我国陆上水产养殖工程化装备现状及发展建议
2016-03-09黄一心丁建乐
黄一心，徐 皓，丁建乐
（农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092）
我国陆上水产养殖工程化装备现状及发展建议
黄一心，徐 皓＊，丁建乐
（农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海200092）
渔业工程化装备是水产养殖业实现集约化、规模化养殖的重要前提和保障。近年来，作为我国重要水产养殖方式的陆上水产养殖业快速发展，为我国广大人民提供了大量优质蛋白源，也为我国满足不断增长的食品需求和安全保障作出了重要贡献。为我国陆上水产养殖工程化装备的研究及应用提供参考，对十二五期间我国池塘养殖和工厂化养殖设施装备的发展现状、存在的主要问题以及国外发展现状等进行分析，并对今后我国陆上水产养殖工程化装备的发展提出了建议。
陆上水产养殖；工程化装备；发展；渔业
我国水产养殖历史悠久，早在春秋末年，范蠡就编写出世界上第一部养鱼专著《养鱼经》，改革开放以后，我国水产养殖快速发展，成为世界上唯一一个养殖产量长时间、大幅度超过捕捞产量的国家［1］。近年来，作为我国重要水产养殖方式的陆上水产养殖业快速发展，为我国广大人民提供了大量优质蛋白源，也为我国满足不断增长的食品需求和安全保障作出了重要贡献。在此发展过程中，渔业工程化装备发挥了重要作用。渔业工程化装备是水产养殖业实现集约化、规模化养殖的重要前提和保障。陆上水产养殖工程化装备主要有池塘养殖设施装备和工厂化养殖设施装备，包括物理过滤装备、生物过滤装备、杀菌消毒装备、增氧装备、监控装备、投饵装备和起捕装备等，与世界先进水平相比，我国陆上水产养殖工程化装备科技发展水平相对落后，在设施化、机械化等方面存在一定的差距，也是目前养殖生产方式粗放的主要原因。为此，笔者对我国陆上水产养殖装备现状，存在的问题以及国外发展现状进行分析，以期为今后的研究和发展提供参考。
1 我国陆上水产养殖工程化装备发展的现状
1.1 池塘养殖
1.1.1 产业发展 池塘养殖是我国渔业中产业规模最大的生产方式。目前，我国共有水产养殖池塘310万hm2，养殖总产量2 320万t，占水产养殖总产量的49%，占水产品总产量的36%［2］。
我国池塘养殖主要形式为鱼池＋进排水沟渠，该设施系统构造简易，主要配套设备为增氧机、投饲机等。养殖池塘系统大多建于20世纪80－90年代，经过长期集约化养殖生产，普遍存在设施陈旧、塘埂坍塌、池底淤积、设备技术落后、水体自净能力差、养殖环境恶化等问题。“十二五”期间，全国各主产区根据农业部的总体部署和自身的发展水平，设立了养殖池塘标准化改造专项工程，着力推广微孔增氧机等新型装备，初步建立了水产养殖物联网。改造工程显著改善了健康养殖环境，提高了单产水平和生产效益，建立了一批设施规整、环境优美、功能多元的现代化池塘养殖小区。
1.1.2 科技发展 “十二五”以来，在国家大宗淡水鱼产业技术体系、国家公益性行业（农业）科研专项、国家科技支撑计划等项目的支持下，我国在池塘养殖装备与设施领域取得了一定的成绩，综合技术水平达到了国际先进水平。以养殖环境调控与生产过程机械化为重点，研发了多种高效装备。
1）围绕水质有效控制，研发了根据光照强度启动池塘底泥营养释放、上下水层交换的太阳能底质改良机［3］；研发的涌浪机兼具水面造波增氧、上下水层交换、旋流集污等功能，在池塘综合增氧、高位池增氧集污等方面有明显作用［4］。研发的移动式太阳能增氧机，降低了增氧能耗［5］；研发的饲料集中投饲系统，实现了由定点料仓向多个池塘的远程投喂［6］；研发的拖网捕鱼机械替代了部分人力，提高了作业效率［7］。
