基于氮平衡的陆基水产养殖系统关键参数设计

郭红喜 柯彦若 杨泽冰 李波 林育敏 周琰

摘    要：为合理确定陆基水产养殖系统关键设计参数，本研究运用氮平衡理论，计算推导养殖系统水循环量、氧供给量、养殖池与配套池塘净化区面积比例，并进一步讨论鱼类粪便及残饵的收集率对系统运行的影响。结果表明：加州鲈（Micropterus salmoides）陆基养殖条件下，在粪便及残饵收集率不变情况下，养殖负荷由25 kg·m-3提高到50 kg·m-3，水循环量与氧气供应量均提高100%左右，水交换时间降低100%左右;在养殖负荷不变情况下，粪便及残饵收集率由30%提高到60%，水循环量下降12.10%～12.12%，氧气供应量下降7.65%～7.78%，水交换时间提高13.77%～13.82%;说明养殖负荷对陆基养殖系统水循环率、水交换时间和氧气供应量的影响较粪便及残饵收集率更大;另外，陆基养殖池面积与池塘净化区面积之比宜为1.5%～1.7%。本研究中陆基水产养殖系统的关键参数有利于陆基水产养殖技术推广与应用。

关键词：陆基水产养殖;氮平衡;工艺参数

中图分类号：S954.1         文献标识码：A        DOI 编码：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

改革開放以来，我国水产养殖业蓬勃发展，水产养殖产量和总产值常年位居全球第一[1]。但我国传统水产养殖模式粗放，从业者环保观念落后，不考虑或较少考虑环境承载能力，过度开发水域资源，造成水域资源浪费、环境污染和生态破坏等一系列问题[2-3]。20世纪末开始，我国科研机构通过借鉴、引进和吸收国外相关技术，示范推广了一批工厂化循环水养殖技术，推动了鲽鲆、对虾、石斑鱼等高价值水产品全程工厂化养殖[4]。但由于全程工厂化循环水养殖系统复杂，尤其是生物过滤器、微滤机等设备维护难度大[5]，运行成本居高不下，如罗非鱼的高密度工厂化循环水养殖运行盈利平衡点为25元·kg-1[6]，明显高于大多数大宗水产品销售价格，导致全程工厂化循环水养殖品种范围狭小。因此，构建一套高效、低成本的水产养殖系统是当前水产行业发展的重要议题。

2020年，农业农村部推广了“集装箱+生态池塘”、“零排放”圈养绿色高效养殖技术等新型水产养殖模式[7]，探索利用池塘自净能力消解养殖尾水中的富营养物质，达到养殖用水循环利用。采用两种新型模式养殖罗非鱼、加州鲈、乌鳢、草鱼等品种均能获得较好效益[8-9]。基于相同原理，广西、湖北等地开展了陆基圆形池循环水养殖模式的研发与应用，取得了较好的经济效益和生态效益[10]。陆基水产养殖系统一般由高密度养殖池、增氧系统、微滤机、集污沉淀池、池塘净化区、循环水泵等设施设备组成。但相关研究多关注鱼类生长的生理指标、生态环境效益等，或仅从养殖模式原理层面进行理论分析，鲜有从物质平衡的角度出发，设计优化陆基水产养殖模式，并给出相关关键设计参数。本研究以加州鲈为养殖对象，运用氮平衡原理，探讨建立一套高效、低成本、易维护的陆基水产养殖系统，以期为今后相关单位和企业开展陆基水产养殖系统建设提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 基本参数设定

设定养殖基本参数：养殖对象为加州鲈;养殖水体容积300 m3;养殖负荷25，50 kg·m-3;养殖池水体最低溶氧6 mg·L-1;鱼类粪便及殘饵收集率30%，45%，60%;池塘净化区深度1.8 m。

1.2 关键参数计算

1.2.1 总氨氮的计算 （1）系统产生的总氨氮

根据陆基水产养殖系统内氮平衡，综合考虑养殖品种、养殖产量、日投饲量、饲料蛋白含量等因素，建立系统总氨氮量计算方程，公式[11]如下：

PTAN=BM×1 000×rfeed×PC×αTAN/24（1）

式中，PTAN为系统总氨氮，g·h-1;BM为加州鲈产量，kg;rfeed为日投饲率，2.5%·d-1;PC为加州鲈饲料中粗蛋白含量，40%;αTAN为投喂每千克饲料蛋白产生氨氮量，取值0.102 4[11]。

根据基本参数计算得到：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）系统产生的总氨氮修正

系统中养殖品种代谢水平及残饵的降解情况决定了系统内总氨氮浓度。公式（1）中系数0.102 4的假设条件是：①饲料中粗蛋白含氮16%;②粗白质中80%氮被养殖品种消化;③被消化的氮80%转化为氨氮，且被排出;④粪便及残饵未被分解即被快速排出。则修正后的公式[12]如下：

