我国水产养殖工程学科发展报告（2007-2008）
发布时间：2011-11-14 信息来源：《渔业现代化》
徐 皓，张建华
（ 农业部渔业装备与工程重点开放实验室 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所 上海，200092）
水产养殖工程学科在我国渔业科技诸多学科中是一个新兴学科。通过10多年的研究开发，设施渔业在渔业现代化发展进程中的重要作用日益凸显，并被广泛认同。中央有关部门和各级政府给予的高度重视与支持，大大促进了该学科的发展，使得近几年新成果不断面世。同时，成果推广和产业发展同步跟进，使整个学科，无论是研究还是应用，都处于一个良性发展的状态。
纵观水产养殖工程学科近几年的发展，其突出点主要体现在循环水技术和深水网箱这两个方面。循环水技术是实现高密度封闭式水产养殖的基础，其核心是渔业水体净化技术与设备。目前，已经研究开发出一批具有自主知识产权的海淡水养殖、繁育等专用水处理设施、设备，并初步实现了生产应用，同时开展了无公害养殖技术研究与工厂化高效养殖技术集成研究，以及低能耗控制技术与养殖污水资源化利用技术研究。我国深水网箱的基础性研究经过多个国家科技攻关项目的实施，已经取得了一定的进展，在网箱的浮架设备、网衣系统、锚泊方式和水动力性能等方面都有所突破，基本解决了网箱国产化生产技术和相关的网箱工程设施及控制技术，增强了对养殖条件的人工控制能力，实现了网箱工厂化生产。
1 重大科技成果与研究进展
1.1 网箱设施工程
我国对网箱设施的研究，尤其在离岸抗风浪网箱设施系统方面已经取得了多方面的技术突破。国内有多个科研机构及院校先后开展了抗风浪深水网箱研究，取得了一批研究成果，并且已在山东、浙江、福建、广东、海南等多个沿海地区建立了十几个抗风浪网箱养殖示范基地，网箱数量已达4000多个；网箱形式也由传统小网箱发展到50 m周长的大网箱，并已开发出160 m周长的超大型网箱，为抗风浪网箱养殖技术的推广积累了宝贵的经验。
（1）升降式深水网箱养殖系统的中试生产与养殖示范（中国水科院南海所） 项目优化了深水网箱设计及制作工艺技术，提高了网箱的抗风浪能力，形成一整套适合我国南海海区的深水网箱集约化养殖技术。网箱在水深15-60 m、水流速度超过1 m/s的区域，养殖效果良好，平均每立方水体生产军曹鱼31 kg，卵形鲳鲹22.5 kg，成活率达85.2%-93.5%。
（2）深海抗风浪网箱的研制（中国水科院黄海所） 项目在抗风浪网箱材料选择和性能试验等方面具有创新性。其自主研发的HDPE网箱框架专用管材和PA网衣，在主要性能指标和总体性能上，都接近或超过挪威网衣水平；开发的网箱网衣无毒水性防污涂料的防污期效可达10个月以上，且对养殖鱼类和养殖环境无害。
（3）抗风浪网箱集约化养殖技术试验示范（中国水科院南海所） 开发出抗流网囊、网箱踏板、新型水下监视器、太阳能警示灯、锄头锚、充塑浮筒、水下清洗机和远程自动投饵样机等抗风浪网箱养殖产业化配套关键设施；抗流网囊自然抗流效果达0.75 m/s，预设重力抗流达1.0 m/s，养殖容积保持率达85%以上。创立了农村“经济合作社”养殖经营模式，有效解决深水网箱养殖生产高投入的问题；建立了“公司+农户”深水网箱养殖生产方式，有效解决了养殖户养殖装备的基本投入。
（4）离岸抗风浪金属网箱高效养殖技术集成与示范（中国水科院黄海所） 通过技术引进、消化吸收和自主创新，研制出抗风浪金属网箱，并实现国产化生产。形成了红鳍东方鲀离岸网箱高效养殖生产模式。与近海传统网箱相比，单位水体产量平均提高136%。
