黃毅成，繆 磊，於海明，陳彩蓉，張大成

(1.泰州市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇 泰州225300； 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京210031)

0 引言

江蘇省中華絨螯蟹(俗稱河蟹、大閘蟹)養(yǎng)殖總面積約26.67萬hm2，是江蘇省淡水漁業(yè)中最具特色與影響力的主導(dǎo)支柱產(chǎn)業(yè)，是全國養(yǎng)殖面積最大、最具影響力的優(yōu)質(zhì)河蟹主產(chǎn)區(qū)，年產(chǎn)商品蟹約35萬t，年產(chǎn)值逾300億元，約占全國總數(shù)的50%[1-2]。近年來，江蘇省“機(jī)器換人”工程重點(diǎn)解決設(shè)施農(nóng)業(yè)“無機(jī)可用、無好機(jī)用”的矛盾，特別是在河蟹養(yǎng)殖中實(shí)現(xiàn)了降低人工成本、研發(fā)適用機(jī)具、優(yōu)化設(shè)備性能、制訂作業(yè)規(guī)范和應(yīng)用智能化等，提高了河蟹養(yǎng)殖的機(jī)械化、規(guī)范化、精細(xì)化水平，經(jīng)濟(jì)效益得到顯著提升[3]。

1 機(jī)具對比選型

泰州市地處江蘇中部，特色在“農(nóng)”、優(yōu)勢在“水”，河蟹養(yǎng)殖面積5.33萬hm2，產(chǎn)值、產(chǎn)量分別占江蘇省的1/8、1/10，是江蘇地區(qū)河蟹養(yǎng)殖主產(chǎn)區(qū)，具有一定的區(qū)域代表性。

1.1技術(shù)路線設(shè)計與機(jī)具選型

根據(jù)泰州市地理位置，結(jié)合江蘇省河蟹養(yǎng)殖特點(diǎn)，總結(jié)出3.33 hm2以上大塘口河蟹機(jī)械化養(yǎng)殖技術(shù)路線及機(jī)具配型：清淤消毒(水陸兩用挖掘機(jī)、潛水泵、智能投餌船)→水草種植(機(jī)動船)→進(jìn)/排水(潛水泵)→投飼(智能投餌船)→增氧(曝氣增氧)→水質(zhì)檢測與調(diào)控(自識別傳感器、傳輸模塊、數(shù)據(jù)中心、客戶端)→尾水處理(推水設(shè)備)→水草收割(水草收割機(jī))→實(shí)時監(jiān)控(水下監(jiān)控設(shè)備)→起捕(地籠)→運(yùn)輸(活魚運(yùn)輸車)。其中，投飼、增氧、水質(zhì)監(jiān)測與調(diào)控、水草收割、水下監(jiān)控、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等環(huán)節(jié)是河蟹機(jī)械化養(yǎng)殖的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

1.2投飼設(shè)備

圖1 智能投餌船F(xiàn)ig.1 Intelligent bait casting ship

智能投餌船應(yīng)在水深≥25 cm處開始作業(yè)，水草、螃蟹分布均勻時可采用自主導(dǎo)航投食，根據(jù)塘口形狀設(shè)置好行走路線，盡量使用水草種植時預(yù)留的投餌通道，航線之間寬度應(yīng)與投飼寬度大致相同，不漏投不重復(fù)投，降低沉底污染，提高利用率，減少水質(zhì)污染。手動導(dǎo)航時，應(yīng)避免水草密度較大的區(qū)域，根據(jù)食臺監(jiān)控情況選擇投喂量，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投喂。

