分析

全天温度均衡度，即全天最高温度值减去最小值为温度极差，全天温度均值减去温度极差再除以温度均值。以20 min为水温采样周期，对全天43个有效采集点的温均衡度进行计算，循环状态下全天均衡度平均值为0.893，较静水状态下0.811，提高了10.17%。

2.2.2 pH值、溶解氧和氨氮分析

在采样点的垂直方向距水面70 cm处进行下层水质（pH值和溶解氧）采集，有效采样点共8个。将静水状态时间段数据和循环状态时间段数据剔除异常值（3倍标准差法）后进行统计分析，可得表4所示分析结果。通过比较，循环状态下的pH值分布和溶解氧含量显著优于静水状态，其中，溶解氧的平均质量浓度较静水状态提高了18.57%，即下层溶氧水平提升显著。

氨氮是指水中以游离氨（NH3）和离子氨（NH4+）形式存在的氮。计算两种状态下10个采样点氨氮的平均质量浓度的平均值，静水状态下平均值为0.073 mg/L，循环状态为0.059 mg/L，较静水状态下降低了19.2%。按照三倍标准差原则剔除点9后，统计可知循环状态下均值为0.043 mg/L，差异并不显著（=0.065）。进一步分析可知循环状态下，由于微流水的作用氨氮向点8、点9集中，即点8和点9氨氮含量较其他点高出很多。若在剔除点9同时剔除点8，进一步计算可得循环状态下氨氮均值为0.03 mg/L，显著优于静水状态（=0.001 3）。

表4 养殖水质试验数据

注：不同小写字母代表差异显著（＜0.05）。

Note: Different lowercase letters mean significant difference (<0.05).

总体而言，在对比分析时间段中，循环状态下，水温分布、氨氮浓度以及中下层的溶解氧（DO）含量和pH值，均优于静水状态。

2.3 养殖效果试验

塘内循环自净的河蟹生态养殖系统在上海宝岛蟹业有限公司的试验塘经过半年的调整和调试，2019年整个养殖季通过对照塘进行了养殖效果的分析对比。2019年10月份，分别对试验池塘和对照池塘进行了抽样回捕，从捕捞河蟹中分别随机抽取公母河蟹各100只，进行了详细称量和统计，结果显示试验池塘公母河蟹总质量为38.75 kg，200 g以上公蟹90只，150 g以上母蟹75只；对照池塘公母河蟹总质量为32.85 kg，200 g以上公蟹45只，150 g以上母蟹40只，试验塘公母河蟹总质量较传统养殖模式增加了17.9%，其中200 g以上公蟹和150 g以上母蟹较传统养殖模式分别增加了45%和35%。表明塘内循环自净的河蟹生态养殖系统能大幅提高养殖效益。

3 讨 论

3.1 水动力及微流水分析

由流速试验可知，平均水流速度随距离水面高度增大而增大，即气提作用下水动力和气提深度有关，深度越大气提水动力越大。因此，在塘内循环自净的河蟹生态养殖系统中，可以根据需求和设计目标，调整气提推水装置中增氧曝气格的深度与导流板的安装角度和位置，来获得不同的池塘水动力源泉。

推水口流速试验表明，单个气提推水装置推水流量为187 m3/h，6个气提推水口总流量可达1 122 m3/h，实际上，其水体推动力随着距离增加逐步衰减，无法直接推动全塘形成微水流。但是，在气提推水装置作用下，在养殖区和自净区形成了显著的水位差，使得水体由高到低自然流淌扩散，从而形成了全塘水体有序微流动。这种微流水扰动也是影响水体环境和藻类生长的重要因素[20-21]，池塘内水体日循环2次以上，能实现了水体大范围循环回流，有效改善池塘养殖环境，达到流水养蟹的循环养殖目的。

3.2 气提推水对水质参数的影响分析

养殖池塘现场试验受环境影响大，气温、日照、风速等都会直接或间接影响水质参数的采集，试验对比样本选择较为困难，但总体而言塘内循环自净养殖系统中水温、溶解氧和氨氮都朝对河蟹养殖有利的方向变化。

首先，经过自净区的过滤、杀菌和降温处理，在高温季节可以起到降低池塘整体水温的作用。其次，水温分层和溶氧分层存在着紧密的相关性，试验结果显示，塘内循环自净养殖系统能够较大范围提高池塘温度的均衡性和减小水温波动，从而有效减少高温季节水温分层现象，同时能够降低溶解氧分层的概率。最后，水体流动也具有打破溶解氧分层现象的能力[22]，且具有增加水体溶解氧的作用，试验结果显示循环状态下溶解氧水平比静水状态下高出18.57%。

