錢華政,蔣禮平,梁勤朗,牛江波,宋向果,謝 偉,唐 華,高曉清

(1 通威惠金新能源有限公司，拉薩 850012；2 通威股份有限公司，成都 610041；3 成都通威水產(chǎn)科技有限公司，成都 610041；4 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000)

目前，水上發(fā)電的模式主要有兩種，即水上漂浮式發(fā)電以及“漁光一體”模式發(fā)電[1]。日本水面光伏電站已經(jīng)廣泛應(yīng)用，是目前世界上水上漂浮式光伏電站實(shí)際應(yīng)用最多的國(guó)家，現(xiàn)已建成多個(gè)超過10 MW的漂浮光伏項(xiàng)目[2]。“漁光一體”模式發(fā)電以國(guó)內(nèi)居多，在四川、山東、江蘇、安徽等地已建成多個(gè)示范基地。盡管“漁光一體”有較多的項(xiàng)目在實(shí)施，但這些項(xiàng)目研究多側(cè)重于如何優(yōu)化模式而提高光伏收益[3-4]，而就另一主體漁業(yè)養(yǎng)殖還未得到足夠的重視，目前光伏組件對(duì)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)以及魚類生長(zhǎng)性能影響的研究更是有限[5]。

池塘建設(shè)光伏電站后，將對(duì)池塘光照造成直接的影響，而光照是影響池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的重要因素。光照是浮游植物進(jìn)行光合作用的根本能量來源，光照的強(qiáng)弱決定著單細(xì)胞藻類光合效率[6]。在“漁光一體”光伏電站運(yùn)行過程中，長(zhǎng)期遮光直接影響水溫和浮游植物的光合效率，進(jìn)而影響水體溶氧質(zhì)量濃度，會(huì)導(dǎo)致水環(huán)境中污染物的生物自凈能力減弱，原有的水體理化性質(zhì)將會(huì)改變。此外，光照是浮游植物生長(zhǎng)繁殖的主要能量來源[7]，遮光會(huì)導(dǎo)致浮游植物等初級(jí)生產(chǎn)者的生產(chǎn)力下降，使得以浮游植物為食的浮游動(dòng)物的生物量相應(yīng)出現(xiàn)減少，最終導(dǎo)致原有的水生生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能改變。光伏電站的遮光效應(yīng)亦會(huì)對(duì)養(yǎng)殖魚類造成影響。遮光會(huì)使浮游生物生物量減少，導(dǎo)致魚類餌料生物減少，影響魚類的正常生長(zhǎng)發(fā)育[8]。同時(shí)遮光還影響魚類的生理活動(dòng)。許多研究表明，光照強(qiáng)度可影響仔魚對(duì)光的趨避性[9-11]、攝食強(qiáng)度[12-13]、呼吸頻率[14]和內(nèi)分泌[15]等，長(zhǎng)此以往會(huì)影響魚類生活史過程并導(dǎo)致其種群發(fā)生改變。

“漁光一體”模式從2016年出現(xiàn)，到目前還未見“漁光一體”光伏組件遮光比例對(duì)池塘水質(zhì)及草魚生長(zhǎng)性能影響的報(bào)道。研究光伏組件對(duì)池塘養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)及魚類生長(zhǎng)性能的影響，對(duì)“漁光一體”項(xiàng)目的優(yōu)化和漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展很有必要。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料與養(yǎng)殖環(huán)境

模擬試驗(yàn)池塘位于南京通威水產(chǎn)科技公司，共有池塘9口，每口池塘面積約為0.13 hm2，平均水深1.7 m(圖1)。每個(gè)試驗(yàn)池塘安裝1.5 kW水車增氧機(jī)2臺(tái)，9口池塘共配備4.5 kW微孔增氧機(jī)1臺(tái)，每個(gè)池塘4個(gè)納米微孔曝氣盤。本試驗(yàn)?zāi)M池塘光伏組件安裝面積，每個(gè)處理和重復(fù)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況選擇池塘，設(shè)定了3個(gè)處理組，每組設(shè)3個(gè)重復(fù)，分別試驗(yàn)命名為0%組(A、B、C)、50%組(D、E、F)、75%組(G、H、I)。模擬光伏電站由鍍鋅鋼管和遮陽網(wǎng)按照光伏板規(guī)格模擬制成，傾角25°，朝正南排布，間距2 m。模擬光伏電站設(shè)施建成后進(jìn)行加水、漂白粉消毒工作。草魚放養(yǎng)量約12 300尾/hm2，魚種規(guī)格為370 g/尾。

