循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研究進展及發(fā)展趨勢

王海姮,侯昊晨,劉 鷹,3

( 1.大連海洋大學(xué),設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室,遼寧 大連 116023; 2.大連海洋大學(xué) 海洋科技與環(huán)境學(xué)院,遼寧 大連 116023; 3.浙江大學(xué) 生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 310058 )

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是一種環(huán)境友好、水資源高效利用及養(yǎng)殖產(chǎn)量高的集約化養(yǎng)殖模式,由流水式水產(chǎn)養(yǎng)殖逐漸演化而來。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展可追溯到20世紀60年代,較為典型的有日本生物包靜水養(yǎng)殖系統(tǒng)(以礫石為載體)和歐洲組裝式多級靜水養(yǎng)殖系統(tǒng)[1-2]。我國陸基工廠化養(yǎng)殖從最初的苗種培育轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)養(yǎng)殖、倉儲、吊水等多種功能[3-5],養(yǎng)殖技術(shù)水平也不斷提高。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)通過物理化學(xué)處理技術(shù)[6-8]保持良好的水質(zhì),實現(xiàn)養(yǎng)殖用水的循環(huán)使用,具有節(jié)約養(yǎng)殖用水及節(jié)省養(yǎng)殖用地的優(yōu)點[9-11]。此外,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)也是唯一能夠?qū)崿F(xiàn)安全、無化學(xué)品和重金屬殘留的綠色養(yǎng)殖模式[12-14],在水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要的作用,同時也符合當前我國提出的水產(chǎn)養(yǎng)殖綠色發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟及低碳減排的戰(zhàn)略需求[15]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)具備良好的經(jīng)濟和生態(tài)效益,全面系統(tǒng)地研究其設(shè)計、研發(fā)、改進及與養(yǎng)殖魚種的互作機制已成為當前水產(chǎn)養(yǎng)殖學(xué)、水利工程、環(huán)境科學(xué)與工程等多學(xué)科交叉研究的熱點領(lǐng)域。因此,筆者對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究的發(fā)表文獻數(shù)量、主要文獻類型、作者關(guān)聯(lián)統(tǒng)計、出版機構(gòu)的分布特征等方面做了總結(jié)歸納,有助于明確該領(lǐng)域中有影響力的作者、期刊、投稿機構(gòu)及各學(xué)科的貢獻等內(nèi)容,討論和分析循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究應(yīng)用領(lǐng)域未來的重點發(fā)展方向,以此為基礎(chǔ)預(yù)測和探討未來其研究發(fā)展趨勢,為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用提供重要的參考。

1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)文獻計量分析

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)文獻數(shù)量的年度變化情況能夠在一定程度上反映不同時間循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)研究的發(fā)展水平。筆者分析了1991年1月1日至2020年12月31日在Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫中收錄的與循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)的1432篇出版文獻。從文獻數(shù)量的趨勢上看,30年間文獻發(fā)表量總體呈上升趨勢。自2000年開始循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的相關(guān)出版論文呈逐步增加的態(tài)勢。2016年文獻發(fā)表數(shù)量最多(共有111篇文獻)。文獻分析數(shù)據(jù)表明,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)成為重點研究方向[16-17]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)文獻所屬學(xué)科主要包括漁業(yè)[18-19]、環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)[20-21]、工程技術(shù)[22-23]、環(huán)境科學(xué)[24-25]等。其中漁業(yè)學(xué)科文獻最多,共發(fā)表769篇,占文獻總數(shù)的53.70%。《Aquacultural Engineering》與《Aquaculture》是發(fā)表循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)文獻數(shù)量較多的期刊,分別發(fā)表了290篇和233篇,占文獻總數(shù)的20.25%和16.27%。期刊的影響力有效助推了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究成果的發(fā)表。根據(jù)研究者發(fā)文量統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果,國內(nèi)外發(fā)表循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)論文前列的作者分別是劉鷹、Pedersen L F、Pedersen P B等專家。發(fā)表文獻數(shù)量排名前三位的國家為中國、美國及德國,共發(fā)表文獻714篇,占文獻總數(shù)49.86%。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),共有50個以上的研究機構(gòu)發(fā)表了與循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)相關(guān)研究的文獻,發(fā)表文獻數(shù)量前10位的研究機構(gòu)中,分別有4個研究機構(gòu)來自中國,3個來自歐洲,3個來自美國。其中,中國科學(xué)院發(fā)表文獻64篇,成為發(fā)表文章最多的科研工作機構(gòu),其次是丹麥科技大學(xué)發(fā)表文獻51篇和荷蘭瓦格寧根大學(xué)發(fā)表文獻46篇。統(tǒng)計結(jié)果表明了上述國家對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重視程度。

