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摘要：文章研究了我國淡水池塘養殖的水域環境現狀、淡水池塘養殖的自身污染及其影響，并通過國內外對水產養殖廢水排放調控技術的現狀研究，表明了利用生態溝渠來防治水產養殖污染的重要作用。同時通過對幾種主要的生物操縱技術及其應用方式，研究了池塘養殖廢水排放溝渠的生態化構建技術。

關鍵詞：池塘養殖；養殖污染；生態溝渠；生物操縱

中國是漁業生產大國，其水產養殖品的總產量長期處于世界領先地位。淡水池塘養殖是我國漁業發展不可或缺的中堅力量，據2016年漁業統計年鑒顯示[1]，2015年我國有淡水池塘養殖面積2701.22千公頃，占淡水養殖總面積的43.94%，占全國水產養殖面積的31.91%；池塘養殖產量2195.69萬噸，占淡水殖產量的71.70%，占全國水產品總產量的44.47%。但傳統池塘養殖模式中存在的一些問題也越來越明顯，生產過程中的水資源消耗和水域環境問題尤為突出。隨著水產養殖業的迅速發展，盲目擴大規模和投入的負面效應日益嚴重。為了提高產量，向養殖水體過量投放苗種和飼料，造成了水環境的急劇惡化，從而使水產養殖自身的污染與水域環境的矛盾也日益突出，并伴隨著養殖生物病害的頻繁發生。水環境污染不僅制約了我國水產養殖業的健康發展，也對養殖區及其毗鄰水域的生態環境產生了重要影響[2]。目前我國多數淡水池塘養殖場的用水來自周邊的各河流、湖泊。淡水養殖池塘、水庫、河流由于養殖條件的需要，水中剩余的氮、磷、有機物有一定的積累[3]。面對池塘養殖發展對水域環境不斷惡化的嚴峻形勢，急需采取各種有效措施來最大限度地抑制水產養殖廢水排放對生態環境的影響。

1水產養殖廢水治理的意義

水產養殖是我國漁業發展的主要增長點，其不僅豐富了市民的蛋白質來源，且對有效改善農村經濟結構，解決農民就業等社會問題起到了積極的向上作用。隨著經濟的快速發展以及養殖業者對養殖產品的高效益追求，在高投入高產出的模式下，養殖密度遠遠超過了水體可承載量，養殖規程中大量的飼料殘餌、生物代謝產物和肥料等其它投入品的累積，導致水體自凈能力急劇下降，水體富養化顯著，養殖水體的自身污染日益嚴重[4-5]。韓志泉等[6]研究顯示，與浮游植物數量顯著相關的水質指標是總氮、總磷，水中總磷濃度每上升0.01mg/L，浮游植物便增加3.53×10個/L；Brown等[7]發現，離養殖區越近，水質DO飽和度（溶解氧實際含量/飽和含量）越低。養殖區附近3m和15m處的水質DO的飽和度分別為35％~70％和50％~85％。我國在2007年頒布了相關的行業標準《淡水池塘養殖水排放要求》（SC/T9101-2007），但由于我國水產養殖區域分布廣、養殖用水又屬于無組織排放，故對水產養殖排放水進行管控效果不佳。水產養殖業屬環境依賴型產業，其環境狀況決定了養殖的成敗及產品的質量。但養殖生產的同時也會產生自身污染，對周邊水域環境和生態系統構成威脅，進而制約其可持續發展。從水產養殖整個產業鏈來看，生態環境質量是關鍵所在[8]。因此，保護漁業環境成為實現水產養殖業可持續發展的關鍵因素。

2淡水池塘養殖的自身污染及其影響

水產養殖自身污染是指由于水產養殖活動的自身因素導致養殖水體環境及周邊鄰近水體中的污染物含量超過正常水平，導致水體的生態功能受到影響的水體狀況。水產養殖自身污染主要來源于養殖場地周邊的陸源污染、養殖過程中的過量投入品（人工飼料、水產苗種、漁用藥物、肥料及其它非藥品類等）以及由此所產出的固液態廢棄物（殘餌、代謝物以及固態物質的溶出成分等）。除此之外，養殖過程中所形成的底部沉積物也是自身污染來源的一部分。在當前中國淡水池塘養殖的高投入、高產出生產模式下，養殖密度超過了水體容量，大量的殘剩餌料、肥料和生物代謝產物累積，使得水體自凈能力下降，水體富養化顯著，養殖水體的自身污染日益嚴重[9]。同時，養殖環境的惡化會使病毒、細菌等致病微生物在水中大量滋生，對養殖生產的安全防控和水產品質量安全風險造成嚴重影響。水產品質量安全風險如果帶入最終加工成品中，將對消費者的身體健康產生嚴重威脅。另外，在生產中大量排入外界河道的養殖廢水，可能導致水域環境的急劇富營養化，使得藻類等大量繁殖并產生多種毒素，污染外界的水體、土壤和空氣，最終形成“養殖水體-土壤-養殖生物-大氣”的立體連鎖污染[10]。