圖1 試驗(yàn)池塘示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental ponds

1.2 樣品采集與分析

各池塘內(nèi)部共布設(shè)6個(gè)水樣采樣點(diǎn)(例圖1 A#)，測(cè)定水質(zhì)及浮游生物指標(biāo)。4月池塘清塘蓄水準(zhǔn)備完畢，開始測(cè)量水溫、溶氧和pH指標(biāo)，其余指標(biāo)為5月魚種放養(yǎng)后進(jìn)行測(cè)量記錄。試驗(yàn)期間每日上午10:00在各池塘選取同一個(gè)采樣點(diǎn)位置，測(cè)定池塘水溫、溶氧、pH；每月于池塘水下1 m深度各采集水樣兩次，各池水樣混合后進(jìn)行以下指標(biāo)檢測(cè)：利用分光光度法分析水樣中氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、氮磷比、鈣硬度、總硬度、總堿度等無機(jī)物指標(biāo)變化。其中，亞硝酸鹽氮，硝酸鹽氮和氨氮分別用亞硝酸鹽顯色劑比色法(GB 7493—1987)，紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)和比色法(GB/T7479—1987)測(cè)定[16]；利用浮游植物分析儀(FlowCAM)分析水樣中的藻種和藻相[17]；利用分光光度法檢測(cè)水樣葉綠素和類胡蘿卜素含量[18]，利用浮游生物計(jì)數(shù)框?qū)悠愤M(jìn)行計(jì)數(shù)鑒定[19-20]。

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)各池塘草魚隨機(jī)采樣1次，采用現(xiàn)有的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定蛋白質(zhì)、脂肪、灰分和脂肪酸的含量[21-22]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用香農(nóng)-威納指數(shù)計(jì)算浮游生物多樣性[23]，公式為：

H=-∑(Pi)(log2Pi)

式中:H為指數(shù)；Pi為此物種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)比例。

采用SPSS 20.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)顯著水平設(shè)定為P<0.05。

2 結(jié)果

2.1 不同光伏組件遮光度對(duì)草魚池塘水質(zhì)指標(biāo)的影響

不同遮光條件下，溫度、pH、溶氧隨時(shí)間變化如圖2所示。

圖2 不同光伏組件遮光比例對(duì)池塘水溫(A)、pH(B)和溶氧(C)的影響Fig.2 Effects of different photovoltaic module shading rates on water temperature(A),pH(B)and dissolved oxygen(C)in ponds

從溫度變化來看，隨著時(shí)間推移，不同遮光組的水溫變化趨勢(shì)是一致的；在各個(gè)月份中，50%組和75%組水溫均略微低于0%組，但不具有顯著性差異(圖2A)。在7月之前，50%組、75%組與0%組之間的pH差異并不大，但8～10月，各組之間顯示出較大差異。但在整個(gè)養(yǎng)殖周期內(nèi)，各試驗(yàn)組pH均在魚類生長(zhǎng)最適pH范圍(7.0～8.5)內(nèi)(圖2B)。從溶氧數(shù)據(jù)來看，魚塘在各個(gè)月份的溶氧的平均值在5 mg/L以上，且不同遮光組組間的溶氧水平差異不顯著(圖2C)

從圖3A可見，隨著養(yǎng)殖的進(jìn)行，無機(jī)氮含量逐漸升高。從氨氮變化來看，9月為全年氨氮最高的一個(gè)月，遮光組與未遮光組相比，無論絕對(duì)含量還是相對(duì)比例，均為50%組含量最低，75%次之，未遮光0%組最高。全年平均氨氮也體現(xiàn)為50%組明顯低于其他兩組，而0%組和75%組接近。從硝酸鹽氮的變化來看，無論9月還是10月，50%組硝酸鹽氮絕對(duì)含量和相對(duì)含量均為最高。

圖3 不同光伏組件遮光比例對(duì)池塘無機(jī)氮(A)、活性磷(B)和氮磷比(C)的影響Fig.3 Effects of different photovoltaic module shading rates on inorganic nitrogen(A),active phosphorus(B)and nitrogen to phosphorus ratio(C)in ponds

