天津地区渔-莲耦合循环养殖系统净化养殖水环境试验研究

    丁子元 郑艳坤 徐晓丽 郝俊 姚学良 蔡琰 徐林通

    

    

    

    摘要：研究了天津地区淡水养虾池塘不同养殖时期渔-莲耦合循环养殖系统净化养殖水环境效果，结果表明：不同养殖时期TN、NH+4-N、NO-2-N的去除率表现为养殖中期>养殖后期>养殖前期，TN去除率分别为7.6%、22.41%、17.67%，NH+4-N去除率分别为16.19%、24.96%、20.04%，NO-2-N去除率分别为11.72%、19.22%、17.13%;不同养殖时期TP的去除率表现为养殖前期>养殖中期>养殖后期，去除率分别为14.33%、9.6%、6.39%。与对照池塘相比，养殖前期TN、TP、NH+4-N、NO-2-N均值差异不显著（P>0.05），养殖中期TP、NO-2-N均值差异显著（P<0.05）;NH+4-N均值差异极显著（P<0.01），养殖后期TN、NO-2-N均值差异极显著（P<0.01）。研究表明，渔-莲耦合循环养殖系统利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用可以有效改善养殖水环境，增加水体的自净能力。

    关键词：渔莲耦合;池塘养殖;循环净化;去除率

    天津地区淡水池塘养殖面积占全市水产养殖面积的八成以上[1]，是天津渔业产业结构重要组成部分，是天津渔业经济发展重要支柱产业。但是随着淡水池塘养殖产量的快速提高，使得向池塘中投入的投入品数量增加，养殖动物的排泄量增多，残饵、粪便等沉积塘底超过了水体自净能力。据报道，水产养殖投喂的饲料，70%～80%为人工配合饲料，这种饲料多以悬浮颗粒物形式进入水体中，最终被养殖生物食用的营养物质中约有51%氮和64%磷成为废弃物[2-3]，这也是造成养殖池塘受残饵粪便、底泥污染影响，富营养化程度严重，池塘环境承载力下降的主要原因之一。

    近几年，渔业经济的发展开始遵循低碳经济、循环经济的发展原则[4-6]，倪洁丽等[7]研究了生态修复技术中的水生植物修复的概念、作用机理及影响因素，田敏等[8]研究了南方平原湖区利用藕塘对鱼塘进行异位修复，并得出养殖水在藕塘滞留可有效改善水质。目前，这方面研究在北方地区鲜有报道，本文采用池塘生态循环水养殖理念，进一步研究了不同养殖时期渔-莲耦合循环养殖系统对养殖尾水净化效果，旨在为天津地区池塘生态循环养殖的发展提供参考资料。

    1材料与方法

    1.1池塘条件

    试验在武清区巷明水产养殖专业合作社进行，养殖地点位于天津市武清区崔黄口镇。试验水源用水为青龙湾减河引水。试验池塘面积6.67hm2，长方形，东西向，长宽比为2∶1。按面积比为3∶1的比例改造池塘，其中：养殖区占总面积3/4，面积为5hm2;莲塘净化区占总面积1/4，面积为1.67hm2。

    养殖区结合池塘面积、深度、池底淤泥沉积情况，进行池塘护坡、底部、坡度的改造。池底为锅底状，平均水深为2m，最大水深为3m，中央设有圆形排污口，排污口半径为10cm，高出池底20～25cm。池塘底部铺设管径为10cm排污管道，与莲塘净化区域相连。配备车轮式增氧机4台，功率1.5kW，分布在池塘四周，用于辅助池塘养殖水体形成逆时针水流，便于池底集污设施收集残饵、粪便等污染物。配备微孔增氧设备，每hm2配备15～60个曝气盘，盘框需固定在池底，距离池塘底部10～15cm，配备鼓风机功率1.5～2.25kW/hm2。

    莲塘净化区以养殖区清淤底泥经处理作为基底，厚度在30～50cm之间，为莲藕的生长提供必要的养份，整个生长过程不施肥。采用PVC板搭建挡水墙，使水流沿挡水墙形成的水槽流动。在莲塘净化区末端设置水泵，泵体为平流泵，流量为300m3/h。养殖区水位设计要高于莲塘净化区，从而利用养殖区和莲塘净化区的高度差产生的定向水流将养殖区的部分残饵、粪便等污染物通过底排污管道排入莲塘净化区，通过平流泵将净化后的水抽入养殖区形成循环。

