Strutture per l’acquacoltura estensiva d’acqua dolce
(“Pond aquaculture”)
• Concetti generali, definizioni acquacoltura estensiva
• I sistemi colturali: naturali, fertilizzati ed alimentati
• Calcolo dei limiti produttivi dei sistemi colturali:
- produzione di ossigeno per fotosintesi algale
- massimizzazione del processo fotosintetico
• Fertilizzazione dei sistemi naturali
• Caratteristiche costruttive degli stagni:
- arginature
- sistemi di carico/scarico
- stratificazione e miscelazione
L’acquacoltura estensiva in stagni
La coltivazione degli stagni rappresenta il sistema acquacolturale di tipo più primitivo ma
non per questo privo di importanza economica.
Nel mondo, la maggior parte della produzione ricavata dall'attività nel settore
dell'acquacoltura deriva proprio da questo tipo di sistema (il 41% nel 1988).
A livello mondiale, la produttività media di questo tipo di sistema supera leggermente
1t/ha anno, tuttavia la produzione per unità di area varia di un fattore 10 in funzione di
pratiche gestionali e specie.
Specie
Produzione (%)
Produttività (t/ha.anno)
Carpa, tilapia
46
7–8
Molluschi
37
Trota, salmoni
4
Pesce gatto
2
2-6
Crostacei
2
0,5 – 1
Altre
9
Acquacoltura in stagni e acquacoltura in canali
La produzione degli stagni cresce enormemente se si procede all’aggiunta di
fertilizzanti o alimenti, si ossigena, si incrementano le portate d’acqua. Sorge quindi
spontaneo domandarsi: quando uno stagno estensivo si evolve in un sistema più
intensivo?
In termini generali si può affermare che:
- lo stagno è quel sistema in cui i processi che avvengono nell’acqua ferma
determinano la qualità della stessa e questa risulta vincolare la produttività del
sistema stesso,
- si parla invece di un sistema a canaletta quando la produttività diventa funzione
solamente della portata dell’acqua di ricambio.
Stagni naturali fertilizzati e stagni alimentati artificialmente
Classificare il tipo di conduzione che può essere effettuato negli stagni è problema
alquanto difficile. In questa sede si propone di distinguere tra due principali sistemi di
conduzione:
1)
il primo, prevede l'allevamento “naturale” o, al più, l'aggiunta di fertilizzanti di
natura organica od inorganica allo scopo di favorire la crescita della microflora che
costituisce la prima fonte alimentare della catena trofica.
In questo primo caso, la produzione è limitata dalla fotosintesi e dalla capacità del
sistema ecologico di trasformare i prodotti vegetali primari in biomassa pescicola.
L'obiettivo da perseguire, quindi, deve essere quello di massimizzare la produzione
primaria della biomassa fotosintetizzante e di sfruttarla al meglio.
2)
il secondo, prevede che i fabbisogni nutritivi dei pesci siano soddisfatti, parzialmente
o totalmente, somministrando alimenti organici direttamene ai pesci, questo si chiama
“sistema alimentato”.
In questo secondo sistema, analogamente a quanto si verifica nei sistemi aperti, la
produzione stessa è limitata dalla velocità con cui l'ossigeno può essere rifornito al
sistema e dalla possibilità di eliminare nel frattempo i metaboliti del processo (NH3 e
CO2).
I sistemi naturali
Lo scopo principale di questo tipo di allevamento è quello di ricavare da un ecosistema
“naturale” la maggior quota possibile di carbonio: prima, fissato attraverso la fotosintesi;
poi, processato dalla catena trofica in biomassa pescicola.
