生态沟渠在淡水池塘养殖废水治理中的作用及构建技术

顾兆俊 刘兴国 程果锋 王小冬

摘  要：文章研究了我国淡水池塘养殖的水域环境现状、淡水池塘养殖的自身污染及其影响，并通过国内外对水产养殖废水排放调控技术的现状研究，表明了利用生态沟渠来防治水产养殖污染的重要作用。同时通过对几种主要的生物操纵技术及其应用方式，研究了池塘养殖废水排放沟渠的生态化构建技术。

关键词：池塘养殖;养殖污染;生态沟渠;生物操纵

中图分类号：X52          文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）26-0127-06

Abstract： In this paper， the present situation of water environment， self-pollution and its influence of freshwater pond culture in China were studied， and the current situation of discharge control technology of aquaculture wastewater at home and abroad was studied. It shows that the use of ecological ditches to prevent and control aquaculture pollution plays an important role. At the same time， through several main biological manipulation techniques and their application， the ecological construction technology of pond culture wastewater discharge ditch was studied.

Keywords： pond culture; culture pollution; ecological ditch; biological manipulation

中国是渔业生产大国，其水产养殖品的总产量长期处于世界领先地位。淡水池塘养殖是我国渔业发展不可或缺的中坚力量，据2016年渔业统计年鉴显示[1]，2015年我国有淡水池塘养殖面积2701.22千公顷，占淡水养殖总面积的43.94%，占全国水产养殖面积的31.91%;池塘养殖产量2195.69万吨，占淡水殖产量的71.70%，占全国水产品总产量的44.47%。但传统池塘养殖模式中存在的一些问题也越来越明显，生产过程中的水资源消耗和水域环境问题尤为突出。

随着水产养殖业的迅速发展，盲目扩大规模和投入的负面效应日益严重。为了提高产量，向养殖水体过量投放苗种和饲料，造成了水环境的急剧恶化，从而使水产养殖自身的污染与水域环境的矛盾也日益突出，并伴随着养殖生物病害的频繁发生。水环境污染不仅制约了我国水产养殖业的健康发展，也对养殖区及其毗邻水域的生态环境产生了重要影响[2]。目前我国多数淡水池塘养殖场的用水来自周边的各河流、湖泊。淡水养殖池塘、水库、河流由于养殖条件的需要，水中剩余的氮、磷、有机物有一定的积累[3]。面对池塘养殖发展对水域环境不断恶化的严峻形势，急需采取各种有效措施来最大限度地抑制水产养殖废水排放对生态环境的影响。

1 水产养殖废水治理的意义

水产养殖是我国渔业发展的主要增长点，其不仅丰富了市民的蛋白质来源，且对有效改善农村经济结构，解决农民就业等社会问题起到了积极的向上作用。随着经济的快速发展以及养殖业者对养殖产品的高效益追求，在高投入高产出的模式下，养殖密度远远超过了水体可承载量，养殖规程中大量的饲料残饵、生物代谢产物和肥料等其它投入品的累积，导致水体自净能力急剧下降，水体富养化显著，养殖水体的自身污染日益严重[4-5]。韩志泉等[6]研究显示，与浮游植物数量显著相关的水质指标是总氮、总磷，水中总磷浓度每上升0.01mg/L，浮游植物便增加3.53×10个/L;Brown等[7]发现，离养殖区越近，水质DO饱和度（溶解氧实际含量/饱和含量）越低。养殖区附近3m和15m处的水质DO的饱和度分别为35%～70%和50%～85%。

我国在2007年颁布了相关的行业标准《淡水池塘养殖水排放要求》（SC/T9101-2007），但由于我国水产养殖区域分布广、养殖用水又属于无组织排放，故对水产养殖排放水进行管控效果不佳。水产养殖业属环境依赖型产业，其环境状况决定了养殖的成败及产品的质量。但养殖生产的同时也会产生自身污染，对周边水域环境和生态系统构成威胁，进而制约其可持续发展。从水产养殖整个产业链来看，生态环境质量是关键所在[8]。因此，保护渔业环境成为实现水产养殖业可持续发展的关键因素。