圖3B可見，活性磷的含量隨時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)升高的趨勢(shì)，在7月之前，遮光50%組活性磷含量最高，7月之后則最低；從整個(gè)養(yǎng)殖周期來看，未遮光池塘活性磷含量最高，活性磷含量全年平均以50%組最低，為0.82 mg/L。

從氮磷比看，各組到后期，由于無機(jī)氮含量增幅大，3個(gè)試驗(yàn)組的氮磷都比較高，其中50%組氮磷比為最高(圖3C)。

鈣硬度、總硬度、總堿度主要體現(xiàn)了池塘中的緩沖力和生產(chǎn)力，從圖4可見，9、10月份較其他月份鈣硬度、總硬度、總堿度略高，50%組池塘全年平均鈣硬度、總堿度、總硬度均略高于其他池塘，但差異并不顯著。

圖4 不同光伏組件遮光比例對(duì)池塘鈣硬度(A)、總硬度(B)和總堿度(C)的影響Fig.4 The effects of different photovoltaic module shading rates on calcium hardness(A),total hardness(B)and total alkalinity(C)in ponds

2.2 不同光伏組件遮光度對(duì)草魚池塘浮游生物的影響

如圖5A可見，與0%組相比，遮光50%浮游植物種類數(shù)最多，遮光75%最少。從香農(nóng)-威納指數(shù)來看，遮光75%多樣性指數(shù)最高，未遮光組最低。

圖5 不同光伏組件遮光度對(duì)池塘浮游植物的影響Fig.5 Effects of different photovoltaic module shading rates on phytoplankton in ponds

如圖5B所示，0%、50%、75%組的光合色素含量變化趨勢(shì)一致，在整個(gè)養(yǎng)殖周期內(nèi)，光合色素含量大小順序?yàn)?%組>50%組>75%組。

從圖5C、5D、5E可以看出，藍(lán)藻的大量增殖出現(xiàn)在7～8月，而0%池塘的藍(lán)藻在6月已成為優(yōu)勢(shì)種類，而50%、75%遮光池塘則能在6月份約束藍(lán)藻的大量增殖，且50%組在9月份的藍(lán)藻占比低于0%和75%組。綠藻和硅藻的數(shù)目占比在7～8月較低，且3組池塘間差異不明顯；6月份0%組的硅藻、綠藻數(shù)目占比低于50%和75%組。

如圖6A可見，浮游動(dòng)物種類未遮光和遮光50%組接近，但遮光75%組明顯有所減少。圖6B反映了不同遮光環(huán)境下浮游動(dòng)物生物量的變化情況，由圖6可見，50%組浮游動(dòng)物生物量全年平均最低，0%和75%組接近；相較于其他遮光池塘，50%組生物量表現(xiàn)為春季低而秋季高。

圖6 不同光伏組件遮光比例對(duì)池塘浮游動(dòng)物的影響Fig.6 Effects of different photovoltaic module shading rates on zooplankton in ponds

2.3 不同光伏組件遮光度對(duì)草魚肌肉組分和生長(zhǎng)性能的影響

從表1可以看出，0%組的粗蛋白、水分含量最高，50%組的粗蛋白、水分含量最低；50%組的粗脂肪含量明顯高于其他兩組，幾乎是其他兩試驗(yàn)組的2倍。表2可知，75%組的飽和脂肪酸(SFA)含量最高，而50%組的不飽和脂肪酸(USFA)含量最高。

表1 各試驗(yàn)組草魚肌肉成分組成分析Tab.1 Analysis of muscle composition of grass carp in each experimental group

表2 各試驗(yàn)組草魚肌肉脂肪酸組成成分分析Tab.2 Analysis of fatty acid composition of grass carp muscle in each experimental group

從表3中比較分析，0%、50%、75%無顯著差異。但從數(shù)值看，0%組與75%組飼料系數(shù)相差0.14，畝產(chǎn)量相差250 kg。從生產(chǎn)上講，75%組平均日增重顯著下降，差異比較大。在各處理組中，存活率未表現(xiàn)出顯著差異。

表3 不同光伏組件遮光比例對(duì)草魚飼料系數(shù)、畝產(chǎn)量、日增重率和存活率的影響Tab.3 Effects of different photovoltaic module shading rates on feed conversion rate,yield per mu,daily weight gain and survival of grass carp in ponds

