海水魚養(yǎng)殖碳、氮、磷排放及對(duì)環(huán)境影響的初步評(píng)價(jià)
——以大西洋鮭養(yǎng)殖為例

楊吉平 王志 郭黎明

(1 上海和創(chuàng)船舶工程有限公司，上海 200126； 2 上海耕海漁業(yè)有限公司，上海 200126)

改革開放以來(lái)，我國(guó)漁業(yè)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，水產(chǎn)品總產(chǎn)量從1989年到2019年連續(xù)31年位居世界第一[1]。漁業(yè)的快速發(fā)展為調(diào)整農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)農(nóng)民增收、豐富農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)供應(yīng)、改善消費(fèi)者膳食結(jié)構(gòu)做出了重要貢獻(xiàn)。但同時(shí)，能耗大、排放多、資源利用不合理等問(wèn)題也逐步顯現(xiàn)[2]，這些問(wèn)題已經(jīng)成為制約漁業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素。

從“十二五”開始，水產(chǎn)養(yǎng)殖正式被列入主要污染物總量減排核算范圍，減排核算的主要內(nèi)容是水產(chǎn)圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積減少量[3]。但是圍網(wǎng)養(yǎng)殖面積減少量無(wú)法科學(xué)、全面、真實(shí)地反映水產(chǎn)養(yǎng)殖污染物排放總量的變化狀況[1]。有不少學(xué)者分析了中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖的主要環(huán)境污染指標(biāo)，計(jì)算了排放總量，并提出了水產(chǎn)養(yǎng)殖減排的具體建議[4-7]。但這些計(jì)算的主要依據(jù)是漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒或地區(qū)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年報(bào)等資料，尚未見針對(duì)不同養(yǎng)殖方式和不同養(yǎng)殖品種進(jìn)行具體比較和分析的研究報(bào)道。已進(jìn)行的兩次全國(guó)污染源普查雖然對(duì)養(yǎng)殖方式和養(yǎng)殖品種進(jìn)行了污染量登記，但對(duì)具體的養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖方式進(jìn)行深入研究的報(bào)道很少[8]。與其他動(dòng)物蛋白源相比，雖然水產(chǎn)養(yǎng)殖單位產(chǎn)值的溫室氣體排放量相對(duì)較低，但由于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的排放總量較大，影響也較大，因此有必要對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的溫室氣體排放評(píng)估進(jìn)行深入研究[9-10]。

中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必須走綠色、可持續(xù)發(fā)展道路，其戰(zhàn)略對(duì)策之一是培育和發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，如水產(chǎn)種業(yè)、陸基工廠化養(yǎng)殖、深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖以及生物質(zhì)能源養(yǎng)殖等[11]。新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要高技術(shù)，同時(shí)也需要環(huán)境友好，二者必須綜合考慮。從對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響來(lái)說(shuō)，能夠做到污染物零排放固然是一件好事，但在技術(shù)上片面追求零排放，可能會(huì)因?yàn)槌杀具^(guò)高而無(wú)法在產(chǎn)業(yè)上真正實(shí)施。完全忽略自然生態(tài)系統(tǒng)自身具有的一定的自凈能力是不科學(xué)的，從產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)角度看是一種極大的浪費(fèi)[12]。在針對(duì)不同養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖模式的深入研究基礎(chǔ)上進(jìn)行科學(xué)估算，評(píng)估水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)生的排放對(duì)環(huán)境的具體影響，有助于指導(dǎo)水產(chǎn)養(yǎng)殖健康可持續(xù)發(fā)展。

