深水網箱養殖對海域水質及底質環境的影響研究進展

葛偉宏，王興強*，蘇家齊

1.江蘇海洋大學海洋科學與水產學院，江蘇連云港 222005；2.中國水產科學研究院南海水產研究所，廣州 510300

中國的水產養殖產量約占全球70%，而在新冠疫情、蝗災等嚴峻形勢下，水產養殖更是發揮了重要作用，尤其是在提供優質蛋白質這一方面，起到了至關重要的作用[1]。網箱養殖是目前應用最為廣泛的海洋養殖方式之一，通過輸入外源物質和能量而獲得高效率的產出。網箱可以分為近岸淺海區域的傳統小型木質網箱和深水抗風浪網箱2種。傳統小型木質網箱受材質、結構的限制，抗風浪性能差，只能在風浪較小的近岸淺水區域或內灣養殖，這些區域水體淺，水動力弱，水體自身凈化能力低，養殖所產生的自身污染容易導致環境惡化，不僅導致病害頻發，養殖經濟效益低，而且引起近岸養殖海域環境質量下降[2]。目前淺海開發基本飽和，尤其是在國家生態環保政策要求逐年提高的大背景之下，近岸海域已經沒有開發的潛力，必須向外海深海尋求新的發展空間，于是深水網箱養殖應運而生。深水網箱是指在海水深度大于20 m 的開闊性海域使用的養殖網箱，相較傳統近海網箱具有環保、耐用、抗風浪等顯著優勢。深水網箱主要用于在水動力和自凈化能力更強的深水區域養殖，養殖所產生的殘餌和糞便等污染物可以更快地被稀釋和擴散，對養殖區水環境及底質環境的影響較小，因此具有更廣闊的發展空間。近年，國家相關部門制定了限制近海網箱養殖、扶持深海網箱養殖的政策，鼓勵拓展養殖海域、減輕環境壓力、調節海洋養殖品種結構。深水網箱養殖在國內外都發展迅速，正在快速取代近岸傳統的木質小型網箱養殖，是國內外未來海水養殖的發展方向[3]。

深水網箱的餌料種類、投餌方式、投飼頻率等均不同于近岸傳統木質網箱，所產生的環境影響也不同，所以在近岸傳統的網箱環境影響研究所取得的結果不適用于深水網箱[4]。此外，深水網箱的水環境及底質環境與養殖區所在水域的水文環境特征直接相關。網箱養殖的生物沉積物在海底分解，所再生的氮、磷營養元素，在淺水區域經過水體混合作用可以直接影響水體水環境，而在深水區域由于水體的層化，底部的氮、磷物質則無法擴散到上層水體中，針對深水網箱的養殖模式和環境特征開展針對性的研究，弄清深水網箱養殖的環境效應是怎樣的，關鍵的控制因素有哪些，所得結果有助于實現深水網箱養殖與自然水域生態系統承載力之間的平衡，達到產業發展與環境保護并舉的高度協調。

1 深水網箱養殖的發展歷史與分類

1.1 深水網箱養殖的發展歷史

離岸網箱，也稱深水網箱，是一種低污染的海洋養殖技術，挪威自19 世紀60 年代以來就一直致力于深海網箱養殖研究。在挪威目前已超過5 000只HDPE 網箱，它們可以安裝在水深超過15 m 的開放或半開放海域，比近岸普通網箱離海岸更遠，深度更深，也更具有潛力[1]；美國在1980 年開發出了錨拉式、遙控網箱以及碟形網箱，而日本則研制出了可以上下調節的超大型深水網箱，瑞典則研制出了一種抗風浪能力更強、穩定性更好、成本更低的牧海型深水網箱，這些技術的發展為世界各地的漁業提供了新的活力。通過引入國外先進的深水網箱養殖技術，我們可以大幅提高養殖面積，增強抗風浪能力，從而實現更高的效益[2]。1998年，我國開始研發深水網箱，海南省率先從挪威引入了高密度聚丙烯（HDPE）圓形雙浮管重力式深水網箱[3]。2001 年，浙江省采用美國公司提供的碟形網箱，增加產能，而2002年，中國也開始采用升降式網箱，以滿足當地的需求。隨著HDPE重力式網箱技術的飛速發展和廣泛應用，使得我國深水網箱養殖的規模迅速擴張，使之成為一個重要養殖模式。截至2020年底，深水網箱養殖總水體達3 821.39 萬m3，比2019 年增長了97.40%[4]，養殖魚類產量也大幅提升，達293 120 t，深水網箱養殖對促進中國水產養殖的發展起到了重要作用。

