基于氮平衡的陸基水產養殖系統關鍵參數設計

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養殖系統關鍵設計參數，本研究運用氮平衡理論，計算推導養殖系統水循環量、氧供給量、養殖池與配套池塘凈化區面積比例，并進一步討論魚類糞便及殘餌的收集率對系統運行的影響。結果表明：加州鱸（Micropterus salmoides）陸基養殖條件下，在糞便及殘餌收集率不變情況下，養殖負荷由25 kg·m-3提高到50 kg·m-3，水循環量與氧氣供應量均提高100%左右，水交換時間降低100%左右;在養殖負荷不變情況下，糞便及殘餌收集率由30%提高到60%，水循環量下降12.10%～12.12%，氧氣供應量下降7.65%～7.78%，水交換時間提高13.77%～13.82%;說明養殖負荷對陸基養殖系統水循環率、水交換時間和氧氣供應量的影響較糞便及殘餌收集率更大;另外，陸基養殖池面積與池塘凈化區面積之比宜為1.5%～1.7%。本研究中陸基水產養殖系統的關鍵參數有利于陸基水產養殖技術推廣與應用。

關鍵詞：陸基水產養殖;氮平衡;工藝參數

中圖分類號：S954.1 ? ? ? ? 文獻標識碼：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，我國水產養殖業蓬勃發展，水產養殖產量和總產值常年位居全球第一[1]。但我國傳統水產養殖模式粗放，從業者環保觀念落后，不考慮或較少考慮環境承載能力，過度開發水域資源，造成水域資源浪費、環境污染和生態破壞等一系列問題[2-3]。20世紀末開始，我國科研機構通過借鑒、引進和吸收國外相關技術，示范推廣了一批工廠化循環水養殖技術，推動了鰈鲆、對蝦、石斑魚等高價值水產品全程工廠化養殖[4]。但由于全程工廠化循環水養殖系統復雜，尤其是生物過濾器、微濾機等設備維護難度大[5]，運行成本居高不下，如羅非魚的高密度工廠化循環水養殖運行盈利平衡點為25元·kg-1[6]，明顯高于大多數大宗水產品銷售價格，導致全程工廠化循環水養殖品種范圍狹小。因此，構建一套高效、低成本的水產養殖系統是當前水產行業發展的重要議題。

2020年，農業農村部推廣了“集裝箱+生態池塘”、“零排放”圈養綠色高效養殖技術等新型水產養殖模式[7]，探索利用池塘自凈能力消解養殖尾水中的富營養物質，達到養殖用水循環利用。采用兩種新型模式養殖羅非魚、加州鱸、烏鱧、草魚等品種均能獲得較好效益[8-9]。基于相同原理，廣西、湖北等地開展了陸基圓形池循環水養殖模式的研發與應用，取得了較好的經濟效益和生態效益[10]。陸基水產養殖系統一般由高密度養殖池、增氧系統、微濾機、集污沉淀池、池塘凈化區、循環水泵等設施設備組成。但相關研究多關注魚類生長的生理指標、生態環境效益等，或僅從養殖模式原理層面進行理論分析，鮮有從物質平衡的角度出發，設計優化陸基水產養殖模式，并給出相關關鍵設計參數。本研究以加州鱸為養殖對象，運用氮平衡原理，探討建立一套高效、低成本、易維護的陸基水產養殖系統，以期為今后相關單位和企業開展陸基水產養殖系統建設提供科學依據。

1 材料和方法

1.1 基本參數設定

設定養殖基本參數：養殖對象為加州鱸;養殖水體容積300 m3;養殖負荷25，50 kg·m-3;養殖池水體最低溶氧6 mg·L-1;魚類糞便及殘餌收集率30%，45%，60%;池塘凈化區深度1.8 m。

1.2 關鍵參數計算

1.2.1 總氨氮的計算 （1）系統產生的總氨氮

根據陸基水產養殖系統內氮平衡，綜合考慮養殖品種、養殖產量、日投飼量、飼料蛋白含量等因素，建立系統總氨氮量計算方程，公式[11]如下：

PTAN=BM×1 000×rfeed×PC×αTAN/24（1）

式中，PTAN為系統總氨氮，g·h-1;BM為加州鱸產量，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生氨氮量，取值0.102 4[11]。

