海水魚養殖碳、氮、磷排放及對環境影響的初步評價
——以大西洋鮭養殖為例

楊吉平 王志 郭黎明

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

改革開放以來，我國漁業經濟實現了快速增長，水產品總產量從1989年到2019年連續31年位居世界第一[1]。漁業的快速發展為調整農業經濟結構、促進農民增收、豐富農產品市場供應、改善消費者膳食結構做出了重要貢獻。但同時，能耗大、排放多、資源利用不合理等問題也逐步顯現[2]，這些問題已經成為制約漁業進一步發展的重要因素。

從“十二五”開始，水產養殖正式被列入主要污染物總量減排核算范圍，減排核算的主要內容是水產圍網養殖面積減少量[3]。但是圍網養殖面積減少量無法科學、全面、真實地反映水產養殖污染物排放總量的變化狀況[1]。有不少學者分析了中國水產養殖的主要環境污染指標，計算了排放總量，并提出了水產養殖減排的具體建議[4-7]。但這些計算的主要依據是漁業統計年鑒或地區漁業統計年報等資料，尚未見針對不同養殖方式和不同養殖品種進行具體比較和分析的研究報道。已進行的兩次全國污染源普查雖然對養殖方式和養殖品種進行了污染量登記，但對具體的養殖品種和養殖方式進行深入研究的報道很少[8]。與其他動物蛋白源相比，雖然水產養殖單位產值的溫室氣體排放量相對較低，但由于整個產業的排放總量較大，影響也較大，因此有必要對水產養殖產生的溫室氣體排放評估進行深入研究[9-10]。

中國水產養殖業的進一步發展必須走綠色、可持續發展道路，其戰略對策之一是培育和發展新興產業，如水產種業、陸基工廠化養殖、深遠海養殖以及生物質能源養殖等[11]。新興產業的發展需要高技術，同時也需要環境友好，二者必須綜合考慮。從對生態環境的影響來說，能夠做到污染物零排放固然是一件好事，但在技術上片面追求零排放，可能會因為成本過高而無法在產業上真正實施。完全忽略自然生態系統自身具有的一定的自凈能力是不科學的，從產業經濟學角度看是一種極大的浪費[12]。在針對不同養殖品種和養殖模式的深入研究基礎上進行科學估算，評估水產養殖產生的排放對環境的具體影響，有助于指導水產養殖健康可持續發展。

大西洋鮭(Salmosalar)是陸海接力工業化養殖生產的典型代表[13]。國外對該品種的研究較為深入，相關基礎數據較為清晰。我國自2010年開始規模化養殖大西洋鮭，主要養殖方式有工廠化陸基養殖、深海網箱養殖、流水工船養殖及循環水工船養殖等。國內某鮭魚養殖基地開展工廠化陸基養殖，養殖水體近36 000 m3，產能約1 000 t/年[14]；國內某漁業企業開發了全潛式深海網箱養殖，養殖水體50 000 m3，可實現年產量1 500 t[15]；國內某企業開發了全流水工船養殖，擬在黃海冷水團水域開展大西洋鮭養殖；上海耕海漁業有限公司也在準備建造國內第一艘循環水養殖工船，用于養殖大西洋鮭。因此，大西洋鮭的相關養殖數據豐富，是開展海水養殖污染排放測算研究的理想對象。

本研究以大西洋鮭養殖為例，對國內外6種不同養殖模式的碳、氮、磷排放進行測算，建立海水魚養殖碳、氮、磷排放測算的通用方法，并將測算結果與區域環境容量進行比較分析，判斷其環境影響效果，以期科學評估海水魚養殖產生的排放對環境的具體影響，為水產養殖健康可持續發展提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 碳排放測算方法

1.1.1 二氧化碳排放負荷

參考劉俊文等[10]的研究，生產過程中每千克商品魚的二氧化碳排放基礎負荷公式為：

LCO2=LD+LE+LH

(1)

式(1)中：LD為直接產生負荷，即由養殖魚類代謝產生的二氧化碳；LE為能耗負荷，為養殖生產過程中的耗能所產生的二氧化碳；LH為人員負荷，表示由養殖工作人員產生的二氧化碳。直接產生負荷LD可由養殖生產中的飼料利用率(feed conversion rate，FCR)和單位飼料耗氧率(UO2)進行估算。

