池塘內(nèi)循環(huán)流水養(yǎng)殖模式的關(guān)鍵技術(shù)研究

崔凱 汪翔 魏澤能 陸劍鋒 李海洋 賴年悅 徐薇 盧文軒 蔣陽陽 李正榮

摘要 針對池塘內(nèi)循環(huán)流水養(yǎng)殖（IPA）的現(xiàn)有水平，闡述了IPA應(yīng)用規(guī)模，并開展了IPA養(yǎng)殖槽和凈化區(qū)功能試驗，最后對IPA養(yǎng)殖水產(chǎn)品進行了品質(zhì)分析。

關(guān)鍵詞 池塘內(nèi)循環(huán)流水養(yǎng)殖（IPA）模式；關(guān)鍵技術(shù)；安徽省

中圖分類號 S962.9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）17-0086-06

Abstract Aiming at the present level of inpond aquaculture（IPA），the application scale of IPA was expounded. And the function test in rearing tanks of IPA and purification region was conducted. And the quality of IPA products was analyzed.

Key words Inpond aquaculture（IPA） model；Key technologies；Anhui Province

內(nèi)陸淡水水產(chǎn)養(yǎng)殖改變了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，改善了優(yōu)質(zhì)食物蛋白供給結(jié)構(gòu)，拓寬了漁農(nóng)民的生產(chǎn)性收入結(jié)構(gòu)。水產(chǎn)養(yǎng)殖的產(chǎn)量、規(guī)模、成效快速發(fā)展，但仍存在資源高度依賴、外部環(huán)境負效應(yīng)壓力以及水產(chǎn)品質(zhì)量安全、養(yǎng)殖生態(tài)安全和生物安全等問題。2013年國內(nèi)引進了美國亞拉巴馬州奧本大學(xué)Jesses A.Chappell教授研發(fā)的集約化池塘內(nèi)循環(huán)流水養(yǎng)殖技術(shù)系統(tǒng)（intensive pond aquaculture，IPA），利用原位或異位生物操縱、新材料和設(shè)施設(shè)備介入的技術(shù)和物質(zhì)，因地制宜采用投入低碳、物質(zhì)與養(yǎng)分循環(huán)、精細高效的養(yǎng)殖系統(tǒng)和模式。

該技術(shù)體系包含：①經(jīng)濟目標——提高盈利能力（improved profitability）；②養(yǎng)殖目的——池塘集約化精細化養(yǎng)殖（intensive pond aquaculture）；③關(guān)鍵對象——水體水質(zhì)及其營養(yǎng)和能量（water nutrients and energy）；④技術(shù)措施——保護與利用（conservation）。

綜上所述，該技術(shù)體系是盈利目標下池塘內(nèi)水體、營養(yǎng)物質(zhì)和能量封閉性保護利用的集約化精細養(yǎng)殖體系（conservation of water nutrients and energy in intensive pond aquaculture for improved profitability）[1]，Michael P.Masser稱之為“inpond raceways（IPA）”[2]。這一系統(tǒng)隱含著循環(huán)經(jīng)濟理論核心——3R原則：減量化（reduce）、再使用（reuse）、再循環(huán)（recycle）[3]。2013年底安徽省銅陵市、六安市等地創(chuàng)新設(shè)計和建造池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過試驗示范養(yǎng)殖，基本實現(xiàn)物質(zhì)能量循環(huán)、養(yǎng)殖尾水零排放的要求。因此，該項養(yǎng)殖新技術(shù)在引進、消化、吸收、再利用過程中還需要對IPA的關(guān)鍵功能和關(guān)鍵技術(shù)進行進一步驗證。

