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论文:池塘养殖中不同机械增氧技术的组合及效果验证

发表时间:2023/08/15 21:30:38  来源:淡水渔业 2016年5期   浏览次数:1799  
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池塘养殖中不同机械增氧技术的组合及效果验证

焦宝玉1,贾砾1,张凤枰1,2,刘耀敏1,范小敏3,曾令春3

(1.通威股份有限公司,水产畜禽营养与健康养殖农业部重点实验室,成都610041;2.上海海洋大学食品学院,上海201306;3.河南通威饲料有限公司,河南新乡453000)

为解决河南中牟县万滩镇养殖池塘机械增氧技术单一的问题,通过试验研究微孔式、水车式、涌浪式等几种增氧机的性能及使用方式,以达到提升增氧效果和提高养殖效益的目的。结果表明,该地区池塘溶氧含量高而利用率低,养殖户传统增氧方法不当。适宜增氧方式为:涌浪式增氧机适合在晴天下午使用3~6 h,可有效提升周边20 m范围内底层水体的溶氧水平;投食前后半小时开启和关闭微孔式、水车式增氧机,可提升投食期间投饵区溶氧水平1~2 mg/L,保证鱼群的进食效果;夜间搭配使用微孔式和低功率叶轮式增氧机增氧,可使微孔区域底层水体溶氧比不增氧状态高出1 mg/L以上。

池塘养殖;机械增氧;组合;效果

水产养殖水体环境中最重要因素是溶氧,对溶氧的调控是水产养殖过程中最重要的措施之一[1-2],溶氧水平的高低与养殖效果好坏密切相关[3]。现代高产、规模化、集约化水产养殖要求养殖水体溶氧必须有充分的保证。增氧机是池塘养殖不可或缺的、最重要的机械设备之一,它对实现高密度、高产量的水产养殖具有极其重要作用[4]。黄河中游区域一直以来是中国重要的水产养殖区[5],河南中牟县属黄河中下游冲积平原,水利条件得天独厚,水产养殖历史悠久,万滩镇水产养殖面积已达950 hm2,其中精养面积250 hm2,主养鲤鱼、草鱼、团头鲂、斑点叉尾鮰等名优品种。该地区养殖以农户散养为主,没有规模化运作,养殖观念落后,池塘普遍应用叶轮增氧机,一般0.7 hm2池塘使用2台3 kW叶轮增氧机,使用标准为鱼不浮头即可。叶轮增氧机的增氧效果、使用方法李立森等[6]、谷坚等[7]均有报道,但其功能单一,不能满足某些特定增氧需求,而不同类型增氧机械搭配能够优势互补、混合增氧[8]。本研究根据池塘现有条件、增氧机械性能特点和增氧需求,引进微孔、水车和涌浪机等3类增氧机械,开展设备组合和优化配置试验,实时监测4种增氧机及其优化配置后的增氧效果,通过比较不同增氧设备在此地区对传统增氧方式下溶氧值等参数改变的影响,探索本地池塘不同区域适宜的增氧设备使用方式,旨在为该地区养殖户改善池塘溶氧条件、指导饲料投喂、提高养殖效益提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1试验池塘和增氧设备

试验池塘位于河南省中牟县万滩镇,4个养殖户共3口土底养殖池塘(A3、A4、A10)和1口覆膜高位池塘(A2);对照池塘共1口土底养殖池塘B1,具体点位分布见图1,池塘基本情况、放养情况见表1。

图1 试验池塘点位分布Fig.1 Distribution diagram of aquaculture ponds

试验池塘、对照池塘原有增氧设备为2台3 kW叶轮增氧机,试验池塘新增水车式、涌浪式、微孔式等增氧设备,具体增加设备分布见表1。

表1 试验池塘及对照池塘详细情况Tab.1 Details of test and control ponds

其中,微孔增氧机成套设备主要由电机、罗茨风机、主供气管、支管及微孔曝气管形成供气系统,其工作原理是通过电机带动风机,把空气经供气管压送到微管,再从微管的纳米级气孔中压出,形成微小气泡,散溶入水体中[9]。本研究试验使用1.5 kW微孔增氧机,配置30个纳米增氧盘,直径为1.2 m,分布3圈纳米管,单个盘纳米管总长度6.5 m,增氧盘主要安置在投饵区域内及周边,每个盘间隔距离为2 m。

