黄毅成，缪 磊，於海明，陈彩蓉，张大成

(1.泰州市农业机械技术推广站，江苏 泰州225300； 2.南京农业大学工学院，江苏 南京210031)

0 引言

江苏省中华绒螯蟹(俗称河蟹、大闸蟹)养殖总面积约26.67万hm2，是江苏省淡水渔业中最具特色与影响力的主导支柱产业，是全国养殖面积最大、最具影响力的优质河蟹主产区，年产商品蟹约35万t，年产值逾300亿元，约占全国总数的50%[1-2]。近年来，江苏省“机器换人”工程重点解决设施农业“无机可用、无好机用”的矛盾，特别是在河蟹养殖中实现了降低人工成本、研发适用机具、优化设备性能、制订作业规范和应用智能化等，提高了河蟹养殖的机械化、规范化、精细化水平，经济效益得到显著提升[3]。

1 机具对比选型

泰州市地处江苏中部，特色在“农”、优势在“水”，河蟹养殖面积5.33万hm2，产值、产量分别占江苏省的1/8、1/10，是江苏地区河蟹养殖主产区，具有一定的区域代表性。

1.1技术路线设计与机具选型

根据泰州市地理位置，结合江苏省河蟹养殖特点，总结出3.33 hm2以上大塘口河蟹机械化养殖技术路线及机具配型：清淤消毒(水陆两用挖掘机、潜水泵、智能投饵船)→水草种植(机动船)→进/排水(潜水泵)→投饲(智能投饵船)→增氧(曝气增氧)→水质检测与调控(自识别传感器、传输模块、数据中心、客户端)→尾水处理(推水设备)→水草收割(水草收割机)→实时监控(水下监控设备)→起捕(地笼)→运输(活鱼运输车)。其中，投饲、增氧、水质监测与调控、水草收割、水下监控、物联网系统等环节是河蟹机械化养殖的重点环节。

1.2投饲设备

图1 智能投饵船Fig.1 Intelligent bait casting ship

智能投饵船应在水深≥25 cm处开始作业，水草、螃蟹分布均匀时可采用自主导航投食，根据塘口形状设置好行走路线，尽量使用水草种植时预留的投饵通道，航线之间宽度应与投饲宽度大致相同，不漏投不重复投，降低沉底污染，提高利用率，减少水质污染。手动导航时，应避免水草密度较大的区域，根据食台监控情况选择投喂量，实现精准投喂。

1.3增氧设备

河蟹养殖对水体溶氧具有较高要求，溶氧量>5 mg/L时，好氧细菌作用明显，有利于水草生长和增强河蟹食欲，促进提升河蟹产量和规格。溶氧量长期<3 mg/L时，河蟹基本停止摄食，抗病能力下降，易生病和死亡，严重时会造成缺氧窒息死亡。增氧设备种类繁多，主要有叶轮式、水车式、射流式、喷水式、涌浪式、曝气式和耕水式等[5]。叶轮式增氧机是利用电动机输出动力到齿轮箱，带动叶轮旋转产生离心力，搅动水体，形成水体的上下循环，使含氧量较高的表层水进入底层，一般配备1.5台/hm2的3 kW叶轮式增氧机，该机型对水体的纵向增氧效果明显，但随着横向距离的增长，增氧效果逐渐降低。水车式增氧机(图2)靠搅动表层水体与空气的接触面积，同时造成水域的定向流动，促进水体水平方向溶氧均匀，水面较大时，可用单叶轮体串联成叠装式叶轮，具有灵活调控的优点，但该机具提水能力较弱，其增氧的水体基本为表层水，不太适用于>1.5 m的深水养殖环境，一般配备1.5～3.0台/hm2的1.5 kW水车式增氧机。射流式和涌浪式增氧机一般适合>2 m的较深水位塘口使用，特别是高密度养殖环境下，与水车式增氧机配合使用，增氧效果更加明显。曝气增氧机主要由电机总成、风机总成、管道总成、机架、软管及曝气盘等组成，在池塘底部铺设管道，管道上连接曝气盘，风机将高压空气经管道输送至曝气盘，在曝气盘表面产生大量直径20 μm左右的气泡，形成雾化气流从水体底部向四周扩散，提高水体溶氧量并带动水体循环，有效改善水质，解决了传统增氧机底层溶解氧偏低的问题，具有增氧效果好、增氧均匀、噪声低的特点，一般配备PVC通气管+微孔增氧管≥200 m、80个曝气盘总成，根据养殖密度放置90～120个/hm2曝气盘。