根據基本參數計算得到：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）系統產生的總氨氮修正

系統中養殖品種代謝水平及殘餌的降解情況決定了系統內總氨氮濃度。公式（1）中系數0.102 4的假設條件是：①飼料中粗蛋白含氮16%;②粗白質中80%氮被養殖品種消化;③被消化的氮80%轉化為氨氮，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生氨氮之和，g·h-1，計算公式[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）數值帶入式（3）中，得到：

α=0.562 5（1-η）×PTAN（4）

則修正后的系統總氨氮為：

P'TAN=PTAN×（1.562 5-0.562 5η）（5）

計算可知，當魚類糞便及殘餌收集率為30%時，P'αTAN1=446 g·h-1，P'αTAN2=892 g·h-1。

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

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

（3）系統需去除的總氨氮

在陸基水產養殖系統中，池塘凈化區中微生物的硝化作用可將系統內氨氮轉化為無毒的硝酸鹽，從而降低系統總氨氮濃度。計算公式[12]如下：

RTAN=P'TAN-QA×CTAN（6）

式中，RTAN為總氨氮去除量，g·h-1;QA為系統補水量，m3·h-1;CTAN為氨氮濃度，mg·h-1，根據中國漁業水質標準要求，在25 ℃水溫、pH7.0的條件下，取值3.5 mg·L-1[13-14]，計算公式如下：

QA=（7）

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

計算可知，當養殖負荷為25 kg·m-3時：

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

當養殖負荷為50 kg·m-3時：

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

1.2.2 溶解氧平衡計算 ?（1）水循環量計算

根據消化反應耗氧情況和池塘凈化區進出水溶氧濃度要求，建立系統水循環量計算方程，公式[16]如下：

QDO=RNOD/（CjODin-CfODout）（8）

式中，QDO為系統水體循環量，m3·h-1;CfODout為池塘凈化區進水溶氧濃度，取6.0 mg·L-1;CfODout池塘凈化區出水溶氧濃度，mg·L-1，取2.0 mg·L-1[17];RNOD為硝化反應耗氧量，g·h-1，根據基礎生化反應方程，計算可知1 g氨氮需耗氧4.57 g氧化為硝酸鹽[18]。

計算可知，當養殖負荷為25 kg·m-3時：

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

當養殖負荷為50 kg·m-3時：

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

將上述數值代入公式（8），計算可知：

當養殖負荷為25 kg·m-3時，QαDO1=503.60 m3·h-1;QβDO1=473.11 m3·h-1;QλDO1=442.66 m3·h-1。

當養殖負荷為50 kg·m-3時候，QαDO2=1 007.24 m3·h-1;QβDO2=946.27 m3·h-1;QλDO2=885.16 m3·h-1。

（2）氧供給量計算

基于養殖池水體溶解氧物質平衡原理，建立氧供給量公式如下：

PDO=QDO·CDOout+RDO-QDO·CDOin（9）

式中，PDO為養殖池氧供給量，g·h-1;CDOout為養殖池進水溶氧濃度，取6.5 mg·L-1;CDOout為養殖池出水溶氧濃度，mg·L-1，取6 mg·L-1;RDO為硝化反應耗氧量，g·h-1，計算公式如下：

RDO=Rresp+RNOD+RBOD（10）

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

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]，根據加州鱸不同養殖負荷及不同糞便及殘餌收集率，分別計算可得：

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 池塘凈化區配比計算 池塘凈化區最小面積應滿足系統水循環量停留時間、最大養殖負荷的要求，計算公式[16]如下：

S= （11）

式中，S為池塘凈化區面積，m2;h'為水體停留時間，取24 h;h為池塘凈化區水體深度，取1.8 m。計算可得：

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

系統養殖池水體容積300 m3，按照1.5 m養殖池水深計算，養殖池總占地面積為200 m2，其與池塘凈化區面積比約為1.5%～1.7%，計算式如下：

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

2 結果與分析

陸基養殖系統水循環量、水交換時間、氧氣供應量均受養殖負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，養殖負荷提高1倍，水循環量與氧氣供應量均提高100%左右，水交換時間降低100%左右;在養殖負荷不變情況下，糞便及殘餌收集率提高15%，水循環率下降6.05%～6.44%，氧氣供應量下降3.85%～3.96%，水交換時間提高6.46%～6.86%;在養殖負荷不變情況下，糞便及殘餌收集率提高1倍，水循環量下降12.10%～12.12%，氧氣供應量下降7.65%～7.78%，水交換時間提高13.77%～13.82%;。由此可見，養殖負荷較糞便及殘餌收集率更加顯著影響陸基養殖系統水循環率、水交換時間和氧氣供應量。

