“渔光一体”光伏组件遮光比例对池塘水质及草鱼生长性能的影响

钱华政,蒋礼平,梁勤朗,牛江波,宋向果,谢 伟,唐 华,高晓清

(1 通威惠金新能源有限公司，拉萨 850012；2 通威股份有限公司，成都 610041；3 成都通威水产科技有限公司，成都 610041；4 中国科学院西北生态环境资源研究院，兰州 730000)

目前，水上发电的模式主要有两种，即水上漂浮式发电以及“渔光一体”模式发电[1]。日本水面光伏电站已经广泛应用，是目前世界上水上漂浮式光伏电站实际应用最多的国家，现已建成多个超过10 MW的漂浮光伏项目[2]。“渔光一体”模式发电以国内居多，在四川、山东、江苏、安徽等地已建成多个示范基地。尽管“渔光一体”有较多的项目在实施，但这些项目研究多侧重于如何优化模式而提高光伏收益[3-4]，而就另一主体渔业养殖还未得到足够的重视，目前光伏组件对养殖生态系统以及鱼类生长性能影响的研究更是有限[5]。

池塘建设光伏电站后，将对池塘光照造成直接的影响，而光照是影响池塘水产养殖生产的重要因素。光照是浮游植物进行光合作用的根本能量来源，光照的强弱决定着单细胞藻类光合效率[6]。在“渔光一体”光伏电站运行过程中，长期遮光直接影响水温和浮游植物的光合效率，进而影响水体溶氧质量浓度，会导致水环境中污染物的生物自净能力减弱，原有的水体理化性质将会改变。此外，光照是浮游植物生长繁殖的主要能量来源[7]，遮光会导致浮游植物等初级生产者的生产力下降，使得以浮游植物为食的浮游动物的生物量相应出现减少，最终导致原有的水生生态系统结构和功能改变。光伏电站的遮光效应亦会对养殖鱼类造成影响。遮光会使浮游生物生物量减少，导致鱼类饵料生物减少，影响鱼类的正常生长发育[8]。同时遮光还影响鱼类的生理活动。许多研究表明，光照强度可影响仔鱼对光的趋避性[9-11]、摄食强度[12-13]、呼吸频率[14]和内分泌[15]等，长此以往会影响鱼类生活史过程并导致其种群发生改变。

“渔光一体”模式从2016年出现，到目前还未见“渔光一体”光伏组件遮光比例对池塘水质及草鱼生长性能影响的报道。研究光伏组件对池塘养殖生态系统及鱼类生长性能的影响，对“渔光一体”项目的优化和渔业可持续发展很有必要。

1 材料和方法

1.1 试验材料与养殖环境

模拟试验池塘位于南京通威水产科技公司，共有池塘9口，每口池塘面积约为0.13 hm2，平均水深1.7 m(图1)。每个试验池塘安装1.5 kW水车增氧机2台，9口池塘共配备4.5 kW微孔增氧机1台，每个池塘4个纳米微孔曝气盘。本试验模拟池塘光伏组件安装面积，每个处理和重复根据生产实际情况选择池塘，设定了3个处理组，每组设3个重复，分别试验命名为0%组(A、B、C)、50%组(D、E、F)、75%组(G、H、I)。模拟光伏电站由镀锌钢管和遮阳网按照光伏板规格模拟制成，倾角25°，朝正南排布，间距2 m。模拟光伏电站设施建成后进行加水、漂白粉消毒工作。草鱼放养量约12 300尾/hm2，鱼种规格为370 g/尾。

图1 试验池塘示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental ponds

1.2 样品采集与分析

各池塘内部共布设6个水样采样点(例图1 A#)，测定水质及浮游生物指标。4月池塘清塘蓄水准备完毕，开始测量水温、溶氧和pH指标，其余指标为5月鱼种放养后进行测量记录。试验期间每日上午10:00在各池塘选取同一个采样点位置，测定池塘水温、溶氧、pH；每月于池塘水下1 m深度各采集水样两次，各池水样混合后进行以下指标检测：利用分光光度法分析水样中氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、氮磷比、钙硬度、总硬度、总碱度等无机物指标变化。其中，亚硝酸盐氮，硝酸盐氮和氨氮分别用亚硝酸盐显色剂比色法(GB 7493—1987)，紫外分光光度法(HJ/T 346—2007)和比色法(GB/T7479—1987)测定[16]；利用浮游植物分析仪(FlowCAM)分析水样中的藻种和藻相[17]；利用分光光度法检测水样叶绿素和类胡萝卜素含量[18]，利用浮游生物计数框对样品进行计数鉴定[19-20]。

