1)养殖概况。中试实验场地位于广东省广州市农业技术推广中心(113.28°E，23.13°N)。集装箱循环水养殖系统于2019-09-08开始施工，2019-11-04和2019-11-05放苗。第1茬大口黑鲈(Micropterus salmoides)鱼苗的养殖周期为2019-11-05—2020-04-16。集装箱中放苗总计约11 939尾，每条鱼起始质量约为100 g，到2020-04-16，每条质量约为489.57g，日均增加2.39 g。到2020-01-13，累计死亡1 066尾，成活率为89.29%。投料34包，总质量为668.45 kg。每日投饵率约为0.49%，每天投喂1次。

2)养殖系统组成。集装箱式水产养殖系统由集装箱养殖区、微滤机、沉淀池、明渠、三级尾水净化塘和水泵组成。养殖尾水从集装箱进入微滤机后，可以分离约90%的固体废弃物，废弃物进入沉淀池。而过滤后的养殖尾水通过明渠流入三级尾水生态池塘，尾水经生态池塘净化后，返回集装箱，实现养殖水体循环利用。

3)指标测定。实验日期为2019-12-03—2020-01-13，每次实验周期为7 d。实验期间，日均光照强度为1.92~6.47 kWh·(m²·d)⁻¹，风速为0.38~2.84 m·s⁻¹，气温为15~20 ℃。净化塘水体交换流量为50 m³·h⁻¹。现场测定水质理化指标。水质物理指标包括溶解氧(DO)、水温(T)、pH和电导率(EC)；水质化学指标包括氨氮(NH₄⁺)、亚硝酸盐(NO₂⁻)、硝酸盐(NO₃⁻)、正磷酸盐(PO₄³⁻)、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、总磷(TP)。水质物理指标使用便携式水质物理指标监测仪器现场测定，水质化学指标参照《水和废水监测分析方法(第4版)》中的方法进行测定。水质指标的监测及采样位置见图1。监测及采样位置包括点位A、B、C及点位1-1~3-3，共12个点位。实验场地物理特征参数如表1所示。

AQUATOX模型是美国环境保护局(EPA)开发的一种水生态系统模型，可通过同时计算模型模拟时段中每天或每小时所进行的重要的物理、化学和生物过程来模拟化学物质(营养盐、有机化学物质等)、生物量在水生态系统中的变化过程，构建水质-水生生物响应的关系^[12-13]。其基本原理如图2所示。

本研究采用AQUATOX模型对三级尾水净化塘分别建模，再利用模型自带的模块连接功能(linked segments)连接成串联的三级尾水净化塘水生态模型。尾水净化塘的场地物理特征参数如表1所示。模型模拟日期为2019-12-03至2020-01-13，模拟时间步长为1 d。模型选用的状态变量(溶解氧、营养物质、生物组分等)及驱动变量(温度、光照、风速、pH、进出流量等)共计21个^[12]。光照、气温、风速均采用实测的长时间序列数据。

浮游植物生物量根据流式细胞仪计数结果及镜检结果，采用经验公式^[10]计算获得；浮游动物及底栖动物生物量参考广州地区养殖池塘生物量的研究统计^[14-15]获得。模型模拟生物的初始生物量为硅藻0.92 mg·L⁻¹、绿藻3.08 mg·L⁻¹、蓝藻0.1 mg·L⁻¹、轮虫7.00 mg·L⁻¹、桡足类0.82 mg·L⁻¹、摇蚊2.06 mg·m⁻²和正颤蚓0.36 mg·m⁻²，营养相互作用关系参考AQUATOX模型内置数据库中的数据(表2)。

图表的绘制使用Origin 2021，数据分析采用SPSS 26。正态分布检验结果表明，模拟结果不服从正态分布，采用Spearman非参数相关分析计算指标秩相关系数。

模型参数的设定参考已有研究中的方法^[16-17]。在该模型中，1^#池塘的数据用于矿化参数、浮游藻类参数、浮游动物和底栖动物参数的率定，使用2^#池塘和3^#池塘的数据进行验证。一些重要参数率定结果见表3~表5，模型率定结果如图3(a)所示，模型的验证结果如图3(b)和图3(c)所示。

使用均方根误差(RMSE)、平均相对误差(MRE)和建模效率(EF)^[18]评估模型的拟合优度(表6)。对比结果表明，除TP质量浓度模拟值比实测值整体偏小外，其他指标都与实测值较为符合，模拟值与实测值的MRE为4.98% ~ 23.37%。

基于以上构建的AQUATOX尾水净化塘水生态系统模型，将2020-01-14—06-03作为模型的预测阶段，预测模型的总计算时间为6个月，为2019-12-03—2020-06-03。模拟阶段物理特征及入流边界条件不变，气象数据采用模型默认的年平均气象数据，营养输入负荷数据的输入日期为2019-12-03—2020-01-13，数据值与率定验证数据相同。