2 關(guān)鍵詞共現(xiàn)研究熱點分析

面向相關(guān)參考文獻的關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析,可以在海量被引參考文獻中高效便捷地定位出循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)、研究前沿及其關(guān)鍵熱點的變化。為了探究循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究論文中被引用文獻之間的關(guān)系,從時間維度定量分析循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究熱點的變化。筆者將1991年1月1日至2020年12月31日Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫中收錄的1432篇出版文獻進行對比,并對共同被引用的參考文獻進行VOSviewer分析。分析結(jié)果顯示:從1991年開始循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究熱點主要集中在“循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝”[26-28]、“硝化”[29-31]及“氨氮”[32-33]問題上;到2000年后,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究熱點主要集中于“養(yǎng)殖密度”[34-36]、“病害預(yù)防”[37-38]及“魚類健康”[39-40]等關(guān)鍵詞;之后隨著對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的進一步研究,以及系統(tǒng)設(shè)備的研發(fā)與升級,學(xué)者們意識到深入研究智能化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要性,研究熱點集中在“可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖”[41-43]、“智能化”[44-46]及“能源消耗”[47-48]等關(guān)鍵詞,相關(guān)的研究論文顯著增加。

3 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝與設(shè)施設(shè)備研發(fā)

隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展,近岸海域被過度開發(fā),導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化問題嚴峻[49],赤潮、水華等環(huán)境災(zāi)害頻繁發(fā)生,水產(chǎn)養(yǎng)殖聚集區(qū)成為了水體污染的源頭,大量殘餌糞便及養(yǎng)殖污水的排放嚴重影響了水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境[50]。因此,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境、生態(tài)、技術(shù)等方向的研究引起了眾多研究人員的關(guān)注。

在水產(chǎn)養(yǎng)殖中,傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖方式會產(chǎn)生含有大量懸浮物、總氮和總磷等化合物以及亞硝態(tài)氮、細菌和二氧化碳等有害物質(zhì),嚴重影響了水產(chǎn)品的質(zhì)量,會對魚類健康、養(yǎng)殖水質(zhì)產(chǎn)生不利影響,如直接損害魚鰓、阻塞生物過濾器、產(chǎn)生氨氮等問題[51-52]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可以安全有效地管理、收集和處理魚類生長過程中積累的固體廢液,通過固體沉淀、增氧曝氣或氧化添加、好氧生物濾池的硝化作用,把氨氮主要轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮,高含量硝態(tài)氮可以通過反硝化作用來抵消[53-54]。隨著循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝技術(shù)的不斷創(chuàng)新研發(fā),反硝化反應(yīng)器、污泥濃縮和臭氧處理等技術(shù)的發(fā)展,使循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)更進一步地減少了養(yǎng)殖用水量、固廢排放量和能源消耗量[55-58]。目前,開發(fā)了較多不同類型的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)固體廢液去除設(shè)備,如渦旋分離器、懸浮物過濾器、泡沫分離器以及溫度控制系統(tǒng)等多種新型設(shè)施設(shè)備[59-60],能夠使有機物和懸浮物的去除率達到85%～98%,磷的去除率達到65%～96%[61-62]。Lindholm-Lehto等[63]采用木屑反硝化和慢砂過濾技術(shù)實現(xiàn)了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的高效水處理,結(jié)果表明這種水處理工藝設(shè)計適用于優(yōu)質(zhì)魚類的安全生產(chǎn)。Tanikawa等[64]運用下流懸掛海綿反應(yīng)器進行單級硝化-反硝化的封閉式養(yǎng)殖系統(tǒng)出水處理。該反應(yīng)器提供了單級硝化-反硝化作用,并與水培床相結(jié)合,提供了低成本、高性能的水產(chǎn)養(yǎng)殖廢水處理系統(tǒng),能夠應(yīng)用于產(chǎn)品的安全生產(chǎn)。Xiao等[65]綜述了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)水處理工藝設(shè)備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,評價了水處理設(shè)備對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的重要性,指出了水處理設(shè)備是循環(huán)水系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟。Calderini等[66]研究了循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)廢水的過濾對微藻生長、營養(yǎng)去除和營養(yǎng)價值的影響,結(jié)果表明,通過對微藻種類的選擇,循環(huán)水養(yǎng)殖廢水可以進一步用于生產(chǎn)高質(zhì)量的微藻生物,如水產(chǎn)養(yǎng)殖飼料,而不需要去除水中的污染物和懸浮物。其他研究顯示,在封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中可以有效防止病菌在野生種群和養(yǎng)殖動物之間傳播,并避免了來自沿海污染水域的富營養(yǎng)物[67-68]。此外,排放的固體廢液更為集中,有利于把固體廢液作為肥料或在完全封閉的系統(tǒng)中再回收利用,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展讓環(huán)境更具可持續(xù)性。

