中国池塘养殖设施装备历史、现状和发展研究

黄一心，田昌凤，孟菲良，鲍旭腾，巩沐歌，丁建乐，梁 澄，周海燕

(农业农村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)

在经过几千年的发展，尤其是改革开放以来，中国水产养殖得到了飞速的发展，2018年水产养殖总产量49 910 590 t，是世界唯一长时间超过捕捞产量的国家[1]。不仅解决了“吃鱼难”问题，丰富了城乡居民“菜篮子”，而且还改变了世界蛋白质的供应格局，为世界作出了重大贡献。池塘养殖是水产养殖最主要的养殖模式，2018年底，中国池塘养殖总产量为24 576 210 t，占养殖总产量的49%[1]。

池塘养殖设施装备主要是指在池塘养殖生产中，为提高养殖效率、改善养殖环境，提高节能减排水平，所使用的各类专业化的设施和装备工程。现代渔业设施装备为池塘养殖技术水平的发展发挥了积极重要的作用，是池塘养殖业实现集约化、规模化养殖的重要前提和保障。

1 中国池塘养殖设施装备历史

中国池塘养殖设施的建设距今已有3 000多年的历史。殷墟出土的甲骨卜辞里就有在园囿中进行养鱼的描述；《诗经》里记载了周文王在灵沼游玩，看见鱼跳跃的情况，而经考证，在陕西的灵沼开挖于公元前1 137年。春秋战国时期，池塘养殖设施得到较大发展，也出现了不少有关池塘养殖的典故，如“城门失火，殃及池鱼”等。《陶朱公养鱼经》提出在养殖鲤鱼的池塘中要有“洲”，又要有“凹地”，使池塘既有深水区，也有浅水区，从而使鱼儿不感觉到池小，为鱼类的生活提供较好的环境。到了明清时期，随着池塘养殖越来越专业化，对养殖模式、池塘设施的建设及周围环境也更加重视，黄省曾在《养鱼经》提出：“池不宜过深；池之正北浚宜特深，鱼必聚焉”，还提出在池塘周围种植植物。徐光启的《农政全书》记载，鱼池分为大、中、小三类，分别饲养不同成长阶段的鱼，在小池中，建一较深的部分便于捕捞和投喂。在太湖流域、珠江三角洲等地区出现了农基鱼塘，即挖塘筑基、塘中养鱼、基上种物，构成了养殖物质循环链，但总体上，为便于生产和管理，养殖池塘面积较小[2-3]。1949年以后，随着水产养殖生产恢复和发展，池塘养殖设施建设也取得进展，20世纪60年代以来，湖南、广东地区普遍开始进行鱼池改造，将原来小、浅、死水鱼塘改为大、深、活水塘。浅塘改造后池塘面积一般为0.33～0.67 hm2(5～10亩)(各地可能略有不同)，池塘水深2～3 m，池形整齐、注水方便。堤埂不被水淹，可种植青饲料[4]。进入21世纪后，尤其是“十二五”以来，以节能减排、绿色高效养殖为目的，开始了养殖池塘标准化改造专项工程，以池塘循环水养殖设施为代表的新型养殖设施和模式不断涌现。

20世纪60年代，为提高养殖生产力，中国开始组织开展池塘养殖装备的研究，以解决当时人民迫切需要解决的“吃鱼难”问题。在此之前，国内基本没有专用的池塘养殖装备，池塘养殖使用的主要是农用排灌设备，如水泵等。1972年，渔业机械仪器研究所研制成功了国内第一台齿轮传动、电动机功率为7.5 kW的叶轮式增氧机，推进了池塘养殖向高密度发展，成为池塘养殖装备中里程碑的产品。70年代末，渔业机械仪器研究所研发成功的“水力挖塘机组”解决了当时养殖池塘大规模开挖的难题，同期研制的投饲机极大地提高了生产力。80年代以后，出现了包括射流式增氧机在内的许多不同形式的增氧设备、清淤设备和投饲设备。进入21世纪，研发了可实现对增氧、投饲设备进行控制的水质在线实时监控系统，用于水质调控的耕水机、涌浪机等新型设备不断涌现，提升了养殖生产和环境保护的支撑能力。

