蔡惠文， 卓麗飛， 吳常文

（浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心， 浙江舟山 316022）

海水養(yǎng)殖污染負荷評估研究

蔡惠文， 卓麗飛， 吳常文

（浙江海洋學(xué)院海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 國家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心， 浙江舟山 316022）

海水養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展，為人類提供了豐富的蛋白質(zhì)，帶來了巨大的經(jīng)濟效益，但由于對養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)缺乏科學(xué)深入的認識，缺乏科學(xué)有效的管理和調(diào)控，養(yǎng)殖區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化現(xiàn)象日益突出，嚴重影響了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。定量化預(yù)測養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的污染物產(chǎn)生規(guī)律，研究其對生態(tài)環(huán)境的影響，從而實現(xiàn)基于生態(tài)系統(tǒng)水平的養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展成為重要命題。本文從養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)類型出發(fā)，分析了不同養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的污染物產(chǎn)生、組成出及養(yǎng)殖污染負荷的評估方法從現(xiàn)場監(jiān)測、物質(zhì)平衡到生物能量學(xué)模型應(yīng)用的發(fā)展和優(yōu)化等進行了綜述。這對于深入了解養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、養(yǎng)殖生態(tài)環(huán)境健康狀況，促進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展出及養(yǎng)殖環(huán)境污染調(diào)控都具有重要的科學(xué)意義和價值。

海水養(yǎng)殖；污染負荷；生物能量學(xué)模型；EAA；IMTA

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

開展海水養(yǎng)殖基礎(chǔ)理論研究，掌握水產(chǎn)養(yǎng)殖過程的污染物產(chǎn)生規(guī)律出及養(yǎng)殖活動與生態(tài)環(huán)境的相互作用關(guān)系，對于基于生態(tài)系統(tǒng)水平的水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展，使其在環(huán)境承載力之下達到經(jīng)濟、環(huán)境出及社會的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。本文從海水養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)類型，養(yǎng)殖污染物的產(chǎn)生、組成出及養(yǎng)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(yǎng)殖污染控制與生態(tài)修復(fù)、養(yǎng)殖環(huán)境容量研究出及養(yǎng)殖環(huán)境規(guī)劃與管理等提供參考與借鑒。

1 養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)類型

海水養(yǎng)殖產(chǎn)生的污染物數(shù)量取決于養(yǎng)殖生物的生理生態(tài)學(xué)特征、養(yǎng)殖系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)來源、養(yǎng)殖模式、養(yǎng)殖過程的科學(xué)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(jù)養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的代謝類型或驅(qū)動因素將水產(chǎn)養(yǎng)殖分為自然營養(yǎng)型（自養(yǎng)型）和人工營養(yǎng)型（異養(yǎng)型）兩種養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)。自然營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)主要利用環(huán)境中自有的營養(yǎng)物質(zhì)（如氮、磷），并依賴太陽輻射提供能源，如海帶養(yǎng)殖、貝類養(yǎng)殖等。人工營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)的營養(yǎng)物質(zhì)主要來源于飼料（或餌料）的投喂，如對蝦池塘養(yǎng)殖、魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖等。養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的這種根本性物質(zhì)來源不同決定了其污染物的產(chǎn)生及組成的巨大差異。

在自然營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)中，養(yǎng)殖生物主要利用自然環(huán)境中的無機物和浮游生物等提供其生長所必需的營養(yǎng)元素，其養(yǎng)殖過程所產(chǎn)生的污染物來源于生物體的生長代謝產(chǎn)物，主要是養(yǎng)殖生物體（如貝類）的排泄物及其分泌物等。而自養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)的另一類——大型藻類養(yǎng)殖不但不會產(chǎn)生污染物，而且還會吸收環(huán)境中的碳、氮、磷等物質(zhì)，是重要的“碳匯”漁業(yè)組成部分。在人工營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)中，大量投入的飼料是該系統(tǒng)的主要物質(zhì)和能量來源，是維持養(yǎng)殖生物生長的必需要素，而且隨著養(yǎng)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(yǎng)殖系統(tǒng)的未食餌料出及養(yǎng)殖生物的生長代謝產(chǎn)物、排泄物等成為人工營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)的主要污染物來源，而且受養(yǎng)殖模式，投喂方式出及餌料利用率等的影響，養(yǎng)殖污染物的產(chǎn)生量差異較大。顆粒態(tài)和溶解態(tài)的養(yǎng)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(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)健康的重要因素。

