车 轩，朱 林，刘兴国

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092)

池塘养殖是中国水产品生产的主要生产方式，也是国家优质动物蛋白供给的重要保证。池塘养殖产量约占淡水养殖总产量的70%，占水产品总产量的30%，对保证国家粮食安全和食品安全具有重要的战略意义[1-3]。

中国养殖池塘主要于20世纪70、80年代开挖建设，设施条件落后、水质调控能力差、生产方式粗放，特别是20世纪90年来以来，随着对高产量的过度追求以及落后、粗放的养殖环境条件，导致养殖污染持续加重、效益不断下降、产品质量隐患增大[4]。社会和消费者对水产品品质、质量安全要求的提高与环境水质不断恶化、养殖生产者继续追求高产量的矛盾日益突出，产业发展受阻，池塘养殖成为“环保风暴”和社会各界关注的热点，池塘转型升级、绿色发展成为产业可持续发展的唯一途径。研发池塘养殖转型升级技术，实现产业绿色可持续发展，是中国渔业面临的重大课题。在该背景下，科研人员开展了更高效池塘养殖设施系统和配套环境调控技术的研究和推广，取得了一定的成效。其中，分隔池塘养殖系统(Partitioned Aquaculture System,PAS)的相关报道较多，研究相对集中，推广范围较大，已成为池塘养殖健康高效生产系统发展的重要方向之一。

对分隔池塘养殖系统的原理、发展历程、类型以及研究进展进行系统的梳理，通过分析发展趋势，为该系统的进一步研究提供参考。

1 分隔池塘养殖系统的定义、原理和类型

分隔池塘养殖系统是为提高池塘养殖效率、方便生产管理，通过对池塘水体进行物理分隔，更好地控制多品种混养、生态增氧、废物处理等养殖过程的水产品高效生产系统与设施。根据养殖对象的生态功能和系统内生物的生态位进行池塘分隔，分别对养殖生产的物理、化学和生物过程进行管理和优化，并通过水体循环将各功能区连接为一个整体，从而实现池塘养殖产量和效益最大化，提高养殖单产、降低饲料投入和增氧能耗、减少废水排放对环境的影响。

按照系统分隔形式和难易程度，分隔池塘养殖系统主要分为：标准分隔池塘(Partitioned Pond Aquaculture System)、简易分隔池塘(Split-Ponds)和流水槽池塘(In-Pond Raceways)。其中，标准分隔池塘的研究较为全面和深入。目前，开展分隔池塘养殖系统研究和推广工作的科研人员主要来自美国和中国，研究机构主要有密苏里州立大学、美国农业部温水养殖研究中心、奥本大学和中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所。

2 国外研究进展

2.1 标准分隔池塘

标准分隔池塘是分隔池塘养殖系统的标准形式，结构较复杂。该系统由Brune等[5]研发，其设计理念是充分利用藻类增长作为水产养殖废物处理手段，对池塘进行分隔，在不同区域内养殖主养品种(吃食性鱼类)和套养品种(滤食性鱼类)，可增加3～4倍水体浮游植物的含量，从而提高鱼的产量上限。与传统池塘相比，该系统通过改善藻类生长的条件，增加池塘的废物处理能力，保持较高的藻生产率，并稳定控制藻密度和藻相，主养鱼类产生的代谢废物由藻类快速吸收，套养鱼类滤食掉过多的浮游植物和浮游动物，控制池塘藻细胞的年龄，通过控制移除率提高藻细胞生产力[6]。

Brune团队研发人员于1989年构建了4个100 m2的分隔池塘系统原型，确定了最佳操作水深，桨轮速度和鱼的潜在养殖容量(图1)。20世纪90年代初，设计、安装并开始运行了6个主养鲶的池塘分隔系统，于2000年建立了0.8 hm2的试验生产系统(图2)，年产鲶20 t/hm2，混养罗非鱼产量5 t/hm2，养殖成本与传统的池塘相差无几[7]。

图1 分隔池塘养殖系统原型

分隔养殖池塘是以藻类光合作用为基础进行设计的，与传统养殖池塘的设计完全不同[8]，只利用池塘的一小部分进行鱼的养殖生产，投喂和收获操作更方便，增氧也变得更加容易。保持较高的藻生产率并稳定控制藻密度和藻相是分隔池塘养殖生产的关键。养殖鱼类会产生氨氮及二氧化碳，池塘养殖产量最终被清除这两种物质的速率所限制。在户外系统中，浮游植物从水中吸收氨氮和二氧化碳来支持藻类的生长，氨氮和二氧化碳同化率与浮游植物的生产力成正比，因此可以通过改善藻类生长的条件增加池塘的废物处理能力，即提高鱼或虾的生产潜力。