2 中国池塘养殖设施装备现状

2.1 科技发展现状

近5年来，中国科研工作者在国家资金的支持下，在设施模式基础研究和构建，养殖设备自动化、信息化方面取得了不少成绩。

(一)在设施和模式基础研究构建方面，主要开展了池塘菌藻变化和系统调控研究，探索建立新模式、新工艺。

设施基础研究和构建方面 开展养殖常见曝气强度对水华形成的影响研究，表明一般养殖曝气强度主要改变水中微囊藻分布[5]；研究发现光照环境对菌藻共生生物膜水质环境和群落结构影响较大[6]，开展能净化水产养殖废水的菌藻固定体的研发工作，其净化废水的效果比单独使用菌类和藻类效果更好[7]；开展池塘养殖废水自由沉降规律及水质变化情况研究[8]；采用莲藕塘、生态沟渠和人工湿地组合对能有效地对养殖尾水进行处理[9]；开展弹性立体填料原位处理水质情况研究[10]。

模式基础研究和构建方面 研究设计了分隔式等新型复合式的养殖模式，可减少氮磷沉积与排放，提升氮磷和饲料的利用率[11]；开展跑道式循环水系统养殖池系统跑道流场和关键工艺参数设计研究，为该系统的进一步完善，提供参考[12]；研发了盐碱池塘生态化种养系统，提高盐碱水综合利用[13]。在低洼盐碱地设计建立多种养殖模式，为改良了盐碱地，提供支持[14]。探索建立了养殖池与人工湿地合理搭配的循环水养殖系统，具有存活率高，节水减排的优点[15]。从设施材料等多个方面，开展集聚式池塘内循环流水养殖设施的对比研究，提出了改善建议[16]。开展植物密度对系统水质与鱼菜共生的影响，为优化系统提供依据[17]。

(二)在养殖设备自动化、信息化方面，建立各类模型，研发信息化设备，促进养殖向节水减排方向发展。

投饲装备方面 开展了投喂控制系统的研究，实现了智能投喂和远程控制[18]；开展了可拆卸的，具有精准投喂量的投饲机的研究[19]；研制的自动投饲系统投饲距离可超过600 m，水面投饲角度360°[20]；设计了虾池自动投饲机，实现对虾料质量和蓄电池电压的监控[21]；研发了适用于大型池塘养殖的大型智能投饲系统的工艺设计，实现集中供料、多点位同步投饲等目的[22]。

增氧装备方面 开展水深对微孔曝气增氧性能的影响研究[23]，研发了可移动的太阳能智能养殖装备，实现了实时水质参数监测，远程控制增氧、投饲[24]；研发了太阳能智能增氧机器人，在实现增氧的同时，能智能行走避障[25]。开展底质改良机对池塘水质和底质中营养盐的影响分析研究，为底质改良机的运用和推广打下基础[26]。

其他装备方面 研发了可自动调节收割速度和深度的水草自动收割设备[27]；实现了离心式吸鱼泵的参数化设计，并进行验证[28]；研发了臭氧水质改良设备，具有良好的杀菌作用[29]；研发了鱼类疫苗自动注射装置，提高了作业效率[30]。开展了池塘养殖环境水质因子与气象因子的相关性分析，为设备智能决策打下基础[31]；开展了多种水质监测系统的设计和开发 ；设计了水质传感器自清洗装置，在实现水质监测的同时，可对传感器进行清洗，也方便维护和更换[32]。设计了生产自动管控系统，提升了养殖场管理水平和效率[33]；构建养殖水质预测模型，能对溶氧[34]、水温和pH[35]进行有效预测；研制了智能喷药船，施药均匀，降低劳动强度和风险[36]；设计了池塘自动导航船，可搭载投饲和增氧设备，从而实现均匀投饲和增氧[37]。