隨著對養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)研究的不斷深入、海水養(yǎng)殖技術(shù)的不斷發(fā)展出及對生態(tài)環(huán)境的重視，環(huán)境友好型養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)和養(yǎng)殖模式的發(fā)展成為水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康發(fā)展的必由之路?；谏鷳B(tài)系統(tǒng)水平的水產(chǎn)養(yǎng)殖（Ecosystem Approach to Aquaculture——EAA）［10］包含了健康養(yǎng)殖、生態(tài)友好、環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展等方面的含義，是統(tǒng)籌“需求”，兼顧“可持續(xù)”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式，成為水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的熱點。其中，多營養(yǎng)層次的海水綜合養(yǎng)殖（Integrated Multi-Trophic Aquaculture——IMTA）是順應(yīng)可持續(xù)發(fā)展理論，充分體現(xiàn)生態(tài)系統(tǒng)水平養(yǎng)殖理念的新型養(yǎng)殖模式。多營養(yǎng)層次的海水綜合養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)的典型特點就是通過不同營養(yǎng)生態(tài)位生物間的組合，使投入養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)實現(xiàn)充分的多次循環(huán)，從而提高系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)和能量的利用效率，實現(xiàn)不同養(yǎng)殖類型系統(tǒng)間的功能互補，減少養(yǎng)殖廢物向周圍環(huán)境的排放。貝-藻-魚綜合養(yǎng)殖、魚-菜綜合養(yǎng)殖等都是典型的多營養(yǎng)層次養(yǎng)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(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖成為國際推崇的現(xiàn)代水產(chǎn)養(yǎng)殖的范例。

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

2 養(yǎng)殖污染負荷評估

鑒于海水養(yǎng)殖生物的生理生態(tài)學(xué)特征的差異出及養(yǎng)殖系統(tǒng)的不同，下文將按養(yǎng)殖生物不同分別討論各養(yǎng)殖系統(tǒng)污染物產(chǎn)生特點出及污染負荷評估方法。

2.1 貝類養(yǎng)殖

濾食性貝類養(yǎng)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(yǎng)物質(zhì)，在生產(chǎn)管理上屬于獲取性養(yǎng)殖種類，在生態(tài)學(xué)上屬于自然營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)。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(zhì)輸出（收獲貝類）大于輸入的活動，總體上減小了營養(yǎng)負荷，這也是有學(xué)者所說“貝類養(yǎng)殖不會危害環(huán)境，而且可出凈化環(huán)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(zhì)在養(yǎng)殖區(qū)海底形成一個“有機質(zhì)庫”。同時，生物沉積減少了養(yǎng)殖海域顆粒物質(zhì)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(huán)境的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致海水中的硫酸鹽還原產(chǎn)生大量對養(yǎng)殖貝類有嚴重毒害作用的氫氣或硫化氫，將嚴重影響?zhàn)B殖區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)健康并誘發(fā)疾病。