图2 分隔池塘试验生产系统示意图

分隔池塘的藻类池很浅，约0.5 m，缓慢的混合速度使藻细胞不会由于光照不足而限制其增长，使营养分散在整个藻类生长的区域，确保鱼池体积得到充分的利用。虽然藻类生长的过程进行光合作用产生氧，但后续藻类的有氧分解也会消耗大约等量的氧，有氧分解会释放出藻类的生长过程中同化的相同数量的氨氮和二氧化碳，因此必须通过移出或厌氧分解去除一部分藻类。藻类可以通过直接或间接的方式转化为其他形式，最终通过收获转移出池塘系统，而厌氧分解可以在底泥或专门的反应器中完成。

控制移除率可以降低藻年龄，提高藻细胞生产力，保证藻类快速增长，另一方面，还可以防止藻类繁殖过度，从而减少水体呼吸并增加光的利用率。分隔池塘主要通过混养滤食性鱼类或絮凝沉淀去除藻类，一般是利用罗非鱼，罗非鱼必须限制在一定的区域内，使其不能吃到残饵、粪便或池塘沉积物，否则，浮游生物的生产效率会降低。试验证明，罗非鱼维持藻相良好的同时，确保了水的透明度保持在12～15 cm，提高了藻生产力，有害的蓝藻数量大幅减少[9]。浅藻池、充分混合和浮游动植物的不断移除使分隔池塘的藻产量大幅提高，从而增加鱼的产量。连续的水流对于分隔池塘是至关重要的，保证了良好的水质，确保鱼在良好的环境里生长。藻池均匀的流动保证物质充分混合，使得浮游植物的生产力和群落结构更加稳定[10]。为了保证水连续流动，研发了大流量并且投资、维护、使用成本低的桨轮，压头只有2～5 cm，转速为1～3 r/min[11]。系统的鱼类养殖区和养藻池的比例应控制在1∶10～1∶15，鲶的养殖密度约40 kg/m3，鱼池流速控制在2.44～10.66 cm/s，藻类池流速控制在6.40～18.59 cm/s(图3)。

图3 标准分隔池塘的系统配置

2.2 简易分隔池塘

池塘分隔养殖系统的商业化应用主要集中在密西西比州的鲶养殖[12]。由于密西西比州的鲶养殖场在基础设施上投入了大量资金，不可能另外增加投资将已建成的池塘进行完整的分隔，而且养殖场电力缺乏严重，不适合开展PAS高密度的鱼类养殖。于是，Brune与美国农业部温水养殖研究中心的Tucker在现有鲶养殖设施基础上对PAS系统进行了简化，于2001年形成了PAS系统的推广模式—简易分隔池塘(Split-Ponds)(图4)。

该系统产量达15～20 t/年，是传统鲶养殖池塘的2～3倍，极大促进了商业推广的进展，目前已有超过600 hm2的简易分隔池塘分布在密西西比州、亚拉巴马州等地区，养殖户为了降低投资和简化设施，除了采用慢转速的桨轮以外，其他种类的泵也被用作水体循环设备，如高速螺旋泵、轴流式泵等。简易分隔池塘建立了规范的推广模式，与标准分隔池塘比较，简易分隔池塘的养藻区较小(约占总面积的80～85%)，且不混养罗非鱼或其他滤食性生物进行藻类去除。如图5所示，整个池塘约2 hm2，利用塘埂将池塘分为面积不等的两个区，养鱼区域约0.4 hm2，配备2台7.5 kW的水车式增氧机，藻塘约1.6 hm2，没有增氧设备[13]。在分隔塘埂上有2个缺口，缺口安装桨轮进行水体循环，桨轮长3.7 m，直径1.8 m，浸没深度1.2 m，转速2～3 r/min，以1.1 kW电机驱动，循环量约50 m3/min[14-17]。养鱼产生的废水由桨轮推到藻塘，最终沉积在藻塘末端，为藻类繁殖生长提供营养。该系统白天由藻类光合作用提供溶氧，分隔塘埂上的桨轮夜间停止工作，由养鱼池的增氧机增氧，养鱼池安装了溶氧传感器自动控制增氧机开关。