2.2 池塘养殖设施装备应用现状

2.2.1 装备应用情况

经过50年的发展，池塘养殖的机械化水平有了一定的发展，目前池塘养殖装备主要有：1)用于养殖池塘水体给排水的设备，如活塞式水泵、离心式水泵、潜水泵等；2)用于池塘开挖、构筑和清除底泥的设备，如水力挖塘机组、水下清淤机等；3)用于增加养殖水域溶氧量的设备，如叶轮式增氧机、水车式增氧机、射流式增氧机、微孔管式增氧机、螺旋桨式增氧机等；4)用于调控和净化水质的设备，如耕水机、涌浪机、过滤设备、杀菌设备、生物转盘、生物转筒等；5)用于投放饲料的设备，如固定式投饲机、远程压力输送自动投饲系统等；6)用于水质监控设备，如各类水质探头、在线监控设备等；7)其他设备，如电赶鱼装置、池塘拖网机、割草机等。

根据本项目组2019年对100多家池塘养殖企业的调研，目前各企业除排灌设备外，使用的最多的是叶轮式增氧机、水车式增氧机和固定式投饲机。

2.2.2 池塘生态养殖新模式应用

近年来，随着国家对生态文明建设的重视，中国池塘养殖围绕高效、生态、节水、安全的模式开展了进一步的探索，以生态设施处理养殖水体为核心的循环水养殖模式成为池塘养殖常见的模式，使池塘养殖从“封闭净水”变为“循环流水”，促进了现代渔业可持续发展。目前常见的有代表性的、新型的有以下几种：

(1)生态工程化循环水池塘养殖模式

生态工程化循环水池塘养殖模式是目前普遍使用的一种模式，一般有养殖单元、生态沟渠和净化单元组成。养殖单元主要是养殖池塘，用于养殖水生动物。生态沟渠有水生植物，主要起到联通和净化作用。净化单元一般有生态塘和潜流湿地(也有不采用潜流湿地的)组成，是水质净化的主体。生态沟渠内放置水生植物，滤食性或杂食性鱼类，潜流湿地填埋多层粒径不同的碎石作为地基，种植根系发达的水生植物。 在实际运行过程中，养殖池塘的水通过溢流到达生态沟渠，再经过生态沟渠和潜流湿地进行净化和沉淀，回流到养殖池塘。该系统实现了养殖水体的净化和循环，取得了良好的节水减排的效果。

(2)池塘循环水槽养殖

池塘循环水槽养殖[38]，也称跑道式池塘养殖系统，一般是在池塘3%～5%水面上，建造多条长22 m×宽5 m×深2.5 m的“养殖跑道”，跑道内采用微孔增氧，用于养殖各类水产品，在跑道一头安装有推水设备，推动水流运动，在跑道尾部有集污区，尾水经过集污区后，固形物沉淀在集污区，经收集装置收集进行再利用。而剩下的95%～97%水面改造成净化区，设置导流堤，养殖滤食性鱼类并种植水生植物，有的还配有增氧机和涌浪机。该模式可实现养殖尾水的循环利用、达标排放甚至零排放。与传统池塘养殖模式比较，该模式在工艺理念、技术装备和养殖方式等方面都有重大革新。

(3)分级序批式养殖模式

分级序批式养殖模式[39]是近年来新研究推广的一种养殖模式，主要有养殖区和净化区两部分组成，养殖区约占养殖水面的20%，净化区与池塘循环水槽养殖的净化区类似。而养殖区有多排鱼池构成，每排有多个不同规格的鱼池组成一个养殖单元，每个单元内相连接的鱼池有分级过鱼闸门，可通过拦网筛分不同规格的鱼类，从而实现序批式的养殖方式，该模式具有养殖风险小，生态和经济效益高的特点。