LD=1.375×UO2×FCR

(2)

式(2)中：FCR為養成1 kg魚所需要的飼料質量(kg)，由養殖數據獲得；根據研究[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，對于不帶生物處理的養殖方式，UO2=0.25；對于有生物處理的養殖方式，UO2=0.5。根據質量關系，每消耗1 kg氧生成1.375 kg二氧化碳。

能耗負荷LE與每千克商品魚的耗電量LQ和提供能源的物質有直接關系。一般情況下，使用能源物質EA發電開展養殖活動產生的能耗為：

(3)

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

當使用市電(換算為標準煤)時，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%(數據來自《中國電力統計年鑒2020》)，則R=煤電占比×輸電效率=0.723×0.935=0.698。

當直接使用柴油發電用于養殖場供電時，發電機廠家提供的能耗常數為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估算以16烷值計算，KCO2-D=3.115。R=1。

人員負荷與養殖用工人數N和漁獲量Wf有關，具體計算公式為：

LH=(KH×N)/(1 000·Wf)

(4)

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

1.1.2 二氧化碳排放強度

根據商品魚的價格Mf，可以計算不同養殖模式或者不同品種魚的二氧化碳排放強度σCO2-f[6]。該指標反映了不同品種魚的能源利用效率，可以很好地引導產業提高能源利用效率，向低碳經濟轉型。其計算公式為：

σco2-f=LCO2/Mf

(5)

1.1.3 數據需求

根據以上公式，為計算養殖生產二氧化碳的排放負荷及排放強度，需要知道FCR、Wf、供能物質(一般為市電或柴油)、LQ、N和Mf。

1.2 氮、磷排放計算

1.2.1 氮、磷負荷

竹內俊郎法是估算水產養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含有的氮、磷的量即為排放在環境中的量[7]。此方法適用于投餌方式單一的養殖模式，餌料系數和種群差異是最容易導致誤差的參數[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為生產每千克商品魚產生的氮負荷；LP為生產每千克商品魚產生的磷負荷；FCR為飼料利用率或者餌料系數；ωSN、ωSP分別為餌料中氮、磷的含量；ωfN、ωfp分別為生物體內氮和磷的含量。考慮到循環水養殖過程中會采用生物濾池等設施進行脫氮、固磷，則可將上述公式升級為：

LN=10×(FCR×ωSN-ωfN)×(1-EN)

(8)

LP=10×(FCR×ωSP-ωfP)×(1-EP)

(9)

根據研究[16]，一般循環水養殖脫氮效率EN為76%，固磷效率EP為19%。脫氮過程一般主要發生在反硝化過程中，即將硝酸態氮轉化為氮氣排出水體；而網箱養殖和池塘養殖時，氮和磷幾乎全部排放到水體中，此時EN和EP均取值為0。

1.2.2 氮、磷排放強度

參考二氧化碳排放強度的計算公式，氮、磷排放強度計算公式為：

σN-f=LN/Mf

(10)

σP-f=LP/Mf

(11)

1.2.3 數據需求

根據以上公式，為計算氮、磷排放負荷及排放強度，需要知道FCR、ωSN、ωSP、ωfN、ωfp、EN、EP、Mf。

1.3 海洋環境容量

海洋環境容量是海水自凈能力綜合表現的定量描述。主要取決于海域本身具備的條件，如海域環境空間的大小、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]。目前對海洋環境容量的研究不多，僅集中于碳排放、化學需氧量(COD)及氮磷排放等方面。

1.3.1 碳排放與海洋環境容量

雖有學者在研究海洋碳吸收時指出，大量的碳排放可能造成海洋酸化。但目前對海洋酸化的研究還沒有形成統一的意見。在過去的250年時間里，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，水產養殖活動排放的二氧化碳對海洋環境的影響更是極為有限[19]。基于此，本文不評估養殖活動產生的二氧化碳對海洋的影響。

1.3.2 氮、磷排放總量與海洋環境容量

養殖過程中，氮、磷的總排放量與氮、磷排放負荷以及年漁獲量Wf有關，其計算公式為：

ΣN=(LN×Wf)/1 000

(12)

ΣP=(LP×Wf)/1 000

(13)