3水產養殖廢水排放調控技術

養殖排放水對周圍水域環境的負面影響日益加重，養殖產生的廢水如果不積極進行治理，極易導致周圍水環境的污染，破壞水域生態平衡和限制農村經濟可持續發展[11]。我國淡水池塘養殖場的廢水基本上是不經處理直接排放的，加之很多主產區的養殖場數量多、距離近，場與場之間的進水口、排水口往往近在咫尺，很難保證生產用水的質量[12]。溝渠是農業生產排放水的匯聚地，無論農田還是養殖池塘，一般都是通過相對應的排水溝渠流入外界的江河湖泊中。把排水溝渠構建成具有自身獨特結構并發揮相應生態功能的溝渠系統，即為生態溝渠。目前常用的水體修復技術主要有：（1）物理方法。主要有沉淀、曝氣、攪動以及放置水質改良機等養殖機械設備；（2）化學方法。主要是在水體中投入生石灰、絮凝劑以及其他消毒制劑等；（3）生物方法。包括人工濕地、生物浮閥、生態溝渠、微生物制劑等[13-14]。其中的生物方法以成本低、無次生污染而受到歡迎。我國大部分傳統養殖場修建時間較長，沒有預留可直接構建人工濕地的場地，因此將現有排水溝渠改造為具有水質凈化作用的生態溝渠是一種操作性較強的水體修復技術[15]。生態溝渠主要運用生態學和生物操縱原理[16]，將各具特點的生態單元（水生植物-微生物-水生動物）按照一定的比例和方式組合成具有污水凈化和資源化雙重功能的處理技術。吳湘等[17]運行生態溝渠對中華鱉溫室養殖排放水體凈化效果，表明通過構建生態溝渠技術體系處理中華鱉溫室養殖排放水體是一種治理淡水養殖排放水體的高效新技術，同時也是一種控制農業面源污染的有效新途徑，在此后的研究中可將該種凈化模式逐步推廣應用至其他淡水養殖行業排放污水的凈化處理中。陶玲[18]等研究生態溝渠可以增加水中溶氧，使N、P等物質得到進一步去除，達到改善養殖生態環境，減少養殖廢水任意排放的目的，可作為一項新的池塘生態工程技術在傳統池塘養殖設施升級改造中推廣應用。

4國內、外研究現狀

關于農業面源污染物的生態控制，主要有生態農業建設、植物緩沖帶、溝渠生態攔截等方面[19]。其中，生態溝渠是由排水溝渠及其內部種植的植物組成，通過溝渠攔截徑流和泥沙，植物滯留和吸收水中營養鹽，實現生態攔截氮、磷的功能[20]。水生植物在水體中的生態功能在農業面源污染控制中起著十分重要的作用[21]，姜翠玲等[22]研究表明，溝渠濕地可通過底泥截留吸附、植物吸收和微生物降解凈化排水匯集的非點源污染物，楊林章等[23]研究也表明，生態溝渠對農業非點源污染氮磷削減率達40％以上。因此，將溝渠改建為生態溝渠，對去除農業面源污染中的N、P具有重要意義[24]。生態溝渠不僅對水體的凈化效果顯著，而且不另占用土地，具有應用推廣價值[25]。在國外，農業面源污染已經對水體質量和生態系統產生嚴重威脅，在美國，非點源污染源是造成當地水環境惡化的主要源頭，而農業排放水產生的非點源污染占了3/4左右。其常用的技術手段是人工濕地[26]為主，通過利用本地優勢水生植物直接吸收底泥和水層的營養鹽，同時其根系還可為有益微生物提供良好的環境，改變了基質的通透性，增加了對水體中有害物質的吸收和沉淀[27-28]。在溝渠運用方面，美國和加拿大有65%的農田利用溝渠網排水[29-31]；有些國家通過沙子作為過濾基質來構建溝渠，依靠其儲存雨水收獲降水[32]。過去許多國家或地區在農業生產中主要通過溝渠來排水，現在可通過溝渠生態化構建技術來恢復濕地或改善幸存濕地的濕度[33-34]。綜合國內外對生態溝渠技術的研究調查來看：第一，對溝渠的生態化構建主要應用在農田農業面源污染治理和環境保護方面，針對水產養殖池塘方面的研究較為罕見；第二，運用的手段主要是以水生植物調控的生物技術方法為主，較為單一；第三，對生態溝渠的研究是作為一個系統內的配套單位，鮮見作為獨立單位研究生態溝渠構建的，缺乏應用推廣性。

