基于氨氮平衡的水產(chǎn)養(yǎng)殖換水率計算方法研究

張宇雷， 曹 偉， 蔡計強(qiáng)

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室,中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

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基于氨氮平衡的水產(chǎn)養(yǎng)殖換水率計算方法研究

張宇雷， 曹 偉， 蔡計強(qiáng)

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室,中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

為進(jìn)一步掌握海水養(yǎng)殖魚類氮排泄的規(guī)律，準(zhǔn)確計算養(yǎng)殖所需換水率(量)，為深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖平臺養(yǎng)殖模式與系統(tǒng)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。研究了斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)在不同投飼頻率條件下的排氨情況，分析了維持氨氮平衡所需換水率的優(yōu)化計算方法，并通過流水實驗進(jìn)行驗證。結(jié)果顯示，斑石鯛在空腹、日投喂1、2、3次等4種條件下，水體氨氮質(zhì)量濃度隨時間變化基本呈線性增長趨勢，排氨率平均值分別為(6.23±6.71)、(18.16±11.90)、(21.69±17.52)和(17.98±12.93)mg/(kg·h)。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，提出基于氨氮平衡的換水量計算方法。以該計算方法獲得換水率分別為0.18、0.55、0.66和0.55次/h。驗證實驗中，設(shè)計養(yǎng)殖密度13.4 kg/m3，計算所需換水率為1.09次/h(換水量 0.147 m3/h)。在該條件下的流水養(yǎng)殖實驗結(jié)果表明，氨氮能夠穩(wěn)定維持在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

排氨率；換水率；養(yǎng)殖工船；斑石鯛

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)方式粗放，受外部水域環(huán)境惡化與內(nèi)部水質(zhì)劣化的影響，內(nèi)陸和沿海近岸的養(yǎng)殖空間受到擠壓，養(yǎng)殖產(chǎn)品安全問題日益突出[1]。走向深遠(yuǎn)海，開展海水養(yǎng)殖是滿足日益增長的水產(chǎn)品供給需求的重要途徑[2]。國外在深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖有較多實踐可供參考[3-4]。2014年，農(nóng)業(yè)部中國水產(chǎn)科學(xué)研究院聯(lián)合相關(guān)企業(yè)正式啟動了國內(nèi)首個深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖平臺的構(gòu)建。該養(yǎng)殖平臺由10萬t級阿芙拉型油船改裝而成，能夠提供養(yǎng)殖水體近8萬m3，滿足3 000 m水深以內(nèi)的水產(chǎn)品海上養(yǎng)殖、加工、冷藏等[5]。巨大的養(yǎng)殖規(guī)模要求養(yǎng)殖平臺能夠提供大量水源保證養(yǎng)殖生產(chǎn)。因此，準(zhǔn)確計算養(yǎng)殖所需要的換水量，盡可能減少每天的排換水，對于減少平臺的運(yùn)行維護(hù)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。本研究以斑石鯛(Oplegnathuspunctatus)為對象，采用實驗方法獲得其在不同投喂頻次條件下的排氨率，優(yōu)化提出基于氨氮平衡的換水率(量)計算方法，旨在為平臺養(yǎng)殖模式的完善和養(yǎng)殖系統(tǒng)的精準(zhǔn)設(shè)計提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗對象

選用萊州明波公司提供的斑石鯛，體質(zhì)量平均(301.0±46.7)g，馴養(yǎng)在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)，實驗前停止喂食2 d。斑石鯛屬廣溫、廣鹽性魚類，生存水溫6～32 ℃，適宜水溫22～28 ℃，適宜鹽度15～33[6-7]。

1.2 試驗用水和飼料

試驗用水(鹽度1)通過自來水添加海水晶(上海藍(lán)海水產(chǎn)發(fā)展有限公司)配置，蓄存于2個水缸內(nèi)，24 h不間斷曝氣備用，氨氮質(zhì)量濃度分別為0.05 mg/L和0.17 mg/L，水溫22～27℃。所用飼料為艾樂牌海水魚飼料，其營養(yǎng)成分：蛋白質(zhì)≥47%，脂類≥14%，纖維≤3%，水分≤10%，灰分≤8%，鈣≥0.8%，總磷≤2%，氨基酸≥3.3%。

