“流水養殖槽—蝦—蟹”串聯式循環水養殖模式凈化效能的研究

謝輝亮，徐鋼春，王裕玉，徐跑*

(1.上海海洋大學 水產與生命學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院淡水漁業研究中心，江蘇 無錫 214081)

目前，魚、蝦、蟹混養的生態養殖模式主要為立體生態混養，該模式充分利用了養殖池塘的水體空間及餌料生物資源，選取不同的規格與密度搭配進行放養，從而提高了整體養殖經濟效益[1-2]，但由于在養殖過程中養殖水體需要進行定期更換，對水資源的消耗不容忽視。而傳統循環水養殖模式以魚類為主要養殖對象，并引入多生態位綜合修復技術，在養殖過程中進行多重凈化，實現循環水養殖[3-5]，但隨著養殖模式的不斷優化，在保證養殖系統正常運行的情況下，通過在系統內新增區域，將魚、蝦、蟹養殖與循環水模式相結合，在養殖高經濟水產品的同時進一步凈化水質從而提高養殖的綜合效益，這將成為一個值得探索的新途徑。為此，本研究團隊構建了“流水養殖槽—蝦—蟹”串聯式循環水養殖系統(IPRS-shrimp-crab)，并于2018年7月開始投入生產，本試驗于2019年5—8月進行，在傳統養殖模式基礎上增加蝦蟹池作為“養殖+凈化”雙功能區，定期監測系統內各區域水質變化情況，通過對比各功能區水質參數及浮游生物變化情況，對該養殖模式的有效性及可持續性進行研究，旨在為今后多樣化養殖模式的優化發展提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗系統的設計及管理

1.1.1 養殖系統設計及各功能區組 本試驗在江蘇省蘇州市陽澄湖大閘蟹配載中心水產站養殖試驗基地進行，養殖系統主要由流水養殖槽(IPRS)、集污區、人工濕地凈化區、青蝦養殖區、河蟹養殖區、凈化水循環利用區6個區域組成(圖1)。

圖1 養殖系統平面圖Fig.1 Plan of the aquaculture system

池塘東側并列排布的3條養殖流水槽，流水槽建設總規格為20 m × 26 m × 2 m，水槽采用網箱設計，每個流水槽內放養大口黑鱸Micropterussalmoides1萬尾。集污區建設總長為21 m，寬26 m，高2 m，在網箱的底部與塘底間建立6 m× 6 m矩形型錐底，共計36個，每個集污錐底的中心與集污漏斗連接，上口對接網箱底部，漏斗之間通過PVC管道連接后再與岸邊的排污井(1 m ×1 m ×3 m)相連通，內置帶液位開關的排污泵，后期通過壓縮裝置將收集到的污物壓縮成餅，用作肥料(圖2)。

圖2 集污功能區構建Fig.2 Construction of the sewage collecting area

人工濕地凈化區總面積為4 133.3 m2，區域內種植蘆葦Phragmitesaustralis、輪葉黑藻Hydrillaverticillata、苦草Vallisnerianatans、伊樂藻Elodeacanadensis等水生植物。蝦蟹養殖池面積均為3 666.7 m2，投放有青蝦Macrobrachiumnipponense蝦苗48萬只，河蟹Eriocheirsinensis1 034只，養殖池內設有一定量的水生植物及水草。凈化水循環利用區總長為80 m，水深為2.2 m，上寬為16 m，與蟹池接通，下寬為6 m，與流水槽接通，區域內投放少量的螺螄，并在溢流壩兩邊堆放一些活性炭及麥飯石，水體通過進一步的凈化后，再次流入養殖流水槽。

