陳雷雷，杜 舟，胡慶松，黃 春，李 俊

基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳雷雷1，杜 舟1，胡慶松1※，黃 春2，李 俊1

（1. 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306；2. 上海寶島蟹業(yè)有限公司，上海 202150）

為了提高河蟹養(yǎng)殖品質(zhì)和養(yǎng)殖池塘水質(zhì)凈化能力，該研究提出了一種通過養(yǎng)殖池塘內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造實(shí)現(xiàn)池塘水體內(nèi)部循環(huán)自凈的技術(shù)，并設(shè)計(jì)了一套針對河蟹的生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)。應(yīng)用軟圍隔將養(yǎng)殖塘劃分為兩個(gè)相對獨(dú)立的功能區(qū)（養(yǎng)殖區(qū)和自凈區(qū)），設(shè)計(jì)了浮式氣提推水裝置和射流裝置作為塘內(nèi)水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，在推水裝置的作用下，養(yǎng)殖區(qū)的水體流入自凈區(qū)，經(jīng)過濾、吸附、殺菌及降溫等環(huán)節(jié)重新回到養(yǎng)殖區(qū)，形成“九分養(yǎng)蟹一分養(yǎng)水”的河蟹循環(huán)自凈生態(tài)養(yǎng)殖模式。在崇明寶島蟹業(yè)面積約為9 600 m2的河蟹養(yǎng)殖池塘進(jìn)行實(shí)施和試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：合理配置氣提推水裝置可實(shí)現(xiàn)河蟹養(yǎng)殖池塘水體日循環(huán)2次以上；試驗(yàn)塘循環(huán)自凈狀態(tài)相較靜水狀態(tài)，水溫均衡度提高10.17%，下層溶解氧水平提高18.57%，氨氮平均質(zhì)量濃度下降19.2%；同時(shí)，養(yǎng)殖效果抽樣對比顯示試驗(yàn)塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹較對照塘分別增加了45%和35%。該研究設(shè)計(jì)的塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)能較好地凈化養(yǎng)殖水體，有利于河蟹的生長，可為河蟹池塘生態(tài)高效養(yǎng)殖模式的構(gòu)建和推廣提供參考。

水產(chǎn)養(yǎng)殖；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；河蟹；生態(tài)養(yǎng)殖；塘內(nèi)循環(huán)；水體自凈技術(shù)；氣提推水

0 引 言

2019年中國淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量占水產(chǎn)品總產(chǎn)量的49.3%，池塘養(yǎng)殖已成為中國水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要形式和水產(chǎn)品供應(yīng)的主要來源[1-2]。河蟹是中國淡水養(yǎng)殖的重要品種，池塘養(yǎng)殖是當(dāng)前河蟹養(yǎng)殖的主要模式[3]，傳統(tǒng)的種草養(yǎng)蟹模式在取得較大養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也存在著水體流動(dòng)性差，池塘自凈能力弱等問題。加之常年養(yǎng)殖，過量的養(yǎng)殖飼料投放和河蟹代謝產(chǎn)物積累也嚴(yán)重影響池塘水質(zhì)，進(jìn)而影響河蟹的養(yǎng)殖品質(zhì)。同時(shí)，養(yǎng)殖尾水的排放也會(huì)對周邊河道及水體的生態(tài)環(huán)境造成壓力[4-8]。在養(yǎng)殖模式整體從“大養(yǎng)蟹”到“養(yǎng)大蟹”轉(zhuǎn)變的背景下，探索新型的、生態(tài)化的高效河蟹池塘養(yǎng)殖模式顯得尤為迫切。

良好的水生態(tài)環(huán)境是水生經(jīng)濟(jì)動(dòng)物賴以生存的重要保障，是維持水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基本前提[9]。養(yǎng)殖池塘水質(zhì)和水生態(tài)環(huán)境決定著河蟹養(yǎng)殖的效益和品質(zhì)。因此，近年來，池塘養(yǎng)殖新模式的探索受到了越來越多的關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)和模式的研究取得了一系列研究成果。謝輝亮等[10]研究構(gòu)建了“流水養(yǎng)殖槽-蝦-蟹”串聯(lián)式循環(huán)水養(yǎng)殖模式，具有提高養(yǎng)殖綜合效率和達(dá)到水質(zhì)凈化的效果。程果鋒等[11]構(gòu)建了一種適合加州鱸的大水體溫室池塘循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，相比于工廠化養(yǎng)殖模式，不僅可以提高養(yǎng)殖密度，而且建設(shè)和運(yùn)行成本也相應(yīng)降低。田昌鳳等[12]通過研究水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，建立了針對淡水魚類的分隔式循環(huán)水池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)，既能實(shí)現(xiàn)池塘水體大范圍對流，又能有效解決池塘集污排污問題。在國外，類似循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)主要用于鱘魚、大西洋鮭魚和歐洲鱸等魚類的養(yǎng)殖[13]。Lazur等[14]研究的鱘魚流水循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用推水車作為水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)建其循環(huán)流水養(yǎng)殖模式。

