養(yǎng)殖池塘水體溫度與鹽度分層結(jié)構(gòu)及調(diào)控研究進(jìn)展

孫亞慧 張津源 魏亞南 魏閆以琳 周瑋

摘 要：綜述了養(yǎng)殖水體的溫度、鹽度分層現(xiàn)象及其對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖動(dòng)物的危害，以及利用微孔曝氣機(jī)、葉輪式增氧機(jī)、耕水機(jī)、揚(yáng)水筒、養(yǎng)水機(jī)等在去除水體分層方面的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖池塘;溫度分層;鹽度分層;去分層;水質(zhì)調(diào)控

近年來，因水質(zhì)問題而導(dǎo)致的養(yǎng)殖池塘水產(chǎn)動(dòng)物大批量死亡現(xiàn)象屢見不鮮，該現(xiàn)象在夏季降雨期、春季化冰期養(yǎng)殖池塘中尤其突出[1-2]。據(jù)報(bào)道，2016年某地魚塘出現(xiàn)3天內(nèi)70%魚類死亡的現(xiàn)象，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)池塘水體進(jìn)行分析調(diào)查發(fā)現(xiàn)該魚塘水體上下層水溫差異達(dá)10 ℃，溶氧差異達(dá)8.2 mg/L，池塘出現(xiàn)明顯的分層結(jié)構(gòu)直接導(dǎo)致了這一大批量死亡現(xiàn)象[3]。對(duì)養(yǎng)殖池塘進(jìn)行水質(zhì)調(diào)控，避免池塘出現(xiàn)水體分層結(jié)構(gòu)，是值得水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)者關(guān)注的課題。

國(guó)內(nèi)外已有多種水質(zhì)調(diào)控方式廣泛應(yīng)用于解決養(yǎng)殖池塘水體溫度、鹽度分層問題，如：微孔曝氣機(jī)[4-6]、葉輪式增氧機(jī)[7-9]、耕水機(jī)[10-11]、揚(yáng)水筒[12-14]、養(yǎng)水機(jī)[15-16]等，本文對(duì)上述五種水質(zhì)調(diào)控設(shè)備在去除水體溫度、鹽度分層方面的研究和應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了綜述，為今后開展水產(chǎn)養(yǎng)殖中水質(zhì)調(diào)控設(shè)備在去分層方面的研究工作提供改進(jìn)方向。

1 養(yǎng)殖池塘水體分層結(jié)構(gòu)

1.1 養(yǎng)殖池塘水體溫度分層結(jié)構(gòu)

水溫分層是一種因水體溫度差異較大，導(dǎo)致水體密度分層的現(xiàn)象[17]，一般多出現(xiàn)在咸淡水池塘、水庫(kù)、湖泊等封閉水體中，每年4—6月份（春季化冰期、夏季高溫期、降雨期）為水體出現(xiàn)水溫分層的多發(fā)期[18]。

池塘水體分層結(jié)構(gòu)在夏季尤其明顯，池塘水表面受光照輻射、表面熱空氣加溫等因素影響大[2]，使上層水體溫度快速升高，此部分水的密度下降，水體較輕，浮在池塘水體表面，池塘底層水體受到光照及表面熱空氣加溫影響小，水體溫度相對(duì)緩慢升高或無變化，此部分水的密度相對(duì)大，水體較重，沉在池塘底部，出現(xiàn)垂向的表溫層、滯溫層[3]，水深≥7m的封閉水體在表溫層和滯溫層之間還存在溫躍層[19]，即“三明治結(jié)構(gòu)”。

1.2 養(yǎng)殖池塘水體鹽度分層結(jié)構(gòu)

鹽度分層是一種因水體鹽度差異較大，導(dǎo)致水體密度分層的現(xiàn)象[20]，一般多出現(xiàn)在海水池塘。池塘鹽度分層的特點(diǎn)是垂向存在上下層鹽度差。在海水養(yǎng)殖池塘的具體表現(xiàn)為：因雨雪天氣，密度小的淡水落入密度大的咸水水體，浮于咸水水體表面，呈現(xiàn)出分層的水體結(jié)構(gòu)[21]。春、夏兩季海水池塘極易出現(xiàn)鹽度分層結(jié)構(gòu)。春季回暖，隨著溫度逐漸升高，池塘冰面逐漸融化，冰面融化后低鹽度水體覆蓋在池塘表面，鹽分及其余部分則濃縮至下層水體，高鹽度的水體沉到池塘底部，形成鹽度分層結(jié)構(gòu)[22];夏季強(qiáng)降雨后，雨水大量滯留池水表層未能及時(shí)排出，浮在池塘表面，咸水沉在池塘底部，也會(huì)造成鹽度分層[23]。

