光伏板对中华绒螯蟹养殖环境和生长的影响研究

牛 超，吴立峰，庞杨洋，杨筱珍，宋亚猛，宋晓哲，石敖雅，石兴亮，成永旭，吴宗文

(1.上海海洋大学 农业部淡水水产种质资源重点实验室，上海 201306； 2.上海海洋大学 上海水产养殖工程技术研究中心，上海 201306； 3.上海海洋大学 水产科学国家级实验教学示范中心，上海 201306； 4.通威新能源科技(北京)有限公司，北京 100000； 5.通威新能源有限公司，四川 成都 610000)

光伏发电(Photovoltaic Power System)起源于1893年法国科学家贝克勒尔发现的“光伏效应”，光伏发电产业的发展可以有效缓解化石能源的紧缺，促进国民经济可持续发展，在世界各国受到广泛重视，目前我国已成为光伏发电第一大国[1-2].光伏发电属于清洁能源，使用时不消耗燃料、没有环境污染，但占地面积大、系统成本高[3].因此将光伏发电和农业经营二者有机结合，实现一地多用，提高单位土地的产出率将部分解决其占地面积大及成本高等问题[4-5].目前，光伏蔬菜大棚、光伏畜禽养殖大棚、“渔光互补”水产养殖等项目在我国不断发展[6]，但并未见光伏发电区域养蟹的报道.中华绒螯蟹(Eriocheirsinensis)是我国重要的养殖经济蟹类，目前存在养殖池塘租金高、可开挖土地面积少等制约产业发展的因素[7].将光伏发电与中华绒螯蟹养殖结合是近年来产业融合发展的新思路，但是目前仍缺乏系统研究，光伏发电中光伏板对中华绒螯蟹养殖的影响仍然未知.光伏板可以挡住阳光产生阴影，降低了光照强度并由此导致水温降低[8-9].光照强度和温度对动植物的生长发育有直接影响[10-16]，高光强会降低动物繁殖能力，高温会导致动物幼年期生长速度加快，但成熟时的规格较小，加速生殖衰老等[10-12].对于中华绒螯蟹来说，其生长过程中光照和温度不可或缺，对蜕壳和发育都有重要影响，但也存在夏季高温季节引起的食欲下降、生长缓慢及水质恶化等问题[12,17-19].此外，光照及温度对植物生长和生理有显著影响，高光强和高温会降低植物水分、增加角质层、减少了光合色素，影响产量和质量[13,20-21].光照强度与植物的光合作用也直接相关，水生动物生长所需的溶解氧直接来源于沉水植物及浮游植物的光合作用[22-23].因此，综合评价光伏发电对养殖水体光照强度、温度以及溶解氧等的影响，将有利于指导“蟹光一体化”产业的发展.综上，本文研究的目的是比对池塘中光伏板区域的光照强度、水温、溶解氧与非光伏板区域的差异，并研究池塘中栽种的水草和中华绒螯蟹二者的生长情况，为“蟹光一体化”产业发展提供可靠数据.

1 材料与研究方法

1.1 实验对象

参考沈伟芳等[24]对中华绒螯蟹“长江2号”放养规格和密度的报道，本实验的两个池塘设实验组和对照组各4个平行网围，投放“长江2号”中华绒螯蟹一龄蟹种.对照组和实验组每个网围均投放1 600只.对照组蟹种的规格为106只/kg，光伏区(实验组)网围蟹种规格为130只/kg.在放苗前随机取10只雄蟹、10只雌蟹进行解剖，鉴定蟹种健康程度.于2019年4月10日到15日完成蟹种投放工作.

1.2 实验设计

光伏组件(图1)采用单块功率275/280 Wp单晶体双玻组件，尺寸(含护角)是1 661 mm×995 mm×8.5 mm；采用横向2×24双排布置，每个子阵列共48块组件，子阵列南北方向间距为6 200 mm，东西方向间距为1 000 mm；组件固定倾斜角度为28°；桩顶设计标高5.4 m，实验养殖水深未超过0.8 m(环沟为1.7 m).在通威(江苏省)省级精品渔业园池塘中设置4个非光伏区网围(对照组，Control)和4个光伏区网围(实验组，Treatment)，每个网围长×宽×高=25 m×20 m×2 m(图1).参考文晓峰等[25]对伊乐藻的研究，在网围设置好后，给对照组和实验组网围加水，种植伊乐藻.一般每日下午投喂一次南通巴大饲料有限公司的中华绒螯蟹配合饲料，投喂量占中华绒螯蟹体重的2%～3%.到6月份时，在网围内设置盘式曝气增氧机，保证增氧机在采集溶氧数据后开启，在高温期开机时间为晚上7点至次日早上8点[26].

