基于智能管理平臺的山塘養(yǎng)殖試驗(yàn)與效果分析

文/陳燕婷 薛凌展 陳度煌 王松發(fā) 李立新 黃健

山塘（水庫）養(yǎng)殖是南方丘陵地區(qū)主要的養(yǎng)殖形式。福建省淡水養(yǎng)殖總面積約8.6萬ha，其中山塘面積約4.4萬ha，占淡水養(yǎng)殖總面積的51.2%。隨著保護(hù)耕地力度進(jìn)一步加大，淡水池塘資源日益緊缺，山塘越來越彰顯其作為淡水養(yǎng)殖空間的利用潛力。但傳統(tǒng)山塘養(yǎng)殖模式受氣候、水質(zhì)、溶氧和地形等因素的制約，存在產(chǎn)量較低、養(yǎng)殖品種生長速度慢、經(jīng)濟(jì)效益低、管理難度大和捕撈技術(shù)難度大等問題。

2020年～2021年，福建省水產(chǎn)技術(shù)推廣總站在邵武市實(shí)施“山塘養(yǎng)殖模式智能管理平臺構(gòu)建及示范應(yīng)用”項(xiàng)目，充分利用智能化手段及現(xiàn)代信息技術(shù)，有效提升基地漁業(yè)養(yǎng)殖的數(shù)字化水平。通過企業(yè)基本信息管理、水質(zhì)監(jiān)測、投入品來源及使用、智能控制、無人機(jī)視頻直播、視頻監(jiān)控和手機(jī)APP的建設(shè)，構(gòu)建可感知、可互聯(lián)、可管理、可分析的一體化智慧漁業(yè)管理平臺。從投喂管理、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控、水質(zhì)調(diào)控、物聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測、自動(dòng)化起捕等方面探索基于智能管理平臺的山塘養(yǎng)殖新模式，開展了相關(guān)試驗(yàn)并進(jìn)行總結(jié)，以期為其他地區(qū)實(shí)現(xiàn)山塘養(yǎng)殖提質(zhì)增效起到借鑒作用。

一、材料與方法

（一）時(shí)間與地點(diǎn)

試驗(yàn)于2020年～2021年進(jìn)行，選擇福建省某生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司A2區(qū)山塘（約6.7ha，水深3.0m～5.0m）作為試驗(yàn)組，其具有閩北山塘典型特色，另外選擇條件相近的B區(qū)山塘（約6.7ha，水深3.0m～5.0m）為對照組。對照組未安裝微孔增氧機(jī)、智能化管理系統(tǒng)及配套設(shè)備，僅按照傳統(tǒng)養(yǎng)殖技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)管理。對照組和試驗(yàn)組均安裝了水質(zhì)在線監(jiān)控設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測pH值、溶解氧和水溫。

（二）智能管理平臺構(gòu)建

主要利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式向信息化方式轉(zhuǎn)變。智能管理平臺主要由感知控制層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展示層組成（見圖1）。

圖1 總體架構(gòu)示意圖

圖2 山塘立體增氧系統(tǒng)

圖3 吊網(wǎng)和漂浮式選魚臺

感知控制層包括智能養(yǎng)殖控制設(shè)備、水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備、無人機(jī)直播設(shè)備和視頻監(jiān)控設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層傳輸媒介通過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)層主要用于對數(shù)據(jù)的采集處理，包括用戶數(shù)據(jù)、水質(zhì)數(shù)據(jù)、養(yǎng)殖控制數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和無人機(jī)數(shù)據(jù)等。

應(yīng)用層主要為用戶提供信息化管理功能，包括企業(yè)基本信息介紹、水質(zhì)監(jiān)測管理、智能控制管理、無人機(jī)視頻直播、投入品來源及使用管理、視頻監(jiān)控管理和移動(dòng)手機(jī)APP。

展示層主要用于系統(tǒng)的呈現(xiàn)，包括用戶使用的PC電腦、平板展示大屏等。通過對生產(chǎn)中各個(gè)維度數(shù)據(jù)進(jìn)行集中展示，實(shí)現(xiàn)對漁業(yè)養(yǎng)殖的信息化管理。

（三）山塘的準(zhǔn)備

放養(yǎng)前干塘曝曬，清除淤泥和雜物，用生石灰100kg/畝對山塘進(jìn)行全面消毒，包括塘底和塘壁，消毒3d后蓄水。

（四）增氧系統(tǒng)