1.3 養(yǎng)殖池塘水體分層的危害

綜上所述，養(yǎng)殖池塘的水體分層結(jié)構(gòu)究其原因是池塘水體因密度差異而出現(xiàn)上下分層。已有研究報(bào)道，海參池塘表-底層水體溫度差異為475～5.21 ℃時(shí)，池塘出現(xiàn)溫度分層結(jié)構(gòu)，表層水和底層水無法通過上下對(duì)流進(jìn)行交換， 上層水中充足的溶解氧不能通過水的上下對(duì)流輸送到底層[24]，結(jié)果海參賴以生存的底層水成了“死水”，池底溶解氧降至4.04 mg/L以下，氨氮超出刺參養(yǎng)殖的要求（低于0.02 mg/L）。下層水體厭氧菌、有害菌大量滋生，池內(nèi)刺參腸道內(nèi)弧菌數(shù)量為3.5×106 CFU/g，高出未分層水體池塘刺參1～3個(gè)數(shù)量級(jí)單位，水體老化、底部變臭、有毒物質(zhì)增多[3]，極易誘發(fā)養(yǎng)殖刺參感染疾病[25]。Hudson 等[26]在對(duì)加拿大 Diefenbaker 湖（Lake Diefenbaker）的研究中也發(fā)現(xiàn)，因水體分層而導(dǎo)致的缺氧現(xiàn)象對(duì)水生動(dòng)物影響較大，并且通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)躍溫層單位體積水體耗氧速率為0.034～0.12 mg·L-1·d-1。胡曉娟等[27]也報(bào)道了在強(qiáng)降雨天氣條件下， 對(duì)蝦養(yǎng)殖池塘出現(xiàn)鹽度差為5‰～6‰的鹽度分層結(jié)構(gòu)，此時(shí)池塘異養(yǎng)菌數(shù)為7.01×105 cfu·mL-1，弧菌數(shù)為1.04×105 cfu·mL-1;而未分層池塘異養(yǎng)菌數(shù)為2.56×105 cfu·mL-1，弧菌數(shù)為1.04×105 cfu·mL-1，可見，上述池塘病原菌比例升高，與頻繁降雨導(dǎo)致池塘水體的溫度和鹽度分層有直接的關(guān)系。若不對(duì)池塘溫鹽分層結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，其后果難以想象。

2 水體去分層技術(shù)

隨著水體分層對(duì)池塘水體環(huán)境的威脅日益增加，池塘水質(zhì)調(diào)控方式的去分層作用成為現(xiàn)階段水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。目前，研究發(fā)現(xiàn)養(yǎng)殖池塘中具有去分層作用的水質(zhì)調(diào)控方式主要為：微孔曝氣機(jī)、葉輪式增氧機(jī)、耕水機(jī)、揚(yáng)水筒技術(shù)、養(yǎng)水機(jī)等。

2.1 微孔曝氣機(jī)去分層技術(shù)及基本原理

微孔曝氣機(jī)是養(yǎng)殖池塘常見的水質(zhì)調(diào)控器械，其工作原理將壓縮空氣經(jīng)管道傳輸至池塘底部，再通過微孔曝氣盤以小氣泡形式向水體充氧，充氧后的水體直接進(jìn)入池塘[4];同時(shí)充氧后的水體與缺氧水體發(fā)生氧氣的傳質(zhì)作用，向周邊水體充氧，當(dāng)水體上下層氧氣均勻混合時(shí)，水體分層消失[5-6]。

2.2 葉輪式增氧機(jī)去分層技術(shù)及基本原理

相比微孔曝氣機(jī)，葉輪式增氧機(jī)對(duì)池塘水體有比較好的混合能力，其工作原理是通過安裝在水面上、下的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過對(duì)水體的劇烈攪動(dòng)、提升，產(chǎn)生水躍和負(fù)壓吸氣等聯(lián)合作用，增加水體溶氧消除水體分層[7]，張世羊等[8]研究也發(fā)現(xiàn)，葉輪式增氧機(jī)能夠通過增強(qiáng)上下水層交換，削減氧差，減少上層溶氧的逸出損失，提升下層水體的低溶氧水平的方式消除水體分層。谷堅(jiān)等[9]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微孔曝氣機(jī)在連續(xù)開機(jī)112 min時(shí)池塘水體仍未混勻，上下水體氧差變化率為186%，而葉輪式增氧機(jī)可在開機(jī)32 min內(nèi)達(dá)到全池水體混勻的效果，上下水體氧差變化率為64.3%，縮小水層氧差能力比微孔曝氣高45.7%。