模拟预测阶段尾水净化塘中总氮和总磷的变化趋势如图4(a)所示。3个尾水净化塘中总氮质量浓度在2020-01-07—09达到最大值，分别为19.70、19.68和19.69 mg·L⁻¹；在2020-06-03分别降至12.98、12.99和13.16 mg·L⁻¹，降幅约为34%。总磷质量浓度的最大值出现在2020-01-15—16，分别为8.99、8.98和8.92 mg·L⁻¹，此后下降至5.91 mg·L⁻¹，降幅约为35%，但是整体依旧处于较高水平。

模拟预测阶段尾水净化塘中浮游植物生物量的变化情况如图4(b)所示。硅藻的生物量在初期迅速下降至0.01 mg·L⁻¹以下，并在整个预测阶段一直保持在接近0的水平；绿藻和蓝藻的生物量在预测阶段较为稳定，但在3^#池塘中两者的生物量都远高于1^#池塘和2^#池塘。绿藻的生物量在3个池塘分别保持在0.22、0.45和2.85 mg·L⁻¹，蓝藻的生物量在3个池塘分别保持在0.08、0.15和0.40 mg·L⁻¹。

模拟预测阶段尾水净化塘中浮游动物和底栖动物生物量的变化情况如图4(c)和图4(d)所示。轮虫生物量呈现先下降再上升再下降的趋势，桡足类生物量总体呈上升趋势，轮虫和桡足类在1^#池塘中的生物量略高于2^#池塘和3^#池塘。轮虫的生物量在2020-06-03分别为5.57、4.77和3.20 mg·L⁻¹，相比于初始生物量降低了20.41%~50.23%；桡足类的生物量分别为6.90、4.67和5.11 mg·L⁻¹，相比于初始生物量增长了469.41%~742.02%。摇蚊和正颤蚓生物量快速增长，摇蚊的生物量从初期2.06 mg·m⁻²增至27.17~28.22 mg·m⁻²，在2020-01-20以后一直保持该生物量水平；2^#池塘中正颤蚓的生物量增长速度高于其他池塘，3个池塘中正颤蚓的生物量从初期0.36 mg·m⁻²分别增至1.78、4.25和2.38 mg·m⁻²。

针对集装箱运行过程中暴露出的2大问题，本研究采用添加沉水植物和低密度滤食性鱼类2种生物处理技术对尾水净化塘进行情景分析，以寻求提高尾水净化塘处理效率和改善生态系统的措施。当前，添加沉水植物和添加滤食性鱼类被普遍应用于富营养化和污水处理中^[19-21]。本研究选取水藓和鳙作为模拟对象，探究生物处理技术在养殖尾水净化塘中的应用。

1) 添加水藓的尾水生态净化结果。水藓具有较强的有机和无机化学物质的元素积聚能力^[22]。向模型中添加5 g·m⁻²水藓(干质量)。水藓的饱和光强为0.47 kWh·(m²·d)⁻¹，光呼吸速率为0.027 g·(g·d) ⁻¹，20 ℃呼吸速率为0.002 g·(g·d) ⁻¹，最适温度为15 ℃，最大光合速率为0.19 d⁻¹，死亡系数为0.000 1 g·(g·d) ⁻¹。比较加入水藓前后溶解氧、总氮和总磷质量浓度变化、藻类生物量和浮游动物生物量的变化，结果如图5所示。

添加水藓对养殖水质最主要的影响是提高了水体中溶解氧质量浓度，溶解氧的增幅在2020-01-20前随时间逐渐增大，3个池塘变化最大值分别为23.11%、45.39%和77.90%。添加水藓可以降低生态池塘中总氮的质量浓度，但最大降幅仅为1.81%，出现在3^#池塘；未能降低水体中总磷的质量浓度，这可能与水藓生物量较少和浮游植物生物量减少有关。

添加水藓不利于藻类生物量的增加。添加水藓后，3个池塘中藻类的生物量都呈现明显下降。硅藻的下降幅度最大值分别为−14.68%、−74.43%和−99.99%，绿藻的下降幅度最大值分别为−99.74%、−99.99%和−99.99%，蓝藻的下降幅度最大值分别为−99.50%、−99.99%和−99.99%。添加水藓后3^#池塘中桡足类生物量相比于未添加水藓的情况显著下降，而1^#池塘和2^#池塘中桡足类生物量在2020-01-29以前略微下降，之后显著上升。1^#池塘、2^#池塘和3^#池塘中桡足类生物量变化幅度最大值分别为34.69%、44.84%和−45.99%。