图2 水车式增氧机Fig.2 Water wheel aerator

曝气增氧机一般有盘式、条式及点式等多种布点方式，较小塘口使用盘式布点，较大塘口使用条式布点，一般塘口可使用“盘式+条式”布点，使全塘均匀增氧，提高曝气设备效率，降低用电成本[6]。使用过程中要注意曝气盘表面清洁度，及时清除盘面淤泥、水草等杂物，防止堵塞，影响增氧效果。罗茨鼓风机定期添加齿轮油和黄油维护，雨季应防止生锈，夏季避免暴晒，发现接口松动要及时修复，在生产周期结束时，拆后置仓库存放。

1.4水质监测设备

河蟹适合清净、透明度较大的水体环境，总体要求水温20～28 ℃、微碱性(pH值7.0～8.5)、氨氮浓度低(总氨氮浓度0.2～0.5 mg/L)。水质监测装备有便携式和固定式两种，主要监测溶氧量、温度、pH值、ORP、浊度、氨氮浓度等一种或多种指标[7]。便携式监测装备使用方便，能随时对塘口不同位置的水质进行检测，使用寿命长，但功能单一，一般只能检测1～2项指标，不能实现实时监控。固定式监测设备由水中传感器、数据传输模块、显示系统、控制中心和客户端口组成，可根据养殖的品种、密度、个性需求等设定多种组合的监测指标，并利用物联网、大数据技术调节各种环境参数，对历史数据进行分析，预测和预防疾病的发生，所有数据实现24 h监控，支持回看，在数据中心和用户端(手机app、电脑、显示屏等)自动报警，可减少人工成本和提高检测精准性。

固定式监测设备一般放置在上风口的环沟内，尽量靠近电源、排水口和水位较深的位置。实时通过客户端或现场检查是否处于工作状态，每隔1周通过其他设备检测的数据进行对比，如偏差超过误差范围，则需要立即检查产生偏差的原因，必要时重新设定或更换配件。传感器属于精密零件，敏感性随着使用时间的推移和污垢的增加，敏感性会逐渐降低，需定期检查和清理，保证测试准确。水产养殖水质监控系统典型架构如图3所示。

图3 水产养殖水质监控系统典型架构Fig.3 Typical framework of aquaculture water quality monitoring and control system

1.5水质调控

河蟹养殖水体中的残留饵料、生物排泄物(粪便)、含氮和含碳有机物的不完全分解会造成水体的溶氧量降低，不完全分解(厌氧分解)产生氨氮、硫化氢和亚硝酸等有害物质，酸化水体，影响河蟹生长。水质调控是通过一些技术手段有效分解水体中的有机物，使水体环境满足河蟹良好生存条件要求，如通过水泵注入新水、推水设备加速水体流动、尾水处理设备净化水体、增氧设备改善溶氧条件等方式，稀释有害物质，进行物理调控，也可通过智能投饵船投放药液、生物制剂等，降解有机杂质，净化水质，进行生物调控。根据养殖情况，进行物理、化学、生物等多种形式的预防和调控相结合的方式，达到成本低、效率高、品质好的最佳结合点。

