黃一心，田昌鳳，孟菲良，鮑旭騰，鞏沐歌，丁建樂，梁 澄，周海燕

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海，200092)

在經(jīng)過幾千年的發(fā)展，尤其是改革開放以來，中國水產(chǎn)養(yǎng)殖得到了飛速的發(fā)展，2018年水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量49 910 590 t，是世界唯一長時間超過捕撈產(chǎn)量的國家[1]。不僅解決了“吃魚難”問題，豐富了城鄉(xiāng)居民“菜籃子”，而且還改變了世界蛋白質(zhì)的供應(yīng)格局，為世界作出了重大貢獻(xiàn)。池塘養(yǎng)殖是水產(chǎn)養(yǎng)殖最主要的養(yǎng)殖模式，2018年底，中國池塘養(yǎng)殖總產(chǎn)量為24 576 210 t，占養(yǎng)殖總產(chǎn)量的49%[1]。

池塘養(yǎng)殖設(shè)施裝備主要是指在池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)中，為提高養(yǎng)殖效率、改善養(yǎng)殖環(huán)境，提高節(jié)能減排水平，所使用的各類專業(yè)化的設(shè)施和裝備工程?，F(xiàn)代漁業(yè)設(shè)施裝備為池塘養(yǎng)殖技術(shù)水平的發(fā)展發(fā)揮了積極重要的作用，是池塘養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)集約化、規(guī)?；B(yǎng)殖的重要前提和保障。

1 中國池塘養(yǎng)殖設(shè)施裝備歷史

中國池塘養(yǎng)殖設(shè)施的建設(shè)距今已有3 000多年的歷史。殷墟出土的甲骨卜辭里就有在園囿中進(jìn)行養(yǎng)魚的描述；《詩經(jīng)》里記載了周文王在靈沼游玩，看見魚跳躍的情況，而經(jīng)考證，在陜西的靈沼開挖于公元前1 137年。春秋戰(zhàn)國時期，池塘養(yǎng)殖設(shè)施得到較大發(fā)展，也出現(xiàn)了不少有關(guān)池塘養(yǎng)殖的典故，如“城門失火，殃及池魚”等。《陶朱公養(yǎng)魚經(jīng)》提出在養(yǎng)殖鯉魚的池塘中要有“洲”，又要有“凹地”，使池塘既有深水區(qū)，也有淺水區(qū)，從而使魚兒不感覺到池小，為魚類的生活提供較好的環(huán)境。到了明清時期，隨著池塘養(yǎng)殖越來越專業(yè)化，對養(yǎng)殖模式、池塘設(shè)施的建設(shè)及周圍環(huán)境也更加重視，黃省曾在《養(yǎng)魚經(jīng)》提出：“池不宜過深；池之正北浚宜特深，魚必聚焉”，還提出在池塘周圍種植植物。徐光啟的《農(nóng)政全書》記載，魚池分為大、中、小三類，分別飼養(yǎng)不同成長階段的魚，在小池中，建一較深的部分便于捕撈和投喂。在太湖流域、珠江三角洲等地區(qū)出現(xiàn)了農(nóng)基魚塘，即挖塘筑基、塘中養(yǎng)魚、基上種物，構(gòu)成了養(yǎng)殖物質(zhì)循環(huán)鏈，但總體上，為便于生產(chǎn)和管理，養(yǎng)殖池塘面積較小[2-3]。1949年以后，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)恢復(fù)和發(fā)展，池塘養(yǎng)殖設(shè)施建設(shè)也取得進(jìn)展，20世紀(jì)60年代以來，湖南、廣東地區(qū)普遍開始進(jìn)行魚池改造，將原來小、淺、死水魚塘改為大、深、活水塘。淺塘改造后池塘面積一般為0.33～0.67 hm2(5～10畝)(各地可能略有不同)，池塘水深2～3 m，池形整齊、注水方便。堤埂不被水淹，可種植青飼料[4]。進(jìn)入21世紀(jì)后，尤其是“十二五”以來，以節(jié)能減排、綠色高效養(yǎng)殖為目的，開始了養(yǎng)殖池塘標(biāo)準(zhǔn)化改造專項工程，以池塘循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)施為代表的新型養(yǎng)殖設(shè)施和模式不斷涌現(xiàn)。