试验结束后对各池塘草鱼随机采样1次，采用现有的国家标准测定蛋白质、脂肪、灰分和脂肪酸的含量[21-22]。

1.3 数据处理与分析

利用香农-威纳指数计算浮游生物多样性[23]，公式为：

H=-∑(Pi)(log2Pi)

式中:H为指数；Pi为此物种个体数占总个体数比例。

采用SPSS 20.0软件对数据进行分析，统计显著水平设定为P<0.05。

2 结果

2.1 不同光伏组件遮光度对草鱼池塘水质指标的影响

不同遮光条件下，温度、pH、溶氧随时间变化如图2所示。

图2 不同光伏组件遮光比例对池塘水温(A)、pH(B)和溶氧(C)的影响Fig.2 Effects of different photovoltaic module shading rates on water temperature(A),pH(B)and dissolved oxygen(C)in ponds

从温度变化来看，随着时间推移，不同遮光组的水温变化趋势是一致的；在各个月份中，50%组和75%组水温均略微低于0%组，但不具有显著性差异(图2A)。在7月之前，50%组、75%组与0%组之间的pH差异并不大，但8～10月，各组之间显示出较大差异。但在整个养殖周期内，各试验组pH均在鱼类生长最适pH范围(7.0～8.5)内(图2B)。从溶氧数据来看，鱼塘在各个月份的溶氧的平均值在5 mg/L以上，且不同遮光组组间的溶氧水平差异不显著(图2C)

从图3A可见，随着养殖的进行，无机氮含量逐渐升高。从氨氮变化来看，9月为全年氨氮最高的一个月，遮光组与未遮光组相比，无论绝对含量还是相对比例，均为50%组含量最低，75%次之，未遮光0%组最高。全年平均氨氮也体现为50%组明显低于其他两组，而0%组和75%组接近。从硝酸盐氮的变化来看，无论9月还是10月，50%组硝酸盐氮绝对含量和相对含量均为最高。

图3 不同光伏组件遮光比例对池塘无机氮(A)、活性磷(B)和氮磷比(C)的影响Fig.3 Effects of different photovoltaic module shading rates on inorganic nitrogen(A),active phosphorus(B)and nitrogen to phosphorus ratio(C)in ponds

图3B可见，活性磷的含量随时间延长出现升高的趋势，在7月之前，遮光50%组活性磷含量最高，7月之后则最低；从整个养殖周期来看，未遮光池塘活性磷含量最高，活性磷含量全年平均以50%组最低，为0.82 mg/L。

从氮磷比看，各组到后期，由于无机氮含量增幅大，3个试验组的氮磷都比较高，其中50%组氮磷比为最高(图3C)。

钙硬度、总硬度、总碱度主要体现了池塘中的缓冲力和生产力，从图4可见，9、10月份较其他月份钙硬度、总硬度、总碱度略高，50%组池塘全年平均钙硬度、总碱度、总硬度均略高于其他池塘，但差异并不显著。

图4 不同光伏组件遮光比例对池塘钙硬度(A)、总硬度(B)和总碱度(C)的影响Fig.4 The effects of different photovoltaic module shading rates on calcium hardness(A),total hardness(B)and total alkalinity(C)in ponds

2.2 不同光伏组件遮光度对草鱼池塘浮游生物的影响

如图5A可见，与0%组相比，遮光50%浮游植物种类数最多，遮光75%最少。从香农-威纳指数来看，遮光75%多样性指数最高，未遮光组最低。

图5 不同光伏组件遮光度对池塘浮游植物的影响Fig.5 Effects of different photovoltaic module shading rates on phytoplankton in ponds