1.3增氧設(shè)備

河蟹養(yǎng)殖對水體溶氧具有較高要求，溶氧量>5 mg/L時，好氧細(xì)菌作用明顯，有利于水草生長和增強(qiáng)河蟹食欲，促進(jìn)提升河蟹產(chǎn)量和規(guī)格。溶氧量長期<3 mg/L時，河蟹基本停止攝食，抗病能力下降，易生病和死亡，嚴(yán)重時會造成缺氧窒息死亡。增氧設(shè)備種類繁多，主要有葉輪式、水車式、射流式、噴水式、涌浪式、曝氣式和耕水式等[5]。葉輪式增氧機(jī)是利用電動機(jī)輸出動力到齒輪箱，帶動葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，攪動水體，形成水體的上下循環(huán)，使含氧量較高的表層水進(jìn)入底層，一般配備1.5臺/hm2的3 kW葉輪式增氧機(jī)，該機(jī)型對水體的縱向增氧效果明顯，但隨著橫向距離的增長，增氧效果逐漸降低。水車式增氧機(jī)(圖2)靠攪動表層水體與空氣的接觸面積，同時造成水域的定向流動，促進(jìn)水體水平方向溶氧均勻，水面較大時，可用單葉輪體串聯(lián)成疊裝式葉輪，具有靈活調(diào)控的優(yōu)點(diǎn)，但該機(jī)具提水能力較弱，其增氧的水體基本為表層水，不太適用于>1.5 m的深水養(yǎng)殖環(huán)境，一般配備1.5～3.0臺/hm2的1.5 kW水車式增氧機(jī)。射流式和涌浪式增氧機(jī)一般適合>2 m的較深水位塘口使用，特別是高密度養(yǎng)殖環(huán)境下，與水車式增氧機(jī)配合使用，增氧效果更加明顯。曝氣增氧機(jī)主要由電機(jī)總成、風(fēng)機(jī)總成、管道總成、機(jī)架、軟管及曝氣盤等組成，在池塘底部鋪設(shè)管道，管道上連接曝氣盤，風(fēng)機(jī)將高壓空氣經(jīng)管道輸送至曝氣盤，在曝氣盤表面產(chǎn)生大量直徑20 μm左右的氣泡，形成霧化氣流從水體底部向四周擴(kuò)散，提高水體溶氧量并帶動水體循環(huán)，有效改善水質(zhì)，解決了傳統(tǒng)增氧機(jī)底層溶解氧偏低的問題，具有增氧效果好、增氧均勻、噪聲低的特點(diǎn)，一般配備PVC通氣管+微孔增氧管≥200 m、80個曝氣盤總成，根據(jù)養(yǎng)殖密度放置90～120個/hm2曝氣盤。

圖2 水車式增氧機(jī)Fig.2 Water wheel aerator

曝氣增氧機(jī)一般有盤式、條式及點(diǎn)式等多種布點(diǎn)方式，較小塘口使用盤式布點(diǎn)，較大塘口使用條式布點(diǎn)，一般塘口可使用“盤式+條式”布點(diǎn)，使全塘均勻增氧，提高曝氣設(shè)備效率，降低用電成本[6]。使用過程中要注意曝氣盤表面清潔度，及時清除盤面淤泥、水草等雜物，防止堵塞，影響增氧效果。羅茨鼓風(fēng)機(jī)定期添加齒輪油和黃油維護(hù)，雨季應(yīng)防止生銹，夏季避免暴曬，發(fā)現(xiàn)接口松動要及時修復(fù)，在生產(chǎn)周期結(jié)束時，拆后置倉庫存放。

1.4水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備

河蟹適合清凈、透明度較大的水體環(huán)境，總體要求水溫20～28 ℃、微堿性(pH值7.0～8.5)、氨氮濃度低(總氨氮濃度0.2～0.5 mg/L)。水質(zhì)監(jiān)測裝備有便攜式和固定式兩種，主要監(jiān)測溶氧量、溫度、pH值、ORP、濁度、氨氮濃度等一種或多種指標(biāo)[7]。便攜式監(jiān)測裝備使用方便，能隨時對塘口不同位置的水質(zhì)進(jìn)行檢測，使用壽命長，但功能單一，一般只能檢測1～2項(xiàng)指標(biāo)，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控。固定式監(jiān)測設(shè)備由水中傳感器、數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示系統(tǒng)、控制中心和客戶端口組成，可根據(jù)養(yǎng)殖的品種、密度、個性需求等設(shè)定多種組合的監(jiān)測指標(biāo)，并利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)調(diào)節(jié)各種環(huán)境參數(shù)，對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，預(yù)測和預(yù)防疾病的發(fā)生，所有數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)24 h監(jiān)控，支持回看，在數(shù)據(jù)中心和用戶端(手機(jī)app、電腦、顯示屏等)自動報警，可減少人工成本和提高檢測精準(zhǔn)性。

固定式監(jiān)測設(shè)備一般放置在上風(fēng)口的環(huán)溝內(nèi)，盡量靠近電源、排水口和水位較深的位置。實(shí)時通過客戶端或現(xiàn)場檢查是否處于工作狀態(tài)，每隔1周通過其他設(shè)備檢測的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如偏差超過誤差范圍，則需要立即檢查產(chǎn)生偏差的原因，必要時重新設(shè)定或更換配件。傳感器屬于精密零件，敏感性隨著使用時間的推移和污垢的增加，敏感性會逐漸降低，需定期檢查和清理，保證測試準(zhǔn)確。水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)典型架構(gòu)如圖3所示。