Produttività primaria degli ecosistemi naturali
(g C/m2.giorno)
Ecosistemi terrestri
1,58
Ecosistemi d’acqua dolce
0,55
Ecosistemi marini
0,22
Media mondiale
0,62
Produttività primaria di ecosistemi marini
(g C/m2.giorno)
Mare aperto
0,14
Aree costiere, estuari
0,27
Aree ad elevata concentrazione nutrienti
0,82
Densità algale eccezionale
10-20
Produttività di ecosistemi d’acqua dolce
(g C/m2.giorno)
Sistemi oligotrofici
< 0,3
Sistemi mesotrofici
0,3 – 1,0
Sistemi eutrofici
Solo in casi eccezionali
Produttività di sistemi acquacolturali
>1
12
(g C/m2.giorno)
Media o bassa intensità produttiva
<6
Alta intensità produttiva:
>6
- valore routinario
6 - 12
- valore mantenibile per pochi mesi
15 - 20
- valore mantenibile per brevissimi periodi
30 - 40
IN
OUT
Luce
Fertilizzazione
Fotosintesi algale
(fitoplancton)
Biomassa primaria
Biomassa secondaria
Alimentazione
PRODUZIONE FINALE
(consumatori primari,
es. carpe, tilapie)
PRODUZIONE FINALE
(consumatori zooplancton,
carnivori
es. trote, salmoni)
Produzione
ossigeno fotosintetico
Prodzn
Produzione
biomassa primaria
ProdC
PRODUZIONE
FINALE
ProdP
La produzione netta di ossigeno
Produzione netta di O2 = Produzione di O2 – Consumo di O2
I principale obiettivi (… e problemi) che si presentano nella gestione degli stagni naturali
sono quelli di:
A) massimizzare la produzione di ossigeno, che avviene per:
- fotosintesi algale
- trasferimento per diffusione naturale attraverso la superficie dell'acqua
- introduzione con sistemi di areazione artificiale (se è un sistema alimentato)
B) minimizzare il consumo di ossigeno, che avviene per:
- respirazione algale notturna
- ossidazione della sostanza organica
C) rendere disponibile la massima quota di ossigeno per:
- respirazione del pesce
In uno stagno l'attività fotosintetica algale assume una importanza fondamentale.
La fotosintesi algale si svolge nella colonna d’acqua stagnante secondo la seguente
equazione generale:
106 CO2 + 122 H2O + 16 NO3 + HPO4 = C106H263O110N16P + 138 O2
Alcune importanti considerazioni:
1.
il processo produttivo fotosintetico primario, cioè la fissazione del carbonio,
comporta la produzione di ossigeno. Nei sistemi naturali, massimizzando la
fotosintesi, si massimizza nel contempo la produzione di carbonio e di ossigeno.
2.
la produzione di ossigeno avviene durante il giorno, mentre durante la notte si verifica
un processo di consumo di ossigeno per respirazione.
3.
il processo di produzione implica l'accumulo nella biomassa di una certa quota di
ossigeno. Nel momento in cui si "raccoglie" il pesce si sottrae ossigeno al sistema.
Maggiore è la produzione, più diventerà difficile che l'ossigeno necessario possa
essere garantito solamente per via naturale.
E’ chiaro che quello che interessa per il sistema acquacolturale è il calcolo di una
produzione di ossigeno fotosintetico algale al netto del consumo di ossigeno stesso che si
verifica per la respirazione algale.
Dato che la produzione fotosintetica può essere considerata omogenea sul piano
orizzontale, il problema è quello di analizzare il comportamento del fenomeno sul piano
verticale, cioè rispetto alla intera colonna d'acqua.
Infatti, la trasmissione della luce lungo la colonna d’acqua è influenzata da molti fattori:
- profondità
- intensità luminosa alla superficie
- posizione della fonte luminosa
- turbidità (coefficiente di estinzione luminosa).
Il consumo di ossigeno è funzione degli stessi parametri ed in particolare della turbidità
dell’acqua.
La presenza stessa di pigmenti clorofilliani degli organismi fotosintetizzanti determina un
aumento della turbidità del mezzo, ed è chiaro quindi che in condizioni di acqua con
turbidità nulla, non si avrà comunque produzione di ossigeno fotosintetico.
Alta turbidità
Bassa turbidità
Velocità di produzione netta di
ossigeno in funzione delle ore del
giorno e della turbidità dell’acqua
(coefficiente di estinzione della
luce).
