對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖研究進(jìn)展

朱 林，車 軒，劉興國，劉 晃，唐 榮

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

我國是世界第一養(yǎng)蝦大國，2014年全球?qū)ξr養(yǎng)殖產(chǎn)量為310萬t，其中，我國對(duì)蝦養(yǎng)殖產(chǎn)量為174.74萬t，占全球?qū)ξr養(yǎng)殖的56.12%[1]。目前，我國對(duì)蝦養(yǎng)殖以半精養(yǎng)和精養(yǎng)池塘養(yǎng)殖模式為主，池塘自凈能力弱，大量的富營養(yǎng)物質(zhì)全部排放在就近海域，嚴(yán)重影響了環(huán)境，也造成自身的交叉污染。受環(huán)境水質(zhì)的影響，許多養(yǎng)殖系統(tǒng)也常常面臨無水可換，只能依靠系統(tǒng)內(nèi)自我調(diào)節(jié)的窘境[2-3]。

病害依然還是對(duì)蝦養(yǎng)殖生產(chǎn)面臨的首要問題。對(duì)蝦病害蔓延，養(yǎng)殖排塘率一直居高不下。2010年上半年對(duì)蝦病害蔓延，養(yǎng)殖排塘率居高不下，局部地區(qū)對(duì)蝦死亡率和排塘率甚至達(dá)到70%～80%，造成了對(duì)蝦產(chǎn)量同比明顯下降。尤其2013年我國對(duì)蝦養(yǎng)殖業(yè)暴發(fā)“早期死亡綜合癥”（EMS）或稱急性肝胰腺壞死綜合癥（AHPNS）病害以來[4-8]，我國對(duì)蝦主養(yǎng)區(qū)華南的養(yǎng)蝦業(yè)遭受了重大損失，至2015年，華南養(yǎng)蝦業(yè)依然受到EMS/AHPNS的重大影響，廣東、廣西等地區(qū)的凡納濱對(duì)蝦發(fā)病排塘率高達(dá)80%[9]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，EMS/AHPNS造成每年超過10億美元的經(jīng)濟(jì)損失。除此之外，另一種病害對(duì)蝦肝胰腺壞死癥（HPNS）亦導(dǎo)致我國南方超過1/2的凡納濱對(duì)蝦養(yǎng)殖場產(chǎn)量銳減80%以上[10-14]，同時(shí)，隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，海岸帶的開發(fā)，沿海的土地資源日趨緊張，對(duì)蝦養(yǎng)殖包括育苗種面積以每年10%～20%的面積遞減，對(duì)蝦養(yǎng)殖用地受到嚴(yán)重?cái)D壓和蠶食，可養(yǎng)水面面積日益減少。另一方面，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人工成本在對(duì)蝦養(yǎng)殖總投入中的占比越來越高，且養(yǎng)殖操作人員呈老齡化的趨勢。提高單位土地的產(chǎn)出量，發(fā)展高效低污染的智能化工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖模式，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖的無公害，已成為現(xiàn)代對(duì)蝦養(yǎng)殖的普遍呼聲。筆者分析了對(duì)蝦工廠化發(fā)展歷史、研究進(jìn)展及發(fā)展方向，以期為對(duì)蝦工廠化研究提供參考。

1 世界對(duì)蝦工廠化發(fā)展歷史

工廠化養(yǎng)殖起步于20世紀(jì)60年代末，其技術(shù)基礎(chǔ)來源于內(nèi)陸海水水族館和高密度流水養(yǎng)魚[15]。20世紀(jì)90年代開始用生物工程、微生物、膜和自動(dòng)化控制等工業(yè)化技術(shù)，在水體生物處理、消毒、排污、增氧及控溫等方面取得很大進(jìn)步，水循環(huán)利用率達(dá)到95%以上，單產(chǎn)高達(dá)50～100 kg/m3[16]。工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖起步于20世紀(jì)90年代中期，最初是在養(yǎng)魚系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分的改良以適應(yīng)對(duì)蝦的生活習(xí)性，代表性系統(tǒng)有美國得克薩斯大學(xué)海洋科學(xué)研究所設(shè)計(jì)的跑道式對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)、臺(tái)灣對(duì)蝦試驗(yàn)所臺(tái)南分所開發(fā)的室內(nèi)自動(dòng)化養(yǎng)蝦系統(tǒng)等[17-18]；第2階段20世紀(jì)90年代末至21世紀(jì)初，工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖進(jìn)入快速發(fā)展階段，特點(diǎn)是各種新技術(shù)應(yīng)用于對(duì)蝦養(yǎng)殖的探索研究，代表性系統(tǒng)有美國海港海洋研究所設(shè)計(jì)的三階段對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)、美國夏威夷科納海灣海洋資源公司的蝦-藻類-貝養(yǎng)殖系統(tǒng)、美國南得克薩斯Sauz牧場的基于人工濕地的養(yǎng)蝦系統(tǒng)等[19-20]；第3階段2005年以后進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，其特點(diǎn)是根據(jù)對(duì)蝦生活習(xí)性，更加注重菌與藻的相互關(guān)系[21]，其單位產(chǎn)量和存活率都大幅提高，代表性系統(tǒng)有美國墨西哥灣海岸研究實(shí)驗(yàn)室的基于生物絮凝的對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)、美國德克薩斯農(nóng)作物生命研究所海水養(yǎng)殖實(shí)驗(yàn)室的基于菌藻共生的對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)等[22]。