池塘循環(huán)水養(yǎng)殖模式的研究和探索雖然取得了一定的成效，但河蟹池塘塘內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖模式研究仍然較少，更多的是蟹類與其他水產(chǎn)品種進(jìn)行混養(yǎng)的模式，如陳堅(jiān)等[15]研究構(gòu)造了一種貝、蟹、藻多池循環(huán)水生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)，達(dá)到水質(zhì)凈化效果。河蟹池塘內(nèi)循環(huán)生態(tài)養(yǎng)殖模式，既要考慮水體的物理流動(dòng)又要兼顧水生生態(tài)的良性循環(huán)，既要構(gòu)建全塘水體大循環(huán)體系又要解決池塘水動(dòng)力死角及水草區(qū)域的局部微水流問題。考慮以上兩個(gè)方面，本文針對崇明清水河蟹的養(yǎng)殖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)，利用氣提推水裝備形成池塘水體運(yùn)動(dòng)的原動(dòng)力，利用養(yǎng)殖池塘的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改造實(shí)現(xiàn)池塘水體內(nèi)部循環(huán)自凈，以期達(dá)到“生態(tài)、高效”養(yǎng)殖的目的，并為河蟹池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)模式構(gòu)建提供參考。

1 塘內(nèi)循環(huán)自凈養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及水體循環(huán)流程

基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)原則是在保證養(yǎng)殖效益的基礎(chǔ)之上，使得養(yǎng)殖水體能夠得到充分凈化，將河蟹養(yǎng)殖池溏劃分為河蟹養(yǎng)殖區(qū)和水體自凈區(qū)兩個(gè)主要功能區(qū)。按照養(yǎng)殖效益最大化的原則，河蟹養(yǎng)殖區(qū)面積約占池塘的90%，水體自凈區(qū)參考文獻(xiàn)[16]將池塘首尾連接構(gòu)成回流系統(tǒng)，在回流系統(tǒng)中設(shè)置種植過濾區(qū)（2%～3%）、物理吸附區(qū)（1%～2%）和殺菌降溫區(qū)（6%～8%），總面積約占池塘的10%，水深比養(yǎng)殖區(qū)深30 cm左右，形成九分養(yǎng)蟹一分養(yǎng)水的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖新模式。并在此基礎(chǔ)上，通過氣提推水裝置和射流裝置構(gòu)造人工水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)，使池塘塘內(nèi)水體循環(huán)流動(dòng)，并通過蟹菜共生、物理吸附等手段提升和激發(fā)池塘水體的自凈能力。塘內(nèi)水體循環(huán)自凈流程如圖1所示：養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)排出的養(yǎng)殖用水先進(jìn)入種植過濾區(qū)，在該區(qū)域通過水生蔬菜等充分利用和吸收水體中的營養(yǎng)物質(zhì)，然后進(jìn)入物理吸附區(qū)進(jìn)行物理性二次過濾，過濾后的水再流入殺菌降溫區(qū)依次進(jìn)行水體的殺菌和降溫處理，最后經(jīng)氣提推水裝置推入養(yǎng)殖區(qū)，以微流水的方式流經(jīng)養(yǎng)殖區(qū)循環(huán)利用，形成塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹養(yǎng)殖系統(tǒng)。

1.1.1 河蟹養(yǎng)殖區(qū)

河蟹養(yǎng)殖區(qū)是河蟹生長、生活的主要區(qū)域，按照河蟹養(yǎng)殖要求種植水草，主要以伊樂藻、輪葉黑藻作為水草種植的主要品種，輔助栽培苦草、水花生及黃絲草等水草植物，多品種搭配不僅有利于發(fā)揮各種水草的優(yōu)勢，還可以為河蟹在池塘內(nèi)部形成優(yōu)良的立體生存環(huán)境，總水草覆蓋率應(yīng)保證占養(yǎng)殖區(qū)面積的60%左右。在塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，為了形成塘內(nèi)水體循環(huán)的動(dòng)力源，在養(yǎng)殖區(qū)布局氣提推水裝置、射流裝置，同時(shí)，為保證塘內(nèi)微水流的通暢性，水草種植形狀以近似矩形為宜，并在水草區(qū)塊間留出水流通道。

1.1.2 水體自凈區(qū)

水體自凈區(qū)設(shè)置在養(yǎng)殖池塘外圍環(huán)溝中，水深較養(yǎng)殖區(qū)深30 cm左右，按照圖1水體自凈處理流程依次設(shè)置種植過濾區(qū)、物理吸附區(qū)和殺菌降溫區(qū)。

1）種植過濾區(qū)

種植過濾區(qū)面積約占池塘面積的2%～3%，主要通過搭建浮床種植水生植物，將懸浮物、水生動(dòng)物糞便和大、小、微型顆粒等雜質(zhì)作為水生植物（水生蔬菜）的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行吸收利用，在解決水質(zhì)問題的同時(shí)帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，在種植過濾區(qū)的進(jìn)水口處設(shè)置一段塑料浮筒，用于攔截漂浮的水草。