2）围绕池塘水质理化指标与环境生物调控，应用生态工程学原理，构建了工程化调控设施及系统调控模式。开展了池塘复合人工湿地基质微生物对铵态氮、总磷净化效果的研究，研发出包括水平流设施与垂直流设施在内的潜流式人工湿地，确定了相关参数［8－10］；研发出多种利用微生物与植物进行净化的浮床；利用闲置的土地、排水沟等构建生态沟塘等设施工程技术。
3）围绕环境监控与精准养殖，构建水质理化指标等高效监测系统和水质预判模型，建立精准调控模式。开展基于神经网络的测量误差影响因子等研究，以无线传感网络技术实现通讯与控制，对盐度等参数进行实时监测，并对设备进行控制［11－13］；初步建立了水质预判模型，构建池塘养殖系统智能化控制系统；建立了养殖物联网系统［14］；研发出基于无线传感网络的投饲机远程控制系统，建立了基于养殖环境信息与饲喂策略的投喂模型。
4）围绕池塘标准化改造工程，以及节水、减排要求，研究设施构筑技术规范，构建节水减排系统模式。开展池塘护坡、塘埂、沟渠等技术规范研究，建立工程化参数；开展养殖场改造工程土方计算与平衡技术研究，提出工程概算编制方法［15］；组合潜流式人工湿地、生态沟渠、生态塘等技术，使养殖水体净化循环使用。
1.2 工厂化养殖
1.2.1 产业发展 工厂化养殖是装备化程度最高的养殖方式，也是引领未来的先进水产养殖生产方式。目前，我国工厂化养殖设施规模5 832万m3，养殖产量36万t［2］，但大部分处于发展的初级阶段，增氧与换水是水质控制主要手段，大多使用地下水，用水量大、排放难以控制。近年来，随着用水以及排放的问题突显，循环水养殖技术的应用得到不断增强。目前，在科学技术的推动下，我国工厂化循环水养殖系统模式形成了一些典型生产模式，如：密度为20～30kg／m3的鲆鲽类养殖模式，密度为20～30kg／m3的鲟鱼养殖模式，密度为50～60kg／m3的罗非鱼养殖模式，以及名优品种苗种工厂化循环水繁育模式等。国外的渔业先进技术及系统装备也逐步引入我国。
1.2.2 科技发展 “十二五”以来，在国家863计划课题、支撑计划课题等项目的支持下，在高效净化装备研发与系统模式构建方面取得显著进展，在装备系统构建上已接近国际先进水平。
1）以生物膜形成机制与填料生物膜优化研究为重点，开展了高效生物滤器机理性研究与设备研发。围绕氨氮转化效率，开展盐度、温度等条件下氮化物去除与转化情况等研究；生物膜快速挂膜、膜生物反应器处理水产养殖废水膜污染特性研究［16－17］；开展了海水条件下有机物沿生物滤器转化的研究［18］；研发出具有高反应效率及净化功能的填料移动床和流化沙床等生物滤器［19－21］。
2）以减少固形物在水中停留时间与防治粪便破碎溶解、气水混合装置为重点，研发出一些适用装备。如：融合斜管填料技术的多向流沉淀装置［22］，结构简化且具有实用性的旋流颗粒过滤器［23］，溶解效率更高的多层式臭氧混合装置［24］，边工作边反冲洗的气提式砂滤器［25］。
3）集成循环水处理、水质在线监控、自动投喂与数字化管理等系统，形成专业化的工厂化循环水养殖系统。如：构建了养殖密度为100kg／m3以上的罗非鱼循环水系统［26］，养殖密度为30～40kg／m3大西洋鲑循环水养殖模式。
2 存在的主要问题
2.1 池塘养殖
2.1.1 池塘生态工程学基础研究薄弱 以人工湿地、生物浮床、水层交换等技术为代表的我国池塘生态调控技术，虽然在促进养殖水体营养物质微生物转化、植物吸收和初级生产力提升等方面有明显效果，但主要体现在单一技术的总体净化效果上，其时效性不确定，对池塘生态系统构建的促进效果不明显。由于缺乏池塘生态工程学基础研究，对池塘生态形成与变化机制研究不深，对关键因子影响机制与操纵模型把握不够，相关技术还未能围绕池塘生态系统构建与功能强化形成集成效应。