2 研究進(jìn)展

2.1 對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖設(shè)施設(shè)備

能保持良好的養(yǎng)殖環(huán)境是對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖模式區(qū)別于傳統(tǒng)對(duì)蝦養(yǎng)殖模式的特點(diǎn)，對(duì)養(yǎng)殖用水的處理和調(diào)控是關(guān)鍵點(diǎn)。過濾系統(tǒng)、增氧系統(tǒng)、增溫系統(tǒng)及廢水處理系統(tǒng)是對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)的主要單元[23-24]。早期對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖模式主要使用臭氧儀、泡沫分離器和粗濾器等組成的循環(huán)水處理系統(tǒng)[25]，后來其發(fā)展為以紫外線消毒器、羅茨風(fēng)機(jī)、太陽能加熱系統(tǒng)、轉(zhuǎn)鼓式微濾機(jī)、蛋白分離器、生物過濾器及臭氧反應(yīng)裝置等組成的工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)。

2.2 氮磷元素收支

由于對(duì)蝦只能利用餌料蛋白的20%～30%，殘餌及對(duì)蝦的代謝產(chǎn)物在水體中大量積累，產(chǎn)生大量有毒的氨態(tài)氮、亞硝酸態(tài)氮。因此，了解工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖池中氮磷的收支狀況具有重要的意義。在工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)氮磷的總輸出中，水層輸出和沉積均占到了相當(dāng)?shù)谋壤B(yǎng)殖密度增加會(huì)在一定程度上降低水層和提高底泥沉積的氮磷量，顯著影響對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖池氮磷的收支。工廠化養(yǎng)殖模式中，水體環(huán)境呈高磷低植物生物量特征，光照度的強(qiáng)弱及營養(yǎng)鹽補(bǔ)充源的多少對(duì)養(yǎng)殖水體中無機(jī)磷含量和葉綠素a含量起重要作用[26]。

2.3 養(yǎng)殖密度與溶解氧

養(yǎng)殖密度和溶解氧含量是限制對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖的兩大因素。養(yǎng)殖密度影響我國對(duì)蝦生長的機(jī)制主要取決于存活率、攝食量和食物轉(zhuǎn)化率的變化。溶解氧含量對(duì)體質(zhì)量增長量、體長增長量、存活率、蛻皮率、攝食量和食物轉(zhuǎn)化率的影響不明顯。蛻皮率和食物轉(zhuǎn)化率受到溶解氧含量和養(yǎng)殖密度交互作用的影響。我國對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖在體長小于7cm、養(yǎng)殖密度在200～250尾/m3時(shí)，與傳統(tǒng)養(yǎng)殖條件下凡納濱對(duì)蝦的生長速度無顯著差異。在凡納濱對(duì)蝦的工廠化養(yǎng)殖環(huán)境中，對(duì)蝦耗氧量占總耗氧的72.67%，水柱耗氧占27.33%，對(duì)蝦耗氧是最大的耗氧因子[24]。墨吉明對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖最適養(yǎng)殖密度為180～240尾/m2，此時(shí)對(duì)蝦各生長性狀測量值相對(duì)較高，且有利于提高墨吉明對(duì)蝦工廠養(yǎng)殖空間利用率[27]。

2.4 水質(zhì)參數(shù)調(diào)控

南美白對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖初期，對(duì)蝦呼吸產(chǎn)生的CO2量少，影響pH值變化的主要因素是浮游植物光合作用。在養(yǎng)殖中后期，對(duì)蝦、微生物呼吸及有機(jī)物氧化分解產(chǎn)生的CO2是影響pH值的主要因素，養(yǎng)殖密度越大影響越大。對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖水環(huán)境參數(shù)如水溫、鹽度和溶解氧完全可人為控制；pH值和葉綠素在短時(shí)間內(nèi)可被人工調(diào)控，但無法長時(shí)間控制其變化趨勢和變化幅度；而氮、磷營養(yǎng)鹽的溶解氧的變動(dòng)較小，2種模式下平均值差異顯著；pH值的變動(dòng)較大，其平均值顯著高于室外養(yǎng)殖池水體；葉綠素含量較高，與室外養(yǎng)殖間無顯著差異；水體中氮、磷營養(yǎng)鹽含量均在較低的濃度范圍內(nèi)波動(dòng)，且其平均值在2種養(yǎng)殖模式下差異均不顯著[28-29]。