1 IPA應(yīng)用規(guī)模

由科研院所、大學(xué)、推廣系統(tǒng)和國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系專家組成的安徽IPA產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟自2014年連續(xù)開展養(yǎng)殖研究、試驗示范和模式攻關(guān)，其中研究示范布點包括2014年2個點、2015年8個點、2016年12個點、2017年18個點，遍及沿江江南、環(huán)巢湖、沿淮淮北和江淮分水嶺地區(qū)。養(yǎng)殖品種涉及鱖、鱸、黃顙魚、鮰、草、鯽、魴、鮊等淡水魚品種11個，產(chǎn)能達1 000 t。商品魚養(yǎng)殖單產(chǎn)32.5～147.1 kg/m3，魚種養(yǎng)殖單產(chǎn)15.9～40.5 kg/m3。在養(yǎng)殖池塘內(nèi)修建的IPA養(yǎng)殖單元，面積一般占池塘面積的1.5%～2.5%，流水槽規(guī)格通常為長22 m×寬5 m×高2.3 m，集污槽長為養(yǎng)殖單元寬度總和×寬（4.0 m）×高（2.3 m）。2017年底安徽省已建設(shè)IPA設(shè)施系統(tǒng)71個點，流水養(yǎng)殖槽246條，養(yǎng)殖面積35 120 m2，養(yǎng)殖水體69 980 m3，容納池塘面積574.3 hm2，預(yù)計2018年IPA系統(tǒng)建設(shè)和應(yīng)用將有更大突破。

2 IPA養(yǎng)殖槽和凈化區(qū)功能試驗

2.1 池塘水質(zhì)多點位長時序監(jiān)測

在IPA系統(tǒng)中選取5個水質(zhì)采樣點，分布在養(yǎng)殖流水槽內(nèi)、集污區(qū)、隔水壩過水區(qū)、兩側(cè)凈化區(qū)，采集養(yǎng)殖水體水面下30～40 cm處的水樣250 mL。在養(yǎng)殖期間連續(xù)15 d定時專人監(jiān)測水溫、溶解氧、pH、氨氮、亞硝酸鹽、溶解氧、硫化物、渾濁度等水質(zhì)指標，使用Matlab軟件進行統(tǒng)計分析并進行t檢驗。結(jié)果表明：①在時間維度上，水質(zhì)數(shù)據(jù)同步變化，無明顯差異。5個采樣點水質(zhì)指標的變異系數(shù)見表1。由表1可知，養(yǎng)殖槽變異系數(shù)最小，養(yǎng)殖系統(tǒng)的進出水口端變異系數(shù)最大。變異系數(shù)越小，表明水質(zhì)指標數(shù)據(jù)越穩(wěn)定，受到的外界干擾越少。②在空間維度上，在某一時刻水質(zhì)在空間上存在差異，主要表現(xiàn)為養(yǎng)殖槽中和養(yǎng)殖槽前后進出水端的水質(zhì)數(shù)據(jù)有差異，存在差異的水質(zhì)指標主要為溶解氧，其次為渾濁度和硫化物（圖1～4）。對安徽省內(nèi)5家IPA養(yǎng)殖企業(yè)開展了常年水質(zhì)檢測（表2），可為進一步豐富和修訂養(yǎng)殖水體水質(zhì)預(yù)警系統(tǒng)V1.0（軟著登字第0989823號）、池塘工程化循環(huán)水動態(tài)精準投喂系統(tǒng)V1.0（軟著登字第2292524號）提供依據(jù)。

2.2 養(yǎng)殖槽流場監(jiān)測

使用LS1206B型旋槳式流速儀檢測養(yǎng)殖槽內(nèi)水體的流速分布情況。在養(yǎng)殖槽前端、側(cè)壁、末端共建立15個檢測點。每個檢測點在養(yǎng)殖水體液面下每隔10 cm檢測流速。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，養(yǎng)殖槽前端流速上表層水流速快，隨水深遞減到底層水流速減慢；養(yǎng)殖槽末端流速呈現(xiàn)上層水流速慢，隨水深遞增到底層水流速度快，呈現(xiàn)以養(yǎng)殖槽前端的推水口為起點隨著養(yǎng)殖槽長度的增加而向下分布的拋物線趨勢。此外，發(fā)現(xiàn)在養(yǎng)殖槽中端形成亂流現(xiàn)象，在養(yǎng)殖槽末端靠中間的位置，不易收集到養(yǎng)殖槽殘餌和排泄物。使用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）對IPA槽中的流場進行仿真模擬（圖5）。