20世紀(jì)60年代，為提高養(yǎng)殖生產(chǎn)力，中國開始組織開展池塘養(yǎng)殖裝備的研究，以解決當(dāng)時人民迫切需要解決的“吃魚難”問題。在此之前，國內(nèi)基本沒有專用的池塘養(yǎng)殖裝備，池塘養(yǎng)殖使用的主要是農(nóng)用排灌設(shè)備，如水泵等。1972年，漁業(yè)機(jī)械儀器研究所研制成功了國內(nèi)第一臺齒輪傳動、電動機(jī)功率為7.5 kW的葉輪式增氧機(jī)，推進(jìn)了池塘養(yǎng)殖向高密度發(fā)展，成為池塘養(yǎng)殖裝備中里程碑的產(chǎn)品。70年代末，漁業(yè)機(jī)械儀器研究所研發(fā)成功的“水力挖塘機(jī)組”解決了當(dāng)時養(yǎng)殖池塘大規(guī)模開挖的難題，同期研制的投飼機(jī)極大地提高了生產(chǎn)力。80年代以后，出現(xiàn)了包括射流式增氧機(jī)在內(nèi)的許多不同形式的增氧設(shè)備、清淤設(shè)備和投飼設(shè)備。進(jìn)入21世紀(jì)，研發(fā)了可實現(xiàn)對增氧、投飼設(shè)備進(jìn)行控制的水質(zhì)在線實時監(jiān)控系統(tǒng)，用于水質(zhì)調(diào)控的耕水機(jī)、涌浪機(jī)等新型設(shè)備不斷涌現(xiàn)，提升了養(yǎng)殖生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的支撐能力。

2 中國池塘養(yǎng)殖設(shè)施裝備現(xiàn)狀

2.1 科技發(fā)展現(xiàn)狀

近5年來，中國科研工作者在國家資金的支持下，在設(shè)施模式基礎(chǔ)研究和構(gòu)建，養(yǎng)殖設(shè)備自動化、信息化方面取得了不少成績。

(一)在設(shè)施和模式基礎(chǔ)研究構(gòu)建方面，主要開展了池塘菌藻變化和系統(tǒng)調(diào)控研究，探索建立新模式、新工藝。

設(shè)施基礎(chǔ)研究和構(gòu)建方面 開展養(yǎng)殖常見曝氣強(qiáng)度對水華形成的影響研究，表明一般養(yǎng)殖曝氣強(qiáng)度主要改變水中微囊藻分布[5]；研究發(fā)現(xiàn)光照環(huán)境對菌藻共生生物膜水質(zhì)環(huán)境和群落結(jié)構(gòu)影響較大[6]，開展能凈化水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水的菌藻固定體的研發(fā)工作，其凈化廢水的效果比單獨使用菌類和藻類效果更好[7]；開展池塘養(yǎng)殖廢水自由沉降規(guī)律及水質(zhì)變化情況研究[8]；采用蓮藕塘、生態(tài)溝渠和人工濕地組合對能有效地對養(yǎng)殖尾水進(jìn)行處理[9]；開展彈性立體填料原位處理水質(zhì)情況研究[10]。

模式基礎(chǔ)研究和構(gòu)建方面 研究設(shè)計了分隔式等新型復(fù)合式的養(yǎng)殖模式，可減少氮磷沉積與排放，提升氮磷和飼料的利用率[11]；開展跑道式循環(huán)水系統(tǒng)養(yǎng)殖池系統(tǒng)跑道流場和關(guān)鍵工藝參數(shù)設(shè)計研究，為該系統(tǒng)的進(jìn)一步完善，提供參考[12]；研發(fā)了鹽堿池塘生態(tài)化種養(yǎng)系統(tǒng)，提高鹽堿水綜合利用[13]。在低洼鹽堿地設(shè)計建立多種養(yǎng)殖模式，為改良了鹽堿地，提供支持[14]。探索建立了養(yǎng)殖池與人工濕地合理搭配的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)，具有存活率高，節(jié)水減排的優(yōu)點[15]。從設(shè)施材料等多個方面，開展集聚式池塘內(nèi)循環(huán)流水養(yǎng)殖設(shè)施的對比研究，提出了改善建議[16]。開展植物密度對系統(tǒng)水質(zhì)與魚菜共生的影響，為優(yōu)化系統(tǒng)提供依據(jù)[17]。

(二)在養(yǎng)殖設(shè)備自動化、信息化方面，建立各類模型，研發(fā)信息化設(shè)備，促進(jìn)養(yǎng)殖向節(jié)水減排方向發(fā)展。

投飼裝備方面 開展了投喂控制系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了智能投喂和遠(yuǎn)程控制[18]；開展了可拆卸的，具有精準(zhǔn)投喂量的投飼機(jī)的研究[19]；研制的自動投飼系統(tǒng)投飼距離可超過600 m，水面投飼角度360°[20]；設(shè)計了蝦池自動投飼機(jī)，實現(xiàn)對蝦料質(zhì)量和蓄電池電壓的監(jiān)控[21]；研發(fā)了適用于大型池塘養(yǎng)殖的大型智能投飼系統(tǒng)的工藝設(shè)計，實現(xiàn)集中供料、多點位同步投飼等目的[22]。

