循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的環(huán)境可持續(xù)發(fā)展與氣候變化的研究

王海姮，侯昊晨

（設(shè)施漁業(yè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧 大連 116023）

“循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)”（Recirculating Aquaculture System，簡稱“RAS”）是一種潛在的適應(yīng)策略，是生態(tài)友好、高密度、高產(chǎn)量、高投入、高效益的集約化養(yǎng)殖模式。考慮到環(huán)境的脆弱性對魚類生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展存在一定的影響，循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)在室內(nèi)受控環(huán)境中工作，受降雨變化、洪水、干旱、全球變暖、氣旋、鹽度波動、海洋酸化和海平面上升等氣候因素的影響較小。由于設(shè)計(jì)復(fù)雜和系統(tǒng)昂貴，RAS還沒有被廣泛應(yīng)用，特別是在發(fā)展中國家應(yīng)用較少。因此需要對技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)一步研究，建立低成本、節(jié)能的RAS，以加強(qiáng)水產(chǎn)品生產(chǎn)，減少溫室氣體排放和適應(yīng)氣候變化。

1 循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)概述

RAS最早的開創(chuàng)性研究始于20世紀(jì)50年代的日本，RAS“魚菜共生”技術(shù)發(fā)展了近40年。“魚菜共生”是一種適應(yīng)氣候變化的水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)，在不同的季節(jié)生產(chǎn)各種作物（水果和蔬菜）[1]。20世紀(jì)70年代，德國的一個試驗(yàn)項(xiàng)目證明在RAS中集約化生產(chǎn)鯉魚具有可行性，隨后，丹麥水產(chǎn)養(yǎng)殖研究所進(jìn)行了一項(xiàng)創(chuàng)新性研究，進(jìn)一步完善了RAS技術(shù)。用RAS進(jìn)行商業(yè)魚類生產(chǎn)的想法最早是于20世紀(jì)70年代中期在丹麥被提出來的[2]，此后在1980年建造了第一個商業(yè)化RAS。21世紀(jì)以來，RAS在歐洲、北美、澳大利亞和其他水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)國得到了進(jìn)一步發(fā)展[2]。

在過去的20年間，RAS技術(shù)獲得了顯著發(fā)展，并在最近幾年變得更加流行。在氣候條件不充分、水資源短缺、水質(zhì)差以及存在其他不利因素的地區(qū)，RAS被開發(fā)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖[3-5]。RAS是一種陸基的室內(nèi)養(yǎng)殖設(shè)施，魚類被儲存在一個受控環(huán)境的水箱中，通過去除魚類代謝廢物，經(jīng)過濾、凈化的水再循環(huán)回到系統(tǒng)中。水的凈化通過機(jī)械過濾[6-8]、生物過濾、滅菌和氧化反應(yīng)等過程來實(shí)現(xiàn)。通過復(fù)雜的過程，不斷提高處理效率，RAS的水應(yīng)用水平達(dá)到90%以上應(yīng)加強(qiáng)廢物管理并可以減少用水促進(jìn)營養(yǎng)回收。

RAS被納入“農(nóng)業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖一體化”系統(tǒng)，即所謂的水培方法。水培法被認(rèn)為是RAS的一種特殊類型，其中蔬菜與魚類共生，可以過濾水體，提高生物的多樣性。盡管RAS可以提高魚類產(chǎn)量，但目前RAS對全球水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的貢獻(xiàn)卻很小。由于一系列的社會、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)等因素，RAS仍沒有得到廣泛的應(yīng)用。RAS是一種初始投資很高、運(yùn)營成本高昂的工程方法[9]。盡管南亞和東南亞等地區(qū)水產(chǎn)品產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的89%[10]，但受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的限制，RAS在這些地區(qū)的應(yīng)用相當(dāng)緩慢。

2 環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展

淡水短缺是世界許多地區(qū)面臨的共同挑戰(zhàn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)和其他用戶，如農(nóng)場經(jīng)營者之間對淡水使用的競爭正在迅速增加。因此，糧食生產(chǎn)面臨挑戰(zhàn)，必須通過有效利用水資源來提高產(chǎn)量。在全球范圍內(nèi)，2010年水產(chǎn)養(yǎng)殖消耗了201 km3淡水，預(yù)計(jì)到2050年將達(dá)到469 km3。雖然從概念上講，水產(chǎn)養(yǎng)殖不是一種耗水的生產(chǎn)方式，而且養(yǎng)殖廢水可以被其他行業(yè)充分利用，但會產(chǎn)生負(fù)的水足跡，主要是通過滲透和蒸發(fā)導(dǎo)致水損失。RAS對水的依賴性比流水式系統(tǒng)低93%，比傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)低90%~99%，相對來說是一種更為友好的生產(chǎn)方式，有助于節(jié)約水資源[11-13]。