2）物理吸附區(qū)

物理吸附區(qū)面積約占池塘面積的1%～2%，主要在物理吸附區(qū)的進(jìn)水口和出水口處放置過濾棉和生物膜凈水柵，通過物理性的手段吸附過濾水質(zhì)中的氨氮、TP和TN等有害物質(zhì)。

3）殺菌降溫區(qū)

殺菌降溫區(qū)面積約占池塘面積的6%～8%，殺菌區(qū)域主要通過安裝雙管紫外線殺菌燈對水體中的細(xì)菌進(jìn)行殺滅。同時(shí)，在殺菌降溫池上方安裝遮陽網(wǎng)，在夏季主要具有擋光、降溫的作用。首先在兩邊安裝并固定鋼管，將遮陽網(wǎng)的長邊套在鋼管上，使遮陽網(wǎng)可以自由伸縮，以控制降溫池的遮陽面積。

1.2 水體內(nèi)循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與配置

水循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)是塘內(nèi)循環(huán)自凈的動(dòng)力源泉，對河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。它主要由浮式氣提推水裝置、射流裝置及其管路組成，安裝在河蟹養(yǎng)殖區(qū)的水動(dòng)力關(guān)鍵位置。

1.2.1 浮式氣提推水裝置的設(shè)計(jì)

氣提推水裝置設(shè)置在殺菌降溫區(qū)和養(yǎng)殖區(qū)之間，通過氣提方式能在提供水循環(huán)推動(dòng)力的同時(shí)提升水體的含氧量。在氣提推水裝置推動(dòng)力的作用下，可將殺菌降溫區(qū)中經(jīng)凈化降溫處理的水體推入河蟹養(yǎng)殖區(qū)，通過微流水將干凈、清涼、富氧的水體帶給池塘中的河蟹。

1）工作原理

2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)要求氣提推水裝置能夠形成固定方向的水體推動(dòng)力，同時(shí)便于安裝和使用。本文設(shè)計(jì)了浮式氣提推水裝置，主要由氣泵、進(jìn)氣管、導(dǎo)流板、浮體和支架組成（見圖2）。氣泵進(jìn)氣管通過U型螺絲固定在支架側(cè)面，增氧曝氣格通過不銹鋼扎帶固定在支架下方，兩個(gè)浮體通過螺栓固定于支架上方，為氣泵進(jìn)氣管、導(dǎo)流板、支架等其他附件提供浮力。

1.進(jìn)氣管 2.導(dǎo)流板 3.浮體 4.支架 5.增氧曝氣格 6.螺栓

1.Intake pipe 2.Deflector 3.Floating body 4.Bracket 5.Aeration grid 6.Bolt

圖2 浮式氣提推水裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structure diagram of floating air lifting and water pushing device

3）設(shè)計(jì)參數(shù)及計(jì)算原理

氣泵作為源動(dòng)力，將空氣吸入進(jìn)氣管后從增氧曝氣格排出，并與水混合成水氣溶液上升至水面，在導(dǎo)流板的作用下，水氣溶液向右運(yùn)動(dòng)，形成推水增氧效果，水氣溶液的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

注：1為水氣溶液最小上升高度，mm；2為水氣溶液最大上升高度，mm。

Note:1is minimum rising height of water air mixture, mm;2is maximum rising height of water air mixture, mm.

圖3 水氣溶液運(yùn)動(dòng)軌跡簡圖

Fig.3 Trajectory diagram of water air mixture

在導(dǎo)流板的作用下，水氣溶液從增氧曝氣格加速上升的平均高度和氣提回流空氣用量[18]（進(jìn)風(fēng)量）分別為

式中為系統(tǒng)所需推水總流量，m3；為進(jìn)風(fēng)量安全系數(shù)，一般取1.2；為效率系數(shù)，一般取0.35～0.45；為氣泵進(jìn)氣管浸沒深度，m。

1.2.2 射流裝置配置與設(shè)計(jì)

種好水草是河蟹成功養(yǎng)殖的關(guān)鍵，水草不僅能夠凈化水質(zhì)和提供生態(tài)餌料，也可以為河蟹提供蛻殼及棲息的場所，但同時(shí)，水草種植也容易在池塘死角及水草較密區(qū)域形成長期水體靜止區(qū)，容易敗壞局部水體。為了保障河蟹正常生長，在這些區(qū)域配置射流裝置，使水體保持長時(shí)間微流動(dòng)的狀態(tài)。

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

射流裝置主要由潛水泵、水射器、旋轉(zhuǎn)支架和抽氣管等組成（圖4）。水射器固定在旋轉(zhuǎn)支架上，旋轉(zhuǎn)支架安裝在潛水泵的出水口，抽氣管與潛水泵進(jìn)氣口連接，射流裝置整體通過潛水泵橢圓形槽口底座嵌入塘底。