图4 简易分隔池塘示意图

图5 简易分隔池塘的生产系统

2.3 流水槽池塘

流水槽池塘是另一种具有代表性的设施化池塘养殖系统(图6)，由奥本大学于1991年研发，从事该系统研究和工程构建的主要是Chappell教授及其团队。为降低土建成本，该系统较多采用漂浮流水槽，在池塘水面设置若干个养殖水槽，平行排列，在水槽的一端曝气气提，提供循环动力和生产增氧，流水通过水槽可以改善水质，并将养殖固体废物冲到水槽后端，以便收集清除[18]。

该系统具有养殖密度高、节约人力、投料投喂简单、分鱼收鱼容易、养殖废物定期收集、产品品质高，无土腥味等特点。美国的南部、中部和西部地区自1992年陆续建设了多个商业规模的流水槽池塘，最大的单个流水槽尺寸约7.3 m×2.5 m×1.1 m，用于商品鲶的养殖。

流水槽池塘与标准分隔池塘、简易分隔池塘的最大区别在于：流水槽池塘的设计主要是方便养殖生产管理和收集养殖废物，收集后废物的处理不在系统的设计范围之内，没有改变或强化池塘养殖系统的生态功能。标准分隔池塘和简易分隔池塘均为藻类驱动的生态系统，采用微藻和滤食生物强化池塘的生态净化能力。

图6 流水槽结构

3 国内研究进展

中国的分隔池塘养殖系统研究推广起步较晚，但发展非常迅速，从系统模式来看，主要有分级序批养殖池塘、跑道池养殖池塘。

3.1 分级序批养殖池塘

分级序批养殖池塘是在标准分隔池塘基础上，结合中国淡水鱼养殖特点，对分隔池塘设施系统进行了优化和改进(图7)。系统由鱼类养殖区和水质净化区组成，鱼类养殖区占池塘面积的20%，养殖不同规格的吃食性鱼类，水质净化区内放养滤食性鱼类，净化水质。鱼类养殖区设计有3排鱼池，分别为苗种养殖池(矩形)、大规格鱼种养殖池(矩形)和商品规格鱼养殖池(切角方形)，养殖池之间设置过鱼闸门，使达到商品规格的鱼出售后小规格鱼种进入下一级养殖池，从而实现序批生产，养殖产品分3批次上市，提高养殖效率和经济效益[19]。

图7 分级序批养殖池塘结构示意图

分级序批养殖池塘由中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所研发。该研究所开展了系统整体参数设计，进行了水循环动力系统和集排污系统的理论计算，研制了螺旋桨式、水车式推流装置和集污、吸污装置等养殖系统设施和装备。螺旋桨式、水车式推流装置提水动力效率分别为340和360 m3/(kW·h)，适合池塘循环水系统的低扬程大流量提水使用，与对照池塘相比，该系统鳊鱼产量提高了21.1%，饲料系数下降了23.5%，水体中总氮、总磷分别降低了21.4%和 53.1%，中下层溶氧提高了59.5%[20]。曾宪磊等[21]基于Ecopath模型从能量量化的角度分析了淡水池塘循环水养殖系统的构建，认为分级序批养殖池塘的饲料营养传递效率高于分隔池塘和传统池塘，饲料系数较低，表明序批池塘系统更有利于饲料转化。顾兆俊等[19]研究了序批养殖池塘的应用效果，团头鲂产量超过27 t/hm2，滤杂食性鱼类产量2 250 kg/hm2，序批养殖池塘的产值比传统池塘提高了13.6%。刘兴国等[22]总结了分级序批养殖池塘的构建方法和团头鲂序批生产的管理策略，认为分级序批养殖具有养殖容量适宜，养殖风险小、生态效率高、养殖效益高等显著特点。

3.2 跑道池养殖池塘

跑道池养殖池塘是中国目前推广面积最大的分隔池塘养殖系统，该系统是在流水槽池塘基础上由美国大豆协会引入中国，是在中国推广的80:20池塘养殖模式的技术转型和升级[23]，产业规模发展较为迅速。与美国流水槽池塘不同的是，中国的跑道池养殖池塘主要采用土建模式进行池塘改造。