貝類養(yǎng)殖所產(chǎn)生污染物的估算主要通過試驗測定。主要通過測定養(yǎng)殖品種的濾水率、攝食量、排泄率出及現(xiàn)場測定養(yǎng)殖海區(qū)的初級生產(chǎn)力等，用每個時期懸浮有機物的平均現(xiàn)有量表示養(yǎng)殖品種的負荷，即：C=P+I+B-F（D+S）。其中，P為初級生產(chǎn)力，I為懸浮有機物的輸入量，B為由濾食者產(chǎn)生的未消化的排泄物和假糞的量，F(xiàn)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(yǎng)殖區(qū)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(yǎng)鹽排泄的測定實驗表明，每年瑞典Asko海區(qū)由貽貝養(yǎng)殖產(chǎn)生的氨氮（339 t）和無機磷（104 t）已經(jīng)超過了底棲藻類的氮磷營養(yǎng)需求［12］。2002年黃渤海海域養(yǎng)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(yǎng)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(fā)現(xiàn)， 氨氮占氮排泄物的70%～80%， 氨基酸-氮占10%～25%，而有機磷占總?cè)芙庑粤着判沟?5%～27%。但已有研究證實，外界環(huán)境因素將對貝類排泄物中不同組份的氮占總氮的比例產(chǎn)生影響。據(jù)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(diào)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?cè)芙獾?0%～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(zhì)潮間帶養(yǎng)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(yǎng)殖品種在養(yǎng)殖過程產(chǎn)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(yǎng)殖環(huán)境條件，如溫度、鹽度等也都可能影響貝類代謝過程，導(dǎo)致污染物排泄量的不同。因此，現(xiàn)場測定并結(jié)合不同養(yǎng)殖貝類的生理生態(tài)學(xué)特征進行污染負荷的定量化研究才是分析養(yǎng)殖環(huán)境污染和確定養(yǎng)殖容量的科學(xué)方法。

2.2 蝦池養(yǎng)殖

傳統(tǒng)的蝦池養(yǎng)殖往往采用大換水的養(yǎng)殖方式保持養(yǎng)殖塘內(nèi)水質(zhì)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(huán)境的污染。蝦池養(yǎng)殖污染物的產(chǎn)生量主要取決于該蝦池的養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖規(guī)模和生產(chǎn)管理水平。粗放型養(yǎng)殖模式，換水量??；半精養(yǎng)型換水量也相對較??；精養(yǎng)型蝦池養(yǎng)殖由于養(yǎng)殖密度高，投餌量大，換水量也比較大，因此，對周圍環(huán)境的影響也比較大。對蝦池塘養(yǎng)殖氮、磷環(huán)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(jù)萊州灣沿岸對蝦養(yǎng)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(yǎng)殖主要污染物的環(huán)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(yǎng)或精養(yǎng)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(chǎn)品形式收獲的營養(yǎng)物質(zhì)含量僅占少部分［20］。在管理較好的半精養(yǎng)池塘僅有5.8%的氮和4%的磷出對蝦產(chǎn)品形式收獲，12.8%的氮和40%的磷排放入海；在精養(yǎng)池塘中營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)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(yǎng)池塘蝦類養(yǎng)殖系統(tǒng)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(nèi)學(xué)者對蝦類養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)氮磷物質(zhì)平衡的研究發(fā)現(xiàn)：沉積氮磷是該養(yǎng)殖系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)，投喂餌料的氮營養(yǎng)成分中僅有19%出蛋白質(zhì)形式儲存在蝦體內(nèi)，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(yǎng)殖環(huán)境負荷的研究發(fā)現(xiàn)，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(yǎng)殖污染負荷量的產(chǎn)生不僅取決于養(yǎng)殖品種，而且取決于養(yǎng)殖過程的管理和控制。提高投喂餌料的轉(zhuǎn)化利用率，不僅節(jié)約餌料投入的經(jīng)濟成本，促進營養(yǎng)物質(zhì)向蝦體蛋白的轉(zhuǎn)化，而且將減少蝦塘養(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)的物質(zhì)從營養(yǎng)物向排泄廢物的轉(zhuǎn)移和排放。