Nella realtà il fenomeno così descritto è alquanto semplificato, infatti, in un generico
bacino oltre alla biomassa algale fotosintetizzante sono pure presenti altri consumatori di
ossigeno, sia biologici (si pensi a esempio ai pesci stessi) sia non biologici (si pensi ai
processi di ossidazione che possono avvenire sul fondo del bacino).
Così in genere l'andamento delle due funzioni della produzione e del consumo totale di
ossigeno assume l’andamento indicato nel presente grafico: produzione e consumi tendono
a bilanciarsi su scala giornaliera.
La produzione, e quindi il
consumo, di ossigeno tendono a
bilanciarsi su un valore di:
20 g O2/m3 . giorno
La produzione di biomassa primaria
La conoscenza dell'evolversi della concentrazione di ossigeno su base giornaliera può
essere estremamente utile per definire le strategie di progettazione dello stagno (es.
stabilirne la profondità) e di conduzione (es. valutare la necessità di fertilizzazione).
Inoltre, consente di valutare l'efficienza dei produttori primari di ossigeno e di prevenire i
fenomeni di asfissia che tendono a verificarsi durante le prime ore del mattino.
L'obiettivo della gestione di un stagno naturale resta comunque quello, all'interno di detti
limiti per l'ossigeno, di massimizzare la produzione di pesce nell'arco dell'anno.
La produzione di ossigeno da fotosintesi, così come sopra calcolata, può fornire
un'idea dell'efficienza del processo produttivo.
Infatti si ha che:
ProdC = Prodzn  k5
[g C/m2 die]
dove:
- k5 è il coefficiente di trasformazione di O2 in C [0,288 g C/g O2]
- Prodzn è la produzione di ossigeno netta cumulativa [g O2/ m2 . giorno]
Esempio
Dal grafico precedentemente esposto si ricava che la produzione di ossigeno è di circa 20 g
O2/ m3 e, se la profondità dello stagno considerato è di 1 m, la Prodzn sarà di 20 g O2/ m2 .
giorno.
La produzione giornaliera primaria di carbonio sarà quindi pari a:
ProdC = Prodzn . k5 = 20 x 0,288 = 5,76
[g C/ m2 . giorno]
La produzione finale dello stagno
E’ possibile stimare la produzione finale (ad es. di pesce commerciale) di un sistema
acquacolturale partendo dai dati appena visti di produttività primaria dei sistemi.
Infatti si ha semplicemente la seguente relazione:
ProdP = ProdC  k3  k4  10  365
dove:
- ProdP è la produzione di pesce [kg/ha anno];
- ProdC è la produzione primaria di carbonio [g C/m2 . giorno];
- k3 è il coefficiente di conversione del C in biomassa pari a 4,38;
- k4 è il coefficiente di trasformazione (C nel pesce/ C da produzione primaria) della
particolare specie di pesce allevata, che vale ad esempio:
k4 = 0,1
 pesci consumatori primari, quali i diversi tipi di carpe e tilapie
k4 = 0,01
 consumatori di zooplancton (tipo trota e salmone)
Esempio
Un allevamento di carpe effettuato in un ecosistema dove si verifica una produzione
primaria di 5,76 g C/m2.giorno (riprendendo l’esempio precedente), ipotizzando un
coefficiente di trasformazione pari a 0,1 avrà una produzione ettaro teorica di:
5,76  4,38  0,1  10  365 = 9.200 [kg/ha anno]
Altro esempio
Un allevamento di carpe effettuato in un ecosistema dove si verifica una produzione
primaria di 20 g C/m2.giorno, ipotizzando un coefficiente di trasformazione pari a 0,1 avrà
una produzione ettaro teorica di:
20  4,38  0,1  10  365 = 32.000 [kg/ha anno]
Per contro un allevamento di trote in un ecosistema con una produzione primaria di 1 g
C/m2.giorno, ipotizzando un coefficiente di trasformazione pari a 0,01, avrà una
produzione teorica di:
1  4,38  0,01  10  365 = 160 [kg/ha anno]
I valori riportati in esempio per i due allevamenti rappresentano i limiti teorici produttivi
che si possono ottenere, il primo, in ambienti estremamente produttivi, il secondo, al
contrario, in ambienti poveri di nutrienti.