2.1.2 控制技术的精准度和覆盖面不高 目前，我国的渔业养殖监控水平不高，还缺乏基于养殖模式、池塘生态变化机制及关键因子关联模型的基本因子感知、水质预判与控制输出和基于养殖品种营养模型、饲喂策略、环境因子与摄食行为的投喂控制等精准化监控技术。采用自动化、数字化技术主要是对养殖池塘水质参数、增氧机、投饲机等进行监测和控制，应用水平还处于物理性的传感器监测与控制输出上，对于多变的池塘生态系统及生产过程手段单一，传感器造价高、维护难，难以覆盖所有池塘。
2.1.3 机械化装备技术水平不高 随着社会劳动力成本不断提升，池塘养殖从业人员呈现短缺与老龄化的趋势，降低劳动强度、提高生产效率和培养高素质生产人员成为发展之需。然而，我国池塘养殖机械化装备应用很少，缺乏规模化生产条件下提高饲料搬运、设备管控、起捕分级、分塘清塘等环节劳动效率的先进装备，不能满足池塘养殖发展的要求。
2.1.4 新型设施装备模式较为缺乏 目前，我国传统池塘养殖还占有一定比例，生产方式落后，已不符合“健康养殖、资源节约、环境友好、高效生产”的要求，构建生态功能稳定、生产过程可控、水土资源高效利用和排放物质再循环的集约化、设施化、智能化、信息化系统模式的设施设备不能有效引领池塘养殖生产方式的现代化转变。
2.2 工厂化养殖
2.2.1 缺乏经济适用的系统装备 在节水减排的要求下，大量换水型工厂化养殖模式迫切需要实施升级，其关键是要有符合节水、循环标准的具有设备空间小，构建模块化、组合式的高效配套装备，然而目前的循环水净化装备结构不够紧凑，也缺乏配置标准，给改造工程和补贴政策的有效实施增加了难度。
2.2.2 精准化控制程度不高 我国循环水养殖系统一般是根据最大养殖密度，对水体循环净化工艺及系统装备进行构建，尚未完全建立主养品种可控条件下养殖生物生长与营养操纵模型、品种管控与水质控制模式，对养殖环境的调整度低，养殖过程及品质无法控制，养殖系统产能利用率不高。
2.2.3 养殖废水尚未得到有效处理 目前，工厂化养殖过程中缺乏排放水净化技术与设施装备工程，能实现物质循环再利用的较少，循环水处理系统只在节约用水上发挥作用。由于养殖系统的排放无限制，循环水养殖过程中夹带大量粪便等固形物的高浓度反冲水并没有实现有效处理，排入自然水域，对环境造成污染。
2.2.4 缺乏工业化水平养殖生产方式的示范带动摆脱自然条件限制，按照产品品质要求，实施生产过程标准化管控，实现订单式高效生产是农业工业化的发展标志。水产养殖工厂化的发展目标，是实现工业化生产方式的养殖工厂。目前，我国基于精准调控的功能化鱼池设施、机械化操作装备、智能化投饲系统、数字化专家系统等还不完善，缺乏序批式养殖工艺、实现订单式养殖生产的专业化养殖工厂的示范带动。
3 国外陆上水产养殖工程化装备发展现状
3.1 池塘养殖
国外渔业发达国家池塘养殖的规模一般很小，但其建设水平符合环境生态与高效生产的要求，在基础研究、设施装备及系统构建方面有独到之处。
3.1.1 构建了养殖池塘生态工程学基础研究体系国外学者做了大量的生态工程学基础研究，如：对池塘水质和底质的特性、动力学与增氧机制进行了梳理和总结，建立了池塘生态工程学基础；提出了生态工程化系统设计的原则［27］。
3.1.2 池塘养殖装备化程度较高 澳大利亚研发利用水听器侦听对虾摄食情况的投饲设备，美国使用气力式饲料分送器，瑞典、丹麦设有窄轨式运输投饵车或气力式自动投饵机。以色列使用了内螺旋转筒式池塘起鱼机，许多地方还使用吸鱼泵，配套的电力驱赶装置或电栅栏可将鱼集中至起鱼口。印度研发使用轨道式池塘拉网机械，或围网滚筒起网机械。一些国家使用水质监控设备对池塘水质及养殖场环境水域进行实时监测。