（5）南方冷水性鱼养殖网箱技术研究（中国水科院渔机所） 以冷水性鱼（俄罗斯鲟、杂交鲟等）为对象，研制了提水降温和加深网袋两种形式的网箱，能较好利用湖水不同深度的温度差，保障在夏季能够获得冷水性鱼赖以生存的较低水温的水体环境。经试用，鲟鱼度夏存活率达到100%；同时采用循环提拉绳和内置衬网方式解决了大型网箱起网困难的问题。
（6）宋协法等设计的深水网箱投饵机，其核心部件是由突然扩大装置改装成的引射器，靠引射部分产生的负压吸入饵料，再以一定速度的水流将饵料抛向空中，可向多个、距离不同的网箱供饵。此外，他还设计了一种蜗旋式网箱清洗设备，除牡蛎及紫贻贝外，其对藻类及其它附着物清洗效果良好。江涛等设计了提水降温式网箱。加深式网箱可获得湖泊深层低温水体，夏季湖泊水库表层水温超过30 ℃时，网箱内水温不超过28 ℃，保证了冷水鱼正常生活栖息。为了保障海水养殖网箱在风浪中的安全，宋伟华等采用渔具材料设计出具有消波、减流作用的柔性浮式防波堤，对网箱系统起到保护屏障作用，同时可进行贝类养殖兼作生产。关长涛等研制的深水网
箱水下监视器，通过手持遥控器可随时按键切换观察不同方位水下探头拍摄的图像。该监视器的耐压水深可达50 m；当海水能见度为5 m以上时，在半径8 m范围内可比较清晰地观察到网箱内的鱼类活动和网箱状态。
1.2 循环水养殖工程
我国的工厂化循环水养殖系统研究已经步入了逐步深入发展的阶段。近年来主要研究进展包括：（1）研究开发了一批具有自主知识产权的养殖、育苗专用水处理设施设备，并初步实现了生产应用。其中包括：①固液分离设备（转鼓式微滤机，袋式机械过滤器，彗星式纤维球，玻璃纤维砂滤器，超细悬浮物去除装置）；②生物过滤设备（高效硝化细菌，海水生物滤器，新型载体填料等）；③消毒增氧设备（臭氧－紫外联合消毒设备，超声波消毒杀藻器，压力式溶氧罐，管式增氧装置，氧气锥等）；④有机物去除装置（溶气式气液混合器，涡流泵，射流式蛋白泡沫分离器等）；⑤调温设备（PPR连箱式横排太阳能集热器海水加热系统，海水养殖废水热泵加热系统）；⑥水质监测与控制技术（海水水质在线监测与远程报警系统等）。（2）封闭循环水养殖、育苗的关键生产技术与工艺研究：主要水质参数对苗种的影响；大规模高密度苗种培育技术与设备；苗种稳定出苗率的关键技术等。（3）主要水处理设备的技术性能研究，包括蛋白分离器、臭氧、生物滤器的技术性能。
（1）对虾工厂化无公害养殖技术开发与示范和浅海主要养殖对象无公害养殖技术研究与示范（中国水科院黄海所） 前者建立了适应于南北方不同气候和环境特点的对虾工厂化无公害养殖模式，研究了对虾工厂化养殖水环境特征；后者研究了规模化养殖对环境的影响机制，建立的养殖模式和生态环境调控技术在生产应用中收到了良好的养殖效益。
（2）集约化对虾养殖废水（物）无害化生态处理技术研究（中国水科院南海所） 养殖废水集中排入沟渠经处理后再排入海区；选择芽孢杆菌、光合细菌、细基江蓠繁枝变种、罗非鱼、篮子鱼作为处理养殖废水的生物，在养殖废水排放沟渠内，构建由有益菌处理区、江篱和鱼类混合处理区组成的生物多态位处理模式，养殖废水经过生物多态位链式处理后排放。
（3）工厂化高效健康养殖及水质调控技术研究与示范（中国水科院黄海所） 循环水养殖车间8000 m2，养殖水循环频率最大为每2小时循环1次，循环水利用率大于97%，养殖的大菱鲆平均单产31.5 kg/m2，成活率96.8%。
（4）冷水性鱼类封闭循环式养殖技术（中国水科院黑龙江所） 在封闭循环式养殖试验中
虹鳟和鲟鱼单位水体养殖密度分别达到45 kg/m3和35 kg/m3，项目突破了低温下水产养殖废水氨氮处理技术关键，研制了浮球式自动分层污水过滤装置，氨氮去除率达到149 g/m3?d；项目采用臭氧催化氧化技术，使氨氮氧化去除率达到45%。