3 討論

3.1 池塘光伏組件安裝遮光比例對(duì)草魚池塘水質(zhì)的影響

與0%組相比，隨著遮光面積的增加，水溫、pH逐漸降低，尤其是在夏季高溫季節(jié)差異更為明顯。有研究顯示草魚最適生長(zhǎng)水溫為25℃～30℃，當(dāng)水溫達(dá)到33℃時(shí)草魚開始死亡，并隨著溫度升高死亡率也升高。試驗(yàn)中智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示，75%組最高水溫均未超過33℃，而0%組在7月份最高水溫高于33℃，這表明光伏電站遮光可降低草魚熱應(yīng)激風(fēng)險(xiǎn)，降低死亡率。無機(jī)氮含量、總硬度、總堿度是反映池塘水質(zhì)狀態(tài)的良好指標(biāo)，有研究顯示若水中硝酸鹽含量、總硬度、總堿度高，氨氮含量低，則說明水環(huán)境氧化性好，緩沖力強(qiáng)，水質(zhì)好。試驗(yàn)結(jié)果表明，與0%組相比，50%組氨氮轉(zhuǎn)化率更高、水體氧化性和穩(wěn)定性更好。從活性磷含量上來看，雖然50%組的活性磷養(yǎng)殖周期內(nèi)平均含量最低，但其含量已達(dá)藻類適合生長(zhǎng)的磷含量，不會(huì)對(duì)藻類生長(zhǎng)造成抑制，能滿足藻類生長(zhǎng)需要。氮磷比的檢測(cè)數(shù)據(jù)則顯示遮光與未遮光組的氮磷比都較高，這可能是隨著養(yǎng)殖進(jìn)行，養(yǎng)殖過程中的殘餌和糞便逐步積累在池塘中，無機(jī)氮含量逐漸升高導(dǎo)致的，因此應(yīng)及時(shí)清理養(yǎng)殖水中廢物，降低無機(jī)氮含量。

3.2 池塘光伏組件安裝遮光比例對(duì)浮游生物的影響

光照是影響浮游植物生長(zhǎng)繁殖的最重要生態(tài)因子之一。大量研究顯示光照顯著影響浮游植物個(gè)體大小、生物量以及物種多樣性[24-27]，甚至影響某些藻的優(yōu)勢(shì)性[28]。以往研究表明，光合色素是反映浮游植物生物量的良好指標(biāo)[29-30]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)遮光組的平均光合色素含量較低，表明遮光影響了藻類的光合作用，降低了藻類生物量。然而，遮光組的香農(nóng)-威納指數(shù)較0%組升高，而香農(nóng)-威納指數(shù)是反映物種多樣性的良好指標(biāo)，這表明遮光似乎對(duì)更多的藻類生長(zhǎng)有利，適度的遮光能豐富藻類的多樣性。在水產(chǎn)實(shí)際生產(chǎn)過程中，特別是春秋季節(jié)，當(dāng)池塘中某些有害藻如藍(lán)藻等易在水體中形成優(yōu)勢(shì)種群，抑制其他常規(guī)藻類生長(zhǎng)和繁殖，遭遇到環(huán)境突變時(shí)，易發(fā)生大規(guī)?！暗乖濉爆F(xiàn)象，導(dǎo)致水體理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生急劇變化，造成魚類缺氧，生長(zhǎng)減緩甚至死亡。通過分析不同遮光比例下池塘優(yōu)勢(shì)藻藍(lán)藻、綠藻和硅藻的光合色素含量發(fā)現(xiàn)，未遮光組的藍(lán)藻占比一直處于首位，因此未遮光組池塘面臨“倒藻”風(fēng)險(xiǎn)較高，而遮光組中綠藻和硅藻數(shù)量占優(yōu)，這對(duì)于水體的養(yǎng)殖環(huán)境而言是比較積極的信號(hào)，適度遮光可利于養(yǎng)殖池塘水質(zhì)穩(wěn)定和魚類安全。

池塘的浮游植物為浮游動(dòng)物提供了優(yōu)質(zhì)的餌料，而浮游動(dòng)物為池塘提供了初級(jí)生產(chǎn)力。因此，光照可能會(huì)通過影響浮游植物的量來影響浮游動(dòng)物的量。本試驗(yàn)的研究結(jié)果顯示，與0%組相比，光伏組件安裝比例對(duì)全年浮游動(dòng)物的生物量影響不顯著。遮光池塘生物量變化體現(xiàn)為春季較其他遮光池塘低，而秋季則較高，春季為浮游動(dòng)物繁殖的最好時(shí)機(jī)，所以在遮光條件下，應(yīng)注重早期肥水。