1.潛水泵 2.水射器 3.旋轉(zhuǎn)支架 4.抽氣管 5.出水口 6.進(jìn)氣口 7.底座

1.Submersible pump 2.Water ejector 3.Rotating support 4.Exhaust pipe 5.Water outlet 6.Air intake 7.Base

圖4 射流裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.4 Structure diagram of jet device

2）設(shè)計(jì)參數(shù)及其計(jì)算

假設(shè)養(yǎng)殖區(qū)每塊矩形水草面積為1(m2)，射流影響面積覆蓋率為，取值范圍為～。潛水泵作為射流的水動(dòng)力，當(dāng)射流器啟動(dòng)潛水泵時(shí)，形成的高壓高速水流進(jìn)入水射器，將液面以上的空氣吸入真空室，水和空氣混合均勻后從擴(kuò)散管處噴出，同時(shí)由于潛水泵吸水形成底部區(qū)域的局部負(fù)壓，形成底部周邊水體向中心的微流動(dòng)[19]，射流形成的水體環(huán)流如圖5所示。

其中，單個(gè)射流裝置射流覆蓋面積2（m2）為

根據(jù)圓形面積公式可推導(dǎo)計(jì)算出射流應(yīng)有的工作距離為

式中為旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍，(°)。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案實(shí)施與應(yīng)用

2018年9月開始，在崇明上海寶島蟹業(yè)有限公司的河蟹養(yǎng)殖塘實(shí)施塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)，試驗(yàn)塘GPS坐標(biāo)為：北緯31°74￠，東經(jīng)121°23￠。池塘面積約為9 600 m2，長約120 m，寬約80 m，如圖6所示。池塘內(nèi)河蟹養(yǎng)殖區(qū)和水體自凈區(qū)的面積為8 644和956 m2，分別占養(yǎng)殖池溏面積的90%和10%。其中，水體自凈區(qū)內(nèi)種植過濾區(qū)、物理吸附區(qū)和殺菌降溫區(qū)的面積為240、142和574 m2，分別占水體自凈區(qū)面積的2.5%、1.5%和6.0%。

1.河蟹養(yǎng)殖區(qū) 2.種植過濾區(qū) 3.物理吸附區(qū) 4.殺菌降溫區(qū) 5.氣提推水裝置 6.矩形水草區(qū)域 7.遮陽網(wǎng) 8.給水口 9.排水口

1.aquiculture area 2.Planting and filtering zone 3.Physical adsorption zone 4.Sterilization and cooling zone 5.Air lifting and water pushing device 6.Rectangular aquatic grass area 7.Sunshade net 8.Water supply outlet 9.Drainage outlet

圖6 系統(tǒng)實(shí)施示意圖

Fig.6 Diagram of system implementation

浮式氣提推水裝置配置在圖6中5所示位置，同時(shí)，在池塘內(nèi)水草密集區(qū)域和水體流動(dòng)死角區(qū)域配備有射流器裝置。按照河蟹生態(tài)養(yǎng)殖要求，全天水體日循環(huán)次數(shù)在2次以上較佳，因此，單次循環(huán)周期為12 h，按平均水深0.8 m計(jì)，流量安全系數(shù)取1.6，則系統(tǒng)總流量為1 050 m3/h，將浮式氣提推水裝置參數(shù)代入公式（2）可得進(jìn)風(fēng)量約為1 728 m3/h，市面上雖有進(jìn)風(fēng)量相匹配的氣泵，但考慮到整體氣提推水的均勻性，設(shè)置6組氣推水裝置，選用功率為2.2 kW，單組風(fēng)量為300 m3/h，總進(jìn)風(fēng)量為1 800 m3/h，即可滿足12 h系統(tǒng)水體循環(huán)一次的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)表1將射流裝置參數(shù)代入式（3）和（4）可得每塊矩形水草覆蓋面積為112～128 m2，射流距離范圍為6.01～6.42 m，對比市面已有的射流泵，選用功率360 W 的射流泵，測得水下射流距離為6.2 m，能夠滿足射流距離的要求。

表1 浮式氣提推水裝置和射流裝置參數(shù)

水體自凈區(qū)沿池塘相鄰兩邊構(gòu)成，自凈區(qū)寬度約為4.8 m，池深約為1.1 m。水體自凈區(qū)內(nèi)所用過濾、吸附和殺菌降溫的材料設(shè)備具體參數(shù)見表2。同時(shí)，河蟹養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)按養(yǎng)殖要求多批次投放螺螄，螺螄不僅可以凈化水質(zhì)，還可以為河蟹提供優(yōu)良的餌料。

表2 材料設(shè)備具體參數(shù)

1.4 試驗(yàn)方法

為檢驗(yàn)基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的有效性，展開氣提推水試驗(yàn)、水質(zhì)試驗(yàn)和養(yǎng)殖效果對比分析。

1.4.1 氣提推水的水動(dòng)力試驗(yàn)