Appare altresì evidente che l'allevamento della trota in bacino naturale senza aggiunta di
alimenti difficilmente possa diventare di interesse pratico.
L’efficienza di trasformazione
La produzione può anche essere espressa in termini energetici inserendo un opportuno
coefficiente di trasformazione:
EN = ProdC  k6
dove:
- EN è il corrispettivo contenuto energetico della produzione primaria giornaliera [kWh/
m2 . giorno];
- k6 è il coefficiente di trasformazione di C in energia [0,0116 kWh/g C]
Da ciò è poi possibile calcolare l'efficienza di trasformazione dell'energia solare in
produzione primaria come:
pp = EN/ES
dove:
- pp è l'efficienza del processo di produzione primaria;
- ES è l'energia solare incidente giornaliera [kWh/ m2 . giorno].
Esempio
Supponendo che mediante un solarimetro sul bacino di cui all'esempio precedente sia stata
misurata nel periodo considerato una radiazione solare pari a 3,5 kWh/ m2 . giorno, quale
sarà l'efficienza energetica dell'intero processo di produzione primaria?
5,76  0,0116
pp = ---------------------- = 0,019
3,5
cioè l’1,9 % (circa il 2%)
La fertilizzazione degli stagni
La fertilizzazione viene effettuata per incrementare la produzione di fitoplancton, primo
passo della catena trofica.
La sfida nel progettare e gestire uno stagno sta nell'ottimizzare sia la quantità di cibo a
disposizione, sia la qualità dell'acqua. Ciò attraverso il controllo delle quantità e delle
modalità temporali di distribuzione dei fertilizzanti.
L'eccessiva fertilizzazione può portare ad un eccessivo innalzamento della quantità di
biomassa presente e al conseguente decadimento della qualità dell'acqua a causa di:
·
accumulo di eccessivi metaboliti;
·
ampie variazioni giornaliere dei parametri di qualità dell'acqua;
·
limitazione della penetrazione della luce;
·
eccessiva stratificazione delle caratteristiche dell’acqua.
Approccio “sperimentale”
Le indicazioni tradizionalmente utilizzate per la fertilizazzione degli stagni sono basate
su raccomandazioni empiriche ottenute sperimentando gli effetti sull’accrescimento dei
pesci in funzione di diverse dosi di fertilizzante distribuite (principalmente calce, azoto e
fosforo): un approccio simile a quello normalmente utilizzato per determinare le richieste
di concimazione delle colture agrarie.
Approccio basato sul bilancio dei nutrienti
Un approccio alternativo per la determinazione delle quantità di fertilizzazione può
essere basato sulla stima dei rapporti di assimilazione dei principali nutrienti (carbonio C,
azoto, N, e fosforo, P).
Il fitoplancon utilizza questi nutrienti nel rapporto approssimato:
C : N : P = 42 : 7 : 1
Questo significa che ogni 42 parti (in peso) di carbonio saranno necessarie 7 parti di
azoto e 1 parte di fosforo. Procedendo in tal maniera alla stima dei fabbisogni di
fertilizzazione, tuttavia, si ottengono sovrastime eccessive rispetto a quelle determinate
tradizionalmente, principalmente dovute al fatto che non tiene conto del riciclo dei
nutrienti e di altre possibili fonti di nutrienti.
Esempio
La produzione primaria di fitoplancton dello stagno calcolata precedentemente era 5,76 g
C/m2 . giorno.
Se lo stagno ha una profondità di 1 m, questo significa che risultano necessari circa 5,76
g/m3 . giorno di C, che corrispondono a 57,6 kg/ha.
Allora risultano necessari:
N = (57,6 / 42) x 7 = 9,60 kg N/ha
P = (57,6 / 42) x 1 = 1,37 kg P/ha
Esempio
Conoscendo che l'energia solare incidente durante i mesi di maggio, giugno luglio nell'area
in cui è presente il nostro allevamento è rispettivamente pari a 4,7; 5,5; 5,1 kWh/m2 .
giorno, stimare quali sono le dosi di N e P massime da distribuire.
