太湖地区是我国淡水产品的主要生产基地之一^[1]。目前，该区域河蟹养殖面积约25.3万hm²，其产量和产值分别占全国50%和60%以上^[2]。然而，高密度放养、大量投饵与施肥的养殖模式导致水体有机负荷过大，造成养殖尾水氮、磷浓度严重超标^[3-4]，从而限制了河蟹养殖的可持续发展^[5]。

研究发现^[6-7]，饲料氮、磷养分的高水平投入和低水平利用是河蟹养殖塘有机负荷增加的主要原因之一。陈家长等^[5]调研发现，太湖流域蟹塘每年饲料氮、磷损失率分别高达44.8%和67.3%。目前，为缓解河蟹养殖经济效益与水环境恶化的矛盾，主要采取“蟹-草-螺”^[8]和“养殖-净化”循环^[9]2类生态养殖模式。“蟹-草-螺”模式通过在河蟹养殖塘种植水草和养殖螺蛳进行净化水质^[10]。水草直接吸收蟹塘水体残余氮磷养分；螺蛳作为河蟹的“内源活体饲料”，可以降低商品饲料投入^[11]。“养殖-净化”循环模式通过将养殖尾水排入净化塘，在净化塘种植超富集植物进行吸收拦截，从而达到净化水质的目的^[12]。这两种模式均能够很好地降低蟹塘养殖尾水的氮磷含量，因此，在河蟹生产上具有较大面积的推广应用^[9]。然而，商品饲料的投入依然存在蟹塘污染周围水体的风险。

本研究将“蟹-草-螺”模式和“养殖-净化”循环模式进行整合，形成“养殖-净化”复合循环系统。通过构建系统动力学模型，模拟常规集约化养殖条件下净化水质达标地表Ⅲ类水的养殖塘与净化塘的最佳面积比；同时模拟不同商品饲料替代水平、水质调控强度和净化效率条件下养殖塘与净化塘水体N（P）浓度动态特征，从而为管控太湖流域面源污染、发展农渔结合型循环农业生产系统的结构配置与工程设计提供理论依据。

本研究供试河蟹品种为中华绒螯蟹（Eriocheir sinensis L.），养殖塘种植水生植物伊乐藻（Elodea nuttallii L.）和菱角（Trapa bispinosa Roxb.），净化塘种植水生植物水葫芦（Eichhornia crassipes（Mart.）Solms）。

河蟹“养殖-净化”循环模式由养殖塘和净化塘2个关键系统构成（图 1）。养殖塘由河蟹、水草（伊乐藻/菱角）、螺蛳和淤泥4个亚系统构成；净化塘由水葫芦和淤泥2个亚系统构成。该系统的物质投入包括河蟹饲料、养殖塘肥料、河蟹幼苗、伊乐藻/菱角及水葫芦幼苗等。养殖尾水经专用管道定期排入净化塘，净化塘再生水经专用管道作为灌溉水回流养殖塘重复利用。每个亚系统均作为N、P养分的储存库。N、P养分随着水体的循环利用在每个亚系统间进行迁移转化。人工打捞水葫芦，进行有机肥堆沤，从而带走净化塘水体的N、P养分，达到净化目的。

图 1 河蟹“养殖-净化”复合系统结构示意图 Figure 1　The structural flow chart of crab cultivating-purifying recycling system

图选项

系统动力学（System dynamics, SD）模型是基于控制论、系统论和信息论以研究反馈系统结构、功能和动态行为的一类模型，能够反映复杂系统结构、功能与动态行为之间的互作关系, 并进行动态仿真模拟，从而考察复杂系统在不同情景下的变化行为和趋势, 提供决策支持^[13]。目前，SD模型在社会、经济和生态领域具有广泛应用，包括政策情景模拟^[14]、产业经济循环^[15]、区域物流动态^[16]、生态系统过程^[17]等。

本文以河蟹“养殖-净化”复合系统为对象，使用VenSim DSS软件，构建基于水分运移的N（P）养分循环的系统动力学模型，模型总体框架及结构如图 2所示。

图 2 河蟹“养殖-净化”循环模型养分流转图 Figure 2　Nutrient flow chart of crab cultivating-purifying recycling model