2 淡水池塘养殖的自身污染及其影响

水产养殖自身污染是指由于水产养殖活动的自身因素导致养殖水体环境及周边邻近水体中的污染物含量超过正常水平，导致水体的生态功能受到影响的水体状况。水产养殖自身污染主要来源于养殖场地周边的陆源污染、养殖过程中的过量投入品（人工饲料、水产苗种、渔用药物、肥料及其它非药品类等）以及由此所产出的固液态废弃物（残饵、代谢物以及固态物质的溶出成分等）。除此之外，养殖过程中所形成的底部沉积物也是自身污染來源的一部分。在当前中国淡水池塘养殖的高投入、高产出生产模式下，养殖密度超过了水体容量，大量的残剩饵料、肥料和生物代谢产物累积，使得水体自净能力下降，水体富养化显著，养殖水体的自身污染日益严重[9]。同时，养殖环境的恶化会使病毒、细菌等致病微生物在水中大量滋生，对养殖生产的安全防控和水产品质量安全风险造成严重影响。水产品质量安全风险如果带入最终加工成品中，将对消费者的身体健康产生严重威胁。另外，在生产中大量排入外界河道的养殖废水，可能导致水域环境的急剧富营养化，使得藻类等大量繁殖并产生多种毒素，污染外界的水体、土壤和空气，最终形成“养殖水体-土壤-养殖生物-大气”的立体连锁污染[10]。

3 水产养殖废水排放调控技术

养殖排放水对周围水域环境的负面影响日益加重，养殖产生的废水如果不积极进行治理，极易导致周围水环境的污染，破坏水域生态平衡和限制农村经济可持续发展[11]。我国淡水池塘养殖场的废水基本上是不经处理直接排放的，加之很多主产区的养殖场数量多、距离近，场与场之间的进水口、排水口往往近在咫尺，很难保证生产用水的质量[12]。沟渠是农业生产排放水的汇聚地，无论农田还是养殖池塘，一般都是通过相对应的排水沟渠流入外界的江河湖泊中。把排水沟渠构建成具有自身独特结构并发挥相应生态功能的沟渠系统，即为生态沟渠。目前常用的水体修复技术主要有：（1）物理方法。主要有沉淀、曝气、搅动以及放置水质改良机等养殖机械设备;（2）化学方法。主要是在水体中投入生石灰、絮凝剂以及其他消毒制剂等;（3）生物方法。包括人工湿地、生物浮阀、生态沟渠、微生物制剂等[13-14]。其中的生物方法以成本低、无次生污染而受到欢迎。我国大部分传统养殖场修建时间较长，没有预留可直接构建人工湿地的场地，因此将现有排水沟渠改造为具有水质净化作用的生态沟渠是一种操作性较强的水体修复技术[15]。

生态沟渠主要运用生态学和生物操纵原理[16]，将各具特点的生态单元（水生植物-微生物-水生动物）按照一定的比例和方式组合成具有污水净化和资源化双重功能的处理技术。吴湘等[17]运行生态沟渠对中华鳖温室养殖排放水体净化效果，表明通过构建生态沟渠技术体系处理中华鳖温室养殖排放水体是一种治理淡水养殖排放水体的高效新技术，同时也是一种控制农业面源污染的有效新途径，在此后的研究中可将该种净化模式逐步推广应用至其他淡水养殖行业排放污水的净化处理中。陶玲[18]等研究生态沟渠可以增加水中溶氧，使N、P等物质得到进一步去除，达到改善养殖生态环境，减少养殖废水任意排放的目的，可作为一项新的池塘生态工程技术在传统池塘养殖设施升级改造中推广应用。