養殖池面積與池塘凈化區面積比約為1.5%～1.7%。根據公式（11），池塘凈化區面積取決于水循環量、水力停留時間以及池塘凈化區水深。水循環量越大，池塘凈化區面積越大;水力停留時間越短，池塘凈化區面積越小，但由于池塘凈化過程中，生物降解或消納富營養物質需一定時間，水力停留時間不可能無限降低;另外，池塘凈化區一般由現有魚池改造而成，水深一般為1.5～2 m，對池塘凈化區面積影響相對較小。

3 結論與討論

3.1 糞便及殘餌去除問題

系統內顆粒廢棄物主要來自魚類糞便及飼料殘餌，其降解會大大提高系統總氨氮濃度，及時去除顆粒廢棄物能較好的降低系統氨氮負荷。但本研究發現，當系統尾水中魚類糞便及殘餌的收集率從30%上升至60%，系統內水循環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量的指示指標。在設計養殖系統時，應綜合考慮養殖對象生理特性、投飼率、餌料粗蛋白含量等影響因素，科學合理確定魚類糞便及殘餌收集率及收集方式。

3.2 系統水循環率問題

系統水循環率與魚類養殖產量呈現明顯正相關，增加系統水循環率能有效降價水體中的總氨氮及其他有害物質，減緩水質惡化速度，提高魚類單位水體養殖負荷。相關研究表明，大菱鲆質量日增長率隨水循環次數升高而增加[20]，虹鱒在水交換率降低時[21]，會出現死亡現象。本研究也發現，加州鱸養殖負荷降低一半時，系統水循環量需求也降低了近一半。且由于魚類養殖全周期過程中，系統養殖負荷是一個動態增長的過程，因此宜綜合考慮養殖水質環境、魚類生長需求、養殖階段等因素，針對不同養殖品種設計不同系統水循環率。

3.3 池塘水力停留時間問題

池塘凈化區是陸基水產養殖系統的重要組成部分，起到消納水體中氮、磷等營養元素的作用。池塘凈化區一般由氧化塘、浮游動植物、水生植物、魚類（鰱、鳙）、增氧設備等組成。有別于生活污水處理系統的好氧生化塘，后者主要通過好氧微生物凈化水質，有機物負載不高，水力停留時間一般在2～6 d。本研究設計的池塘凈化區種植有大量沉水植物，并配備了增氧設備，在供氧充足的情況下，能大大降低水力停留時間，但一般認為以16～24 h為宜[16]。隨著池塘凈化區凈化能力的提升，水力停留時間能進一步壓縮，從而降低池塘凈化區配比比例。

3.4 養殖池結構問題

在水產養殖過程中，不同的養殖池結構具有不同水動力學特性和經濟性。養殖池結構對養殖池內水體流動和魚類代謝物排出均有影響，圓形養殖池具備良好的集污效果，且無死水、易于清洗[22]，但占地大，建筑成本較高。矩形養殖池因可以共用池壁，建筑成本相對較低，也利于節約用地和方便管理，但矩形養殖池內易產生死水區和集污區，不利于排污[22]。在高密度養殖條件下，圓形養殖池可快速排出池內養殖水產品的糞便及殘餌，雖用地不經濟、初期造價成本也較高，但養殖效果和系統穩定性均明顯好于矩形養殖池。因此，陸基水產養殖系統推薦采用圓形結構。同時，考慮到圓形養殖池合理直徑深比為3～4.5∶1[23]，故圓形養殖池直徑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

基金項目：湖北省科技精準扶貧計劃項目（2019ABB032）;武漢市社科聯一般課題項目（WHSKL2021159）;武漢市農業科學院創新項目（CXJSFW202108）

作者簡介：郭紅喜（1984—），男，湖北武漢人，工程師，碩士，主要從事水產養殖方面研究。

通訊作者簡介：周琰（1985—），女，湖北武漢人，助理研究員，博士，主要從事農業經濟方面研究。