山東省海水魚蝦養(yǎng)殖氮磷污染負荷及能耗分析

李 凱

(山東省漁業(yè)技術(shù)推廣站，山東 濟南 250013)

節(jié)能減排是國家可持續(xù)發(fā)展的重大戰(zhàn)略，漁業(yè)節(jié)能減排是實現(xiàn)漁業(yè)節(jié)本增效、增加漁民收入、增強漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展能力的現(xiàn)實需要，是推進漁業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的有效途徑[1-2]。整體把握水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的污染負荷及能源消耗，對有效開展?jié)O業(yè)節(jié)能減排管理、科學研究和技術(shù)推廣具有基礎(chǔ)性作用。山東省既是海洋大省，又是漁業(yè)大省。2017年，山東省海水養(yǎng)殖產(chǎn)量約為499.6×104t，約占全國海水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的26.63%；海水養(yǎng)殖面積約為56.32×104hm2，約占全國海水養(yǎng)殖總面積的24.30%，海水養(yǎng)殖產(chǎn)值占全國海水養(yǎng)殖總產(chǎn)值的近1/3[3]，因此，山東省漁業(yè)節(jié)能減排工作對全國具有重要影響。目前有關(guān)山東省水產(chǎn)養(yǎng)殖污染負荷和能源消耗的研究和分析尚屬空白，全省漁業(yè)節(jié)能減排工作的政策制定和實施缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的支撐。為初步摸清當前山東省海水養(yǎng)殖污染和能耗現(xiàn)狀，有針對性地開展節(jié)能減排相關(guān)技術(shù)模式的示范和推廣，本研究根據(jù)山東漁業(yè)統(tǒng)計年鑒，重點對海水養(yǎng)殖的氮、磷污染負荷和工廠化和池塘養(yǎng)殖能源消耗進行評估，并在此基礎(chǔ)上對漁業(yè)節(jié)能減排工作提出相關(guān)對策建議，以期為山東省水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 評估對象

在海水養(yǎng)殖中，相比于貝類、藻類及其他一些粗放式“自然營養(yǎng)型”養(yǎng)殖方式，魚類、蝦類等“人工營養(yǎng)型”海水養(yǎng)殖，因養(yǎng)殖密度高、投餌量大、餌料利用率較低，有機和無機污染物產(chǎn)生量大，而成為對環(huán)境影響最大的養(yǎng)殖方式[4]。本次評估主要針對海水魚類和蝦類，對山東省海水養(yǎng)殖氮、磷污染負荷進行估算。養(yǎng)殖漁業(yè)能源消耗的主要環(huán)節(jié)在水體增氧和水泵抽排水兩個環(huán)節(jié)。工廠化和池塘養(yǎng)殖是能耗最為集中的兩種養(yǎng)殖方式，因此能耗分析主要針對這兩種養(yǎng)殖方式開展。

1.2 計算方法

海水養(yǎng)殖氮、磷污染負荷的估算采用竹內(nèi)俊郎法，基本原理是從投喂餌料的營養(yǎng)成分中扣除蓄積在養(yǎng)殖生物體內(nèi)的量，剩余的即是環(huán)境負荷[5]，其計算見公式(1)：

Ln/p=(C×Fn/p-Pn/p)×10

(1)

式中：Ln/p為氮、磷的環(huán)境污染負荷(kg/t)；C為餌料系數(shù)；Fn/p為餌料中氮、磷的含量(%)；Pn/p為養(yǎng)殖生物體內(nèi)氮、磷含量(%)。

工廠化水體增氧能耗(Go)和進排水能耗(Gp)計算公式(2)和(3)分別為：

Go=(P×C×Dc)/Dr

(2)

Gp=(V×n×T)/Vkwh

(3)

式中：Go、Gp分別為工廠化養(yǎng)殖增氧和進排水年耗電量(kW·h/a)；P為水產(chǎn)品年產(chǎn)量(kg)；C為餌料系數(shù)；Dc為單位質(zhì)量飼料耗氧量(kg)；Dr為鼓風機產(chǎn)氧量(kg/kW·h)；V為養(yǎng)殖水體(m3)；n為換水次數(shù)；T為養(yǎng)殖周期(d)；Vkwh為單位電量抽排水量(m3/kW·h)。

池塘養(yǎng)殖增氧能耗(Co)和進排水能耗(Cp)計算公式(4)和(5)分別為：

Co=S×α×E×t×T

(4)

Cp=(S×h×β×T+S×h)/Vkwh

(5)

式中：Co、CP分別為池塘養(yǎng)殖增氧和進排水年耗電量(kW·h/a)；E為單位面積增氧耗電量(kW·h)：S為養(yǎng)殖面積(hm2)：h為平均水深(m)；t為每日增氧時間(h)；α為平均增氧覆蓋面積比例(%)；β為每日換水比例(%)。

1.3 參數(shù)確定

污染負荷計算公式中餌料系數(shù)，飼料中氮、磷含量和生物體內(nèi)氮、磷含量等參數(shù)根據(jù)相關(guān)文獻的實驗數(shù)據(jù)確定，詳見表1。