大西洋鮭(Salmosalar)是陸海接力工業(yè)化養(yǎng)殖生產(chǎn)的典型代表[13]。國(guó)外對(duì)該品種的研究較為深入，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較為清晰。我國(guó)自2010年開始規(guī)模化養(yǎng)殖大西洋鮭，主要養(yǎng)殖方式有工廠化陸基養(yǎng)殖、深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖、流水工船養(yǎng)殖及循環(huán)水工船養(yǎng)殖等。國(guó)內(nèi)某鮭魚養(yǎng)殖基地開展工廠化陸基養(yǎng)殖，養(yǎng)殖水體近36 000 m3，產(chǎn)能約1 000 t/年[14]；國(guó)內(nèi)某漁業(yè)企業(yè)開發(fā)了全潛式深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖，養(yǎng)殖水體50 000 m3，可實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)量1 500 t[15]；國(guó)內(nèi)某企業(yè)開發(fā)了全流水工船養(yǎng)殖，擬在黃海冷水團(tuán)水域開展大西洋鮭養(yǎng)殖；上海耕海漁業(yè)有限公司也在準(zhǔn)備建造國(guó)內(nèi)第一艘循環(huán)水養(yǎng)殖工船，用于養(yǎng)殖大西洋鮭。因此，大西洋鮭的相關(guān)養(yǎng)殖數(shù)據(jù)豐富，是開展海水養(yǎng)殖污染排放測(cè)算研究的理想對(duì)象。

本研究以大西洋鮭養(yǎng)殖為例，對(duì)國(guó)內(nèi)外6種不同養(yǎng)殖模式的碳、氮、磷排放進(jìn)行測(cè)算，建立海水魚養(yǎng)殖碳、氮、磷排放測(cè)算的通用方法，并將測(cè)算結(jié)果與區(qū)域環(huán)境容量進(jìn)行比較分析，判斷其環(huán)境影響效果，以期科學(xué)評(píng)估海水魚養(yǎng)殖產(chǎn)生的排放對(duì)環(huán)境的具體影響，為水產(chǎn)養(yǎng)殖健康可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 碳排放測(cè)算方法

1.1.1 二氧化碳排放負(fù)荷

參考劉俊文等[10]的研究，生產(chǎn)過(guò)程中每千克商品魚的二氧化碳排放基礎(chǔ)負(fù)荷公式為：

LCO2=LD+LE+LH

(1)

式(1)中：LD為直接產(chǎn)生負(fù)荷，即由養(yǎng)殖魚類代謝產(chǎn)生的二氧化碳；LE為能耗負(fù)荷，為養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中的耗能所產(chǎn)生的二氧化碳；LH為人員負(fù)荷，表示由養(yǎng)殖工作人員產(chǎn)生的二氧化碳。直接產(chǎn)生負(fù)荷LD可由養(yǎng)殖生產(chǎn)中的飼料利用率(feed conversion rate，F(xiàn)CR)和單位飼料耗氧率(UO2)進(jìn)行估算。

LD=1.375×UO2×FCR

(2)

式(2)中：FCR為養(yǎng)成1 kg魚所需要的飼料質(zhì)量(kg)，由養(yǎng)殖數(shù)據(jù)獲得；根據(jù)研究[16]，每消耗1 kg飼料，魚消耗0.25 kg氧氣，用于處理水的微生物消耗0.25 kg氧氣。因此，對(duì)于不帶生物處理的養(yǎng)殖方式，UO2=0.25；對(duì)于有生物處理的養(yǎng)殖方式，UO2=0.5。根據(jù)質(zhì)量關(guān)系，每消耗1 kg氧生成1.375 kg二氧化碳。

能耗負(fù)荷LE與每千克商品魚的耗電量LQ和提供能源的物質(zhì)有直接關(guān)系。一般情況下，使用能源物質(zhì)EA發(fā)電開展養(yǎng)殖活動(dòng)產(chǎn)生的能耗為：

(3)

式(3)中：LQ表示生產(chǎn)1 kg魚的耗電量(kW·h)，由養(yǎng)殖數(shù)據(jù)獲得；KEA-Q為能耗常數(shù)，表示每產(chǎn)生1 kW·h電所需要的能源物質(zhì)EA的質(zhì)量(kg·kW-1·h-1)；ηEA指該能源物質(zhì)的發(fā)電效率；KCO2-EA表示用EA物質(zhì)發(fā)電的二氧化碳排放系數(shù)；R為其他影響因子，如市電中火電的占比、輸電效率等。

當(dāng)使用市電(換算為標(biāo)準(zhǔn)煤)時(shí)，Kcoal-Q=0.356 kg/(kW·h)[10]，ηcoal=1，KCO2-coal=2.7[10]。由于2019年火電比例為72.3%，輸電線損耗為6.5%(數(shù)據(jù)來(lái)自《中國(guó)電力統(tǒng)計(jì)年鑒2020》)，則R=煤電占比×輸電效率=0.723×0.935=0.698。