2.5 生物絮團(tuán)模式

生物絮團(tuán)技術(shù)（Bi of loc Technology，BFT）是近年來發(fā)展起來的一種通過調(diào)控養(yǎng)殖池中微生物組成，利用微生物調(diào)控水質(zhì)的新型對(duì)蝦養(yǎng)殖模式。生物絮體不僅可以作為微生物的載體，有效轉(zhuǎn)化系統(tǒng)對(duì)生物毒性較大的氨氮、亞硝酸鹽氮，其中的微生物體蛋白質(zhì)還可以作為營養(yǎng)被養(yǎng)殖動(dòng)物攝食，實(shí)現(xiàn)飼料營養(yǎng)的重復(fù)利用，提高飼料利用率。國際上很多采用生物絮團(tuán)技術(shù)的對(duì)蝦工廠化養(yǎng)殖系統(tǒng)經(jīng)過研發(fā)、試驗(yàn)和改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了零換水的目標(biāo)[30]。

3 發(fā)展方向

國外設(shè)施化對(duì)蝦養(yǎng)殖已經(jīng)將信息感知、模型構(gòu)建、自動(dòng)化裝備結(jié)合起來，將漁業(yè)生產(chǎn)知識(shí)與養(yǎng)殖設(shè)備有機(jī)整合，實(shí)現(xiàn)以預(yù)報(bào)、預(yù)測技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合運(yùn)行過程狀態(tài)反饋的典型養(yǎng)殖生產(chǎn)過程的精準(zhǔn)化控制，大大提高了養(yǎng)殖過程的智能化水平，促進(jìn)了對(duì)蝦養(yǎng)殖業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展。探討對(duì)蝦動(dòng)物生理生態(tài)行為與水體成分及環(huán)境的相互影響規(guī)律和自適應(yīng)機(jī)理，非常注重多學(xué)科的融合和交叉，更強(qiáng)調(diào)采用現(xiàn)代高新技術(shù)量化和可視化水生生物的行為與生理。英國漁業(yè)環(huán)境與對(duì)蝦養(yǎng)殖科學(xué)中心利用水下相機(jī)，研究生物群對(duì)不同海洋環(huán)流以及氣候變化的反應(yīng)，建立了生物群生態(tài)自適應(yīng)模型；丹麥、挪威等研究機(jī)構(gòu)利用生長情況結(jié)合攝食行為研究，制定了精確投喂模型。

國外在水質(zhì)在線監(jiān)控技術(shù)方面的研究較深入，美國YSI、HACH、In-Situ和德國WTW等公司所開發(fā)的基于熒光淬滅效應(yīng)的溶解氧傳感器已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、污水處理和設(shè)施對(duì)蝦養(yǎng)殖環(huán)境調(diào)控，技術(shù)相對(duì)成熟。利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)、殘餌判斷，利用聲學(xué)傳感器判斷攝食狀態(tài)，通過對(duì)影響攝食、消化的環(huán)境因子、生理因素和飼料品質(zhì)等因素的研究，實(shí)現(xiàn)了投喂量預(yù)估和生長狀態(tài)判斷。

國內(nèi)在設(shè)施對(duì)蝦養(yǎng)殖智能精準(zhǔn)裝備系統(tǒng)研究領(lǐng)域，已經(jīng)開展了相關(guān)的基礎(chǔ)研究和單項(xiàng)技術(shù)研究，取得了一定的積累，部分成果已在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。但總體而言，技術(shù)融合和集成尚顯不足，系統(tǒng)和裝備成熟度有待提升。對(duì)蝦養(yǎng)殖過程精準(zhǔn)管控是實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)殖生產(chǎn)、現(xiàn)代化漁業(yè)管理的基礎(chǔ)，現(xiàn)有工廠化養(yǎng)殖企業(yè)生產(chǎn)管理技術(shù)很難滿足集約、高效、綠色的產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，已成為制約我國養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。同時(shí)養(yǎng)殖從業(yè)人員文化水平差異大，養(yǎng)殖生產(chǎn)管理缺乏有效的決策模型和管控手段，養(yǎng)殖過程缺乏信息技術(shù)對(duì)接。通過構(gòu)建智能化工廠化對(duì)蝦養(yǎng)殖系統(tǒng)，串聯(lián)各養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，自動(dòng)監(jiān)控養(yǎng)殖參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)地，降低人工投入，精準(zhǔn)自動(dòng)控制，提前預(yù)警病害，綠色高效養(yǎng)殖。