Nitrogen transformations and fluxes in fish ponds: a modelling approach

Abstract

Nitrogen is a key element in aquatic environments, and in Aquaculture it is an important pond management variable. In current aquaculture research two important goals are to maintain the water quality within the system, and to improve the retention of nutrients applied to the system in order to minimize the discharge. The principal objectives of this study were to integrate the information available of nitrogen processes in fish ponds into a predictive model, and to investigate further the nitrogen dynamics between the water, the sediments and the biota present in this systems. First, a nitrogen balance in fish ponds was followed along a growing cycle; by combining estimates of the deposition rates of uneaten feed, faeces and dead phytoplankton with measurements of nitrogen accumulation in the sediment, the rate of decomposition of organic matter in the sediment was evaluated. The cumulative recovery at the end of the experiment was almost 100%, meaning that the nitrogen budget in the system studied can be fully explained without any consideration of nitrogen volatilisation, due to either denitrification or ammonia volatilisation. The interactions between various N-species are complex and difficult to integrate. A model that calculates the amounts of various N- compounds in the water column and in the sediment was constructed, and 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. All concentrations of the various N-species present were simulated well except the N retained in organic matter in the sediment. To improve our understanding of the bottom organic matter dynamics, and make the model a more comprehensive predictive tool, an estimation of the principal sources of organic matter that accumulate in fish pond bottoms was assessed. Organic matter accumulation in fish ponds was quantified, and the data was used to construct, to calibrate and to validate a dynamic simulation model of organic matter deposition/decomposition in fish ponds. Besides, the rates of sedimentation and resuspension were measured along a growing cycle, following the influence of nutrient input, water parameters, fish biomass and fish size on these processes. Using a dilution analysis method to differentiate between sedimented and resuspended particles, sedimentation and resuspension rates were calculated. The rate of material collected in sediment traps increased from 88.5 to 330 g/m2 per day along the growing cycle, but the relative resuspension did not change significantly, being always in the range of 42 to 47% of the total collected material. The processes of sedimentation of organic matter and resuspension were included in the original model. The proportion of three principal sources of organic matter that accumulate in the pond bottom were also included as parameters of the sedimentation process. A logistic equation relating the rate of resuspension and the fish biomass was calculated; and seepage, as a potential loss of nitrogen from the system, was also considered. The additions to the model represented a substantial improvement to model simulations.

El nitrógeno es un elemento clave en los ambientes acuáticos y en la acuicultura es una variable importante en la gestión de estanques. En la investigación acuícola actual, dos objetivos importantes son mantener la calidad del agua dentro del sistema y mejorar la retención de nutrientes aplicados al sistema para minimizar la descarga. Los principales objetivos de este estudio fueron integrar la información disponible de los procesos de nitrógeno en estanques de peces en un modelo predictivo e investigar más a fondo la dinámica del nitrógeno entre el agua, los sedimentos y la biota presente en estos sistemas. Primero, se siguió un balance de nitrógeno en los estanques de peces a lo largo de un ciclo de crecimiento; Mediante la combinación de estimaciones de las tasas de deposición de alimentos no consumidos, heces y fitoplancton muerto con mediciones de la acumulación de nitrógeno en el sedimento, se evaluó la tasa de descomposición de la materia orgánica en el sedimento. La recuperación acumulada al final del experimento fue casi del 100%, lo que significa que el balance de nitrógeno en el sistema estudiado se puede explicar completamente sin considerar la volatilización del nitrógeno, debido a la desnitrificación o la volatilización del amoniaco. Las interacciones entre varias especies N son complejas y difíciles de integrar. Se construyó un modelo que calcula las cantidades de varios compuestos N en la columna de agua y en el sedimento, y se utilizó 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. Todas las concentraciones de las diversas especies de N presentes se simularon bien, excepto el N retenido en la materia orgánica del sedimento. Para mejorar nuestra comprensión de la dinámica de la materia orgánica del fondo y hacer del modelo una herramienta predictiva más completa, se evaluó una estimación de las principales fuentes de materia orgánica que se acumulan en el fondo de los estanques de peces. Se cuantificó la acumulación de materia orgánica en estanques de peces y los datos se utilizaron para construir, calibrar y validar un modelo de simulación dinámica de la deposición / descomposición de materia orgánica en estanques de peces. Además, las tasas de sedimentación y resuspensión se midieron a lo largo de un ciclo de crecimiento, siguiendo la influencia del aporte de nutrientes, los parámetros del agua, la biomasa y el tamaño de los peces en estos procesos. Utilizando un método de análisis de dilución para diferenciar entre partículas sedimentadas y resuspendidas, se calcularon las tasas de sedimentación y resuspensión. La tasa de material recolectado en trampas de sedimentos aumentó de 88.5 a 330 g / m2 por día a lo largo del ciclo de crecimiento, pero la resuspensión relativa no cambió significativamente, estando siempre en el rango de 42 a 47% del material total recolectado. Los procesos de sedimentación de materia orgánica y resuspensión se incluyeron en el modelo original. También se incluyó como parámetros del proceso de sedimentación la proporción de tres fuentes principales de materia orgánica que se acumulan en el fondo del estanque. Se calculó una ecuación logística que relaciona la tasa de resuspensión y la biomasa de peces; y también se consideró la filtración, como una pérdida potencial de nitrógeno del sistema. Las adiciones al modelo representaron una mejora sustancial de las simulaciones del modelo.