(4)种青养鱼模式

种青养鱼模式在20世纪80年代就已经出现，经过优化发展，是大宗淡水鱼养殖“十三五”推广和示范的模式之一。该养殖模式是根据草食性鱼类的生长特性，在池塘四周开挖鱼槽，使整个池塘形状像回字，在池中和池埂上种植各种水草、旱草，作为草食性鱼类的天然饵料，并辅以配合饲料。该养殖模式能减少饲料的投喂，极大地降低饲料成本，同时种植的各类青草，能有效吸收利用淤泥的营养，从而达到节能减排的效果。

3 国内外池塘养殖设施装备发展比较

国外非常重视池塘养殖的基础和模式研究，美国奥本大学研究人员在长时间对池塘研究的基础上，对池塘水质和底泥在各类环境影响变化进行了系统的分析，为池塘生态研究提供了有益的借鉴[40]。开展了植草排水沟和在其中增设拦坝在对养殖池塘排放废水的净化效果研究[40]。开展了牡蛎和大型藻类对尾水处理能力的试验[41]。研发的分隔式水产养殖系统，通过管理藻类来增加净氧气量，从而提升水产品产量[42]。国外研发构建了跑道式池塘养殖系统，经由美国大豆协会的大力推广，已成为中国目前分布广泛的模式之一。

国外养殖装备的研发和使用较早，在中国渔业机械化还处于探索和起步阶段的20世纪70年代，国外已经广泛地使用各类养殖机械，如美国、丹麦使用气力投饲机、瑞典和丹麦等使用了窄轨运输投饲车进行投饲，日本用水车式增氧机给鱼塘增氧，在鱼池上使用轨道电动行车进行搬运，国外还用起鱼机、分鱼机对鱼类进行分类转移。随着科学技术的不断发展，目前国外水质监测、饲料投喂、免疫环节、水产品捕获等普遍使用了自动化、信息化设备，如在以色列， 2个工人借助吸鱼泵1 d可以收获成品鱼14～17 t，一套智能化管理控制10多个池塘的投饲、增氧、监测等，千亩精养鱼塘的养殖与管理仅需8人，大大地提高了劳动生产率[43-44]。澳大利亚还研发了基于侦听摄食声音反馈的投饲设备[45]，挪威研发的全自动疫苗接种机，仅由1名操作员操作，可自动对鱼进行麻醉、分割和定向，并在机器视觉的帮助下确保正确的疫苗接种，每小时可接种和分级高达40 000尾[46]。

虽然，近年来中国在设施和模式、机械化研究、构建取得了不小的进展，在促进池塘营养物转化等方面取得了明显的效果，但总体与国外还存在着较大的差距。尤其是对池塘生态工程化的基础研究不够，对生态系统的构建、变化和影响的原理性研究不多，更多的是技术使用效果的研究。技术集成调控手段不多，使得一些设施和模式没有达到最大效应，甚至只是摆设。虽然中国已有了不少养殖装备，但养殖装备主要集中在增氧和投饲，尚未完全覆盖养殖全过程，在捕捞分级、疫苗注射等方面还存在着迫切的需求，对关键影响因子与控制模型的关联把握不够，信息化水平不高，主要集中在水质监控方面。前期调研发现，采用信息化技术的企业不足5%。

4 发展建议

在现有产业体系的基础上，应进一步加大对设施装备研究的支持力度，可设立重点专项，解决池塘设施装备关键性的问题。以规模化养殖产品为对象，进一步开展池塘生态系统构建、变化机理研究和长期跟踪，集成多种技术，构建完善工程化生态养殖模式。开展过程机械化装备研究，研发分级捕捞、疫苗注射等产业需要装备。开展全程物联网体系研究，推进养殖生产和管理的智能化。

要采取多种措施促进先进设施和装备的成果转化，可通过设立水资源费、污染费收取，增大渔机和设施改造补贴，鼓励和逼迫淘汰落后的生产方式，提高使用新模式新设备的积极性。建立生产模式和生产系统运行的评价体系和机制，为发展选用合适的模式装备提供依据。重视中试和示范基地对成果转化的重要作用，通过系统和装备的运行与展示，体现实际的运行效果，增强渔民对装备的感性认识，促进成果的转化和推广。

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