1.3 試驗方法

采用靜水方式測定水體中的氨氮質(zhì)量濃度隨時間變化的曲線，根據(jù)曲線斜率計算出養(yǎng)殖對象的排氨率，再根據(jù)排氨率計算出所需要的換水率，同時與采用流水養(yǎng)殖實驗結(jié)果進(jìn)行對比。靜水排氨率實驗分為4組，分別為1個空白組、3個實驗組(A、B、C)。空白組：將3尾斑石鯛蓄養(yǎng)在實驗魚缸內(nèi)，不投喂飼料；實驗組A：使用3尾斑石鯛，9:00投喂1次，10.3 g/次；實驗組B：使用3尾斑石鯛，9:00和20:00各投喂1次，5.2 g/次；實驗組C：使用3尾斑石鯛，9:00、17:00和00:00各投喂1次，每次3.5 g/次。流水養(yǎng)殖實驗使用6尾斑石鯛，早中晚各投喂1次，投喂量為6.8 g/次。各試驗組均采用連續(xù)監(jiān)測，不設(shè)平行組。

1.4 試驗系統(tǒng)

實驗魚缸直徑700 mm，水深350 mm，水體量135 L；蓄水池直徑2 m，水深800 mm(圖1)。靜水排氨率實驗不換水，因此不使用蓄水池。進(jìn)行流水養(yǎng)殖實驗時，通過水泵將蓄水池內(nèi)的水抽入實驗魚缸內(nèi)，再由魚缸內(nèi)的水位插管溢流排出，水流量可調(diào)范圍為50～400 L/h。

圖1 實驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.5 測定與分析方法

1.5.1 排氨率

排氨率計算方法：將單位時間內(nèi)實驗水體中的氨氮增加量除以實驗魚體重。

FAOE=(Ct2-Ct1)× V/ TBW(t2-t1)

(1)

式中：FAOE—斑石鯛排氨率，mg/(kg·h)； Ct2—t2時刻水體氨氮濃度，mg/L； Ct1—t1時刻水體氨氮濃度，mg/L；V—實驗用魚缸體積，L；t2—排氨率測定時間段結(jié)束時刻，h；t1—測定時間段開始時刻，h；TBW—實驗魚總體重，kg。

1.5.2 換水率

水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中一般將單位時間內(nèi)干凈水流入系統(tǒng)內(nèi)的體積量稱為換水量，而將單位時間內(nèi)系統(tǒng)水體被干凈水替代的百分比稱為換水率。本文提出的基于氨氮平衡的換水率計算方法為：使得通過換水排出的氨氮總量大于或等于由于養(yǎng)殖對象排泄活動所產(chǎn)生的氨氮總量。

QTAN≥PTAN

(2)

式中：QTAN—通過換水排出的氨氮總量，mg/h，計算方法見公式(3)；PTAN—養(yǎng)殖對象排泄活動所產(chǎn)生的氨氮總量，mg/h，計算方法見公式(4)。

QTAN=Qwater×(Climit-C0)×1 000

(3)

PTAN= FAOE×TBW

(4)

式中：Qwater—基于氨氮平衡的換水量計算值，m3/h；Climit—養(yǎng)殖管理要求的氨氮控制上限，參考漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)[8]設(shè)為0.37 mg/L；C0—干凈水氨氮濃度，即蓄水池內(nèi)氨氮濃度，經(jīng)檢測為0.15 mg/L；1 000為單位換算系數(shù)，mg/g。

整理公式(1)～(3)即可獲得基于氨氮平衡的換水量和換水率計算方法。

Qwater=f×FAOE×TBW/1 000(Climit-C0)

(5)

iwater= Qwater/V

(6)