表1 參數(shù)賦值及依據(jù)

能耗計算公式中，水產(chǎn)品年產(chǎn)量(P)和養(yǎng)殖水體(V)數(shù)據(jù)查閱山東漁業(yè)統(tǒng)計年鑒，其他參數(shù)根據(jù)文獻資料計算[2]，餌料系數(shù)(C)為2，每千克飼料耗氧量為0.5 kg，鼓風機產(chǎn)氧量為0.8 kg/kW·h；工廠化養(yǎng)殖換水量為4次/d，養(yǎng)殖周期平均按200 d計算，工廠化和池塘養(yǎng)殖單位電量抽排水量(Vkwh)分別為20和60 m3/kW·h。增氧環(huán)節(jié)中，平均增氧覆蓋面積(α)按總面積的80%計算，平均換水比例(β)為2%，單位面積增氧耗電量0.15 kW·h，每天增氧4 h，每年使用200 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮、磷污染負荷

根據(jù)公式(1)計算，海水魚類氮、磷污染負荷分別為147.90和16.00 kg/t，蝦類氮、磷污染負荷分別為64.03和22.10 kg/t。根據(jù)2017山東漁業(yè)統(tǒng)計年鑒相關(guān)數(shù)據(jù)推算(1)山東漁業(yè)統(tǒng)計年鑒[M].濟南：山東省海洋與漁業(yè)廳，2017.，全省海水養(yǎng)殖氮、磷污染負荷總量為2.63×104和0.48×104t。其中海水魚類和蝦類的氮負荷總量分別為1.82×104和0.81×104t，磷負荷總量分別為0.2×104和0.28×104t。山東沿海各市氮、磷污染負荷詳見表2。

2.2 能耗估算

根據(jù)2017年山東省漁業(yè)統(tǒng)計年鑒，全省工廠化產(chǎn)量為11.417×104t，養(yǎng)殖水體1.05×107m3，全省海水池塘面積為11.135 2×104hm2。通過公式計算，工廠化年增氧耗電量為1.43×108kW·h，年抽排水耗電量4.21×108kW·h。海水池塘增氧年耗電量1.60×108kW·h，抽排水年耗電量1.02×108kW·h。

2.3 能耗水平

通過計算，山東省海水養(yǎng)殖能耗約為8.27×108kW·h，其中工廠化養(yǎng)殖的進排水過程能耗達到了4.21×108kW·h，約占全部能耗的50.91%。工廠化和池塘養(yǎng)殖總產(chǎn)量為47.1×104t，單產(chǎn)耗電量達到1.76 kW·h/kg。按1 kW·h約合0.404 kg標準煤換算，則耗電折合標煤量為33.4×104t標準煤。海水養(yǎng)殖產(chǎn)值為904.57×108元，則能耗水平為33.37/904.57=0.037 t標煤/萬元產(chǎn)值。

表2 山東沿海各市海水魚蝦類養(yǎng)殖氮、磷污染負荷

表3 山東沿海各市海水養(yǎng)殖能耗

3 討論

3.1 氮磷污染負荷的地域分布

本研究結(jié)果表明，氮污染負荷最高值出現(xiàn)在煙臺為7 852.52 t，其次為青島6 820.29 t，磷污染負荷最高值出現(xiàn)在濱州為1 256.37 t，其次為煙臺1 084.79 t。氮、磷污染負荷的最低值同時出現(xiàn)在日照，分別為773.82 t和187.37 t。氮磷污染負荷的差異可能是養(yǎng)殖規(guī)模和品種所致，煙臺和青島的氮污染負荷主要源自海水魚類的養(yǎng)殖，濱州的磷污染負荷主要是由于近年來對蝦養(yǎng)殖的快速擴張。

工廠化能耗的最高值出現(xiàn)在煙臺，為1.65×108kW·h，其次為日照，為1.31×108kW·h，最低值則出現(xiàn)在東營，為1×107kW·h。然而東營的池塘養(yǎng)殖能耗最高，為7×107kW·h，最低值出現(xiàn)在日照，為5×106kW·h。能耗的差異主要是養(yǎng)殖模式的不同，煙臺、日照的工廠化養(yǎng)殖規(guī)模較大，主要是以大菱鲆、牙鲆和半滑舌鰨等鲆鰈魚類為主，其能耗主要集中在抽取深井海水環(huán)節(jié)。東營目前養(yǎng)殖空間較大，以大面積養(yǎng)殖池塘為主，其能耗集中在池塘的進排水和增氧環(huán)節(jié)。