池塘增氧设备安装按统一方案执行,具体安装点位见图2,对照塘2台叶轮机安装位置一致。养殖池塘原先使用时间段主要在夜间,经改进后的设备使用时间段包括夜间、晴天下午、投食期间及前后。

图2 试验池塘增氧机安装方案示意图Fig.2 Aerator installation scheme of test ponds

1.2测量设备及方法

美国HACH公司便携式HQ40D主机,配置荧光法溶氧探头LDO101,该探头可同时测量温度;英国Palintest公司CT-02水晶版浊度仪。

溶氧仪器能够实现连续间隔测量并记录监控数据,测量间隔从1 s至30 min,存储数据量为500个。仪器均经过校准和对比测试,符合试验要求。

1.3测定方案设计

试验池塘全为室外实际养殖池塘,天气状况、载鱼量等客观因素不确定,为便于试验测试数据具有对比意义,尽量选择条件基本一致的环境进行测试。中牟地区3月—10月为一个养殖周期,在6、7月份天气状况较稳定,水温较高且投食量大,鱼群对溶氧的需求较大,重点在此期间晴天和多云天气下,测定各类增氧设备开机前后及开启过程中池塘投食区和池塘中间(非投食区)2类主要区域的溶氧值变化趋势,测量水层深度包括表层(水面下0.4 m)和底层(池底上0.2 m)。重点以该地区鲤鱼池塘作为测试池塘,其他养殖池塘作为增氧设计方案验证和对比池塘。具体测试方案见表2。

表2 增氧设备监控方案Tab.2 Monitoring program of aerator

2 结果与分析

2.1传统增氧模式下池塘溶氧变化

河南中牟县万滩地区传统养殖池塘,养殖户主要在5—10月夜间及阴雨天开启叶轮式增氧机,保证鱼群不出现缺氧现象,对于池塘中溶氧水平及分布状况不了解,开启增氧机时间段也是凭借养殖经验。不同时段、不同深度养殖池塘的溶氧是不断变化的。

监控方案1:对传统池塘B1进行全天溶氧监控,测量结果见图3。8:00池塘表层溶氧逐渐上升,在16:00左右达到最高点14.5 mg/L,此后逐渐降低;底层溶氧在11:00开始缓慢上升,16:00升至5 mg/L,与表层溶氧出现明显差值,最高可达8 mg/L以上;夜间20:00—次日6:00,池塘表层和底层溶氧水平基本一致,该时段溶氧水平逐渐下降,在3:00—6:00溶氧降低至1 mg/L水平。

对表、底层溶解氧分时段进行配对t检验,结果显示:表层溶解氧在11:00~19:30时段和8:30~14:15时段,均有显著差异(P<0.05,n=58),而在19:45至次日8:15时段,表、底层溶解氧无显著差异(P>0.05,n=51)。

对比表、底层水体溶氧变化趋势,表层水体溶氧变化幅度明显大于底层水体,原因在于表层水体受光合作用影响程度较大;此外,底层水体溶氧上升时段要延后于表层水体,这是由于溶氧从表层至底层有扩散过程,这与有关研究者[10-12]的结论一致。

图3 传统池塘全天表底层溶氧含量变化Fig.3 Dissolved oxygen content change of traditional pond

测试日期07-13-07-14,测量间隔30 min,表层水温28 ℃,天气晴,监控点位在B1池塘中间,测量位置为表层水面下0.4 m和底层底泥上0.2 m,叶轮开启21:00—次日7:00。

2.2微孔式增氧机使用效果

结合养殖需要,从投食期间和夜间2类时间段监控微孔增氧区域的溶氧变化,对比同期非微孔覆盖区域和不开微孔增氧机条件下溶氧变化(方案2-3)。

2.2.1投食期间微孔增氧区域溶氧变化及对比

监控方案2:测试投食期间微孔覆盖区域和非微孔区域溶氧变化情况,测试结果见图4。

图4 投食期间微孔增氧区域表层溶氧值变化及对比Fig.4 Dissolved oxygen change and contrast of porous oxygen region during feeding