式中：f—水溫和鹽度經(jīng)驗系數(shù)，本實驗假設(shè)為1；iwater—換水率，次/h。

1.5.3 水化學(xué)指標(biāo)測定

水溫、pH、鹽度和溶氧濃度等采用美國產(chǎn)YSI多參數(shù)水質(zhì)分析儀測定；氨氮濃度采用哈希試劑盒測試；數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析與作圖使用Excel2010軟件處理。

2 結(jié)果

2.1 投喂頻率對水體氨氮濃度變化的影響

圖2為空白組(不投喂飼料)條件下，實驗魚缸內(nèi)水體氨氮濃度隨時間變化的情況。實驗水溫22 ℃，溶氧濃度6.6 mg/L，pH 8.19。可以發(fā)現(xiàn)，氨氮濃度比較有規(guī)律地呈現(xiàn)階梯狀上升趨勢。9:00至17:00，8 h內(nèi)氨氮濃度從0.7 mg/L上升到0.95 mg/L。

圖2 斑石鯛空腹條件下水體氨氮濃度隨 時間變化曲線Fig.2 TAN concentration in the culture tank with starved oplegnathus punctatus

圖3 為實驗組A、B、C(即日投喂1次、2次和3次)條件下測得的實驗魚缸內(nèi)水體氨氮濃度隨時間變化情況。實驗水溫為23～26℃，溶氧濃度5.5～6.4 mg/L，pH 8.05～8.66。從中可以看出，氨氮濃度基本上隨時間變化呈線性增長，而且在24 h內(nèi)沒有出現(xiàn)變緩的趨勢。采用線性擬合曲線所得斜率分別為0.123 4、0.140 1和0.100 6。

圖3 不同投喂頻率條件下斑石鯛養(yǎng)殖水體 氨氮濃度隨時間變化曲線Fig.3 TAN concentration in the culture tank with oplegnathus punctatus under different feeding ratios

2.2 排氨率隨時間變化情況

根據(jù)公式(1)計算所得，空白組條件下斑石鯛排氨率平均值為(6.23±6.71) mg/(kg·h)，最高值為14.96 mg/(kg·h)。圖4分別為實驗組A、B和C斑石鯛攝食后的不同排氨率。日投喂1次：平均值為(18.16±11.90)mg/ (kg·h)。攝食后1 h排氨率即達(dá)到攝食前的3～4倍，并保持這一水平，然后在第8小時和第12小時出現(xiàn)2個高峰，最高值達(dá)到44.87 mg/(kg·h)。日投喂2次：平均值為(21.69±17.52)mg/(kg·h)。第1次投喂后的第5小時，排氨率即達(dá)到一個較高水平44.87 mg/(kg·h)；第2次投喂后的3 h內(nèi)，排氨率降低至攝食前水平，然后在第12小時和第15小時達(dá)到峰值59.82 mg/(kg·h)。日投喂3次：平均值為(17.98±12.93)mg/(kg·h)。峰值出現(xiàn)在了投喂后第1小時，達(dá)到44.87 mg/(kg·h)，其他時刻基本維持在37.39 mg/(kg·h)以下，沒有出現(xiàn)較明顯的峰值。

圖4 不同日投喂次數(shù)下的斑石鯛排氨率Fig.4 Ammonia excretion rate of oplegnathus punctatus under different feeding frequencies

根據(jù)空白組、實驗組A、B和C測得的斑石鯛排氨率，采用公式(4)和(5)計算維持水體氨氮平衡所需換水量和換水率(表1)。其中，實驗組B最高，A和C幾乎一致。其原因可能是由于氣候關(guān)系，水溫持續(xù)上漲，導(dǎo)致實驗前后溫差達(dá)到4～5℃；其次，由于研究出發(fā)點是為養(yǎng)殖工程設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)支撐而不是純粹研究斑石鯛生理特性，因此實驗過程中并未將魚類糞便進(jìn)行及時清理，可能會對氨氮濃度產(chǎn)生影響，從而影響排氨率計算的準(zhǔn)確性?？傮w來看，實驗組C的排氨率變幅較小，相對平穩(wěn)，更有利于水質(zhì)穩(wěn)定和魚類生長。