1.1.2 系統運行及日常管理 系統運行期間堅持早晚巡塘，查看生產設施是否有破損，水色是否正常(黃綠色為好)，蝦蟹塘水草有無腐爛，魚蝦蟹有無死亡等。由于水中溶氧在早上處于最低水平，故早晨巡塘完成后，將3臺增氧推水設備全開增氧，開機時長為20～30 min，白天只開啟1臺推水設備，傍晚投喂結束后關閉，再開啟另外2臺推水設備至翌日。早晚(6:00、18:00)各投喂一次飼料，每次投喂時間30 min左右(到吃食水花不大、有飼料漂到流水槽中后部為止)，早上投喂前將鼓風機和增氧機全開20～30 min，將池底沉降物隨水帶出流水槽為止，然后再開始投喂，每周三定期用碘制劑進行槽內水體消毒，如有魚病發生，按照治療方法給藥。

1.2 方法

1.2.1 樣品的采集與分析 待試驗系統運行一段時間后進行樣品采集，系統區域內設置4個采樣點，每個采樣點取3個平行樣，且每個平行樣品進行3次重復測定，取其平均值。采樣點分別位于流水養殖槽前端(A)、集污區(B)、人工濕地(C)和蝦蟹池出水口(D)(圖1)，采集上、中層混合水樣，分別于2019年5月14日、6月12日、7月15日、8月16日的9:00—11:00進行采樣。

2)浮游動植物生物學指標的采集與測定。浮游植物采集：用25號浮游生物網在水面以下約0.5 m處以適當的速度做“∞”字形緩慢循環拖動1～3 min，收集至1 000 mL采樣瓶中，加入15 mL魯哥試劑固定，在實驗室內靜置沉淀48 h后濃縮至30 mL。

浮游動物采集：浮游動物定性分析樣品的采集使用13號浮游生物網，在水面下0.5 m做“∞”形拖動，1～3 min后撈取，收集于1 000 mL采樣瓶中，加入一定量的福爾馬林溶液進行固定，帶回實驗室后濃縮至30 mL，在顯微鏡下進行分類鑒定。

浮游動植物的計數與鑒定方法參照《淡水浮游生物研究方法》[6]。Shannon-Weaver多樣性(H′)、R.Margalef 種類豐富度指數(D)、Pielou均勻度指數(J)計算公式分別為

D=(S-1)/log2N，

J=H′/log2N。

其中：S為總種類數；N為所有種類個體總數(即總密度)；Pi為第i種的個體數量在總個體數中所占的比例。污染物去除率公式為

Re=(ρ1-ρ2)/ρ1。

其中：Re為污染物去除率(%)；ρ1、ρ2分別為集污區出水口和流水槽前端污染物質量濃度(mg/L)。

1.2.2 富營養化評價 采用綜合狀態指數法[7]對各區域養殖水體進行富營養化評價，計算公式為

其中：TLI(∑)為綜合營養狀態指數；m為評價參數個數；Wj為第j種參數的營養狀態指數的相關權重；TLI(j)為第j種參數的營養狀態指數。

以Chl-a作為基準參數，結合TN、TP、SD、CODMn4個參數進行評價，則第j種參數的歸一化相關權重(Wj)計算公式為

其中，rij為第j種參數與基準參數Chl-a的相關系數。各參數的營養狀態指數計算公式分別為

TLI(TN)=10(5.453+1.694 lnTN)，

TLI(TP)=10(9.436+1.624 lnTP)，

TLI(SD)=10(5.118-1.94 lnSD)，

TLI(CODMn)=10(0.109+2.661 lnCODMn)，

TLI(Chl-a)=10(2.5+1.086 lnChl-a)。

其富營養狀態評定與污染關系見表1。在同一營養狀態下，其綜合營養狀態指數值越高，營養程度就越重，污染也越大。

1.3 數據處理

使用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和Duncan多重比較，分析不同月份水質指標差異[8]。

2 結果與分析

2.1 4個功能區水質指標的差異性分析

表1 水質營養狀態評價表Tab.1 Evaluation table of water trophic status

表2 各區域不同月份水質指標的差異性分析Tab.2 Divergence analysis of water quality indices in different areas in different months