氣提推水試驗(yàn)采用截面測速法進(jìn)行流速采集，試驗(yàn)選用便攜式流速儀（LS1206B，南京祥瑞德電器科技有限公司，中國）測定流速。由于池塘養(yǎng)殖區(qū)底部至水面的高度為0.7～0.8 m，因此以0.2 m為單位將截面分割成4層，每層層面積為0.264 m2，測定每層的平均流速。試驗(yàn)前，先將一個(gè)長0.5 m，高2 m的矩形支架放在出水口前方，用于固定和移動(dòng)便攜式流速儀。測得流速數(shù)值后，由平均流速、層面積計(jì)算得該層的水流量，各層流量總和即為推水的總流量。

1.4.2 水質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)

在水質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)中，考慮到池塘不同區(qū)域水質(zhì)情況存在差異，根據(jù)區(qū)域位置選取10個(gè)采樣點(diǎn)，其中河蟹養(yǎng)殖區(qū)共8個(gè)采樣點(diǎn)，分別為近推水口處的點(diǎn)1和4，養(yǎng)殖區(qū)中間區(qū)域的點(diǎn)2、5和3，近水體自凈區(qū)的點(diǎn)6和8，養(yǎng)殖區(qū)內(nèi)死角區(qū)域的點(diǎn)7；水體自凈區(qū)共2個(gè)采樣點(diǎn)，分別位于種植過濾區(qū)進(jìn)水口處的點(diǎn)9和殺菌降溫區(qū)的點(diǎn)10。其中采集點(diǎn)1和5水深較淺。

好水養(yǎng)好蟹，水質(zhì)是河蟹養(yǎng)殖的重要保證。為了驗(yàn)證塘內(nèi)循環(huán)自凈模式對水質(zhì)的作用和影響，在養(yǎng)殖期內(nèi)，定期對試驗(yàn)塘進(jìn)行水質(zhì)采集及指標(biāo)分析。河蟹養(yǎng)殖池塘為開放池塘，其水質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)受池塘本身結(jié)構(gòu)（池塘本底、面積規(guī)模和養(yǎng)殖密度）和外部氣象條件（天氣、氣溫和風(fēng)）的影響較大。為了保證以上兩者的一致性和可比性，試驗(yàn)選擇在同一池塘中通過對靜水和循環(huán)狀態(tài)下的水質(zhì)狀況進(jìn)行較長周期的采集（靜水狀態(tài)：2019年7月15日至2019年7月28日關(guān)閉推水裝置，循環(huán)狀態(tài)：2019年7月29日至2020年8月11日開啟推水裝置），并從中選擇外部氣象條件相近的試驗(yàn)日進(jìn)行數(shù)據(jù)對比。水溫通過項(xiàng)目開發(fā)的多層溫度實(shí)時(shí)采集設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)采集；溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）和pH值采用AP-2000多參數(shù)水質(zhì)分析儀，氨氮（NH4+-N）采用EHCAS40D便攜式水質(zhì)測定儀。3組水質(zhì)參數(shù)統(tǒng)一進(jìn)行每天分時(shí)段采樣，每個(gè)采樣點(diǎn)均采集3次，采樣時(shí)間為6:00－7:00，14:00－15:00，17:30－18:30。

1.4.3 養(yǎng)殖效果對比分析

2019年，為了驗(yàn)證塘內(nèi)循環(huán)自凈式河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖效果。選定和試驗(yàn)塘相同大小的對照塘，面積約為9 600 m2，對照塘的水草種植品種與試驗(yàn)塘一致，總水草覆蓋率占池塘面積的60%左右，對照塘和試驗(yàn)塘蟹苗投放數(shù)量均為1.5萬只，在同一時(shí)間段進(jìn)行養(yǎng)殖，池塘方位、池塘結(jié)構(gòu)、光照等條件基本一致，采用相同的餌料、相同投喂量以及相同的螺螄投放量，且餌料投喂、螺螄投放時(shí)間均相同。養(yǎng)殖時(shí)間為2019年3月底至2019年10月中旬，在回捕時(shí)對試驗(yàn)池塘和對照池塘中公母河蟹抽樣捕撈各100只并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對比。

1.4.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS20.0和Excel2016軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和作圖。采用獨(dú)立樣本（Independent sampletest)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣提推水裝置的水動(dòng)力性能分析

塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間后，待水流穩(wěn)定開始由出水口水面向下測定水體流速。出水口的寬為1.32 m，因此在每層中心位置、距中心位置左、右兩側(cè)0.44 m處，測量水流速度，求平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 出水口不同水層高度的推水性能測試結(jié)果

將流量累加可得出單一出水口推水的流量約為187 m3/h，試驗(yàn)池塘內(nèi)設(shè)有6個(gè)氣提推水口，所以，總推水量約為1 122 m3/h。能夠滿足總流量1 050 m3/h的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，可實(shí)現(xiàn)池塘水體日循環(huán)2次以上。