當(dāng)直接使用柴油發(fā)電用于養(yǎng)殖場(chǎng)供電時(shí)，發(fā)電機(jī)廠家提供的能耗常數(shù)為0.185～0.205 kg/(kW·h)，本研究取中間值KD-Q=0.195 kg/(kW·h)；ηD=96.5%；柴油的二氧化碳排放系數(shù)估算以16烷值計(jì)算，KCO2-D=3.115。R=1。

人員負(fù)荷與養(yǎng)殖用工人數(shù)N和漁獲量Wf有關(guān)，具體計(jì)算公式為：

LH=(KH×N)/(1 000·Wf)

(4)

式(4)中：KH為養(yǎng)殖人員的生產(chǎn)性溫室氣體排放系數(shù)。人的溫室氣體排放系數(shù)為每人10.5 kg/d，其中25%是因生產(chǎn)工作而排放的[4]。以1年為生產(chǎn)周期，則KH=10.5×365×0.25。N為養(yǎng)殖用工人數(shù)，Wf為水產(chǎn)品年產(chǎn)量(t)。

1.1.2 二氧化碳排放強(qiáng)度

根據(jù)商品魚的價(jià)格Mf，可以計(jì)算不同養(yǎng)殖模式或者不同品種魚的二氧化碳排放強(qiáng)度σCO2-f[6]。該指標(biāo)反映了不同品種魚的能源利用效率，可以很好地引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)提高能源利用效率，向低碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。其計(jì)算公式為：

σco2-f=LCO2/Mf

(5)

1.1.3 數(shù)據(jù)需求

根據(jù)以上公式，為計(jì)算養(yǎng)殖生產(chǎn)二氧化碳的排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度，需要知道FCR、Wf、供能物質(zhì)(一般為市電或柴油)、LQ、N和Mf。

1.2 氮、磷排放計(jì)算

1.2.1 氮、磷負(fù)荷

竹內(nèi)俊郎法是估算水產(chǎn)養(yǎng)殖中總氮磷排放的有效方法之一。其原理為：從給定的餌料中提供的氮、磷量中扣除生物體內(nèi)含有的氮、磷的量即為排放在環(huán)境中的量[7]。此方法適用于投餌方式單一的養(yǎng)殖模式，餌料系數(shù)和種群差異是最容易導(dǎo)致誤差的參數(shù)[17]。其公式如下：

LN=10×(FCR×ωSN-ωfN)

(6)

LP=10×(FCR×ωSP-ωfP)

(7)

式(6)和式(7)中：LN為生產(chǎn)每千克商品魚產(chǎn)生的氮負(fù)荷；LP為生產(chǎn)每千克商品魚產(chǎn)生的磷負(fù)荷；FCR為飼料利用率或者餌料系數(shù)；ωSN、ωSP分別為餌料中氮、磷的含量；ωfN、ωfp分別為生物體內(nèi)氮和磷的含量?？紤]到循環(huán)水養(yǎng)殖過(guò)程中會(huì)采用生物濾池等設(shè)施進(jìn)行脫氮、固磷，則可將上述公式升級(jí)為：

LN=10×(FCR×ωSN-ωfN)×(1-EN)

(8)

LP=10×(FCR×ωSP-ωfP)×(1-EP)

(9)

根據(jù)研究[16]，一般循環(huán)水養(yǎng)殖脫氮效率EN為76%，固磷效率EP為19%。脫氮過(guò)程一般主要發(fā)生在反硝化過(guò)程中，即將硝酸態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馀懦鏊w；而網(wǎng)箱養(yǎng)殖和池塘養(yǎng)殖時(shí)，氮和磷幾乎全部排放到水體中，此時(shí)EN和EP均取值為0。

1.2.2 氮、磷排放強(qiáng)度

參考二氧化碳排放強(qiáng)度的計(jì)算公式，氮、磷排放強(qiáng)度計(jì)算公式為：

σN-f=LN/Mf

(10)

σP-f=LP/Mf

(11)

1.2.3 數(shù)據(jù)需求

根據(jù)以上公式，為計(jì)算氮、磷排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度，需要知道FCR、ωSN、ωSP、ωfN、ωfp、EN、EP、Mf。