為了解決山塘溶氧低問題，針對山塘不同水層溶氧差異，試驗(yàn)組設(shè)計(jì)了一套綜合立體增氧系統(tǒng)（見圖2），由微孔增氧、葉輪增氧和化學(xué)試劑增氧三套方案組成，結(jié)合使用，保持養(yǎng)殖水體溶氧大于5mg/L，形成立體增氧的效果。

微孔增氧設(shè)備：一般山塘靠近壩的區(qū)域?yàn)樯钏畢^(qū)，遠(yuǎn)離壩的區(qū)域?yàn)闇\水區(qū)，因此微孔增氧設(shè)施布置時(shí)可在兩個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)多個(gè)模塊，根據(jù)山塘水位高低，決定啟動(dòng)不同增氧模塊，每個(gè)模塊由一臺7.5kW的微孔增氧機(jī)和配套的發(fā)電機(jī)以及150個(gè)微孔盤組成，可獨(dú)立控制氣量。當(dāng)水位較低時(shí)，只開啟一個(gè)模塊，隨著水位上升，根據(jù)需要逐步開啟其他模塊。為了保持氣壓平衡，深水區(qū)和淺水區(qū)的微孔盤入水深度均為1.5m。

葉輪增氧機(jī)：在晴天的中午，山塘上下水層的溶解氧出現(xiàn)了明顯的差異，浮游藻類和深水植物所產(chǎn)生的氧氣使上層的水體溶解氧趨于飽和，而底層的溶解氧則一直維持較低的水平。葉輪增氧機(jī)可促進(jìn)上下水層的交換，解決水庫深水區(qū)缺氧問題，以6.67ha為例，需要安裝15臺3kW的葉輪增氧機(jī)，每天中午時(shí)將其打開，促進(jìn)上下水層的交換。

化學(xué)增氧劑：為了防止山塘底部長期缺氧，產(chǎn)生有害細(xì)菌滋生的問題，可通過定期使用顆粒狀增氧劑的方式，為底層環(huán)境輸送氧氣，維持硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的正常進(jìn)行，避免因缺氧導(dǎo)致大量有毒有害的氨氮和亞硝酸鹽積累，威脅養(yǎng)殖魚類的安全。

（五）投餌和捕撈系統(tǒng)

由于面積較大，為解決投餌和捕撈問題，在山塘配備了一臺80m長的風(fēng)送投餌機(jī)，可根據(jù)投喂需要將投料口固定于水庫中的任意位置，移動(dòng)方便，降低了殘餌比例，減少水體中的懸浮顆粒數(shù)量。捕撈系統(tǒng)包括電動(dòng)捕撈吊網(wǎng)和選魚臺（見圖3）等，兩者通過一條30m長的網(wǎng)箱相連，可將吊網(wǎng)中的魚趕至選魚臺中。在選魚臺與運(yùn)輸車輛之間安裝一個(gè)電動(dòng)抬魚滑道，可大大減輕裝車的工作量。

（六）苗種放養(yǎng)

因山塘面積大，水位較深，放養(yǎng)規(guī)格宜大不宜小，要求苗種規(guī)格整齊，體質(zhì)健壯，體形正常，游動(dòng)活力強(qiáng)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)以異育銀鯽“中科3號”為主養(yǎng)品種，套養(yǎng)鰱魚和鳙魚，具體數(shù)量、規(guī)格見表1。魚苗下塘前，隨機(jī)抽檢，檢查其體表和鰓是否有寄生蟲或病原菌。采用鹽度為5的鹽水和10mg/L的碘進(jìn)行短時(shí)消毒，時(shí)間控制在20min～30min。

（七）餌料投喂

科學(xué)投喂餌料是山塘養(yǎng)殖的關(guān)鍵。采用風(fēng)送投餌機(jī)進(jìn)行投喂，根據(jù)魚不同生長階段需求的營養(yǎng)，合理配制適口全價(jià)配合飼料。投喂應(yīng)注意先慢后快、從少到多的投喂原則，減少飼料的浪費(fèi)。每天投喂兩次，上下午各一次，每次投喂量以1h內(nèi)吃完為宜，日投餌量控制在魚體重的2%～3%。具體投喂量根據(jù)天氣、水質(zhì)和攝食情況靈活掌握、及時(shí)調(diào)整，不利天氣減少投喂量或不投喂。