1.6水草收割

河蟹养殖是一个“前期养草、后期养蟹”的过程，水草密度、生长期的控制对水质、河蟹品质和产量具有关键性作用，当水草生长过快、过密时要进行梳理和切割，防止造成水流循环不畅和地热效应。目前，水草收割机有简易式水草收割机、多功能水草收割机和水上清洁船等[8-10]。简易式水草收割机是将割草机安装在船体上，利用48 V直流电瓶作为水草收割动力，安装方便、快捷、要求低，作业宽度1.5～2.0 m，作业深度0.8～1.0 m，非专业人员也可直接安装使用，但切割后水草漂浮在水面上，需要人工进行二次清除。水上清洁船主要用于小型水库、河道中的水草、漂浮物的收集清理，不适用于河蟹养殖使用。多功能水草收割机(图4)由电机、往复式割刀、输送带和专用泡沫船体构成，水草切割后被运输到泡沫船体，整机以48 V直流电瓶作为水草收割动力，船体吃水深度≤0.3 m，收集宽度1.2～2.0 m，最大割深1 m，装载量6 t，动力0.5 kW，作业效率1 500 m2/h，结构简单、整机质量轻、工作效率高，一次性完成水草收割和收集。处理后的水草分布均匀，呈“条”状和“井”状，宽度3～5 m，间隔3～5 m，保持沉水状态，不出水面，并预留自动投饵船进行作业的路径。

图4 水草收割机Fig.4 Waterweed harvester

多功能水草收割机使用前应检查电瓶安全性、割台割刀是否有杂物，入水后在浅水区检查割刀转速、输送带、深度调节装置等是否正常，试割一段时间后观察切割长度、断茎率等是否符合设定值，一切正常后进行作业。作业过程中应避开增氧管道、砖块、暗桩等，打捞的水草在船上均衡摆放，防止侧翻。使用水草收割机进行梳草或切割时，总体把握切割后的草顶离水面5～10 cm。

温度升高，北极的降雨会比降雪更频繁，雨到达极地表面后会形成较硬的冰层覆盖在地表，这大大增加了驯鹿寻找食物的难度，会让它们饿肚子。

1.7水下监控

通过水下摄像机监控食台，观察饲料消耗和河蟹规格，推断河蟹的数量、质量和生长情况。用户根据监控情况随时调整投饲量、养殖密度、水质调控等养殖方案。要随时通过客户端或在现场检查监测设备是否处于工作状态、镜头是否干净和电路情况。

2 智能化应用

智能化、自动化养殖系统是近年来兴起的、较为先进的养殖方式，通过物联网系统将养殖方案、数据服务、实时监测和设备控制等有机结合，实现河蟹养殖“增机减人、智能控制、产品可溯”。

2.1物联网系统组成

软件方面应具备操作系统、处理软件、客户端软件，可进行大数据分析，提出养殖方案。硬件方面，具备有自识别功能的监测传感器、数据中心、数据传输模块、控制设备和自动控制开关等。软件和硬件需相互融合，支持7×24 h工作、远程监控、数据查看对比、实时和回看视频信息等，实现从种苗到成品的全过程可追溯。

2.2数据自动监测及传输

监测传感器将采集的数据经数据传输模块发送至数据中心和用户端，实现养殖数据自动化采集和传输，供用户实时查看和回看。数据中心根据采集的资料建立数据模型，并进行大数据分析，按照养殖的品种、环境、技术要求等设定溶氧量、温度、pH值、ORP、浊度、氨氮值等指标的阙值，营造适合河蟹生长的最佳环境，实现精细化控制。当采集的数值超过数据中心设定值范围时，数据中心和用户端同时报警，自动或提示用户进行调控。

2.3设备自动控制与作业

当前较成熟的自动控制主要在投饲和水质调控两个环节。投饲方面，通过设定智能投饵船的行驶路线、投饲量、作业时间等参数，在规定时间内进行自主投饲或遥控作业。水质调控方面，在水泵、增氧、推水等设备上加装自控控制开关，当监测传感器采集的数据超过设定的阙值时，数据中心和用户端报警，并通过无线传输模块和自动控制开关启动相关设备进行增氧、进/排水，达到设定值后自动关闭，用户也可以通过电脑、手机app等进行远程控制。

3 经济效益分析

河蟹机械化养殖和传统养殖的经济效益对比主要体现在人工成本、产品效益、投入品使用、电费成本4个方面的变化。在同等养殖塘口、同等技术条件、同等环境因素的条件下，参照2020年“中国·兴化河蟹价格指数”，对经济效益进行了对比。