1.2 深水網箱的分類

中國深水網箱的結構形式多樣，包括浮式、浮繩式、金屬框架式等，為養殖物種提供了更加安全、舒適的生態環境[5-7]。石建高等起草了一系列水深網箱通用規定標準，為國內水深網箱的概念、界定和標準提供了明確的標準，促進了水深網箱的標準化。目前，中國應用最廣泛的深水網箱有以下3種。

1）浮式網箱。深水網箱中，浮式網箱是最為普遍的類型，它們的框架可以漂浮在水面上，而HDPE框架則是我國應用最為廣泛的一種。HDPE框架深海網箱由框架、網衣、錨泊以及配重等多個部件組成，可以有效地提高網箱的穩定性和安全性。網箱采用配重系統、張網架等先進設備，可以有效地控制網衣的緊松程度，以確保養殖水體體積的穩定性，方便管理，提升養殖效率。由HDPE管材制成的HDPE框架深水網箱具有結構緊湊、強度高、耐腐蝕性強、材料價格實惠、抗海浪功能強等優點，是一種理想的深水網箱材，因此在全球范圍內獲得了廣泛應用，尤其是美國、挪威、澳大利亞等發達國家，浮式網箱已經成為海水養殖的首選。然而，為了維持養殖水體體積，提高配重體系的重量易造成網衣破損，因而，它們的應用受到了海區流速的限制。

2）浮繩式網箱。日本發明的浮繩式網箱，由柔性骨架、箱體網衣、浮子和錨泊控制系統構成，這些結構的組合使得它們能夠在海洋中安全地漂浮，并且已經被廣泛應用于世界各地。網箱具備柔性結構，能夠在海浪影響下隨波漂移，進而有效緩解大海浪造成的撞擊力，使其能夠更好地抵抗惡劣天氣的影響。為了防止養殖魚類的逃離，浮繩式網箱通常配備有防逃網。可以利用固定物如木料，將數個同樣尺寸的網箱組合在一起，并在網箱集合群的外圍使用浮子來提供足夠的浮力。這樣可以有效地防止海水淹沒網箱邊緣。石建高研究員的項目組聯手三沙美濟水產開發公司等企業，成功開發出了一種新型的浮繩式網箱，它具有制作簡易、成本低廉、投飼容易等優點，但是在遭遇大風浪時，由于箱體網衣容易扭曲，容易導致魚類的死亡，所以，浮繩式網箱只能在海浪較小的水域中使用。這項技術的產業化應用，已經成功地實現了金槍魚苗的暫養，為海洋生態環境的改善提供了有力的保障。

3）金屬框架網箱。金屬框架網箱主體是一種由金屬材料為主的復合結構，它包括框架、網衣、浮筒以及錨泊系統，可以有效地支撐起整個網箱，具有穩定性和安全性。金屬網箱通常安裝蓋網，為了提升網箱箱體的穩定性，除了采用金屬框架之外，還可以選擇鋅鋁合金、銅鋅合金等網衣，這些網衣可以抵抗海浪的沖擊，讓網箱箱體變得更加牢固可靠。當金屬網箱錨泊時，可以將多個網箱組合在一起，形成一個完整的結構，這樣不僅可以使網箱變得更大、更穩定，而且成本也更低廉。人們可以根據生產需求自由調整網箱的數量，輕松解開一組金屬網箱的連接繩索即可，操作簡單便捷。金屬框架網箱的研發和應用已經得到了大連天正實業有限公司、三沙美濟漁業發展有限公司、中國水產科學研究院東海水產研究所等單位的積極推動，為海水養殖做出了重要貢獻。

2 網箱養殖的水質及底質環境效應

2.1 網箱養殖對水環境的影響

1）溶解氧(dissolved oxygen)。溶解氧是水體中生物生存和發展的重要因素。當水體溶解氧充分時，有利于生物的生長。若水體中的溶解氧含量不足，厭氧菌將迅猛增長，從而使得水質急劇下降。特別是在小于4 mg/L 的情況下，魚類可能會出現呼吸困難，甚至死亡。這表明，水體的溶解氧含量是影響水產養殖的一個重要指標。甘居利等[8]研究發現，大鵬奧網箱養殖海域，對照區溶解氧質量濃度（總平均值6.82 mg/L）顯著高于網箱區（總平均值5.89 mg/L），且溶解氧濃度隨著與網箱的距離增加而上升。而金衛紅等[9]對青山深水網箱養殖區研究發現，對照區與養殖區溶解氧值均在8.08～8.23 mg/L，無明顯差異且遠大于臨界值（4 mg/L）。可見深水網箱養殖對于海域溶解氧含量影響較小。

