不同增氧方式对精养池塘溶氧的影响.pdf

第 29 卷 第 17 期 农 业 工 程 学 报 Vol.29 No.17 2013 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.2013 169 不同增氧方式对精养池塘溶氧的影响 张世羊1,2，李 谷1，陶 玲1，李晓莉1（1.农业部淡水生物多样性保护重点开放实验室，中国水产科学研究院长江水产研究所，武汉 430223；2.中国水产科学研究院淡水渔业研究中心，无锡 214081）摘 要：当前对于在精养池塘中如何配制和合理使用不同机械增氧方式缺乏系统的比较研究。该文为了探讨高温季节晴好天气不同机械增氧方式对池塘溶氧全天调控的影响，试验设计如下：于夏天高温季节集中对精养池塘应用 3 种不同增氧方式，在晴好天气的白天和夜间进行增氧效果试验。结果发现：无论增氧机开启与否，池塘的溶氧都存在明显的昼夜起伏，且在午后出现峰值。增氧机的开启增强了上下水层交换，削减了氧差，减少了上层溶氧的逸出损失，提升了下层水体的低溶氧水平。池塘上层溶氧起伏程度大于下层，下层溶氧变化滞后于上层（下层溶氧出现峰值落后于上层约 25 h），且这种滞后性为增氧机运行所削弱。夜间增氧能向池塘补充溶氧，但仍不足以弥补鱼类和浮游生物的代谢、微生物的生长及有机物的氧化分解造成的溶氧损耗。单从机械增氧能力来看，叶轮式微孔式耕水机。综合分析节能和增氧效果，在精养池塘养殖环境下，白天开机增氧选择耕水机较为合适，而夜间应急增氧选择叶轮式更可取。试验通过对不同机械增氧方式增氧效果和能耗的系统比较，为合理选择和使用增氧方式提供了一定的参考价值。关键词：水产养殖，氧，农业机械，精养池塘，增氧方式，增氧能力，节能，溶氧 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.17.022 中图分类号：S2；S9 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2013)-17-0169-07 张世羊，李 谷，陶 玲，等.不同增氧方式对精养池塘溶氧的影响J.农业工程学报，2013，29(17)：169175.Zhang Shiyang,Li Gu,Tao Ling,et al.Impact of different aeration approaches on dissolved oxygen for intensive culture pondsJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(17):169175.(in Chinese with English abstract)0 引 言 溶氧是池塘水产养殖管理中的一项重要指标，其变化是水体理化性质和生物学过程的综合反映，同时也是池塘生产性能的重要参数。池塘溶氧水平高低与养殖效果好坏紧密相关。配备增氧机是解决池塘溶氧过低的有效途径之一。在池塘增氧中，叶轮式增氧机、耕水机和微孔曝气增氧是 3 种常见增氧方式。叶轮转动时能产生水跃，增加了水气接触面积，促进空气中的氧溶于水；耕水机功率小、转速低，瞬时增氧效率不如叶轮式，但其持续运行特性能促进表层富氧水与底层 收稿日期：2013-04-01 修订日期：2013-07-21 基金项目：中国水产科学研究院淡水渔业研究中心基本科研业务费（2011JBFZ03）；国家自然科学基金（31202034）；中国水产科学研究院长江水产研究所所长基金（2011DFYFI01）；“十二五”支撑计划（2012BAD25B05-01）共同资助。作者简介：张世羊（1980），男，安徽庐江人，博士，研究方向：池塘生态与水质调控。武汉 中国水产科学研究院长江水产研究所，430223。Email： 通信作者：李 谷（1964），男，湖北公安人，研究员，博士，研究方向：池塘生态工程。武汉 中国水产科学研究院长江水产研究所，430223。Email： 乏氧水混合，缓解了池塘底部乏氧状况1；底部微孔曝气增氧在提高下层水体溶氧方面优于叶轮式，在虾蟹养殖中可替代叶轮式对鱼池进行增氧2，微孔增氧促进了池塘底部氨氮、亚硝酸盐、硫化氢等有害物质的转化和有害气体挥发3，减少了蓝藻和鱼病的发生频次4。夏天高温季节是水产养殖的重要阶段，也是池塘水质最不稳定时期5，合理配置和使用增氧机对于确保生产安全、减少养殖风险具有重要意义。目前池塘机械增氧主要有叶轮式、水车式、微孔式、耕水机等方式，如何选取增氧机械已成为现代水产养殖关注的焦点。然而，由于对于在池塘中如何配置和使用各类增氧机械缺乏较为系统的研究和比较分析，缺乏养殖池塘中的实际试验数据，使得正确选择和管理增氧机械面临困难。