光伏渔业系统中水产光照偏好性与遮阴对生态渔业影响的研究进展与展望

陈金友, 吴 雪, 顾东清, 杨 晨, 许桂俊, 李国锋∗, 鲍恩财

(1.江苏省农业科学院农业设施与装备研究所,江苏 南京 210014;2.江苏省能源研究会,江苏 南京 210096;3.深能南京能源控股有限公司,江苏 南京 210019)

0 引言

光伏渔业系统(以下简称“渔光互补”)是一种在坑塘水面上建立光伏发电站,同时实现水体养鱼与水面发电功能的设施养殖系统。 在保证养殖用电需求,提高养殖管理水平的同时,又能有效利用土地资源,破解光伏发电用地困局,达到增加收益、节能减排的目的,从而使光伏发电与水产养殖相互支撑发展[1]。 近年来,国内“渔光互补”发电项目及模式呈爆发式增长,在江苏、安徽、山东、河北等地均有成功项目案例,但其在实际运行中暴露出诸多问题,其一在于各种应用或研究都侧重于如何优化模式提高光伏收益[2];其二是“渔光互补”中渔业养殖没有得到足够重视,系统性的研究工作较少[3]。

池塘水面建设光伏电站后,最直接的影响是降低池塘水体的光照强度,而光照强度的降低对池塘养殖有着较大影响。 本文充分分析了国内外相关研究,阐述了光照强度对水产品质、水生植物生长以及水质的影响,总结了目前光伏渔业系统发展的技术问题,展望了光伏渔业未来发展方向,以期为国内光伏渔业相关研究提供参考。

1 光伏渔业系统水产养殖研究现状

国内首个“渔光互补”项目于2012 年在江苏建湖并网,随后全国大部分地区陆续有“渔光互补”项目落地,相关专家学者针对性地做了相关研究工作。 文献[4] 研究了光伏板的存在对中华绒螯蟹的养殖环境与生长情况的影响,结果表明,光伏板遮阴显著降低了水体光照强度、溶氧与水温,但能满足中华绒螯蟹的生长需求,同时光伏板的存在对6、7 月份伊乐藻根系生长起到了保护作用,有效避免了高温季节对伊乐藻生长的不利影响,凸显出光伏板下养殖中华绒螯蟹的优势。 文献[5] 研究表明,6 月份之前非光伏区中华绒螯蟹显示出一定的生长优势,6 月份之后光伏区优势突出。 文献[6] 通过设置不同遮光度(0%、50%、75%),比较草鱼养殖池塘水质指标,浮游动植物情况,草鱼生长情况等,结果表明,50%和75%遮光组的pH 值、水温较低、碱度和氮磷比升高,蓝藻和浮游动物生物量下降,有利于草鱼养殖。文献[7-8] 在相关研究中得出类似结果,即一定程度(75%)的遮光有利于浮游植物生物量的增加,造成这一现象的原因可能是光伏板的存在使光照强度降低,减少了光抑制现象的发生,从而减缓水温降低幅度,浮游植物有较好的生存环境。 综上,在光伏渔业系统中进行水产养殖具有一定的优势与推广价值[9-11]。

2 水产摄食、生长所需最适光照强度

光伏渔业系统水面光照强度较低,对养殖动物生理活动及养殖水环境产生不同程度的影响,其影响有利有弊。 掌握水生动物摄食、生长所需适宜光照强度在渔光互补的研究与实践中起到至关重要的作用。

2.1 水产摄食所需的最适光照强度

光照是影响鱼类摄食行为的重要条件之一。 关于光照度对鱼类摄食的影响,不少研究结果肯定了两者之间存在密切关系[12-15]。 文献[12] 就光照强度与动物摄食之间的关系,提出了两种摄食模型。 其中S型摄食曲线是指随着光照强度的减弱,摄食量增大;当光照强度减弱到一定程度时,摄食量最大,且基本保持恒定。 另一种摄食模型是具有峰值的摄食模型,存在一个适宜的光照强度范围,在这个范围内摄食量最高,高于或低于这个光照强度摄食量都降低。 部分养殖品种摄食的最适光照强度如表1—2 所示。 其中大部分对光照强度要求较低,甚至具有避光性,即在黑暗条件下摄食强度更大。 在实践生产中,部分养殖品种傍晚投喂,天黑后出来吃食,如中华绒螯蟹,由此可见中华绒螯蟹摄食对光照需求较低。类似的品种还有克氏原螯虾。 在“渔光互补”池塘养殖中,优先选择最适光强较低的品种。