Ipotizzando un pp = 2% avremo, per maggio:
4,7  0,02
ProdC = ------------- = 8,1
[g C/m2 . giorno]
0,0116
che corrispondono a 81 kg C/ha.
Applicando il rapporto C:N:P sopra visto possiamo prevedere una concimazione di:
N = 81/42 x 7 = 13,5 kg . giorno
P = 81/42 x 1 = 1,9 kg . giorno
Esercizio: calcolare la necessità di fertilizzazione in giugno e luglio.
Costruzione degli stagni: scelta del sito
La scelta del sito è la prima importante fase della costruzione dello stagno.
La scelta dovrebbe essere fatta sulla base delle seguenti caratteristiche:
topografia – la quota del fondo e degli argini deve risultare economica, l’altezza
massima degli argini dovrebbe essere 6 m. Altezze superiori oltre a non essere
economiche di realizzazione, conducono a stratificazione dell’acqua.
suolo – gli argini ed il fondo devono essere realizzati in un suolo sufficientemente
impermeabile, quindi argilloso e compatto. I suoli sciolti non sono adeguati per
eccessive infiltrazioni, mentre quelli limosi non lo sono per possibilità di fessurazioni. I
suoli paludosi non sono convenienti per le difficoltà di drenaggio ed il costoso
mantenimento.
approvvigionamento idrico – la fonte di approvvigionamento deve avere una
portata sufficiente a riempire rapidamente il bacino, non deve essere troppo fluttuante
durante l’anno, deve avere lo spazio spartiacque vegetato, deve avere un limitato carico
di particelle limose (spesso l’acqua viene filtrata).
Caratteristiche costruttive degli stagni
Da un punto di vista costruttivo, escludendo le soluzioni ricavate in preesistenti bacini
naturali o cave, gli stagni si possono realizzare in tre differenti modi:
1. La semplice escavazione è in genere un intervento
molto costoso che, inoltre, richiede per lo svuotamento
l’impiego di pompe. Il riempimento può avvenire per
gravità laddove esistono acque superficiali.
2. L’escavazione e riporto consente, rispetto alla
precedente, notevoli economie e permette il
prosciugamento e riempimento parziale per gravità;
evita, in parte, le perdite per infiltrazione.
3. Gli stagni sopraelevati, realizzati mediante la sola
formazione di argini, infine, consentono, sempre che si
disponga di terreni argillosi, notevoli risparmi in fase
di costruzione. Il prosciugamento in genere avviene
per gravità, mentre il sollevamento, qualora siano
disponibili acque superficiali, deve essere eseguito a
mezzo di pompe.
4. Stagni ottenuti da bacini naturali preesistenti
Esistono molteplici soluzioni locali, estremamente diversificate.
Esempio di stagno ottenuto per sbarramento fluviale con una diga. Le scarpate laterali
vengono scavate ed il materiale riportato sul fondo, in modo da rendere la sezione più
uniforme.
Superficie
La superficie produttiva degli stagni è quanto mai varia.
Ad esempio, per gli stagni con produzione industriale di pesce-gatto e gamberi, le superfici
generalmente adottate passano da un minimo di 0,4 ha ad un massimo di 8 ha, anche se in
realtà esistono occasionalmente stagni con superficie di 40 ha.
Profondità
I bacini ad acqua ferma sono tipicamente profondi da 0,8 a 2,5 m.
La profondità minima è generalmente scelta in funzione della produttività ed in modo da
impedire la penetrazione delle luce fino al fondo, evitando così la crescita di vegetali
radicanti.
Nel contempo, lo stagno non deve essere troppo profondo, ciò al fine di:
- limitare la stratificazione termica e fisico-chimica,
- facilitare le operazioni di raccolta,
- minimizzare la quantità di acqua utilizzata.
A partire da 1 m di profondità si possono manifestare differenze di temperatura tra
superficie e fondo dell’ordine di 10 °C e di contenuto di ossigeno di oltre 2 mg/l.
L’unico sistema per ovviare a questi fenomeni è ricorrere alla miscelazione meccanica
dell’acqua, che però è un’operazione piuttosto dispendiosa energeticamente.