2) 添加鳙的养殖尾水生态净化结果。因为浮游动物摄食藻类，导致集装箱循环水养殖系统中藻类生物量较低，因此加鳙控制浮游动物数量，以维持需要的较高的藻类生物量从而对水体复氧增氧有利^{[20, 23]}。模拟时分别往3个生态池塘中添加20 g·m⁻²鳙(干质量)，鳙的半饱和喂养参数为0.5 mg·L⁻¹，最大消费率为0.037 g·(g·d) ⁻¹，最小生物量为0.25 g·m⁻²，最适温度为27 ℃，呼吸速率为0.05 d ⁻¹，配子死亡率为0.9 d ⁻¹，死亡系数为0.000 05 d ⁻¹，平均生命周期为1 460 d ⁻¹，平均湿质量为50 g。3个生态池塘加入鳙前后的总氮和总磷质量浓度、藻类生物量和水生动物生物量差异如图6所示。

添加鳙不会降低尾水净化塘水体的总氮和总磷质量浓度，反而可能因为引入鳙，水体中的鱼类排泄物增加，导致水体氮磷质量浓度上升^[21]。添加鳙有利于浮游植物生物量增长，3个生态池塘中硅藻生物量的最大增幅为89.80%、47.22%和22.06%，绿藻生物量的最大增幅为76.95%、54.05%和23.29%，蓝藻生物量的最大增幅为45.99%、33.37%和20.30%。添加鳙对池塘水生动物生物量变化影响如图6(b)表示。添加鳙有利于抑制正颤蚓生物量，3个池塘中正颤蚓生物量的最大降幅分别为−35.29%、−60.97%和−61.03%，轮虫生物量最大降幅分别为−5.29%、−5.99%和−16.11%，桡足类生物量的最大降幅分别为−22.71%、−23.09%和−20.64%，摇蚊生物量的最大降幅分别为−10.53%、−11.08%和−9.26%。

为了佐证以上情景模拟所得结论，将添加沉水植物和滤食性鱼类推广至实际生产基地。实际生产基地位于广东省肇庆市，在2021-05-10前，尾水净化塘无滤食性鱼类，有沉水植物。在实际生产基地，对有沉水植物时溶解氧质量浓度进行现场监测。同时，在加入滤食性鱼类后，对叶绿素a、总氮和总磷质的量浓度进行现场监测。监测结果表明：有沉水植物时，池塘溶解氧质量浓度维持在(7.24±3.40) mg·L⁻¹(平均值±标准差)；随着沉水植物生物量的逐渐减少(从2021-05-10开始)，溶解氧质量浓度呈下降趋势(图7(a))；有滤食性鱼类后，叶绿素a质量浓度维持在较高水平，为(41.28 ± 24.78) μg·L⁻¹(平均值±标准差)(图7(b))；实际生产基地净化后的养殖尾水的总氮和总磷质量浓度比中试实验基地小(图7(c)和图7(d))。

在持续6个月的养殖运行过程中，新建的尾水净化塘内菌群逐渐形成和稳定下来，系统对养殖废水中氮、磷的净化处理能力增强，总氮和总磷质量浓度呈现先上升后缓慢下降的趋势。养殖水体及底泥中充足的营养碎屑是浮游动物和底栖动物生长的基础，前期硅藻、绿藻和蓝藻受到浮游动物捕食的影响，生物量较低，后期由于光照、气温等条件的改善，藻类光合作用增强，绿藻和蓝藻的生物量水平基本稳定，绿藻成为池塘的优势藻种。Spearman非参数相关分析表明，硅藻与总氮和总磷的秩相关系数小于-0.705，显著性Sig.<0.01，呈显著负相关；绿藻与总氮和总磷的秩相关系数小于-0.372，Sig.<0.01，呈显著负相关。这说明当绿藻和硅藻生物量增大时，氮、磷质量浓度降低，绿藻和硅藻能够去除水体中一定数量的氮、磷营养盐。

浮游动物生物量的变化受pH和非离子氨质量浓度影响明显。非参数相关分析也表明，轮虫与pH的秩相关系数为-0.355，Sig.<0.01，二者呈显著负相关。净化塘中pH较高，导致水体非离子氨质量浓度较高，增大了对浮游动物的毒害作用，导致轮虫和桡足类死亡率较高^[24-25]。鱼类的养殖场所转移到集装箱中，浮游动物食物来源减少，底栖动物捕食者减少，因此，轮虫和桡足类的生物量变化较小，摇蚊和正颤蚓的生物量得以快速增长，从而提高了底泥中营养碎屑的处理效率。根据模型预测结果，当外界条件不变化的情况下，池塘从建设初期生态系统不稳定的“生塘”向生态系统稳定、处理效率提高的“熟塘”的转变，能够为管理者调整喂养结构提供借鉴与帮助。