增氧裝備方面 開展水深對微孔曝氣增氧性能的影響研究[23]，研發(fā)了可移動的太陽能智能養(yǎng)殖裝備，實現(xiàn)了實時水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測，遠(yuǎn)程控制增氧、投飼[24]；研發(fā)了太陽能智能增氧機(jī)器人，在實現(xiàn)增氧的同時，能智能行走避障[25]。開展底質(zhì)改良機(jī)對池塘水質(zhì)和底質(zhì)中營養(yǎng)鹽的影響分析研究，為底質(zhì)改良機(jī)的運用和推廣打下基礎(chǔ)[26]。

其他裝備方面 研發(fā)了可自動調(diào)節(jié)收割速度和深度的水草自動收割設(shè)備[27]；實現(xiàn)了離心式吸魚泵的參數(shù)化設(shè)計，并進(jìn)行驗證[28]；研發(fā)了臭氧水質(zhì)改良設(shè)備，具有良好的殺菌作用[29]；研發(fā)了魚類疫苗自動注射裝置，提高了作業(yè)效率[30]。開展了池塘養(yǎng)殖環(huán)境水質(zhì)因子與氣象因子的相關(guān)性分析，為設(shè)備智能決策打下基礎(chǔ)[31]；開展了多種水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā) ；設(shè)計了水質(zhì)傳感器自清洗裝置，在實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測的同時，可對傳感器進(jìn)行清洗，也方便維護(hù)和更換[32]。設(shè)計了生產(chǎn)自動管控系統(tǒng)，提升了養(yǎng)殖場管理水平和效率[33]；構(gòu)建養(yǎng)殖水質(zhì)預(yù)測模型，能對溶氧[34]、水溫和pH[35]進(jìn)行有效預(yù)測；研制了智能噴藥船，施藥均勻，降低勞動強(qiáng)度和風(fēng)險[36]；設(shè)計了池塘自動導(dǎo)航船，可搭載投飼和增氧設(shè)備，從而實現(xiàn)均勻投飼和增氧[37]。

2.2 池塘養(yǎng)殖設(shè)施裝備應(yīng)用現(xiàn)狀

2.2.1 裝備應(yīng)用情況

經(jīng)過50年的發(fā)展，池塘養(yǎng)殖的機(jī)械化水平有了一定的發(fā)展，目前池塘養(yǎng)殖裝備主要有：1)用于養(yǎng)殖池塘水體給排水的設(shè)備，如活塞式水泵、離心式水泵、潛水泵等；2)用于池塘開挖、構(gòu)筑和清除底泥的設(shè)備，如水力挖塘機(jī)組、水下清淤機(jī)等；3)用于增加養(yǎng)殖水域溶氧量的設(shè)備，如葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)、射流式增氧機(jī)、微孔管式增氧機(jī)、螺旋槳式增氧機(jī)等；4)用于調(diào)控和凈化水質(zhì)的設(shè)備，如耕水機(jī)、涌浪機(jī)、過濾設(shè)備、殺菌設(shè)備、生物轉(zhuǎn)盤、生物轉(zhuǎn)筒等；5)用于投放飼料的設(shè)備，如固定式投飼機(jī)、遠(yuǎn)程壓力輸送自動投飼系統(tǒng)等；6)用于水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備，如各類水質(zhì)探頭、在線監(jiān)控設(shè)備等；7)其他設(shè)備，如電趕魚裝置、池塘拖網(wǎng)機(jī)、割草機(jī)等。

根據(jù)本項目組2019年對100多家池塘養(yǎng)殖企業(yè)的調(diào)研，目前各企業(yè)除排灌設(shè)備外，使用的最多的是葉輪式增氧機(jī)、水車式增氧機(jī)和固定式投飼機(jī)。

2.2.2 池塘生態(tài)養(yǎng)殖新模式應(yīng)用

近年來，隨著國家對生態(tài)文明建設(shè)的重視，中國池塘養(yǎng)殖圍繞高效、生態(tài)、節(jié)水、安全的模式開展了進(jìn)一步的探索，以生態(tài)設(shè)施處理養(yǎng)殖水體為核心的循環(huán)水養(yǎng)殖模式成為池塘養(yǎng)殖常見的模式，使池塘養(yǎng)殖從“封閉凈水”變?yōu)椤把h(huán)流水”，促進(jìn)了現(xiàn)代漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展。目前常見的有代表性的、新型的有以下幾種：