5池塘養殖廢水排放溝渠生態化構建技術

在實際的養殖生產中已經應用的，帶有水處理的養殖模式的主要有兩類：工廠化循環水養殖系統模式（室內）和附有人工濕地的生態工程化養殖模式（戶外）。由于其均對前期設施構建的成本投入較高，只有在少數大型的養殖單位生產中使用，因此實際上我國池塘養殖污水基本都是不經過處理直接排放的。但無論是水產養殖還是其它農業生產活動，其污染排放均要通過固定的排水溝渠排入外河，因而把排水溝渠構建成可普及推廣的功能性生態溝渠，是控制和解決農業面源的重要基礎手段之一。5.1生物操縱技術。水體富營養化是指氮、磷等營養物質含量過多所引起的水質污染現象，其顯著特征是浮游植物的大量生長繁殖。水體富營養化會破壞水體生態系統的平衡、使水質惡化、影響水的飲用功能、并對魚類等水產資源產生嚴重的影響。水體富營養化的治理，需要通過控制外界氮、磷營養物質的排入，同時去除水體內過量的氮、磷，并且采取措施建立健康的生態系統，才能達到較為理想的治理效果。一些傳統的物理、化學治理方法治理效果不甚理想，而且還可能對生態環境造成一定的破壞，而生物操縱法作為一門用于防治水體富營養化的高效技術在國內外進行了相關的研究與探索，并取得了一些寶貴的經驗。生物操縱（Biomanipulation）技術的基本概念，最早是由Shapiro在1975年提出來的，他認為可以利用食物網結構對水體初級生產力的決定性影響來控制水體富營養化[35]。生物操縱也被稱為食物網操縱（food-webmanipula－tion），是指通過人為調整水體中某種生物群落結構，即發展某種水生動物并抑制或消除另一種水生動物，以促進大型牧食性浮游動物的發展，達到提高浮游動物或魚類自身對藻類的攝食消耗效率的目的，從而控制藻類的過量生長并改善水質。隨著生物操縱研究的深入發展，發現浮游動物逃避食浮游動物魚類的某些行為或環境條件對生物操縱有重要作用，包括溫度避護所、低氧避護所、光避護所、水草或其它避護所、敞水區干擾避護所、行為性避護所和捕食者無效避護所等[36]。根據相關研究成果，Shapiro重新定義了生物操縱的概念，在水體的生態系統中，通過合理運用內部營養級之間的關系，人為對某些生物群落及其生境進行一系列操縱，以達到藻類生物量下降等水質改善目的；其核心是通過浮游動物濾食浮游藻類，增加水體透明度。生物操縱法有兩種典型方法———經典生物操縱法和非經典生物操縱法。通過放養兇猛魚類（在北美和歐洲廣泛采用）來間接遏制藻類的生物操縱稱為經典生物操縱（tra－ditionalbiomanipulation）；把通過放養濾食性魚類（并同時控制兇猛魚類）來直接攝食藻類的生物操縱方法，稱之為非經典的生物操縱（non-traditionalbiomanipulation）。5.1.1經典生物操縱技術。在自然水體中，水生生物的食物鏈通常為：魚食性魚類-食浮游動物魚類-浮游動物-浮游植物。大型浮游動物對藻類濾食效率較高、攝食范圍較寬，因此當增加浮游動物特別是大型浮游動物的數量、種群時，可以有效的控制浮游植物的數量。經典生物操縱核心就是利用浮游動物來控制藻類，通過投放魚食性魚類來控制食浮游動物魚類，改變浮游動物食性魚類的數量和種類，來調整藻食性浮游動物的群落結構，以壯大濾食效率高的藻食性浮游動物（特別是枝角類）的種群，通過浮游動物種群的壯大來遏制浮游植物的發展，從而降低藻類生物量，提高水體的透明度，最終達到改善水質的目的[37]。另外有研究發現，底棲魚類的覓食等活動能攪動底泥層積物，向水體中釋放氮、磷營養鹽，為浮游植物的生長繁殖提供營養。Meijer等[38]提出的模型揭示，由于底棲食性魚的擾動，造成淺水湖沉積物再懸浮，其再懸浮比例占到總體濁度的50％，而且隨著底棲魚類與無機懸浮物之間存在正相關性。魚食性魚類可通過攝食底棲魚類，減少營養鹽從底泥到水體的輸送，從而間接減少浮游植物的繁衍。