“漁光一體”光伏組件遮光比例對池塘水質及草魚生長性能的影響

錢華政,蔣禮平,梁勤朗,牛江波,宋向果,謝 偉,唐 華,高曉清

(1 通威惠金新能源有限公司，拉薩 850012；2 通威股份有限公司，成都 610041；3 成都通威水產科技有限公司，成都 610041；4 中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000)

目前，水上發(fā)電的模式主要有兩種，即水上漂浮式發(fā)電以及“漁光一體”模式發(fā)電[1]。日本水面光伏電站已經廣泛應用，是目前世界上水上漂浮式光伏電站實際應用最多的國家，現已建成多個超過10 MW的漂浮光伏項目[2]。“漁光一體”模式發(fā)電以國內居多，在四川、山東、江蘇、安徽等地已建成多個示范基地。盡管“漁光一體”有較多的項目在實施，但這些項目研究多側重于如何優(yōu)化模式而提高光伏收益[3-4]，而就另一主體漁業(yè)養(yǎng)殖還未得到足夠的重視，目前光伏組件對養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)以及魚類生長性能影響的研究更是有限[5]。

池塘建設光伏電站后，將對池塘光照造成直接的影響，而光照是影響池塘水產養(yǎng)殖生產的重要因素。光照是浮游植物進行光合作用的根本能量來源，光照的強弱決定著單細胞藻類光合效率[6]。在“漁光一體”光伏電站運行過程中，長期遮光直接影響水溫和浮游植物的光合效率，進而影響水體溶氧質量濃度，會導致水環(huán)境中污染物的生物自凈能力減弱，原有的水體理化性質將會改變。此外，光照是浮游植物生長繁殖的主要能量來源[7]，遮光會導致浮游植物等初級生產者的生產力下降，使得以浮游植物為食的浮游動物的生物量相應出現減少，最終導致原有的水生生態(tài)系統(tǒng)結構和功能改變。光伏電站的遮光效應亦會對養(yǎng)殖魚類造成影響。遮光會使浮游生物生物量減少，導致魚類餌料生物減少，影響魚類的正常生長發(fā)育[8]。同時遮光還影響魚類的生理活動。許多研究表明，光照強度可影響仔魚對光的趨避性[9-11]、攝食強度[12-13]、呼吸頻率[14]和內分泌[15]等，長此以往會影響魚類生活史過程并導致其種群發(fā)生改變。

“漁光一體”模式從2016年出現，到目前還未見“漁光一體”光伏組件遮光比例對池塘水質及草魚生長性能影響的報道。研究光伏組件對池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)及魚類生長性能的影響，對“漁光一體”項目的優(yōu)化和漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展很有必要。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與養(yǎng)殖環(huán)境

模擬試驗池塘位于南京通威水產科技公司，共有池塘9口，每口池塘面積約為0.13 hm2，平均水深1.7 m(圖1)。每個試驗池塘安裝1.5 kW水車增氧機2臺，9口池塘共配備4.5 kW微孔增氧機1臺，每個池塘4個納米微孔曝氣盤。本試驗模擬池塘光伏組件安裝面積，每個處理和重復根據生產實際情況選擇池塘，設定了3個處理組，每組設3個重復，分別試驗命名為0%組(A、B、C)、50%組(D、E、F)、75%組(G、H、I)。模擬光伏電站由鍍鋅鋼管和遮陽網按照光伏板規(guī)格模擬制成，傾角25°，朝正南排布，間距2 m。模擬光伏電站設施建成后進行加水、漂白粉消毒工作。草魚放養(yǎng)量約12 300尾/hm2，魚種規(guī)格為370 g/尾。

圖1 試驗池塘示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental ponds

1.2 樣品采集與分析

各池塘內部共布設6個水樣采樣點(例圖1 A#)，測定水質及浮游生物指標。4月池塘清塘蓄水準備完畢，開始測量水溫、溶氧和pH指標，其余指標為5月魚種放養(yǎng)后進行測量記錄。試驗期間每日上午10:00在各池塘選取同一個采樣點位置，測定池塘水溫、溶氧、pH；每月于池塘水下1 m深度各采集水樣兩次，各池水樣混合后進行以下指標檢測：利用分光光度法分析水樣中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氮磷比、鈣硬度、總硬度、總堿度等無機物指標變化。其中，亞硝酸鹽氮，硝酸鹽氮和氨氮分別用亞硝酸鹽顯色劑比色法(GB 7493—1987)，紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)和比色法(GB/T7479—1987)測定[16]；利用浮游植物分析儀(FlowCAM)分析水樣中的藻種和藻相[17]；利用分光光度法檢測水樣葉綠素和類胡蘿卜素含量[18]，利用浮游生物計數框對樣品進行計數鑒定[19-20]。