如图5B所示，0%、50%、75%组的光合色素含量变化趋势一致，在整个养殖周期内，光合色素含量大小顺序为0%组>50%组>75%组。

从图5C、5D、5E可以看出，蓝藻的大量增殖出现在7～8月，而0%池塘的蓝藻在6月已成为优势种类，而50%、75%遮光池塘则能在6月份约束蓝藻的大量增殖，且50%组在9月份的蓝藻占比低于0%和75%组。绿藻和硅藻的数目占比在7～8月较低，且3组池塘间差异不明显；6月份0%组的硅藻、绿藻数目占比低于50%和75%组。

如图6A可见，浮游动物种类未遮光和遮光50%组接近，但遮光75%组明显有所减少。图6B反映了不同遮光环境下浮游动物生物量的变化情况，由图6可见，50%组浮游动物生物量全年平均最低，0%和75%组接近；相较于其他遮光池塘，50%组生物量表现为春季低而秋季高。

图6 不同光伏组件遮光比例对池塘浮游动物的影响Fig.6 Effects of different photovoltaic module shading rates on zooplankton in ponds

2.3 不同光伏组件遮光度对草鱼肌肉组分和生长性能的影响

从表1可以看出，0%组的粗蛋白、水分含量最高，50%组的粗蛋白、水分含量最低；50%组的粗脂肪含量明显高于其他两组，几乎是其他两试验组的2倍。表2可知，75%组的饱和脂肪酸(SFA)含量最高，而50%组的不饱和脂肪酸(USFA)含量最高。

表1 各试验组草鱼肌肉成分组成分析Tab.1 Analysis of muscle composition of grass carp in each experimental group

表2 各试验组草鱼肌肉脂肪酸组成成分分析Tab.2 Analysis of fatty acid composition of grass carp muscle in each experimental group

从表3中比较分析，0%、50%、75%无显著差异。但从数值看，0%组与75%组饲料系数相差0.14，亩产量相差250 kg。从生产上讲，75%组平均日增重显著下降，差异比较大。在各处理组中，存活率未表现出显著差异。

表3 不同光伏组件遮光比例对草鱼饲料系数、亩产量、日增重率和存活率的影响Tab.3 Effects of different photovoltaic module shading rates on feed conversion rate,yield per mu,daily weight gain and survival of grass carp in ponds

3 讨论

3.1 池塘光伏组件安装遮光比例对草鱼池塘水质的影响

与0%组相比，随着遮光面积的增加，水温、pH逐渐降低，尤其是在夏季高温季节差异更为明显。有研究显示草鱼最适生长水温为25℃～30℃，当水温达到33℃时草鱼开始死亡，并随着温度升高死亡率也升高。试验中智能监测系统显示，75%组最高水温均未超过33℃，而0%组在7月份最高水温高于33℃，这表明光伏电站遮光可降低草鱼热应激风险，降低死亡率。无机氮含量、总硬度、总碱度是反映池塘水质状态的良好指标，有研究显示若水中硝酸盐含量、总硬度、总碱度高，氨氮含量低，则说明水环境氧化性好，缓冲力强，水质好。试验结果表明，与0%组相比，50%组氨氮转化率更高、水体氧化性和稳定性更好。从活性磷含量上来看，虽然50%组的活性磷养殖周期内平均含量最低，但其含量已达藻类适合生长的磷含量，不会对藻类生长造成抑制，能满足藻类生长需要。氮磷比的检测数据则显示遮光与未遮光组的氮磷比都较高，这可能是随着养殖进行，养殖过程中的残饵和粪便逐步积累在池塘中，无机氮含量逐渐升高导致的，因此应及时清理养殖水中废物，降低无机氮含量。

3.2 池塘光伏组件安装遮光比例对浮游生物的影响

光照是影响浮游植物生长繁殖的最重要生态因子之一。大量研究显示光照显著影响浮游植物个体大小、生物量以及物种多样性[24-27]，甚至影响某些藻的优势性[28]。以往研究表明，光合色素是反映浮游植物生物量的良好指标[29-30]。本试验发现遮光组的平均光合色素含量较低，表明遮光影响了藻类的光合作用，降低了藻类生物量。然而，遮光组的香农-威纳指数较0%组升高，而香农-威纳指数是反映物种多样性的良好指标，这表明遮光似乎对更多的藻类生长有利，适度的遮光能丰富藻类的多样性。在水产实际生产过程中，特别是春秋季节，当池塘中某些有害藻如蓝藻等易在水体中形成优势种群，抑制其他常规藻类生长和繁殖，遭遇到环境突变时，易发生大规模“倒藻”现象，导致水体理化性质会发生急剧变化，造成鱼类缺氧，生长减缓甚至死亡。通过分析不同遮光比例下池塘优势藻蓝藻、绿藻和硅藻的光合色素含量发现，未遮光组的蓝藻占比一直处于首位，因此未遮光组池塘面临“倒藻”风险较高，而遮光组中绿藻和硅藻数量占优，这对于水体的养殖环境而言是比较积极的信号，适度遮光可利于养殖池塘水质稳定和鱼类安全。