本研究在一组平行的精养池塘中分别安装了叶轮式、微孔式和耕水机等 3 种不同类型的增氧设施，探讨了高温季节晴好天气机械增氧对池塘溶氧全天调控的影响，并通过对增氧性能和使用方式进行比较分析，为池塘养殖正确选择和安全使用增氧方式提供科学依据。农业工程学报 2013 年 170 1 材料与方法 1.1 试验设计 1.1.1 池塘清整与鱼种放养 影响精养池塘溶氧的因素众多，其中主要包括浮游植物的光合作用，大气散逸，水、鱼、底泥呼吸等。本研究试验设计如下 研究在夏季高温期晴好天气进行（2012 年 8 月份，平均最高气温 32），场所位于湖北省荆州市 太湖港渔场。试验选取 8 口毗邻且规格一致（面积0.33 hm2，纵横比约 3:1）的精养池塘为研究对象。池塘位置毗邻保证了底质（壤土或黏土）的一致性，同时也避开了天气（如风速、日照等）差异造成的影响。池塘周边开阔，无遮荫挡风障碍物。试验开始前，池塘经过清淤、消毒处理，尽量使池塘底质特性保持一致。消毒一周后往塘中加注新水。为了保证水体营养状态一致，试验所用 8 口池塘均加注同一水源，源水基本特征见表 1。表 1 试验池塘补充源水理化特征 Table 1 Physicochemical characteristics of source water filling experimental ponds 项目Item pH值 pH value 电导率 Electronic conductivity/(Scm-1)总氮 Total nitrogen/(mgL-1)总磷 Total phophrus/(mgL-1)高锰酸盐指数CODMn Chemical oxygen demand/(mgL-1)叶绿素a Chlorophyll a/(gL-1)均值标准差 Meanstandard deviation 8.150.1775412 2.160.29 0.530.04 19.31.6 327.221.7 1.1.2 增氧系统安装 待所有池塘加注到预定水位后（平均水深 2 m），随即按常规养殖模式放入鱼种。各池塘鱼种放养密度和生物量相同（均主养草鱼 6 000 尾/hm2，规格300500 g/尾；混养鲢鳙 4 500 尾/hm2，规格 200300 g/尾，配比 3:1），按常规方式进行管理。鱼种入塘后随即安装增氧设备。试验将 8 口池塘分为 4 组（每组有一平行试验塘），其中叶轮式增氧机（池塘编号为 P1_1、P1_2，功率 3.0 kW/台）、微孔曝气系统（P2_1、P2_2，1.6 kW/台）及耕水机（P3_1、P3_2，40 W/台）各为一试验组，剩余一组作为对照（P0_1、P0_2）组，对照组未安装任何增氧设备。叶轮式增氧机设 1 台/塘，安装在池塘中央；耕水机 2 台/塘，安装在池塘纵向两侧靠中；微孔曝气系统 1 套/塘，每套由空压机（1.6 kW，出气率180 m3/h，压差 35 kPa）、总供气管和微孔曝气盘组成。因为浮游生物繁殖周期较短6，为了减少其代谢变异造成的影响（尽量缩短前期筹备工作时间），增氧系统安装在一天内完成，随后进入调试运行阶段。鉴于试验所用 3 种增氧设备的功率不一致，作者拟从增氧效果和能耗 2 方面综合比较不同增氧方式的优劣。1.1.3 运行管理与测量 关于增氧机的开启传统方式采取“六开三不开”。“六开”即晴天午后开，阴天次日清晨开，阴雨连绵时半夜开，下暴雨时上半夜开，温差大时及时开，以及特殊情况下随时开；“三不开”即早上日出后不开，傍晚时不开，及阴雨天白天不开。鉴于此，本试验晴好天气增氧机开机时间设定如下。白天增氧试验：叶轮式和微孔式开机时间为12:0016:00；耕水机由于功率较小及常规运作要求，开机时间设为 8:0018:00，测量时间点从凌晨2:00 开始，每隔 4 h 监测 1 次，连续测量 3 d。连续测量 3 d 是为了有效观测到池塘溶氧全天候变化趋势，避免 12 d 偶然因素导致的溶氧变化趋势不一致。白天增氧试验结束后，随后进行夜间增氧试验：开机时间从凌晨 0:006:00，测量时间点相应为0:00、1:00、2:00、4:00、6:00。测量时间段或周期的选择主要基于如下考虑，即白天增氧除了机械的强制增氧外，还与光合作用有关，而夜间增氧主要受控于机械的强制增氧。测量点设置按梅花布点法。每个监测点又分上下层：上层距离水表面40 cm，下层距水表面 160 cm。测量仪器为美国哈希HACH LDOTM便携式溶氧仪，能同步测定温度、溶氧及其饱和度。1.2 数据分析 在进行差异性分析之前，各组数据先用Shapiro-Wilks test 检验其正态分布。若数据不符合正态分布，先通过数据转换以满足要求。