测试日期07-18,测量间隔15 min,表层水温30 ℃,天气多云,监控点位投食区、非微孔区,测量位置均为水面下0.4 m,微孔开启10:40—12:00、14:45—16:00,投食时间11:00—11:45、15:00—15:45。

从上午溶氧低水平阶段可以看出,测试天气为多云天气,池塘本身溶氧水平偏低,A10非微孔区域测试点位在池塘中间,距离微孔区域边界约5 m左右,开启微孔增氧机后,A10微孔增氧区域溶氧曲线与A10非微孔区域、B1对照池塘溶氧曲线产生明显差异,A10微孔区域溶氧上升明显,且A10非微孔区域溶氧延时半小时后开始上升,但B1池塘在相同时间段无明显快速上升阶段,表明在微孔增氧机开启时间段内微孔区域及微孔周边区域溶氧上升非自溶解和光合作用的结果,主要为微孔增氧所致,在投食期间微孔增氧区域溶氧维持稳定在4.8 mg/L,有效保证了投食期间鱼群的进食效果。对3个不同区域的溶氧值进行均值比较,结果表明:在溶解氧低的水平下,A10微孔区域溶氧均值与A10非微孔区域、B1投饵区之间有显著差异(P<0.05,n=36),而A10非微孔区域与B1投饵区之间则无显著差异(P>0.05,n=36),说明微孔增氧机可显著提高低溶氧水平下池塘水体的溶解氧含量。

下午投食阶段,池塘本身溶氧水平较高的情况下,A10池塘投饵区微孔区域溶解氧值增加幅度有限,增加约1 mg/L,使得微孔区域溶氧保持稳定在8 mg/L以上,但同期由于鱼群的集中,池塘中间即微孔覆盖区域周边5 m位置溶氧值下降了约2 mg/L,即开启微孔增氧机情况下投食区溶解氧水平高于非微孔区域3 mg/L以上。对高溶氧水平下3个区域溶解氧进行均值比较,结果显示:平均溶氧水平按照A10微孔区域、A10非微孔区域、B1投饵区顺序,依次降低;A10微孔区域平均溶氧与A10非微孔区域、B1投饵区之间有显著差异(P<0.05,n=37);说明在高溶氧水平下,微孔增氧机也有显著提高溶解氧含量的作用,而投饵会显著降低该区域平均溶氧含量。

同期观察对照B1池塘,2次投喂期间投饵区溶氧均为较低水平,且随投食进行溶解氧值进一步下降,在这种低溶氧水平下,鱼群的进食效果将受到很大的抑制。观察2口池塘鱼群抢食状况,A10池塘鱼群明显表现更有活力。

2.2.2夜间微孔增氧区域溶氧变化及对比

监控方案3:测试夜间微孔增氧效果,结果见图5。从图中可以看出,夜间在未开启微孔增氧机的情况下,A2池塘投食区底层溶氧水平呈线性下降,在凌晨4:00左右溶氧水平接近0,而同期监控A3池塘微孔区域,其溶氧水平在1 mg/L左右。同时可以发现,池塘夜间没有增氧的区域,溶氧几乎均呈线性下降(图5),这与Boyd等[13]观测到的沟鲶池塘中夜间溶氧变化趋势一致。对图5中A2与A3区域平均溶氧含量分时段进行配对t检验,结果显示:在02:15以前,两区域溶氧无显著差异(P>0.05,n=24);但在02:30以后时段,则有显著差异(P<0.05,n=21),A3微孔增氧区域平均溶氧含量要高于A2区域,即表明微孔开启后可以提升池塘底层溶氧水平1~1.5 mg/L。

图5 池塘夜间微孔及非微孔区域底层溶氧变化对比Fig.5 Microporous and non-microporous area DO change at night

