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池塘养殖污染与生态工程化调控技术研究

刘兴国  
【摘要】:池塘养殖是我国水产养殖的主要形式和水产品供应的主要来源。据《中国渔业年鉴2010》资料,2009年我国有养殖池塘416.4万公顷,养殖产量1852.91万吨,占水产养殖总产量51.2%以上。我国有悠久的池塘养殖历史,是世界上最早开展生态养殖的国家,我国劳动人民创造的“桑基渔业”、“蔗基渔业”等生态模式和“八字精养法”等养殖技术,为世界水产养殖业做出了巨大的贡献。由于我国的多数养殖池塘建设于上世纪七、八十年代,目前普遍存在着养殖环境恶化、设施破败陈旧、坍塌淤积严重、污染严重、水资源浪费大等问题,同时由于一直采用传统的养殖生产方式,池塘养殖普遍还存在着养殖方式简单,生态、经效效益不高等问题,严重制约了池塘养殖业的可持续发展。 池塘养殖生态系统是一个相对独立且完整的生态系统。影响池塘养殖的基础因素包括池塘朝向、深度、长宽比等;影响池塘水体生态的物理因子主要有太阳辐射、天气和气候、温度与分层、水文、水流等;影响池塘养殖的化学因子主要是水的组成、土质、盐度、pH值、碱度和CO2、硬度、酸度、有机物分解、氧化还原电位、氮、磷、硫等;影响池塘养殖的生物因子主要是池塘生态系统中种群、群落的作用关系。 本文以江浙地区大宗淡水鱼类池塘养殖为主要研究对象,分别从池塘养殖污染、池塘生态、池塘生态工程化技术和生态工程化养殖系统及调控方式4个方面进行了研究,旨在为建立池塘生态工程化技术提供理论依据和技术参考。主要研究内容和研究结果如下: 调查研究发现,目前养殖环恶化,江浙地区的多数河、湖水质在Ⅳ类水以上,已不适合养殖用水要求;池塘养殖水资源浪费大,传统大宗淡水鱼类池塘养殖的需水量在4~6.5 m3/kg鱼之间;养鱼池塘每年的TSS、CODMn、TN、TP、直接排放量约为2280 kg/hm2·a、101 kg/hm2·a、5.0 kg/hm2·a;8、9月份,大宗淡水鱼养殖池塘总氮、氨氮、硝氮、总悬浮物的平均浓度分别达到2.44mg/L、0.56mg/L、7.38mg/L,0.01 mg/L、165 mg/L以上;池塘底质土壤的总氮、总磷和有机质含量分别超过自然土壤6.9、1.5和3.9倍,底质沉积污染表现为氮素沉积有机质沉积磷素沉积;养殖排水和底质沉积污染是池塘养殖的主要污染形式。 综合国内外氮、磷收支的分析方法,研究分析发现江浙地区大宗淡水鱼养殖的氮输入约为90.24 g/kg鱼,其中饲料、肥料和外源水的输入比例分别为80%、11%、9%;养殖水体排放氮为13.76 g/kg鱼,底质沉积氮为57.04 g/kg鱼,分别为养殖投入氮的15.2%和63.2%。传统大宗鱼类池塘养殖的磷收入为21 g/kg鱼,其中饲料磷82%、肥料磷9.5%、水源带入磷8%、降雨带入磷0.2%;水产品磷支出占总投入磷的45.2%,水体排放磷为1.1 g/kg鱼,占投入磷的5.3%和排放磷的9.7%;底质沉积磷为10.38 g/kg鱼,分别占投入磷的49.4%和排放磷的90.3%。 调查分析发现,7~9月份上海地区大宗淡水鱼养殖池塘水体有藻类48种,浮游动物24种,底栖生物15种;其中浮游植物平均密度3.10×l07 cell/L,浮游动物平均密度为15.8 ind./L,底栖生物平均密度为1079 ind./L,平均生物量为475g/m2;浮游植物优势种群为蓝藻、绿藻和硅藻;浮游动物优势种类为萼花臂尾轮虫(Brachionus calyciflorus)、短尾秀体溞(Diaphanosoma brachyurum)和近邻剑水蚤(Cyclops vicinus);底栖动物优势种为方形环棱螺(B. purificata)梨形环棱螺(B. purificat)和长角涵螺(A. longicornis).7~9月份山海地区池塘浮游植物的Shannon Wiener指数(H’)变化范围在1.60~2.10之间,浮游动物的Shannon Wiener指数范围0~1.83,池塘水体叶绿素a浓度104.8±12.3μg/L,卡尔森营养状态指数(TSI)范围为65~86,Margalef多样性指数范围为1.0~10.4,底栖动物Goodnight修订指数(G.B.I)指数为0.30~0.88,生物学污染指数(BPI)为1.1。