2.2 塘內(nèi)循環(huán)自凈養(yǎng)殖模式對水質(zhì)的影響分析

試驗(yàn)分析中為排出外部氣象條件的影響，根據(jù)試驗(yàn)天氣記錄，選取7月25日和7月26日（靜水狀態(tài)）的數(shù)據(jù)，與7月29日和7月30日（循環(huán)狀態(tài)）的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。天氣狀況均為：多云，風(fēng)力3級左右，最高氣溫36℃，最低氣溫28℃。

2.2.1 溫度變化分析

1）水溫波動(dòng)分析

分別在靜水狀態(tài)和循環(huán)狀態(tài)下，應(yīng)用多層溫度實(shí)時(shí)采集設(shè)備進(jìn)行10個(gè)采集點(diǎn)的水溫采集，最深處1.5 m，單點(diǎn)6個(gè)溫度監(jiān)測探頭全部有效，最淺處0.7 m，單點(diǎn)3個(gè)溫度探頭有效，總共有效溫度監(jiān)測探頭43個(gè)，通過全天溫度波動(dòng)性統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算每個(gè)溫度監(jiān)測探頭的全天溫度波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差，可得到圖7。由圖可見，循環(huán)狀態(tài)下，最大溫度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為1.845，而靜水狀態(tài)下，最大溫度波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差為2.3，明顯循環(huán)狀態(tài)下溫度極端變化情況較少。

2）池塘水溫均衡度分析

全天溫度均衡度，即全天最高溫度值減去最小值為溫度極差，全天溫度均值減去溫度極差再除以溫度均值。以20 min為水溫采樣周期，對全天43個(gè)有效采集點(diǎn)的溫均衡度進(jìn)行計(jì)算，循環(huán)狀態(tài)下全天均衡度平均值為0.893，較靜水狀態(tài)下0.811，提高了10.17%。

2.2.2 pH值、溶解氧和氨氮分析

在采樣點(diǎn)的垂直方向距水面70 cm處進(jìn)行下層水質(zhì)（pH值和溶解氧）采集，有效采樣點(diǎn)共8個(gè)。將靜水狀態(tài)時(shí)間段數(shù)據(jù)和循環(huán)狀態(tài)時(shí)間段數(shù)據(jù)剔除異常值（3倍標(biāo)準(zhǔn)差法）后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可得表4所示分析結(jié)果。通過比較，循環(huán)狀態(tài)下的pH值分布和溶解氧含量顯著優(yōu)于靜水狀態(tài)，其中，溶解氧的平均質(zhì)量濃度較靜水狀態(tài)提高了18.57%，即下層溶氧水平提升顯著。

氨氮是指水中以游離氨（NH3）和離子氨（NH4+）形式存在的氮。計(jì)算兩種狀態(tài)下10個(gè)采樣點(diǎn)氨氮的平均質(zhì)量濃度的平均值，靜水狀態(tài)下平均值為0.073 mg/L，循環(huán)狀態(tài)為0.059 mg/L，較靜水狀態(tài)下降低了19.2%。按照三倍標(biāo)準(zhǔn)差原則剔除點(diǎn)9后，統(tǒng)計(jì)可知循環(huán)狀態(tài)下均值為0.043 mg/L，差異并不顯著（=0.065）。進(jìn)一步分析可知循環(huán)狀態(tài)下，由于微流水的作用氨氮向點(diǎn)8、點(diǎn)9集中，即點(diǎn)8和點(diǎn)9氨氮含量較其他點(diǎn)高出很多。若在剔除點(diǎn)9同時(shí)剔除點(diǎn)8，進(jìn)一步計(jì)算可得循環(huán)狀態(tài)下氨氮均值為0.03 mg/L，顯著優(yōu)于靜水狀態(tài)（=0.001 3）。

表4 養(yǎng)殖水質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注：不同小寫字母代表差異顯著（＜0.05）。

Note: Different lowercase letters mean significant difference (<0.05).

總體而言，在對比分析時(shí)間段中，循環(huán)狀態(tài)下，水溫分布、氨氮濃度以及中下層的溶解氧（DO）含量和pH值，均優(yōu)于靜水狀態(tài)。

2.3 養(yǎng)殖效果試驗(yàn)

塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)在上海寶島蟹業(yè)有限公司的試驗(yàn)塘經(jīng)過半年的調(diào)整和調(diào)試，2019年整個(gè)養(yǎng)殖季通過對照塘進(jìn)行了養(yǎng)殖效果的分析對比。2019年10月份，分別對試驗(yàn)池塘和對照池塘進(jìn)行了抽樣回捕，從捕撈河蟹中分別隨機(jī)抽取公母河蟹各100只，進(jìn)行了詳細(xì)稱量和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示試驗(yàn)池塘公母河蟹總質(zhì)量為38.75 kg，200 g以上公蟹90只，150 g以上母蟹75只；對照池塘公母河蟹總質(zhì)量為32.85 kg，200 g以上公蟹45只，150 g以上母蟹40只，試驗(yàn)塘公母河蟹總質(zhì)量較傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式增加了17.9%，其中200 g以上公蟹和150 g以上母蟹較傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式分別增加了45%和35%。表明塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)能大幅提高養(yǎng)殖效益。