該試驗的目的是完善IPA風(fēng)險預(yù)警模型、尋求養(yǎng)殖對象的最佳流速范圍，確保高密度養(yǎng)殖同時減少養(yǎng)殖產(chǎn)品因流速過大引起的應(yīng)激反應(yīng)、生理消耗、降低餌料系數(shù)建立量化依據(jù)。在MATLABR2012b環(huán)境下，調(diào)用net函數(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，建模樣本分為81個訓(xùn)練樣本、18個驗證樣本、18個測試樣本，使用共軛梯度法訓(xùn)練模型，經(jīng)過訓(xùn)練后模型的識別正確率為94.9%。

2.3 池塘凈化區(qū)生物操控技術(shù)研究

試驗點位于合肥和六安。與六安試驗點IPA凈化區(qū)相比，合肥試驗點采用生物-生態(tài)組合凈水技術(shù)：投放濾食性鰱鳙和螺螄、栽種沉水和挺水植物等生態(tài)凈化方式，經(jīng)過水質(zhì)跟蹤檢測，2個試驗點的循環(huán)水池塘水質(zhì)指標差異顯著，合肥試驗點的養(yǎng)殖水體中亞硝酸鹽含量僅為六安試驗點的29.31%，合肥試驗點氨氮濃度為0～1 mg/L，六安試驗點平均氨氮濃度為2.5 mg/L（圖6、7）。根據(jù)生物量測算，凈化區(qū)1 kg/m2水生植物可消納水體氮0.4 g、磷0.025 g，1 kg鳙魚可以吸收氮14.5 g、磷0.6 g、碳57.85 g，鰱魚可以吸收氮4.9 g、磷0.85 g、碳60.75 g[4]。按照IPA中流水槽數(shù)量與凈化區(qū)面積比1∶10、高密度養(yǎng)殖產(chǎn)量2 t/槽設(shè)計，凈化區(qū)布局35%水生植物、投放規(guī)格為250 g/尾的草魚尾、鰱鳙2 250尾/hm2、螺75 kg/hm2，在流水槽進出水口兩端和凈化區(qū)配置涌浪機和耕水機，可保障水溫、溶氧和水質(zhì)的其它指標達到養(yǎng)殖用水的標準水平。此外，還可以套養(yǎng)日本沼蝦、黃顙魚、鱖等。在六安試驗點，為了有效降低水體中亞硝酸鹽含量，開展了EM菌使用試驗。結(jié)果表明，使用EM菌雖然可以有效降低水體中氨氮、亞硝酸鹽的含量，但其有效期只有7年，7年后養(yǎng)殖水質(zhì)的相關(guān)指標又快速回升為原來水平。

2.4 對比開展的非原位生物絮凝技術(shù)在IPA中的應(yīng)用研究

通過向水體內(nèi)補償碳源，調(diào)控水體中的C/N比、培育有益復(fù)合菌構(gòu)建生物絮凝結(jié)構(gòu)骨架，從而大幅降低養(yǎng)殖水體中的氨氮、亞硝酸鹽濃度。利用循環(huán)水流場，延長了生物絮凝的時效性。使用集污區(qū)收集的養(yǎng)殖廢水做為生物絮凝的氮源，對污水進行再次利用，形式生物絮團。測定生物絮團粗蛋白含量35%～50%、粗脂肪含量2.5%～9.0%、灰分7%～10%、能量18～22 kJ/g，可以被作為青蝦、鳙魚的餌料循環(huán)利用，節(jié)約餌料投入及養(yǎng)殖成本。IPA養(yǎng)殖系統(tǒng)中水體氮磷輸入主要源于飼料，占比分別為90%～98%、97%～98%，在槽外凈化區(qū)種植水生經(jīng)濟植物，如蓮、薄荷、水芹、雍菜、魚腥草以及沉水和浮葉植物馬來眼子菜、伊樂藻、苦草等消納水體中TN和TP，控制水體氨氮和亞硝酸鹽水平。根據(jù)餌料系數(shù)測算，飼料中營養(yǎng)物質(zhì)的75%～80%被流水槽內(nèi)魚體以各種形式排出，可在凈化區(qū)提供15%～20%的生產(chǎn)力[5]，如生長青蝦、鰱、鳙、匙吻鱘、細鱗斜頜鲴，或珍珠蚌、螺螄等。