試驗結束后對各池塘草魚隨機采樣1次，采用現有的國家標準測定蛋白質、脂肪、灰分和脂肪酸的含量[21-22]。

1.3 數據處理與分析

利用香農-威納指數計算浮游生物多樣性[23]，公式為：

H=-∑(Pi)(log2Pi)

式中:H為指數；Pi為此物種個體數占總個體數比例。

采用SPSS 20.0軟件對數據進行分析，統(tǒng)計顯著水平設定為P<0.05。

2 結果

2.1 不同光伏組件遮光度對草魚池塘水質指標的影響

不同遮光條件下，溫度、pH、溶氧隨時間變化如圖2所示。

圖2 不同光伏組件遮光比例對池塘水溫(A)、pH(B)和溶氧(C)的影響Fig.2 Effects of different photovoltaic module shading rates on water temperature(A),pH(B)and dissolved oxygen(C)in ponds

從溫度變化來看，隨著時間推移，不同遮光組的水溫變化趨勢是一致的；在各個月份中，50%組和75%組水溫均略微低于0%組，但不具有顯著性差異(圖2A)。在7月之前，50%組、75%組與0%組之間的pH差異并不大，但8～10月，各組之間顯示出較大差異。但在整個養(yǎng)殖周期內，各試驗組pH均在魚類生長最適pH范圍(7.0～8.5)內(圖2B)。從溶氧數據來看，魚塘在各個月份的溶氧的平均值在5 mg/L以上，且不同遮光組組間的溶氧水平差異不顯著(圖2C)

從圖3A可見，隨著養(yǎng)殖的進行，無機氮含量逐漸升高。從氨氮變化來看，9月為全年氨氮最高的一個月，遮光組與未遮光組相比，無論絕對含量還是相對比例，均為50%組含量最低，75%次之，未遮光0%組最高。全年平均氨氮也體現為50%組明顯低于其他兩組，而0%組和75%組接近。從硝酸鹽氮的變化來看，無論9月還是10月，50%組硝酸鹽氮絕對含量和相對含量均為最高。

圖3 不同光伏組件遮光比例對池塘無機氮(A)、活性磷(B)和氮磷比(C)的影響Fig.3 Effects of different photovoltaic module shading rates on inorganic nitrogen(A),active phosphorus(B)and nitrogen to phosphorus ratio(C)in ponds

圖3B可見，活性磷的含量隨時間延長出現升高的趨勢，在7月之前，遮光50%組活性磷含量最高，7月之后則最低；從整個養(yǎng)殖周期來看，未遮光池塘活性磷含量最高，活性磷含量全年平均以50%組最低，為0.82 mg/L。

從氮磷比看，各組到后期，由于無機氮含量增幅大，3個試驗組的氮磷都比較高，其中50%組氮磷比為最高(圖3C)。

鈣硬度、總硬度、總堿度主要體現了池塘中的緩沖力和生產力，從圖4可見，9、10月份較其他月份鈣硬度、總硬度、總堿度略高，50%組池塘全年平均鈣硬度、總堿度、總硬度均略高于其他池塘，但差異并不顯著。

圖4 不同光伏組件遮光比例對池塘鈣硬度(A)、總硬度(B)和總堿度(C)的影響Fig.4 The effects of different photovoltaic module shading rates on calcium hardness(A),total hardness(B)and total alkalinity(C)in ponds

2.2 不同光伏組件遮光度對草魚池塘浮游生物的影響

如圖5A可見，與0%組相比，遮光50%浮游植物種類數最多，遮光75%最少。從香農-威納指數來看，遮光75%多樣性指數最高，未遮光組最低。

圖5 不同光伏組件遮光度對池塘浮游植物的影響Fig.5 Effects of different photovoltaic module shading rates on phytoplankton in ponds

如圖5B所示，0%、50%、75%組的光合色素含量變化趨勢一致，在整個養(yǎng)殖周期內，光合色素含量大小順序為0%組>50%組>75%組。

從圖5C、5D、5E可以看出，藍藻的大量增殖出現在7～8月，而0%池塘的藍藻在6月已成為優(yōu)勢種類，而50%、75%遮光池塘則能在6月份約束藍藻的大量增殖，且50%組在9月份的藍藻占比低于0%和75%組。綠藻和硅藻的數目占比在7～8月較低，且3組池塘間差異不明顯；6月份0%組的硅藻、綠藻數目占比低于50%和75%組。