1.3 海洋環(huán)境容量

海洋環(huán)境容量是海水自凈能力綜合表現(xiàn)的定量描述。主要取決于海域本身具備的條件，如海域環(huán)境空間的大小、位置、潮流、自凈能力等自然條件及生物的種群特征、污染物的理化特性等[18]。目前對(duì)海洋環(huán)境容量的研究不多，僅集中于碳排放、化學(xué)需氧量(COD)及氮磷排放等方面。

1.3.1 碳排放與海洋環(huán)境容量

雖有學(xué)者在研究海洋碳吸收時(shí)指出，大量的碳排放可能造成海洋酸化。但目前對(duì)海洋酸化的研究還沒(méi)有形成統(tǒng)一的意見。在過(guò)去的250年時(shí)間里，由于海洋吸收了約1/3的人為排放的二氧化碳，也僅使得海表海水的pH從約8.2下降到約8.1。相比于人為總排放量，水產(chǎn)養(yǎng)殖活動(dòng)排放的二氧化碳對(duì)海洋環(huán)境的影響更是極為有限[19]。基于此，本文不評(píng)估養(yǎng)殖活動(dòng)產(chǎn)生的二氧化碳對(duì)海洋的影響。

1.3.2 氮、磷排放總量與海洋環(huán)境容量

養(yǎng)殖過(guò)程中，氮、磷的總排放量與氮、磷排放負(fù)荷以及年漁獲量Wf有關(guān)，其計(jì)算公式為：

ΣN=(LN×Wf)/1 000

(12)

ΣP=(LP×Wf)/1 000

(13)

目前研究氮、磷污染物對(duì)水域環(huán)境的影響大多采用濃度限值法[20]，即先確定該水域污染物的濃度限值，然后根據(jù)該水域水體總量、初始濃度來(lái)計(jì)算其環(huán)境容量。A污染物的環(huán)境容量SCA的測(cè)算公式為：

SCA=(Alim-A0)×V

(14)

式(14)中：Alim為A污染物的允許極值，A0為A污染物的環(huán)境初始濃度，V為水域體積。本研究針對(duì)大西洋鮭魚深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖，假定養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的氮、磷廢棄物均保留在適合養(yǎng)殖的黃海冷水團(tuán)區(qū)域，且不考慮冷水團(tuán)區(qū)域的自凈能力。根據(jù)相關(guān)資料[21-22]，該冷水團(tuán)區(qū)域體積最小為1.07×1011m3(即V=1.07×1011m3)，該區(qū)域的初始總氮水平最大值為N0=0.165 8 mg/L，初始總磷水平最大值為P0=0.014 1 mg/L。根據(jù)《海水養(yǎng)殖水排放要求》(SC/T 9103—2007)規(guī)定的海水養(yǎng)殖水排放一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，總氮排放最大值Nlim=0.5 mg/L，總磷排放最大值Plim=0.05 mg/L。根據(jù)公式(14)計(jì)算可得，總氮污染物在該區(qū)域的總環(huán)境容量SCN=3.58萬(wàn)t，總磷污染物在該區(qū)域的總環(huán)境容量SCP=0.38萬(wàn)t。

1.3.3 氮、磷瞬時(shí)排放濃度與海洋環(huán)境容量

海上環(huán)境保護(hù)委員會(huì)(國(guó)際海事組織公約)于2016年通過(guò)的MEPC.157(55)決議提出了未經(jīng)處理的生活污水排放率標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大準(zhǔn)許排放率為掃海體積的一定比例[23]。其中掃海體積是船寬B、吃水D和航程的乘積。受該標(biāo)準(zhǔn)啟發(fā)，本文提出了污染物A瞬時(shí)排放濃度CA計(jì)算公式為：

CA=(0.032×ΣA)/(B×D×V)

(15)

式(15)中：CA的單位是mg/L，V為黃海平均流速(m/s)，取值為0.34 m/s[24]，B為船寬(m)，D為吃水深度(m)，以1年為生產(chǎn)周期，則單位換算系數(shù)=1 000 000/(365×24×3 600)=0.032。

1.3.4 數(shù)據(jù)需求

根據(jù)以上公式，為計(jì)算氮、磷的瞬時(shí)排放濃度，需要知道∑N、∑P以及工船的B和D。

表1 大西洋鮭不同養(yǎng)殖模式與污染排放相關(guān)的數(shù)據(jù)