4 国内、外研究现状

关于农业面源污染物的生态控制，主要有生态农业建设、植物缓冲带、沟渠生态拦截等方面[19]。其中，生态沟渠是由排水沟渠及其内部种植的植物组成，通过沟渠拦截径流和泥沙，植物滞留和吸收水中营养盐，实现生态拦截氮、磷的功能[20]。水生植物在水体中的生态功能在农业面源污染控制中起着十分重要的作用[21]，姜翠玲等[22]研究表明，沟渠湿地可通过底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解净化排水汇集的非点源污染物，杨林章等[23]研究也表明，生态沟渠对农业非点源污染氮磷削减率达40%以上。因此，将沟渠改建为生态沟渠，对去除农业面源污染中的N、P具有重要意义[24]。生态沟渠不仅对水体的净化效果显著，而且不另占用土地，具有应用推广价值[25]。

在国外，农业面源污染已经对水体质量和生态系统产生严重威胁，在美国，非点源污染源是造成当地水环境恶化的主要源头，而农业排放水产生的非点源污染占了3/4左右。其常用的技术手段是人工湿地[26]为主，通过利用本地优势水生植物直接吸收底泥和水层的营养盐，同时其根系还可为有益微生物提供良好的环境，改变了基质的通透性，增加了对水体中有害物质的吸收和沉淀[27-28]。在沟渠运用方面，美国和加拿大有65%的农田利用沟渠网排水[29-31];有些国家通过沙子作为过滤基质来构建沟渠，依靠其储存雨水收获降水[32]。过去许多国家或地区在农业生产中主要通过沟渠来排水，现在可通过沟渠生态化构建技术来恢复湿地或改善幸存湿地的湿度[33-34]。

综合国内外对生态沟渠技术的研究调查来看：第一，对沟渠的生态化构建主要应用在农田农业面源污染治理和环境保护方面，针对水产养殖池塘方面的研究较为罕见;第二，运用的手段主要是以水生植物调控的生物技术方法为主，较为单一;第三，对生态沟渠的研究是作为一个系统内的配套单位，鲜见作为独立单位研究生态沟渠构建的，缺乏应用推广性。

5 池塘养殖废水排放沟渠生态化构建技术

在实际的养殖生产中已经应用的，带有水处理的养殖模式的主要有两类：工厂化循环水养殖系统模式（室内）和附有人工湿地的生态工程化养殖模式（户外）。由于其均对前期设施构建的成本投入较高，只有在少数大型的养殖单位生产中使用，因此实际上我国池塘养殖污水基本都是不经过处理直接排放的。但无论是水产养殖还是其它农业生产活动，其污染排放均要通过固定的排水沟渠排入外河，因而把排水沟渠构建成可普及推广的功能性生态沟渠，是控制和解决农业面源的重要基础手段之一。

5.1 生物操纵技术

水体富营养化是指氮、磷等营养物质含量过多所引起的水质污染现象，其显著特征是浮游植物的大量生长繁殖。水体富营养化会破坏水体生态系统的平衡、使水质恶化、影响水的饮用功能、并对鱼类等水产资源产生严重的影响。水体富营养化的治理，需要通过控制外界氮、磷营养物质的排入，同时去除水体内过量的氮、磷，并且采取措施建立健康的生态系统，才能达到较为理想的治理效果。一些传统的物理、化学治理方法治理效果不甚理想，而且还可能对生态环境造成一定的破坏，而生物操纵法作为一门用于防治水体富营养化的高效技术在国内外进行了相关的研究与探索，并取得了一些宝贵的经验。