测试日期06-13—06-14,测量间隔15 min,表层水温28 ℃,天气多云,监控点位投食区,测量位置为底泥上0.2 m,微孔开启00:00—07:00。

2.3水车式增氧效果

水车增氧机主要由电动机、减速器、联轴器、叶轮、机架和浮船等6部分组成[14]。

监控方案4、5:测试水车在开启和关闭状态下投食区溶氧变化趋势,结果见图6。

图6 池塘水车开启或关闭时投食区及其 右侧表层溶氧变化对比Fig.6 DO changes in feeding and right side area with waterwheel opened or not in A4 pond

a.未开水车。注:测试日期07-20,测量间隔5 min,表层水温31 ℃,天气多云,监控点位A4投食区及其右侧,测量位置为水面下0.4 m,投食时间13:00—14:00、16:00—17:00,溶氧差为投食区与其右侧的溶氧差值。

b.开启水车。注:测试日期07-22,测量间隔5 min,表层水温31 ℃,天气多云,监控点位A4投食区及其右侧,测量位置为水面下0.4 m,投食时间14:00—15:00、17:00—18:00,水车开启13:45—15:15、16:45—18:15,溶氧差为投食区与其右侧的溶氧差值。

从图6a可以看出,13:00、16:00 2次投食期间,未开启水车增氧时,由于鱼群的大量集中和呼吸耗氧,料台处及右侧溶氧下降比较明显,最大降幅达到4 mg/L以上,但同时可以发现料台处的溶氧要低于右侧区域2 mg/L;从图6b可以看出,14:00—15:00、17:00—18:00 2次投食期间,开启水车式增氧后,溶氧含量从大至小依次为:料台>料台右侧10 m,且投料区域与料台右侧溶氧差变为正值,约2 mg/L。

以上结果表明,投食期间开启水车,水车搅动水体增加了溶氧,同时产生水流将水车附近的新鲜水体冲到料台,然后再离开料台到另一侧,从而完成了料台附近的水体的微循环,最终表现结果为降低了投饵区域在投食期间的溶氧下降幅度。

2.4涌浪式增氧效果

涌浪机利用浮体叶轮中央提水并共振造浪向四周扩散,造成底层水流上升,从而构成一个大范围的立体循环水流,提高阳光对水体的光照强度,促进水体藻类的生长,充分发挥和利用池塘的生态增氧能力[15-16]。

监控方案6:测试未开启涌浪机时池塘表底层溶氧变化趋势,结果见图7a。可以看出,在不开涌浪机时,池塘中表、底层的溶氧差最高可达8 mg/L,下午阳光强度降低,浮游植物的溶解氧净产生速率低于溶氧扩散速率时,表、底层溶氧差开始逐渐降低,经配对t检验表明表、底层平均溶氧含量有极显著差异(P<0.01,n=26)。

监控方案7:测试开启涌浪机时,涌浪机周边池塘表底层溶氧变化趋势,结果见图7b、8a;涌浪机周边浊度变化情况,结果见图8b。

从图7b可以看出,14:00即开启涌浪机1 h后,距离涌浪机10 m监控点位的表、底层溶氧差小于2 mg/L,而20 m监控点位表、底层溶氧差仍有6 mg/L;对开启涌浪机1~3 h的10 、20 m的表、底层溶氧进行单因素方差分析,结果表明无论10 m还是20 m,表、底层之间溶氧含量均有显著差异(P<0.05,n=25),但10和20 m底层溶氧含量则无显著差异(P>0.05,n=25)。开启涌浪机3 h后,10和20 m处的表、底层溶氧均达到同一水平,从图7c可以看出同时表、底层温度也达到了一致;而对开启3 h以后的溶氧含量进行方差分析,结果显示:无论10 m还是20 m,且无论表层还是底层,溶氧含量均无显著差异(P>0.05,n=39)。而不开涌浪机,下午4:00时溶氧差仍然在8 mg/L以上,表明涌浪机对表、底层水体混合起到了很大的加速作用。

图7 涌浪机作用下池塘表底层溶氧、温度变化Fig.7 DO and temperature change of surface and bottom of pond as surge aerator effected

a.不开涌浪机。测试日期07-10,测量间隔15 min,表层水温29 ℃,天气晴,监控点位A10中间,测量位置为水面下0.4 m、底泥上0.2 m。

b.涌浪机开启溶氧变化。测试日期07-27,测量间隔15 min,表层水温30 ℃,天气晴,监控点位A10中间,涌浪机开启13:00—16:00,10/20 m表层指监控点位距离涌浪机10/20 m水面下0.4 m、10/20 m底层指监控点位距离涌浪机10/20 m底泥上0.2 m。

c.涌浪机开启水温变化。测试日期07-27,测量间隔15 min,表层水温31 ℃,天气晴,监控点位A10中间,涌浪机开启13:00—16:00,10/20 m表层指监控点位距离涌浪机10/20 m水面下0.4 m、10/20 m底层指监控点位距离涌浪机10/20 m底泥上0.2m。