目前研究氮、磷污染物對水域環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，然后根據該水域水體總量、初始濃度來計算其環境容量。A污染物的環境容量SCA的測算公式為：

SCA=(Alim-A0)×V

(14)

式(14)中：Alim為A污染物的允許極值，A0為A污染物的環境初始濃度，V為水域體積。本研究針對大西洋鮭魚深遠海養殖，假定養殖過程中產生的氮、磷廢棄物均保留在適合養殖的黃海冷水團區域，且不考慮冷水團區域的自凈能力。根據相關資料[21-22]，該冷水團區域體積最小為1.07×1011m3(即V=1.07×1011m3)，該區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《海水養殖水排放要求》(SC/T 9103—2007)規定的海水養殖水排放一級標準，總氮排放最大值Nlim=0.5 mg/L，總磷排放最大值Plim=0.05 mg/L。根據公式(14)計算可得，總氮污染物在該區域的總環境容量SCN=3.58萬t，總磷污染物在該區域的總環境容量SCP=0.38萬t。

1.3.3 氮、磷瞬時排放濃度與海洋環境容量

海上環境保護委員會(國際海事組織公約)于2016年通過的MEPC.157(55)決議提出了未經處理的生活污水排放率標準，該標準規定最大準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。受該標準啟發，本文提出了污染物A瞬時排放濃度CA計算公式為：

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年為生產周期，則單位換算系數=1 000 000/(365×24×3 600)=0.032。

1.3.4 數據需求

根據以上公式，為計算氮、磷的瞬時排放濃度，需要知道∑N、∑P以及工船的B和D。

表1 大西洋鮭不同養殖模式與污染排放相關的數據

1.4 養殖數據

依據1.1.3、1.2.3和1.3.4提出的數據需求，筆者收集了國內外不同養殖模式下大西洋鮭養殖的相關數據，其中，A1為陸基循環水養殖(中國)；A2為陸基循環水養殖(美國)；B1為深海網箱養殖(中國)；B2為深海網箱養殖(挪威)；C1為全流水工船養殖(中國)；D1為循環水工船養殖(中國)。為使研究結果具有可比性，統一選取生長階段為大西洋鮭“銀化后”(100 g以上)至養成階段的數據。具體數據見表1[14-16,25-36]。

2 結果

2.1 二氧化碳排放負荷及排放強度

利用表1數據和公式(1)～(5)計算6種養殖模式下的二氧化碳排放負荷及排放強度，以不同養殖模式為橫軸，二氧化碳排放負荷為縱軸，二氧化碳排放強度為氣泡大小作圖(見圖1)。結果顯示，深海網箱養殖(挪威)(B2)的二氧化碳排放負荷最低，生產每千克商品魚排放0.65 kg的CO2；深海網箱養殖(中國)(B1)的二氧化碳排放強度最低，每生產1美元商品魚僅排放0.09 kg的CO2；而陸基循環水養殖(美國)(A2)的二氧化碳排放負荷和強度均為最高，生產每千克商品魚排放4.38 kg的CO2，生產每1美元商品魚需排放0.56 kg的CO2。深海網箱養殖模式(B1，B2)的二氧化碳排放負荷和強度顯著小于陸基循環水養殖(A1，A2)和養殖工船養殖(C1，D1)。

注：氣泡圓心的縱軸數據為二氧化碳排放負荷，氣泡內數字表示二氧化碳排放強度。

2.2 二氧化碳排放負荷的組成

利用表1數據和公式(2)～(4)計算不同養殖模式下的二氧化碳排放負荷組成，繪制百分比堆積圖(見圖2)。不同養殖模式下，LH占比僅為0.07%～1.45%；LE占比方面，C1全流水工船養殖(中國)的LE占比最高，為89.75%；B2深海網箱養殖(挪威)的LE占比最低，為32.15%；非深海網箱養殖模式(A1，A2，C1，D1)的LE占比均超過二氧化碳排放負荷的3/4。