表3 營養元素去除率的變化Tab.3 Variations in nutrient removal rate

2.2 浮游植物的變化

2.2.1 浮游植物密度與生物量 從圖3可見：隨著溫度升高，各區域浮游植物密度與生物量逐漸上升；養殖系統內浮游植物密度最大值為4.33×106ind./L，出現在7月15日集污區，最小值為1.89×106ind./L，出現在6月12日人工濕地，系統內平均密度為3.11×106ind./L；養殖系統內浮游植物生物量最大值為12.24 mg/L，出現在5月14日集污區，最小值為2.99 mg/L，出現在6月12日人工濕地，系統內平均生物量為7.62 mg/L。

圖3 各區域浮游植物密度和生物量變化Fig.3 Variation in phytoplankton density and biomass in different regions

在試驗過程中，各區域浮游植物密度依次為集污區>流水槽前端>蝦蟹池出水口>人工濕地；各區域浮游植物生物量依次為集污區>流水槽前端>人工濕地>蝦蟹池出水口。其中，5月份人工濕地區浮游植物密度和生物量高于蝦蟹池出水口，6月份蝦蟹池出水口的浮游植物密度和生物量要高于人工濕地，可能是區域內不同浮游植物結構所導致，說明養殖水體在流經凈化區后，營養鹽水平的下降限制了浮游植物的生長，導致浮游植物密度與生物量降低[10-11]。

2.2.2 浮游植物多樣性指數 浮游植物多樣性指數H′的變化范圍為4.16～4.81，平均值為4.49，各區域4個月H′指數的平均值依次為集污區(4.603)>流水槽前端(4.475)>蝦蟹池出水口(4.425)>人工濕地(4.410)，且隨著溫度升高，H′指數總體呈上升趨勢，而集污區水體經過凈化后，H′值有一定程度的減少，這與凈化后水體中浮游植物的物種數下降有關(表4)。

浮游植物均勻度指數J的變化范圍為0.52～0.58，平均值為0.55，各區域4個月J的平均值依次為人工濕地(0.560)>蝦蟹池出水口(0.558)>集污區(0.543)>流水槽前端(0.538)，而人工濕地和蝦蟹池出水口J值從5月到6月有所降低，說明5、6月水質狀況良好，凈化后浮游植物種類數下降，導致J值減小。隨著系統的運行，7月隨著溫度的升高凈化區生物繁殖加快，種類數增加，均勻度指數增加，8月時浮游植物群落趨于完整，凈化區內基質上的微生物和兼性厭氧的固著類微小植物等形成生物膜[12]，在水體循環作用下流出，從而使凈化區浮游生物種類數逐漸下降，均勻度指數再次下降(表4)。

浮游植物豐富度指數D的變化范圍為2.29～4.23，平均值為3.26，4個區域的D指數平均值依次為人工濕地>蝦蟹池出水口>流水槽前端>集污區，各區域隨著時間推移D指數均有所增加，說明隨著時間的推移，系統內浮游生物種群有所增加，利于循環養殖系統內水體的穩定(表4)。

表4 各區域浮游植物多樣性指數變化

2.3 浮游動物的變化

2.3.1 浮游動物密度與生物量 從圖4可見：隨著溫度的升高，各區域浮游動物密度與生物量逐漸上升；養殖系統內浮游動物密度最大值為8.46×104ind./L，出現在7月15日集污區，最小值為4.29×104ind./L，出現在5月14日人工濕地，系統內平均密度為6.38×104ind./L；養殖系統內浮游動物生物量最大值為9.71 mg/L，出現在7月15日集污區，最小值為3.81 mg/L，出現在5月14日流水槽前端，系統內平均密度為5.09 mg/L。