2）碳、氮、磷（C、N、P）。網箱養殖向周圍海域所排放的營養物質主要為 C，N，P 等元素。通常，C元素不是海洋生態系統生長的限制因素，網箱養殖向周圍海域排放878～952 kg C 才能生產1 t 魚，排放量約占總輸入量的3/4。然而，這些C需要消耗一定量的溶解氧才能被細菌分解，當溶解氧濃度低于臨界值（4 mg/L）時，將會影響動植物的成長[7]。N和P 是生命體發育所必需的元素，但也是海灣生態系中營養過剩的關鍵因素。經過統計，每養殖1 t魚類，就有161 kg 氮和32 kg 磷被排放到自然環境中并造成污染。在當前的養殖模式下，養殖魚類只能吸收餌料15%～30%的N 和10%～15%的P，而養殖所產生的N 元素中，接近30%的N 會沉淀到網箱底部，大約50%的N 則會隨水動力交換向四周海域擴散；接近50%的P 會沉淀到網箱底部，35%～40%的P 則會隨水動力交換向四周海域擴散[8]。盡管海水養殖中，魚類的產量僅占四分之一，但是排放的污染物的占比卻是很高。通過使用外部投餌，海水魚類網箱養殖能夠獲得較高的產量。沿海海灣是傳統網箱主要分布的海域，其優點是風浪相對較小，缺點是水動力條件相對較弱。傳統網箱養殖向環境輸入大量的 C、N、P 等營養物質是養殖活動所產生的殘余餌料以及魚類排泄物等物質，這種情況很容易導致海水中營養物質的過量積累，從而造成海水富營養化和破壞底棲生態系統。有研究顯示，水質的富營養化是近岸海域赤潮頻頻出現的主要原因之一，而導致水質富營養化主要原因就是網箱養殖。且網箱養殖形成的顆粒狀營養元素沉淀到底泥，會導致網箱底質中的C、N、P 等成分顯著增加[9]。周邊水體有機物的沉積速率僅為傳統網箱底部的三分之一，但每年僅10%的有機污染物被自然分解。因為有機污染物累積，會消耗大量的溶解氧，有害物極易在這類長期缺氧環境中產生，如硫化氫、氨和甲烷等，嚴重危害到養殖魚類以及一些底棲生物的健康[9]。相比之下，深水網箱養殖則更加符合生態環境，它們通常被設置在離海岸更遠的深水海域，水動力條件較好，利于有機污染物的稀釋和擴散[4]。

氮是生命的基礎，對于所有生命來說氮至關重要，海洋生態系統中，它扮演著至關重要的角色。按照氮在水域中的出現形式，可以將它劃分為溶解性氮和固體氮2類；而按照溶解氮的化學性質，又可將其分為無機氮，如氨氮、亞硝氮和硝氮；有機氮，如尿素和游離氨基酸。此外，氮的不同形態可以相互轉化。適當的氮投入可以顯著提升飼養區的初始生產力和生物多樣性，從而達到“施肥”的目標[10]。然而，如果無機氮的溶解量超出正常范圍，就可能造成水體的富營養化，并增加藻華發生的風險，而過度的非離子氨也會對海洋生物造成毒害。適量的磷元素可以提高初級生產力，但是如果過量攝入，水域會變得富營養化，導致藻類增殖加速，溶解氧消耗增多，導致水環境失衡。此外，藻類所產生的腐植酸等物質會釋放出有毒有害物質，進一步惡化水域的環境。在水域生態體系中，磷以顆粒和水溶態兩類形態出現，而生命體通常只使用水溶態的磷酸鹽。梁慶洋[10]在大亞灣深水網箱養殖研究中發現，深水網箱養殖每立方米水體年養殖產量約是傳統網箱養殖的1.6 倍，然而深水網箱養殖的N和P輸入通量比較低，因此在總產量不變的前提下，如果深水網箱代替傳統網箱，N 凈輸入量可降低57%，P 凈輸入量可降低58%。由此可見深水網箱養殖充分利用了自身有效體積大、深水海域水動力強、海水自凈化能力強等優點，深水網箱養殖是一類低營養負載的可持續發展產業。