图选项

河蟹养殖期（4月6日-10月15日）各日（第t日）主要系统状态变量有：（1）养殖塘水体N（P）总量X_T ^(t)（g）；（2）养殖塘储水总量H_T ^(t)（m³）；（3）养殖塘降雨总量H_P^(t)（m³）；（4）养殖塘灌水总量H_I^(t)（m³）；（5）净化塘再生水总量H_R^(t)（m³）；（6）净化塘蒸发水总量H_E^(t)（m³）；（7）养殖塘尾水排放总量H_D^(t)（m³）；（8）养殖塘灌水N（P）量X_I^(t)（g）；（9）养殖塘降雨带入N（P）量X_P^(t)（g）；（10）养殖塘施肥N（P）量X_F^(t)（g）；（11）养殖塘饵料N（P）量X_B^(t)（g）；（12）净化塘再生水带入N（P）量XP_R^(t)（g）；（13）养殖塘河蟹吸收N（P）量X_C^(t)（g）；（14）养殖塘水草吸收N（P）量X_G^(t)（g）；（15）养殖塘淤泥沉积N（P）量X_S^(t)（g）；（16）养殖尾水排放N（P）量X_D^(t)（g）；（17）河蟹生物量M_C^(t)（g·m^-2）；（18）伊乐藻生物量M_E^(t)（g·m^-2）；（19）菱角生物量M_T^(t)（g·m^-2）；（20）淤泥沉积深度S_D^(t)（mm）；（21）净化塘水体N（P）总量XP_T^(t)（g）；（22）净化塘储水量HP_T^(t)（m³）；（23）净化塘降雨总量HP_P ^(t)（m³）；（24）净化塘蒸发总量HP_E^(t)（m³）；（25）净化塘降雨N（P）总量XP_P^(t)（g）；（26）水葫芦吸收N（P）量XP_EC^(t)（g·m^-2）；（27）水葫芦生物量M_EC^(t)（g·m^-2）。

主要参数：伊乐藻起始生物量M_E0（42 g·m^-2）；菱角起始生物量M_T0（42 g·m^-2）；河蟹起始生物量M_C0（2.7 g·m^-2）；养殖塘淤泥起始厚度D₀（50 mm）；水葫芦起始生物量M_EC（1 398.501 g·m^-2）；养殖塘面积S1（m²）；净化塘面积S2（m²）；养殖塘/净化塘面积比R；淤泥容重D（700 kg·m^-3）^[18]。

模型参数如表 1所示。

表 1　模型参数及状态变量表达式 Table 1　Parameters and the equations for the model

表选项

模拟试验1：为了验证模型的可行性，首先，模拟常规河蟹养殖条件下，净化塘水质达到地表Ⅲ类水标准（TN≤1.0 mg·L^-1，TP≤0.2 mg·L^-1）的养殖塘与净化塘面积的最佳比例；其次，以模拟试验确定的面积比为指导，进行实际养殖验证，测定N、P浓度，以确定是否达到地表Ⅲ类水标准。模拟试验程序如下：河蟹养殖期为4月5号-10月15号，共193 d。养殖期间日降雨量和日蒸发量数据取自苏州气象局提供的2012年逐日气象资料。养殖塘基肥及饵料用量参照当地常规河蟹养殖施用。河蟹初始投放量为2.7 g·m^-2；伊乐藻起始生物量为42 g·m^-2；菱角起始生物量为42 g·m^-2；养殖塘淤泥起始厚度为50 mm；水葫芦起始生物量为1 398 g·m^-2。水葫芦分别于7月15日和10月15日收获2次，其中7月15日收获面积为净化塘总面积的50%，10月15日全部收获。养殖塘面积假定为1 000 m²。通过调整养殖塘与净化塘的面积比R，来观测净化塘水体N、P浓度。验证试验设置与模拟试验相同的试验条件，于2012年在苏州市相城区国家现代农业示范区-阳澄湖农业产业园开展模型验证。养殖塘的面积为667 m²。

模拟试验2：模拟不同商品饲料替代水平条件下，养殖塘与净化塘N、P动态变化特征。商品饲料替代水平设置为5 %、10 %和15 %。养殖塘与净化塘二者面积比为20.5:1，其他养殖与净化条件及气候数据与模拟试验1相同。

