基于人工濕地的海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建與運(yùn)行效果研究

鐘 非,魏靜靜,趙永超,陳玉生,許程林,李 多,吉紅九

(1 江蘇省海洋水產(chǎn)研究所，江蘇 南通 226007；2 南通大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019)

近年來中國海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，2015年海水養(yǎng)殖產(chǎn)量占全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量的28%[1]，海水養(yǎng)殖業(yè)趨向集約化、高密度、高產(chǎn)出的養(yǎng)殖模式[2]。但是，該模式生產(chǎn)穩(wěn)定性較差，養(yǎng)殖水環(huán)境惡化與流行性病害暴發(fā)易引起養(yǎng)殖對象大規(guī)模死亡[3-5]，此外，養(yǎng)殖廢水的隨意排放對受納水域生態(tài)環(huán)境具有嚴(yán)重威脅[6-9]，并可能加劇優(yōu)質(zhì)養(yǎng)殖水源短缺[10]。因此，必須采取措施改善養(yǎng)殖水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體的循環(huán)利用。目前，海水工廠化養(yǎng)殖已經(jīng)形成成熟的循環(huán)水處理工藝，并在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用[11]，然而，海水池塘養(yǎng)殖仍然采用粗放的大排大灌模式。國內(nèi)對海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖模式研究已有相關(guān)報(bào)道[10，12]，然而在江蘇沿海區(qū)域，與當(dāng)?shù)仞B(yǎng)殖模式及地域條件相適應(yīng)的水處理工藝亟待開展研究。

人工濕地由基質(zhì)填料[13]、植物[14]和微生物[15]三部分組成，可對各類污水進(jìn)行有效處理[16]，并已成功應(yīng)用于淡水[17]和淡咸水[18]養(yǎng)殖系統(tǒng)，但在海水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用不多[19]。缺乏耐鹽植物是限制人工濕地在海水養(yǎng)殖系統(tǒng)中應(yīng)用的主要原因之一[20]。在人工濕地中種植紅樹林植物用于養(yǎng)殖廢水處理已有報(bào)道[21]，但是紅樹林植物在江蘇地區(qū)面臨越冬問題。江蘇沿海灘涂常見耐鹽植物主要有互花米草和鹽角草，其耐鹽范圍廣，對氮、磷的去除率與紅樹林植物基本相當(dāng)[22-24]?；诮K海水養(yǎng)殖池塘的現(xiàn)狀，本研究選取互花米草和鹽角草作為濕地植物，構(gòu)建以人工濕地為核心的海水池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過比選人工濕地的運(yùn)行方式及濕地植物種類，分析人工濕地對養(yǎng)殖池塘水體的調(diào)控效果，評估養(yǎng)殖對象的生長情況，研發(fā)適用于江蘇地區(qū)的海水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝，為海水池塘養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 養(yǎng)殖系統(tǒng)

養(yǎng)殖系統(tǒng)位于江蘇省海洋水產(chǎn)研究所東凌試驗(yàn)場，有面積為40 m2的海水養(yǎng)殖土池四口(海水鹽度25.3±2.5)，其中，試驗(yàn)池Z1和Z2用作水體循環(huán)養(yǎng)殖，僅在每月測量養(yǎng)殖對象生物學(xué)指標(biāo)時(shí)排水并補(bǔ)水；Z3和Z4池設(shè)為對照池，每周向外界排放廢水并換水(圖1)。海水循環(huán)處理系統(tǒng)由儲水箱和人工濕地組成，Z1水體通過自動控制水泵抽提至設(shè)有非接觸式水位傳感器的儲水箱，儲水箱通過電磁閥向人工濕地均勻供水。人工濕地分為兩組(CW1和CW2)，每組有3套平行系統(tǒng)，面積為0.35 m2，分別種植鹽角草(Salicorniaeuropaea)和互花米草(Spartinaalterniflora)，均填充黃沙(粒徑1～3 mm，層高35 cm)和礫石(粒徑10～20 mm，層高5 cm)，水流流向?yàn)橄滦写怪绷?。兩組人工濕地出水自流進(jìn)入Z2，當(dāng)Z2池水位達(dá)到一定高度，水體漫溢至Z1池，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖水體處理與循環(huán)利用。人工濕地運(yùn)行模式分為兩個(gè)階段，2017年7月6日至8月13日為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)階段(處理水量6 m3/d，水力負(fù)荷3 000 mm/d)，2017年8月14日至10月30日為間歇運(yùn)轉(zhuǎn)階段(處理水量0.6 m3/d，水力負(fù)荷300 mm/d)。

圖1 人工濕地異位處理養(yǎng)殖系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of ectopic recirculating mariculture system for constructed wetland

Z1、Z3和Z4文蛤(Meretrixmeretrix)投放密度分別為400粒/m2、200粒/m2和200粒/m2；Z2和Z4分別投放脊尾白蝦(Exopalaemoncarinicauda)20 000尾和10 000尾；Z1、Z3和Z4各投放羅非魚(Oreochromisspp.)10尾。所投放文蛤、脊尾白蝦和羅非魚的規(guī)格分別為3.08 g/粒、0.55 g/尾和124 g/尾。在文蛤養(yǎng)殖池塘中投放少量羅非魚主要用于控制滸苔生長。Z2和Z4依照脊尾白蝦養(yǎng)殖密度投喂配方飼料，Z3雖未養(yǎng)殖脊尾白蝦，仍然投入與Z4等量飼料，Z1不投飼。