在試驗過程中，集污區水體經過人工濕地區域凈化后，浮游動物密度有一定程度的下降，其中7、8月差異較為明顯，而經過蝦蟹池后有所回升，分析可能是該區域內蝦蟹養殖過程中營養鹽成分上升，適宜浮游動物的生長。隨著時間的推移，溫度上升導致養殖水體營養鹽水平的升高，加快了浮游動物的繁殖速率[13]，導致7、8月的浮游動物密度要高于5、6月。在該養殖模式運行過程中，各區域隨著時間推移，浮游動物生物量與密度的變化趨勢一致，除了蝦蟹池出水口外，系統內其他各區域的浮游動物生物量總體呈上升趨勢，集污區水體經過人工濕地凈化后，浮游動物生物量明顯減少，說明經過人工濕地后的養殖水體凈化效果明顯，營養鹽水平下降限制了浮游動物的生長繁殖，從而導致總體的生物量有所降低；8月份蝦蟹池出水口的生物量低于人工濕地凈化區，可能與蝦蟹池的日常管理及人工調控有關。

圖4 各區域浮游動物密度和生物量變化Fig.4 Variation in zooplankton density and biomass in different regions

2.3.2 浮游動物多樣性指數 各區域浮游動物多樣性指數H′的變化范圍為3.86～4.78；各區域H′指數平均值依次為流水槽前端>集污區>蝦蟹池出水口>人工濕地；隨著時間推移，流水槽前端的H′指數總體呈下降趨勢，最小值出現6月，最大值出現在7月；集污區的H′指數總體呈上升趨勢，最小值出現在5月，最大值出現在8月；人工濕地的H′指數總體呈上升趨勢(除6月份外)，最小值出現在5月，最大值出現在6月；蝦蟹池出水口的H′指數總體呈上升趨勢(除6月份外)，最小值出現在6月，最大值出現在7月(表5)。

浮游動物均勻度指數J變化范圍為0.51～0.61，隨著系統的運行，流水槽前端與人工濕地的J指數總體呈下降趨勢，集污區J指數總體呈上升趨勢，蝦蟹池出水口4個月內變化不明顯；4個區域J指數平均值依次為蝦蟹池出水>流水槽前端>集污區>人工濕地，其中最大值出現在流水槽前端，可能是由于溫度升高，未攝食的餌料經微生物分解后導致流水槽前端營養鹽含量升高，從而浮游動物繁殖速度加快所導致(表5)。

浮游植物豐富度指數D變化范圍為3.34～5.11，流水槽前端D指數最小值出現在6月，最大值出現在7月，可能與該區域水質的管理調控有關；而集污區、蝦蟹池出水口D指數總體呈上升趨勢，說明隨著系統的運行水體中浮游動物種群數上升，有利于養殖水體水質的穩定性；4個區域D指數平均值依次為流水槽前端>集污區>蝦蟹池出水口>人工濕地，與H′指數變化規律一致(表5)。

表5 各區域浮游動物多樣性指數變化

2.4 富營養化程度評價

從表6可見：流水槽前端7月水體營養狀態為輕度富營養化，其他月份為中營養狀態，7月富營養化程度最高，5月富營養化程度最低；集污區4個月中均為輕度富營養化，7月富營養化程度最高，5月富營養化程度最低；人工濕地5月水體營養狀態為中營養狀態，其他月份為輕度富營養化，7月富營養化程度最高，5月富營養化程度最低；蝦蟹池出水口5月水體營養狀態為中營養狀態，其他月份為輕度富營養化，8月富營養化程度最高，5月富營養化程度最低。

