Conceptualization and validation of a dynamic model for the simulation of nitrogen transformations and fluxes in fish ponds

Abstract

Nitrogen is a key element in aquatic environments and an important pond management variable. In aquaculture systems, nitrogen accumulation eventually leads to a deterioration of the system. The interactions between various N-species are complex and difficult to integrate. Modelling can improve our ability to evaluate this complex system. This paper integrates existing knowledge about nitrogen transformations in fish ponds into a model that calculates the amount of various N-compounds in the water column and in the sediment. The model is also used to gain insight into the relative importance of transformation processes between the various N-compounds. The model was divided into three modules: fish, phytoplankton and sediment-water. The fish module is based on physiological and bio-energetic principles. The phytoplankton dynamics module is based on physico-chemical principles of alga growth. The water–sediment module is based on the bacterial transformations and chemical fluxes of N-species across the water–sediment interface. Relationships and parameters were taken from the literature, except for a few parameters that were estimated by fitting model predictions to observed data. The model was implemented in Turbo Pascal (7.0) using a fixed time step of 1 h and it was calibrated using a set of data from an earthen fish pond stocked with Colossoma macropomum. The validation was performed using data from earthen ponds stocked with Oreochromis niloticus. The difference between the calibrated and validated model was related to the fish species. All concentrations of the various N-species present were simulated well, except the N retained in organic matter in the sediment (average relative error −0.34). Sensitivity analysis revealed that the concentrations of inorganic-N compounds, both in the water column and in the sediment, are more affected by changes in specific parameters included in the fish and phytoplankton modules than other forms of nitrogen in the pond. The model works well, except for organic matter accumulation in the sediment. Further research should concentrate on a better understanding of the bottom organic matter dynamics, to make the model a more comprehensive predictive tool.

El nitrógeno es un elemento clave en los ambientes acuáticos y una variable importante en la gestión de estanques. En los sistemas de acuicultura, la acumulación de nitrógeno eventualmente conduce a un deterioro del sistema. Las interacciones entre varias especies N son complejas y difíciles de integrar. El modelado puede mejorar nuestra capacidad para evaluar este complejo sistema. Este artículo integra el conocimiento existente sobre las transformaciones de nitrógeno en estanques de peces en un modelo que calcula la cantidad de varios compuestos N en la columna de agua y en el sedimento. El modelo también se utiliza para comprender la importancia relativa de los procesos de transformación entre los diversos compuestos N. El modelo se dividió en tres módulos: peces, fitoplancton y sedimentos-agua. El módulo de pescado se basa en principios fisiológicos y bioenergéticos. El módulo de dinámica del fitoplancton se basa en los principios físico-químicos del crecimiento de las algas. El módulo agua-sedimento se basa en las transformaciones bacterianas y los flujos químicos de las especies N a través de la interfaz agua-sedimento. Las relaciones y los parámetros se tomaron de la literatura, excepto por algunos parámetros que se estimaron ajustando las predicciones del modelo a los datos observados. El modelo se implementó en Turbo Pascal (7.0) usando un intervalo de tiempo fijo de 1 h y se calibró usando un conjunto de datos de un estanque de peces de tierra sembrado con Colossoma macropomum. La validación se realizó utilizando datos de estanques de tierra sembrados con Oreochromis niloticus. La diferencia entre el modelo calibrado y validado estaba relacionada con las especies de peces. Todas las concentraciones de las diversas especies de N presentes se simularon bien, excepto el N retenido en la materia orgánica del sedimento (error relativo promedio -0,34). El análisis de sensibilidad reveló que las concentraciones de compuestos de N inorgánico, tanto en la columna de agua como en el sedimento, se ven más afectadas por cambios en parámetros específicos incluidos en los módulos de peces y fitoplancton que otras formas de nitrógeno en el estanque. El modelo funciona bien, excepto por la acumulación de materia orgánica en el sedimento. La investigación adicional debe concentrarse en una mejor comprensión de la dinámica de la materia orgánica del fondo, para hacer del modelo una herramienta predictiva más completa.