3）懸浮顆粒物（total suspended particulate matter）。懸浮顆粒物是海洋生態體系中不可或缺的組成部分，它們包含浮游植物、浮游動物及其碎屑和多種無機微粒等，是水體中營養鹽的重要媒介[11-12]，也是海洋沉積物的來源。懸浮顆粒物的存在會干擾水體的透光性和真光層的厚度，進而干擾浮游植物的光合作用和初級生產力，因此，懸浮顆粒物的存在將對海洋生態系統具有重大意義。舒廷飛等研究發現舟山長峙島網箱養殖區懸浮顆粒濃度平均值大于對照區，且懸浮顆粒物濃度與網箱養殖區的距離成反比[13]。梁慶洋[10]研究發現，在大亞灣深水網箱養殖海域，表層和底層海水的懸浮顆粒物濃度無顯著差異，而且在養殖區和對照區也無顯著差異。由此可見，深水網箱養殖在水平空間上對懸浮顆粒物濃度無顯著影響。

4）葉綠素a（chlorophyll-a）。葉綠素a 是水域中重要的營養物質，它不僅反映了水域的初級生產力和富營養化水平，而且還是水環境質量的主要指標。因此，檢測水域中葉綠素a 濃度才能更好地反應環境狀態，從而更好地保護水域的健康。潘翠紅等[14]研究拓林灣發現，近岸網箱養殖區葉綠素a 的平均質量濃度到達富營養化標準（葉綠素a＞10 μg/L），非養殖區平均濃度遠低于養殖區且未到達富營養化標準。梁慶洋[10]研究發現，在大亞灣深水網箱養殖區葉綠素a 濃度略高于對照區，但仍低于富營養化標準。因此，深水網箱養殖對葉綠素a 在水平空間上的影響要小于近岸網箱養殖。

2.2 網箱養殖對表層沉積環境的影響

1）表層沉積物總有機碳、總氮、總磷（total organic carbon，total nitrogen，total phosphorus）。研究表層沉積物中的總有機碳、總氮和總磷是了解海洋底質環境的重要指標。通過對這些指標的含量和分布規律進行研究，可以更好地了解海洋的初級生產力、有機物的來源和污染狀況。有研究發現湛江流沙灣網箱養殖表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的單因子污染指數在水平空間上整體呈現養殖區＞外圍區＞對照區，并且對照區表層沉積物質量處于輕度污染狀態，養殖區表層沉積物質量已達到中等程度污染水平。梁慶洋[10]研究發現，在大亞灣深水網箱養殖在水平擴散上，表層沉積物的總有機碳、總氮、總磷占比量均隨擴散距離增大差異不顯著，且各區域表層沉積物質量均處于輕度污染狀態。可見，深水網箱養殖對于表層沉積物總有機碳、總氮、總磷的占比量無明顯影響。

2）表層沉積物主要重金屬（Cu、Zn、Cd、Pb）。表層沉積物中的重金屬元素通過有機質降解、氧化還原反應、再懸浮等過程可重新進入水體，對水生生物產生較大危害。盧欣[15]研究發現，定海-黃岐灣網箱養殖對表層沉積物金屬Cu、Zn、Cd、Pb 含量有明顯增加，在對照區，生態風險水平較低，而在養殖區，生態風險水平則較高；文萊深水網箱養殖海域表層沉積物中的重金屬含量變動不大，處于輕微生態風險。由此推出，深水網箱養殖對表層沉積物重金屬Cu、Zn、Cd、Pb含量無顯著影響，通過生態危害指數得出深水網箱養殖對生態風險并無顯著影響。

2.3 小結

深水網箱養殖盡管在養殖海域和非養殖海域的水質和底質指標相差不大，但仍有一定差異，因此，我們應該高度重視深水網箱養殖所帶來的自身污染問題，以確保水質和底質的持續穩定。隨著水深網箱養殖的開發，為了維護海域自然環境，須制定相應對策，及早對養殖海域的自然環境情況開展監控評估，研發行之有效的海域生態環保方法，以及處理深水網箱養殖自身污染引起的自然環境改變情況，以確保養殖魚類的質量良好的同時，也需維護養殖生態環境的健康，以免重蹈近岸、內灣飼養災難之覆轍。通過對深水網箱養殖水質和底質的理化因子、營養鹽含量和表層沉積物質量狀態、生態風險狀態等數據開展實時監測，探討飼料質量、投喂總量、魚類產卵及逃逸現象對環境生態效益的影響，探討養殖密度、種類、自凈能力、流速與自然環境生態的聯系，以及深水網箱養殖對自然環境的動態效應，以期更好地維護和改善海洋生態系統，實現可持續性。如何科學地處理沿岸海洋經濟發展與海洋生態環境保護之間的聯系，可以為深水網箱養殖業的可持續性提出很關鍵的參考依據。