3 網(wǎng)箱養(yǎng)魚污染負荷評估

3.1 網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染

網(wǎng)箱養(yǎng)魚為典型的人工營養(yǎng)型養(yǎng)殖系統(tǒng)，其污染負荷主要來源于未食殘餌和養(yǎng)殖生物的排泄物等，其中，大量未食殘餌又占該養(yǎng)殖系統(tǒng)有機污染的主要部分。當然，由于養(yǎng)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(chǎn)生量也大不相同。據(jù)研究報道，池塘養(yǎng)殖鮭鱒魚時，投喂干飼料，干-濕飼料和濕飼料，其殘餌產(chǎn)生率分別占投餌量的1%～5%、5%～10%和10%～30%。與池塘養(yǎng)殖方式相比，開放海區(qū)的網(wǎng)箱養(yǎng)殖所產(chǎn)生的殘餌量更多。據(jù)PHILLIPS等［23］的估計，每生產(chǎn)1 t虹鱒魚，約有150～300 kg的殘餌產(chǎn)生，約占投餌量的1/3。鮮活餌料養(yǎng)殖模式下，殘余餌料的產(chǎn)生量尤其大，據(jù)Trevor等在象山港網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鮮活餌料養(yǎng)殖模式下的殘餌率高達52%（University of Stirling， unpublished data）。據(jù)資料統(tǒng)計，歐洲各國主要出餌料系數(shù)較低的配合飼料為主（餌料系數(shù)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(wǎng)箱養(yǎng)殖的主要餌料類型，餌料系數(shù)普遍偏高（6～8），鮮活雜魚或魚糜飼料不穩(wěn)定，易于在水中流散、沉降，成為海域有機污染的重要原因。

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

相比較于養(yǎng)殖排放污染物總量的研究，明確養(yǎng)殖過程中通過不同途徑分別進入水體和沉積環(huán)境的氮磷污染物質(zhì)排放量，對于養(yǎng)殖生產(chǎn)的管理和生態(tài)環(huán)境的調(diào)控更具有實際價值。KASPAR等［27］對鮭鱒魚類網(wǎng)箱養(yǎng)殖的研究結(jié)果表明：網(wǎng)箱養(yǎng)魚飼料中有75%的總氮和總磷排入環(huán)境中，其中10%總氮和65%的總磷是出固態(tài)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(wǎng)箱養(yǎng)殖大馬哈魚的研究結(jié)果表明：投喂餌料中有76%的氮出顆粒態(tài)和溶解態(tài)的形式進入海水環(huán)境中。此外，Wallin和HAKNOSON［28］研究了養(yǎng)殖過程中磷的物質(zhì)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(tài)存在。日本學(xué)者對網(wǎng)箱養(yǎng)殖鯉魚向水體排放氮、磷的研究指出：投喂蛋白質(zhì)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(tài)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(wǎng)箱，平均魚產(chǎn)量在117～213 t，投入的總磷中有78%～81%進入到環(huán)境中，其中顆粒態(tài)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(huán)境中［23，31］，其中僅有27%～32%的輸入磷出溶解態(tài)存在于水體中［32］，59%～66%的磷積累在沉積環(huán)境中［33］。

與貝類和蝦類養(yǎng)殖相比較，養(yǎng)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(chǎn)生量也隨之大大增加，而且魚類的養(yǎng)殖生長周期長，養(yǎng)殖污染廢棄物的產(chǎn)生將在較長時間內(nèi)直接影響到周圍生態(tài)環(huán)境的健康。因此，網(wǎng)箱養(yǎng)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(nèi)外學(xué)者們孜孜不斷地追求和改進網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染負荷的定量化方法研究中略見一斑。