3.2 估算方法分析

氮、磷污染負荷采用竹內(nèi)俊郎法進行估算，估算值可能高于實際情況，主要原因有兩點：一是竹內(nèi)俊郎法的原理是從餌料成分中扣除生物體內(nèi)的量，剩余的即是環(huán)境負荷，這種計算方法是理論上的最大量，尚未將藻類對氮、磷吸收考慮進去，這種偏差在張玉珍等對福建省九龍江五小川流域水產(chǎn)養(yǎng)殖的N、P污染負荷研究中已經(jīng)證實[5]；二是在參數(shù)賦值上，尤其是海洋魚類的餌料系數(shù)賦值也相對較大，在朱建新等對大菱鲆養(yǎng)殖效果對比實驗中[11]，流水養(yǎng)殖和循環(huán)水養(yǎng)殖模式下的餌料系數(shù)分別達到了0.77和0.71，當然在實際生產(chǎn)中尚難普遍實現(xiàn)，因此參考相關(guān)文獻取較大參數(shù)賦值。本研究的目標主要是為全省節(jié)能減排相關(guān)政策制定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本著安全原則從偏大值考慮。

在工廠化增氧環(huán)節(jié)能耗計算中，根據(jù)徐皓等的方法[2]稍作修改，徐皓等的飼料投喂總量計算方法是漁業(yè)產(chǎn)量×投飼率(3%)×養(yǎng)殖周期(200 d)，然而在實際生產(chǎn)中，養(yǎng)殖初期投喂量較少，飼料的投喂量是逐漸增加的過程，這種計算方法可能造成估算值偏高3～4倍。本研究采用產(chǎn)量×餌料系數(shù)的方法可能更接近實際情況。

由于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的局限性，上述估算沒有包括苗種生產(chǎn)，部分養(yǎng)殖方式的生產(chǎn)細節(jié)能耗，如工廠化養(yǎng)殖中的冬季加溫，由于環(huán)保要求，目前燃煤鍋爐已基本被停用，其能耗也忽略不計。但估算結(jié)果代表整個養(yǎng)殖生產(chǎn)約80%。

3.3 氮、磷污染負荷對比

頡曉勇等對2008年的廣東省海水養(yǎng)殖污染負荷進行了評估[4]，結(jié)果顯示，廣東省的氮、磷污染負荷分別達到了35 000和7 300 t/a，兩者皆高于山東省。主要是廣東省網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模較大，其所用餌料主要以冰、鮮雜魚為主，餌料系數(shù)較高，鱸魚為4.6～6.0，鯛科魚類為7～9，石斑魚約為8，網(wǎng)箱養(yǎng)殖的氮、磷負荷量占比分別達到了41.8%和39.2%。山東省的網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模則相對較小，主要以池塘和工廠化養(yǎng)殖為主，養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)及養(yǎng)殖方式上的差異造成了環(huán)境負荷量的差別。由此不難發(fā)現(xiàn)，漁業(yè)節(jié)能減排必然伴隨著養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)的調(diào)整和生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變。

3.4 節(jié)能減排建議措施

根據(jù)研究結(jié)果，結(jié)合目前山東省海水養(yǎng)殖實際，建議從養(yǎng)殖結(jié)構(gòu)優(yōu)化、技術(shù)示范推廣、標準體系建設(shè)三個方面推進漁業(yè)節(jié)能減排工作的開展。

合理規(guī)劃養(yǎng)殖規(guī)模。山東省海水養(yǎng)殖污染負荷以氮污染為主，養(yǎng)殖品種結(jié)構(gòu)的差異對污染負荷產(chǎn)生了重要影響。以濱州為例，近年來濱州對蝦養(yǎng)殖規(guī)?？焖侔l(fā)展，產(chǎn)量已達山東省總產(chǎn)量的近60%，對蝦養(yǎng)殖帶來的氮污染負荷也較為突出。以工廠化模式為主的鲆鰈魚養(yǎng)殖在煙臺、日照等地也歷經(jīng)了無序擴張，同時也產(chǎn)生了巨大的能源消耗。以養(yǎng)殖容量為基礎(chǔ)，合理規(guī)劃優(yōu)勢品種和新品種的養(yǎng)殖規(guī)模，可以有效管控污染負荷和能源消耗，對產(chǎn)業(yè)本身也是一種保護。

積極推廣節(jié)能減排技術(shù)。山東省各地，尤其是在水動力交換條件較差的渤海灣南部、萊州灣地區(qū)開展工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖、微生態(tài)制劑水質(zhì)調(diào)控技術(shù)、魚-貝-藻-參多營養(yǎng)層次綜合水產(chǎn)養(yǎng)殖等節(jié)能減排技術(shù)模式的推廣，這些節(jié)能減排技術(shù)在山東具有成功的經(jīng)驗，且具備較強的技術(shù)支持力量。同時引導養(yǎng)殖主體應(yīng)用漁光互補等節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，實現(xiàn)社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益的共贏。

盡快完善節(jié)能減排標準體系。標準化是對節(jié)能減排技術(shù)推廣的有力支撐[12]，構(gòu)建統(tǒng)一、完整、科學、動態(tài)和開放的通用標準和專業(yè)標準體系，在急需的循環(huán)水養(yǎng)殖方法、水處理機械設(shè)備等方面制定相關(guān)標準，對漁業(yè)節(jié)能減排的開展具有重要意義。