图1 (a) 非光伏区网围(对照组)； (b) 光伏区网围(实验组)Fig.1 (a) Non-photovoltaic panel area (Control); (b) Photovoltaic panel area (Treatment)

1.3 数据采集

1.3.1 水环境因子测定

光照强度采用水上光照仪(希玛AS823)和水下光照仪(上海嘉定学联MOOEL ZDS-10W-2D)测定，以lx为单位，分别在月中和月末测定非光伏区和光伏区的光照强度.测定光照强度位置选择距离水面上10 cm处，命名为“水面”、距离水面下20 cm处命名为“水下”、离水底5 cm处命名为“水底”.水底溶解氧采用哈希HQ40d便携式溶氧仪测定，测定时间为月中和月末的下午1点至4点，测定水底溶解氧位置选择有水草区水底(离水底5 cm)和无水草区水底(离水底5 cm).水温采用精创RC-4温度计记录仪测定，测定时间为月中，所测位置在水下10 cm(无水草).

1.3.2 伊乐藻根系测定

分别在6、7和8月月中测定了各组伊乐藻根系.对4个对照组网围和4个实验组网围的伊乐藻定点取样，共8个采样点.使用乐祺电子天平秤，称取每网围内120 g湿重伊乐藻，记录白根数和老根数，实验结束时计算伊乐藻根系总数，相关计算公式如下： 根系总数=白根数+老根数.

1.3.3 中华绒螯蟹生长测定

根据对养殖中华绒螯蟹蜕二壳、三壳、四壳后生长情况观察，选择5月、6月和8月中旬(由于7月份中华绒螯蟹没有蜕新壳，所以没有相关数据)测定中华绒螯蟹体重(g)、体长(mm)和体宽(mm)，每次蜕壳后在各网围平均打样雌、雄蟹至少各10只.

1.4 统计与分析

所有数据均采用平均值±标准差(Mean±SD)表示.利用SPSS 16.0进行组间显著性分析，P<0.05表示差异显著.采用Origin 8.0软件绘图.

2 结 果

2.1 光伏板对水环境因子的影响

在光伏板下，水面、水下以及水底处光照强度显著低于对照组(P<0.05)，表现出明显的遮阳作用.以5月份月中检测数据为例(图2(a))，对照组4个网围水面平均光照强度为(74 696.6±3 191.4) lx，显著高于实验组((10 844.6±1 049.1) lx，P<0.01)；对照组4个网围水下20 cm的平均光照强度为(40 516.7±6 503.1) lx，也显著高于实验组((4 897.5±869.9) lx，P<0.01)；对照组4个网围水底的平均光照强度为(20 685.0±2 368.6) lx，同样显著高于实验组((3 255±124) lx，P<0.01).其余6月份(图2(b))、7月份(图2(c))以及8月份(图2(d))检测结果均表现出光伏板的存在显著降低了水体光照强度(P<0.01).

图2 光伏板对养殖水体水面、水下20 cm以及水底光照强度的影响Fig.2 The effects of photovoltaic panels on the light intensity in the water surface, underwater 20 cm, and the bottom of the water

光伏板存在对水体光照强度产生影响，进而直接影响水体温度.实验数据表明，光伏板存在直接导致5月、6月、7月以及8月份平均最高水温显著低于对照组(P<0.05)，以5月份月中检测数据为例(图3(a),见第256页)，对照组水体平均最高温为(24.5±0.7) ℃，显著高于光伏区4个网围水体平均最高温度((23.0±0.8) ℃，P<0.05).在整个实验周期内，夏季高温天气出现在7月份月末和整个8月份，光伏区和非光伏区最高水温分别表现为： 7月份月末，实验组平均最高水温为(33.4±0.4) ℃，显著低于对照组((34.8±0.5) ℃，P<0.05)；8月份月初，实验组平均最高水温为(32.2±0.2) ℃，也显著低于对照组((34.5±1.8) ℃，P<0.05)；8月份月末，实验组4个网围平均最高水温为(30.7±0.0) ℃，同样显著低于对照组((33.55±1.4) ℃，P<0.01)，上述结果表明光伏板有效降低夏季高温季节水体最高温度.同时，光伏板存在对水体最低温度的影响较小，以6月份月中检测数据为例(图3(b))，对照组平均最低温((25.5±0.3) ℃)与实验组((25.5±0.25) ℃)无显著差异.光伏板存在对夏季日平均温有较大影响，以七月份月中检测数据为例(图3(c))，对照组日平均温度为(29.3±0.5) ℃显著高于实验组((28.6±0.3) ℃，P<0.05)，实验记录7月份月末为阵雨转多云天气，7月份月末的日平均温很可能与天气变化有关.图3显示光伏板的存在显著降低6月份月末至8月份月末养殖水体的日平均温度(P<0.05).