（5）鱼类繁育环境全人工控制系统（中国水科院渔机所） 在养殖水处理技术、工艺和装备上具有独创性。首次研发小型ω环道孵化装置、矩形孵化装置和亲鱼产集卵设施，有效解决了贴苗、贴卵等问题，使孵化率和孵化质量显著提高；研制出新型生物滤器、气浮装置和转鼓式微滤机；形成了源水预处理、孵化系统、养殖系统和杀菌调温系统等工艺，确保了繁育环境的稳定和可控。
（6）工程化循环水养殖重大装备研发（中国水科院黄海所） 研发的高效多功能蛋白质分离器系列产品最大流量达200 m3/h，并具有高效去除氨氮、增氧、杀菌、臭氧回收等多种功能；模块式紫外线消毒器具有杀菌效率高、无照射盲区的特点；高效溶氧器最大流量达到150 m3/h，最大溶氧量大于16 mg/L。
（7）鲆鲽类全封闭式养殖系统关键技术集成与健康养殖（中国水科院黄海所） 自主研发了微滤机、蛋白质泡沫分离器、高效生物过滤器，组装配套了海水源热泵、臭氧发生器、水质（温度、pH、溶解氧）在线检测、动力设备故障报警装置等。养殖密度达58.7 kg/m3，饵料系数为0.79（配合饲料），养殖大菱鲆耗水量为0.45 m3/kg。
（8）工厂化水产养殖清洁生产新工艺及其模式优化（大连水产学院） 开发出下流气泡接触式富氧增氧设备、加压溶气气浮净化设备、生物硝化和利用养殖固体废弃物作碳源的反硝化净化工艺及设备等，使固体废弃物和溶解性有害物质（氨氮、硝酸盐、有机物、磷酸盐等）得到高效去除，实现养殖水体富氧增氧和养殖固废的综合利用。
（9）水产养殖水体净化是工厂化循环水养殖系统的核心，利用植物处理养殖污水近年来受到重视。曲克明等研究发现常见大型藻类（石莼和海带）对氮、磷营养盐以及贝类（牡蛎）对悬浮颗粒物均有明显的去除效果。张俊新等试验用煤渣和沸石作为生物膜附着填料处理海水养殖废水。罗国芝等发现蔬菜水培渠对TNH3-N的一次性去除率最高可达57.46%。赵先庭等发现龙须菜可用作大规模养殖废水的净化材料。牟希东等发现水浮莲对水体中的氨氮、亚硝酸氮、硝酸氮、总氮、总磷和COD均有一定的净化效果。张明华等利用植物、微生物组合净水技术和纳米功能材料调质、催化技术，创建了动植物共生的水体自净环境。齐巨龙等研究表明，在10℃~15 ℃低温条件下，水芹对氨氮和磷酸盐具有很好的吸收作用。牟晨晓等采用加压溶气气浮装置可以去除养殖水体中的大部分微颗粒，增加溶解氧。
（10）纳米技术在水产养殖中的应用有了实质性进展。杨菁等将超声波与纳米电气石功能材
料有机结合，开发出一体化纳米过滤净水设备，获得了良好的水净化效果。丁永良等研究设计了一种以绿色可再生能源利用和低耗高效净水技术为特征的试验装置（包括太阳能光伏转换、气举水循环和纳米过滤等装置）。
（11）超声波技术开始步入渔业领域。杨菁等设计了一种超声系统实验装置，经超声辐照后的养鱼污水，其有机污染物更易被曝气生物去除。方金等发现低功率超声波辐射对江黄颡幼鱼具有促进生长的作用。肖继红等发现超声波对养殖废水中的海水生物饵料具有杀灭效果。
（12）循环水养殖系统中的生物滤池对于维持水质有核心作用。宋协法等对目前常用的3种滤料（软性滤料、弹性滤料、半软性滤料）生物滤池在不同水力停留时间的硝化能力进行了实验研究，认为弹性滤料滤池在水力停留时间为80 min 时去除氨氮的效果最好，平均去除率达到52.1%。何洁等以微生物滤器—大型海藻为主要处理单元对工厂化养殖废水进行处理，可以有效控制氨氮的浓度，将氨氮最终转化为硝酸盐，可以据此抑制硝化菌生长，促进亚硝化菌生长。沈南南等通过在凡纳滨对虾养殖水体中添加小球藻和芽孢杆菌，发现菌―藻联合处理组对水质的调控效果优于只添加芽孢杆菌组或小球藻组，能降低水体中氮、磷的含量，对氨氮的作用尤为明显。