1.4 養(yǎng)殖數(shù)據(jù)

依據(jù)1.1.3、1.2.3和1.3.4提出的數(shù)據(jù)需求，筆者收集了國(guó)內(nèi)外不同養(yǎng)殖模式下大西洋鮭養(yǎng)殖的相關(guān)數(shù)據(jù)，其中，A1為陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(中國(guó))；A2為陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(美國(guó))；B1為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(中國(guó))；B2為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(挪威)；C1為全流水工船養(yǎng)殖(中國(guó))；D1為循環(huán)水工船養(yǎng)殖(中國(guó))。為使研究結(jié)果具有可比性，統(tǒng)一選取生長(zhǎng)階段為大西洋鮭“銀化后”(100 g以上)至養(yǎng)成階段的數(shù)據(jù)。具體數(shù)據(jù)見表1[14-16,25-36]。

2 結(jié)果

2.1 二氧化碳排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度

利用表1數(shù)據(jù)和公式(1)～(5)計(jì)算6種養(yǎng)殖模式下的二氧化碳排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度，以不同養(yǎng)殖模式為橫軸，二氧化碳排放負(fù)荷為縱軸，二氧化碳排放強(qiáng)度為氣泡大小作圖(見圖1)。結(jié)果顯示，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(挪威)(B2)的二氧化碳排放負(fù)荷最低，生產(chǎn)每千克商品魚排放0.65 kg的CO2；深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(中國(guó))(B1)的二氧化碳排放強(qiáng)度最低，每生產(chǎn)1美元商品魚僅排放0.09 kg的CO2；而陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(美國(guó))(A2)的二氧化碳排放負(fù)荷和強(qiáng)度均為最高，生產(chǎn)每千克商品魚排放4.38 kg的CO2，生產(chǎn)每1美元商品魚需排放0.56 kg的CO2。深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式(B1，B2)的二氧化碳排放負(fù)荷和強(qiáng)度顯著小于陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(A1，A2)和養(yǎng)殖工船養(yǎng)殖(C1，D1)。

注：氣泡圓心的縱軸數(shù)據(jù)為二氧化碳排放負(fù)荷，氣泡內(nèi)數(shù)字表示二氧化碳排放強(qiáng)度。

2.2 二氧化碳排放負(fù)荷的組成

利用表1數(shù)據(jù)和公式(2)～(4)計(jì)算不同養(yǎng)殖模式下的二氧化碳排放負(fù)荷組成，繪制百分比堆積圖(見圖2)。不同養(yǎng)殖模式下，LH占比僅為0.07%～1.45%；LE占比方面，C1全流水工船養(yǎng)殖(中國(guó))的LE占比最高，為89.75%；B2深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(挪威)的LE占比最低，為32.15%；非深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式(A1，A2，C1，D1)的LE占比均超過(guò)二氧化碳排放負(fù)荷的3/4。

圖2 大西洋鮭不同養(yǎng)殖模式的二氧化碳排放負(fù)荷組成

2.3 氮排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度

利用表1數(shù)據(jù)以及公式(8)、公式(10)計(jì)算不同養(yǎng)殖模式下的氮排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度，并以不同養(yǎng)殖模式為橫軸，氮排放負(fù)荷為縱軸，氮排放強(qiáng)度為氣泡大小作圖(見圖3)。結(jié)果顯示，3種循環(huán)水養(yǎng)殖模式(A1，A2，D1)的氮排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度均較小，其中陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(美國(guó))(A2)的氮排放負(fù)荷最小，生產(chǎn)每千克商品魚排放10.38 g的氮；循環(huán)水工船養(yǎng)殖(中國(guó))(D1)的氮排放強(qiáng)度最小，每生產(chǎn)1美元商品魚僅排放1.19 g的氮。3種全流水養(yǎng)殖模式(B1，B2，C1)的氮排放負(fù)荷及氮排放強(qiáng)度均較大，其中深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(中國(guó))(B1)的氮排放負(fù)荷最大，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(挪威)(B2)的氮排放強(qiáng)度最大。