本文采用单因素方差分析比较不同增氧方式间增氧效果的差异，多重比较选择 LSD（方差齐）或 Games-Howell（方差不齐）test，分析在 SPSS 17.0 软件中完成，显著水平确定为 P0.05。2 结果与讨论 2.1 3 种增氧方式日间增氧效果 由图 1 可知，在晴好天气，无论增氧机开启与否，池塘的溶氧都存在明显的昼夜起伏，且在午后出现峰值，尤其是对照组的上层溶氧。这也表明该类水体中溶氧主要来源于浮游植物的光合作用。一般在精养水域中，晴天浮游植物光合作用产生的氧第 17 期 张世羊等：不同增氧方式对精养池塘溶氧的影响 171 气可以达到一昼夜溶氧总吸入的 90.3%，扩散溶入水中的仅占 9.5%，而水体中消耗溶氧最多的是浮游生物、细菌的呼吸作用以及水中有机物的氧化分解，可占到 72.9%，鱼类耗氧仅占 16.1%，上层过饱和逸出的约占 10.4%，底泥耗氧约 0.6%7。但也有报道称，在主养草鱼高密度池塘溶氧的收入中，浮游植物光合作用产氧量、机械增氧量和大气扩散溶入氧量分别占总溶氧来源的 44.7%、42.3%和13.0%，机械增氧作用已接近光合作用，成为溶氧来源的主要贡献者；而在池塘溶氧的支出中，水呼吸、鱼呼吸和底泥呼吸耗氧量分别占总耗氧量的45.9%、45.0%和 9.1%，鱼呼吸耗氧与水呼吸耗氧相当，成为水体中溶氧的主要消耗者8。本研究中，对照组上下层水体的溶氧峰差（或氧差）均显著高于其他各组（表 2），说明增氧机的开启加强了上下水层交换，下层乏氧水交换至上层，从而减少了上层水体溶氧因过饱和而导致的逸出损失（对照组上层溶氧峰值高达 15.4 mg/L，对应饱和度为 215.7%）。对比上下层水体溶氧变化趋势，发现白天上层溶氧的起伏程度大于下层，这是因为上层水体溶氧受光合作用的影响大于下层。此外，下层溶氧的变化趋势滞后于上层，这是因为溶氧由上层传递至下层有个扩散过程，且这种滞后性在外界环境的扰动下（如增氧、鱼类活动、风吹等）逐渐变弱9-11。本研究中，叶轮式增氧机和耕水机较强的扰动性明显削弱了下层溶氧变化趋势的滞后性（相对于微孔式和对照，图 1）。一般认为，池塘的溶氧水平随夜间生物代谢和有机物分解逐渐降低，在黎明时降至最低5。从本研究结果来看，未开启增氧机之前，上层水体溶氧在天明时（图 1，6:00 左右）降至最低，下层溶氧变化趋势具有一定滞后性，在 10:00 左右降至最低，下层溶氧变化趋势滞后于上层约25 h（图 1）。此外，在未开启增氧机之前，下层水体溶氧在天明之后仍继续降低，可降至 1 mg/L 以下，在开启耕水机之后呈逐渐上升趋势，这是因为叶轮式和微孔式增氧机开机始于 12:00，而耕水机始于 8:00。由于强光合作用，池塘上层水体溶氧至 10:00 时已处于较高水平，开启耕水机能将表层富氧水翻至底层，进而提高底层溶氧水平，且溶氧的最低阈值维持在 2 mg/L 以上（图 1）。众所周知，午后开启增氧机的主要目的是在于削减池塘上下水层的温差和氧差。上层过饱和富氧水在水力扰动下不断溶入下层，下层乏氧水交换至上层增氧，从而增加了水体整体溶氧量；同时温差的消除，减弱了由于浮游生物沉降引起的跃温层，增加了生物增氧的深度，使下层水体有一定的溶氧储备，可避免暴雨天气易引起的鱼类浮头5。本研究中发现，凌晨（6:00）开启微孔式或耕水机均能使上下水层的低溶氧水平较对照组明显提高，而叶轮式与此相反（图 1），说明叶轮式增氧机虽然增加了池塘总溶氧量（因为下层水体溶氧较对照组有大幅提升，而上层溶氧降低相对较少），但也促进了池塘耗氧。可能原因如下：1）叶轮式增氧机的扰动力度较大，在下层形成了高速旋转水流，加速了池塘底部有机物的氧化分解，加剧了池塘底部的耗氧速率12；2）叶轮式增氧机噪声较大，其在扰动水体的同时，对养殖对象也会造成一定影响，提高了养殖对象的呼吸速率13-14。由图 1 可以看出，各处理组 10:00、14:00、18:00 3 个时间点上层溶氧明显高于下层。因此，本研究将 10:0018:00 定义为白天，其余时间段定义为夜间。经单因素方差分析，发现不同增氧方式下池塘上下水层的氧差，无论白天还是夜晚，均存在显著差别。白天的结果是：对照组微孔式叶轮式耕水机；夜间的结果是：对照组叶轮式微孔式耕水机（图 2，表 2）。农业工程学报 2013 年 172 图 1 不同增氧方式下池塘溶氧的昼夜变化（P0-P3）Fig.1 Diurnal variation of dissolved oxygen(DO)in ponds replenished with different aeration approaches(P0-P3)增氧机的开启大大削减了池塘上下水层的氧差。进一步多重比较分析发现，在白天对照组的氧差显著高于微孔式，后者显著高于叶轮式，而叶轮式与耕水机间无显著差别；在夜间对照组和叶轮式的氧差显著高于耕水机，对照组与叶轮式以及叶轮式与微孔式间无显著差别。