氨氮可以直接或间接影响养殖水生动物的生长和繁殖[23-25]。塘内循环自净的河蟹生态养殖系统中，由于水体自净区净水设施（如浮床种植、过滤棉、生物膜净水栅、杀菌灯等）的作用，氨氮明显降低，试验中，循环状态下10个采样点的氨氮（NH4+-N）平均质量浓度的平均值比静水状态下低。同时，在全塘循环微流水的作用下，悬浮物和氨氮总体向水体自净区集中，在试验期间，观察到水体自净区的采样点8和9的NH4+-N平均浓度要高于其他点，且经过水体自净区之后，采样点10的NH4+-N平均浓度明显降低。可见，塘内循环自净的河蟹生态养殖系统能较好地促进氨氮的良性循环。

3.3 养殖效果差异分析

基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统可以有效提高大规格公母河蟹的比例，经抽样对比，对照塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹的数量分别为45只和40只，试验塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹的数量分别为90只和75只，占比增加了45%和35%。塘内循环自净的养殖系统可有效改善养殖环境，提高大规格河蟹生长比例，具有良好的生态养殖效益。与传统养殖模式相比效益明显，与文献[15]贝、蟹、藻多池循环水生态养殖系统相比工艺简单、可控性好，但也存在着塘内循环自净的养殖系统建设投入相对较大，维护成本略高等问题，随着系统的进一步优化完善，将成为生态、高效的河蟹池塘养殖模式。

试验证明，塘内循环的自净式河蟹生态养殖系统初步完成了养殖模式从“大养蟹”到“养大蟹”的转变，是一种生态高效的养殖模式，具有广泛地推广应用前景。

4 结 论

本文针对基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统进行了设计并开展现场实施、应用和试验，得出以下结论：

1）系统中通过推水装置为池塘内的水体循环流动提供源动力，总推水流量达到1 122 m3/h，试验塘全塘日循环达到2次以上，塘内整体水流稳定有序，能够达到生态、高效养殖河蟹的目的。

2）对静水和循环状态下的养殖水质进行了采样和分析，循环状态下的下层溶解氧的平均质量浓度较静水状态下提高了18.57%，氨氮平均质量浓度也有所降低，养殖期间试验塘循环状态下水体水质状况良好。

3）养殖效果分析对比显示：对试验塘和对照塘抽样结果中，塘内循环自净的河蟹生态养殖系统的公母河蟹总质量较传统养殖模式增加了17.9%，200g以上公蟹和150g以上母蟹较传统养殖模式分别增加了45%和35%。表明塘内循环自净的河蟹生态养殖系统进行河蟹养殖能有效增加大规格公母河蟹的比例。

[1] 农业农村部渔业渔政管理局. 中国渔业统计年鉴[M]. 北京：中国农业出版社，2020.

[2] 童心雨，姜森颢，葛宝明，等. 我国池塘养殖业发展现状与对策[J]. 中国农业科技导报，2020，22(8)：5-13.

Tong Xinyu, Jiang Senhao, Ge Baoming, et al. Development status and countermeasures of pond aquaculture industry in China[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2020, 22(8): 5-13. (in Chinese with English abstract)

[3] 季铭，闫兴成，许晓光，等. 太湖流域河蟹不同生长期池塘养殖场氮磷动态变化研究[J]. 南京师大学报：自然科学版，2020，43(4)：129-134.

Ji Ming, Yan Xingcheng, Xu Xiaoguang, et al. Study on the dynamic changes of nitrogen and phosphorus from pond farms in different growth stages of crab in Taihu Lake Basin[J]. Journal of Nanjing Normal University: Natural Science Edition, 2020, 43(4): 129-134. (in Chinese with English abstract)

[4] 戴丹超，马旭洲，张勇，等. 宜兴滆湖地区河蟹生态养殖池塘对水环境的影响[J]. 环境化学，2019，38(11)：2573-2582.

Dai Danchao, Ma Xuzhou, Zhang Yong, et al. Impact ofecological culture ponds on water environment in Gehu Lake area of Yixing City[J]. Environmental Chemistry, 2019, 38(11): 2573-2582. (in Chinese with English abstract)

[5] 胡庚东，宋超，陈家长，等. 池塘循环水养殖模式的构建及其对氮磷的去除效果[J]. 生态与农村环境学报，2011，27(3)：82-86.

Hu Gengdong, Song Chao, Chen Jiazhang, et al. Modeling of water circulating pond aquaculture system and its N&P removal effect[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2011, 27(3): 82-86. (in Chinese with English abstract)

[6] 罗西玲，邢磊，徐宾铎，等. 辽河口芦苇湿地河蟹养殖区水体N、P营养盐和COD的变化[J]. 海洋湖沼通报，2016(3)：20-27.