P"TAN=PTAN+α（2）

式中，P"TAN为修正后的总氨氮，g·h-1;α为鱼类粪便及残饵产生氨氮之和，g·h-1，计算公式[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为鱼类粪便及残饵收集率，取值30%，45%，60%。

将式（1）数值带入式（3）中，得到：

α=0.562 5（1-η）×PTAN（4）

则修正后的系统总氨氮为：

P"TAN=PTAN×（1.562 5-0.562 5η）（5）

计算可知，当鱼类粪便及残饵收集率为30%时，P"αTAN1=446 g·h-1，P"αTAN2=892 g·h-1。

当鱼类粪便及残饵收集率为45%时，P"βTAN1=419 g·h-1，P"βTAN2=838 g·h-1。

当鱼类粪便及残饵收集率为60%时，P"λTAN1=392 g·h-1，P"λTAN2=784 g·h-1。

（3）系统需去除的总氨氮

在陆基水产养殖系统中，池塘净化区中微生物的硝化作用可将系统内氨氮转化为无毒的硝酸盐，从而降低系统总氨氮浓度。计算公式[12]如下：

RTAN=P"TAN-QA×CTAN（6）

式中，RTAN为总氨氮去除量，g·h-1;QA为系统补水量，m3·h-1;CTAN为氨氮浓度，mg·h-1，根据中国渔业水质标准要求，在25 ℃水温、pH7.0的条件下，取值3.5 mg·L-1[13-14]，计算公式如下：

QA=（7）

式中，CNO3为系统硝酸盐浓度，mg·L-1，取300 mg·L-1[15]。

计算可知，当养殖负荷为25 kg·m-3时：

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

当养殖负荷为50 kg·m-3时：

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

1.2.2 溶解氧平衡计算  （1）水循环量计算

根据消化反应耗氧情况和池塘净化区进出水溶氧浓度要求，建立系统水循环量计算方程，公式[16]如下：

QDO=RNOD/（CjODin-CfODout）（8）

式中，QDO为系统水体循环量，m3·h-1;CfODout为池塘净化区进水溶氧浓度，取6.0 mg·L-1;CfODout池塘净化区出水溶氧浓度，mg·L-1，取2.0 mg·L-1[17];RNOD为硝化反应耗氧量，g·h-1，根据基础生化反应方程，计算可知1 g氨氮需耗氧4.57 g氧化为硝酸盐[18]。

计算可知，当养殖负荷为25 kg·m-3时：

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

当养殖负荷为50 kg·m-3时：

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

将上述数值代入公式（8），计算可知：

当养殖负荷为25 kg·m-3时，QαDO1=503.60 m3·h-1;QβDO1=473.11 m3·h-1;QλDO1=442.66 m3·h-1。

当养殖负荷为50 kg·m-3时候，QαDO2=1 007.24 m3·h-1;QβDO2=946.27 m3·h-1;QλDO2=885.16 m3·h-1。

（2）氧供给量计算

基于养殖池水体溶解氧物质平衡原理，建立氧供给量公式如下：

PDO=QDO·CDOout+RDO-QDO·CDOin（9）

式中，PDO为养殖池氧供给量，g·h-1;CDOout为养殖池进水溶氧浓度，取6.5 mg·L-1;CDOout为养殖池出水溶氧浓度，mg·L-1，取6 mg·L-1;RDO为硝化反应耗氧量，g·h-1，计算公式如下：

RDO=Rresp+RNOD+RBOD（10）

式中，RNOD為硝化反应耗氧量，g·h-1;RBOD为生化反应耗氧量，g·h-1，按RNOD1/3取值[18];Rresp为养殖品种耗氧量，g·h-1，其计算公式如下：

Rresp=r×BM×1 000

式中，r为加州鲈单位呼吸速率，取0.181 mg·（g·h）-1 [19]，根据加州鲈不同养殖负荷及不同粪便及残饵收集率，分别计算可得：

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 池塘净化区配比计算 池塘净化区最小面积应满足系统水循环量停留时间、最大养殖负荷的要求，计算公式[16]如下：