因为本试验增氧机主要于白天开启，增氧效果集中体现于白天，滞后于夜间。从白天氧差分析来看，叶轮式增氧机和耕水机的搅水能力较强（耕水机由于较长的运作时间），且相差无几，但却明显强于微孔式。叶轮式增氧机虽然搅水能力强于微孔式，也增加了池塘总溶氧量，但由于其加剧了池塘夜间耗氧速率（如前所述），导致夜间氧差大于微孔式。第 17 期 张世羊等：不同增氧方式对精养池塘溶氧的影响 173 注：不同字母标注表示存在显著差异。Note:Columns marked with different letters indicate significant differences.图 2 不同增氧方式下昼夜氧差比较 Fig.2 Comparison of dissolved oxygen(DO)differences in day and night replenished with different aeration approaches 表 2 4 种运行方式下水体上下层昼夜溶氧及氧差的方差分析 Table 2 Results of one-way ANOVA for day and night DO and their differences between up and down layers of water among four treatments 变异来源 Source 时间 Time 三类平方差 Type III Sum of Squares 自由度 df 均方 Mean square F 值 F-value P 值 Significance 白天 Daytime 192.8 3 64.28 7.252 0.000 上层溶氧 Up layer DO 夜间 Nighttime 5.412 3 1.804 0.469 0.705 白天 Daytime 91.05 3 30.35 3.704 0.016 下层溶氧 Down layer DO 夜间 Nighttime 3.890 3 1.297 0.342 0.795 白天 Daytime 484.9 3 161.6 20.68 0.000 氧差 DO difference 夜间 Nighttime 2.319 3 0.773 4.857 0.004 2.2 3 种增氧方式夜间增氧效果 在夜间各组的水体上下层溶氧均随时间变化呈逐渐下降趋势，表明池塘夜间耗氧作用较强，机械增氧仍不足以弥补生物代谢和有机物氧化分解造成的溶氧损耗。此外，无论增氧与否，各池塘溶氧几乎均呈线性下降（除对照 2 略有弯曲，图 3），这与 Boyd 等观测到的沟鲶池塘中夜间溶氧变化趋势一致15。比较 3 种增氧方式的水体上下层氧差，发现除对照组初期上下层溶氧有一定差别之外，其他方式下水体上下层氧差较小（图 3），说明机械增氧很好地搅匀了池塘水体，使上下层水体溶氧水平趋于一致。夜间微孔式增氧能明显降低上下层氧差，因为夜间池塘溶氧补给主要来源于机械的强制增氧，微孔增氧具有一定增氧能力，且翻动水流的作用较弱，不会引起池底有机物的加速分解；而耕水机或叶轮式增氧虽然具有增氧能力，但是能形成池塘水体环流，大大加剧了底层有机物的分解，增加了水体的耗氧。增氧能力可以用动力效率来表示，有报道认为耕水机增氧的动力效率（O2）为 2.75 kg O2/(kWh)1，微孔式为 2.0 kg/(kWh)2，叶轮式为 1.51 kg/(kWh)16；在本研究试验的结果对应的增氧能力依次为 0.22（2.75 kg/(kWh)2 台40 W）、3.2（2.0 kg/(kWh)1台1.6 kW）和 4.53 kg/h（1.51 kg/(kWh)1 台3 kW）。从本研究的结果来看，池塘夜间溶氧的下降速率依次为：对照组（平均值 0.59 mg/h）耕水机（0.58 mg/h）微孔式（0.43 mg/h）叶轮式（0.27 mg/h）（图 3），表明 3 种增氧方式均能向池塘补充溶氧，抑制了池塘溶氧的下降速率。因为夜间增氧屏蔽了光合作用的影响，单从增氧能力来看，叶轮式微孔式耕水机。本研究就白天增氧机的耗电量而言，叶轮式（12.0 kWh）微孔 式（6.4 kWh）耕水 机（0.8 kWh）。因此综合增氧效果和耗电量，在该类养殖环境下白天开机增氧选择耕水机较为合适，而夜间应急增氧选择叶轮式增氧机更可取。农业工程学报 2013 年 174 图 3 夜间不同增氧方式下溶氧的变异（P0-P3）Fig.3 Variation of dissolved oxygen(DO)replenished with different aeration approaches during night(P0-P3)3 结 论 1）在该类精养池塘中，试验所选 3 种机械增氧设备的运行时间（或增氧能力）有限，在晴好天气浮游植物的光合作用仍是该类养殖水体溶氧的主要来源。