光伏漁業系統中水產光照偏好性與遮陰對生態漁業影響的研究進展與展望

陳金友, 吳 雪, 顧東清, 楊 晨, 許桂俊, 李國鋒?, 鮑恩財

(1.江蘇省農業科學院農業設施與裝備研究所,江蘇 南京 210014;2.江蘇省能源研究會,江蘇 南京 210096;3.深能南京能源控股有限公司,江蘇 南京 210019)

0 引言

光伏漁業系統(以下簡稱“漁光互補”)是一種在坑塘水面上建立光伏發電站,同時實現水體養魚與水面發電功能的設施養殖系統。 在保證養殖用電需求,提高養殖管理水平的同時,又能有效利用土地資源,破解光伏發電用地困局,達到增加收益、節能減排的目的,從而使光伏發電與水產養殖相互支撐發展[1]。 近年來,國內“漁光互補”發電項目及模式呈爆發式增長,在江蘇、安徽、山東、河北等地均有成功項目案例,但其在實際運行中暴露出諸多問題,其一在于各種應用或研究都側重于如何優化模式提高光伏收益[2];其二是“漁光互補”中漁業養殖沒有得到足夠重視,系統性的研究工作較少[3]。

池塘水面建設光伏電站后,最直接的影響是降低池塘水體的光照強度,而光照強度的降低對池塘養殖有著較大影響。 本文充分分析了國內外相關研究,闡述了光照強度對水產品質、水生植物生長以及水質的影響,總結了目前光伏漁業系統發展的技術問題,展望了光伏漁業未來發展方向,以期為國內光伏漁業相關研究提供參考。

1 光伏漁業系統水產養殖研究現狀

國內首個“漁光互補”項目于2012 年在江蘇建湖并網,隨后全國大部分地區陸續有“漁光互補”項目落地,相關專家學者針對性地做了相關研究工作。 文獻[4] 研究了光伏板的存在對中華絨螯蟹的養殖環境與生長情況的影響,結果表明,光伏板遮陰顯著降低了水體光照強度、溶氧與水溫,但能滿足中華絨螯蟹的生長需求,同時光伏板的存在對6、7 月份伊樂藻根系生長起到了保護作用,有效避免了高溫季節對伊樂藻生長的不利影響,凸顯出光伏板下養殖中華絨螯蟹的優勢。 文獻[5] 研究表明,6 月份之前非光伏區中華絨螯蟹顯示出一定的生長優勢,6 月份之后光伏區優勢突出。 文獻[6] 通過設置不同遮光度(0%、50%、75%),比較草魚養殖池塘水質指標,浮游動植物情況,草魚生長情況等,結果表明,50%和75%遮光組的pH 值、水溫較低、堿度和氮磷比升高,藍藻和浮游動物生物量下降,有利于草魚養殖。文獻[7-8] 在相關研究中得出類似結果,即一定程度(75%)的遮光有利于浮游植物生物量的增加,造成這一現象的原因可能是光伏板的存在使光照強度降低,減少了光抑制現象的發生,從而減緩水溫降低幅度,浮游植物有較好的生存環境。 綜上,在光伏漁業系統中進行水產養殖具有一定的優勢與推廣價值[9-11]。

2 水產攝食、生長所需最適光照強度

光伏漁業系統水面光照強度較低,對養殖動物生理活動及養殖水環境產生不同程度的影響,其影響有利有弊。 掌握水生動物攝食、生長所需適宜光照強度在漁光互補的研究與實踐中起到至關重要的作用。

2.1 水產攝食所需的最適光照強度

光照是影響魚類攝食行為的重要條件之一。 關于光照度對魚類攝食的影響,不少研究結果肯定了兩者之間存在密切關系[12-15]。 文獻[12] 就光照強度與動物攝食之間的關系,提出了兩種攝食模型。 其中S型攝食曲線是指隨著光照強度的減弱,攝食量增大;當光照強度減弱到一定程度時,攝食量最大,且基本保持恒定。 另一種攝食模型是具有峰值的攝食模型,存在一個適宜的光照強度范圍,在這個范圍內攝食量最高,高于或低于這個光照強度攝食量都降低。 部分養殖品種攝食的最適光照強度如表1—2 所示。 其中大部分對光照強度要求較低,甚至具有避光性,即在黑暗條件下攝食強度更大。 在實踐生產中,部分養殖品種傍晚投喂,天黑后出來吃食,如中華絨螯蟹,由此可見中華絨螯蟹攝食對光照需求較低。類似的品種還有克氏原螯蝦。 在“漁光互補”池塘養殖中,優先選擇最適光強較低的品種。