注：氣泡圓心的縱軸數(shù)據(jù)為氮排放負(fù)荷,氣泡內(nèi)數(shù)字表示氮排放強(qiáng)度。

2.4 磷排放負(fù)荷及磷排放強(qiáng)度

利用表1數(shù)據(jù)和公式(9)和公式(11)計(jì)算不同養(yǎng)殖模式下的磷排放負(fù)荷及磷排放強(qiáng)度，并以不同模式為橫軸，磷排放負(fù)荷為縱軸，磷排放強(qiáng)度為氣泡大小作圖(見圖4)。A2陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(美國(guó))的磷排放負(fù)荷和磷排放強(qiáng)度均最小，生產(chǎn)每千克商品魚排放6.08 g的磷，每生產(chǎn)1美元商品魚排放0.78 g的磷。全流水工船養(yǎng)殖(中國(guó))(C1)的磷排放負(fù)荷最大，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(挪威)(B2)的磷排放強(qiáng)度最大。陸基養(yǎng)殖模式(A1，A2)的磷排放負(fù)荷和磷排放強(qiáng)度較深海養(yǎng)殖模式(B1，B2，C1，D1)均要小，但不同模式間的差異較小。

注：氣泡圓心的縱軸數(shù)據(jù)為磷排放負(fù)荷，氣泡內(nèi)數(shù)字表示磷排放強(qiáng)度。

2.5 不同模式下二氧化碳、氮、磷的排放負(fù)荷和排放強(qiáng)度分析

綜合以上數(shù)據(jù)，對(duì)大西洋鮭不同養(yǎng)殖模式的二氧化碳、氮、磷排放負(fù)荷和排放強(qiáng)度的值進(jìn)行排序，結(jié)果以“+”的多少表示，“+”越多表示值越大，結(jié)果見表2。結(jié)果表明，B2的LCO2最小，B1的σCO2-A最小，A2的LN最小，D1的σN-A最小，A2的LP最小，A2的σP-A最小。

表2 大西洋鮭不同養(yǎng)殖模式二氧化碳、氮、磷的排放負(fù)荷和排放強(qiáng)度排序情況

表3 不同模式下氮、磷的年排放量、瞬時(shí)排放濃度和排放限值占比

2.6 氮、磷年排放量、瞬時(shí)排放濃度和排放限值占比

利用表1數(shù)據(jù)和公式(12)～(15)測(cè)算不同海洋養(yǎng)殖模式下氮、磷的年排放量、瞬時(shí)排放濃度以及與排放限值的占比，結(jié)果見表3。

3 討論

3.1 二氧化碳的排放負(fù)荷和強(qiáng)度

目前，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放的研究報(bào)道較少，已有文獻(xiàn)[4,6,10]報(bào)道的二氧化碳排放負(fù)荷計(jì)算公式主要計(jì)算了能耗負(fù)荷LE。劉晃等[6]的研究表明，我國(guó)主要水產(chǎn)養(yǎng)殖模式養(yǎng)殖每千克魚的二氧化碳排放負(fù)荷(實(shí)為L(zhǎng)E)為淡水池塘養(yǎng)殖0.54 kg，工廠化養(yǎng)殖4.79 kg。本研究中，最高的二氧化碳排放能耗負(fù)荷(LE)為3.62 kg[A2，陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(美國(guó))]，最低為0.21 kg[B2，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖(挪威)]?？梢钥闯?，養(yǎng)殖技術(shù)和裝備技術(shù)的進(jìn)步為減少二氧化碳排放做出了重要貢獻(xiàn)，這與黃一心等[37]的研究一致。依據(jù)公式分析，這些進(jìn)步可能主要來(lái)自于FCR和LQ的降低。但從碳排放負(fù)荷組成方面的研究發(fā)現(xiàn)，LE僅占LCO2的32.15%～89.75%，這表明，能耗負(fù)荷并不能完全反映水產(chǎn)養(yǎng)殖二氧化碳排放的真實(shí)負(fù)荷情況[10]。

對(duì)LH的報(bào)道僅見于金書秦等[4]的研究，其估算規(guī)模戶每千克產(chǎn)品的投工碳排放負(fù)荷為52.26 g。本研究中，除陸基循環(huán)水養(yǎng)殖(中國(guó))(A1)的LH為47.9 g，其他模式的LH均不足其測(cè)算值的20%，這可能是由于設(shè)施化水平的提高可以大幅降低人力行為。對(duì)碳排放負(fù)荷組成的研究發(fā)現(xiàn)，LH占LCO2的比例微乎其微，在較粗略的測(cè)算中可以忽略不計(jì)。