图3 光伏板对养殖水体温度的影响Fig.3 The effects of photovoltaic panels on the water temperature

光伏板存在对水体的另一个直接影响是溶解氧浓度的变化，光照强度及温度的变化对水体内水生植物以及浮游植物光合作用产生较大影响.结果证实水草区的溶解氧受光伏板影响较大，以水草区5月份月中的溶解氧检测数据为例(图4(a))，对照组平均溶解氧为(12.2±0.4) mg/L显著高于实验组平均溶解氧((11.1±0.5) mg/L，P<0.05).光伏板存在也导致水草区6、7、8月份的水底溶解氧显著降低(图4(b、c、d))(P<0.05).但是，光伏板存在对无水草区溶解氧影响并无规律，无水草区6月份月中对照组平均溶解氧((10.4±1.2) mg/L)与实验组((9.6±0.8) mg/L)相比无显著差异(图4(b))；而6月份月末对照组平均溶解氧((11.2±2.4) mg/L)则显著高于实验组((9.9±0.4) mg/L，P<0.05).光伏板存在对7、8月份无水草区的溶解氧(图4(c、d))的影响在不同时间段也不同.但无水草区5月份月中及月末对照组平均溶解氧均显著高于实验组(P<0.01)，表明高温季节对无水草区溶解氧的影响可能受到水体温度等其他因素的影响更大.上述数据显示，实验组和对照组所有网围的平均溶解氧均高于5 mg/L，能够满足中华绒螯蟹生长所需.

图4 光伏板存在对养殖水体溶解氧的影响Fig.4 Photovoltaic panels affected the dissolved oxygen

2.2 光伏板对伊乐藻根系生长的影响

光照对水生植物的生长有直接影响，根据总根数的检测情况，发现对照组中伊乐藻总根数在6月份(146±30根)、7月份(41±11根)、8月份(21±8根)呈逐渐下降趋势(图5(a))；而光伏板存在使得伊乐藻总根数在6、7月份呈减少趋势(图5(a))，但8月份伊乐藻总根数显著增加.上述结果表明8月份高温季节光伏板存在有利于伊乐藻生长，而在非高温季节不利于水草生长.统计伊乐藻白根数更能说明光伏板存在有利于高温季节伊乐藻生长，如6月份对照组平均白根数((44±18)根)显著高于实验组((25±12)根，P<0.05)，而7月份则无显著性差异，8月份实验组平均白根数((39±16)根)显著多于对照组((14±8)根)(图5(b)，P<0.05).此外，对照组平均老根数(图5(c))在6、7、8月份一直在减少，从6月份(119±37)根减少至8月份(8±3)根，出现烂根和草根消失现象.而实验组6月份平均老根数为(31±13)根与8月份(40±14)根无显著差异，反映出高温季节光伏板降低光照强度和水温的作用有利于伊乐藻根系生长.

图5 光伏板对伊乐藻草根生长的影响Fig.5 The effects of photovoltaic panels on the growth of Elodea nuttallii

2.3 光伏板对中华绒螯蟹生长规格的影响

实验结果表明光伏板存在有利于雄蟹生长(图6(a、b、c),见第258页)，6月份实验组雄蟹平均体重((45.8±2.6) g)显著高于对照组((41.8±1.8) g，P<0.05)(图6(a))，8月份实验组雄蟹平均体重((72.8±2.0) g)也显著高于对照组((66.5±2.7) g，P<0.05)，同样6月、8月实验组4个网围的雄蟹平均体长和体宽也显著高于对照组(图6(b、c),P<0.05).5月份实验组雄蟹平均体重((18.0±1.5) g)显著低于对照组((21.3±0.6) g，P<0.05)的原因在于投放苗种时在实验组投放了一批规格较小的种蟹，这些结果表明光伏板存在使雄蟹生长速率大于对照组.光伏板存在对雌蟹生长影响较小(图6(d、e、f))，其中5、6月份，实验组4个网围的雌蟹平均体重与对照组无显著差异(图6(d)).但是8月份，实验组4个网围的雌蟹平均体重为(69.7±0.7) g显著高于对照组((67.2±1.9) g，P<0.05)(图6(d))，其余各组均差异不明显(图6(e、f)).结果表明光伏板存在对雄蟹和雌蟹生长规格的影响不同，对雄性生长表现出明显的促进作用，而对雌蟹的影响较小明显，表明光伏板存在对中华绒螯蟹生长的影响可能存在性别差异.

图6 光伏板对中华绒螯蟹生长性能的影响Fig.6 The effects of photovoltaic panels on the growth performance of E.sinensi

3 讨 论

研究结果表明，光伏板确实会对养殖水体的水面、水下以及水底的光照强度有明显的减弱作用(图2).光伏板主要是通过遮蔽光照，减少透光率来降低水体的光强，如王正孝等[27]计算得出光伏板下透光率仅为25%.Li等[28]在观察光照强度对中华绒螯蟹蜕壳、生长以及消化等能力时，发现水深20 cm下中华绒螯蟹正常生长所需光照强度为1 252 lx.参照这一数据，我们测量光伏区水面20 cm下平均光照强度显著高于1 252 lx.而距离池塘底部5 cm处，光伏区平均光照强度也略高于该值.因此，光伏板存在不影响中华绒螯蟹生长所需的光照条件.