3.1.3 构建设施化、生态化的养殖小区 池塘养殖小区以生态系统方法为基本原则，围绕区域环境、小区物质循环、排放控制以及高效生产设施，构建了多种形式养殖场。在设施化构建方面，利用潜流式人工湿地对对虾养殖池塘排水进行循环处理；美国克莱姆森大学（Clemson University）的分区循环水养殖池塘，使水体在跑道中循环流动，维持稳定的光合作用，将鱼集中在一端的笼内集中养殖，方便操作；美国大豆协会推出流水养殖池塘，将鱼集中在池塘一端的跑道设施中进行高密度养殖和集中管理。
3.2 工厂化养殖
随着工业化理念与科技手段的不断融入，以高效生产、节水减排、品质可控为特点的工厂化养殖已逐步成为渔业发达国家陆上水产养殖的主要生产方式。
3.2.1 开展了主要环境因子对养殖生物生理影响的系统研究 开展了养殖密度与应激反应研究［28］，如：舌齿鲈、虹鳟和军曹鱼的最高福利养殖密度，以及养殖密度对龙虾幼体发育期生长、新陈代谢和氨氮排泄等的影响；光谱、养殖密度和光度对鳞鲤和镜鲤生长的影响，以及光谱和光照周期对舌齿鲈生长发育和存活的影响；臭氧、紫外线对系统生物的毒性；CO2含量对虹鳟生长与品质，以及对鲑科鱼类生理的影响等，为专业化循环水养殖工厂提供了设计依据。
3.2.2 循环水处理工艺及装备研究更为深入 对移动床生物滤器、浮粒过滤生物滤器和流化床生物滤器进行了商业化应用比较试验，证明其对氨氮的去除率显著低于实验室的结果；海藻生物过滤的性能优于传统的微生物过滤；开展了浸没式生物滤池、潮汐式生物滤池脱氮效应与微生物群落变化等研究。研发出多种形式的鱼池快速排污技术，主要采用双排水和旋流分离工艺，针对不同养殖对象，组合不同比例的排水方案，提高系统净化工效，降低能耗；结合养殖对象生长特性，研发出不同形式与体量的鱼池结构。
3.2.3 专业化设计商业化的循环水养殖工厂 为保障投资效益，国外商业化的循环水养殖系统构建追求最佳的工程经济性，养殖系统的构建工艺以养殖对象的生活习性进行分类优化，其水质理化指标、鱼池结构及水流、生物滤器填料结构及组合、物流过滤等工艺方法有明显的不同，对常规游泳性鱼类、鲆鲽类、鲑鳟类、鳗鲡类［29］等建立了针对性的生产规范。
3.2.4 重视水处理排放技术研究与系统构建 在优化提高水循环率的同时，重视对系统排放水处理技术研究与系统构建，以控制对自然水域的影响。主要技术包括：对养殖系统废水采用厌氧反硝化与厌氧氨氧化技术；对分类出的淤泥进行厌氧发酵技术；与人工湿地结合进行废水净化处理等，建立有效的养殖废水净化利用装备及设施系统。
4 我国陆上水产养殖工程化装备发展的建议
推进水产养殖设施装备现代化，必须符合现代水产养殖发展的基本需求，同时要按照国家战略以及现代社会发展的基本要求，针对渔业生产力现实水平和生产实际，结合国外陆上水产养殖工程化装备发展现状，提出我国发展养殖设施装备的建议。
4.1 池塘养殖设施装备
要以主产区、主要养殖品种、规模化生产为对象，养殖环境可控、物质循环利用为核心，运用生态工程学原理，集成高效调控设施装备与健康养殖技术，构建循环型集约化养殖小区；研发高效设施装备，集成信息化控制技术，建立精准高效养殖模式。在基础研究方面，开展池塘生态要素影响机制研究，建立养殖池塘生态与养殖生物循环、固液界面物质流干预、气象因子影响等机制与模型，完善池塘生态工程学理论基础。在技术研发方面，开展精准投喂技术研究，研发智能化投喂系统；开展高效装备技术研究，研发电赶围捕装置、起鱼分塘装置、集中投喂装置；开展生态因子数字化监控系统研究，研发视觉监测系统与精准控制系统。在集成构建方面，开展池塘循环养殖技术集成研究，构建工程化池塘循环水养殖示范模式；开展信息化技术集成研究，构建养殖全程物联网技术体系。