表1 不同組別計算所得換水量和換水率Tab.1 Water flow rate and exchange ratio of different test groups

2.3 流水養(yǎng)殖實驗

采用流水養(yǎng)殖實驗，通過監(jiān)測水體中的氨氮濃度來驗證基于氨氮平衡的換水率計算方法的可靠性。實驗設(shè)計使用6條斑石鯛，日投喂飼料3次，水溫27℃，溶氧濃度6.3 mg/L，pH 8.85。同時，根據(jù)排氨率17.98 mg/(kg·h)，按照上述公式計算所需換水量和換水率分別為0.147 m3/h和1.09次/h。實驗結(jié)果如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在監(jiān)測的18 h內(nèi)，氨氮濃度小幅震蕩，緩慢增加，從0.26 mg/L上升到0.35 mg/L，未超過設(shè)定上限(0.37 mg/L)。氨氮濃度小幅上升的原因主要是由于實驗水溫高于前期排氨率實驗水溫。根據(jù)相關(guān)研究報道[9-11]，水溫升高會導(dǎo)致魚類排氨率的增加(前提是不超過該品種的適溫條件)。

圖5 流水條件下水體氨氮濃度隨時間 變化曲線Fig.5 TAN concentration in the culture tank under water flow-through condition

3 討論

3.1 斑石鯛排氨率

對于斑石鯛排氨率的研究，國內(nèi)還未見報道，但對其他海水魚類的相關(guān)研究較多，其范圍一般在3.985～82 mg/(kg·h)[12-14]。Timmons等[15]研究認(rèn)為，養(yǎng)殖水體中每天的氨氮產(chǎn)生量可根據(jù)公式：PTAN=0.092·F·MPC計算，式中：PTAN為日氨氮產(chǎn)生量，g/day；0.092為半經(jīng)驗系數(shù)；F為投飼量，g/day；MPC為飼料蛋白質(zhì)含量，%。以此計算得出：日投喂飼料10.3 g，養(yǎng)殖水體中氨氮產(chǎn)生量為21 mg/(kg·h)，稍大于本實驗獲得的結(jié)果，即17.98 ～21.69 mg/(kg·h)。以上研究報道的結(jié)論雖與本文研究結(jié)果存在一定的偏差，但由于魚類品種和養(yǎng)殖工況的差異，可以認(rèn)為其在可接受范圍內(nèi)。

3.2 斑石鯛排泄規(guī)律

王占全等[16]研究了體質(zhì)量(30.25±2.50)g 的哲羅魚幼魚在4 個溫度下攝食前后的排氨率。結(jié)果顯示：飽食后，4 個溫度組哲羅魚幼魚的排氨率先升高后降低，其中在(11.5±0.5)℃組產(chǎn)生2 個峰值，分別在第5小時和第11小時；另外3個溫度組都在12～15 h有1 個峰值。沈勤等[17]研究結(jié)果顯示，大黃魚攝食后有2個明顯的排氨高峰期，一個出現(xiàn)在攝食后，另一個出現(xiàn)在攝食后30～34 h；大黃魚在攝食24 h 后，排氨率沒有恢復(fù)到攝食前水平。李治等[18]實驗結(jié)果顯示，南方鲇攝食(10.1±0.9)h后，排氨率達(dá)到峰值(76.1±2.5)mg /(kg·h)，經(jīng)過(37.2±2.8)h恢復(fù)到攝食前水平。本實驗總體上與上述研究結(jié)果一致，在日投喂1次條件下，斑石鯛排氨率峰值出現(xiàn)在8 h和12 h，隨著投喂次數(shù)增加(總攝食量不變)，排氨率峰值出現(xiàn)時間提前；在日投喂3次條件下，峰值出現(xiàn)在投喂后1 h內(nèi)，后期排氨率變化幅度相對較弱。因此認(rèn)為斑石鯛投喂策略以少量多次為宜。