Luo Xiling, Xing Lei, Xu Binduo, et al. Variations in nitrogen and phosphorous nutrients and COD in the river crab aquaculture areas in reed wetland of Liaohe Estuary[J]. Transactions of Oceanology and Limnology, 2016(3): 20-27. (in Chinese with English abstract)

[7] 吴凯，马旭洲，王友成，等. 池塘河蟹生态养殖对水环境的影响[J]. 上海农业学报，2016，32(6)：69-74.

Wu Kai, Ma Xuzhou, Wang Youcheng, et al. Effect of pond eco-culture of river crabs on water environment[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2016, 32(6): 69-74. (in Chinese with English abstract)

[8] 杨菁，管崇武，宋红桥，等. 基于物质平衡的对虾高位池循环水养殖系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(14)：217-222.

Yang Jing, Guan Chongwu, Song Hongqiao, et al. Design and test of mass balance-based recirculating aquaculture system for higher place shrimp pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 217-222. (in Chinese with English abstract)

[9] 王成成，焦聪，沈珍瑶，等. 中国水产养殖尾水排放的影响与防治建议[J]. 人民珠江，2020，41(1)：89-98.

Wang Chengcheng, Jiao Cong, Shen Zhenyao, et al. Effect of wastewater discharge of aquaculture and its prevention &treatment suggestion in China[J]. Pearl River, 2020, 41(1): 89-98. (in Chinese with English abstract)

[10] 谢辉亮，徐钢春，王裕玉，等. “流水养殖槽—虾—蟹”串联式循环水养殖模式净化效能的研究[J]. 大连海洋大学学报，2021，36(1)：118-126.

Xie Huiliang, Xu Gangchun, Wang Yuyu, et al. Purification efficiency in an “in-pond raceway recirculating (IPRS) -shrimp-crab” tandem system aquaculture model[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2021, 36(1): 118-126. (in Chinese with English abstract)

[11] 程果锋，吴宗凡，时旭，等. 温室池塘高密度循环水养殖系统构建[J]. 上海海洋大学学报，2014，23(1)：37-42.

Cheng Guofeng, Wu Zongfan, Shi Xu, et al. High density recirculating aquaculture system with greenhouse pond for California perch () and culture[J]. Journal of Shanghai Ocean University, 2014, 23(1): 37-42. (in Chinese with English abstract)

[12] 田昌凤，刘兴国，车轩，等. 分隔式循环水池塘养殖系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：183-190.

Tian Changfeng, Liu Xingguo, Che Xuan, et al. Design and experiment of partitioned recirculating aquaculture pond system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 183-190. (in Chinese with English abstract)

[13] 刘鹰. 欧洲循环水养殖技术综述[J]. 渔业现代化，2006(6)：47-49.

[14] Lazur A M, Pouder D B, Hill J E. Preliminary evaluation of gulf sturgeon production and sustainability of a zero-discharge pond water recirculating tank system[J]. North American Journal of Aquaculture, 2008, 70(3): 281-285.

[15] 陈坚，柯爱英. 贝、蟹、藻多池循环水生态养殖技术研究[J]. 科学养鱼，2010(2)：35-36.

[16] 陈雷雷，胡庆松，杜舟，等. 一种气提推水折回式全塘流动的蟹塘养殖自净系统：201821297643.7[P]. 2019-04-12.

[17] 张俊新，李明智，李晓丽，等. 循环水养殖净化装置设计及循环水量影响因素研究[J]. 渔业现代化，2018，45(1)：12-18.

Zhang Junxin, Li Mingzhi, Li Xiaoli, et al. Study on the design of purification device for recirculating aquaculture and the influence factors of circulating water flow[J]. Fishery Modernization 2018, 45(1): 12-18. (in Chinese with English abstract)

[18] 林进跃. 气提装置在污水处理站中的应用[J]. 山东工业技术，2015(12)：220-221.

[19] 周长仁，胡超. 射流器在水处理工程中的应用[J]. 科学中国人，2017(17)：16-17.

[20] 李冬梅，高永利，田甜，等. 水体扰动对多种赤潮藻生长的影响[J]. 热带海洋学报，2010，29(6)：65-70.

Li Dongmei, Gao Yongli, Tian Tian, et al. Effects of turbulence on phytoplankton: species differences[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2010, 29(6): 65-70. (in Chinese with English abstract)

[21] 吴宗凡，程果锋，王贤瑞，等. 移动式太阳能增氧机的增氧性能评价[J]. 农业工程学报，2014，30(23)：246-252.