4.2 工厂化养殖设施装备
要以主养品种为对象，养殖环境精准构建为核心，运用工程经济学原理进行专业化设计，研究构建基于养殖品种生理学基础与循环水流的可控生境，研发高效设施装备，集成智能化控制技术，建立不同类型的养鱼工厂。在基础研究方面，开展可控水体养殖应激机制研究，建立最佳密度、流场与水质边界参数；开展饲喂营养操纵机制研究，建立饲喂策略、生长模型与品质调控模型。在技术研发方面，开展设施高效利用技术研究，研发立体化功能鱼池；开展鱼池水质、水流构建技术研究，研发精准控制系统；开展循环水净化技术研究，研发快速启动型高效生物滤器；开展高效装备技术研究，研发粉料集中投饲系统，机械化起捕、分池、疫苗注射、鱼苗计数等装置。在集成构建方面，开展养殖系统技术集成，建立养殖工艺与标准体系，构建专业化成鱼养殖工厂、苗种繁育工厂典型示范模式。
［1］中国养殖业可持续发展战略研究项目组.中国养殖业可持续发展战略研究［M］.北京：中国农业出版社，2013：3－5.
［2］农业部渔业局.中国渔业年鉴［M］.北京：中国农业出版社，2015：216，242.
［3］田昌凤，刘兴国，张拥军，等.池塘底质改良机的研制［J］.上海海洋大学学报，2013，22（4）：616－622.
［4］管崇武，刘 晃，宋红桥，等.涌浪机在对虾养殖中的增氧作用［J］.农业工程学报，2012，28（9）：208－212.
［5］吴宗凡，程果峰，王贤瑞，等.移动式太阳能增氧机的增氧性能评价［J］.农业工程学报，2014，30（23）：246－252.
［6］王志勇，江 涛，谌志新.集中式自动投饵系统的研制［J］.渔业现代化，2011，26（1）：46－49.
［7］江 涛，徐 皓，谭文先，等.养鱼池塘机械拖网捕鱼系统的设计与试验［J］.农业工程学报，2011，27（10）：68－72.
［8］姚延丹，李 谷，陶 玲，等.复合人工湿地－池塘养殖生态系统细菌多样性研究［J］.环境科学与技术，2011，34（7）：50－55.
［9］Xingguo Liu，HaoXu，Xiaodong Wang，et al.An Ecological Engineering Pond Aquaculture Recirculating System for Effluent Purification and Water Quality Contro［J］.CLEAN－Soil，Air，Water，2014，42（3）：221－228.
［10］刘兴国，刘兆普，徐 皓，等.生态工程化循环水池塘养殖系统［J］.农业工程学报，2010，26（11）：237－244.
［11］Tai Haijiang，Liu Shuangyin，Li Daoliang，et al.A Multi－Environmental Factor Monitoring System for Aquiculture Based on Wireless Sensor Networks［J］.SENSOR LETTERS，2012，10（1／2）：265－270.
［12］刘世晶，陈 军，刘兴国，等.集中式养殖水质在线监测系统测量误差影响因子分析［J］.渔业现代化，2013，40（5）：38－42.
［13］曹 晶，谢 骏，王海英，等.基于BP神经网络的水产健康养殖专家系统设计与实现［J］.湘潭大学自然科学学报，2010，32（1）：117－121.
［14］李 慧，刘星桥，李 景，等.基于物联网Android平台的水产养殖远程监控系统［J］.农业工程学报，2013，29（13）：175－181.