對(duì)LD的研究多見于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)[16]，其計(jì)算公式基于養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)，已較為成熟。本研究結(jié)果顯示，由魚類代謝直接產(chǎn)生的二氧化碳負(fù)荷LD占LCO2的比例為10.09%～67.58%，說(shuō)明LD對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的碳排放影響較大，不容忽視。

不同養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖模式會(huì)對(duì)碳排放負(fù)荷產(chǎn)生影響[10]。本研究顯示，在FCR基本接近的情況下， 6種大西洋鮭魚養(yǎng)殖模式中，能耗占比最低且技術(shù)最成熟的挪威深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的碳排放負(fù)荷最低；養(yǎng)殖工船和陸基循環(huán)水養(yǎng)殖模式由于追求環(huán)境穩(wěn)定可控，因而能耗占比明顯偏高，導(dǎo)致碳排放負(fù)荷和碳排放強(qiáng)度均較大。這表明，為了維持較低的碳排放，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖是較好的選擇，而養(yǎng)殖工船和陸基循環(huán)水養(yǎng)殖模式則需要在提高單位能耗的產(chǎn)量方面開展研究?？紤]到養(yǎng)殖工船和陸基循環(huán)水養(yǎng)殖的土地節(jié)約效應(yīng)，建議計(jì)算碳排放負(fù)荷時(shí)可以計(jì)算單位面積單位產(chǎn)量下的碳排放負(fù)荷。

目前，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖碳排放強(qiáng)度的研究?jī)H見劉晃等[6]的報(bào)道，據(jù)他們估算，中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖每生產(chǎn)1美元商品魚的二氧化碳排放強(qiáng)度為0.253 kg(以2000年為基年)。本研究結(jié)果顯示，在本研究選取的養(yǎng)殖模式下，每生產(chǎn)1美元大西洋鮭的碳排放強(qiáng)度為0.09～0.56 kg，其中深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的碳排放強(qiáng)度顯著低于其他養(yǎng)殖模式。除深海網(wǎng)箱模式外，其他養(yǎng)殖模式的碳排放強(qiáng)度均明顯高于劉晃等[6]的估算值。這表明，采用較多的機(jī)械化設(shè)施可能會(huì)提高碳排放強(qiáng)度。由于碳排放強(qiáng)度與銷售價(jià)格有直接關(guān)系，因此建議，若需降低碳排放強(qiáng)度，可選擇價(jià)格較高的養(yǎng)殖品種進(jìn)行養(yǎng)殖。

3.2 氮、磷排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度

水產(chǎn)養(yǎng)殖的氮、磷排放是重要的面源污染?！兜诙稳珖?guó)污染源普查公報(bào)》[38]顯示，2017年我國(guó)每噸水產(chǎn)品養(yǎng)殖產(chǎn)量的排污負(fù)荷為總氮2.02 kg，總磷0.33 kg。本研究結(jié)果顯示，在不同養(yǎng)殖模式下，氮排放的差異較大，而磷排放的差異較小。其中循環(huán)水養(yǎng)殖模式的氮排放負(fù)荷低于國(guó)家統(tǒng)計(jì)發(fā)布的水產(chǎn)養(yǎng)殖氮排放負(fù)荷數(shù)值，全流水養(yǎng)殖的氮排放負(fù)荷均大于該值的2倍以上?？偭缀涂偟呐欧咆?fù)荷主要取決于Wf、FCR和循環(huán)水去除效率。由于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中存在對(duì)氨氮去除的模塊，且可以通過(guò)反硝化過(guò)程將氨氮轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ瘦^高，因此循環(huán)水養(yǎng)殖模式在氮減排方面優(yōu)勢(shì)明顯。不同養(yǎng)殖模式下磷排放負(fù)荷及排放強(qiáng)度的差異不顯著，主要原因可能是各種養(yǎng)殖模式對(duì)磷的去除效率均不高。