3 討論

3.1 循環水養殖模式凈化機制

本研究中“流水養殖槽—蝦—蟹”串聯式循環水養殖模式通過構建多個功能區域，流水槽內養殖大口黑鱸Micropterussalmoides，并且底部裝有若干微孔增氧板，保證流水槽內溶氧充足，其上游裝有氣提式增氧推水機，下游設有集污池，在集污池底部設有多個錐形集污漏斗，且在尾端放置有人工浮床，可吸收一定量的營養元素，為其提供養料；集污池下游開設的人工濕地凈化區，種植有大量水生植物，可吸收水體中的N、P等營養元素，進行光合作用，增加水體含氧量，可加快有機物的分解，將有機氮轉化成為氨氮，促進硝化反應，從而避免氨氮和亞硝態氮的積累[14-15]。后端與蝦池連通，蟹池與蝦池相鄰，池內均種有水草，不僅能夠增加蝦蟹養殖池的透明度與溶氧量，還可以遮陽降溫，為蝦蟹棲息、脫殼提供隱蔽場所，而水草的嫩葉和碎屑可供青蝦與河蟹食用；蟹池后端設有的凈化水循環利用區內投放螺螄，通過上述多功能區的多生態位綜合修復技術，可提高系統自身凈化效能，實現水資源循環利用。

表6 各區域水體綜合營養狀態指數(TLI)

3.2 循環水養殖系統凈化效能分析

3.2.2 浮游動植物生物學指標 浮游動植物的密度和生物量與水體中營養鹽水平息息相關[16]。本研究中，通過循環水養殖模式將傳統封閉凈水轉為循環流水，在循環過程中實行凈化，養殖過程中會產生大量飼料殘餌及養殖生物排泄物，導致水體營養鹽水平升高，集污區的浮游生物密度與生物量要高于其他區，說明該區域內具有豐富的營養物質，為浮游植物的生長提供充分養料，使得浮游植物生長速度加快，密度與生物量增加，而浮游植物生物量增加后為浮游動物及其他捕食者提供餌料，促進其生長繁殖。浮游植物與浮游動物的消長呈交替現象，說明浮游植物的增加會促進浮游動物的生長繁殖，而浮游動物的生長與繁殖反過來又會在一定時間內限制浮游植物的生長。流水槽前端、人工濕地及蝦蟹池出水口的浮游生物密度與生物量遠低于集污區，說明通過凈化區，在水體中的營養鹽水平下降的同時，有效限制了浮游生物的生長繁殖，該養殖模式具有一定的凈化效果。

浮游生物的多樣性指數能夠反映生物種群或群落結構的變化，其中浮游植物多樣性能夠體現群落功能的組織特征，浮游動物多樣性與水體中生態系統的穩定有關，隨著環境的變化，其種類、數量、群落結構等均會發生改變[17-18]。評價水體時，浮游生物多樣性指數越高，水體的自凈能力越強[19]。在本試驗中，通過生態凈化，養殖水體營養元素被吸收，浮游動植物的密度與生物量迅速降低，而系統內浮游生物Shannon-Weaver 多樣性指數H′、Pielou均勻度指數J、豐富度指數D隨時間的推移呈上升趨勢，這說明養殖水體環境越來越穩定，該養殖模式凈化的有效性及可持續性得以體現。

3.3 養殖廢水對養殖生態的影響

氨具有較高的脂溶性,能通過鰓及皮膜進入魚的體內, 損傷鰓表皮細胞，導致血液中氨濃度的增加, 降低了載氧能力，從而使得魚體內某些酶失活或異變，具體表現為組織機能損傷或代謝機能無法正常運行。而提高養殖水體含氧量，可加快水中含氮物質的硝化與反硝化作用，將有害的氨態氮、亞硝態氮轉化成硝酸態氮，從而被浮游植物吸收利用[20]。

4 結論

1)魚蝦蟹養殖與循環水養殖相結合的生態養殖系統對養殖廢水中的營養鹽具有一定程度的凈化效果，且隨著時間推移系統的凈化能力逐漸上升，各項數據趨于穩定，但總體去除效率有待進一步加強，今后可通過加大水生植物種植密度、水草投放量、集污區污物抽出頻率等方式進一步改善。

2)較之傳統循環水養殖業，一方面，該養殖模式在一定程度上將“封閉凈水”轉為循環流水，通過“異位修復”的水環境調控實現養殖尾水“零排放”;另一方面，通過新增蝦蟹池功能區，在保證系統凈化效果的同時，提高了養殖的綜合效率，對水產生態集約化養殖的發展具有積極意義。