表1 苗種投放情況

表2 起捕情況

圖4 生長數(shù)據(jù)分析

二、結(jié)果

經(jīng)過一周年的養(yǎng)殖管理，試驗(yàn)組和對照組均于2021年10月30日起捕測產(chǎn)。從養(yǎng)殖效果看（見表2、圖4），試驗(yàn)組的生長速度明顯快于對照組，異育銀鯽“中科3號”由起初的44.74g/尾，生長到420.6g/尾，起捕平均規(guī)格比對照組大了104.3g/尾，平均生長速度達(dá)到了1.03g/d。鳙魚試驗(yàn)組出塘規(guī)格為2076.8g/尾，起捕平均規(guī)格比對照組大了305.4g/尾，生長速度為5.55g/d；鰱魚試驗(yàn)組出塘規(guī)格為1527.5g/尾，比對照組大了243.6g/尾。試驗(yàn)組綜合產(chǎn)量達(dá)到了2.45t/畝，比對照組提升了1.7t/畝，生產(chǎn)效率有了明顯的提升。

表3 養(yǎng)殖效益分析

圖5 綜合人工養(yǎng)殖管理成本分析

養(yǎng)殖效果分析見表3，試驗(yàn)組生產(chǎn)成本為299.34萬元，對照組為110.4萬元。試驗(yàn)組產(chǎn)量達(dá)到了2.45t/畝，平均利潤達(dá)6141元/畝，對照組產(chǎn)量只有0.75t/畝，平均利潤為1506元/畝。本次試驗(yàn)，在完成項(xiàng)目任務(wù)的同時(shí)，還取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

對比分析養(yǎng)殖結(jié)果，試驗(yàn)組在單位成本控制方面具有優(yōu)勢，這得益于智能化和自動(dòng)化的生產(chǎn)管理。如圖5所示，試驗(yàn)組單位起捕的費(fèi)用為300.06元/t，比對照組下降了64.16%；雖然養(yǎng)殖工人勞務(wù)費(fèi)相同，但是單位養(yǎng)殖勞務(wù)費(fèi)由730.99元/t，下降到224.84元/t，工人的養(yǎng)殖效率提升了3.25倍；試驗(yàn)組綜合人工管理成本為（起捕和日常養(yǎng)殖管理費(fèi)用）524.90元/t，對照組為1568.31元/t，試驗(yàn)組比對照組下降了66.53%。

養(yǎng)殖過程中在線監(jiān)測探頭實(shí)時(shí)記錄了兩個(gè)養(yǎng)殖池塘的pH值、溶解氧情況，具體數(shù)據(jù)見圖6、圖7。兩個(gè)山塘的水質(zhì)狀況相似，pH值隨著養(yǎng)殖時(shí)間均有所提升，這主要是養(yǎng)殖過程中藻類的繁殖導(dǎo)致的。溶解氧的變化情況與pH值變化相反，養(yǎng)殖早期，溶解氧的濃度較高，可達(dá)到7mg/L～9mg/L，隨著養(yǎng)殖時(shí)間增加，當(dāng)進(jìn)入夏季高溫季節(jié)后，魚類的攝食量增加，導(dǎo)致水體中的溶解氧明顯下降，這時(shí)應(yīng)定期補(bǔ)水，或注意人工增氧，確保魚類生長所需的溶解氧。