利用高密度放養魚食性魚類來控制浮游生物食性魚類的生物操縱技術，投放魚食性魚類鱖魚，有可能起到較好的治理效果。5.1.2鰱、鳙非經典生物操縱技術。鰱、鳙是典型的濾食性魚類，主要以浮游植物為食，可以捕食硅藻、金藻、隱藻和部分甲藻、裸藻及大部分綠藻、藍藻，而且具有生長快、產量高、易捕撈等特點。因此利用鰱、鳙的攝食直接控制水體中的浮游植物，可達到抑制藻類快速生長繁殖、有效控制水體富營養化的效果。鰱、鳙具有去除水體中氮、磷的效果，崔福義等[39]通過實驗證明，在放養量適宜的條件下，磷的去除效率與鰱、鳙魚的生物量有關。張水元等[40]對武漢東湖的監測結果也表明，東湖鰱、鳙魚類從水中提取的氮、磷量占整個水體氮、磷輸入量的10％左右。鰱、鳙捕食藻類后，通過自身的消化作用，將部分食物轉化為魚蛋白等生命物質，其余部分以糞便形式排出后，經微生物分解后重新循環轉化為初級生產力，最終被重新利用，造成營養鹽的“短路”現象，加速了水體氮、磷的利用進程，并最終將氮、磷營養鹽以魚產品的形式移除到水體之外[41]。為成功運用非經典生物操縱技術，首先應確保鰱、鳙的投放成活率，這就要采取措施控制水體中的捕食鰱、鳙魚種的兇猛性魚類的數量。其次，鰱、鳙攝食消化利用的浮游植物生物量需大于浮游植物的繁殖增長量。不同地域、環境的水體對能控制藻類水華的鰱、鳙的放養密度有不同的要求，在淺水水域中，鰱、鳙放養密度要低以些，以50g/m3為宜，以放養鰱為主，放養鳙為輔，鰱鳙比例為7：3左右[42]；在深水水域中，放養密度則要提高一些，并增加鳙的放養比例才可能取得較好的效果。5.1.3栽種水生植物。水生植物擁有發達的根系，可以吸收、消化水中的大量的營養物質。水生植物具有吸附水體中生物性和非生物性懸浮物質、增強固著和穩定水體底質、提高水體透明度、改善水下光照條件、增加水體溶解氧的作用[43]，而且對氮、磷具有良好的去除效果。雖然不同的水生植物去氮、磷效果并不相同，但總體來說，水生植物能對水中氮、磷去除效果明顯。另外，水生植物可以為植食性浮游動物提供庇護，幫助其逃避魚類的捕食。水生植物的生長也會同藻類等展開直接的競爭，從而來抑制藻類的生長繁殖。水生植物還能通過促進物質的沉淀和促進微生物的分解作用來凈化水體。可見，良好的水生植被系統對控制水體富營養化作用明顯。水生植物還可以吸收和富集某些小分子有機污染物，對有毒的有機污染也有明顯的凈化作用[44]。在大部分富營養化的水體中，由于與藻類存在著直接的生存競爭，因此恢復時只有保證一定的覆蓋率才能使水生植物處于競爭優勢，抑止藻類生長；另外不同的水生植物具有不同的生長特點、對水體的凈化效果也不相同，而且水生植物在不同的季節對營養鹽的去除效果也不相同[45]，應結合水體自身狀況綜合考慮，按照安全、生態、經濟的原則選擇適宜的水生植物，重建水生植被，使水體生態系統恢復，才能達到較好的控制水體富營養化的效果。5.1.4投放蚌、貝類。河蚌、貝類是棲息于不干涸的湖泊、河流內的底棲動物。河蚌攝食來源主要有水生植物、浮游植物、浮游動物、和小型水生動物及其它動物的尸體。河蚌可以從兩個方面改善水質：（1）通過攝食作用將藻類等浮游植物和懸浮物吞食消化；（2）將部分未吞食的浮游植物以過濾物的形式排出體外，而且水體中懸浮物質顆粒濃度越大，河蚌的過濾量越大。使水中的懸浮物沉降到水底土壤中，起到改善水質的作用。貝類濾食系統發達、濾水效率高，一個50mm～60mm的貽貝每小時能過濾3.5L水[46]。貝類能通過濾水作用大量攝食浮游植物，對水質的凈化效果非常明顯。5.1.5培植微生物類群。微生物是自然界中個體最小、數量最大、分布最廣、種類最多的生物類群[47]。微生物具有通過氧化、還原、光合、同化、異化作用，將水體中有機污染物一部分轉化為微生物自身物質，另一部分則徹底分解為CO2、NH3、P等無機物[48]。通過對水體中的有機污染物生物降解，降低水中營養物質的含量，從而抑制藻類生長、改善水體環境、凈化水質。