圖2 大西洋鮭不同養殖模式的二氧化碳排放負荷組成

2.3 氮排放負荷及排放強度

利用表1數據以及公式(8)、公式(10)計算不同養殖模式下的氮排放負荷及排放強度，并以不同養殖模式為橫軸，氮排放負荷為縱軸，氮排放強度為氣泡大小作圖(見圖3)。結果顯示，3種循環水養殖模式(A1，A2，D1)的氮排放負荷及排放強度均較小，其中陸基循環水養殖(美國)(A2)的氮排放負荷最小，生產每千克商品魚排放10.38 g的氮；循環水工船養殖(中國)(D1)的氮排放強度最小，每生產1美元商品魚僅排放1.19 g的氮。3種全流水養殖模式(B1，B2，C1)的氮排放負荷及氮排放強度均較大，其中深海網箱養殖(中國)(B1)的氮排放負荷最大，深海網箱養殖(挪威)(B2)的氮排放強度最大。

注：氣泡圓心的縱軸數據為氮排放負荷,氣泡內數字表示氮排放強度。

2.4 磷排放負荷及磷排放強度

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

注：氣泡圓心的縱軸數據為磷排放負荷，氣泡內數字表示磷排放強度。

2.5 不同模式下二氧化碳、氮、磷的排放負荷和排放強度分析

綜合以上數據，對大西洋鮭不同養殖模式的二氧化碳、氮、磷排放負荷和排放強度的值進行排序，結果以“+”的多少表示，“+”越多表示值越大，結果見表2。結果表明，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 大西洋鮭不同養殖模式二氧化碳、氮、磷的排放負荷和排放強度排序情況

表3 不同模式下氮、磷的年排放量、瞬時排放濃度和排放限值占比

2.6 氮、磷年排放量、瞬時排放濃度和排放限值占比

利用表1數據和公式(12)～(15)測算不同海洋養殖模式下氮、磷的年排放量、瞬時排放濃度以及與排放限值的占比，結果見表3。

3 討論

3.1 二氧化碳的排放負荷和強度

目前，對水產養殖碳排放的研究報道較少，已有文獻[4,6,10]報道的二氧化碳排放負荷計算公式主要計算了能耗負荷LE。劉晃等[6]的研究表明，我國主要水產養殖模式養殖每千克魚的二氧化碳排放負荷(實為LE)為淡水池塘養殖0.54 kg，工廠化養殖4.79 kg。本研究中，最高的二氧化碳排放能耗負荷(LE)為3.62 kg[A2，陸基循環水養殖(美國)]，最低為0.21 kg[B2，深海網箱養殖(挪威)]。可以看出，養殖技術和裝備技術的進步為減少二氧化碳排放做出了重要貢獻，這與黃一心等[37]的研究一致。依據公式分析，這些進步可能主要來自于FCR和LQ的降低。但從碳排放負荷組成方面的研究發現，LE僅占LCO2的32.15%～89.75%，這表明，能耗負荷并不能完全反映水產養殖二氧化碳排放的真實負荷情況[10]。

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

對LD的研究多見于循環水養殖系統[16]，其計算公式基于養殖經驗，已較為成熟。本研究結果顯示，由魚類代謝直接產生的二氧化碳負荷LD占LCO2的比例為10.09%～67.58%，說明LD對水產養殖的碳排放影響較大，不容忽視。

不同養殖品種和養殖模式會對碳排放負荷產生影響[10]。本研究顯示，在FCR基本接近的情況下， 6種大西洋鮭魚養殖模式中，能耗占比最低且技術最成熟的挪威深海網箱養殖的碳排放負荷最低；養殖工船和陸基循環水養殖模式由于追求環境穩定可控，因而能耗占比明顯偏高，導致碳排放負荷和碳排放強度均較大。這表明，為了維持較低的碳排放，深海網箱養殖是較好的選擇，而養殖工船和陸基循環水養殖模式則需要在提高單位能耗的產量方面開展研究。考慮到養殖工船和陸基循環水養殖的土地節約效應，建議計算碳排放負荷時可以計算單位面積單位產量下的碳排放負荷。

目前，對水產養殖碳排放強度的研究僅見劉晃等[6]的報道，據他們估算，中國水產養殖每生產1美元商品魚的二氧化碳排放強度為0.253 kg(以2000年為基年)。本研究結果顯示，在本研究選取的養殖模式下，每生產1美元大西洋鮭的碳排放強度為0.09～0.56 kg，其中深海網箱養殖的碳排放強度顯著低于其他養殖模式。除深海網箱模式外，其他養殖模式的碳排放強度均明顯高于劉晃等[6]的估算值。這表明，采用較多的機械化設施可能會提高碳排放強度。由于碳排放強度與銷售價格有直接關系，因此建議，若需降低碳排放強度，可選擇價格較高的養殖品種進行養殖。