3.3 換水率

國內(nèi)在流水養(yǎng)殖技術(shù)方面的研究應(yīng)用已有較長時間，系統(tǒng)所需換水率通常根據(jù)經(jīng)驗。據(jù)研究報道，“溫室大棚+深井海水”大菱鲆工廠化養(yǎng)殖模式，要求放養(yǎng)400～500 g大菱鲆20～30尾/m2(水深60～100 cm計，養(yǎng)殖密度為10～25 kg/m3)，換水率一般保持在5～10次/d(即0.21～0.42次/h)[19]；北方地區(qū)使用池塘養(yǎng)殖虹鱒30 尾/m2(按照0.5 kg/尾，水深1 m計，養(yǎng)殖密度為15 kg/m3)條件下，換水率必須要達(dá)到2次/h以上[20]。本實驗研究結(jié)果顯示，在養(yǎng)殖密度為13.4 kg/m3條件下，換水率1.09次/h即可維持氨氮的平衡，該數(shù)據(jù)低于虹鱒養(yǎng)殖方式，高于大菱鲆養(yǎng)殖方式。分析其原因，主要是由于大菱鲆的排氨率遠(yuǎn)低于斑石鯛。研究表明，平均體重(264.11±35.79)g的大菱鲆，在水溫15℃、鹽度35條件下，排氨率為(2.831±0.662 )mg/(kg·h)，僅僅是斑石鯛的15.7%[21]。由此表明，本實驗研究提出的計算方法科學(xué)合理，對于水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計構(gòu)建有較好的參考價值。

4 結(jié)論

采用靜水實驗方法監(jiān)測養(yǎng)殖水體氨氮濃度隨時間變化情況，計算出斑石鯛在空腹、日投喂1、2、3次的排氨率，分別為(6.23±6.71)mg/(kg·h)、(18.16±11.90)mg/(kg·h)、(21.69±17.52)mg/(kg·h)和(17.98±12.93)mg/(kg·h)。根據(jù)物質(zhì)平衡原理，推演獲得換水率計算公式。實驗驗證結(jié)果表明：養(yǎng)殖水體氨氮濃度可以控制在設(shè)計指標(biāo)范圍內(nèi)。需要說明的是，該公式僅考慮了氨氮的物質(zhì)平衡，而沒有考慮溶氧、堿度、二氧化碳等水質(zhì)指標(biāo)，因此僅適用于低密度的流水養(yǎng)殖模式。

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ZHANG Yulei,CAO Wei,CAI Jiqiang

(LaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture,FisheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

In order to deeply understand the nitrogen excretion rules of marine cultured fish,precisely calculate the water exchange ratio (amount) needed,and provide basic data and technical support for the design of Deep Sea Aquaculture Farming Platform,TAN excretion rate ofOplegnathuspunctatusunder different feed frequencies was studied and the calculation method of water exchange ratio was analyzed.Results show that the ammonia excretion rate ofOplegnathuspunctatusis (6.23±6.71)mg/(kg·h) under starved condition,(18.16±11.90)mg/(kg·h) when fed one time per day,(21.69±17.52)mg/(kg·h) when fed two times per day,and (17.98±12.93)mg/(kg·h) when fed three times per day.Based on the principle of mass balance,one kind of water exchange ratio calculation method is put forward for keeping TAN stable.By using the method,the water exchange ratio under 4 different conditions are 0.18,0.55,0.66,and 0.55 times/h,respectively.The verification test is under the condition of culture density 13.4 kg/m3,and the water exchange ratio is calculated as 1.09 times/h.Results show that TAN concentration can be maintained within the required level of the test design.

ammonia excretion rate; water exchange ratio; farming platform;Oplegnathuspunctatus

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.001

2016-07-25

2016-09-28

上海市科委科研計劃項目(15DZ1202102)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資金資助(CARS-50)

張宇雷(1980—)，男，副研究員，研究方向：漁業(yè)裝備與工程技術(shù)。E-mail：zhangyulei@fmiri.ac.cn

S964.9；S959

A

1007-9580(2016)05-001-06