(1)生態(tài)工程化循環(huán)水池塘養(yǎng)殖模式

生態(tài)工程化循環(huán)水池塘養(yǎng)殖模式是目前普遍使用的一種模式，一般有養(yǎng)殖單元、生態(tài)溝渠和凈化單元組成。養(yǎng)殖單元主要是養(yǎng)殖池塘，用于養(yǎng)殖水生動物。生態(tài)溝渠有水生植物，主要起到聯(lián)通和凈化作用。凈化單元一般有生態(tài)塘和潛流濕地(也有不采用潛流濕地的)組成，是水質(zhì)凈化的主體。生態(tài)溝渠內(nèi)放置水生植物，濾食性或雜食性魚類，潛流濕地填埋多層粒徑不同的碎石作為地基，種植根系發(fā)達(dá)的水生植物。 在實際運行過程中，養(yǎng)殖池塘的水通過溢流到達(dá)生態(tài)溝渠，再經(jīng)過生態(tài)溝渠和潛流濕地進(jìn)行凈化和沉淀，回流到養(yǎng)殖池塘。該系統(tǒng)實現(xiàn)了養(yǎng)殖水體的凈化和循環(huán)，取得了良好的節(jié)水減排的效果。

(2)池塘循環(huán)水槽養(yǎng)殖

池塘循環(huán)水槽養(yǎng)殖[38]，也稱跑道式池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)，一般是在池塘3%～5%水面上，建造多條長22 m×寬5 m×深2.5 m的“養(yǎng)殖跑道”，跑道內(nèi)采用微孔增氧，用于養(yǎng)殖各類水產(chǎn)品，在跑道一頭安裝有推水設(shè)備，推動水流運動，在跑道尾部有集污區(qū)，尾水經(jīng)過集污區(qū)后，固形物沉淀在集污區(qū)，經(jīng)收集裝置收集進(jìn)行再利用。而剩下的95%～97%水面改造成凈化區(qū)，設(shè)置導(dǎo)流堤，養(yǎng)殖濾食性魚類并種植水生植物，有的還配有增氧機(jī)和涌浪機(jī)。該模式可實現(xiàn)養(yǎng)殖尾水的循環(huán)利用、達(dá)標(biāo)排放甚至零排放。與傳統(tǒng)池塘養(yǎng)殖模式比較，該模式在工藝?yán)砟睢⒓夹g(shù)裝備和養(yǎng)殖方式等方面都有重大革新。

(3)分級序批式養(yǎng)殖模式

分級序批式養(yǎng)殖模式[39]是近年來新研究推廣的一種養(yǎng)殖模式，主要有養(yǎng)殖區(qū)和凈化區(qū)兩部分組成，養(yǎng)殖區(qū)約占養(yǎng)殖水面的20%，凈化區(qū)與池塘循環(huán)水槽養(yǎng)殖的凈化區(qū)類似。而養(yǎng)殖區(qū)有多排魚池構(gòu)成，每排有多個不同規(guī)格的魚池組成一個養(yǎng)殖單元，每個單元內(nèi)相連接的魚池有分級過魚閘門，可通過攔網(wǎng)篩分不同規(guī)格的魚類，從而實現(xiàn)序批式的養(yǎng)殖方式，該模式具有養(yǎng)殖風(fēng)險小，生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益高的特點。

(4)種青養(yǎng)魚模式

種青養(yǎng)魚模式在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)出現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化發(fā)展，是大宗淡水魚養(yǎng)殖“十三五”推廣和示范的模式之一。該養(yǎng)殖模式是根據(jù)草食性魚類的生長特性，在池塘四周開挖魚槽，使整個池塘形狀像回字，在池中和池埂上種植各種水草、旱草，作為草食性魚類的天然餌料，并輔以配合飼料。該養(yǎng)殖模式能減少飼料的投喂，極大地降低飼料成本，同時種植的各類青草，能有效吸收利用淤泥的營養(yǎng)，從而達(dá)到節(jié)能減排的效果。

3 國內(nèi)外池塘養(yǎng)殖設(shè)施裝備發(fā)展比較

國外非常重視池塘養(yǎng)殖的基礎(chǔ)和模式研究，美國奧本大學(xué)研究人員在長時間對池塘研究的基礎(chǔ)上，對池塘水質(zhì)和底泥在各類環(huán)境影響變化進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，為池塘生態(tài)研究提供了有益的借鑒[40]。開展了植草排水溝和在其中增設(shè)攔壩在對養(yǎng)殖池塘排放廢水的凈化效果研究[40]。開展了牡蠣和大型藻類對尾水處理能力的試驗[41]。研發(fā)的分隔式水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，通過管理藻類來增加凈氧氣量，從而提升水產(chǎn)品產(chǎn)量[42]。國外研發(fā)構(gòu)建了跑道式池塘養(yǎng)殖系統(tǒng)，經(jīng)由美國大豆協(xié)會的大力推廣，已成為中國目前分布廣泛的模式之一。