圖3 水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)典型架構(gòu)Fig.3 Typical framework of aquaculture water quality monitoring and control system

1.5水質(zhì)調(diào)控

河蟹養(yǎng)殖水體中的殘留餌料、生物排泄物(糞便)、含氮和含碳有機(jī)物的不完全分解會造成水體的溶氧量降低，不完全分解(厭氧分解)產(chǎn)生氨氮、硫化氫和亞硝酸等有害物質(zhì)，酸化水體，影響河蟹生長。水質(zhì)調(diào)控是通過一些技術(shù)手段有效分解水體中的有機(jī)物，使水體環(huán)境滿足河蟹良好生存條件要求，如通過水泵注入新水、推水設(shè)備加速水體流動、尾水處理設(shè)備凈化水體、增氧設(shè)備改善溶氧條件等方式，稀釋有害物質(zhì)，進(jìn)行物理調(diào)控，也可通過智能投餌船投放藥液、生物制劑等，降解有機(jī)雜質(zhì)，凈化水質(zhì)，進(jìn)行生物調(diào)控。根據(jù)養(yǎng)殖情況，進(jìn)行物理、化學(xué)、生物等多種形式的預(yù)防和調(diào)控相結(jié)合的方式，達(dá)到成本低、效率高、品質(zhì)好的最佳結(jié)合點(diǎn)。

1.6水草收割

河蟹養(yǎng)殖是一個“前期養(yǎng)草、后期養(yǎng)蟹”的過程，水草密度、生長期的控制對水質(zhì)、河蟹品質(zhì)和產(chǎn)量具有關(guān)鍵性作用，當(dāng)水草生長過快、過密時要進(jìn)行梳理和切割，防止造成水流循環(huán)不暢和地?zé)嵝?yīng)。目前，水草收割機(jī)有簡易式水草收割機(jī)、多功能水草收割機(jī)和水上清潔船等[8-10]。簡易式水草收割機(jī)是將割草機(jī)安裝在船體上，利用48 V直流電瓶作為水草收割動力，安裝方便、快捷、要求低，作業(yè)寬度1.5～2.0 m，作業(yè)深度0.8～1.0 m，非專業(yè)人員也可直接安裝使用，但切割后水草漂浮在水面上，需要人工進(jìn)行二次清除。水上清潔船主要用于小型水庫、河道中的水草、漂浮物的收集清理，不適用于河蟹養(yǎng)殖使用。多功能水草收割機(jī)(圖4)由電機(jī)、往復(fù)式割刀、輸送帶和專用泡沫船體構(gòu)成，水草切割后被運(yùn)輸?shù)脚菽w，整機(jī)以48 V直流電瓶作為水草收割動力，船體吃水深度≤0.3 m，收集寬度1.2～2.0 m，最大割深1 m，裝載量6 t，動力0.5 kW，作業(yè)效率1 500 m2/h，結(jié)構(gòu)簡單、整機(jī)質(zhì)量輕、工作效率高，一次性完成水草收割和收集。處理后的水草分布均勻，呈“條”狀和“井”狀，寬度3～5 m，間隔3～5 m，保持沉水狀態(tài)，不出水面，并預(yù)留自動投餌船進(jìn)行作業(yè)的路徑。

圖4 水草收割機(jī)Fig.4 Waterweed harvester

多功能水草收割機(jī)使用前應(yīng)檢查電瓶安全性、割臺割刀是否有雜物，入水后在淺水區(qū)檢查割刀轉(zhuǎn)速、輸送帶、深度調(diào)節(jié)裝置等是否正常，試割一段時間后觀察切割長度、斷莖率等是否符合設(shè)定值，一切正常后進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)過程中應(yīng)避開增氧管道、磚塊、暗樁等，打撈的水草在船上均衡擺放，防止側(cè)翻。使用水草收割機(jī)進(jìn)行梳草或切割時，總體把握切割后的草頂離水面5～10 cm。

溫度升高，北極的降雨會比降雪更頻繁，雨到達(dá)極地表面后會形成較硬的冰層覆蓋在地表，這大大增加了馴鹿尋找食物的難度，會讓它們餓肚子。

1.7水下監(jiān)控

通過水下攝像機(jī)監(jiān)控食臺，觀察飼料消耗和河蟹規(guī)格，推斷河蟹的數(shù)量、質(zhì)量和生長情況。用戶根據(jù)監(jiān)控情況隨時調(diào)整投飼量、養(yǎng)殖密度、水質(zhì)調(diào)控等養(yǎng)殖方案。要隨時通過客戶端或在現(xiàn)場檢查監(jiān)測設(shè)備是否處于工作狀態(tài)、鏡頭是否干凈和電路情況。