微生物還能作為浮游動物的食物，研究發現，微生物能夠在浮游植物不足時，起到穩定維持食藻性水生生物食物網的作用，防止因藻類不足而引起食藻性水生生物生物量下降的情況[49]。利用微生物制劑修復受污染水體不會造成微生物大量繁殖，不會對水體造成污染。因為當水體中的富營養化物質得到有效控制后，此時水體中的大部分有機物已被微生物降解，如果沒有新的有機污染物進入水體，那么微生物將失去營養源而導致其生長受到抑制[50]。可見，通過合理的微生物類群的生物操縱，有可能形成具較強生態功能的水體生態環境。5.2生物操縱技術的應用生物操縱法提出后，人們就將其運用到實際中，在一些富營養化水體取得了理想的效果。Mehner[51]總結了生物操縱的實際應用效果，發現在已經施行生物操縱的實例中，大部分生態操縱對治理富營養化有明顯效果，有約60％取得了明顯的水質改善效果，僅有不到15％的生物操縱完全以失敗告終。而這些水質改善不成功的原因可能包括以下兩個方面：一方面，生物操縱技術自身存在一定的條件限制。對于經典生物操縱，浮游動物無法持久而有效的控制大型藻類[52]，浮游動物對于超微藻和藍藻不能有效攝食，那么，浮游動物對其他藻類的攝食，將會有利于超微藻和藍藻的生長繁殖，從而無法達到治理效果。另外，隨著浮游動物的種群優勢確定，大型肉食性浮游動物會大量生長繁殖，它們攻擊攝食小型植食性浮游動物，使得浮游植物的數量重新大量增長。隨著浮游生物食性魚的大量被攝食，魚食性魚類的食物來源也成為問題。McQueen等[53]的研究表明：只有當浮游生物食性魚類的種群密度被降到很低時才可能實現水質的改善，但是魚食性魚類往往不能長期維持這種穩定狀態；對非經典生物操縱治理水體富營養化的技術，鰱、鳙對浮游植物、藻類的消化利用率較低，被吸收利用的有機物數量遠小于在初步消化后以糞便形式排出的有機質數量。因此，反而會在很大程度增加水體中的營養物質，從而加速了浮游植物的生長繁殖。這種作用對水體富營養化的影響較漁獲物對氮磷的移除作用要大得多[54]。Domaizon等[55]研究發現，鰱的投放數量會對浮游植物群落的數量產生直接影響，水體中葉綠素a含量隨著鰱的投放密度增大而增加。鰱、鳙攝食藍藻等大型浮游植物，對藻類水華治理效果明顯，但隨著時間的推移，可能會使浮游植物種類小型化，小型浮游植物大量生長繁殖，使水質再次變差。另一方面，由于各水體的營養狀況、功能等方面存在差異，而生物操縱技術也有對適用環境的要求。根據前人的大量試驗及研究成果，總結了各種生物操縱技術對適用環境的要求，見表1。只有在適宜的環境中各種生物操縱技術才可能取得較好的效果。5.3溝渠生態化構建工藝。不同操縱技術模式針對不同條件下養殖廢水的凈化效果上均有某方面的相對優勢。除了可以根據實際情況構建單一的生態溝渠，也通過對不同生態構建技術的優劣勢分析，互補組合，來構建更全面的復合型生態溝渠。（1）并聯式。在生態溝渠內繼續分隔構建多條二級溝渠，每條二級溝渠分別單獨安裝一道閘門，每次排放養殖廢水時，可根據實際的水質情況來選擇具體所需要的二級生態溝渠。例如當年池塘所排出的養殖廢水中，藻類密度較高但富營養化程度較低，可以選擇開啟以“非典型生物操縱”技術模式構建的二級生態溝渠進行養殖排放水處理，關閉其他技術模式構建的二級生態溝渠。諸如此類，根據當前氣候季節、當前池塘養殖主要污染物的構成情況，來選擇有針對性的溝渠進行排放水的生態化處理。（2）串聯式。在溝渠較小（窄）的情況下，并聯構建多條二級生態溝渠沒有足夠的空間條件。在此情況下可以選擇串聯的方式，把生態分隔成數塊區域，分別進行不同技術模式的生態化構建。無論當年池塘中水質情況如何，在養殖廢水排入外界河道前，水體中所有類型的污染物都能預先得到初步的凈化處理。

作者:顧兆俊 劉興國 程果鋒 王小冬 單位:中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所