Gli argini
testa
sponda
piede
Sezione dell'argine (m)
Dimensioni dell'argine con pendenze 2:1
35
30
25
20
15
10
5
0
larghezza sponde 2H
larghezza testa T
larghezza totale 2H+2H+T
2
3
4
5
6
7
Altezza dell'argine (m)
Pendenze:
consigliate almeno 2:1
quindi Lsponde = 2H
Ltotale = 2H + 2H + T
Gli argini dovrebbe essere inerbiti
subito dopo la costruzione per
prevenire l’erosione.
Scavo e compattazione del piede dell’argine
per evitare le infiltrazioni laterali
Realizzazione di uno stagno (Virginia St. University, extension service)
1.
diserbo dell’area
2.
rimozione dello strato di terreno superficiale
3.
scavo del cuore dell’argine
4.
riempimento del cuore con terreno argilloso ad elevata impermeabilità
5.
contemporaneo inserimento di tubazione per il drenaggio di fondo, ancorata con blocchi di cemento
6.
copertura del cuore dell’argine
7.
riempimento delle porzioni esposte con terreno argilloso
8.
realizzazione di adeguate pendenze (1:2 interno, 2 o 3:1 esterno)
9.
realizzazione di protezioni alle sponde interne
10. inerbimento delle sponde
tubazione di troppo pieno per
mantenere costante il livello
4 m ca. per il traffico veicolare
ed evitare perforazioni da tane
di animali.
cuore in argilla
tubazione di drenaggio
valvola di fondo (per svuotare
lo stagno in 3 – 7 giorni)
Approvvigionamento idrico e scarico degli stagni
Stagni ottenuti per sola escavazione:
-approvigionamento per gravità
- scarico idrico per sollevamento meccanico
Stagni ottenuti per escavazione e riporto:
-approviginamento per sollevamento meccanico
- scarico parziale per gravità
Stagni sopraelevati:
-approvigionamento per sollevamento meccanico
- scarico per gravità
Normalmente le canalizzazioni sono a cielo aperto (es. canali di irrigazione per le colture
agricole).
E’ però indispensabile che i manufatti per l’approvvigionamento evitino l’entrata di specie
ittiche “inquinanti”, mentre quelli in uscita evitino l’uscita del pesce allevato e favoriscano
il ricambio d’acqua dal fondo.
Ingresso dell’acqua
Approvigionamento
di
acqua
più
ossigenata, evitando i
sedimenti.
Bacino
allevamento
Scarico dell’acqua
Bacino
allevamento
Scarico di acqua
dal fondo, meno
ricca di ossigeno e
regolazione
del
livello idrico nello
stagno
Pendenza del fondo
Per garantire un rapido deflusso in fase di
prosciugamento, il fondo dovrebbe avere una pendenza
dello 0,2-0,4% verso il punto di evacuazione delle
acque.
Esempio di sistema interno al bacino
per lo scarico dell’acqua dal fondo e
la regolazione del livello idrico del
bacino stesso.
Inlet
Outlet
Sistemi con alimentazione artificiale
L'equilibrio ecologico che si crea in un bacino naturale fa sì che l'andamento della
produzione (grazie alla fotosintesi) e del consumo di ossigeno (da parte della biomassa
totale e imputabile ai fenomeni di ossidazione che si verificano sul fondo del bacino)
tendano ad equivalersi quando considerati su base giornaliera.
Nel momento in cui si passa ad alimentare direttamente in modo artificiale la biomassa
piscicola saltando i primi anelli della catena trofica, ci si trova in pratica ad aggiungere un
ulteriore consumatore di ossigeno ad un sistema che di per se dovrebbe trovarsi in
condizioni di equilibrio.
Il primo effetto degli aumentati consumi sarà l'incremento del deficit di ossigeno. Da ciò la
necessità di coprire i consumi aggiuntivi con una quota di ossigeno che deve essere
trasferita con sistemi meccanici.
Questo argomento viene affrontato nel corso di Meccanica per l’acquacoltura.