模拟试验3：模拟不同养殖塘水质调控技术对养殖塘与净化塘水体N、P动态变化特征的影响。养殖塘水质调控因子分为2个水平：伊乐藻和伊乐藻/菱角。一般情况下，伊乐藻会在高温期间（6-7月份）死亡，导致养殖塘水质恶化。本试验假设在伊乐藻生长期结束（4-7月份）之后，种植菱角（8-10月份）以吸收养殖塘N、P养分。养殖塘与净化塘二者面积比为20.5:1，其他养殖与净化条件及气候数据与模拟试验1相同。

模拟试验4：模拟不同净化效率对养殖塘与净化塘N、P动态变化特征的影响。净化效率设置为3个水平，即净化塘水葫芦收获1次（10月15日）、收获2次（7月15日、10月15日）和收获3次（6月15日、8月15日、10月15日）。养殖塘与净化塘二者面积比为20.5:1，其他养殖与净化条件及气候数据与模拟试验1相同。

模拟试验5：基于试验1~试验4的结果，设计技术组合优化方案。在养殖塘与净化塘二者面积比为20.5:1条件下，设置对照组和优化组。对照组设置为商品饲料替代比例为0%，养殖塘仅种植伊乐藻进行水质调控，水葫芦收获1次；而优化组设置为商品饲料替代比例为15%，养殖塘轮种植伊乐藻和菱角，水葫芦收获2次。检验技术优化方案养殖塘和净化塘水体TN和TP浓度的降低程度。

应用Excel 2003使用Student t检验对不同处理之间TN和TP浓度的差异显著性进行统计分析。

经调试养殖塘与净化塘的面积比，当二者之比为20.5:1时，养殖塘水体的TN浓度为Ⅴ类水，经净化塘之后，达到Ⅲ类水标准。模拟结果显示，养殖塘水体TN浓度在5-10月份大部分时间保持在1.5~2.0 mg·L^-1之间，而在5月中旬TN浓度达到顶峰，其浓度>2.0 mg·L^-1。河蟹生长期养殖塘水体TN浓度平均为1.60±0.02 mg·L^-1，符合Ⅴ类水标准。尾水排放至净化塘，经水葫芦吸收净化，净化塘水体TN浓度保持在0.5~1.0 mg·L^-1之间，平均为0.89±0.02 mg·L^-1，属于地表Ⅲ类水标准。

验证试验中，养殖期内养殖塘的TN浓度也表现类似的波动特征，即5月份达到峰值，随后波动比较平稳。然而，养殖塘水体TN浓度较高，平均浓度达1.95±0.01 mg·L^-1，属于劣Ⅴ类水；经净化塘水葫芦净化之后，TN浓度迅速降低至地表Ⅲ类水标准，平均浓度为0.95±0.01 mg·L^-1。验证试验结果表明，按照模型的优化方案，河蟹养殖尾水的净化水质确实可以达到地表水Ⅲ类标准，表明模型具有一定可信度。

模拟结果显示（图 3），商品饲料替代能够显著降低养殖塘和净化塘的TN和TP浓度（P < 0.05）。在商品饲料投放量被替代5%、养殖塘与净化塘二者面积比为20.5:1的条件下，养殖塘TN浓度降低3.1%，TP浓度降低4.2%；净化塘TN浓度降低4.5%，TP浓度变为负值，未作统计分析。在商品饲料投放量被替代10%条件下，养殖塘TN浓度降低6.3%，TP浓度降低8.3%；净化塘TN浓度降低10.1%，TP浓度变为负值，未作统计分析。在商品饲料投放量被替代15%条件下，养殖塘TN浓度降低10.0%，TP浓度降低8.3%；净化塘TN浓度降低14.6%，TP浓度下降过快，变为负值，未作统计分析。表明，如果使用螺蛳等“内源活体饲料”，以等N量来替代外源商品饲料，能够实现降低养殖尾水TN、TP浓度的目标。

（a）、（b）、（c）、（d）分别为商品饲料投放量替代0%、5%、10%和15%条件下的TN浓度；（e）、（f）、（g）、（h）分别为商品饲料投放量替代0%、5%、10%和15%条件下的TP浓度 (a)、(b)、(c)、(d) is TN concentration under 0%, 5%, 10% and 15% substitution rate respectirely; (e)、(f)、(g)、(h) is TP concentration under 0%, 5%, 10% and 15% substitution rate respectirely 图 3 养殖塘与净化塘TN、TP浓度动态模拟 Figure 3　The dynamics of TN and TP concentration in the cultivating and purifying ponds