（13）在工厂化水产养殖系统中的养殖密度达到一定水平后，使用空气增氧方式将无法满足养殖对象对溶解氧的需求，因此纯氧增氧应运而生。针对已有纯氧增氧能耗偏高的问题，张宇雷等研制了一种既能满足高密度循环水养殖系统对溶氧的需求，能耗又低的纯氧混合装置，其动力效率可以达到6.63 kg O2/（kW﹒h）。高晓田等发现纯氧充气有促进大菱鲆加速生长的特点。在工厂化水产养殖水体的pH值在线自动控制系统研究中，朱明瑞等采用PID算法，以占空比方式控制电磁阀添加中和剂，实现对pH值的控制，具有方法简单、成本低廉、控制准确可靠的特点。
（14）机器视觉技术已开始在水产上得到应用。林艾光研究利用机器视觉检测扇贝大小。徐建瑜等利用计算机视觉技术近似量化水中鱼体的明暗程度。徐建瑜等还从行为参数的量化方法、应激状态下的行为变化两方面提出了计算机视觉技术在实际应用过程中量化鱼类行为的新的研究方向。以养殖鱼体表面积占有效池底面积百分比表示的养殖密度，可以直观地反映鲆鲽类在养殖池底的分布状态。孟振等提出了一种综合运用传统坐标纸、现代数码相机和图像处理软件测量鲆鲽类体表面积的新方法。
（15）郭明忠等应用无源封闭式缩微水生态生命维持系统技术，将蒙古裸腹溞活体，搭载在我国第21颗返回式科学与技术试验卫星上，活体成功返回地球，并在返回地面前产出了仔代。
1.3 池塘生态化养殖工程
（1）池塘健康养殖水质改善、水回用及监测技术（中国水科院长江所）。将人工湿地、综合生物氧化塘、生态沟渠等与池塘养殖有机结合，创造性构建了复合人工湿地－池塘养殖新型生
态系统。在节约水资源及有效解决废水排放等方面具有理论和实践意义。
（2）淡水池塘养殖生态工程技术研究（中国水科院长江所和渔机所）。应用生态工程学原理，构建了包括综合生物塘、人工湿地、生态沟渠和养殖池塘的复合池塘养殖生态系统。该系统以水流为能量载体，形成水循环利用，将相对独立的种、养有机结合，有效实现不同生物间的共生互利关系。
（3）水产养殖废水的人工湿地净化及回用（中国水科院淡水中心） 50亩面积的实验鱼池养殖废水经排水沟排入600 m长的水生植物人工湿地过滤带，水体经净化后再回入蓄水池。本试验的成功对将来让养殖鱼池排入太湖天然水域的水体污染程度为零、对保护太湖生态环境具有积极意义。
（4）李谷等利用人工湿地等水质净化技术作为池塘养鱼水质管理策略，通过构建循环流水型池塘养鱼生态系统，实现水资源的可持续利用。应用人工湿地净化技术处理海水池塘养殖废水也有了实例报道。田景波等以海水池塘人工湿地净化系统的设计为例，在经过跌水曝气—微生物膜降解—沙蚕摄食—缢蛏、牡蛎滤食—江蓠、紫菜、龙须菜的组合吸收等过程，养殖废水的COD、PO43--P、TAN、TSS等4项主要污染指标的平均降解率分别为70.45%、65.98%、71.10%、91.37%。为解决池塘高密度养殖存在的缺氧风险问题，刘兴国等研制的池塘养殖溶氧调控系统比传统增氧方式约可节省运行时间33.4%，饲料系数降低21.6%，具有良好的节能、增效作用。
2 学科发展存在的主要问题
总体上看，我国水产养殖工程装备和技术的发展基本符合渔业产业发展的需求，但从现代渔业生产方式转变的要求看，还有许多领域亟待装备科技的支持和推进。存在的主要问题着重表现在以下几个方面：