    1.2试验设计

    养殖区主养虾套养鱼，南美白对虾放养量45万尾/hm2，规格为1cm/尾;鲤鱼放养量1500尾/hm2，规格为100g/尾;草鱼放养量1500尾/hm2，规格为100g/尾。莲塘净化区莲藕种植品种为早熟品种鄂莲7号，种植藕种6000kg/hm2。通过底排污管道和抽水泵将养殖区与莲塘净化区相连，运行时通过插拔管，利用高度差和水泵使养殖尾水形成循环。选择池塘面积及养殖品种、养殖密度相同的池塘作为对照池，开展渔-莲耦合循环养殖系统表面流试验。每次试验前先将莲塘净化区中的水体排到附近储水池中，采用五点法布点进行水质采样，采集的样品均匀混合后带回实验室备测。

    1.2.1渔-莲耦合循环养殖系统表面流试验该试验分别在养殖前期、养殖中期、养殖后期三个阶段进行。南美白对虾在养殖前期（5月底—6月），主要以池塘浮游生物作为开口饵料，一周后开始投喂人工配合颗粒饲料，每天投喂2次，即9∶00、21∶00投喂，日投喂量为对虾总重的10%，主要依靠成株期的莲藕进行水质净化;养殖中期（7-8月）每天投喂3次，即9∶00、20∶00、24∶00投喂，日投喂量为对虾总重的6%，主要依靠结藕期的莲藕进行水质净化;养殖后期（9月至出池）每天投喂4次，即7∶00、12∶00、19∶00、24∶00投喂，日投喂量为对虾总重的5%，主要依靠休眠期的莲藕进行水质净化。投喂时在池塘边均匀泼洒，夜间投喂量占日投喂总量的50%。表面流处理起始时間9∶00，从起始时间开始每隔24h分别于试验池塘和对照池塘取混合水样带回实验室备测。每次水循环持续72h，使用流量为300m3/h的平流泵，循环水量约为总水量的21.59%。

    1.2.2指标测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（HJ636-2012）测定总氮（TN）;采用钼酸铵分光光度法（GB11893-1989）测定总磷（TP）;采用纳氏试剂分光光度法（HJ535-2009）测定氨氮（NH+4-N）;采用分光光度法（GB7493-1987）测定亚硝酸盐氮（NO-2-N）;采用自动定氮仪法（NY/T2419-2013）测定藕、藕茎、藕叶部位全氮含量;采用钼锑抗比色法（NY/T2421-2013）测定藕、藕茎、藕叶部位全磷含量。

    2结果

    2.1不同养殖时期试验池塘水质变化情况

    分别在6月、7月、9月不同养殖时期进行了渔-莲耦合循环养殖系统表面流试验，不同养殖时期试验池塘水质指标变化情况如下。

    2.1.1TN变化如图1所示，不同养殖时期TN起始质量浓度变化范围为2.129～2.650mg·L-1，呈显著升高趋势，养殖前期较养殖后期差异极显著（P<0.01），养殖中期较养殖后期差异显著（P<0.05），表明养殖水环境中TN含量随养殖投入品的逐渐积累而显著增加;相同养殖时期TN在系统运行期间，均呈逐渐降低趋势，表明莲塘表面流对TN具有一定净化效果。

    2.1.2TP变化如图2所示，不同养殖时期TP起始质量浓度变化范围为0.244～0.173mg·L-1，呈显著降低趋势，养殖前期较养殖中期差异极显著（P<0.01），养殖中期较养殖后期差异不显著（P>0.05），表明养殖前期植物对水环境中TP的吸收量显著大于养殖中期和后期;相同养殖时期TP在系统运行期间，均呈逐渐降低趋势，表明莲塘表面流对TP具有一定净化效果。

