中國北方南美白對蝦不同養殖模式環境影響生命周期評價

陳麗嬌,楊懷宇,張靜怡,孫 琛

(上海海洋大學經濟管理學院,上海 201306)

水產養殖業的快速發展一方面保障了糧食和營養安全,另一方面不可避免地產生了一系列的環境問題,例如富營養化、酸化、魚粉稀缺等[1-3]。為實現水產養殖業健康綠色發展,水產養殖業的環境影響評估十分必要[4]。生命周期評價方法能系統評價研究對象在各個環節對環境的影響,評估更全面,優勢更明顯[5]。環境生命周期評價方法首先開始于工業企業,近幾年來,水產養殖業的環境生命周期評價極受重視。目前國外相關研究主要集中在3個方面:(1)不同養殖模式的環境生命周期比較研究,例如集約型、半集約型和粗放型模式環境影響比較[6-7]，開放循環系統和封閉循環系統對環境的影響[7-10]，單養模式和混養模式對環境的影響[11]。(2)不同水產養殖生物的環境生命周期分析。目前水產養殖環境生命周期分析的主要品種為魚類,蝦和貝類養殖也有一定研究,但主要集中在高價值品種,例如鮭魚(Oncorhynchustschawytscha)[7,9,12]、虹鱒魚(Oncorhynchusmykiss)[10,13-14]、花鱸(Lateolabraxjaponicus)[13]、大菱鲆 (Scophthalmusmaximus)[13]、尼羅羅非魚(Oreochromisniloticus)[7]、羅氏沼蝦(Macrobrachiumrosenbergii)[5,15]和貽貝 (MytilusGalloprovincialis)[16]等經濟價值較高的物種。(3)目前水產養殖環境生命周期分析較重視氣候變化、酸化和富營養化這3類環境影響指標[14]。

國內也逐漸開展了水產養殖環境生命周期評價的研究。例如李君等[17]進行了海洋貝類利用模式的生命周期評價研究。CAO等[5]對中國海南對蝦集約與半集約型養殖模式進行了對比研究。王國棟[18]選取中國北方同一區域中3種不同集約化水平的刺參養殖模式進行生命周期評價。陳中祥等[19]運用生命周期方法對虹鱒的3種養殖模式(網箱養殖、工廠化流水養殖和工廠化循環水養殖)的環境影響進行了比較。

筆者以我國北方沿海城市山東省日照市為調查點,對不同集約水平的南美白對蝦養殖模式進行環境生命周期評價,量化比較不同養殖模式下及不同養殖階段的環境影響。該研究不僅能為今后開展南美白對蝦綠色健康生態養殖提供參考,也能為水產品標準化生產和水產養殖生態補償政策提供依據,具有重要的應用價值。

1 研究方法

1.1 養殖模式

工廠化養殖均為大棚內水泥池養殖,一個棚中建有32個池子,每個池子面積為36 m2,深度為1.2 m。南美白對蝦前期蝦苗放養密度為500～600尾·m-2,養至60 d左右擴充至原來3倍左右大的池子繼續養殖,直至成蝦收獲。每天投喂5次。24 h連續充氧。養殖用水由水泵抽取地下海水至養殖池。工廠化養殖數據來源于5個樣本點。

池塘養殖大多建在距海5到10 km的近海海域,土池養殖,用充氧泵間歇性充氧,養殖用水由水泵抽取地下海水至養殖池。每個養殖池一般在0.024 hm2左右,水深約1.5 m,依賴自然溫度養殖。池塘養殖數據來源于5個樣本點。

1.2 數據的收集和處理

通過國家蝦蟹產業技術體系調研完成數據收集,選取的樣本點均為國家蝦蟹產業技術體系定點觀測點,所有物質和能量的投入以及相關生產數據由養殖從業者提供,排放數據由日照市海洋與漁業研究所提供,數據的采集和監測有較為嚴格的把控,樣本點養殖戶養殖技術處于行業中高水平。數據處理及環境生命周期建模采用eFootprint在線環境生命周期分析軟件進行。