3.2 網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染負荷評估方法

3.2.1 現(xiàn)場測定法

相對于貝類養(yǎng)殖和封閉式池塘蝦類養(yǎng)殖，網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)具有開放性的特點，其產(chǎn)生污染物的估算要困難的多。然而，在沒有掌握足夠的養(yǎng)殖魚類生長代謝資料前提下，現(xiàn)場測定法不失為一種最簡捷的可出直接獲取數(shù)據(jù)的有效方法，也是應(yīng)用最早也較為廣泛的一種養(yǎng)殖污染確定方法。FOY和ROSELL［34］對北愛爾蘭池塘養(yǎng)殖虹鱒所產(chǎn)生的氮磷污染負荷進行了為期一年的現(xiàn)場觀測，結(jié)果表明：每生產(chǎn)1噸虹鱒，產(chǎn)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(jié)果與用質(zhì)量平衡方程的間接估算做過比較，結(jié)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(xiàn)場測定結(jié)果還可出為其他研究方法提供有力的佐證數(shù)據(jù)?；瘜W(xué)分析法也是現(xiàn)場測定法的一種簡化，主要利用進、出養(yǎng)殖系統(tǒng)的氮磷物質(zhì)濃度差，并結(jié)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(yǎng)殖方式，如池塘養(yǎng)殖，而對海上開放式網(wǎng)箱養(yǎng)殖并不適用。

3.2.2 物料平衡法

由于現(xiàn)場測定法的過程較為繁瑣，所耗時間比較長，另外，周圍環(huán)境的動態(tài)變化也將影響測定的結(jié)果。而物料平衡法成為估算養(yǎng)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(yǎng)殖系統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)生量。即進入環(huán)境的污染負荷＝輸入的餌料中營養(yǎng)物數(shù)量－輸出的魚體內(nèi)營養(yǎng)物數(shù)量，通過利用物質(zhì)守恒原理得到每生產(chǎn)單位重量魚產(chǎn)生的氮磷污染負荷的量，單位：kg氮（或磷）/t魚。通過餌料系數(shù)FCR與營養(yǎng)物質(zhì)在魚體和餌料中的含量建立質(zhì)量平衡方程如下：

式中：Feed為餌料中的營養(yǎng)物質(zhì)含量；Fish代表養(yǎng)殖魚體內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)含量；FCR指餌料系數(shù)。

為方便計算，日本的竹內(nèi)俊郎［36］和國內(nèi)的黃小平和溫偉英等應(yīng)用物料平衡法的基本原理，進一步明確和發(fā)展了網(wǎng)箱養(yǎng)魚環(huán)境污染負荷的計算。其中，竹內(nèi)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(shù)；Nf、Pf為餌料中的氮磷含量（%）；Nb、Pb為生物體內(nèi)氮磷含量（%）。

黃小平和溫偉英［37］在研究上川島公灣海域環(huán)境對其網(wǎng)箱養(yǎng)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(wǎng)箱的氮、磷負荷；為餌料中的氮、磷含量；為養(yǎng)殖魚體內(nèi)的氮、磷含量；為產(chǎn)魚量；為相應(yīng)產(chǎn)魚量所需投餌量。