［15］王 健，吴 凡，程果锋.基于Excel的标准化水产养殖场工程概算编制方法［J］.渔业现代化，2011，38 （2）：32－36.
［16］翟雅男，范长健，李 媛，等.一体式膜生物反应器处理水产养殖废水膜污染特性研究［J］.渔业现代化，2014，41（5）：11－16.
［17］张 正，王印庚，曹 磊，等.海水循环水养殖系统生物膜快速挂膜试验［J］.农业工程学报，2012，28（15）：157－162.
［18］张延青，陈江萍，沈加正，等.海水曝气生物滤器污染物沿程转化规律的研究［J］.环境工程学报，2011，31 （11）：1808－1814.
［19］宋奔奔，宿 墨，单建军，等.水力负荷对移动床生物滤器硝化功能的影响［J］.渔业现代化，2012，39（5）：1－6.
［20］张海耿，吴 凡，张宇雷，等.涡旋式流化床生物滤器水力特性试验［J］.农业工程学报，2012，28（18）：69－74.
［21］张海耿，张宇雷，张业韡，等.循环水养殖系统中流化床水处理性能及硝化动力学分析［J］.环境工程学报，2014，34（11）：4743－4751.
［22］张成林，杨 菁，张宇雷，等.去除养殖水体悬浮颗粒的多向流重力沉淀装置设计及性能［J］.农业工程学报，2015，31（1）：53－60.
［23］顾川川，刘 晃，倪 琦.循环水养殖系统中旋流颗粒过滤器设计研究［J］.渔业现代化，2010，37（5）：9－12.
［24］刘 鹏，倪 琦，管崇武，等.水产养殖中多层式臭氧混合装置效率研究［J］.广东农业科学，2014，41（10）：115－119.
［25］于冬冬，倪 琦，庄保陆，等.气提式砂滤器在水产养殖系统中的水质净化效果［J］.农业工程学报，2014，30（5）：57－64.
［26］张宇雷，吴 凡，王振华，等.超高密度全封闭循环水养殖系统设计及运行效果分析［J］.农业工程学报，2012，28（15）：151－156.
［27］Scoatt D.Bergenetal design principles for ecological engineering［J］.Ecological Engineering，2001，18（2）：201－210.
［28］张建华，丁建乐.国外水产养殖工程技术研究进展［J］.渔业现代化，2013，40（4）：40－49.
［29］宋奔奔，吴 凡，倪 琦.国外封闭循环水养殖系统工艺流程设计现状与展望［J］.渔业现代化，2012，39 （3）：13－18.
（责任编辑：冯 卫）
Situation of China Land－based Aquaculture Engineering Equipment and Suggestion for Its Development
HUANG Yixin，XU Hao＊，DINGJianle
（Key Laboratory of Fishiery Equipment and Engineering，Ministry of Agriculture，Fishery Machinery and Instrument Research Institute，Chinese Academy of Fishery Science，Shanghai 200092，China）
Fishery engineering equipment is the important premise and guarantee for the aquaculture industry to achieve intensive and large－scale culture.As an important fish farming way in our country，the land－based aquaculture has developed rapidly，and has made great contributions to provide a large number of high quality protein for the majority of the Chinese people，and to meet the growing demand for food and the food security of China in recent years.The fishery engineering equipment has played an important role during this development process.The authors provided a reference for the research and application of land－based aquaculture engineering equipment in China，analyzed the development status and the existing main problems of the facilities and equipment for pond aquaculture and industrial aquaculture in China during the 12th five－year，and the current development status in foreign countries，and also made some proposals for its future development.
land－based aquaculture；engineering equipment；development；fishery
S95
A
1001－3601（2016）07－0306－0087－05
2016－03－04；2016－05－10修回
农业部渔政管理项目“渔业装备与信息化战略研究”（2015KY007）
黄一心（1969－），男，高级工程师，从事渔业信息与战略研究。E－mail：huangyixin＠fmiri.ac.cn
＊通讯作者：徐 皓（1962－），男，研究员，从事渔业装备研究。E－mail：xuhao＠fmiri.ac.cn