2.3 耕水機(jī)去分層技術(shù)及基本原理

近年來，耕水機(jī)進(jìn)入了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的視野，其工作原理是攪拌、曝氣，并產(chǎn)生環(huán)流效應(yīng)，使表層和底層的水體進(jìn)行交換，溶解氧較高的上層水體到了下層，帶來豐富的溶氧;底層的低溶解氧水體被帶到上層，進(jìn)行光合作用、曝氣，從而達(dá)到水體溶解氧的均勻合理分布，打破水體分層的目的[10]。有研究表明，使用耕水機(jī)的養(yǎng)殖池塘，表底層的溶氧均勻[11]， 在4.5～5.5 mg/L之間，表層與底層偏差0.5 mg/L[10]。

2.4 揚(yáng)水筒去分層技術(shù)及基本原理

揚(yáng)水筒技術(shù)去除水體分層多見于國(guó)外報(bào)道，其工作原理是將壓縮空氣輸送至揚(yáng)水筒的氣室中，產(chǎn)生間歇性氣彈從而帶動(dòng)水體循環(huán)，破壞水體分層結(jié)構(gòu)[12]，主要應(yīng)用于湖泊、水庫(kù)。研究發(fā)現(xiàn)，揚(yáng)水筒能夠去除水體分層，并且抑制湖泊藻類生長(zhǎng)[13]。Jungo等[14]應(yīng)用揚(yáng)水技術(shù)的研究結(jié)果也表明，揚(yáng)水筒技術(shù)去除水體分層后，水庫(kù)中葉綠素a濃度和藻類生物量顯著下降，有毒微囊藻生物量降低了95%。

2.5 養(yǎng)水機(jī)去分層技術(shù)及基本原理

養(yǎng)水機(jī)水質(zhì)調(diào)控技術(shù)作為一種新型水質(zhì)調(diào)控技術(shù)，在水體分層方面效果尤為顯著，其工作原理是將表層水通過進(jìn)水口從底座出水口以射流的方式排到池塘底部[15]。有研究報(bào)道，自然池塘、微孔曝氣池塘、養(yǎng)水機(jī)池塘均存在不同程度的溫鹽分層現(xiàn)象，其中自然池塘溫鹽分層現(xiàn)象最為明顯，表-底層水體溫度差異最高可達(dá)3.8℃、鹽度差異最高可達(dá)1.7‰;微孔曝氣池塘表底層水溫差異最高達(dá)1.4℃、鹽度差異最高可達(dá)1.1‰;養(yǎng)水機(jī)池塘表底層水溫差異最高僅為0.7 ℃、鹽度差異最高僅為0.7‰，得出養(yǎng)水機(jī)能夠控制養(yǎng)殖池塘溫、鹽躍層的結(jié)論[15]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鹽度躍層全年在養(yǎng)水機(jī)池塘僅出現(xiàn)2次，而自然池塘和底充氧池塘均出現(xiàn)5次[16]。

3 展望

每逢季節(jié)交替，池塘養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)頻頻遇到水體分層導(dǎo)致的養(yǎng)殖動(dòng)物缺氧死亡現(xiàn)象。消除水體分層成為整個(gè)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)急需解決的問題之一，在如今要求環(huán)保養(yǎng)殖的大環(huán)境下，耗能低、效率高的水質(zhì)調(diào)控設(shè)備，也將成為水質(zhì)調(diào)控方式的下一步改進(jìn)目標(biāo)。

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Research progress on the stratified structure and regulation of temperature and salinity in aquaculture pond

SUN Yahui1，ZHANG Jinyuan2，WEI Yanan3，WEI Yanyilin1，ZHOU Wei1

（1.College of Fisheries and Life Sciences，Dalian Ocean University， Dalian 116023， China;2. Haikui Environmental Monitoring Technology， Dalian 116000， China;3. Zhonghao Consulting（Dalian）Co.，Ltd，Dalian 116000， China）

Abstract：The phenomenon of thermal and salinity stratification of water body and its hazards on aquatic animals，as well as the progress of destratification with microporous aerator， impeller aerator， biofan， airlift aerators and water quality regulator were reviewed.

Key words：aquaculture pond;thermal stratification;salinity stratification; destratification ;water quality control

（收稿日期：2021-09-16;修回日期：2021-11-05）

基金項(xiàng)目：遼寧省科學(xué)計(jì)劃項(xiàng)目（2018104009）;遼寧省“興遼英才”項(xiàng)目（XLYC1808029）;河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系淡水養(yǎng)殖創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助。

作者簡(jiǎn)介：孫亞慧（1997-），女，研究生在讀，研究方向：水產(chǎn)養(yǎng)殖。E-mail：1293143369@qq.com。

通信作者：周 瑋（1963-），男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：水產(chǎn)養(yǎng)殖。E-mail：zhouwei@dlou.edu.cn。