3.2 氮、磷排放負荷及排放強度

水產養殖的氮、磷排放是重要的面源污染。《第二次全國污染源普查公報》[38]顯示，2017年我國每噸水產品養殖產量的排污負荷為總氮2.02 kg，總磷0.33 kg。本研究結果顯示，在不同養殖模式下，氮排放的差異較大，而磷排放的差異較小。其中循環水養殖模式的氮排放負荷低于國家統計發布的水產養殖氮排放負荷數值，全流水養殖的氮排放負荷均大于該值的2倍以上。總磷和總氮的排放負荷主要取決于Wf、FCR和循環水去除效率。由于循環水養殖系統中存在對氨氮去除的模塊，且可以通過反硝化過程將氨氮轉化為氮氣去除，除氮效率較高，因此循環水養殖模式在氮減排方面優勢明顯。不同養殖模式下磷排放負荷及排放強度的差異不顯著，主要原因可能是各種養殖模式對磷的去除效率均不高。

3.3 不同模式下碳、氮、磷排放負荷和排放強度對比

由于循環水養殖模式的能源消耗量較大，因此碳排放負荷和強度均較其他模式要高。但同時，由于使用了氮、磷處理設備，循環水養殖在減少氮、磷排放負荷和排放強度方面的作用非常突出，其中循環水養殖工船模式是降低氮排放的最優模式。考慮到受外部水域環境惡化與內部水質劣化的影響，以及內陸和沿海近岸的養殖空間受到擠壓，養殖產品的安全問題日益突出[39]等問題，發展利用遠海優質海水資源進行低氮排放的養殖模式，如循環水養殖工船模式，將是未來水產養殖綠色健康發展的重要方向。

3.4 氮、磷年排放量與海洋環境容量

在不考慮海洋環流和海水自凈能力的情況下，本研究采用的6種大西洋鮭養殖模式，氮的年排放總量僅為該區域離岸海域水環境氮容量的0.13%～0.55%，磷僅為0.49%～1.55%。即如果在該海域開展養殖，在深海網箱養殖模式下，總養殖量達到文中養殖產量100倍以上時才會對養殖區域產生較大影響，而全流水養殖工船模式提高到65倍以上、循環水養殖工船模式提高到80倍以上時會對養殖區域產生較大影響。相對于氮排放，磷排放的影響更大。

從黃海水域對氮、磷的需求量方面考慮，有研究表明，黃海每年對氮的總需求量為803.5×109mol，對磷的總需求量為58.2×109mol[40]。已知黃海水體體量為1.672×1013m3，折算到黃海冷水團區域，對氮的年需求量為7.20萬t，對磷的需求量為1.15萬t。本研究中，不同養殖模式下大西洋鮭魚排放的氮占黃海冷水團需求量的0.07%～0.28%，磷占0.16%～0.51%，表明若在該區域開展養殖，在深海網箱模式下，總養殖量提高到本文中養殖量的449倍時才會對養殖區域產生較大影響，全流水養殖工船模式則是提高到260倍，循環水養殖工船模式需提高到321倍才會對養殖區域產生較大影響。同理，相對于氮排放，磷排放的影響更大。

從瞬時排放濃度對海洋環境影響方面考慮，排除環境本底濃度，大西洋鮭養殖的氮瞬時排放濃度僅為限值的0.81%～2.24%，磷為限值的1.41%～24.25%。結果表明，氮和磷的瞬時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域擴大養殖規模的主要因素。

4 建議

目前我國對海水養殖污染排放的研究較少，建議在現有的研究基礎上，建立完善的研究方法，并對不同養殖品種和養殖模式的污染排放數據進行系統采集和核算。在對水產養殖產業進行布局時，應根據不同品種,不同模式的碳、氮、磷排放負荷和強度進行合理布局。同時，積極推進養殖技術的提升，從飼料配方工藝的改進，機械化水平的提高,循環水去除氮、磷效率的提高等方面主動降低水產養殖生產中碳、氮、磷的排放負荷和強度。