1.3 環境影響類型指標選取

參考國際標準化組織(International Organization for Standardization,ISO)、環境毒理學與化學學會(Society of Environmental Toxicology and Chemistry,SETAC)、美國環境保護局(United States Environmental Protection Agency,USEPA)等國際組織的觀點[20]以及水產養殖業的實際情況,主要關注以下5種環境影響:氣候變化(GWP)、初級能源消耗(PED)、水資源消耗(WU)、酸化(AP)和富營養化潛值(EP)[21](表1)。首先，氣候變化和能源消耗是目前學界關注的重點;其次，水資源在中國北方是重要的限制性因素,富營養化也是水產養殖最受詬病的環境影響;第三,雖然水產養殖業的最終生產并不會排放SO2、NOx、NH3,但是在水產養殖投入品的生產和能源使用過程中可能有較多排放,所以在整個南美白對蝦養殖生命周期中也考慮了酸化指標。

表1 環境影響指標類型Table 1 Types of environmental impact index

1.4 生命周期評價模型

南美白對蝦生命周期評價模型采用eFootprint軟件構建,數據庫為中國生命周期基礎數據庫(CLCD),主要包括國內能源消耗、交通運輸、原材料等的數據集清單。生命周期評價模型[17]計算公式為

ηEP(j)=∑ηEP(j)i=∑[Q(j)i·ηEF(j)i]。

(1)

式(1)中,ηEP(j)為養殖活動對第j類潛在環境影響類型的貢獻值;ηEP(j)i為南美白對蝦生命周期中第i類環境影響因子對第j類環境影響的貢獻值;Q(j)i為南美白對蝦生命周期第j類環境影響類型所包含的第i種物質排放量;ηEF(j)i為第i種產出物質對第j種潛在影響的當量因子。

1.4.1特征化

在eFootprint軟件上建模計算得到2種養殖系統中單位產量(各生產1 t南美白對蝦)的生命周期評價(LCA)計算結果,根據國際標準ISO 14044《環境管理 生命周期評價 要求與方針》和我國國家標準GB/T 24040—2008《環境管理 生命周期評價 原則與框架》的規范和建議,采用當量因子法[22-23]對環境影響進行特征化〔根據不同物質對同一種環境影響類型的影響潛在程度,將其中1種物質作為基準物質(影響潛值取1),當量因子為相同質量的其他物質影響潛力與該基準物質影響潛值的比值〕。

(2)

式(2)中,Sk為第k種環境影響潛值的特征化結果;Qi為每單位投入或排放i物質的清單數量;ηEP(i)為第i種物質的環境影響當量因子。

1.4.2標準化及加權評估

(1)標準化。為比較不同類型環境影響的相對大小,將特征化結果根據所選基準值進行標準化,標準化基準值采用2000年全球人均環境影響潛值[24]。

ηNP(j)=ηEP(j)/ηER(j)2000。

(3)

式(3)中,ηNP(j)為標準化后的潛在環境影響和資源消耗;ηER(j)2000為2000年第j類環境影響類型的基準值。

(2)加權評估。不同環境影響類型對生態系統和人類健康的影響并不相同,所以需要對不同環境影響進行加權評估。權重值采用王明新等[25]設置的權重系數并對不同環境影響進行加權評估。

南美白對蝦生命周期評價環境影響指數公式為

ηWP(j)=ηWF(j)·ηNP(j)。

(4)

式(4)中,ηWP(j)為第j種環境影響潛值標準化結果;ηWF(j)為第j種環境影響的權重系數。

2 結果和討論

2.1 系統邊界與功能單位

研究主要考慮南美白對蝦養殖生產系統的環境影響,不包括銷售及消費階段的環境影響,具體包括養殖場基礎設施建設(投入品主要為水泥、紅磚、聚乙烯等,該項投入已根據使用年限分攤至每年)、南美白對蝦成蝦養殖(投入品主要為電、水、飼料,已根據需要轉化為每1 t耗費量)以及物質運輸過程中的輸入和排放。分析中未包括蝦苗的繁育以及消費階段的環境影響(圖1)。環境生命周期分析的功能單位為1 t南美白對蝦[24]。