如圖6A可見，浮游動物種類未遮光和遮光50%組接近，但遮光75%組明顯有所減少。圖6B反映了不同遮光環(huán)境下浮游動物生物量的變化情況，由圖6可見，50%組浮游動物生物量全年平均最低，0%和75%組接近；相較于其他遮光池塘，50%組生物量表現為春季低而秋季高。

圖6 不同光伏組件遮光比例對池塘浮游動物的影響Fig.6 Effects of different photovoltaic module shading rates on zooplankton in ponds

2.3 不同光伏組件遮光度對草魚肌肉組分和生長性能的影響

從表1可以看出，0%組的粗蛋白、水分含量最高，50%組的粗蛋白、水分含量最低；50%組的粗脂肪含量明顯高于其他兩組，幾乎是其他兩試驗組的2倍。表2可知，75%組的飽和脂肪酸(SFA)含量最高，而50%組的不飽和脂肪酸(USFA)含量最高。

表1 各試驗組草魚肌肉成分組成分析Tab.1 Analysis of muscle composition of grass carp in each experimental group

表2 各試驗組草魚肌肉脂肪酸組成成分分析Tab.2 Analysis of fatty acid composition of grass carp muscle in each experimental group

從表3中比較分析，0%、50%、75%無顯著差異。但從數值看，0%組與75%組飼料系數相差0.14，畝產量相差250 kg。從生產上講，75%組平均日增重顯著下降，差異比較大。在各處理組中，存活率未表現出顯著差異。

表3 不同光伏組件遮光比例對草魚飼料系數、畝產量、日增重率和存活率的影響Tab.3 Effects of different photovoltaic module shading rates on feed conversion rate,yield per mu,daily weight gain and survival of grass carp in ponds

3 討論

3.1 池塘光伏組件安裝遮光比例對草魚池塘水質的影響

與0%組相比，隨著遮光面積的增加，水溫、pH逐漸降低，尤其是在夏季高溫季節(jié)差異更為明顯。有研究顯示草魚最適生長水溫為25℃～30℃，當水溫達到33℃時草魚開始死亡，并隨著溫度升高死亡率也升高。試驗中智能監(jiān)測系統(tǒng)顯示，75%組最高水溫均未超過33℃，而0%組在7月份最高水溫高于33℃，這表明光伏電站遮光可降低草魚熱應激風險，降低死亡率。無機氮含量、總硬度、總堿度是反映池塘水質狀態(tài)的良好指標，有研究顯示若水中硝酸鹽含量、總硬度、總堿度高，氨氮含量低，則說明水環(huán)境氧化性好，緩沖力強，水質好。試驗結果表明，與0%組相比，50%組氨氮轉化率更高、水體氧化性和穩(wěn)定性更好。從活性磷含量上來看，雖然50%組的活性磷養(yǎng)殖周期內平均含量最低，但其含量已達藻類適合生長的磷含量，不會對藻類生長造成抑制，能滿足藻類生長需要。氮磷比的檢測數據則顯示遮光與未遮光組的氮磷比都較高，這可能是隨著養(yǎng)殖進行，養(yǎng)殖過程中的殘餌和糞便逐步積累在池塘中，無機氮含量逐漸升高導致的，因此應及時清理養(yǎng)殖水中廢物，降低無機氮含量。

3.2 池塘光伏組件安裝遮光比例對浮游生物的影響

光照是影響浮游植物生長繁殖的最重要生態(tài)因子之一。大量研究顯示光照顯著影響浮游植物個體大小、生物量以及物種多樣性[24-27]，甚至影響某些藻的優(yōu)勢性[28]。以往研究表明，光合色素是反映浮游植物生物量的良好指標[29-30]。本試驗發(fā)現遮光組的平均光合色素含量較低，表明遮光影響了藻類的光合作用，降低了藻類生物量。然而，遮光組的香農-威納指數較0%組升高，而香農-威納指數是反映物種多樣性的良好指標，這表明遮光似乎對更多的藻類生長有利，適度的遮光能豐富藻類的多樣性。在水產實際生產過程中，特別是春秋季節(jié)，當池塘中某些有害藻如藍藻等易在水體中形成優(yōu)勢種群，抑制其他常規(guī)藻類生長和繁殖，遭遇到環(huán)境突變時，易發(fā)生大規(guī)?！暗乖濉爆F象，導致水體理化性質會發(fā)生急劇變化，造成魚類缺氧，生長減緩甚至死亡。通過分析不同遮光比例下池塘優(yōu)勢藻藍藻、綠藻和硅藻的光合色素含量發(fā)現，未遮光組的藍藻占比一直處于首位，因此未遮光組池塘面臨“倒藻”風險較高，而遮光組中綠藻和硅藻數量占優(yōu)，這對于水體的養(yǎng)殖環(huán)境而言是比較積極的信號，適度遮光可利于養(yǎng)殖池塘水質穩(wěn)定和魚類安全。

