基于氮平衡的陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

郭紅喜 柯彥若 楊澤冰 李波 林育敏 周琰

摘 ? ?要：為合理確定陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，本研究運(yùn)用氮平衡理論，計(jì)算推導(dǎo)養(yǎng)殖系統(tǒng)水循環(huán)量、氧供給量、養(yǎng)殖池與配套池塘凈化區(qū)面積比例，并進(jìn)一步討論魚類糞便及殘餌的收集率對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。結(jié)果表明：加州鱸（Micropterus salmoides）陸基養(yǎng)殖條件下，在糞便及殘餌收集率不變情況下，養(yǎng)殖負(fù)荷由25 kg·m-3提高到50 kg·m-3，水循環(huán)量與氧氣供應(yīng)量均提高100%左右，水交換時(shí)間降低100%左右;在養(yǎng)殖負(fù)荷不變情況下，糞便及殘餌收集率由30%提高到60%，水循環(huán)量下降12.10%～12.12%，氧氣供應(yīng)量下降7.65%～7.78%，水交換時(shí)間提高13.77%～13.82%;說明養(yǎng)殖負(fù)荷對(duì)陸基養(yǎng)殖系統(tǒng)水循環(huán)率、水交換時(shí)間和氧氣供應(yīng)量的影響較糞便及殘餌收集率更大;另外，陸基養(yǎng)殖池面積與池塘凈化區(qū)面積之比宜為1.5%～1.7%。本研究中陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)有利于陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖;氮平衡;工藝參數(shù)

中圖分類號(hào)：S954.1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.11.011

Design of the Key Parameters for Land-based Aquaculture Systems Based on the Nitrogen Balance

GUO Hongxi，KE Yanruo，YANG Zebing， LI Bo， LIN Yumin， ZHOU Yan

（Wuhan Academy of Agricultural Sciences，Wuhan， Hubei 430065，China）

Abstract： To reasonably determine the key design parameters of land-based aquaculture system， the experiment calculated and deduced the amount of water circulation， oxygen supply， and area ratio of culture pond to supporting pond purification area of the culture system using the nitrogen balance theory， and further discussed the influence of the collection rate of fish manure and residual bait on the system operation. The results showed that under the same manure and residual bait collection rate， the culture load of Micropterus salmoides increased from 25 kg·m-3 to 50 kg·m-3， the water circulation and oxygen supply increased by about 100%， and the water exchange time decreased by about 100%; under the same culture load of Micropterus salmoides， the fish manure and residual bait collection rate increased from 30% to 60%， the water circulation decreased by 12.10%-12.12%， the oxygen supply decreased by 7.65%-7.78%， and the water exchange time increased by 13.77%-13.82% . The above results showed that the influences of culture load on water circulation rate， water exchange time and oxygen supply of land-based culture system were greater ?than the influences of manure and residual bait collection rate. ?In addition， the optimum ratio of the land-based culture pond area to the pond purification area should be 1.5%-1.7%. The key design parameters for land-based aquaculture systems in this experiment are beneficial to the promotion and application of land-based aquaculture technology.

Key words： land-based aquaculture systems; nitrogen balance; process parameters

改革開放以來，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)蓬勃發(fā)展，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量和總產(chǎn)值常年位居全球第一[1]。但我國(guó)傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖模式粗放，從業(yè)者環(huán)保觀念落后，不考慮或較少考慮環(huán)境承載能力，過度開發(fā)水域資源，造成水域資源浪費(fèi)、環(huán)境污染和生態(tài)破壞等一系列問題[2-3]。20世紀(jì)末開始，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)通過借鑒、引進(jìn)和吸收國(guó)外相關(guān)技術(shù)，示范推廣了一批工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)，推動(dòng)了鰈鲆、對(duì)蝦、石斑魚等高價(jià)值水產(chǎn)品全程工廠化養(yǎng)殖[4]。但由于全程工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)復(fù)雜，尤其是生物過濾器、微濾機(jī)等設(shè)備維護(hù)難度大[5]，運(yùn)行成本居高不下，如羅非魚的高密度工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖運(yùn)行盈利平衡點(diǎn)為25元·kg-1[6]，明顯高于大多數(shù)大宗水產(chǎn)品銷售價(jià)格，導(dǎo)致全程工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖品種范圍狹小。因此，構(gòu)建一套高效、低成本的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)是當(dāng)前水產(chǎn)行業(yè)發(fā)展的重要議題。