整体显示为中等富营养化状态。 池塘藻类特征研究显示,池塘水体中的藻类有明显的季节变化、日变化和水层变化。藻类平均密度在冬、春季节最高,秋季最低;池塘水体中的藻类优势种一般为绿藻、蓝藻、隐藻和硅藻,但有明显的季节变化;不同藻类在不同时间内所占的比例不同。藻类密度与水体中的氨氮和有效磷浓度有直接关系,池塘水体中的氨氮最高值一般出现在夜间凌晨5:00阶段,最低值出现在17:00前后,有效磷的最高值出现在夜间凌晨1:00阶段,最低值出现在13:00前后,与水体的藻类密度呈负相关,反映了藻类对氮、磷的吸收状况。不同季节影响浮游植物的关键理化指标不同,水温、营养盐、pH等理化指标是影响水体浮游植物密度、种类等指标的主要影响因子。池塘水体的Ch1.a有明显的季节性变化规律,与水体的TP四季变化有较好的相关性,而与水体的TN和COD季节变化相关性不明显,反映养殖水体中的Ch1.a受P影响较大,藻类的主要限制性因子为P。 小球藻在养殖系统中生长特征和对养殖的影响作用研究发现,在光强4500Lx,水温25℃条件下,小球藻在养殖水体内呈Lgistic方式增长,K值为2543×104,r值为0.5913,最大可持续产量(MSY)为375.91×104 cell/(mL·d),养殖系统内每106 cell/L小球藻的生产力为9.4 J/(L·d)。养殖水体的氮、磷浓度对小球藻的密度有影响作用,但对藻类生长周期无显著影响(P0.05);小球藻能够有效吸收养殖水体中的氮、磷等营养物质,对三态氮的吸收存在着差异;水温25℃时,罗非鱼幼鱼的自然密度制约作用点为4.47 g/L,小球藻能够减轻养殖密度制约作用,有藻养殖可提高罗非鱼苗的相对增重率37%以上,降低饲料系数4.1~45.8%,在养殖水体中培育小球藻可以改善水质,提高养殖效果。 主要生态工程化设施构建和净化效果研究表明,生态坡对池塘养殖水体中总氮、总磷、COD的净化效率分别为0.27 g/h·m2、0.015 g/h·m2和0.94 g/h·m2;对氨氮、亚硝态氮的去除率分别为46%和65%;对养殖水体中叶绿素a的去除率为8.8%;利用池塘坡面构建生态水处理设施,具有净化养殖水体、和延长池塘使用寿命和节约土地的作用。 在水流速度为0.061 m/s的情况下,生物包对养殖排放水体中氨氮、亚硝酸盐的净化去除率分别为19%和45.5%,对水体中氨氮、亚硝态氮的去除率分别为0.61 g/h·m3和0.133 g/h·m3。 在利停留时间为0.75h的情况下,陶粒生化滤床对养殖水体中叶绿素a、总磷、总氮的去处率分别达到62%、3.7%、53.8%,去处效率分别为2.7 g/h·m3、0.07 g/h·m3和1.65 g/h·m3。 在面积比1:3的情况下,生态塘对养殖排放水体体中氨氮、总氮、总磷、可溶性磷酸盐、BOD5、CODMn的去除率分别为19.8%、14.3%、29.6%、29.1%、21.3%和43.1%;生态塘与养殖鱼池的搭配比例约为1:3-7。 在相同养殖状况下,普通生物浮床占5%、10%、20%水面的池塘水体TN的浓度范围分别为1.65~5.42 mg/L、1.62~3.13 mg/L、1.63~2.62 mg/L; TP的浓度范围为0.18~0.28 mg/L、0.17~0.26 mg/L和0.18~0.21 mg/L;综合分析认为,普通生物浮床的覆盖率不应超过池塘水面的20%。 复合生物浮床具有生化、生物等净化功能,有较高的净化效率。在池塘养殖生物负荷量1 kg/m3情况下,占池塘水面8.5%的复合生物浮床即可满足养殖水体净化需要;复合浮床的净化效率与养殖密度、品种、滤料比表面积、曝气量等有关。 生态沟的净化效果与植物生长密切相关,与温度有一定的关系;生态沟构建要结合植物生长习性、生境要求等,合理的空间布局和时间分布才能达到改善水质的效果。 湿地植物选配和净化效果研究表明,湿地植物不仅能吸收去除水体中的营养盐,还能为基质微生物提供适宜的微生态环境。