Wu Zongfan, Cheng Guofeng, Wang Xianrui, et al. Evaluation on aeration performance of movable solar aerator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(23): 246- 252. (in Chinese with English abstract)

[22] 胡鹏，杨庆，杨泽凡，等. 水体中溶解氧含量与其物理影响因素的实验研究[J]. 水利学报，2019，50(6)：679-686.

Hu Peng, Yang Qing, Yang Zefan, et al. Experimental study on dissolved oxygen content in water and its physical influence factors[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2019, 50(6): 679-686. (in Chinese with English abstract)

[23] 吴凯，马旭洲，王友成，等. 河蟹生态养殖池塘不同水层水质变化的研究[J]. 上海农业学报. 2018，34(1)：46-51.

Wu Kai, Ma Xuzhou, Wang Youcheng, et al. Study on the change of water quality in different layers in the crab eco-culture ponds[J]. Acta Agriculturae Shanghai, 2018, 34(1): 46-51. (in Chinese with English abstract)

[24] Miladinovic N, Weatherly L R. Intensification of ammonia removal in a combined ion-exchange and nitrification column[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 135(1): 15-24.

[25] Wett B, Rauch W. The role of inorganic carbon limitation in biological nitrogen removal of extremely ammonia concentrated wash water[J]. Water Research, 2003, 37(5): 1100-1110.

Design and experiment on crab ecological culture system using internal circulation and self-purification in a pond

Chen Leilei1, Du Zhou1, Hu Qingsong1※, Huang Chun2, Li Jun1

(1.,,201306,; 2.,202150,)

(Chinese mitten crab) is one of the most important freshwater aquaculture species in China. Pond farming has widely been applied in severalaquaculture modes. In this study, an improved, logical aquaculture system was proposed for better purification ability of pond water using the core technology of internal circulating and self-purification. Soft barricading was utilized to divide the aquaculture pond into two relatively independent functional areas, including the aquiculture and water self-purification areas. The specific procedure was as follows. 1) The air lifting and water pushing and jet device were designed to serve as the power source of water circulation in the aquiculture area. The air lifting and water pushing device pushed the water from the water self-purification to the aquiculture area, where the content of dissolved oxygen improved with a relatively low fluctuation of water temperature in the pond. The jet device created microfluidics in the dead corner of a pond or the area with dense aquatic plants. 2) The water self-purification area was designed to serve as the water circulation reverse-flow system, aiming at suspended solid filtration, physical absorption, sterilization, and water cooling in the backflow of internal circulation. 3) A field test was carried out in the Shanghai Baodao Crab Company to evaluate the ecological aquaculture system. The test pond with an area of 9 600 m2was located at 31°74¢N, 121°23¢E. Two parts of a pond were divided into an ecological aquaculture system, including the aquiculture area of 8 644 m2and the water self-purification area of 956 m2. The results were showed as following: 1) The flow rate of each air lifting and water pushing device was tested to be 187 m3/h. The pond water was exchanged more than twice a day. 2) The standard deviation of temperature fluctuation was lower than that of the traditional mode. The average value for equilibrium degree of water temperature was 0.893, 10.17% higher than that in the traditional mode with 0.811 equilibrium degree of water temperature. 3) The average value of dissolved oxygen in the deepwater layer (below 70 cm) was 4.498 mg/L, 18.57% higher than that in the traditional mode. 4) The average concentration of ammonia nitrogen was 19.2% lower than that of the traditional mode. Consequently, the water quality of the ecological aquaculture system was much better than that of the traditional mode. 200 crab samples (100 female crabs and 100 male ones) were randomly selected from the test and traditional pond (control group). The comparison result showed that the yield of crab increased 17.9% using the ecological aquaculture system, where the male crabs over 200 g increased 45%, and the female crabs over 150 g increased 35.0%. The finding can provide a great reference toaquaculture industry.

aquaculture; design; experiment;; ecological culture; pond circulation; water self-purification technology; air lifting and water pushing

2020-12-20

2021-02-25

上海市科技兴农推广项目（沪农科推字（2018）第1-4号），国家自然科学基金项目（51309150）

陈雷雷，博士，副教授，研究方向为农业与海洋装备技术。Email：llchen@shou.edu.cn

胡庆松，教授，博士生导师，研究方向为海洋工程与信息。Email：qshu@shou.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028

S968.2

A

1002-6819(2021)-07-0227-08

陈雷雷，杜舟，胡庆松，等. 基于塘内循环自净的河蟹生态养殖系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(7)：227-234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028 http://www.tcsae.org

Chen Leilei, Du Zhou, Hu Qingsong, et al. Design and experiment on crab ecological culture system using internal circulation and self-purification in a pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 227-234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028 http://www.tcsae.org