增氧机的使用加强了上下水层交换（对照组氧差显著高于试验组），降低了池塘表层富氧水溶氧的逸出损失，提升了下层水体凌晨的低溶氧水平（最低阈值在 2 mg/L 以上），减少了鱼类浮头风险。同时，池塘总溶氧量的增加，也提高了鱼类摄食强度，有利于改善池塘生态环境。2）在晴好天气，该类精养池塘水体上层溶氧受光合作用的影响大于下层，白天下层水体溶氧变化趋势滞后于上层（下层溶氧变化趋势滞后于上层约 25 h），且这种滞后性为增氧机运行所削弱。对比昼夜增氧效果，发现叶轮式和耕水机的搅水（或增氧）能力强于微孔式，但由于其运行时易形成旋转水流，加剧了池塘底部有机物的氧化分解，导致夜间耗氧速率大于微孔式。3）在本研究中，耕水机、微孔式、叶轮式的增氧能力依次为 0.22、3.2 和 4.53 kg/h，对应池塘夜间溶氧下降速率为：对照组（平均值 0.59 mg/h）耕水机（0.58 mg/h）微孔式（0.43 mg/h）叶轮式（0.27 mg/h），而 3 种增氧方式的耗电量依次为叶轮式（12.0 kWh）微孔式（6.4 kWh）耕水机（0.8 kWh）。综合节能和增氧效果，在晴好天气，白天开机增氧选择耕水机较为合适，而夜间应急增氧选择叶轮式增氧机更可取。参 考 文 献 1 顾海涛，何康宁，何雅萍.耕水机的性能及应用效果研究J.渔业现代化，2010，38(4)：4044.Gu Haitao,He Kangning,He Yaping.Research on function and application of biofanJ.Fishery Modernization,2010,38(4):4044.(in Chinese with English abstract)2 金中文，郑忠明，吴松杰，等.底充式增氧对改善池塘水质效果的初步研究J.南方水产，2010，6(6)：2025.Jin Zhongwen,Zheng Zhongming,Wu Songjie,et al.Preliminary study on improvement of pond water quality by bottom aerationJ.South China Fisheries Science,2010,6(6):2025.(in Chinese with English abstract)3 Stadmark J,Leonardson L.Greenhouse gas production in a pond sediment:Effects of temperature,nitrate,acetate and seasonJ.Sci Total Environ,2007,387(1/2/3):194205.4 Qiu T,Xie P,Guo L,et al.Plasma biochemical responses of the planktivorous filter-feeding silver carp(Hypophthalmichthys molitrix)and bighead carp(Aristichthys nobilis)to prolonged toxic cyanobacterial blooms in natural watersJ.Environ Toxicol Pharmacol,2009,27(3):350356.5 王武主编.鱼类增养殖学M.北京：中国农业出版社，2000.6 Seebens 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the cultured species cannot be met through natural aeration only.Therefore,artificial aeration is essential.In past years,various types of aerators have been developed to maintain the desired concentration of dissolved oxygen(DO)in the pond water to improve the energy efficiency of the oxygen mass-transfer process.In the present study,it is intended to compare the dynamical efficiency and economic performance of three different aeration