湿地植物选配宜选用本地生物量大且易栽培的物种,还要考虑其经济性和景观效果。对水鳖(Hydrocharis dubia)、睡莲(?)(Nymphaea tetragona)、伊乐藻(Elodea nuttallii)、黑藻(?)(Hydrilla verticillata)、金鱼藻(Ceratophyllum demersum)、水芹(Oenanthe Javanica)、芦苇(Phragmites australis)、鸢尾(Iris tectorum)、菖蒲(Acorus calamus)等水生植物的净化效果研究发现,不同水生植物对氮、磷、COD的吸收能力不同,生长周期也不同;选配湿地植物时,应充分考虑不同植物的生长特点,合理搭配,才能达到预期的净化效果;种植试验发现,水蕹、茭白;水葱、水烛、茭白、美人蕉、黄花鸢尾和再力花等适合江浙地区种植。 莲藕、茭白等水生植物作为湿地植物具有良好的净化效果和经济性。实验发现,与传统种植方式相比,生态种植莲藕可使水体中的总氮、总磷和COD分别下降24倍、10.3倍和3倍;生态种植茭白可使水体中的总氮、总磷和COD下降2.3倍、3.3倍和5.6倍。每100公斤莲藕、茭白可吸收氮2.4公斤以上,同时还可以吸收土壤中40%左右的磷。 生态工程化池塘循环水养殖系统研究表明,循环水养殖池塘中的总氮、总磷、COD指标分别低于2.18±1.09 mg/L、0.46±0.12 mg/L和9.0 mg/L,分别是对照池塘的52%、29%和73%,明显低于对照池塘(P0.05)。循环水养殖系统中潜流湿地对养殖排放水中总氮、总磷和COD的去除率分别在52%~59%、39%~69%和17%~35%之间;生态沟渠对养殖排放水中总氮和总磷的去除率分别为18.5%和17%;生态塘对养殖排放水中TN、TP和COD的去除率分别为24.7%、27.1%和26.75%。与传统池塘养殖模式相比,生态工程化循环水池塘养殖系统可节约养殖用水63.6%,减少COD排放81.9%,有明显的节水、减排效果。 循环水养殖系统养殖池塘中以绿藻为主,其中小球藻(Chlorella vulgaris)、色球藻(Chroococcus minutus)、小环藻(Cyclotella sp.)为优势藻,而对照池塘则以微囊藻(Microcystis)、平裂藻(Horizontal fracture)、丝藻(Ulothrix sp.)为优势种;潜流湿地和生态沟对藻类的去除率分别为75.9%和55.2%;表面流湿地和潜流湿地对叶绿素的去除率分别为58.3%和91.6%。生态沟渠、生态塘、潜流湿地和养殖池塘的组成比例应结合养殖品种、密度等特点,生态工程化设施的面积一般不超过池塘面积的20%。 池塘水体理化指标变化规律及水层交换的影响作用研究发现,白天池塘水体中的溶解氧(DO)、温度、氧化还原电位(ORP)、pH等理化指标普遍高于夜间,最高值一般出现在光照最强的13:00左右,最低值出现在凌晨3:00~5:00,而氨氮、有效磷的变化则相反;不同水层的DO、pH和温度变化随水深而降低。水层交换具有实现水体上下交换,增加底部溶氧,改善氧债,激活底泥生态等作用,可有效地降低有害物质(如亚硝酸盐、氨氮、硫化氢、大肠杆菌等)的含量。 综上研究表明,目前多数地区的养殖环境恶化,养殖水源已基本不适合养殖需要,沉积污染和排放污染是池塘污染的主要形式,养殖池塘的生物学特征反映了池塘的富营养化状态;养殖池塘水体中的藻类有明显的季节变化、日变化和水层变化,其变化与水体营养盐、光照、温度等因素有关;小球藻是池塘中主要的藻类,其种群状况对养殖影响很大,相关研究可为池塘生态调控提供依据;生态坡、立体弹性填料净化床、陶粒生化滤床、生态塘、生物浮床、生态沟渠等是主要的生态工程化设施,其净化效率各有特点;水生植物是生态工程化系统中重要的组成部分,合理的选配植物有助于建立稳定高效的系统;生态工程化池塘循环水养殖系统模式具有“生态、安全、高效”的特点,是改变传统养殖方式、提高养殖效果的有效途径,对池塘生态关键影响因子进行调控是实现高效养殖的发展趋势。


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