三、小結(jié)與分析

（一）智能管理平臺能促進(jìn)漁業(yè)生產(chǎn)提質(zhì)增效

圖6 養(yǎng)殖過程中水體pH值對比

圖7 養(yǎng)殖過程中水體溶解氧數(shù)據(jù)對比

智能管理平臺能實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖過程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測和精準(zhǔn)調(diào)控，大大提升了養(yǎng)殖企業(yè)的信息化、自動(dòng)化和智能化水平，降低生產(chǎn)成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。同時(shí)其能夠有效提升漁業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營水平以及管理信息化程度，并通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提高養(yǎng)殖決策的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)基于控制設(shè)備構(gòu)建與現(xiàn)場水質(zhì)監(jiān)測的水產(chǎn)養(yǎng)殖現(xiàn)代化生產(chǎn)過程自動(dòng)控制與管理，有效降低能耗節(jié)約資源。平臺也有效提升了產(chǎn)品品質(zhì)與效益，促進(jìn)漁業(yè)經(jīng)營管理方式和管理體制更趨合理化、科學(xué)化、規(guī)范化。本次山塘養(yǎng)殖試驗(yàn)與效益分析，證明了基于智能管理平臺的山塘養(yǎng)殖模式優(yōu)勢明顯，經(jīng)濟(jì)效益顯著提高。與傳統(tǒng)靠天吃飯的山塘模式相比，該模式值得示范和推廣，為進(jìn)一步提升漁業(yè)生產(chǎn)信息化水平提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

（二）新技術(shù)和養(yǎng)殖工藝的集成是山塘養(yǎng)殖成功的關(guān)鍵

本次試驗(yàn)的山塘智能化養(yǎng)殖模式集成了水產(chǎn)養(yǎng)殖最新技術(shù)和養(yǎng)殖工藝。首先，應(yīng)用360°風(fēng)送投餌設(shè)施，提高投喂效率，減少勞動(dòng)量，投喂環(huán)節(jié)做到精細(xì)化管理，降低殘餌量，有效提高飼料的利用率，取得了顯著的養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益。其次，應(yīng)用生物絮團(tuán)技術(shù)，通過生態(tài)調(diào)節(jié)養(yǎng)殖水體中的碳氮比例，促進(jìn)有益菌大量繁殖，通過微生物的同化作用轉(zhuǎn)化水中無機(jī)氮，形成可被養(yǎng)殖生物攝食利用的菌體蛋白，穩(wěn)定水質(zhì)，降解有害物質(zhì)，提高養(yǎng)殖效率。最后，應(yīng)用微孔增氧技術(shù)，改善水體底層養(yǎng)殖環(huán)境。另外物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖的智能化、實(shí)時(shí)化、精準(zhǔn)化監(jiān)測和控制，顯著提升了山塘養(yǎng)殖的效益。通過以上技術(shù)集成，構(gòu)建出山塘生態(tài)高效養(yǎng)殖模式，最終實(shí)現(xiàn)了生態(tài)、節(jié)能、減排和高效的目標(biāo)。

（三）智能化是推動(dòng)漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要手段，但仍需改進(jìn)和提高

現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用還處于初級階段，對漁業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)僅停留在自動(dòng)化收集階段，整理和分析數(shù)據(jù)的能力欠缺，養(yǎng)殖生產(chǎn)管理數(shù)字化模型尚未成熟，控制設(shè)備需要一定的養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)和判斷能力。同時(shí)，由于智能管理平臺需要與養(yǎng)殖企業(yè)現(xiàn)有設(shè)施設(shè)備連接，各類設(shè)備生產(chǎn)廠家、終端研發(fā)生產(chǎn)廠家、系統(tǒng)應(yīng)用集成公司的相關(guān)業(yè)務(wù)模塊還尚不能全部實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，存在著數(shù)據(jù)對接權(quán)限獲得障礙。如智能管理平臺研發(fā)公司如需與水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備公司數(shù)據(jù)庫對接，必須由水質(zhì)在線監(jiān)測設(shè)備制造公司提供相對應(yīng)的權(quán)限認(rèn)證和水質(zhì)數(shù)據(jù)對接webapi接口；使用無人機(jī)開展養(yǎng)殖場巡察時(shí)，實(shí)時(shí)視頻圖像要在智能管理平臺中顯示，需要采用直播方案，前期必須確認(rèn)無人機(jī)是否可以將視頻流推送到直播服務(wù)器，并且要搭建直播服務(wù)端程序。諸如此類，均需要獲得接口來進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，才能實(shí)現(xiàn)在智能管理平臺上的視頻監(jiān)控、養(yǎng)殖設(shè)備遠(yuǎn)程遙控、養(yǎng)殖信息采集和管理、病害遠(yuǎn)程診斷等四位一體展示。該養(yǎng)殖模式為初步建立和應(yīng)用示范，在項(xiàng)目執(zhí)行過程中出現(xiàn)了一些不足之處，在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后，課題組將通過技術(shù)參數(shù)和模塊組合的進(jìn)一步優(yōu)化，形成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的無縫銜接，更好地將其推廣應(yīng)用。