（1）包括网衣水下清洗技术及设备、夜间警示系统、鱼类起捕设备、网箱养殖监测系统等在内的深水网箱配套设施的性能以及材料研究与开发的水平还需要提升；网箱在国产化过程中的基础性研究还有待深入，产品安全性能也欠完善；网箱抗流能力比较差，尤其是HDPE网箱在流速达到0.8 m/s以上时，网衣会严重漂移[35]；现有的各类网箱制作技术和工艺有必要改进、提高，重点为强流下网衣的漂移和有效容积保持[36]；深水网箱的动态仿真、与实际结合的理论研究修正等也是今后需要解决的问题。
（2）工厂化循环水养殖设施系统的基础性研究和模式化程度需要提高；在工厂化循环水养殖技术基础研究层面，针对主要养殖类型的包括能量、物质、营养等基础模型研究还很薄弱，以工厂化装备为基础的养殖工艺技术体系还未形成；循环水养殖设施系统还需要针对不同养殖品种或类型进行模式细化，以提高设备系统的针对性，优化装备性能，降低运行成本。（3）池塘养殖和流水型设施养殖是我国主要的养殖生产方式，在健康养殖环境调控、水资源节约和富营养物
质排放等方面，与社会可持续发展的要求相差很大；与国际先进技术相比，应用生态工程化技术调控养殖水体，实现工程化梯级养殖，体现循环经济效应，进而实现养殖设施环境的生态调控、排放控制的技术研究有待深入。
3 学科主要研究方向
3.1 深水网箱精准养殖装备技术
以提高深海抗风浪网箱设施系统生产安全为目标，重点研究深水养殖网箱抗风浪、抗潮流结构关键技术，提高深水网箱设施安全性能；研究不同海域、不同养殖品种专用抗风浪网箱结构与设计规范，满足海上多形式网箱养殖对装备适用性、安全性的要求；开发满足深水网箱海上作业特殊要求的自动投饲、水下监测、活鱼起捕、网衣清洗、废物收集处理、养殖工作船等系统化装备技术，构建不同海域网箱养殖数字化专家系统，为深水网箱的规模化发展提供可靠的设施保障。
3.2 工厂化养殖工程技术
开展在硝化反应模型、硝态氮转化模型、旋流积污水动力特性、纯氧增氧特性等的基础理论研究，构建海水、淡水及冷水鱼工厂化养殖系统模型，解决其中的关键工艺、技术和装备；开展全人工条件下养殖技术研究，开发养殖专家系统与精准投喂技术，形成自动化、智能化控制系统技术；开展工厂化养殖室外生态设施净化技术与室内循环水净化技术的结合研究，构建适应国情的低投资、低运行成本的经济型循环水集约化养殖设施模式。
3.3 养殖环境智能控制装备技术
以提高养殖系统水资源、饲料资源利用率为目标，以自动化、数字化技术为平台，开展养殖环境智能控制技术研究，构建水产养殖数字化技术体系；开展养殖水质信息采集关键技术研究，研究不同养殖模式水质综合指标分布规律及监测点采样方法优化技术、模糊判别技术，开发水质智能预警系统；研究池塘系统分布式控制集成技术，提高养殖工况系统控制的准确性和可靠性；研究溶解氧精准控制、饲料精准投喂技术与系统装备，提高循环水养殖系统氧利用效率与饲料利用率。
3.4 池塘养殖生态工程技术
针对我国大面积养殖池塘在健康养殖、水资源利用、富营养物质排放等方面存在的突出问题，开展池塘集约化养殖生态控制系统技术研究，构建不同养殖区域以人工湿地、水生植物、好氧反应等为主的低生态位能量吸收模型，以达到水质优化、循环利用和排放控制的目的；开展池塘设施结构与构筑物标准化技术研究，优化池型和给排水管渠等，以提高工程经济性；开展池塘清淤与底质微生态修复技术研究，开发池塘淤泥有效处置和肥料化利用技术，养护底质生态。
3.5 渔业节能技术与应用
以提高养殖设施系统运行效能为目标，重点开展节能型关键设备与系统集成技术研究。以无动力筛过滤技术、气浮过滤技术、高效生物过滤技术、可再生能源调温系统，以及大流量、低扬程水泵为研究重点，降低养殖设施系统能源消耗水平；研究光－微藻－养殖容量能量模型，开发藻相工程化控制技术，降低系统能耗，构建节能型循环水养殖系统模式。