图8a为在关闭涌浪机1 h后,即17:00测量涌浪机周边水体的表、底层混合情况。从图中可以看出涌浪机10 m范围内表、底层仍然没有溶氧差,20 m范围内表、底层溶氧差较小为1.8 mg/L,而20 m以外范围的表、底层溶氧差仍然在4 mg/L以上。表明涌浪机开启3 h后,对于表、底层水体搅动作用范围在20~25 m之间。

图8 开启涌浪机后周边溶氧、浊度分布Fig.8 Distribution of DO and turbidity as surge aerator opened

a.表底层溶氧分布。测试日期07-27,测量时间16:50—17:10,表层水温31 ℃,天气晴,监控点位A10涌浪机周边,测量位置表层水面下0.4 m、底层底泥上0.2 m,距离指测量点位与涌浪机的直线距离。

b.表层浊度分布。测试日期07-27,测量时间15:50—16:10,表层水温31 ℃,天气晴,监控点位A10涌浪机周边,采样位置水面下0.4 m,距离指测量点位与涌浪机的直线距离。

图8b为涌浪机开启3 h后,测量涌浪机周边表层水体的浊度分布情况。从图中可以明显看出,在涌浪机周边10 m范围内,浊度从320 NTU急剧下降到210 NTU左右,在10 m以外的区域表层水体浊度分布在205 NTU左右,另外根据现场观察水色情况而言,10 m范围内水色呈现泥黄色,10 m以外的区域仍为藻绿色,表明开启涌浪机后,其能够搅动周边约300 m2范围内的底泥到表层,起到利用表层高溶氧氧化底泥的作用。

2.5微孔和水车式增氧机配合使用效果

监控方案8:在多云天气下,池塘投食区溶氧水平较低,用单一增氧机增氧能力有限,配合使用微孔式和水车式增氧机,监控投食区溶氧变化并进行对比,结果见图9。

从图9可以看出,水车配合微孔增氧机的使用,A10池塘投饵区域的溶氧变化曲线相对于B1池塘而言,主要在于投食期间溶氧水平的落差不一致,在中午12:00和下午16:00非投食时间段,2口池塘的溶氧水平几乎一致,而在下午14:00和17:00 2次投料期间,投饵区溶氧表现出了明显的差异,试验塘由于使用了水车式和微孔式增氧设备,在投饵后期17:40左右两口池塘的溶氧差最高达到了8 mg/L,B1池塘投饵区的溶氧水平降到2 mg/L左右,投食区溶氧降幅在2~4 mg/L,对鱼群摄食产生较大影响。

图9 水车、微孔式增氧机搭配使用投食区溶氧变化Fig.9 DO change with use of microporous and waterwheel aerator in feeding area

测试日期06-23,测量间隔5 min,表层水温29℃,天气多云,监控点位A10、B1投食区,测量深度水面下0.4 m,投食时间11:00—12:00、14:00—15:00、17:00—18:00,A10池塘水车、微孔开启10:45—12:15、13:45—15:15、16:45—18:15。

3 讨论

3.1微孔式、水车式增氧机、叶轮机使用时机

河南中牟地区在养殖高峰期间整体天气以晴天为主,少量阴雨天气。从保证溶氧值和节约养殖成本双方面考虑,在不同的天气条件以及投食时间段,开启微孔式和水车式的时机及搭配不同。

晴天、多云天气上午第一餐投食时间在7:00—8:00左右,监控发现池塘经过一夜间的呼吸作用,溶解氧值在2~4 mg/L之间,溶解氧值偏低,这两种条件下需要提前半小时左右开启微孔增氧机,配合使用水车式增氧机对投饵区的水流微循环作用,提升投饵区溶解氧值1~2 mg/L,有效保证鱼群进食效果。