4 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)養(yǎng)殖密度與病害預(yù)防

養(yǎng)殖密度超過臨界閾值可能導(dǎo)致密度與魚類產(chǎn)量之間呈負相關(guān)關(guān)系[69]。循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可提供魚類高密度養(yǎng)殖,但不適當?shù)母唣B(yǎng)殖密度會產(chǎn)生大量的殘留飼料、糞便等物質(zhì),進而產(chǎn)生氨氮、亞硝態(tài)氮等有害物質(zhì)并滋生大量細菌,導(dǎo)致寄生蟲病的暴發(fā),嚴重影響魚類的生存[70]。隨著世界人口的增長及人均魚類消費量的增加,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)不僅要生產(chǎn)高產(chǎn)量、高質(zhì)量的綠色水產(chǎn)品[71],而且必須應(yīng)對地理位置、水資源可用性等環(huán)境影響等因素的限制,在半封閉或全封閉的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中,開發(fā)經(jīng)濟可行的,能對水產(chǎn)品高密度養(yǎng)殖全過程進行監(jiān)管和控制的病害預(yù)防體系,使養(yǎng)殖品種在最佳的環(huán)境下獲得最快的生長[72-73]。

王峰等[74]研究了工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖模式下,養(yǎng)殖密度對半滑舌鰨(Cynoglossussemilaevis)成魚生長和肌肉營養(yǎng)成分的影響,半滑舌鰨在循環(huán)水養(yǎng)殖模式下具有很好的適應(yīng)性,其生長及營養(yǎng)成分均處于較好的狀態(tài),可以極大地發(fā)掘半滑舌鰨的養(yǎng)殖潛力,因此,工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖是適合半滑舌鰨集約化養(yǎng)殖的1種優(yōu)勢養(yǎng)殖模式。Riche等[75]在循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中分析3種不同養(yǎng)殖密度對軍曹魚(Rachycentroncanadum)生長特性和個體組成的影響,研究表明,飼養(yǎng)密度≤30 kg/m3,飼養(yǎng)的軍曹魚終末體質(zhì)量超過2 kg,對生產(chǎn)無不利影響。齊巨龍等[76]利用循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)對鰻鱺(Anguillajaponica)進行高密度養(yǎng)殖試驗,結(jié)果顯示,平均體質(zhì)量為55.6 g的鰻鱺在培養(yǎng)159 d后,10 522尾鰻鱺的成活率為99.7%,總質(zhì)量由584.6 kg增至1478.0 kg,飼養(yǎng)密度由13.0 kg/m3提高至32.8 kg/m3。任華等[77]發(fā)現(xiàn),循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中雜交鱘(Acipenserbaerii♀×A.schrenckii♂)仔魚的終末體質(zhì)量、特定生長率、質(zhì)量日增加均隨飼養(yǎng)密度的增大而升高。有學(xué)者開展了封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中養(yǎng)殖密度對水生動物的生長和生存的影響分析,認為在不降低存活率正常生長的前提下,可以提高飼養(yǎng)密度[78-80]。