3.3 不同模式下碳、氮、磷排放負(fù)荷和排放強(qiáng)度對(duì)比

由于循環(huán)水養(yǎng)殖模式的能源消耗量較大，因此碳排放負(fù)荷和強(qiáng)度均較其他模式要高。但同時(shí)，由于使用了氮、磷處理設(shè)備，循環(huán)水養(yǎng)殖在減少氮、磷排放負(fù)荷和排放強(qiáng)度方面的作用非常突出，其中循環(huán)水養(yǎng)殖工船模式是降低氮排放的最優(yōu)模式。考慮到受外部水域環(huán)境惡化與內(nèi)部水質(zhì)劣化的影響，以及內(nèi)陸和沿海近岸的養(yǎng)殖空間受到擠壓，養(yǎng)殖產(chǎn)品的安全問(wèn)題日益突出[39]等問(wèn)題，發(fā)展利用遠(yuǎn)海優(yōu)質(zhì)海水資源進(jìn)行低氮排放的養(yǎng)殖模式，如循環(huán)水養(yǎng)殖工船模式，將是未來(lái)水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色健康發(fā)展的重要方向。

3.4 氮、磷年排放量與海洋環(huán)境容量

在不考慮海洋環(huán)流和海水自凈能力的情況下，本研究采用的6種大西洋鮭養(yǎng)殖模式，氮的年排放總量?jī)H為該區(qū)域離岸海域水環(huán)境氮容量的0.13%～0.55%，磷僅為0.49%～1.55%。即如果在該海域開展養(yǎng)殖，在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖模式下，總養(yǎng)殖量達(dá)到文中養(yǎng)殖產(chǎn)量100倍以上時(shí)才會(huì)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域產(chǎn)生較大影響，而全流水養(yǎng)殖工船模式提高到65倍以上、循環(huán)水養(yǎng)殖工船模式提高到80倍以上時(shí)會(huì)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域產(chǎn)生較大影響。相對(duì)于氮排放，磷排放的影響更大。

從黃海水域?qū)Φ⒘椎男枨罅糠矫婵紤]，有研究表明，黃海每年對(duì)氮的總需求量為803.5×109mol，對(duì)磷的總需求量為58.2×109mol[40]。已知黃海水體體量為1.672×1013m3，折算到黃海冷水團(tuán)區(qū)域，對(duì)氮的年需求量為7.20萬(wàn)t，對(duì)磷的需求量為1.15萬(wàn)t。本研究中，不同養(yǎng)殖模式下大西洋鮭魚排放的氮占黃海冷水團(tuán)需求量的0.07%～0.28%，磷占0.16%～0.51%，表明若在該區(qū)域開展養(yǎng)殖，在深海網(wǎng)箱模式下，總養(yǎng)殖量提高到本文中養(yǎng)殖量的449倍時(shí)才會(huì)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域產(chǎn)生較大影響，全流水養(yǎng)殖工船模式則是提高到260倍，循環(huán)水養(yǎng)殖工船模式需提高到321倍才會(huì)對(duì)養(yǎng)殖區(qū)域產(chǎn)生較大影響。同理，相對(duì)于氮排放，磷排放的影響更大。

從瞬時(shí)排放濃度對(duì)海洋環(huán)境影響方面考慮，排除環(huán)境本底濃度，大西洋鮭養(yǎng)殖的氮瞬時(shí)排放濃度僅為限值的0.81%～2.24%，磷為限值的1.41%～24.25%。結(jié)果表明，氮和磷的瞬時(shí)排放濃度低于安全限值，且有較大余量。同理，磷排放是制約在該區(qū)域擴(kuò)大養(yǎng)殖規(guī)模的主要因素。

4 建議

目前我國(guó)對(duì)海水養(yǎng)殖污染排放的研究較少，建議在現(xiàn)有的研究基礎(chǔ)上，建立完善的研究方法，并對(duì)不同養(yǎng)殖品種和養(yǎng)殖模式的污染排放數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)采集和核算。在對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同品種,不同模式的碳、氮、磷排放負(fù)荷和強(qiáng)度進(jìn)行合理布局。同時(shí)，積極推進(jìn)養(yǎng)殖技術(shù)的提升，從飼料配方工藝的改進(jìn)，機(jī)械化水平的提高,循環(huán)水去除氮、磷效率的提高等方面主動(dòng)降低水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中碳、氮、磷的排放負(fù)荷和強(qiáng)度。