池塘的浮游植物為浮游動物提供了優(yōu)質的餌料，而浮游動物為池塘提供了初級生產力。因此，光照可能會通過影響浮游植物的量來影響浮游動物的量。本試驗的研究結果顯示，與0%組相比，光伏組件安裝比例對全年浮游動物的生物量影響不顯著。遮光池塘生物量變化體現為春季較其他遮光池塘低，而秋季則較高，春季為浮游動物繁殖的最好時機，所以在遮光條件下，應注重早期肥水。

3.3 池塘光伏組件安裝比例對草魚生長的影響

環(huán)境因子對魚類生長的影響可能是通過直接或間接對魚類的攝食、代謝等產生影響，進而影響能量收支平衡，增加或減少用于生長的能量分配[31-33]。對比試驗草魚的產量和存活率可以發(fā)現，0%組的存活率和產量均最高。同時根據本試驗的研究結果表明，遮光對草魚的生長有一定的影響。其中75%遮光對草魚日增重系數、飼料系數及畝產量的影響最大，而50%的遮光對草魚的影響相對較小。英國營養(yǎng)科學咨詢委員會(SACN)將總脂含量達到5%～20%的魚類定義為“肥魚”(oily fish)，并鼓勵一般人群增加其食用量(至少1次/周)[34]。50%組和75%組達到了“肥魚”的標準。本試驗中，50%和75%遮光對草魚的新陳代謝產生了影響，促進脂肪在肌肉的儲藏，生產出了更有營養(yǎng)的“肥魚”?？赡苁?0%和75%遮光處理給草魚營造了一個陰涼安全的棲息環(huán)境，減少了尋求弱光環(huán)境而帶來的能量消耗，從而促進肌肉中脂肪積累。

3.4 池塘光伏組件安裝比例對養(yǎng)殖的影響

在養(yǎng)殖池塘安裝不同比例的光伏板，改變了池塘接受光照面積占池塘面積的比例，光照強度的改變對池塘水質、水中生物造成了不同程度的影響。但從本研究結果來看，適宜的光伏板安裝不會對草魚的生長和產量有顯著影響，并且大大增加了經濟效益。當然，在該模式下也有以下不可忽視的問題：首先，集中安裝光伏板對風力作用的影響和縱向貫穿水體的水泥柱對水流的影響，影響了池塘自身具備的水體交換能力，從而導致池塘和空氣進行交換的能力受到了一定程度的影響，同時會增加池底硫化氫等有害物質積累的風險。其次，由于光伏組件的存在，增加養(yǎng)殖過程中捕撈、清塘等操作難度。對光伏組件的分布和構建形式進行改良、對改善水體流通的輔助設備的研發(fā)以及對整體經濟和生態(tài)效益深層次的比較是持續(xù)優(yōu)化“漁光一體”模式的方向。

4 結論

“漁光一體”光伏組件遮光不會對草魚養(yǎng)殖造成顯著影響。從水質上來看，模擬光伏電站遮光改善了草魚池塘水質，遮光組的pH、水溫降低，堿度、硬度和氮磷比升高，水體氧化性和穩(wěn)定性更好；從浮游生物上來看，遮光能優(yōu)化池塘水體藻相，抑制藍藻增殖，但不利于浮游動物生長；從草魚產量分析上來看，在相同投入的情況下，適宜的“漁光一體”遮光不會對草魚生長和產量造成顯著影響。但隨著光伏面積的增加，草魚的生長、產量及存活率均存在略微降低趨勢。同時，增設光伏組件對池塘水質、水中生物結構組成均造成了影響，并在捕撈、清塘等方面帶來了一定限制。因此，據本次研究結果表明，采用50%遮光比例將更有利于光伏發(fā)電和漁業(yè)的協調發(fā)展，但綜合考慮發(fā)電效益，75%的遮光比例則更為適宜。

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