生物操纵（Biomanipulation）技术的基本概念，最早是由Shapiro在1975年提出来的，他认为可以利用食物网结构对水体初级生产力的决定性影响来控制水体富营养化[35]。生物操纵也被称为食物网操纵（food-web manipulation），是指通过人为调整水体中某种生物群落结构，即发展某种水生动物并抑制或消除另一种水生动物，以促进大型牧食性浮游动物的发展，达到提高浮游动物或鱼类自身对藻类的摄食消耗效率的目的，从而控制藻类的过量生长并改善水质。随着生物操纵研究的深入发展，发现浮游动物逃避食浮游动物鱼类的某些行为或环境条件对生物操纵有重要作用，包括温度避护所、低氧避护所、光避护所、水草或其它避护所、敞水區干扰避护所、行为性避护所和捕食者无效避护所等[36]。根据相关研究成果，Shapiro重新定义了生物操纵的概念，在水体的生态系统中，通过合理运用内部营养级之间的关系，人为对某些生物群落及其生境进行一系列操纵，以达到藻类生物量下降等水质改善目的;其核心是通过浮游动物滤食浮游藻类，增加水体透明度。生物操纵法有两种典型方法——经典生物操纵法和非经典生物操纵法。通过放养凶猛鱼类（在北美和欧洲广泛采用）来间接遏制藻类的生物操纵称为经典生物操纵（traditional biomanipulation）;把通过放养滤食性鱼类（并同时控制凶猛鱼类）来直接摄食藻类的生物操纵方法，称之为非经典的生物操纵（non-traditional biomanipulation）。

5.1.1 经典生物操纵技术

在自然水体中，水生生物的食物链通常为：鱼食性鱼类-食浮游动物鱼类-浮游动物-浮游植物。大型浮游动物对藻类滤食效率较高、摄食范围较宽，因此当增加浮游动物特别是大型浮游动物的数量、种群時，可以有效的控制浮游植物的数量。经典生物操纵核心就是利用浮游动物来控制藻类，通过投放鱼食性鱼类来控制食浮游动物鱼类，改变浮游动物食性鱼类的数量和种类，来调整藻食性浮游动物的群落结构，以壮大滤食效率高的藻食性浮游动物（特别是枝角类）的种群，通过浮游动物种群的壮大来遏制浮游植物的发展，从而降低藻类生物量，提高水体的透明度，最终达到改善水质的目的[37]。另外有研究发现，底栖鱼类的觅食等活动能搅动底泥层积物，向水体中释放氮、磷营养盐，为浮游植物的生长繁殖提供营养。Meijer等[38]提出的模型揭示，由于底栖食性鱼的扰动，造成浅水湖沉积物再悬浮，其再悬浮比例占到总体浊度的50%，而且随着底栖鱼类与无机悬浮物之间存在正相关性。鱼食性鱼类可通过摄食底栖鱼类，减少营养盐从底泥到水体的输送，从而间接减少浮游植物的繁衍。利用高密度放养鱼食性鱼类来控制浮游生物食性鱼类的生物操纵技术，投放鱼食性鱼类鳜鱼，有可能起到较好的治理效果。

5.1.2 鲢、鳙非经典生物操纵技术

鲢、鳙是典型的滤食性鱼类，主要以浮游植物为食，可以捕食硅藻、金藻、隐藻和部分甲藻、裸藻及大部分绿藻、蓝藻，而且具有生长快、产量高、易捕捞等特点。因此利用鲢、鳙的摄食直接控制水体中的浮游植物，可达到抑制藻类快速生长繁殖、有效控制水体富营养化的效果。鲢、鳙具有去除水体中氮、磷的效果，崔福义等[39]通过实验证明，在放养量适宜的条件下，磷的去除效率与鲢、鳙鱼的生物量有关。张水元等[40]对武汉东湖的监测结果也表明，东湖鲢、鳙鱼类从水中提取的氮、磷量占整个水体氮、磷输入量的10%左右。鲢、鳙捕食藻类后，通过自身的消化作用，将部分食物转化为鱼蛋白等生命物质，其余部分以粪便形式排出后，经微生物分解后重新循环转化为初级生产力，最终被重新利用，造成营养盐的“短路”现象，加速了水体氮、磷的利用进程，并最终将氮、磷营养盐以鱼产品的形式移除到水体之外[41]。