2 智能化應(yīng)用

智能化、自動化養(yǎng)殖系統(tǒng)是近年來興起的、較為先進(jìn)的養(yǎng)殖方式，通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將養(yǎng)殖方案、數(shù)據(jù)服務(wù)、實(shí)時監(jiān)測和設(shè)備控制等有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)河蟹養(yǎng)殖“增機(jī)減人、智能控制、產(chǎn)品可溯”。

2.1物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成

軟件方面應(yīng)具備操作系統(tǒng)、處理軟件、客戶端軟件，可進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提出養(yǎng)殖方案。硬件方面，具備有自識別功能的監(jiān)測傳感器、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)傳輸模塊、控制設(shè)備和自動控制開關(guān)等。軟件和硬件需相互融合，支持7×24 h工作、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)查看對比、實(shí)時和回看視頻信息等，實(shí)現(xiàn)從種苗到成品的全過程可追溯。

2.2數(shù)據(jù)自動監(jiān)測及傳輸

監(jiān)測傳感器將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送至數(shù)據(jù)中心和用戶端，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)自動化采集和傳輸，供用戶實(shí)時查看和回看。數(shù)據(jù)中心根據(jù)采集的資料建立數(shù)據(jù)模型，并進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，按照養(yǎng)殖的品種、環(huán)境、技術(shù)要求等設(shè)定溶氧量、溫度、pH值、ORP、濁度、氨氮值等指標(biāo)的闕值，營造適合河蟹生長的最佳環(huán)境，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制。當(dāng)采集的數(shù)值超過數(shù)據(jù)中心設(shè)定值范圍時，數(shù)據(jù)中心和用戶端同時報警，自動或提示用戶進(jìn)行調(diào)控。

2.3設(shè)備自動控制與作業(yè)

當(dāng)前較成熟的自動控制主要在投飼和水質(zhì)調(diào)控兩個環(huán)節(jié)。投飼方面，通過設(shè)定智能投餌船的行駛路線、投飼量、作業(yè)時間等參數(shù)，在規(guī)定時間內(nèi)進(jìn)行自主投飼或遙控作業(yè)。水質(zhì)調(diào)控方面，在水泵、增氧、推水等設(shè)備上加裝自控控制開關(guān)，當(dāng)監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的闕值時，數(shù)據(jù)中心和用戶端報警，并通過無線傳輸模塊和自動控制開關(guān)啟動相關(guān)設(shè)備進(jìn)行增氧、進(jìn)/排水，達(dá)到設(shè)定值后自動關(guān)閉，用戶也可以通過電腦、手機(jī)app等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

河蟹機(jī)械化養(yǎng)殖和傳統(tǒng)養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益對比主要體現(xiàn)在人工成本、產(chǎn)品效益、投入品使用、電費(fèi)成本4個方面的變化。在同等養(yǎng)殖塘口、同等技術(shù)條件、同等環(huán)境因素的條件下，參照2020年“中國·興化河蟹價格指數(shù)”，對經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對比。

3.1人工成本

投飼、水質(zhì)監(jiān)測、水質(zhì)調(diào)控、水草收割4個環(huán)節(jié)的人工成本對比如表1所示，按照泰州地區(qū)水產(chǎn)養(yǎng)殖人工130元/d計算，每年可節(jié)省人工7 483.125元/hm2。

3.2產(chǎn)品效益

選取產(chǎn)量最大的中規(guī)格河蟹(公175 g、母125 g)為參照物，價格以2020年9月、10月、11月上市旺季時88.1、80.2和109.3元/kg，再按照塘口分別以40%、40%和20%的出貨量加權(quán)平均，參考規(guī)格因素，計算出河蟹平均價格90元/kg。機(jī)械化養(yǎng)殖平均增產(chǎn)107.85 kg/hm2、9 705元/hm2。

3.3投入品計算

采用智能投餌船實(shí)現(xiàn)了餌料均勻投放、水下監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飼料投放量控制、水草收割機(jī)實(shí)現(xiàn)了池水品質(zhì)的提升、水質(zhì)監(jiān)控和尾水處理設(shè)備控制了動保產(chǎn)品的使用量。經(jīng)統(tǒng)計，對比塘口使用飼料和動保產(chǎn)品約3萬元/hm2(飼料22 200元/hm2+動保產(chǎn)品7 800元/hm2)，機(jī)械化養(yǎng)殖塘口減少投入1 490.4元/hm2，河蟹規(guī)格提高約10%。