S= （11）

式中，S为池塘净化区面积，m2;h"为水体停留时间，取24 h;h为池塘净化区水体深度，取1.8 m。计算可得：

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

系统养殖池水体容积300 m3，按照1.5 m养殖池水深计算，养殖池总占地面积为200 m2，其与池塘净化区面积比约为1.5%～1.7%，计算式如下：

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

2 结果与分析

陆基养殖系统水循环量、水交换时间、氧气供应量均受养殖负荷和粪便及残饵收集率双重影响。如表1所示，在粪便及残饵收集率不变情况下，养殖负荷提高1倍，水循环量与氧气供应量均提高100%左右，水交换时间降低100%左右;在养殖负荷不变情况下，粪便及残饵收集率提高15%，水循环率下降6.05%～6.44%，氧气供应量下降3.85%～3.96%，水交换时间提高6.46%～6.86%;在养殖负荷不变情况下，粪便及残饵收集率提高1倍，水循环量下降12.10%～12.12%，氧气供应量下降7.65%～7.78%，水交换时间提高13.77%～13.82%;。由此可见，养殖负荷较粪便及残饵收集率更加显著影响陆基养殖系统水循环率、水交换时间和氧气供应量。

养殖池面积与池塘净化区面积比约为1.5%～1.7%。根据公式（11），池塘净化区面积取决于水循环量、水力停留时间以及池塘净化区水深。水循环量越大，池塘净化区面积越大;水力停留时间越短，池塘净化区面积越小，但由于池塘净化过程中，生物降解或消纳富营养物质需一定时间，水力停留时间不可能无限降低;另外，池塘净化区一般由现有鱼池改造而成，水深一般为1.5～2 m，对池塘净化区面积影响相对较小。

3 结论与讨论

3.1 粪便及残饵去除问题

系统内颗粒废弃物主要来自鱼类粪便及饲料残饵，其降解会大大提高系统总氨氮浓度，及时去除颗粒废弃物能较好的降低系统氨氮负荷。但本研究发现，当系统尾水中鱼类粪便及残饵的收集率从30%上升至60%，系统内水循环量需求下降并不明显。且部分鱼类粪便易溶于水，不易收集。因此，鱼类粪便及残饵收集率并不能作为降低水循环量的指示指标。在设计养殖系统时，应综合考虑养殖对象生理特性、投饲率、饵料粗蛋白含量等影响因素，科学合理确定鱼类粪便及残饵收集率及收集方式。

3.2 系统水循环率问题

系统水循环率与鱼类养殖产量呈现明显正相关，增加系统水循环率能有效降价水体中的总氨氮及其他有害物质，减缓水质恶化速度，提高鱼类单位水体养殖负荷。相关研究表明，大菱鲆质量日增长率随水循环次数升高而增加[20]，虹鳟在水交换率降低时[21]，会出现死亡现象。本研究也发现，加州鲈养殖负荷降低一半时，系统水循环量需求也降低了近一半。且由于鱼类养殖全周期过程中，系统养殖负荷是一个动态增长的过程，因此宜综合考虑养殖水质环境、鱼类生长需求、养殖阶段等因素，针对不同养殖品种设计不同系统水循环率。

3.3 池塘水力停留时间问题

池塘净化区是陆基水产养殖系统的重要组成部分，起到消纳水体中氮、磷等营养元素的作用。池塘净化区一般由氧化塘、浮游动植物、水生植物、鱼类（鲢、鳙）、增氧设备等组成。有别于生活污水处理系统的好氧生化塘，后者主要通过好氧微生物净化水质，有机物负载不高，水力停留时间一般在2～6 d。本研究设计的池塘净化区种植有大量沉水植物，并配备了增氧设备，在供氧充足的情况下，能大大降低水力停留时间，但一般认为以16～24 h为宜[16]。随着池塘净化区净化能力的提升，水力停留时间能进一步压缩，从而降低池塘净化区配比比例。

3.4 养殖池结构问题

在水产养殖过程中，不同的养殖池结构具有不同水动力学特性和经济性。养殖池结构对养殖池内水体流动和鱼类代谢物排出均有影响，圆形养殖池具备良好的集污效果，且无死水、易于清洗[22]，但占地大，建筑成本较高。矩形养殖池因可以共用池壁，建筑成本相对较低，也利于节约用地和方便管理，但矩形养殖池内易产生死水区和集污区，不利于排污[22]。在高密度养殖条件下，圆形养殖池可快速排出池内养殖水产品的粪便及残饵，虽用地不经济、初期造价成本也较高，但养殖效果和系统稳定性均明显好于矩形养殖池。因此，陆基水产养殖系统推荐采用圆形结构。同时，考虑到圆形养殖池合理直径深比为3～4.5∶1[23]，故圆形养殖池直径6～8 m为宜，池深1.8～2.5 m为宜。

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收稿日期：2021-07-01

基金项目：湖北省科技精准扶贫计划项目（2019ABB032）;武汉市社科联一般课题项目（WHSKL2021159）;武汉市农业科学院创新项目（CXJSFW202108）

作者简介：郭红喜（1984—），男，湖北武汉人，工程师，硕士，主要从事水产养殖方面研究。

通讯作者简介：周琰（1985—），女，湖北武汉人，助理研究员，博士，主要从事农业经济方面研究。

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