2020年，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部推廣了“集裝箱+生態(tài)池塘”、“零排放”圈養(yǎng)綠色高效養(yǎng)殖技術(shù)等新型水產(chǎn)養(yǎng)殖模式[7]，探索利用池塘自凈能力消解養(yǎng)殖尾水中的富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，達(dá)到養(yǎng)殖用水循環(huán)利用。采用兩種新型模式養(yǎng)殖羅非魚、加州鱸、烏鱧、草魚等品種均能獲得較好效益[8-9]?；谙嗤?，廣西、湖北等地開展了陸基圓形池循環(huán)水養(yǎng)殖模式的研發(fā)與應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益[10]。陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)一般由高密度養(yǎng)殖池、增氧系統(tǒng)、微濾機(jī)、集污沉淀池、池塘凈化區(qū)、循環(huán)水泵等設(shè)施設(shè)備組成。但相關(guān)研究多關(guān)注魚類生長(zhǎng)的生理指標(biāo)、生態(tài)環(huán)境效益等，或僅從養(yǎng)殖模式原理層面進(jìn)行理論分析，鮮有從物質(zhì)平衡的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)優(yōu)化陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖模式，并給出相關(guān)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。本研究以加州鱸為養(yǎng)殖對(duì)象，運(yùn)用氮平衡原理，探討建立一套高效、低成本、易維護(hù)的陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，以期為今后相關(guān)單位和企業(yè)開展陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 基本參數(shù)設(shè)定

設(shè)定養(yǎng)殖基本參數(shù)：養(yǎng)殖對(duì)象為加州鱸;養(yǎng)殖水體容積300 m3;養(yǎng)殖負(fù)荷25，50 kg·m-3;養(yǎng)殖池水體最低溶氧6 mg·L-1;魚類糞便及殘餌收集率30%，45%，60%;池塘凈化區(qū)深度1.8 m。

1.2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

1.2.1 總氨氮的計(jì)算 （1）系統(tǒng)產(chǎn)生的總氨氮

根據(jù)陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)氮平衡，綜合考慮養(yǎng)殖品種、養(yǎng)殖產(chǎn)量、日投飼量、飼料蛋白含量等因素，建立系統(tǒng)總氨氮量計(jì)算方程，公式[11]如下：

PTAN=BM×1 000×rfeed×PC×αTAN/24（1）

式中，PTAN為系統(tǒng)總氨氮，g·h-1;BM為加州鱸產(chǎn)量，kg;rfeed為日投飼率，2.5%·d-1;PC為加州鱸飼料中粗蛋白含量，40%;αTAN為投喂每千克飼料蛋白產(chǎn)生氨氮量，取值0.102 4[11]。

根據(jù)基本參數(shù)計(jì)算得到：BM1=7 500 kg，BM2=15 000 kg;

代入式（1）得到：PTAN1=320 g·h-1，PTAN2=640 g·h-1。

（2）系統(tǒng)產(chǎn)生的總氨氮修正

系統(tǒng)中養(yǎng)殖品種代謝水平及殘餌的降解情況決定了系統(tǒng)內(nèi)總氨氮濃度。公式（1）中系數(shù)0.102 4的假設(shè)條件是：①飼料中粗蛋白含氮16%;②粗白質(zhì)中80%氮被養(yǎng)殖品種消化;③被消化的氮80%轉(zhuǎn)化為氨氮，且被排出;④糞便及殘餌未被分解即被快速排出。則修正后的公式[12]如下：

P'TAN=PTAN+α（2）

式中，P'TAN為修正后的總氨氮，g·h-1;α為魚類糞便及殘餌產(chǎn)生氨氮之和，g·h-1，計(jì)算公式[12]如下：

α=BM×1000×rfeed×PC×（0.16×0.8×0.2+0.16+0.2）×（1-η）/2（3）

式中，η為魚類糞便及殘餌收集率，取值30%，45%，60%。

將式（1）數(shù)值帶入式（3）中，得到：

α=0.562 5（1-η）×PTAN（4）

則修正后的系統(tǒng)總氨氮為：

P'TAN=PTAN×（1.562 5-0.562 5η）（5）

計(jì)算可知，當(dāng)魚類糞便及殘餌收集率為30%時(shí)，P'αTAN1=446 g·h-1，P'αTAN2=892 g·h-1。

當(dāng)魚類糞便及殘餌收集率為45%時(shí)，P'βTAN1=419 g·h-1，P'βTAN2=838 g·h-1。

當(dāng)魚類糞便及殘餌收集率為60%時(shí)，P'λTAN1=392 g·h-1，P'λTAN2=784 g·h-1。

（3）系統(tǒng)需去除的總氨氮

在陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，池塘凈化區(qū)中微生物的硝化作用可將系統(tǒng)內(nèi)氨氮轉(zhuǎn)化為無(wú)毒的硝酸鹽，從而降低系統(tǒng)總氨氮濃度。計(jì)算公式[12]如下：