图选项

模拟结果显示（图 4），水质调控技术对养殖塘和净化塘TN、TP浓度的影响不显著。在养殖期间高温期结束，伊乐藻死亡，进而种植菱角，与不种植菱角相比，养殖塘和净化塘的TN、TP浓度均未表现出显著差异（P>0.05）。表明，以伊乐藻和菱角轮种对养殖塘进行水质调控的效应并不显著。这主要原因可能是菱角的生长速率较慢，对N、P的吸收固持效率较低造成。因此，要增强养殖塘的自净效率，还需筛选耐高温、生长速率较快的水生植物与伊乐藻进行轮种。

（a）养殖塘仅种植伊乐藻时的养殖塘与净化塘水体TN浓度；（b）8月份养殖塘开始种植菱角的养殖塘与净化塘水体TN浓度；（c）养殖塘仅种植伊乐藻时的养殖塘与净化塘水体TP浓度；（d）8月份养殖塘开始种植菱角的养殖塘与净化塘水体TP浓度 (a), (c) TN and TP concentration when Elodea nuttallii was grown in the cultivation ponds; (b), (d) TN and TP concentration when Elodea nuttallii and Trapa bispinosa were successively grown in the cultivation ponds 图 4 不同水质调控强度对养殖塘与净化塘TN、TP浓度的影响 Figure 4　Effects of regulation intensity for water quality on TN and TP concentration in the crab cultivating and purifying ponds

图选项

模拟结果显示（图 5），净化效率对养殖塘和净化塘的TN、TP浓度影响较大。与水葫芦收获1次相比，收获2次条件下，养殖塘和净化塘TN浓度分别降低10.0%和16.1%；养殖塘TP浓度降低11.1%，净化塘TP浓度出现负值，未作统计。收获3次条件下，养殖塘和净化塘TN浓度分别降低10.0%和17.2%；养殖塘TP浓度降低11.1%，净化塘TP浓度出现负值，亦未作统计。水葫芦收获2次和收获3次条件下，养殖塘和净化塘之间TN、TP浓度差异不显著（P>0.05）。表明在养殖塘与净化塘的面积比为20.5:1，水葫芦收获1次条件下，在养殖周期内大多数时间净化塘水体TN浓度大于1.0 mg·L^-1，属于Ⅳ类水；只有收获2次以上，才能表现出良好的净化效果。然而，收获2次与收获3次的净化效果相似。因此，考虑到人力成本，实际养殖生产中以收获2次为宜。

（a）、（b）水葫芦收获1次时养殖塘与净化塘水体的TN、TP浓度；（c）、（d）水葫芦收获2次时养殖塘与净化塘水体的TN、TP浓度；（e）、（f）水葫芦收获3次时养殖塘与净化塘水体的TN、TP浓度 TN and TP concentration was shown when Eichhornia crassipes was harvested one time (a)~(b), two times (c)~(d) and three times (e)~(f) 图 5 不同净化效率对养殖塘与净化塘TN、TP浓度的影响 Figure 5　Effects of difference purifying efficiency on TN and TP concentration in the cultivating and purifying ponds

图选项

模拟结果显示（图 6），技术优化组合方案对养殖塘和净化塘水体TN和TP浓度具有显著影响（P < 0.05）。与对照相比，技术优化组合方案显著降低养殖塘和净化塘水体TN和TP浓度。总体来讲，使用优化方案，养殖塘水体TN和TP浓度分别降低9.58%和10.98%；净化塘水体TN浓度降低15.61%，TP浓度在5月下旬开始迅速下降，6月份开始出现负值，因此，未作统计分析。同时，在对照方案，净化塘水体TN浓度在5-6月和9-10月养殖期间，TN浓度>1.0 mg·L^-1，变现为Ⅳ类水，达不到排放要求；然而，使用技术优化方案，整个河蟹养殖期内净化塘水体TN浓度均保持在0.5~1.0 mg·L^-1之间，即完全达到地表Ⅲ类水标准。表明优化组合方案能够完全实现河蟹养殖尾水达标排放，在实际生产中可以进行推广应用。

图 6 技术优化方案对养殖塘与净化塘TN、TP浓度的影响 Figure 6　Effects of the optimal technology procedure on TN and TP concentration in the cultivating and purifying ponds