3.3 池塘光伏組件安裝比例對(duì)草魚生長(zhǎng)的影響

環(huán)境因子對(duì)魚類生長(zhǎng)的影響可能是通過直接或間接對(duì)魚類的攝食、代謝等產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響能量收支平衡，增加或減少用于生長(zhǎng)的能量分配[31-33]。對(duì)比試驗(yàn)草魚的產(chǎn)量和存活率可以發(fā)現(xiàn)，0%組的存活率和產(chǎn)量均最高。同時(shí)根據(jù)本試驗(yàn)的研究結(jié)果表明，遮光對(duì)草魚的生長(zhǎng)有一定的影響。其中75%遮光對(duì)草魚日增重系數(shù)、飼料系數(shù)及畝產(chǎn)量的影響最大，而50%的遮光對(duì)草魚的影響相對(duì)較小。英國(guó)營(yíng)養(yǎng)科學(xué)咨詢委員會(huì)(SACN)將總脂含量達(dá)到5%～20%的魚類定義為“肥魚”(oily fish)，并鼓勵(lì)一般人群增加其食用量(至少1次/周)[34]。50%組和75%組達(dá)到了“肥魚”的標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)中，50%和75%遮光對(duì)草魚的新陳代謝產(chǎn)生了影響，促進(jìn)脂肪在肌肉的儲(chǔ)藏，生產(chǎn)出了更有營(yíng)養(yǎng)的“肥魚”?？赡苁?0%和75%遮光處理給草魚營(yíng)造了一個(gè)陰涼安全的棲息環(huán)境，減少了尋求弱光環(huán)境而帶來的能量消耗，從而促進(jìn)肌肉中脂肪積累。

3.4 池塘光伏組件安裝比例對(duì)養(yǎng)殖的影響

在養(yǎng)殖池塘安裝不同比例的光伏板，改變了池塘接受光照面積占池塘面積的比例，光照強(qiáng)度的改變對(duì)池塘水質(zhì)、水中生物造成了不同程度的影響。但從本研究結(jié)果來看，適宜的光伏板安裝不會(huì)對(duì)草魚的生長(zhǎng)和產(chǎn)量有顯著影響，并且大大增加了經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，在該模式下也有以下不可忽視的問題：首先，集中安裝光伏板對(duì)風(fēng)力作用的影響和縱向貫穿水體的水泥柱對(duì)水流的影響，影響了池塘自身具備的水體交換能力，從而導(dǎo)致池塘和空氣進(jìn)行交換的能力受到了一定程度的影響，同時(shí)會(huì)增加池底硫化氫等有害物質(zhì)積累的風(fēng)險(xiǎn)。其次，由于光伏組件的存在，增加養(yǎng)殖過程中捕撈、清塘等操作難度。對(duì)光伏組件的分布和構(gòu)建形式進(jìn)行改良、對(duì)改善水體流通的輔助設(shè)備的研發(fā)以及對(duì)整體經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益深層次的比較是持續(xù)優(yōu)化“漁光一體”模式的方向。

4 結(jié)論

“漁光一體”光伏組件遮光不會(huì)對(duì)草魚養(yǎng)殖造成顯著影響。從水質(zhì)上來看，模擬光伏電站遮光改善了草魚池塘水質(zhì)，遮光組的pH、水溫降低，堿度、硬度和氮磷比升高，水體氧化性和穩(wěn)定性更好；從浮游生物上來看，遮光能優(yōu)化池塘水體藻相，抑制藍(lán)藻增殖，但不利于浮游動(dòng)物生長(zhǎng)；從草魚產(chǎn)量分析上來看，在相同投入的情況下，適宜的“漁光一體”遮光不會(huì)對(duì)草魚生長(zhǎng)和產(chǎn)量造成顯著影響。但隨著光伏面積的增加，草魚的生長(zhǎng)、產(chǎn)量及存活率均存在略微降低趨勢(shì)。同時(shí)，增設(shè)光伏組件對(duì)池塘水質(zhì)、水中生物結(jié)構(gòu)組成均造成了影響，并在捕撈、清塘等方面帶來了一定限制。因此，據(jù)本次研究結(jié)果表明，采用50%遮光比例將更有利于光伏發(fā)電和漁業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，但綜合考慮發(fā)電效益，75%的遮光比例則更為適宜。

□