圖1 南美白對蝦養殖系統生命周期流程Fig.1 Life cycle flow chart of Penaeus vannamei culture system

2.2 投入-產出清單分析

南美白對蝦養殖過程中的投入-產出清單如表2所示。清單中的數據為不同養殖系統中單位產量(各生產1 t南美白對蝦)的投入和產出,表格中的數值為樣本點均值。

表2 2種養殖系統中單位產量(各生產1 t南美白對蝦)的投入和產出Table 2 Input and output analysis of per unit production (1 ton of Penaeus vannamei)in two systems

1)養殖場基礎設施建設投入品已根據使用年限及使用年限內產量,將其轉換成1 a內1 t蝦的投入。2)氨氮和COD為換水前測定,由此可估計養殖氨氮和COD排放量。

2.3 影響評估

通過eFootprint軟件建模計算得2種養殖系統中單位產量的生命周期評價(LCA)計算結果(表3)。工廠化養殖產生的環境影響大于池塘養殖。

表3 2種養殖系統中單位產量(生產1 t南美白對蝦)的LCA計算結果Table 3 LCA calculation results of per unit production (1 ton of Penaeus vannamei)in two systems

2.4 環境影響潛值標準化和加權評估結果

標準化和加權評估結果(表4)顯示水資源消耗以及富營養化是水產養殖生產中最大的環境影響類型,標準化結果為LCA結果除以基準值(無量綱)。

2.5 分析和討論

2.5.1基礎設施建設階段環境影響最大

比較南美白對蝦養殖的3個階段,各個階段的環境影響大小依次為基礎設施、飼料生產階段和成蝦養殖階段(表5)。基礎設施建設所產生的環境影響遠大于飼料生產和成蝦養殖階段。基礎設施建設方面的環境影響主要表現在生產原料的制造上,即煤、化石燃料的消耗,水資源的消耗以及溫室氣體的排放,這與前人研究結果[5,18]基本一致。

表4 環境影響潛值標準化和加權評估結果Table 4 Results of standardization and weighted assessment of environmental impact potential

1)來源于文獻[24]中2000 年全球人均環境影響潛值;2)來源于文獻[25]中專家組評議設置的權重系數。

表5 工廠化養殖模式與池塘養殖模式3個階段環境影響指標值Table 5 Value of environmental impact index in three stages of industrialized and pond culture modes

盡管近年來養殖廢水污染備受關注,但從整個養殖生命周期來看,成蝦養殖階段環境影響大多小于基礎設施建設與飼料生產階段。因此,從環境污染治理的角度來看,加強水產養殖環境生命周期的上游階段治理可能效果更明顯。

2.5.2池塘養殖模式環境影響總量小于工廠化養殖

從生命周期角度來看,池塘養殖模式產生的環境影響小于工廠化養殖(表5)。國外相關研究也說明了這點,例如PELLETIER等[7]對比了粗放與半集約化2種養殖模式,發現印度尼西亞生產1 t羅非魚半集約化養殖模式的環境影響總量是粗放型養殖模式的1.2倍。CAO等[5]發現集約型養殖模式的環境影響總量是半集約的2倍以上。通常來講,池塘養殖模式依賴氣候條件和水質條件,因此養殖密度較工廠化養殖小,電能、飼料投喂和基礎設施建設方面的相關投入遠小于工廠化養殖,所以造成的環境影響較小。

2.5.3水資源消耗在整個養殖活動產生的環境影響占比最大

從整個養殖活動來看,水資源的消耗是5個環境影響指標中最大的。工廠化養殖的水資源消耗遠大于池塘養殖(表5)。水產養殖業需要消耗較多的水資源,而為提高經濟和生態效益,需要改善水域環境的水質和底質情況,需定期換水來保證水質[26],水資源消耗更大。