2.2 養殖動物生長所需最適光照強度

光照強度對養殖水產的生長速度同樣具有種屬特異性,對光照強度的需求有高有低。 降低光照強度使得部分養殖水產品種生長速度加快。 表3 列舉了部分養殖水產品種最適生長所需光強。 在“漁光互補”項目中,需要盡可能選擇生長所需光照強度較低的養殖品種。

表3 部分養殖水產品種最適生長所需光強

3 光伏板遮陰對藻類與沉水植物的影響

養殖池塘中常見的水生植物有藻類、沉水植物,其生長繁殖影響著池塘pH 值、溶氧等指標,是水體環境的重要組成部分,對水產動物的養殖有著決定性的影響。 水生植物的生長受到光照強度的影響,探究水生植物生長所需適宜光照強度在“漁光互補”養殖中至關重要。

3.1 光伏板遮陰對藻類生長的影響

光照強度是影響藻類生長的重要環境因子之一,不同藻種對光照需求差異顯著[44]。 文獻[45] 指出:對于每個藻種,都存在一個最適光強范圍,即補償光照強度和飽和光照強度之間,在此范圍之外,藻類的生長均受到抑制。 文獻[46] 總結了41 種常見藻類最適生長光照強度或范圍,大多數藻種適應的光強范圍基本都為20~200 μmol/(m2·s)。 文獻[47] 指出,在其他浮游植物環境條件適宜的情況下,4 500 lx 是最適宜香溪河源水中混合浮游植物生長的光照條件,同時也是維持其多樣性的適宜光照條件。 晴朗夏季,在水體表層很容易出現光抑制現象,對光合作用產生負面影響。 文獻[48] 在滇池開展了遮光圍隔試驗,結果發現遮光率為85%時利于浮游植物生長,遮光率為99%時抑制浮游植物生長。 文獻[49] 的研究結果表明,遮光能夠大幅削減藻類生物量,顯著抑制藻類光合產氧速率,促使藻類消亡。 文獻[8] 研究發現安裝光伏板后提高了水體浮游植物密度和生物量。 同時,不同的遮光率與季節對藻類生長、生物量的影響不同。 遮光率高對藻類生長影響較大,反之則影響較小。 春冬季節遮光對藻類的生長起到一定的負面作用,這是由于降低了藻類光合作用。 夏秋季光照強度大,出現光抑制現象,而光伏漁業系統遮光避免了光抑制現象,對藻類的生長起到正面作用。

3.2 光伏板遮陰對沉水植物生長的影響

沉水植物是典型的喜陰植物,光照過強,會抑制其光合作用的進行,其光強適應閾的上限可能限于1/3~1/2 全日照強度[50]。 光照強度對沉水植物的影響與藻類類似,同樣有著相應的最適光照強度。 文獻[51] 研究指出,供試驗5 種沉水植物中苦草對光的需求最低;狐尾藻和金魚藻對光的需求最高;菹草和黑藻對光的需求介于中間。 5 種沉水植物的光合作用都表現出強光抑制現象。 文獻[52] 在光照對伊樂藻幼苗生長及部分光能轉化特性的影響中表明,不同光照強度對伊樂藻幼苗株高、葉片數、鮮重有顯著影響。其中5%自然光照組幼苗光適應能力明顯高于其他組。 文獻[53] 對洱海的15 中沉水植物的光合參數做出的測算數據表明,15 種沉水植物光補償點為6.3~63.8 μE/(m2·s)、光飽和點為55.6 ~ 441.5 μE/(m2·s),其中苦草光補償點6.3 μE/(m2·s)、飽和點55.6 μE/(m2·s)相比最低。 春冬季節光照強度低,“漁光互補”池塘中沉水植物生長相對緩慢、滯后。 但夏秋季節,光照強度大,產生一定程度的光抑制現象,不利于生長。 此時“漁光互補”系統下光伏板遮陰有利于沉水植物生長。 沉水植物除了受到光照強度的影響以外,水體透明度、藻類生物量對沉水植物獲取光照資源影響較大。

4 光伏板遮陰對水質的影響

養殖池塘水體pH 值、溶氧、水溫指標對養殖動物的攝食、消化吸收、生長速度、免疫力、病害等有較大的影響。 池塘水體pH 值、溶氧受到光合作用影響較大。 光合作用強烈使二氧化碳大量被消耗,產生大量氧氣,導致水體pH 值、溶氧上升。 在“漁光互補”系統中,pH 值更穩定。 “漁光互補”工程中葉綠素a 濃度隨時間呈波動上升趨勢,溶解氧濃度先下降后升高并趨于穩定。 自然水體溶氧主要來源于光合作用產氧,光伏板存在導致水體溶解氧顯著低于非光伏區(P<0.05)。 因此,“漁光互補”池塘養殖中,增氧成本增加。