RTAN=P'TAN-QA×CTAN（6）

式中，RTAN為總氨氮去除量，g·h-1;QA為系統(tǒng)補(bǔ)水量，m3·h-1;CTAN為氨氮濃度，mg·h-1，根據(jù)中國(guó)漁業(yè)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)要求，在25 ℃水溫、pH7.0的條件下，取值3.5 mg·L-1[13-14]，計(jì)算公式如下：

QA=（7）

式中，CNO3為系統(tǒng)硝酸鹽濃度，mg·L-1，取300 mg·L-1[15]。

計(jì)算可知，當(dāng)養(yǎng)殖負(fù)荷為25 kg·m-3時(shí)：

PαTAN1=440.79 g·h-1;PβTAN1=414.10 g·h-1;PλTAN1=387.45 g·h-1。

當(dāng)養(yǎng)殖負(fù)荷為50 kg·m-3時(shí)：

PαTAN2=881.61 g·h-1;PβTAN2=828.24 g·h-1;PλTAN2=774.76 g·h-1。

1.2.2 溶解氧平衡計(jì)算 ?（1）水循環(huán)量計(jì)算

根據(jù)消化反應(yīng)耗氧情況和池塘凈化區(qū)進(jìn)出水溶氧濃度要求，建立系統(tǒng)水循環(huán)量計(jì)算方程，公式[16]如下：

QDO=RNOD/（CjODin-CfODout）（8）

式中，QDO為系統(tǒng)水體循環(huán)量，m3·h-1;CfODout為池塘凈化區(qū)進(jìn)水溶氧濃度，取6.0 mg·L-1;CfODout池塘凈化區(qū)出水溶氧濃度，mg·L-1，取2.0 mg·L-1[17];RNOD為硝化反應(yīng)耗氧量，g·h-1，根據(jù)基礎(chǔ)生化反應(yīng)方程，計(jì)算可知1 g氨氮需耗氧4.57 g氧化為硝酸鹽[18]。

計(jì)算可知，當(dāng)養(yǎng)殖負(fù)荷為25 kg·m-3時(shí)：

RαNOD1=2 014.41 g·L-1;RβNOD1=1 892.44 g·L-1;RλNOD1=1 770.65 g·L-1。

當(dāng)養(yǎng)殖負(fù)荷為50 kg·m-3時(shí)：

RαNOD2=4 028.96 g·L-1;RβNOD2=3 785.06 g·L-1;RλNOD2=3 540.65 g·L-1。

將上述數(shù)值代入公式（8），計(jì)算可知：

當(dāng)養(yǎng)殖負(fù)荷為25 kg·m-3時(shí)，QαDO1=503.60 m3·h-1;QβDO1=473.11 m3·h-1;QλDO1=442.66 m3·h-1。

當(dāng)養(yǎng)殖負(fù)荷為50 kg·m-3時(shí)候，QαDO2=1 007.24 m3·h-1;QβDO2=946.27 m3·h-1;QλDO2=885.16 m3·h-1。

（2）氧供給量計(jì)算

基于養(yǎng)殖池水體溶解氧物質(zhì)平衡原理，建立氧供給量公式如下：

PDO=QDO·CDOout+RDO-QDO·CDOin（9）

式中，PDO為養(yǎng)殖池氧供給量，g·h-1;CDOout為養(yǎng)殖池進(jìn)水溶氧濃度，取6.5 mg·L-1;CDOout為養(yǎng)殖池出水溶氧濃度，mg·L-1，取6 mg·L-1;RDO為硝化反應(yīng)耗氧量，g·h-1，計(jì)算公式如下：

RDO=Rresp+RNOD+RBOD（10）

式中，RNOD為硝化反應(yīng)耗氧量，g·h-1;RBOD為生化反應(yīng)耗氧量，g·h-1，按RNOD1/3取值[18];Rresp為養(yǎng)殖品種耗氧量，g·h-1，其計(jì)算公式如下：