1.2 樣品采集與分析

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS軟件，通過單因素方差分析判別種植不同植物的人工濕地(CW1和CW2)出水，以及不同養(yǎng)殖池塘間(Z1、Z2、Z3和Z4)水體水質(zhì)是否存在顯著性差異；通過配對T檢驗(yàn)判斷循環(huán)池塘(Z1和Z2)和對照池塘(Z3和Z4)中的養(yǎng)殖對象主要生物學(xué)指標(biāo)是否存在顯著性差異。

2 結(jié)果與討論

2.1 人工濕地凈化效率

表1 人工濕地連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)與間歇運(yùn)轉(zhuǎn)階段進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Water quality in the influent and effluent of the constructed wetland under continuous and intermittent operation

注：a、b表示兩組濕地出水中各水質(zhì)指標(biāo)是否存在顯著性差異(P< 0.05)；n表示樣本數(shù)

2.2 養(yǎng)殖池塘水質(zhì)狀況

表2 人工濕地間歇運(yùn)轉(zhuǎn)階段各養(yǎng)殖池塘水質(zhì) Tab.2 Water quality in the mariculture ponds at the stage of intermittent operation n=6

注：上標(biāo)a,b表示四口池塘間各水質(zhì)指標(biāo)是否存在顯著性差異(P<0.05)

2.3 池塘養(yǎng)殖對象產(chǎn)量

通過人工濕地循環(huán)處理，集成“魚-蝦-貝-草”的海水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)不僅水質(zhì)較好，養(yǎng)殖對象生長情況同樣良好。在收獲階段，Z2和Z4脊尾白蝦平均體長和規(guī)格相比于投苗階段時(shí)有明顯增加；Z1、Z3和Z4羅非魚平均體重比投苗階段時(shí)有明顯增加；Z1、Z3和Z4文蛤平均殼長和規(guī)格相比于投苗階段時(shí)變化不大(表3)。配對t檢驗(yàn)表明，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)Z2脊尾白蝦體長顯著高于Z4(P<0.05)，Z1文蛤殼長和Z3及Z4存在顯著性差異(P< 0.05)，而文蛤粒重在三口池塘間不存在顯著性差異。研究表明，相比于文蛤單養(yǎng)模式(Z3)，文蛤與脊尾白蝦單池混養(yǎng)模式(Z4)在實(shí)現(xiàn)文蛤增產(chǎn)的同時(shí)，還能增收脊尾白蝦7.1 kg。采用基于濕地循環(huán)水處理的文蛤(Z1)和脊尾白蝦(Z2)分池組合混養(yǎng)模式能進(jìn)一步提高脊尾白蝦的單位面積產(chǎn)量(表3)，并有效控制養(yǎng)殖廢水排放，在不影響?zhàn)B殖生產(chǎn)的同時(shí)具有較大的環(huán)境效益。但是相比于文蛤與脊尾白蝦單池混養(yǎng)模式，分池組合混養(yǎng)模式下文蛤產(chǎn)量出現(xiàn)了一定的下降，與研究預(yù)期存在差異。文蛤?yàn)榈讞p殼貝類，而脊尾白蝦常在池底棲息，單池混養(yǎng)模式下脊尾白蝦在池底活動可能導(dǎo)致文蛤閉殼，從而影響其濾水?dāng)z食；而分池組合混養(yǎng)模式隔離脊尾白蝦與文蛤生境，并通過脊尾白蝦養(yǎng)殖池塘表層溢出的富含藻類的水體保障文蛤養(yǎng)殖池塘的餌料供應(yīng)。Z1文蛤投放量是Z3和Z4的兩倍，密度過高可能是影響產(chǎn)量的主要原因。

表3 投苗與收獲階段不同池塘養(yǎng)殖對象的生長情況Tab.3 Growth of cultured species in the mariculture ponds at the beginning and end of the experiment

3 結(jié)論

選用不同濕地植物(互花米草與鹽角草)與運(yùn)行模式(間歇與連續(xù)兩種運(yùn)轉(zhuǎn))時(shí)，人工濕地對海水池塘養(yǎng)殖水體的凈化效率表明，間歇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)(水力負(fù)荷為300 mm/d)，鹽角草人工濕地對海水養(yǎng)殖水體氮、磷的凈化效果顯著高于互花米草濕地(P<0.05)，且對氨氮和亞硝態(tài)氮去除率較高，利用鹽角草濕地循環(huán)處理海水養(yǎng)殖池塘水體具有一定的可行性。基于濕地循環(huán)水處理的文蛤和脊尾白蝦分池混養(yǎng)模式能改善養(yǎng)殖池塘水質(zhì)，提升脊尾白蝦的單位面積產(chǎn)量。后續(xù)需要圍繞養(yǎng)殖對象密度設(shè)置、濕地與池塘面積配比優(yōu)化，以及濕地凈化效率提升等方面開展深入研究。

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