2.2 养殖动物生长所需最适光照强度

光照强度对养殖水产的生长速度同样具有种属特异性,对光照强度的需求有高有低。 降低光照强度使得部分养殖水产品种生长速度加快。 表3 列举了部分养殖水产品种最适生长所需光强。 在“渔光互补”项目中,需要尽可能选择生长所需光照强度较低的养殖品种。

表3 部分养殖水产品种最适生长所需光强

3 光伏板遮阴对藻类与沉水植物的影响

养殖池塘中常见的水生植物有藻类、沉水植物,其生长繁殖影响着池塘pH 值、溶氧等指标,是水体环境的重要组成部分,对水产动物的养殖有着决定性的影响。 水生植物的生长受到光照强度的影响,探究水生植物生长所需适宜光照强度在“渔光互补”养殖中至关重要。

3.1 光伏板遮阴对藻类生长的影响

光照强度是影响藻类生长的重要环境因子之一,不同藻种对光照需求差异显著[44]。 文献[45] 指出:对于每个藻种,都存在一个最适光强范围,即补偿光照强度和饱和光照强度之间,在此范围之外,藻类的生长均受到抑制。 文献[46] 总结了41 种常见藻类最适生长光照强度或范围,大多数藻种适应的光强范围基本都为20~200 μmol/(m2·s)。 文献[47] 指出,在其他浮游植物环境条件适宜的情况下,4 500 lx 是最适宜香溪河源水中混合浮游植物生长的光照条件,同时也是维持其多样性的适宜光照条件。 晴朗夏季,在水体表层很容易出现光抑制现象,对光合作用产生负面影响。 文献[48] 在滇池开展了遮光围隔试验,结果发现遮光率为85%时利于浮游植物生长,遮光率为99%时抑制浮游植物生长。 文献[49] 的研究结果表明,遮光能够大幅削减藻类生物量,显著抑制藻类光合产氧速率,促使藻类消亡。 文献[8] 研究发现安装光伏板后提高了水体浮游植物密度和生物量。 同时,不同的遮光率与季节对藻类生长、生物量的影响不同。 遮光率高对藻类生长影响较大,反之则影响较小。 春冬季节遮光对藻类的生长起到一定的负面作用,这是由于降低了藻类光合作用。 夏秋季光照强度大,出现光抑制现象,而光伏渔业系统遮光避免了光抑制现象,对藻类的生长起到正面作用。

3.2 光伏板遮阴对沉水植物生长的影响

沉水植物是典型的喜阴植物,光照过强,会抑制其光合作用的进行,其光强适应阈的上限可能限于1/3~1/2 全日照强度[50]。 光照强度对沉水植物的影响与藻类类似,同样有着相应的最适光照强度。 文献[51] 研究指出,供试验5 种沉水植物中苦草对光的需求最低;狐尾藻和金鱼藻对光的需求最高;菹草和黑藻对光的需求介于中间。 5 种沉水植物的光合作用都表现出强光抑制现象。 文献[52] 在光照对伊乐藻幼苗生长及部分光能转化特性的影响中表明,不同光照强度对伊乐藻幼苗株高、叶片数、鲜重有显著影响。其中5%自然光照组幼苗光适应能力明显高于其他组。 文献[53] 对洱海的15 中沉水植物的光合参数做出的测算数据表明,15 种沉水植物光补偿点为6.3~63.8 μE/(m2·s)、光饱和点为55.6 ~ 441.5 μE/(m2·s),其中苦草光补偿点6.3 μE/(m2·s)、饱和点55.6 μE/(m2·s)相比最低。 春冬季节光照强度低,“渔光互补”池塘中沉水植物生长相对缓慢、滞后。 但夏秋季节,光照强度大,产生一定程度的光抑制现象,不利于生长。 此时“渔光互补”系统下光伏板遮阴有利于沉水植物生长。 沉水植物除了受到光照强度的影响以外,水体透明度、藻类生物量对沉水植物获取光照资源影响较大。

4 光伏板遮阴对水质的影响

养殖池塘水体pH 值、溶氧、水温指标对养殖动物的摄食、消化吸收、生长速度、免疫力、病害等有较大的影响。 池塘水体pH 值、溶氧受到光合作用影响较大。 光合作用强烈使二氧化碳大量被消耗,产生大量氧气,导致水体pH 值、溶氧上升。 在“渔光互补”系统中,pH 值更稳定。 “渔光互补”工程中叶绿素a 浓度随时间呈波动上升趋势,溶解氧浓度先下降后升高并趋于稳定。 自然水体溶氧主要来源于光合作用产氧,光伏板存在导致水体溶解氧显著低于非光伏区(P<0.05)。 因此,“渔光互补”池塘养殖中,增氧成本增加。