Rresp=r×BM×1 000

式中，r為加州鱸單位呼吸速率，取0.181 mg·（g·h）-1 [19]，根據(jù)加州鱸不同養(yǎng)殖負(fù)荷及不同糞便及殘餌收集率，分別計(jì)算可得：

ΡαDO1=3 791.58 g·h-1≈3.79 kg·h-1;PβDO1=3 644.20 g·h-1≈3.64 kg·h-1;RλDO1=3 497.04 g·h-1≈3.50 kg·h-1。

PαDO2=7 583.33 g·h-1≈7.58 kg·h-1;ΡβDO2=7 288.61 g·h-1≈7.29 kg·h-1;ΡλDO2=6 993.29 g·h-1≈6.99 kg·h-1。

1.2.3 池塘凈化區(qū)配比計(jì)算 池塘凈化區(qū)最小面積應(yīng)滿足系統(tǒng)水循環(huán)量停留時(shí)間、最大養(yǎng)殖負(fù)荷的要求，計(jì)算公式[16]如下：

S= （11）

式中，S為池塘凈化區(qū)面積，m2;h'為水體停留時(shí)間，取24 h;h為池塘凈化區(qū)水體深度，取1.8 m。計(jì)算可得：

S1=13 429.87 m2;S2=12 616.93 m2;S3=11 802.13 m2。

系統(tǒng)養(yǎng)殖池水體容積300 m3，按照1.5 m養(yǎng)殖池水深計(jì)算，養(yǎng)殖池總占地面積為200 m2，其與池塘凈化區(qū)面積比約為1.5%～1.7%，計(jì)算式如下：

θ1=×100%=1.5%;θ2=×100%=1.6%;θ3=×100%=1.7%。

2 結(jié)果與分析

陸基養(yǎng)殖系統(tǒng)水循環(huán)量、水交換時(shí)間、氧氣供應(yīng)量均受養(yǎng)殖負(fù)荷和糞便及殘餌收集率雙重影響。如表1所示，在糞便及殘餌收集率不變情況下，養(yǎng)殖負(fù)荷提高1倍，水循環(huán)量與氧氣供應(yīng)量均提高100%左右，水交換時(shí)間降低100%左右;在養(yǎng)殖負(fù)荷不變情況下，糞便及殘餌收集率提高15%，水循環(huán)率下降6.05%～6.44%，氧氣供應(yīng)量下降3.85%～3.96%，水交換時(shí)間提高6.46%～6.86%;在養(yǎng)殖負(fù)荷不變情況下，糞便及殘餌收集率提高1倍，水循環(huán)量下降12.10%～12.12%，氧氣供應(yīng)量下降7.65%～7.78%，水交換時(shí)間提高13.77%～13.82%;。由此可見，養(yǎng)殖負(fù)荷較糞便及殘餌收集率更加顯著影響陸基養(yǎng)殖系統(tǒng)水循環(huán)率、水交換時(shí)間和氧氣供應(yīng)量。

養(yǎng)殖池面積與池塘凈化區(qū)面積比約為1.5%～1.7%。根據(jù)公式（11），池塘凈化區(qū)面積取決于水循環(huán)量、水力停留時(shí)間以及池塘凈化區(qū)水深。水循環(huán)量越大，池塘凈化區(qū)面積越大;水力停留時(shí)間越短，池塘凈化區(qū)面積越小，但由于池塘凈化過程中，生物降解或消納富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)需一定時(shí)間，水力停留時(shí)間不可能無(wú)限降低;另外，池塘凈化區(qū)一般由現(xiàn)有魚池改造而成，水深一般為1.5～2 m，對(duì)池塘凈化區(qū)面積影響相對(duì)較小。

3 結(jié)論與討論

3.1 糞便及殘餌去除問題

系統(tǒng)內(nèi)顆粒廢棄物主要來自魚類糞便及飼料殘餌，其降解會(huì)大大提高系統(tǒng)總氨氮濃度，及時(shí)去除顆粒廢棄物能較好的降低系統(tǒng)氨氮負(fù)荷。但本研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)尾水中魚類糞便及殘餌的收集率從30%上升至60%，系統(tǒng)內(nèi)水循環(huán)量需求下降并不明顯。且部分魚類糞便易溶于水，不易收集。因此，魚類糞便及殘餌收集率并不能作為降低水循環(huán)量的指示指標(biāo)。在設(shè)計(jì)養(yǎng)殖系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮養(yǎng)殖對(duì)象生理特性、投飼率、餌料粗蛋白含量等影響因素，科學(xué)合理確定魚類糞便及殘餌收集率及收集方式。