2.5.4富營養化在成蝦養殖活動產生的環境影響占比最大

僅考察成蝦養殖階段的環境影響,富營養化所占比例最高。前人研究結果也表明,養殖集約化程度越高,富營養化程度愈烈。如AUBIN等[13]研究了2種虹鱒養殖模式的環境影響,認為集約化程度越高,富營養化指標越大。MUNGKUNG等[15]研究了2種養殖物種(鯉魚和羅非魚)同一集約程度的環境影響大小,發現在養殖活動中,富營養化是最主要的環境影響。實地調研中也發現養殖活動中會有個別養殖戶池塘中藻類瘋長,富營養化嚴重,且養殖廢水不經處理就直接排放至自然水體。南美白對蝦工廠化養殖模式養殖密度是池塘養殖的16倍,飼料過度投喂及轉化率低均導致富營養化水體排放量更大。

3 建議

(1)加強水產養殖上游行業的環境治理。研究結果表明,基礎設施建設的環境影響在整個生命周期評價過程中的占比超過50%,水產養殖的上游行業是環境污染的主要貢獻者。因此,將環境治理的焦點集中于產業鏈的始端,會對水產養殖業的可持續發展起到事半功倍的作用。上游行業的減排和綠色升級不是漁業管理部門和地方環境管理部門能夠承擔的工作,需要國家的宏觀調控,從立法、司法、財政、稅收等多方面來解決這一問題。

(2)權衡考慮池塘養殖和工廠化養殖的生產規劃。池塘養殖模式環境影響指數小于工廠化養殖,但池塘養殖模式占地面積大,產量低,生產過程難以監控,水產品質量安全難以保證,片面強調環境影響而采用池塘養殖模式可能會造成水產養殖量供給不足。水產養殖行業發展需以生態目標、社會目標和經濟目標和諧統一為發展方向,這需要當地政府和漁業管理部門的合理規劃和有效指導,要求當地政府或者漁業部門因地制宜推廣池塘養殖或者工廠化養殖模式。

(3)改進飼料成分,精細投餌。養殖過程中產生的富營養化污染所占比例較大,主要原因在于在南美白對蝦養殖階段飼料的過度投喂。養殖戶總是依靠自身經驗決定投喂飼料量,從而造成了飼料剩余,養殖廢水各種指標超標,水質富營養化現象嚴重。這就需要政府部門加大養殖技術指導,開設相關養殖培訓課程或者增派技術專家現場指導,規范養殖流程,提高養殖科學化和標準化。另外,工廠化養殖南美白對蝦大多是單養模式,可適當發展混養模式,可以有效提高飼料利用率。調研中也發現,有養殖戶在池塘南美白對蝦養殖中搭配扇貝養殖,可起到清潔底質,改善水質的作用。

(4)提高水資源的有效利用。在成蝦養殖階段,水資源消耗是最重要的環境影響。無論工廠化養殖還是池塘養殖均需定期換水來保證水質,養殖用水量巨大,水資源消耗嚴重。另外調研地區所有養殖戶均將養殖廢水不經處理直接排放入海,造成附近海域富營養化。一方面,當地政府或環保部門應該加大環保支持力度,大力提倡循環水養殖,提高水資源利用效率,配合采用財政補貼等方式,積極推動養殖戶引進先進廢水處理裝置,同時加強監督管理,秉承“誰污染誰治理”原則,有效遏制廢水隨意排放現象,提升養殖戶養殖管理水平。

(5)建立對蝦生態標簽,引導市場綠色消費。在實地訪談調研時也發現,較少水產品有生態標簽。因此,政府及相關環境保護部門應充分發揮相關職能,完善對蝦生態標簽,加強對養殖戶進行生態標簽相關培訓與引導,提高養殖戶對生態標簽的接受度和認可度,培養養殖戶創建生態標簽的積極性。同時,提高消費者對水產品生態標簽的認知度和重視程度,普及相關生態養殖知識,引導綠色消費。