池塘的浮游植物为浮游动物提供了优质的饵料，而浮游动物为池塘提供了初级生产力。因此，光照可能会通过影响浮游植物的量来影响浮游动物的量。本试验的研究结果显示，与0%组相比，光伏组件安装比例对全年浮游动物的生物量影响不显著。遮光池塘生物量变化体现为春季较其他遮光池塘低，而秋季则较高，春季为浮游动物繁殖的最好时机，所以在遮光条件下，应注重早期肥水。

3.3 池塘光伏组件安装比例对草鱼生长的影响

环境因子对鱼类生长的影响可能是通过直接或间接对鱼类的摄食、代谢等产生影响，进而影响能量收支平衡，增加或减少用于生长的能量分配[31-33]。对比试验草鱼的产量和存活率可以发现，0%组的存活率和产量均最高。同时根据本试验的研究结果表明，遮光对草鱼的生长有一定的影响。其中75%遮光对草鱼日增重系数、饲料系数及亩产量的影响最大，而50%的遮光对草鱼的影响相对较小。英国营养科学咨询委员会(SACN)将总脂含量达到5%～20%的鱼类定义为“肥鱼”(oily fish)，并鼓励一般人群增加其食用量(至少1次/周)[34]。50%组和75%组达到了“肥鱼”的标准。本试验中，50%和75%遮光对草鱼的新陈代谢产生了影响，促进脂肪在肌肉的储藏，生产出了更有营养的“肥鱼”。可能是50%和75%遮光处理给草鱼营造了一个阴凉安全的栖息环境，减少了寻求弱光环境而带来的能量消耗，从而促进肌肉中脂肪积累。

3.4 池塘光伏组件安装比例对养殖的影响

在养殖池塘安装不同比例的光伏板，改变了池塘接受光照面积占池塘面积的比例，光照强度的改变对池塘水质、水中生物造成了不同程度的影响。但从本研究结果来看，适宜的光伏板安装不会对草鱼的生长和产量有显著影响，并且大大增加了经济效益。当然，在该模式下也有以下不可忽视的问题：首先，集中安装光伏板对风力作用的影响和纵向贯穿水体的水泥柱对水流的影响，影响了池塘自身具备的水体交换能力，从而导致池塘和空气进行交换的能力受到了一定程度的影响，同时会增加池底硫化氢等有害物质积累的风险。其次，由于光伏组件的存在，增加养殖过程中捕捞、清塘等操作难度。对光伏组件的分布和构建形式进行改良、对改善水体流通的辅助设备的研发以及对整体经济和生态效益深层次的比较是持续优化“渔光一体”模式的方向。

4 结论

“渔光一体”光伏组件遮光不会对草鱼养殖造成显著影响。从水质上来看，模拟光伏电站遮光改善了草鱼池塘水质，遮光组的pH、水温降低，碱度、硬度和氮磷比升高，水体氧化性和稳定性更好；从浮游生物上来看，遮光能优化池塘水体藻相，抑制蓝藻增殖，但不利于浮游动物生长；从草鱼产量分析上来看，在相同投入的情况下，适宜的“渔光一体”遮光不会对草鱼生长和产量造成显著影响。但随着光伏面积的增加，草鱼的生长、产量及存活率均存在略微降低趋势。同时，增设光伏组件对池塘水质、水中生物结构组成均造成了影响，并在捕捞、清塘等方面带来了一定限制。因此，据本次研究结果表明，采用50%遮光比例将更有利于光伏发电和渔业的协调发展，但综合考虑发电效益，75%的遮光比例则更为适宜。

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