光伏板遮阴降低了光照强度并由此导致水温降低。实验数据表明,光伏板的存在直接导致5 月、6 月、7 月以及8 月份每月平均最高水温显著低于对照组。

5 讨论

光照强度对池塘养殖的影响纷繁复杂。 不同光照强度对同一养殖品种有着不同的影响,同一光照强度对同一养殖品种不同的生长阶段有着不同的影响,不同养殖品种对光照强度的需求不同。 光照强度减弱对池塘环境的影响更为复杂。 (1)总体来看,水生动物对光照强度需求不高;(2)光照强度减弱对池塘养殖有利有弊。 光伏板遮阴稳定了高温期池塘水体环境,降低了高温期的养殖风险。 同时也减少池塘溶氧来源,降低池塘净化能力,增加养殖成本。

5.1 主要技术问题

目前,针对“渔光互补”的研究较少。 只能通过相关联的实验、论文去研究“渔光互补”的问题。 “渔光互补”仍旧处于研究、推广的初级阶段。 不仅在实验层面研究相关问题,更重要的是研产结合,推动产业健康发展。 在实际应用中,应重点考虑以下技术问题:(1)如何科学安装、使用增氧机以弥补遮阴导致的溶氧减少且避免浪费,是亟待解决的问题;(2)池塘光合作用强度降低,导致池塘净化能力降低,而净化能力一定程度上限制了养殖产量,为保证养殖效益,需提供额外的净化能力。 如何提供科学、低成本、高效的水质净化技术是目前一项重要的技术问题;(3)合理设计光伏板铺设密度与排布方式,寻求光伏发电与水产养殖的平衡点,既保证光伏的发电效益,同时让池塘养殖合理利用遮阴给养殖带来的优势,规避负面影响,保证较好的经济产出;(4)养殖方案设计之初充分考虑到遮阴给养殖带来的影响,结合当地养殖技术以及养殖习惯,深入把控不同养殖品种的光需求特性,筛选出适宜的养殖品种。

5.2 研究重点

基于以上技术问题,当前研究重点是:(1)科学监测“渔光互补”池塘中溶氧变化情况,全面地掌握池塘溶氧,建立“渔光互补”池塘中溶氧的收支模型,为增氧机的安装与使用提供依据;(2)如何科学地往池塘中添加碳源以及菌制剂,培养持续稳定的有益菌群落,建立更科学有效的生物絮团技术体系,利用有益菌净化池塘水质,弥补净化能力不足的问题;(3)监测不同光伏板布置密度、不同布置方式对池塘接收到的光照强度的影响,结合养殖动物及养殖环境所需的适宜光照强度,确定光伏发电与水产养殖的平衡点;(4)水产养殖动物生态习性的探索研究,在选择养殖品种之前充分了解养殖动物的光照需求。

6 结语

“渔光互补”是21 世纪起源于中国的新型渔业方式,是一种水上发电、水下养殖的新技术。 本文简单论述光照强度降低对池塘养殖的影响,并分析其中技术问题及研究重点。 展望未来“渔光互补”池塘养殖技术的发展方向与研究内容主要包括以下几个方面。

(1)坚持生态养殖,提高产品质量。 因光照限制,池塘生产力下降,在同样条件下产量下降。 因此注重产品质量,提高品质是“渔光互补”发展出路之一。

(2)池塘养殖的现代化、信息化、集约化、机械化、智能化是水产养殖发展的必由之路。

(3)增氧效率的提升,人工生产力成本的降低。增氧和添加人工生产力是“渔光互补”池塘养殖中最为重要的保持产量的手段,增氧效率的提升以及人工生产力成本的降低都是“渔光互补”养殖降本增效的有效手段。

(4)“渔光互补”前景广阔。 中国池塘养殖面积巨大,为全球之最。 做好池塘“渔光互补”不仅加快水产养殖业的转型速度,同时为能源转型提供重要助力。 随着研究的不断深入、产业的进一步发展,“渔光互补”的生态价值、经济价值将不断显现,进一步推动清洁能源的生产和池塘养殖绿色发展。