为成功运用非经典生物操纵技术，首先应确保鲢、鳙的投放成活率，这就要采取措施控制水体中的捕食鲢、鳙鱼种的凶猛性鱼类的数量。其次，鲢、鳙摄食消化利用的浮游植物生物量需大于浮游植物的繁殖增长量。不同地域、环境的水体对能控制藻类水华的鲢、鳙的放养密度有不同的要求，在浅水水域中，鲢、鳙放养密度要低以些，以50g/m3为宜，以放养鲢为主，放养鳙为辅，鲢鳙比例为7：3左右[42];在深水水域中，放养密度则要提高一些，并增加鳙的放养比例才可能取得较好的效果。

5.1.3 栽种水生植物

水生植物拥有发达的根系，可以吸收、消化水中的大量的营养物质。水生植物具有吸附水体中生物性和非生物性悬浮物质、增强固着和稳定水体底质、提高水体透明度、改善水下光照条件、增加水体溶解氧的作用[43]，而且对氮、磷具有良好的去除效果。虽然不同的水生植物去氮、磷效果并不相同，但总体来说，水生植物能对水中氮、磷去除效果明显。另外，水生植物可以为植食性浮游动物提供庇护，帮助其逃避鱼类的捕食。水生植物的生长也会同藻类等展开直接的竞争，从而来抑制藻类的生长繁殖。水生植物还能通过促进物质的沉淀和促进微生物的分解作用来净化水体。可见，良好的水生植被系统对控制水体富营养化作用明显。水生植物还可以吸收和富集某些小分子有机污染物，对有毒的有机污染也有明显的净化作用[44]。

在大部分富营养化的水体中，由于与藻类存在着直接的生存竞争，因此恢复时只有保证一定的覆盖率才能使水生植物处于竞争优势，抑止藻类生长;另外不同的水生植物具有不同的生长特点、对水体的净化效果也不相同，而且水生植物在不同的季节对营养盐的去除效果也不相同[45]，应结合水体自身状况综合考虑，按照安全、生态、经济的原则选择适宜的水生植物，重建水生植被，使水体生态系统恢复，才能达到较好的控制水体富营养化的效果。

5.1.4 投放蚌、贝类

河蚌、贝类是栖息于不干涸的湖泊、河流内的底栖动物。河蚌摄食来源主要有水生植物、浮游植物、浮游动物、和小型水生动物及其它动物的尸体。河蚌可以从两个方面改善水质：（1）通过摄食作用将藻类等浮游植物和悬浮物吞食消化;（2）将部分未吞食的浮游植物以过滤物的形式排出体外，而且水体中悬浮物质颗粒浓度越大，河蚌的过滤量越大。使水中的悬浮物沉降到水底土壤中，起到改善水质的作用。贝类滤食系统发达、滤水效率高，一个50mm～60mm的贻贝每小时能过滤3.5L水[46]。贝类能通过滤水作用大量摄食浮游植物，对水质的净化效果非常明显。

5.1.5 培植微生物类群

微生物是自然界中个体最小、数量最大、分布最广、种类最多的生物类群[47]。微生物具有通过氧化、还原、光合、同化、异化作用，将水体中有机污染物一部分转化为微生物自身物质，另一部分则彻底分解为CO2、NH3、P等无机物[48]。通过对水体中的有机污染物生物降解，降低水中营养物质的含量，从而抑制藻类生长、改善水体环境、净化水质。微生物还能作为浮游动物的食物，研究发现，微生物能够在浮游植物不足时，起到稳定维持食藻性水生生物食物网的作用，防止因藻类不足而引起食藻性水生生物生物量下降的情况[49]。