approaches,including paddle wheel aerators,diffused-air systems,and water cultivators at different initial DO concentrations of ponds and operating durations of aerators.The study involved a typical Chinese grass carp culture with commonly practiced stocking density and feeding.The comparison included two parts:daytime and nighttime experiments with a repeated measurement design for each one.In the daytime experiment,the paddle wheel aerators and diffused-air systems were operated between 12:00 and 16:00 and the water cultivators between 8:00 and 18:00.In the nighttime experiment,the three aeration systems were all operated between 0:00 and 6:00.Based on the investigation,phytoplankton photosynthesis on sunny days was still the main source for DO replenishment in such intensive culture ponds since aerators were not operated all day.The operation of aerators enhanced water exchange between the upper and lower layers of water,decreased the escape of DO in the daytime due to over-saturation,and increased the total stock of DO.Accordingly,aerators reduced the risks of fish raising their heads above water to breathe in the night/dawn and were beneficial for fish feeding.The diurnal variation of DO in the upper layer of water was greater than that in the lower layer and displayed dis-synchronization which could be attenuated by mechanical mixing/aeration.The mixing/aeration capacity of paddle wheel aerators and diffused-air systems were significantly higher than that of cultivators,but the paddle wheel aerators also increased the oxygen consumption rates during the night in comparison to the cultivators,possibly due to the enhanced decomposition of organic matter promoted by water circulation.In the current case,the mechanical aeration capacity of cultivators,diffused-air systems,and paddle wheel aerators were 0.22,3.2,and 4.53 kg/h,corresponding to a decrease rate of DO 0.58 mg/h for the cultivators,0.43 mg/h for the diffused-air systems,and 0.27 mg/h for the paddle wheel aerators during nig