图选项

太湖流域水体富营养化已成为严重的社会与生态问题，引起了广大研究人员的关注^[19]。由饲料残余引起富含氮磷的河蟹养殖尾水排放是太湖流域水体富营养化的重要源头之一^[20]。本研究发现，在替代比例5%~15%的范围内，养殖塘和净化塘水体TN和TP浓度随着商品饲料投入量增加而降低。这表明，在保证饲料蛋白质总量不变的前提下，使用螺蛳等内源生物活体饲料来代替一定数量的外源商品饲料能够降低蟹塘养殖尾水污染周围水体环境的风险。作为蟹塘的“净化卫士”和河蟹的“活体饲料”，螺蛳投喂蟹塘能够促进河蟹生长而提高产量^[8-9]。然而，河蟹产量并不是随着螺蛳投喂量的增加而线性增加，而表现为抛物线型^[8]。王海候等^[8]发现螺蛳最适投喂量为587.5 kg·667 m^-2可获得最大河蟹产量；董江水等^[21]综合考虑了河蟹规格、产量及成活率等因素之后提出螺蛳最适投喂量为300 kg·667 m^-2。如果不投入商品饲料而仅仅投喂螺蛳，尽管能够降低养殖尾水的TN浓度，但同时也降低了河蟹产量^[9]。因此，综合考虑成本与收益，螺蛳替代商品饲料的最大比例应不超过50%^[9]。

水葫芦的净化效率是决定“养殖-净化”复合系统的关键步骤。本研究模拟结果表明，如果水葫芦在河蟹养殖期结束一次性收获（约6个月），净化塘水体TN浓度在养殖期大部分时间内表现为地表Ⅳ类水标准；而水葫芦收获2次（生长期约3个月）和收获3次（生长期约2个月），净化塘水体TN浓度在整个河蟹养殖期内均保持为地表Ⅲ类水标准。净化塘水体TN浓度在水葫芦收获2次和收获3次之间无差异。水葫芦生长繁殖速度较快，能够很好地吸收拦截水体的氮磷养分^[22]。在一定面积水域，水葫芦能够迅速生长并占领整片水域，其种群达到饱和，此时，水体的氮磷吸收量也达到最大；由于种内竞争^[22]，水葫芦饱和种群的生物量能够稳定一段时间。此时，如果收获水葫芦将会带走大量氮磷，从而达到最佳净化效益。然而，水葫芦种群如果较长时间处于饱和状态，由于种群自疏效应^[23]，可能会导致部分个体死亡，而将已固持的氮磷养分重新归还于净化塘水体。这可能是水葫芦收获1次与收获2次、3次之间净化效率差异的主要原因。

尽管本研究通过模型模拟从理论上探讨了“养殖-净化”复合循环系统的氮磷动态特征及影响因素，研究结果对河蟹生态养殖的工程构建及生产管理具有一定指导意义。但是模型构建依然存在一些不足:尽管在实际河蟹生产中会在蟹塘投喂螺蛳，但螺蛳种群生长难以监测，建模所需要的种群生长参数难以获得。因此，本研究对模型进行了简化，未考虑螺蛳投放对循环系统的影响。未来研究需要开发新的螺蛳种群原位生长监测方法，以获得准确的种群生长参数，从而进一步完善模型。

通过构建系统动力学模型，从理论上探讨了河蟹生态养殖尾水达标排放的可行性，得出以下结论：

（1）在常规集约化养殖条件下，“养殖-净化”复合系统的最佳养殖塘与净化塘二者面积比为20.5:1时，净化塘水质即可达到地表Ⅲ类水标准。

（2）养殖塘与净化塘水体TN和TP浓度随着商品饲料替代比例增加而降低。当商品饲料替代比例高达15%时，养殖塘水体TN和TP分别降低10.0%和8.3%，净化塘水体TN降低14.6%。

（3）养殖塘水质调控技术对TN、TP浓度没有显著影响。与单种伊乐藻相比，伊乐藻和菱角轮种条件下，养殖塘和净化塘水体TN、TP浓度的差异不显著。

（4）净化塘的水质净化效率对养殖塘和净化塘的TN、TP浓度具有显著影响。与水葫芦收获1次相比，收获2次和3次条件下，养殖塘和净化塘水体TN浓度分别降低达10%和16%以上；但收获2次和3次之间TP、TN浓度差异不显著。为节约成本，在实际生产中，应以水葫芦收获2次为宜。