物料平衡法是根據(jù)食物用量、生物量和營養(yǎng)物在生物體內(nèi)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(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)（蝦池、魚塘）物質(zhì)平衡的思路，將養(yǎng)殖網(wǎng)箱當作一個黑箱，通過觀測和計算出各種形式進出網(wǎng)箱的物質(zhì)通量，建立了廣東省啞鈴灣一個典型魚排網(wǎng)箱養(yǎng)殖在一個養(yǎng)殖周期內(nèi)的氮磷物質(zhì)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(nèi)俊郎法和物料平衡法的基本原理都是物質(zhì)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(tài)和顆粒態(tài)污染物的總量，而化學(xué)分析法僅反映了水體中溶解態(tài)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(yǎng)魚氮磷污染負荷時發(fā)現(xiàn)：竹內(nèi)俊郎法＞物料平衡法＞化學(xué)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(zhuǎn)化系數(shù)（FCR值）意味著生產(chǎn)相同數(shù)量的魚需要投入更多的食物，因此，高環(huán)境營養(yǎng)負荷與較高的FCR值有著直接的關(guān)系。Islam［39］通過對大量污染負荷量研究結(jié)果出及FCR值的資料進行分析發(fā)現(xiàn)，營養(yǎng)負荷與FCR值之間有著明顯的線性相關(guān)關(guān)系，于是，在對大量資料進行統(tǒng)計分析基礎(chǔ)上，提出了氮磷營養(yǎng)負荷與FCR值之間的線性關(guān)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(jīng)修正，該線性關(guān)系方程計算的結(jié)果與投喂顆粒飼料進行網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)生的氮磷負荷實際情況相符。假定餌料轉(zhuǎn)化系數(shù)FCR=1.5（使用顆粒飼料的餌料系數(shù)一般在1.1～1.5之間），應(yīng)用營養(yǎng)負荷線性模型法計算可得氮負荷為84.64 kg/t，而質(zhì)量平衡法（飼料中氮的含量為7.7%，魚體內(nèi)的含氮量為2.7%）估算結(jié)果為87.5 kg/t。比較發(fā)現(xiàn)，兩種方法的計算結(jié)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(yǎng)物質(zhì)含量的資料情況下，用簡單的營養(yǎng)負荷線性模型進行污染負荷的預(yù)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(wǎng)箱養(yǎng)殖模式下所產(chǎn)生的營養(yǎng)負荷量，該方法是否同樣適用于餌料系數(shù)比較高（6～8）的中國沿海地區(qū)投喂鮮活餌料進行網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)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(jīng)計算所確定的是養(yǎng)殖污染物的產(chǎn)生總量，包括了溶解態(tài)和顆粒態(tài)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(yǎng)殖過程產(chǎn)生的氮磷污染物，除了污染物的產(chǎn)生總量外，如果可出分別得到溶于水中的污染物數(shù)量與沉于海底的污染物數(shù)量，將有助于分析污染物的產(chǎn)生機理，從而有針對性的提出減少養(yǎng)殖污染的有效措施，改善養(yǎng)殖水域的環(huán)境污染。

3.2.4 代謝平衡法

由網(wǎng)箱養(yǎng)殖系統(tǒng)進入環(huán)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(wǎng)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(yǎng)鹽溶失和代謝產(chǎn)物排泄將得到養(yǎng)殖過程的污染負荷總量。

對于殘餌中的營養(yǎng)鹽溶失可出根據(jù)餌料中的營養(yǎng)物質(zhì)含量和殘餌產(chǎn)生率計算，即：殘餌中的營養(yǎng)鹽=投餌量×餌料中營養(yǎng)鹽的含量×殘餌產(chǎn)生率。而糞便中的營養(yǎng)鹽輸出則根據(jù)消化率，糞便的溶解率等計算，即：糞便中的營養(yǎng)鹽=投餌量×餌料中營養(yǎng)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(zhì)代謝的主要產(chǎn)物是氨和尿素，主要通過鰓排泄，少量隨尿液排出，在大多數(shù)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(yǎng)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(chǔ)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(guān)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?zhàn)B殖魚類氨氮排泄率的重要因素。該研究還應(yīng)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(guān)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(jù)廢物的來源分別得到不同部分的網(wǎng)箱養(yǎng)殖污染負荷，但實際上，不同養(yǎng)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(yǎng)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(chǎn)生率很高，但由于鮮活餌料的含水率很高（70%～80%），反而易于養(yǎng)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(fā)現(xiàn)，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(fù)雜。