3.4電費(fèi)成本計算

對比傳統(tǒng)養(yǎng)殖方式，示范點(diǎn)應(yīng)用的機(jī)具主要以電力作為動力源，智能投餌船、水草收割機(jī)以鋰電池驅(qū)動，曝氣增氧設(shè)備使用三相電機(jī)，水質(zhì)監(jiān)控是弱電控制設(shè)備，所以水產(chǎn)生產(chǎn)中增加用電成本的支出。以3.33 hm2為單位面積、農(nóng)業(yè)用電0.53元/(kW·h)計算，使用功率為0.24 kW(行走功率0.12 kW，投飼功率0.12 kW)智能投餌船、放置90～120個/hm2曝氣盤、0.5 kW水草收割機(jī)、每3.33 hm2配備一套設(shè)備額定功率0.01 kW的水質(zhì)監(jiān)控設(shè)備計算，每年多支出電費(fèi)483元/hm2。

表1 各環(huán)節(jié)節(jié)工情況分析

綜合以上計算，河蟹機(jī)械化養(yǎng)殖相對傳統(tǒng)養(yǎng)殖增收18 197.4元/hm2。

4 發(fā)展條件

人工成本是制約河蟹養(yǎng)殖經(jīng)濟(jì)效益提升的主要瓶頸，水質(zhì)監(jiān)測與調(diào)控是影響河蟹產(chǎn)量和品質(zhì)的重要因素，通過在江蘇省泰州地區(qū)進(jìn)行河蟹養(yǎng)殖機(jī)械化試驗(yàn)示范，認(rèn)為推進(jìn)河蟹養(yǎng)殖機(jī)械化需具備以下3個條件。

4.1形成蝦蟹養(yǎng)殖機(jī)械化配置方案及作業(yè)規(guī)范

通過傳統(tǒng)蝦蟹養(yǎng)殖模式與自動化、機(jī)械化養(yǎng)殖的結(jié)合，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，總結(jié)出關(guān)鍵環(huán)節(jié)的機(jī)具選型和配置，形成機(jī)械清淤、自動投飼、自動增氧、水質(zhì)監(jiān)測與調(diào)控、水下監(jiān)控、水草收割和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的機(jī)械作業(yè)技術(shù)要求和作業(yè)規(guī)范。

4.2實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)自動化采集和分析

在水質(zhì)監(jiān)測和調(diào)控上實(shí)行數(shù)據(jù)化管理，將數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用到河蟹養(yǎng)殖中，通過不斷的對比試驗(yàn)，提出不同地區(qū)河蟹生長的最佳環(huán)境參數(shù)。同時，通過數(shù)據(jù)中心和用戶端，實(shí)現(xiàn)對塘口的自動監(jiān)控、實(shí)時預(yù)警、遠(yuǎn)程操控，提高生產(chǎn)效率，降低養(yǎng)殖風(fēng)險。

4.3實(shí)現(xiàn)河蟹養(yǎng)殖管理精準(zhǔn)化

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)投飼時間、作業(yè)路徑和餌料用量的數(shù)據(jù)模型；通過常態(tài)化不間斷實(shí)時水溫監(jiān)測，隨時自動啟動溫控系統(tǒng)；通過水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，提出調(diào)水措施，應(yīng)用多功能智能船進(jìn)行生物調(diào)節(jié)；通過數(shù)據(jù)中心和用戶端實(shí)現(xiàn)人機(jī)可交互界面，實(shí)時操控；通過物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從種苗到成品的全過程可追溯。

5 結(jié)束語

河蟹養(yǎng)殖機(jī)械化的優(yōu)勢十分突出，可通過減少人工、增加產(chǎn)量、提高品質(zhì)進(jìn)一步提升養(yǎng)殖效益，同時，精量精準(zhǔn)投喂、水草機(jī)械收割減小農(nóng)業(yè)廢棄物對水體的污染，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保，智能化設(shè)備的應(yīng)用為規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖提供了技術(shù)支撐。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械品種不斷增加和技術(shù)改良，河蟹養(yǎng)殖機(jī)械的選擇面也會越來越廣，技術(shù)規(guī)范也會更加成熟。下一步，開發(fā)應(yīng)用河蟹捆扎、分級、分揀和捕撈等環(huán)節(jié)的機(jī)具，將智能化操作實(shí)現(xiàn)到各個環(huán)節(jié)，提高軟硬件的融合度，實(shí)現(xiàn)河蟹養(yǎng)殖的“全程機(jī)械化”。