    2.1.3NH+4-N变化如图3所示，不同养殖时期NH+4-N起始质量浓度变化范围为1.905～1.585mg·L-1，呈显著降低趋势，养殖前期较养殖后期差异显著（P<0.05），养殖中期较养殖后期差异不显著（P>0.05），表明养殖前期植物对水环境中NH+4-N吸收量显著大于养殖后期;相同养殖时期NH+4-N在系统运行期间，均呈逐渐降低趋势，表明莲塘表面流对NH+4-N具有一定净化效果。

    2.1.4NO-2-N变化如图4所示，不同养殖时期NO-2-N起始质量浓度变化范围为0.053～0.061mg·L-1，呈逐渐升高趋势，不同养殖时期差异不显著（P>0.05）;相同养殖时期NO-2-N在系统运行期间，均呈逐渐降低趋势，表明莲塘表面流对NO-2-N具有一定净化效果。

    2.1.5去除率变化如图5所示，TN在不同养殖时期去除率分别为7.6%、22.41%、17.67%;TP在不同养殖时期去除率分别为14.33%、9.6%、6.39%;NH+4-N在不同养殖时期去除率分别为16.19%、24.96%、20.04%;NO-2-N在不同养殖时期去除率分别为11.72%、19.22%、17.13%。

    2.2试验池塘与对照池塘水质变化情况

    试验池塘采用渔-莲耦合循环养殖系统进行养殖尾水的净化处理，对照池塘选取与试验池塘面积及养殖品种、养殖密度相近条件的池塘进行常规养殖，不同养殖时期试验池塘与对照池塘水质指标均值变化情况如下。

    2.2.1TN变化如图6所示，试验池塘与对照池塘TN在养殖前期、养殖中期差异不显著（P>0.05），养殖后期差异极显著（P<0.01），对照池塘TN含量显著高于试验池塘。

    2.2.2TP变化如图7所示，试验池塘与对照池塘TP在养殖前期、养殖后期差异不显著（P>0.05），养殖中期差异显著（P<0.05），对照池塘TP含量显著高于试验池塘。

    2.2.3NH+4-N变化如图8所示，试验池塘与对照池塘NH+4-N在养殖前期差异不显著（P>0.05），养殖中期、养殖后期差异极显著（P<0.01），對照池塘NH+4-N含量显著高于试验池塘。

    2.2.4NO-2-N变化如图9所示，试验池塘与对照池塘NO-2-N养殖前期差异不显著（P>0.05），养殖中期差异显著（P<0.05），养殖后期差异极显著（P<0.01）。养殖中期、养殖后期阶段对照池塘NO-2-N含量显著高于试验池塘。

    2.3莲藕不同部位TN、TP富集情况

    养殖后期对收割后的莲藕不同部位进行了TN、TP的测定，测定结果如表1所示。

    由表1可见，莲藕不同部位对TN的富集量从大到小为藕叶>藕>藕茎，其中藕叶的富集量为（27.59±0.02）g·kg-1，藕的富集量为（9.621±0.01）g·kg-1，藕茎的富集量为（5.901±0.01）g·kg-1;对TP的富集量从大到小为藕叶>藕>藕茎，其中藕叶的富集量为（3.704±0.01）g·kg-1，藕的富集量为（2.901±0.01）g·kg-1，藕茎的富集量为（1.543±0.01）g·kg-1。

    3讨论

    通过莲塘表面流处理，试验池塘不同养殖时期TN、NH+4-N、NO-2-N的去除率表现为养殖中期>养殖后期>养殖前期，TP的去除率则表现为养殖前期>养殖中期>养殖后期。养殖中期，TN、NH+4-N、NO-2-N的去除率出现峰值，分别为22.41%、24.96%、19.22%，很可能与该阶段植株光合作用增强有关。因为水温、光照的强度增加，从而提高了水体中某些微生物（如光合细菌、硝化细菌等）的活性，进而增强了莲塘表面流对TN、NH+4-N、NO-2-N的净化效果。而养殖前期，TP的去除率略高于其他养殖时期，达到14.33%，很可能与养殖前期植株根系、茎叶生长有关。因为P元素具有促使植株根系发达、促进茎叶生长的作用，进而影响了莲塘表面流对TP的净化效果。