跑道池的构建材料主要为水泥或玻璃钢，每个池一般采用25 m×5 m×2 m的规格，水位1.5 m。跑道池后端为集污区，尺寸3m×5 m×2 m，配备吸污泵1台。跑道池前端安装气提式推水增氧设备1套，功率2.2 kW或3 kW，使整个池塘的水能够循环流动，流速0.33 cm/s[24]。目前，针对跑道池池塘的报道主要是跑道池规格尺寸的描述和养殖效果、经济效益、鱼产品品质比较，而系统设计参数理论计算未见报道，水质调控效果的研究较为缺乏。如陈文华等[23]开展了跑道池池塘养殖草鱼的试验总结，跑道池内草鱼单产超过100 kg/m3，整个池塘的平均产量约为19 t/hm2，饲料系数为1.8～2.0，净利润40 950 元/ hm2，在相同面积条件下，可使养殖产量提高4倍。翁丽萍等[26]通过比较跑道池和传统池塘养殖的青鱼肌肉质构的差异，认为跑道池养殖的青鱼品质优于传统池塘。

4 国内外发展趋势

国外分隔池塘养殖系统经过多年的研究和应用，系统结构、养殖品种和养殖技术已趋于稳定，近年来变化不大，没有显著的技术改进，目前主要侧重于系统构建成本和运行成本的控制。近几年，分隔池塘养殖系统在中国发展较快，已成为现代化池塘养殖模式和高效设施研究的重要关注点和发展方向。分级序批养殖池塘的研究逐步深入，目前的研究主要集中在养殖池结构的优化、序批控制设施的研发、自动投饲设备的研制和智能管控系统的配套等方面，进一步提高饲料营养的转化效率和系统的自动化水平，降低污染物排放。跑道池养殖池塘引入中国后，由于养殖品种的差异和分隔比例不合理，不同程度地出现了富营养物质超标和蓝藻暴发的现象，通过水体循环设备、集排污设施和系统结构的多次调整改进，目前已取得一定的成效，产业模式的发展根据不同养殖品种和地区特点趋于多样化，如江苏某些地区将跑道池与稻田进行结合，利用稻田埂建设跑道池，开展渔稻综合种养，采用稻田吸收跑道池养鱼的污染物，取得了较好的减排效果，经济效益可观。

5 讨论

5.1 池塘设施研发是加快构建水产养殖绿色发展的生产方式、促进产业转型升级的有效途径

随着养殖规模的进一步扩大和产量的不断提高，传统池塘养殖的生态、经济效益越来越低，生态环境压力越来越大，严重制约了池塘养殖业的发展[27-29]。传统池塘养殖粗放的生产方式不适合现代渔业发展的要求，池塘养殖产业必须调结构、转方式，全面转型升级。池塘设施是养殖生产的基础，改造升级基础设施是实现池塘养殖“提质增效、减量增收、绿色发展、富裕渔民”战略发展目标的有效途径之一。为设计更高效环保的池塘养殖设施，国内外围绕分隔池塘养殖系统开展了大量研究和推广工作，形成了一批符合各自国情的系统模式(表1)，取得了显著的成效。

5.2 分隔池塘养殖系统应进一步提高研究的系统性和设计的科学性，降低建设和运行成本

通过对分隔池塘养殖系统的优化，形成了分级序批养殖池塘和跑道池养殖池塘这2种适合国内鱼类养殖特点的系统模式。分级序批养殖池塘的研究较全面，以团头鲂为养殖对象，形成了较完整的理论设计参数，研发了低扬程大流量的水体循环装备，研究了系统的物质平衡和能流特征，但也存在着基础建设投入大、对技术人员要求高等显著缺点，影响了系统的推广应用。跑道池养殖池塘的产业应用取得了显著成果，但截至目前，该系统尚无统一的名称，从现有文献看，有“低碳高效池塘循环流水养殖”、“池塘内循环养殖”、“集聚式池塘内循环流水养殖”、“池塘工业化养殖”[23-26]，不利于系统的进一步推广。另一方面，跑道池养殖池塘的系统工程设计和参数理论计算缺乏，对养殖生产残饵、排泄物的集中收集效果差，养殖容量及养殖品种确定等方面缺乏科学性、合理性。

表1 分隔池塘养殖系统国内外发展模式比较

6 结语

分隔池塘养殖系统是未来池塘养殖重要发展方向之一，具有提高养殖效率、降低废水排放的优点。国外对分隔池塘养殖系统的研究全面深入，但受限于池塘养殖在国外的产业规模，应用范围并不广泛。中国通过对分隔池塘养殖系统的优化，形成了适应于国内鱼类养殖特点的系统模式，经过几年的研究发展，表现出广泛的应用前景，但在实际养殖生产中也存在明显的弊端。中国的分隔池塘养殖系统应借鉴国外系统设计的理念和参数，进一步优化完善养殖设施的结构和生产管理策略，按品种制定完善的技术标准，为池塘养殖绿色可持续发展提供成熟可靠的设施条件。