3 討 論

3.1 水動(dòng)力及微流水分析

由流速試驗(yàn)可知，平均水流速度隨距離水面高度增大而增大，即氣提作用下水動(dòng)力和氣提深度有關(guān)，深度越大氣提水動(dòng)力越大。因此，在塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，可以根據(jù)需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)整氣提推水裝置中增氧曝氣格的深度與導(dǎo)流板的安裝角度和位置，來獲得不同的池塘水動(dòng)力源泉。

推水口流速試驗(yàn)表明，單個(gè)氣提推水裝置推水流量為187 m3/h，6個(gè)氣提推水口總流量可達(dá)1 122 m3/h，實(shí)際上，其水體推動(dòng)力隨著距離增加逐步衰減，無法直接推動(dòng)全塘形成微水流。但是，在氣提推水裝置作用下，在養(yǎng)殖區(qū)和自凈區(qū)形成了顯著的水位差，使得水體由高到低自然流淌擴(kuò)散，從而形成了全塘水體有序微流動(dòng)。這種微流水?dāng)_動(dòng)也是影響水體環(huán)境和藻類生長的重要因素[20-21]，池塘內(nèi)水體日循環(huán)2次以上，能實(shí)現(xiàn)了水體大范圍循環(huán)回流，有效改善池塘養(yǎng)殖環(huán)境，達(dá)到流水養(yǎng)蟹的循環(huán)養(yǎng)殖目的。

3.2 氣提推水對水質(zhì)參數(shù)的影響分析

養(yǎng)殖池塘現(xiàn)場試驗(yàn)受環(huán)境影響大，氣溫、日照、風(fēng)速等都會(huì)直接或間接影響水質(zhì)參數(shù)的采集，試驗(yàn)對比樣本選擇較為困難，但總體而言塘內(nèi)循環(huán)自凈養(yǎng)殖系統(tǒng)中水溫、溶解氧和氨氮都朝對河蟹養(yǎng)殖有利的方向變化。

首先，經(jīng)過自凈區(qū)的過濾、殺菌和降溫處理，在高溫季節(jié)可以起到降低池塘整體水溫的作用。其次，水溫分層和溶氧分層存在著緊密的相關(guān)性，試驗(yàn)結(jié)果顯示，塘內(nèi)循環(huán)自凈養(yǎng)殖系統(tǒng)能夠較大范圍提高池塘溫度的均衡性和減小水溫波動(dòng)，從而有效減少高溫季節(jié)水溫分層現(xiàn)象，同時(shí)能夠降低溶解氧分層的概率。最后，水體流動(dòng)也具有打破溶解氧分層現(xiàn)象的能力[22]，且具有增加水體溶解氧的作用，試驗(yàn)結(jié)果顯示循環(huán)狀態(tài)下溶解氧水平比靜水狀態(tài)下高出18.57%。

氨氮可以直接或間接影響?zhàn)B殖水生動(dòng)物的生長和繁殖[23-25]。塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)中，由于水體自凈區(qū)凈水設(shè)施（如浮床種植、過濾棉、生物膜凈水柵、殺菌燈等）的作用，氨氮明顯降低，試驗(yàn)中，循環(huán)狀態(tài)下10個(gè)采樣點(diǎn)的氨氮（NH4+-N）平均質(zhì)量濃度的平均值比靜水狀態(tài)下低。同時(shí)，在全塘循環(huán)微流水的作用下，懸浮物和氨氮總體向水體自凈區(qū)集中，在試驗(yàn)期間，觀察到水體自凈區(qū)的采樣點(diǎn)8和9的NH4+-N平均濃度要高于其他點(diǎn)，且經(jīng)過水體自凈區(qū)之后，采樣點(diǎn)10的NH4+-N平均濃度明顯降低?？梢姡羶?nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)能較好地促進(jìn)氨氮的良性循環(huán)。

3.3 養(yǎng)殖效果差異分析

基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)可以有效提高大規(guī)格公母河蟹的比例，經(jīng)抽樣對比，對照塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹的數(shù)量分別為45只和40只，試驗(yàn)塘200 g以上公蟹和150 g以上母蟹的數(shù)量分別為90只和75只，占比增加了45%和35%。塘內(nèi)循環(huán)自凈的養(yǎng)殖系統(tǒng)可有效改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高大規(guī)格河蟹生長比例，具有良好的生態(tài)養(yǎng)殖效益。與傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式相比效益明顯，與文獻(xiàn)[15]貝、蟹、藻多池循環(huán)水生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)相比工藝簡單、可控性好，但也存在著塘內(nèi)循環(huán)自凈的養(yǎng)殖系統(tǒng)建設(shè)投入相對較大，維護(hù)成本略高等問題，隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化完善，將成為生態(tài)、高效的河蟹池塘養(yǎng)殖模式。