3 IPA養(yǎng)殖水產(chǎn)品品質(zhì)分析

通過IPA養(yǎng)殖水產(chǎn)品的采樣，對鱖魚、斑點叉尾鮰、草魚肌肉品質(zhì)、質(zhì)構(gòu)（TPA）開展比較分析。不同養(yǎng)殖模式草魚質(zhì)構(gòu)和品質(zhì)數(shù)據(jù)表明，IPA養(yǎng)殖水產(chǎn)品比傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖的水產(chǎn)品質(zhì)量更優(yōu)、口感更佳，甚至比安徽休寧縣山區(qū)有著數(shù)百年歷史的山區(qū)流水養(yǎng)殖的水產(chǎn)品還要略勝一籌，表明IPA養(yǎng)殖產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量的優(yōu)質(zhì)化和安全性更為可靠（表3、表4）。

同時還開展了IPA養(yǎng)殖斑點叉尾鮰模式試驗和產(chǎn)品質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果表明：IPA養(yǎng)殖鮰魚粗蛋白含量顯著低于池塘水鮰魚（P<0.05）；水分含量無顯著差異（P>0.05）；灰分含量較高，表明循環(huán)水鮰魚礦質(zhì)含量豐富；但循環(huán)水鮰魚脂肪含量明顯高于池塘水鮰魚（P<0.05）（表5）。無論是水解氨基酸還是游離氨基酸，循環(huán)水鮰魚的氨基酸總量顯著高于池塘水鮰魚（P<0.05）。在檢測的17種水解氨基酸中，50%以上IPA鮰魚水解氨基酸含量超過池塘水鮰魚，且5類氨基酸顯著高于池塘水鮰魚（P<0.05）；在檢測的17種游離氨基酸中，50%以上IPA鮰魚游離氨基酸含量

超過池塘水鮰魚，且7類氨基酸含量顯著高于池塘草魚（P<0.05）（表6）。IPA鮰魚的礦質(zhì)含量比池塘水鮰魚豐富，且差異顯著（P<0.05），尤其是鈣含量非常高，是普通草魚的2倍多，有助于人體補鈣。另外，IPA鮰魚的鉀和鎂含量比池塘水鮰魚高。對消費者而言，鉀元素可以調(diào)節(jié)細胞內(nèi)適宜的滲透壓和體液的酸堿平衡，參與細胞內(nèi)糖和蛋白質(zhì)的代謝。鎂元素可減少血液中膽固醇的含量，防止動脈硬化，同時還能擴張冠狀動脈，增加心肌供血量，降低心臟病突發(fā)死亡率（表7）。IPA鮰魚的魚皮膠原蛋白顯著高于池塘水鮰魚（P<0.05），即IPA鮰魚的魚皮膠質(zhì)更多，烹煮的魚湯更加濃稠（表8）。雖然池塘水鮰魚的飽和脂肪酸總量（SFA）顯著高于IPA鮰魚（P<0.05），但IPA鮰魚的ΣUFA（不飽和脂肪酸）總量顯著高于池塘水鮰魚（P<0.05），且IPA鮰魚的多不飽和脂肪酸總量（PUFA）顯著高于池塘水鮰魚（P<0.05），多不飽和脂肪酸高有助于調(diào)節(jié)血脂、清理血脂，有防治心血管疾病等多種功效（表9）。IPA鮰魚的魚肉硬度、黏附性和膠著性均顯著高于池塘水鮰魚（P<0.05），但恢復(fù)性略低于池塘水鮰魚。綜合考慮，IPA鮰魚的魚肉質(zhì)構(gòu)參數(shù)優(yōu)于池塘水鮰魚（表10）。

4 小結(jié)