生物絮團(tuán)是一種復(fù)合技術(shù)[14]，可以減少飼料和能源消耗，提高養(yǎng)殖效益，保證環(huán)境的可持續(xù)性。通過在RAS中應(yīng)用生物絮團(tuán)技術(shù)，可以進(jìn)一步減少用水，實(shí)現(xiàn)廢水零排放。生物絮團(tuán)具有益生菌的功能，可以為魚類提供額外的營養(yǎng)，從而提高魚類生長性能，增強(qiáng)免疫反應(yīng)，并減少氧化應(yīng)激。RAS由于具備低成本、環(huán)境友好、預(yù)防疾病、處理廢物和增加產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被發(fā)展中國家的農(nóng)民所接受。因此，生物絮團(tuán)技術(shù)是一種可持續(xù)的替代方法。

RAS通常被認(rèn)為是節(jié)水農(nóng)業(yè)，因?yàn)槠浜乃康汀⒀h(huán)水回用率高、廢物管理優(yōu)化。RAS廢水表現(xiàn)為高濃度污泥的形式，這些污泥相對容易管理，可以用作蔬菜種植肥料，至少易于從農(nóng)業(yè)廢水中分離出來，不進(jìn)入集水區(qū)生態(tài)系統(tǒng)。通過過濾、提取和濃縮過量的營養(yǎng)物質(zhì)，管理良好的RAS不會造成水污染和富營養(yǎng)化。RAS的富營養(yǎng)化可能性比流水式系統(tǒng)低26%~38%，比傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)低40%。RAS綜合多營養(yǎng)有效設(shè)計(jì)可以最大限度地減少養(yǎng)殖排放和海洋污染，從而控制疾病。

RAS可以實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的糧食生產(chǎn)，采用RAS可以帶來廣泛的環(huán)境效益。土地利用率高是RAS的一個關(guān)鍵的環(huán)境效益特征[15]。在土地、水獲取有限的地方，RAS系統(tǒng)是非常合適的，因?yàn)镽AS系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)，其使用的土地面積不到1%。RAS可被視為一種可持續(xù)的集約化方法，在對環(huán)境不造成負(fù)面影響的情況下能夠生產(chǎn)更多的魚類。

3 氣候變化的影響和適應(yīng)

RAS在室內(nèi)受控環(huán)境中工作，因此被認(rèn)為是一種可行的適應(yīng)氣候變化的策略。實(shí)際上，RAS只受到氣候變化相關(guān)現(xiàn)象的最小影響，如降雨變化、洪水、干旱、全球變暖、氣旋、鹽度波動、海洋酸化和海平面上升等。

氣候變化對自然水循環(huán)有著深遠(yuǎn)的影響，如降雨強(qiáng)度及其變動性直接增加了干旱和洪水的頻率。傳統(tǒng)的內(nèi)陸淡水養(yǎng)殖利用池塘、河溝和稻田，非常容易受到干旱的影響，未來氣候變化情景可能會產(chǎn)生重大變化。然而RAS的好處是只需要輸入少量淡水，適應(yīng)氣候變化的能力是顯而易見的[16]。與此同時，隨著全球變暖，預(yù)計(jì)暴雨天氣頻率也會增加。據(jù)預(yù)測，到2050年，沿海洪災(zāi)的發(fā)生率將翻一番。

全球平均氣溫預(yù)計(jì)到2050年將上升1.5~2.0℃。水溫的最低限度升高可影響魚類的生長、健康和生產(chǎn)[17]。然而，全球變暖對RAS來說并不是一個問題，從極地到熱帶，包括沙漠和干旱地區(qū)，RAS可在各個地方進(jìn)行生產(chǎn)。除了氣溫上升，氣候變化還對海洋生態(tài)系統(tǒng)的其他方面產(chǎn)生重大影響。到2050年，全球86%的海洋會變得更酸，溫度更高[16]。海洋酸化影響水產(chǎn)品生產(chǎn)，但是RAS的魚類生產(chǎn)因封閉和受控環(huán)境而不會受到阻礙[17]。因此，RAS相對于其他水產(chǎn)養(yǎng)殖，對適應(yīng)氣候變化有直接貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

RAS是針對多種水產(chǎn)品的高產(chǎn)集約化養(yǎng)殖方式，可全年在各種地點(diǎn)進(jìn)行。然而，RAS是昂貴的、復(fù)雜的、高度工程化的系統(tǒng)，需要大量的資本投入。因此，大多數(shù)RAS在發(fā)達(dá)國家運(yùn)行。除了能源使用和相關(guān)的溫室氣體排放等缺點(diǎn)外，RAS是環(huán)境友好、節(jié)水的養(yǎng)殖方式，在相對較低的水量環(huán)境中養(yǎng)殖大量的魚類，具有強(qiáng)大的適應(yīng)氣候變化潛力。

RAS能夠在陸地、封閉和受控環(huán)境中運(yùn)行，不受氣候因素的影響，或僅受到很小的影響。因此，為了減少總投資成本和溫室氣體排放，有必要開發(fā)簡單、有彈性、低成本和更節(jié)能的RAS系統(tǒng)。在RAS中使用可再生能源可以顯著減少能源消耗和溫室氣體排放，水培法也可以減少能源消耗和溫室氣體排放。建立低成本的節(jié)能RAS需要實(shí)證研究，而且必須解決社會經(jīng)濟(jì)方面的困難，以便在發(fā)展中國家更廣泛地推廣RAS。