3.1人工成本

投饲、水质监测、水质调控、水草收割4个环节的人工成本对比如表1所示，按照泰州地区水产养殖人工130元/d计算，每年可节省人工7 483.125元/hm2。

3.2产品效益

选取产量最大的中规格河蟹(公175 g、母125 g)为参照物，价格以2020年9月、10月、11月上市旺季时88.1、80.2和109.3元/kg，再按照塘口分别以40%、40%和20%的出货量加权平均，参考规格因素，计算出河蟹平均价格90元/kg。机械化养殖平均增产107.85 kg/hm2、9 705元/hm2。

3.3投入品计算

采用智能投饵船实现了饵料均匀投放、水下监控系统实现了饲料投放量控制、水草收割机实现了池水品质的提升、水质监控和尾水处理设备控制了动保产品的使用量。经统计，对比塘口使用饲料和动保产品约3万元/hm2(饲料22 200元/hm2+动保产品7 800元/hm2)，机械化养殖塘口减少投入1 490.4元/hm2，河蟹规格提高约10%。

3.4电费成本计算

对比传统养殖方式，示范点应用的机具主要以电力作为动力源，智能投饵船、水草收割机以锂电池驱动，曝气增氧设备使用三相电机，水质监控是弱电控制设备，所以水产生产中增加用电成本的支出。以3.33 hm2为单位面积、农业用电0.53元/(kW·h)计算，使用功率为0.24 kW(行走功率0.12 kW，投饲功率0.12 kW)智能投饵船、放置90～120个/hm2曝气盘、0.5 kW水草收割机、每3.33 hm2配备一套设备额定功率0.01 kW的水质监控设备计算，每年多支出电费483元/hm2。

表1 各环节节工情况分析

综合以上计算，河蟹机械化养殖相对传统养殖增收18 197.4元/hm2。

4 发展条件

人工成本是制约河蟹养殖经济效益提升的主要瓶颈，水质监测与调控是影响河蟹产量和品质的重要因素，通过在江苏省泰州地区进行河蟹养殖机械化试验示范，认为推进河蟹养殖机械化需具备以下3个条件。

4.1形成虾蟹养殖机械化配置方案及作业规范

通过传统虾蟹养殖模式与自动化、机械化养殖的结合，运用物联网技术，总结出关键环节的机具选型和配置，形成机械清淤、自动投饲、自动增氧、水质监测与调控、水下监控、水草收割和物联网系统等环节的机械作业技术要求和作业规范。

4.2实现养殖数据自动化采集和分析

在水质监测和调控上实行数据化管理，将数据采集、无线传输、大数据分析应用到河蟹养殖中，通过不断的对比试验，提出不同地区河蟹生长的最佳环境参数。同时，通过数据中心和用户端，实现对塘口的自动监控、实时预警、远程操控，提高生产效率，降低养殖风险。

4.3实现河蟹养殖管理精准化

通过物联网技术，实现投饲时间、作业路径和饵料用量的数据模型；通过常态化不间断实时水温监测，随时自动启动温控系统；通过水质监测系统，提出调水措施，应用多功能智能船进行生物调节；通过数据中心和用户端实现人机可交互界面，实时操控；通过物联网大数据系统，实现从种苗到成品的全过程可追溯。

5 结束语

河蟹养殖机械化的优势十分突出，可通过减少人工、增加产量、提高品质进一步提升养殖效益，同时，精量精准投喂、水草机械收割减小农业废弃物对水体的污染，实现绿色环保，智能化设备的应用为规范化、标准化养殖提供了技术支撑。随着水产养殖机械品种不断增加和技术改良，河蟹养殖机械的选择面也会越来越广，技术规范也会更加成熟。下一步，开发应用河蟹捆扎、分级、分拣和捕捞等环节的机具，将智能化操作实现到各个环节，提高软硬件的融合度，实现河蟹养殖的“全程机械化”。