光伏板遮蔽阳光导致水体光强减弱，对养殖水体的部分理化性质产生影响.其中，光照强度减弱会引起水体温度的变化，我们的结果显示养殖期间光伏区水体无论最高温、最低温还是水体平均温度都显著低于非光伏区.Wawrzyniak等[4]的研究也表明河岸植被的阴影(遮阳)可以缓解夏季河流的高水温，这一研究支持了我们的结果.而水体温度的变化对水中动植物的生长影响很大[23,29].中华绒螯蟹的最适生长温度一般为22～28 ℃，高于30 ℃时，中华绒螯蟹的摄食能力和活动能力都明显地下降，而夏季高温季节水温常常高于30 ℃[17].有研究表明升温导致青鳉(Oryziaslatipes)生长尺寸减小和生殖衰老提前[30].不仅如此，温度过高会加速蟹类神经肌肉活动、呼吸、血液循环与脂质代谢以及其他生理活动，严重的甚至导致死亡[18,31].而光伏板存在有效降低了夏季高温季节养殖池塘水体温度，有利于中华绒螯蟹的生长发育.

光伏板不仅对水体温度产生重要影响，还对水体溶解氧含量有显著影响.水体内溶解氧主要来源于空气溶解、水草和浮游藻类的光合作用等，而光照是水草和浮游藻类光合作用必不可少的因素[22-23].马建薇等[22]对白洋淀水体溶解氧测定结果表明光照强度的增加使藻类等浮游植物的光合作用增强，进而使水中溶解氧含量升高.我们的研究结果也证实非光伏区水体溶解氧显著高于光伏区，表明光伏板存在降低了水体溶解氧含量.然而，光伏区溶解氧含量平均大于5 mg/L，通常认为中华绒螯蟹生长良好的水环境溶解氧大于4 mg/L即可[19]，因此光伏区溶解氧含量足够满足中华绒螯蟹正常生长需求.

事实上，水体溶解氧含量还与温度相关，温度上升则溶解氧含量下降[22-23].本研究中非光伏区温度显著高于光伏区，显然不利于提升水体溶解氧含量，但非光伏区溶解氧含量却显著高于光伏区，这一结果提示可能水草和浮游植物光合作用产生的溶解氧远远大于温度升高带来的溶解氧减少.上述推测与我们对水草的观察存在一定的关联，从图5得出6月和7月非光伏区伊乐藻的根系生长要显著好于光伏区，表明植物生长与光照息息相关[32].伊乐藻根系生长正常与否与水底溶氧密切相关，尹伦甫的研究也支撑这一观点[33].然而，沉水植物在夏季持续的高温强光下会出现生长停滞甚至死亡，这是由于呼吸作用随温度升高而增加的速度大于光合作用增加的速度[34].我们的结果也表明8月份伊乐藻的根系生长显著好于7月份，7月中旬至8月中下旬正是南京地区的高温时期.上述结果表明光伏板遮阳通过降低水体温度有利于沉水植物在高温季节的生长.

实验组与对照组中华绒螯蟹生长情况显示光伏区雄蟹在6月、8月的体重、体长和体宽要显著高于非光伏区，这一实验结果有力支撑了光伏板存在对中华绒螯蟹生长的益处.其中5月份光伏区中华绒螯蟹生长低于非光伏区的原因可能是因为投放苗种时，光伏区投放了一批规格较小的种蟹.但正因为光伏区投放了部分规格较小的蟹种，在6月和8月时雄蟹体重等反而超过非光伏区，进一步支撑了光伏区有利于中华绒螯蟹生长.比较实验组与对照组,8月份光伏区雌蟹体重显著高于非光伏区，其他指标无显著差异，但也存在光伏区高于非光伏区的趋势.

综上所述，光伏板存在不影响中华绒螯蟹生长对的光照、溶氧的需求，同时避免了高温季节养殖水温过高以及沉水植物腐烂等不利条件，为中华绒螯蟹生长提供了有利条件，使得光伏区养殖中华绒螯蟹的增长高于非光伏区.但是光伏板存在也有不利的因素，如长江中下游地区在6月中下旬至7月上中旬处于梅雨季节，光照不足和低温会影响中华绒螯蟹的正常生长.因此，在建设“渔光一体”项目时，适当增加光伏板之间的间距，可弥补梅雨季节的光照不足问题，在发电与与养殖收益之间找到平衡，不断提高单位面积产值.