晴天中午、下午池塘光合作用强,水体自身溶解氧水平较高,部分池塘表、底层溶氧值甚至能够达到饱和状态,在投食期间,不需要开启任何增氧机也能够维持投食区域的溶解氧水平。

多云中午、下午池塘溶解氧值水平分布在5~10 mg/L,只需要开启水车式增氧机,进行投食区与非投食区的水体交换,在投食期间即可维持溶解氧值水平。

夜间池塘呼吸作用导致池塘水体溶解氧不断下降,中牟县万滩地区池塘普遍以开启叶轮式增氧机为主。通过测试微孔增氧机与叶轮机搭配使用,观察鱼群聚集表现及不同增氧机覆盖区域溶解氧值水平,发现微孔式增氧机对水深池塘底层水体的增氧作用要优于叶轮式增氧机,且在开启微孔式增氧机情况下不再观察到鱼群围绕在增氧机周边的情况,减少了鱼群的体能消耗。因此,在夜间应以微孔式增氧机开启为主,根据池塘载鱼量情况选择搭配使用低功率叶轮式增氧机即可。

整体而言,考虑增氧效果和节约养殖成本,在池塘水体本底溶氧水平较低情况下,如第一餐投食阶段溶氧水平低于4 mg/L,搭配使用水车式、微孔式增氧机,在投食前后15~30 min开启和关闭;在池塘水体本底溶氧水平适中情况下,如多云天气下午,溶氧水平在5~10 mg/L,在投食前后15~30 min开启和关闭水车式增氧机;池塘夜间开启微孔式增氧机,有效提升底部水体的溶氧水平至1~1.5 mg/L,并能降低用电成本。

3.2涌浪式增氧机使用时机

河南中牟万滩地区光照条件好,池塘天然生产力较高,池塘易出现表层水体溶解氧值饱和、而底层水体溶解氧值偏低的现象,即表层溶氧资源浪费、底层溶氧不足。根据天气条件,10:00—17:00之间,开启涌浪式增氧机3~6 h,混合池塘表、底层水体,并能搅动300 m2范围内的池塘底泥,利用池塘表层高饱和溶氧对底泥中有机质等还原性有害物质进行氧化,从而破坏表层底泥中厌氧有害细菌的生长条件。

由于涌浪机作用范围有限,经过连续开启涌浪式增氧机,对周边池塘底泥的作用可能会达到一个瓶颈,从而需要对涌浪机进行位移,对池塘其他区域进行搅动作用。针对河南中牟万滩地区池塘,每口池塘需研究出应配置的合理涌浪式增氧机数量,以保证涌浪机一个位移循环周期内能够保持全池塘表层底泥氧化状态,这需要进一步的研究。

4 结论

(1)投食期间,鱼群聚集抢食及对底泥的搅动,造成投饵区溶氧下降幅度大,低溶氧影响进食效果。根据天气条件,单独或搭配使用微孔式、水车式增氧机,在投食前后15~30 min开启和关闭微孔式、水车式增氧机,可有效提升投食区溶氧水平1~2 mg/L,保证鱼群的进食效果。

(2)夜间通过微孔式和1.5 kW叶轮式增氧机的组合使用,显著提升了微孔区域的底层水体溶氧水平1~1.5 mg/L,减少了鱼群缺氧的风险,并取代使用多台大功率叶轮机而降低了夜间增氧成本。

(3)该地区晴好天气下池塘自身浮游植物产氧能力强,养殖户对过饱和溶氧利用率不高而造成浪费。在下午使用涌浪式增氧机3~6 h,能够搅动涌浪机周边300 m2范围内的底泥和直线距离20~25 m范围内的表、底层水体,提升了底层水体的溶氧水平,并能利用表层饱和溶解氧对底泥起到氧化作用。

通过在该地区不同天气条件下,不同类型增氧设备单独或搭配使用的效果验证,并在其他试验池塘和江苏等其他地区按照文中方案进行各种增氧机使用的重复性实验,实验数据结果吻合,因此提出了晴天下午使用涌浪机、溶氧低时投食区微孔和水车式增氧机搭配使用、夜间微孔和低功率叶轮增氧机搭配使用等不同增氧设备单独或组合使用方案,合理提升了溶氧水平和增氧效率,对提高养殖效益、降低养殖风险具有积极的意义。

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