3 深水網箱對于近岸網箱的環境優勢

近岸網箱養殖兼具集約化和高密度的優點，但長時間高密度養殖也造成了一些環境問題，例如近海岸線的過度開發、漁場資源的減少、網箱網衣的污染、水體交換能力的下降、海域養殖自然環境的惡化和養殖蟲害的暴發。這使得養殖效率顯著低于國際水平，這極大阻礙了我國近海漁業資源的綠色可持續發展[2]。深水網箱在水動力作用和自凈化能力更強的深水區域養殖，養殖所產生的殘餌和糞便等污染物可以更快地被稀釋和擴散，對養殖區水環境的影響較小，因此具有更廣闊的發展空間，在國內外都發展迅速，正在快速取代近岸傳統的木質小型網箱，是國內外未來海水養殖的發展方向。

4 深水網箱養殖發展的趨勢

近幾十年來，深水網箱養殖在沿海地區得到迅速推廣，截至2007 年底，全國的深水網箱約有3 800只，通過4個“五年計劃”（2001－2020）的高速發展，深水網箱養殖離海岸越來越遠，養殖海域越來越深、越來越廣，最遠的水位深度已超過40 m，最大的網箱直徑已接近40 m，深水網箱總數量已是2007年的數倍[4]。根據《中國漁業統計年鑒2016》，我國深水網箱養殖在2015 年全部的海水養殖模式中總產量增長幅度最大，與2014年相比較增加了接近五分之一，比傳統網箱養殖增加了13%。深水網箱構造牢固，可抵擋11～12級強臺風，5～6 m高的海浪，且擁有15 年以上的使用壽命；深水網箱有效體積大，養殖魚類有充足的活動空間，成品魚個頭大且口感好。研究表明，與野生大黃魚相比較，深水網箱養殖的大黃魚的肌肉組織中天冬氨酸和谷氨酸含量高出14.8%，口感更加細膩；除此之外，深水網箱養殖的餌料系數較低，在降低餌料成本的同時有效地減少養殖過程中的殘餌，進而減少有機污染物產生，從而減少污染。

由于全球污染日益嚴重，岸線資源日趨緊缺，深水網箱養殖成為一種可持續發展的新興水產養殖模式，它具備科技領先、環保安全、成魚質量高等級優勢，為推動水產養殖綠色發展提供了重要的技術支撐。

5 結語

20 世紀80 年代以來，由于出現了世界范圍內的捕撈過度和環境污染等問題，漁業資源出現了嚴重衰退。為此，將漁業產業的重點由傳統的狩獵式捕撈漁業轉向放牧式的增養殖漁業，尤其是避開近海內灣的易污染環境，轉向外海去發展高經濟價值魚類的深水網箱養殖業，已成為世界各國的共識。

深水網箱養殖對水環境及表層沉積環境的影響遠小于近岸網箱養殖，深水網箱養殖利用遠海強大的水動力，以及更強的自凈化能力，降低養殖活動對環境的污染。深水網箱水體大，更接近于自然環境，魚類活動范圍廣、成活率高，在深水環境中，魚類生長快、病害少，體形和肉質也更接近野生狀態。采用深水網箱養殖不僅可以減輕環境壓力，還可提高養殖品種的產量和品質，特別是在抗臺風和惡劣海況方面，深水網箱具有顯著優勢。同時深水網箱養殖作為一種產業，對緩解當前海洋漁業資源衰退，帶動網箱制作、苗種培育、餌料生產、加工保鮮、銷售運輸等相關產業，減少因200海里專屬經濟區漁場劃界造成的損失等負面影響以及對捕撈漁民的轉產、養殖漁民增等收都具有積極的作用和重要的意義。

深水網箱養殖是目前科技含量較高的海水魚類養殖方式，與傳統小網箱相比，集約化程度高、養殖密度大，網箱養殖魚的食物來源更加豐富，魚類生長速度快，肉質好，品質天然。同時，海水具有一定的流速，魚類的排泄物也會很快被海水帶走，因而，與傳統網箱相比，深水網箱養殖魚類病害較少。諸多優勢使得深水網箱的養殖產品質量上乘，養殖經濟效益顯著。