光伏板遮陰降低了光照強度并由此導致水溫降低。實驗數據表明,光伏板的存在直接導致5 月、6 月、7 月以及8 月份每月平均最高水溫顯著低于對照組。

5 討論

光照強度對池塘養殖的影響紛繁復雜。 不同光照強度對同一養殖品種有著不同的影響,同一光照強度對同一養殖品種不同的生長階段有著不同的影響,不同養殖品種對光照強度的需求不同。 光照強度減弱對池塘環境的影響更為復雜。 (1)總體來看,水生動物對光照強度需求不高;(2)光照強度減弱對池塘養殖有利有弊。 光伏板遮陰穩定了高溫期池塘水體環境,降低了高溫期的養殖風險。 同時也減少池塘溶氧來源,降低池塘凈化能力,增加養殖成本。

5.1 主要技術問題

目前,針對“漁光互補”的研究較少。 只能通過相關聯的實驗、論文去研究“漁光互補”的問題。 “漁光互補”仍舊處于研究、推廣的初級階段。 不僅在實驗層面研究相關問題,更重要的是研產結合,推動產業健康發展。 在實際應用中,應重點考慮以下技術問題:(1)如何科學安裝、使用增氧機以彌補遮陰導致的溶氧減少且避免浪費,是亟待解決的問題;(2)池塘光合作用強度降低,導致池塘凈化能力降低,而凈化能力一定程度上限制了養殖產量,為保證養殖效益,需提供額外的凈化能力。 如何提供科學、低成本、高效的水質凈化技術是目前一項重要的技術問題;(3)合理設計光伏板鋪設密度與排布方式,尋求光伏發電與水產養殖的平衡點,既保證光伏的發電效益,同時讓池塘養殖合理利用遮陰給養殖帶來的優勢,規避負面影響,保證較好的經濟產出;(4)養殖方案設計之初充分考慮到遮陰給養殖帶來的影響,結合當地養殖技術以及養殖習慣,深入把控不同養殖品種的光需求特性,篩選出適宜的養殖品種。

5.2 研究重點

基于以上技術問題,當前研究重點是:(1)科學監測“漁光互補”池塘中溶氧變化情況,全面地掌握池塘溶氧,建立“漁光互補”池塘中溶氧的收支模型,為增氧機的安裝與使用提供依據;(2)如何科學地往池塘中添加碳源以及菌制劑,培養持續穩定的有益菌群落,建立更科學有效的生物絮團技術體系,利用有益菌凈化池塘水質,彌補凈化能力不足的問題;(3)監測不同光伏板布置密度、不同布置方式對池塘接收到的光照強度的影響,結合養殖動物及養殖環境所需的適宜光照強度,確定光伏發電與水產養殖的平衡點;(4)水產養殖動物生態習性的探索研究,在選擇養殖品種之前充分了解養殖動物的光照需求。

6 結語

“漁光互補”是21 世紀起源于中國的新型漁業方式,是一種水上發電、水下養殖的新技術。 本文簡單論述光照強度降低對池塘養殖的影響,并分析其中技術問題及研究重點。 展望未來“漁光互補”池塘養殖技術的發展方向與研究內容主要包括以下幾個方面。

(1)堅持生態養殖,提高產品質量。 因光照限制,池塘生產力下降,在同樣條件下產量下降。 因此注重產品質量,提高品質是“漁光互補”發展出路之一。

(2)池塘養殖的現代化、信息化、集約化、機械化、智能化是水產養殖發展的必由之路。

(3)增氧效率的提升,人工生產力成本的降低。增氧和添加人工生產力是“漁光互補”池塘養殖中最為重要的保持產量的手段,增氧效率的提升以及人工生產力成本的降低都是“漁光互補”養殖降本增效的有效手段。

(4)“漁光互補”前景廣闊。 中國池塘養殖面積巨大,為全球之最。 做好池塘“漁光互補”不僅加快水產養殖業的轉型速度,同時為能源轉型提供重要助力。 隨著研究的不斷深入、產業的進一步發展,“漁光互補”的生態價值、經濟價值將不斷顯現,進一步推動清潔能源的生產和池塘養殖綠色發展。