國外養(yǎng)殖裝備的研發(fā)和使用較早，在中國漁業(yè)機(jī)械化還處于探索和起步階段的20世紀(jì)70年代，國外已經(jīng)廣泛地使用各類養(yǎng)殖機(jī)械，如美國、丹麥?zhǔn)褂脷饬ν讹暀C(jī)、瑞典和丹麥等使用了窄軌運輸投飼車進(jìn)行投飼，日本用水車式增氧機(jī)給魚塘增氧，在魚池上使用軌道電動行車進(jìn)行搬運，國外還用起魚機(jī)、分魚機(jī)對魚類進(jìn)行分類轉(zhuǎn)移。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，目前國外水質(zhì)監(jiān)測、飼料投喂、免疫環(huán)節(jié)、水產(chǎn)品捕獲等普遍使用了自動化、信息化設(shè)備，如在以色列， 2個工人借助吸魚泵1 d可以收獲成品魚14～17 t，一套智能化管理控制10多個池塘的投飼、增氧、監(jiān)測等，千畝精養(yǎng)魚塘的養(yǎng)殖與管理僅需8人，大大地提高了勞動生產(chǎn)率[43-44]。澳大利亞還研發(fā)了基于偵聽攝食聲音反饋的投飼設(shè)備[45]，挪威研發(fā)的全自動疫苗接種機(jī)，僅由1名操作員操作，可自動對魚進(jìn)行麻醉、分割和定向，并在機(jī)器視覺的幫助下確保正確的疫苗接種，每小時可接種和分級高達(dá)40 000尾[46]。

雖然，近年來中國在設(shè)施和模式、機(jī)械化研究、構(gòu)建取得了不小的進(jìn)展，在促進(jìn)池塘營養(yǎng)物轉(zhuǎn)化等方面取得了明顯的效果，但總體與國外還存在著較大的差距。尤其是對池塘生態(tài)工程化的基礎(chǔ)研究不夠，對生態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)建、變化和影響的原理性研究不多，更多的是技術(shù)使用效果的研究。技術(shù)集成調(diào)控手段不多，使得一些設(shè)施和模式?jīng)]有達(dá)到最大效應(yīng)，甚至只是擺設(shè)。雖然中國已有了不少養(yǎng)殖裝備，但養(yǎng)殖裝備主要集中在增氧和投飼，尚未完全覆蓋養(yǎng)殖全過程，在捕撈分級、疫苗注射等方面還存在著迫切的需求，對關(guān)鍵影響因子與控制模型的關(guān)聯(lián)把握不夠，信息化水平不高，主要集中在水質(zhì)監(jiān)控方面。前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采用信息化技術(shù)的企業(yè)不足5%。

4 發(fā)展建議

在現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)體系的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步加大對設(shè)施裝備研究的支持力度，可設(shè)立重點專項，解決池塘設(shè)施裝備關(guān)鍵性的問題。以規(guī)?；B(yǎng)殖產(chǎn)品為對象，進(jìn)一步開展池塘生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、變化機(jī)理研究和長期跟蹤，集成多種技術(shù)，構(gòu)建完善工程化生態(tài)養(yǎng)殖模式。開展過程機(jī)械化裝備研究，研發(fā)分級捕撈、疫苗注射等產(chǎn)業(yè)需要裝備。開展全程物聯(lián)網(wǎng)體系研究，推進(jìn)養(yǎng)殖生產(chǎn)和管理的智能化。

要采取多種措施促進(jìn)先進(jìn)設(shè)施和裝備的成果轉(zhuǎn)化，可通過設(shè)立水資源費、污染費收取，增大漁機(jī)和設(shè)施改造補(bǔ)貼，鼓勵和逼迫淘汰落后的生產(chǎn)方式，提高使用新模式新設(shè)備的積極性。建立生產(chǎn)模式和生產(chǎn)系統(tǒng)運行的評價體系和機(jī)制，為發(fā)展選用合適的模式裝備提供依據(jù)。重視中試和示范基地對成果轉(zhuǎn)化的重要作用，通過系統(tǒng)和裝備的運行與展示，體現(xiàn)實際的運行效果，增強(qiáng)漁民對裝備的感性認(rèn)識，促進(jìn)成果的轉(zhuǎn)化和推廣。

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