試驗(yàn)證明，塘內(nèi)循環(huán)的自凈式河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)初步完成了養(yǎng)殖模式從“大養(yǎng)蟹”到“養(yǎng)大蟹”的轉(zhuǎn)變，是一種生態(tài)高效的養(yǎng)殖模式，具有廣泛地推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié) 論

本文針對基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并開展現(xiàn)場實(shí)施、應(yīng)用和試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）系統(tǒng)中通過推水裝置為池塘內(nèi)的水體循環(huán)流動(dòng)提供源動(dòng)力，總推水流量達(dá)到1 122 m3/h，試驗(yàn)塘全塘日循環(huán)達(dá)到2次以上，塘內(nèi)整體水流穩(wěn)定有序，能夠達(dá)到生態(tài)、高效養(yǎng)殖河蟹的目的。

2）對靜水和循環(huán)狀態(tài)下的養(yǎng)殖水質(zhì)進(jìn)行了采樣和分析，循環(huán)狀態(tài)下的下層溶解氧的平均質(zhì)量濃度較靜水狀態(tài)下提高了18.57%，氨氮平均質(zhì)量濃度也有所降低，養(yǎng)殖期間試驗(yàn)塘循環(huán)狀態(tài)下水體水質(zhì)狀況良好。

3）養(yǎng)殖效果分析對比顯示：對試驗(yàn)塘和對照塘抽樣結(jié)果中，塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)的公母河蟹總質(zhì)量較傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式增加了17.9%，200g以上公蟹和150g以上母蟹較傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式分別增加了45%和35%。表明塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)進(jìn)行河蟹養(yǎng)殖能有效增加大規(guī)格公母河蟹的比例。

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Design and experiment on crab ecological culture system using internal circulation and self-purification in a pond

Chen Leilei1, Du Zhou1, Hu Qingsong1※, Huang Chun2, Li Jun1

(1.,,201306,; 2.,202150,)

(Chinese mitten crab) is one of the most important freshwater aquaculture species in China. Pond farming has widely been applied in severalaquaculture modes. In this study, an improved, logical aquaculture system was proposed for better purification ability of pond water using the core technology of internal circulating and self-purification. Soft barricading was utilized to divide the aquaculture pond into two relatively independent functional areas, including the aquiculture and water self-purification areas. The specific procedure was as follows. 1) The air lifting and water pushing and jet device were designed to serve as the power source of water circulation in the aquiculture area. The air lifting and water pushing device pushed the water from the water self-purification to the aquiculture area, where the content of dissolved oxygen improved with a relatively low fluctuation of water temperature in the pond. The jet device created microfluidics in the dead corner of a pond or the area with dense aquatic plants. 2) The water self-purification area was designed to serve as the water circulation reverse-flow system, aiming at suspended solid filtration, physical absorption, sterilization, and water cooling in the backflow of internal circulation. 3) A field test was carried out in the Shanghai Baodao Crab Company to evaluate the ecological aquaculture system. The test pond with an area of 9 600 m2was located at 31°74￠N, 121°23￠E. Two parts of a pond were divided into an ecological aquaculture system, including the aquiculture area of 8 644 m2and the water self-purification area of 956 m2. The results were showed as following: 1) The flow rate of each air lifting and water pushing device was tested to be 187 m3/h. The pond water was exchanged more than twice a day. 2) The standard deviation of temperature fluctuation was lower than that of the traditional mode. The average value for equilibrium degree of water temperature was 0.893, 10.17% higher than that in the traditional mode with 0.811 equilibrium degree of water temperature. 3) The average value of dissolved oxygen in the deepwater layer (below 70 cm) was 4.498 mg/L, 18.57% higher than that in the traditional mode. 4) The average concentration of ammonia nitrogen was 19.2% lower than that of the traditional mode. Consequently, the water quality of the ecological aquaculture system was much better than that of the traditional mode. 200 crab samples (100 female crabs and 100 male ones) were randomly selected from the test and traditional pond (control group). The comparison result showed that the yield of crab increased 17.9% using the ecological aquaculture system, where the male crabs over 200 g increased 45%, and the female crabs over 150 g increased 35.0%. The finding can provide a great reference toaquaculture industry.

aquaculture; design; experiment;; ecological culture; pond circulation; water self-purification technology; air lifting and water pushing

2020-12-20

2021-02-25

上海市科技興農(nóng)推廣項(xiàng)目（滬農(nóng)科推字（2018）第1-4號），國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309150）

陳雷雷，博士，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)與海洋裝備技術(shù)。Email：llchen@shou.edu.cn

胡慶松，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ膛c信息。Email：qshu@shou.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028

S968.2

A

1002-6819(2021)-07-0227-08

陳雷雷，杜舟，胡慶松，等. 基于塘內(nèi)循環(huán)自凈的河蟹生態(tài)養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(7)：227-234. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028 http://www.tcsae.org

Chen Leilei, Du Zhou, Hu Qingsong, et al. Design and experiment on crab ecological culture system using internal circulation and self-purification in a pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 227-234. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.028 http://www.tcsae.org