    在不同养殖时期，与对照池塘相比，试验池塘TN、TP、NH+4-N、NO-2-N均值变化较小，且数值均低于对照池塘，表明养殖水环境相对更加稳定。养殖前期，试验池塘与对照池塘TN、TP、NH+4-N、NO-2-N均值差异不显著（P>0.05）。养殖中期，TP、NO-2-N均值差异显著（P<0.05）;NH+4-N均值差异极显著（P<0.01）。养殖后期TN、NO-2-N均值差异极显著（P<0.01）。由此可见，渔-莲耦合循环养殖系统利用基质、植物、微生物的物理、化学、生物三重协同作用可以有效改善养殖水环境，增加水体的自净能力。

    莲藕不同部位对TN、TP的富集量，从大到小，均为藕叶>藕>藕茎。由此可见，莲藕地上部分要比地下部分对TN、TP的富集效果好[9]，很可能是莲藕生长发育的需要在一定程度上影响了莲藕不同部位对TN、TP的富集。因为N元素是植物体内许多重要有机化合物组成的必要元素，例如蛋白质、核酸、叶绿素、维生素、生物碱以及一些植物酶和激素等，它也是遗传物质的基础，在生物体内常处于代谢的中心地位，而P元素是植物能量代谢的主要元素，影响着植物光合作用及呼吸作用，所以在不同程度上影响了TN、TP在莲藕不同部位的富集量的差异。

    4小结

    通过渔-莲耦合循环养殖系统净化养殖水环境试验的研究，可见在北方天津地区采用种植莲藕对养殖尾水进行循环净化，可以使养殖池塘水环境得到有效改善。与普通养殖池塘相比，采用渔-莲耦合循环养殖系统的池塘水环境更加稳定，水质更符合渔业养殖水质标准。同时，采用养殖池塘清淤底泥经处理作为莲塘种植莲藕基质的方式，可以实现底泥的原位处理，既降低了底泥中氮磷等污染物含量，又为莲藕生长发育提供了必需营养元素。但需要注意，在种植莲藕前，应对池塘清淤底泥进行处理，否则腐烂的底泥可能会影响养殖水质环境。

    在养殖效果方面，与普通养殖池塘相比，存在显著优势：一是有效降低养殖成本。渔-莲耦合循环养殖系统利用生态循环的养殖理念，有效减少了渔药使用，既遵循了低碳经济、循环经济的发展原则，又显著降低了养殖成本。二是可以提高养殖附加值。种植的莲藕，既是水质净化的主要载体，又是百姓餐桌上的美味佳肴，收获的藕可以提高养殖附加值，为渔民增产增收。

    参考文献：

    [1]

    张韦，缴建华.天津地区水产养殖氮磷污染负荷估算初探[J].科学养鱼，2018（6）：54-56.

    [2]NHANDK，VERDEGEMMCJ，MILSTEINA，etal.Waterandnutrientsbudgetsofpondsinintergratedagriculture-aquaculturesystemintheMekongDelta，Vietnam[J].AquacultureResearch，2008，39（11）：1216-1228.

    [3]郭立新.循環水培高等陆生植物系统对水产养殖废水的净化研究[D].杭州：浙江大学，2004.

    [4]王新玉.低碳发展与循环发展、绿色发展的关系研究[J].生态经济，2014（9）：39-44.

    [5]泽农.中国水产科学研究院院长张显良解读“碳汇渔业”[J].农产品加工，2011（6）：6-7.

    [6]肖乐，刘禹松.碳汇渔业对发展低碳经济具有重要和实际意义碳汇渔业将成为新一轮渔业发展的驱动力：专访中国科学技术协会副主席、中国工程院院士唐启升[J].中国水产，2010（8）：4-8.

    [7]倪洁丽，王微洁，谢国建，等.水生植物在水生生态修复中的应用进展[J].环保科技，2016，22（3）：43-47.

    [8]田敏，朱建强，陶玲，等.藕塘异位净化鱼塘水环境试验研究[J].灌溉排水学报，2015，34（1）：39-43.

    [9]李玉清.丹河人工湿地对化工污水的处理效果探讨[D].太原：太原理工大学，2012.

    （收稿日期：2021-05-07）