5 智慧型循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計目的是盡量減少水資源消耗,控制養(yǎng)殖條件,并使固體廢液得到充分管理。可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖的目標是使用對生態(tài)影響最小的生產(chǎn)系統(tǒng)時,既能實現(xiàn)生產(chǎn)食物又能維護自然資源。因此,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)是實現(xiàn)可持續(xù)水產(chǎn)養(yǎng)殖目標的重要抓手。當前我國循環(huán)水養(yǎng)殖技術(shù)逐漸成熟,但在大流量下循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的網(wǎng)格化、智能化、信息化控制技術(shù)及再循環(huán)設(shè)備功能仍有待改進[86]。現(xiàn)代循環(huán)水設(shè)備能耗高、運營成本高,迫切需要開發(fā)低碳環(huán)保能源供應(yīng)策略及智能優(yōu)化控制技術(shù),實現(xiàn)清潔能源的使用及設(shè)備運行的最優(yōu)控制[87]來降低能耗及成本。

Steicke等[88]對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)進行深入研究和開發(fā),適應(yīng)發(fā)展中的新趨勢和新需求,以自動化和數(shù)字化技術(shù)為手段開展養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)控,進一步提高循環(huán)水設(shè)備的智能化控制和資源利用效率,降低生產(chǎn)成本,逐步實現(xiàn)精準化養(yǎng)殖。為了實現(xiàn)“零排放”的目標,需要加大地?zé)崮堋⑻柲堋⒊毕艿染G色能源的開發(fā)和利用[89-91]。目前,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)使用最廣泛的國家正在開展生態(tài)工程、循環(huán)水養(yǎng)殖設(shè)備、循環(huán)水養(yǎng)殖效率的研究,相應(yīng)的設(shè)備機械化、信息技術(shù)和設(shè)施是研究的重點目標。通過改進循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)資源利用,水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)正朝著標準化、機械化、智能化、集約化的生態(tài)效益發(fā)展。綜上所述,自動化、智能化、經(jīng)濟價值和環(huán)境保護是未來水產(chǎn)養(yǎng)殖發(fā)展的主導(dǎo)因素[92],開發(fā)高效、低能耗、占地小、低投資的系統(tǒng)已成為循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)研究的重點方向。

6 展 望

循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)可全年在各個地方進行水產(chǎn)養(yǎng)殖,且不受季節(jié)性和環(huán)境變量的影響,有較高的生物安全級別,可保持良好的水質(zhì),有效降低疾病暴發(fā)及寄生蟲感染的相關(guān)風(fēng)險[93-94]。但循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)初始投資高、系統(tǒng)工程復(fù)雜、運轉(zhuǎn)成本高昂,大多數(shù)循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在發(fā)達國家中運行,尚未在發(fā)展中國家廣泛應(yīng)用,所以需要對循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的設(shè)計和技術(shù)應(yīng)用進行創(chuàng)新研究,開發(fā)簡單、有彈性、更低成本和更節(jié)能的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)。在我國國家政策的大力支持下,進一步加快推動循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的低能耗、低成本、智能化研發(fā)成為未來發(fā)展的方向。首先,循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的資源能源消耗和溫室氣體排放是需要關(guān)注的主要問題之一。未來我國循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的發(fā)展應(yīng)充分結(jié)合經(jīng)濟環(huán)境績效生命周期系統(tǒng)評估,根據(jù)評估結(jié)果制定有針對性的改進措施,實現(xiàn)環(huán)境經(jīng)濟效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。其次,積極開展循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)推廣,使循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在水產(chǎn)品苗種繁育、暫養(yǎng)、倉儲、凈化等新興領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用;促進魚類產(chǎn)品的疫苗在循環(huán)水養(yǎng)殖生產(chǎn)中得到應(yīng)用,在病害預(yù)防管理中發(fā)揮重要作用。再次,從宏觀角度分析,未來的循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)構(gòu)建應(yīng)重點布局淡水養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)及新興養(yǎng)殖品種,利用社會非農(nóng)資本加速構(gòu)建現(xiàn)代化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)及智慧漁業(yè),從而有效推動我國循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)向更高更好水平發(fā)展。