3.2 系統(tǒng)水循環(huán)率問題

系統(tǒng)水循環(huán)率與魚類養(yǎng)殖產(chǎn)量呈現(xiàn)明顯正相關(guān)，增加系統(tǒng)水循環(huán)率能有效降價(jià)水體中的總氨氮及其他有害物質(zhì)，減緩水質(zhì)惡化速度，提高魚類單位水體養(yǎng)殖負(fù)荷。相關(guān)研究表明，大菱鲆質(zhì)量日增長(zhǎng)率隨水循環(huán)次數(shù)升高而增加[20]，虹鱒在水交換率降低時(shí)[21]，會(huì)出現(xiàn)死亡現(xiàn)象。本研究也發(fā)現(xiàn)，加州鱸養(yǎng)殖負(fù)荷降低一半時(shí)，系統(tǒng)水循環(huán)量需求也降低了近一半。且由于魚類養(yǎng)殖全周期過程中，系統(tǒng)養(yǎng)殖負(fù)荷是一個(gè)動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)的過程，因此宜綜合考慮養(yǎng)殖水質(zhì)環(huán)境、魚類生長(zhǎng)需求、養(yǎng)殖階段等因素，針對(duì)不同養(yǎng)殖品種設(shè)計(jì)不同系統(tǒng)水循環(huán)率。

3.3 池塘水力停留時(shí)間問題

池塘凈化區(qū)是陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要組成部分，起到消納水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素的作用。池塘凈化區(qū)一般由氧化塘、浮游動(dòng)植物、水生植物、魚類（鰱、鳙）、增氧設(shè)備等組成。有別于生活污水處理系統(tǒng)的好氧生化塘，后者主要通過好氧微生物凈化水質(zhì)，有機(jī)物負(fù)載不高，水力停留時(shí)間一般在2～6 d。本研究設(shè)計(jì)的池塘凈化區(qū)種植有大量沉水植物，并配備了增氧設(shè)備，在供氧充足的情況下，能大大降低水力停留時(shí)間，但一般認(rèn)為以16～24 h為宜[16]。隨著池塘凈化區(qū)凈化能力的提升，水力停留時(shí)間能進(jìn)一步壓縮，從而降低池塘凈化區(qū)配比比例。

3.4 養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)問題

在水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中，不同的養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)具有不同水動(dòng)力學(xué)特性和經(jīng)濟(jì)性。養(yǎng)殖池結(jié)構(gòu)對(duì)養(yǎng)殖池內(nèi)水體流動(dòng)和魚類代謝物排出均有影響，圓形養(yǎng)殖池具備良好的集污效果，且無(wú)死水、易于清洗[22]，但占地大，建筑成本較高。矩形養(yǎng)殖池因可以共用池壁，建筑成本相對(duì)較低，也利于節(jié)約用地和方便管理，但矩形養(yǎng)殖池內(nèi)易產(chǎn)生死水區(qū)和集污區(qū)，不利于排污[22]。在高密度養(yǎng)殖條件下，圓形養(yǎng)殖池可快速排出池內(nèi)養(yǎng)殖水產(chǎn)品的糞便及殘餌，雖用地不經(jīng)濟(jì)、初期造價(jià)成本也較高，但養(yǎng)殖效果和系統(tǒng)穩(wěn)定性均明顯好于矩形養(yǎng)殖池。因此，陸基水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)推薦采用圓形結(jié)構(gòu)。同時(shí)，考慮到圓形養(yǎng)殖池合理直徑深比為3～4.5∶1[23]，故圓形養(yǎng)殖池直徑6～8 m為宜，池深1.8～2.5 m為宜。

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收稿日期：2021-07-01

基金項(xiàng)目：湖北省科技精準(zhǔn)扶貧計(jì)劃項(xiàng)目（2019ABB032）;武漢市社科聯(lián)一般課題項(xiàng)目（WHSKL2021159）;武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新項(xiàng)目（CXJSFW202108）

作者簡(jiǎn)介：郭紅喜（1984—），男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事水產(chǎn)養(yǎng)殖方面研究。

通訊作者簡(jiǎn)介：周琰（1985—），女，湖北武漢人，助理研究員，博士，主要從事農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)方面研究。