利用微生物制剂修复受污染水体不会造成微生物大量繁殖，不会对水体造成污染。因为当水体中的富营养化物质得到有效控制后，此时水体中的大部分有机物已被微生物降解，如果没有新的有机污染物进入水体，那么微生物将失去营养源而导致其生长受到抑制[50]。可见，通过合理的微生物类群的生物操纵，有可能形成具较强生态功能的水体生态环境。

5.2 生物操纵技术的应用

生物操纵法提出后，人们就将其运用到实际中，在一些富营养化水体取得了理想的效果。Mehner[51]总结了生物操纵的实际应用效果，发现在已经施行生物操纵的实例中，大部分生态操纵对治理富营养化有明显效果，有约60%取得了明显的水质改善效果，仅有不到15%的生物操纵完全以失败告终。而这些水质改善不成功的原因可能包括以下两个方面：

一方面，生物操纵技术自身存在一定的条件限制。对于经典生物操纵，浮游动物无法持久而有效的控制大型藻类[52]，浮游动物对于超微藻和蓝藻不能有效摄食，那么，浮游动物对其他藻类的摄食，将会有利于超微藻和蓝藻的生长繁殖，从而无法达到治理效果。另外，随着浮游动物的种群优势确定，大型肉食性浮游动物会大量生长繁殖，它们攻击摄食小型植食性浮游动物，使得浮游植物的数量重新大量增长。随着浮游生物食性鱼的大量被摄食，鱼食性鱼类的食物来源也成为问题。McQueen等[53]的研究表明：只有当浮游生物食性鱼类的种群密度被降到很低时才可能实现水质的改善，但是鱼食性鱼类往往不能长期维持这种稳定状态;对非经典生物操纵治理水体富营养化的技术，鲢、鳙对浮游植物、藻类的消化利用率较低，被吸收利用的有机物数量远小于在初步消化后以粪便形式排出的有机质数量。因此，反而会在很大程度增加水体中的营养物质，从而加速了浮游植物的生长繁殖。这种作用对水体富营养化的影响较渔获物对氮磷的移除作用要大得多[54]。Domaizon等[55]研究发现，鲢的投放数量会对浮游植物群落的数量产生直接影响，水体中叶绿素a含量随着鲢的投放密度增大而增加。鲢、鳙摄食蓝藻等大型浮游植物，对藻类水华治理效果明显，但随着时间的推移，可能会使浮游植物种类小型化，小型浮游植物大量生长繁殖，使水质再次变差。

另一方面，由于各水体的营养状况、功能等方面存在差异，而生物操纵技术也有对适用环境的要求。根据前人的大量试验及研究成果，总结了各种生物操纵技术对适用环境的要求，见表1。只有在适宜的环境中各种生物操纵技术才可能取得较好的效果。

5.3 沟渠生态化构建工艺

不同操纵技术模式针对不同条件下养殖废水的净化效果上均有某方面的相对优势。除了可以根据实际情况构建单一的生态沟渠，也通过对不同生态构建技术的优劣势分析，互补组合，来构建更全面的复合型生态沟渠。

（1）并联式。在生态沟渠内继续分隔构建多条二级沟渠，每条二级沟渠分别单独安装一道闸门，每次排放养殖废水时，可根据实际的水质情况来选择具体所需要的二级生态沟渠。例如当年池塘所排出的养殖废水中，藻类密度较高但富营养化程度较低，可以选择开启以“非典型生物操纵”技术模式构建的二级生态沟渠进行养殖排放水处理，关闭其他技术模式构建的二级生态沟渠。诸如此类，根据当前气候季节、当前池塘养殖主要污染物的构成情况，来选择有针对性的沟渠进行排放水的生态化处理。

（2）串联式。在沟渠较小（窄）的情况下，并联构建多条二级生态沟渠没有足够的空间条件。在此情况下可以选择串联的方式，把生态分隔成数块区域，分别进行不同技术模式的生态化构建。无论当年池塘中水质情况如何，在养殖废水排入外界河道前，水体中所有类型的污染物都能预先得到初步的净化处理。

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