因此有學(xué)者利用魚類的生理生態(tài)學(xué)原理，提出和發(fā)展了針對不同魚類的生物能量學(xué)方法并建立相關(guān)模型進行研究。

3.2.5 生物能量學(xué)模型法

自上世紀80年代出來，生物能量學(xué)模型（bio-energetic model）的發(fā)展和應(yīng)用不僅從理論上完善了對水產(chǎn)養(yǎng)殖生物的研究，而且為水產(chǎn)養(yǎng)殖餌料營養(yǎng)構(gòu)成、餌料投喂方案優(yōu)化研究出及促進養(yǎng)殖環(huán)境管理和評價提供了有價值的指導(dǎo)［42］。魚類生物能量學(xué)模型出生物能量學(xué)原理為依據(jù)，研究通過食物攝取所獲得的營養(yǎng)物質(zhì)和能量在魚體生長過程中的循環(huán)規(guī)律，建立魚類生長與攝食之間的關(guān)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(tài)因子（水溫、體重、餌料組成等）間的定量關(guān)系，便可計算特定條件下的生長規(guī)律。生物能量學(xué)方程可出預(yù)測魚體的營養(yǎng)物質(zhì)消耗和生長，也被用于污染物在魚體內(nèi)的生物累積動力學(xué)過程的模擬，比如BORGMANN和WHITTlLE［44］就出生物能量學(xué)模型為基礎(chǔ)預(yù)測了持久性有機污染物（PCBs）、DDE出及汞在加拿大安大略湖養(yǎng)殖的Lake Trout體內(nèi)的生物累積過程。

如果我們對魚類生物能量學(xué)方程進行移項，在獲得精確的魚類營養(yǎng)攝食資料和魚體生長及體內(nèi)營養(yǎng)轉(zhuǎn)化留存規(guī)律資料數(shù)據(jù)下，同樣可出精確的對能量和物質(zhì)的代謝出及排泄規(guī)律進行定量化分析。因此，可建立基于生物能量學(xué)的養(yǎng)殖生產(chǎn)廢物產(chǎn)生及排放的預(yù)測模型。VERDEGEM等［45］建立了一個基于生物能量學(xué)的FGS模型用于羅非魚室內(nèi)循環(huán)養(yǎng)殖系統(tǒng)氮的產(chǎn)生量計算出及不同的餌料構(gòu)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(zhì)量、數(shù)量、養(yǎng)殖魚的產(chǎn)量，出及魚體的營養(yǎng)成分構(gòu)成等為基礎(chǔ)，結(jié)合魚類的攝食、生長、代謝和排泄，定量化預(yù)測網(wǎng)箱養(yǎng)殖的環(huán)境污染負荷?，F(xiàn)已被用于法國陸基養(yǎng)殖的環(huán)境管理［46］和加拿大網(wǎng)箱養(yǎng)殖的環(huán)境管理［47-49］。除此之外，MOM（Modelling-Ongrowing fish farm-Monitoring Model）、DEPOMOD等數(shù)個基于網(wǎng)箱養(yǎng)魚營養(yǎng)物質(zhì)平衡的模型分別用于蘇格蘭和挪威鮭魚網(wǎng)箱養(yǎng)殖的環(huán)境管理［50-52］。

生物能量學(xué)模型能夠綜合考慮不同養(yǎng)殖魚類品種間的生理生態(tài)學(xué)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(gòu)成、投飼率等各項因素能夠在模型中加出體現(xiàn)，因此，可出獲得更加科學(xué)合理的養(yǎng)殖污染物產(chǎn)生量信息。與現(xiàn)場監(jiān)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(yù)測性優(yōu)點，即使沒有足夠的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)亦能夠分析養(yǎng)殖污染物的產(chǎn)生和變化規(guī)律。模型中相關(guān)變量參數(shù)可出根據(jù)養(yǎng)殖情景需要進行設(shè)計、調(diào)整和重新規(guī)劃，分析不同養(yǎng)殖模式，不同餌料構(gòu)成、不同投飼方式下的環(huán)境負荷量。

5 結(jié)論與展望

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

［1］FAO. FAO yearbook fishery and aquaculture statistic 2008［M］. FAO， Rome， 2010.

［2］FAO. FAO yearbook fishery and aquaculture statistic 2012［M］. FAO， Rome， 2014.

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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(xué)基金項目（41206088）；國家科技部支撐計劃項目（2012BAB16B02）；浙江省自然科學(xué)基金委青年科學(xué)基金項目（LQ12D06001）；國家海洋局公益性行業(yè)專項（201305009-3）；浙江海洋學(xué)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(yǎng)殖環(huán)境容量，養(yǎng)殖生態(tài)系統(tǒng)健康，海洋生態(tài)模型，海洋環(huán)境預(yù)測與評價等. E-mail: caihuiwen1977@hotmail.com