生物处理技术对池塘复氧、抑制浮游动物生长或促进浮游植物生物量增长具有一定作用。水藓常在改善富营养化湖泊、河流等的生态系统中用于抑制浮游植物生长、为浮游动物提供庇护场所^[26-27]，但对尾水净化塘富营养化净化效果并不明显。在提升水质方面，添加水藓的作用主要表现为提升水体中的氧含量，水藓与溶解氧的秩相关系数为0.579，Sig.<0.01，二者呈显著正相关。但水藓脱氮除磷的效果不明显，其与总磷没有相关性，Sig.>0.05，与总氮的秩相关系数为-0.175，Sig.<0.01，呈显著负相关，但相关性较弱。可能的原因是水藓抑制了藻类的生长，导致磷的吸收转化量减少，但水藓本身对氮的吸收转化能力比对磷的强^[28]，因此，其脱氮效果比除磷效果好。

水藓通过营养盐竞争与化感作用抑制了浮游植物生长。非参数相关分析表明，水藓与浮游藻类生物量的秩相关系数为-0.933，Sig.<0.01，二者呈显著负相关。种植水藓会降低水中的透光量，导致浮游植物光合作用速率下降，不利于浮游植物的生长^{[21, 29]}。浮游植物生物量下降对3^#池塘中的浮游动物生长形成抑制，但1^#池塘和2^#池塘中的桡足类由于食物结构相比于轮虫较为复杂，因此，在2020-01-31后，生物量可以增大。综上所述，有2种情形适合在生态系统中培植水藓：一是在浮游植物生物量过高、需要控制浮游植物生物量的区域可适量种植水藓；二是在有复氧需求的区域，可种植适量水藓，增强该处的复氧能力。

鳙是我国的“四大家鱼”之一，具有较好的经济效益，常与鲢鱼搭配作为防控水体“水华”的生态治理措施。但也有研究^[30]表明，低密度鳙鱼可以控制水体大型浮游动物。在尾水净化塘中添加鳙，对桡足类、摇蚊和正颤蚓生物量的控制效果较为明显。模拟初期，由于水体的pH变化较大，增大了鳙的死亡率，因此，在该阶段，轮虫和桡足类的生物量有较大的增幅，后期由于养殖水体水质条件较为稳定，添加鳙能较好地降低浮游动物生物量。鳙滤食水体中悬浮物质，使底栖动物食物来源减少，因而抑制了底栖动物生物量增长。鳙与底栖动物摇蚊的秩相关系数为-0.678，Sig.<0.01，呈显著负相关。生态池塘中藻类生物量较低，投放鳙在一定程度上减缓了浮游动物对藻类的消耗，抑制了浮游动物过快生长，有利于池塘生态系统之间的稳定平衡，从而提升水质观感^[31]。但也有研究^{[20, 30]}表明，鳙对浮游植物的控制效果与鳙的密度、水体营养程度、浮游植物组成等有关。因此，要使滤食性鱼类达到对水生态的调控效果，掌握鱼类调控密度的阈值、理解调控机理至关重要。

1) 利用AQUATOX构建的串联的三级尾水净化塘水生态系统模型，水质模拟效果较好，且6项水质指标的误差均在合理范围内，较准确地反映了池塘水质变化的实际情况。将AQUATOX模型运用于构建串联池塘生态系统具有实际操作的可行性。

2) 尾水净化塘系统经过6个月的发展与演化，从建设初期生态系统不稳定的“生塘”向生态系统稳定、污染物处理效率提高“熟塘”转化，生态系统结构逐步完善，管理者可根据尾水净化塘污染物处理效率调整喂养结构。经过6个月的运行，系统脱氮除磷率可高达34%，同时维持绿藻生物量在0.22~2.85 mg·L⁻¹，蓝藻生物量在0.08~0.40 mg·L⁻¹，硅藻生物量低于0.01 mg·L⁻¹；水生动物中除轮虫生物量略微下降外，桡足类、摇蚊和正颤蚓的生物量均显著增加。

3) 对尾水净化塘的水质调控措施表明：添加沉水植物水藓对废水中过高的氮、磷去除效果不明显，也将导致藻类生物量迅速下降，但可以有效提高水体中溶解氧质量浓度，3个池塘变化率最大值分别为23.11%、45.39%和77.90%。添加沉水植物适用于有复氧需求的水体。添加低密度的滤食性鱼类鳙对水体氮磷质量浓度没有明显影响，但是鳙通过对水生动物的捕食与食物竞争，可减少浮游植物的被捕食损失，促进浮游植物增长，3个生态池塘中硅藻生物量的最大增幅为89.80%、47.22%和22.06%，绿藻生物量的最大增幅为76.95%、54.05%和23.29%，蓝藻生物量的最大增幅为45.99%、33.37%和20.30%。生物处理技术适用于集装箱式循环水养殖模式的尾水生态处理，有利于水生态组分功能的恢复和平衡。