（1）池塘循環(huán)流水養(yǎng)殖系統(tǒng)（IPA）是現(xiàn)代漁業(yè)對傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)、要素、模式、結(jié)構(gòu)、功能和體系的升級版。這項高度綜合性技術(shù)不僅顛覆傳統(tǒng)的池塘養(yǎng)殖觀念和方式，而且向水產(chǎn)養(yǎng)殖的所有從業(yè)者提出了如何消化、吸收和利用新技術(shù)以及如何面向漁業(yè)現(xiàn)代化等挑戰(zhàn)。因此，現(xiàn)代池塘養(yǎng)殖只有突破技術(shù)密集、資金密集這2個門檻，才能把控池塘養(yǎng)殖現(xiàn)代化的發(fā)展趨向。

（2）應(yīng)用IPA的安徽養(yǎng)殖企業(yè)，獲得較好收益的企業(yè)占1/3，收益較差的企業(yè)也占1/3，這種現(xiàn)象符合新技術(shù)應(yīng)用和企業(yè)成長的一般規(guī)律。因為IPA及其配套技術(shù)是一種兼容性極強的開放系統(tǒng)，所以在動力、氣動、流場、糞污收集、槽體、過濾、擋水和材料等子系統(tǒng)中必然還存在改進、革新和換代的空間，另外在品種、投喂、疫病、水質(zhì)、設(shè)施設(shè)備等環(huán)節(jié)還存在適宜性選擇的問題。同時，應(yīng)用主體必須在利用IPA之前對經(jīng)營模式、盈利模式有明確的預(yù)設(shè)，也即產(chǎn)業(yè)前端設(shè)計，從而經(jīng)由養(yǎng)殖過程使產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈和價值鏈整合，傳導(dǎo)到養(yǎng)殖及其加工產(chǎn)品的市場兌現(xiàn)與價值實現(xiàn)[6-7]。

（3）IPA的核心要詣而又往往被有意或無意簡略的是循環(huán)，有生產(chǎn)過程中的要素投入和漁獲物產(chǎn)出循環(huán)，水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)品和商品銷售循環(huán)，池塘內(nèi)部水體流動和池塘內(nèi)外進排水循環(huán)，生產(chǎn)者、消費者、分解者和清除者的物質(zhì)能量循環(huán)，以及生產(chǎn)、生活、生態(tài)的大循環(huán)。在物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化與守恒的約束下，IPA應(yīng)用中在占池塘面積2%的槽內(nèi)的主要養(yǎng)殖區(qū)和占98%池塘面積的主要凈化區(qū)，必須發(fā)揮功能分區(qū)應(yīng)有的作用。否則，不僅會增加養(yǎng)殖成本，侵蝕盈利空間，而且會造成養(yǎng)殖企業(yè)給環(huán)境溢出外部負效應(yīng)。因而，應(yīng)促進和操控IPA的循環(huán)功能，實現(xiàn)動態(tài)平衡的循環(huán)。

（4）在水產(chǎn)品供給和消費的格局中，全球平均每3條魚中有2條是我國提供的，而我國家庭餐桌上平均3條魚中有2條是我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)者提供的。隨著環(huán)境保護的全面鋪開和深入推進，對漁獲物產(chǎn)量及質(zhì)量具有較大貢獻率的湖泊、水庫、河溝等空間退出養(yǎng)殖功能，內(nèi)陸淡水魚業(yè)在逼仄的環(huán)境下必須為結(jié)構(gòu)調(diào)整尋求出路，池塘養(yǎng)殖更要擔(dān)負起水產(chǎn)品供需平衡和產(chǎn)品質(zhì)量保障的責(zé)任。作為池塘養(yǎng)殖新興技術(shù)之一的IPA系統(tǒng)，逐漸成為國內(nèi)內(nèi)陸淡水養(yǎng)殖省份和企業(yè)建設(shè)、開發(fā)和應(yīng)用的熱點，具有傳統(tǒng)漁業(yè)改造、切入現(xiàn)代漁業(yè)的潛質(zhì)和前景[8]。

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